（通信与信息系统专业论文）利用diffserv机制实现无线局域网中tcp流公平性.pdf

浙江l ：业人学硕十学侮论文 图例 图卜1i n f r a s t r u c t u r e 模式无线局域网组网1 2 图卜2w b m 工作方式m 1 4 图l 一3a p 队列中的p e r - f l o w 模型”1 1 4 图2 - 1w l a n 网络基本模式：a dh o c 模式和i n f r a s t r u c t u r e 模式1 9 图2 2i e e e8 0 2 1 l 逻辑结构1 9 图3 - 1 本文所讨论的无线局域网网络拓扑2 2 图3 2 上下行流量比较( s n i f f e r 观测结果) 2 3 图3 3t c p 上下行流量比较( n s 2 仿真结果)2 5 图3 - 4o n eu p s t r e a mnd o w n s t r e a m 2 5 图3 5c s 姒c a 基本接入过程2 6 图3 6t c p 拥塞窗口变化情况2 8 图3 7lu p s t r e a mnd o w n s t r e a m ：理论计算与仿真结果3 1 图3 - 81u p s t r e a m1d o w n s t r e a m 分析与仿真结果比较3 l 图3 - 9n s 2 仿真实验的网络结构图3 2 图3 一1 0 缓冲区大小变化时丢包率以及f i 的变化趋势3 2 图3 一1 1 不同的下行流数量n 以及a p 缓存区大小下f i 值的变化3 3 图4 - 1d s c p 字段3 5 图4 2d sd o m a i n 、b o u n d a r yr o u t e ra n di n t e r i o rr o u t e r 示意图3 5 图4 3 边界路由器中的各功能模块的关系3 6 图4 - 4 网络结构示意图3 8 图4 - 51u p s t r e a m3d o w n s t r e a mw i t hd i f f s e r v 4 1 图4 - 62u p s t r e a m4d o w n s t r e a m 酊t hd i f f s e r v 4 1 图4 - 7lu p s t r e a mnd o w n s t r e a mw i t hd i f f s e r y 4 1 图5 1d i f f s e r v 动态自适应调节网络拓扑图4 4 图5 - 2n s 中无线节点的实现4 8 图5 3n s 2 中d i f f s e r vd y n a m i ca d a p t i v ea d j u s tp r o c e s s 基本流程图5 0 图5 4lu p s t r e a m3d o w n s t r e a mw i t h1 ) if f s e r vd y n a m i ca d a p t i v ea d j u s t a r i t h m e t i c 5 l 图5 - 52u p s t r e a m4d o w n s t r e a mw i t hd i f f s e r vd y n a m i ca d a p t i v ea d j u s t 7 浙江l ：业人学硕十学位论文 a r i t b u n e t i c bo oa 5 2 图5 咱公平性比较图5 3 图5 7 网络总吞吐量比较图5 4 图5 8 网络平均延迟比较图5 4 图5 呻丢包率比较图5 5 图5 1 0 上下行公平性比较图5 6 图5 一1 1 网络总吐吞量比较图5 6 图5 1 2 平均延迟比较图5 7 图5 1 3 丢包率比较图5 7 8 浙江l ：业人学硕十学何论文 表例 表3 一li e e e8 0 2 i l 定义的t s l o t 、c w m i n 和c w m a x 值2 7 表4 - i 上下行流量比较4 0 表5 - i 实验中各参数设置5 3 9 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 绦磊 日期：2 0 0 f q ：脏月斜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位沦文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 清在以上相应方框内打“”) 作者签名： 番菇 日期：p 年脏月2 争日 剧隧轹露帮醐：蹦年f j 吒曰 转谐 浙江，l 业人学硕士学位论文 题目：利用d j f f s e r v 机制实现无线局域网中t o p 流公平性 指导老师：梁丰教授作者：徐磊 摘要 无线局域网( w l a n ) 以其移动性和灵活性的特点得到了广泛应 用。随着网络速率的不断提高以及多媒体应用的发展，人们更希望无 线网络能够提供更好的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保 证，而如何保证各用户公平地享有带宽是提供q o s 保证的基础。公平 性问题也因此成为解决q o s 的关键问题之一。本文讨论基础结构模式 的无线局域网中t c p 上下行流之间的公平性问题。 i e e e 8 0 2 1 1 标准是目前应用最为广泛的无线网络标准。而在实际 使用的8 0 2 1 1 无线网络设备中，一般利用分布式协调功能( d c f ) 作 为其接入方式：该机制采用的c s 姒c a 协议虽然能够保证各个接入终 端之间公平的享有带宽，但是并不满足各个t c p 流之间的公平。而且 t c p 协议的控制机制同样也影响到t c p 上下行流之间的公平性。正是 由于上面两个原因，在大部分情况下会造成下行数据流速率明显小于 上行数据流的速率。而考虑一般用户对无线网络的使用情况( 如网页 浏览，数据下载等) ，更多的是依赖于下行流的数据。因此保证下行 流的速率，维护无线网络t c p 公平性十分必要。 对于此问题现已提出多种解决方案，其中大部分方法都试图对上 行数据流进行一定程度的限制，来保证下行数据流的吞吐率，但这些 方法都需对己存在的无线网络架构进行较大的改动，实际实现较为困 难。本文参考现有的各种方法，结合d i f f s e r v 机制，提出对每个数 据流进行流量调控，在有线网络部分对上行流数据的发送进行限制， 从而使a p 缓存大小满足数据报文的需要，实现数据流的公平性。由 于d i f f s e r v 是一种在计算机网络中已广泛使用的q o s 保证机制，因 此无需对现有的网络结构进行较大的修改。在之后的实验分析中，发 现此方法的确能够较好的实现数据流豹公平性，但由于d i f f s e r v 机 浙江l 业犬学硕士学位论文 制不能对低速数据流进行动态带宽调节，当出现低速数据流时会产生 一部分闲置带宽没有得到利用，而总体带宽不足的情况。为此，本文 在接下去对d i f f s e r v 机制进行了改进，提出动态自适应的算法。当 有新的数据流接入网络时，对照d i f f s e r v 路由器原先维护的队列规 则，确定网络中现存的数据流数量，并将无线带宽平均分配给所有的 数据流；d i f f s e r v 路由器定时测量的各数据流的速率，自适应算法根 据此数据动态对不同速率的数据流的带宽进行调节；当数据流停止 时，自适应算法会检测到此情况，收回分配的带宽，并将其分配给剩 余的数据流。此后的一系列实验结果表明该算法在单个上行多个下行 流和多个上下行流的情况下上下行平均速率之比能够较好的维持在一 左右。同时，此算法在总体网络吞吐量、平均网络延时以及丢包率等 网络性能上都获得了较好的表现：网络吞吐量保持在5 m b p s 左右；在 大部分情况下，平均时延和丢包率都比普通的无线网络环境下的实验 结果有明显的降低。此外，d i f f s e r v 动态自适应调节算法对硬件部分 不做任何改动，算法实现简单。因此该算法完全可以应用在无线网络 架构中，解决t c p 上下行流之间的带宽分配问题。 关键词：无线局域网( w l a n ) ，服务质量( q o s ) ，i e e e 8 0 2 1 1 ，t c p 公平性，d i f f s e r v 浙江in i , 大学硕士学位论文 r e a l 亿et c pf l o w sf a i r n e s si nw i r e l e s sl a n w l t hd i f f s e r v a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) b a s e do ni e e e8 0 2 1lh a sb e e na p p l i e d w i d e l yd u et oi t sm o b i l i t ya n df a c i l i t y w i t ht h eh i g d yi n c r e a s i n gs p e e di nd a t a t r a n s m i s s i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s ，s u p p o r t i n gq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) i nw l a n h a sb e e ni n c r e a s i n g l yd e m a n d e d t h eb a s i ci s s u e so f q o sa r c h o wt oe n s u r et h ef a i ra l l o c a t i o no f t h eb a n d w i d t hf o ra l lw i r e l e s su s e l s h e n c et h e f a i m e s si s s u ei so n eo f t h ek e yi s s u e st op r o v i d eq o si nw l a n i nt h i sp a p e r , w ew i l l d i s c u s st h eu n f a i r n e s sp r o b l e mb e t w e e nt c pu p s t r e a mf l o w sa n dd o w n s t r e a mf l o w s o v e ri n f r a s t r u c t u r e - m o d ew l a n t h ei e e e8 0 2 11s t a n d a r di st h em o s tw i d e l yu s e ds t a n d a r di nw l a n t o d a y t h e a c t u a lw i r e l e s sp r o d u c t su s et h ed i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ( d c f ) a st h eb a s i c a c c c s sm e t h o di nt h em a c i 町盯i tu s e sac a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ( c s m a c a ) p r o t o c o l ，w h i c hp r o v i d e st h ef a i rc h a n n e la c c e s sf o ra l la 】c c e s s n o d e s ，b u ts u f f e r sf r o mu n f a i r n e s sp r o b l e ma m o n gt c pf l o w s f u r t h e r m o r e t h ec o n t m i m e c h a n i s mo ft c pp r o t o c o la l s oi m p a c t so nt c pf a i m e s sb e t w e e nu p s t r e a l na n d d o w n s t r e a mf l o w s b e c a u s eo ft h et w ol e a s o n s t h er a t eo fd o w n s t r e a mf l o w sw i l lb e s m a l l e rt h a nt h a to f u p s t r e a mf l o w sa tt h em o s ts c e n a r i o s h o w e v e r , i nt h ec o n s i d e r a t i o n o ft h eu s 耐n e t w o r ku s i n gs i t u a t i o n ( w e bp a g eb r o w s i n g ，f i l ed o w n l o a d i n g ，a n de t c ) m o s to f t h e md e p e n do nt h ed o w n s t r e a mf l o wm o r et h a nt h eu p s t r e a mf l o w h e n c e , i ti s v e r yn e c e s s a r yt om a i n t a d nt h em 毛eo f d o w n s t r e a mf l o w sa n dt h ef a i r n e s so f t c pf l o w s t h e r ea r cm a n ys o l u t i o n st ot h i sp r o b l e m m o s to ft h es o l u t i o n st r yt or e s t r i c tt h e r a t eo fu p s t r e a mf l o w si ns o m ed e g r e e a l lt h e s es o l u t i o n sn e e dt oc h a n g et h ee x i s t i n g w i r e l e s sn e t w o r kf r a m e w o r k h o w e v e ri nf a c ti t sq u i t eh a r dt oa c c o m p l i s h b a s e do n t h e s es o h i t i 0 0 sa n dt h ed i f f s e r vp r o t o c o l ，w ed ot h et r a f 6 l ge o n t r o lo na l lf l o w s ，a n d r e s t r i c tt h ep a c k e t ss e n d i n gf r o mu p s t r e a mf l o w si no r d e rt om a k et h es i z eo f a p t sb u f f e r 3 浙江i ：业人学硕十学位论文 m e e tt h en e e do fa l lp a c k e t sa n da c h i e v et h et c pf a i r n e s s t h ed i f i n e r yi saw i d e l v u s e dm e c h a n i s mw h i c hg u a r a n t e e st h eq o sw e l l s ow ed o n tn e e dt oc h a n g et h e w i r e l e s sn e t w o r k d u r i n gt h ee x p e r i m e n t , w ef r e dt h i sm e t h o dc a l r la e h i e v et c pf a i r n e s s w e l l b u tt h ed i f t s e r vc a l l ta d j u s tt h eb a n d w i d t hd y n a m i e a u yt ot h el o wr a t ef l o w w h e nt h el o wr a t ef l o wc o m e so u t , ap a r to fb a n d w i d t ha l l o c a t e dt ot h i sf l o wc a n tb e u s e da b u n d a n t l y ，m e a n w h i l e ，t h eb a n d w i d t hf o rt h ew h o l en e t w o r kw o n tb es u l 日i e i e n t a f t e rt h a t 。w em o d i f l e dt h eo r i g i n a ld i f f s e r vm e c h a n i s m ，a n dg e tad y n a r n i ca d a p d v e a r i t h m e t i ct os o l , c et h i sp r o b l e m a c c o r d i n gt ot h i sa r i t h m e t i c ，w h e nt h er l e ：wf l o w a c c e s s e si nt h ew l a n c o m p a r i n gw i t ht h ec l a s s i f i e dr u l em a i n t a i n e db yd i f f s e r vr o u t e r , f i x e so nt h en u m b e ro fa c t i v ef l o w si nt h ew l a n a n da l l o c a t e st h eb a n d w i d t ht oa l l f l o w sa v e r a g e l y n l er o l l t e r $ a tt h ee d g eo ft h ed i f f s e r vd o m a i nm e t e rt h er a t eo fa l l f l o w sp e r i o d i c a l l y b a s e do nt h e s er a t e s t h ed y n a m i ca r i t h m e t i cc a na d j u s tt h e b a n d w i d t ho ff l o w sw i t hd i f f e r e n tr a t e s w h e nt h ef l o w sq u i tf r o mw l a n , t h ea r i t h m e t i c c a nd e t e c ti t , t h e nw i t h d r a w a it h eb a n d w i d t ha n da l l o c a t ei tt oo t h e rf l o w s n l er e s u l t so f t h es e r i e so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ea r i t h m e t i cc a l la c h i e v et h et c pf a i r n e s sw e l li n t h es c e n a r i oo fo n eu p s t r e a mf l o wa n dnd o w n s t r e a mf l o w so l rn u p s t r e a mf l o w sa n dn d o w n s t r e a mf l o w s f u r t h e rm o l e ，t h ea r i t h m e t i co f f e r sg o o dp e r f o r m a n c eo nt h r o u g h p u t , a v e r a g ed e l a ya n dp e r c e n to f p a c k e td r o p p e d ：t h et h r o u g h p u to f t h ew h o l en e t w o r kc a l t l k e e pa r o t m d5 m b p s m o s to f t h et i m e ，t h ev a l u e so f a v e r a g ed e l a ya n dp e r c e n to f p a j e k e t d r o p p e d i a r el o w e t h a nt h ev a l u e si nt h en o r m a lw l a n m o r e o v e l ，t h e r ei sn on e e dt o m o d i f yn l eh a r d w a r eo fw i r e l e s se q u i p m e n t sb yu s i n gd i 仃s e n ，d y n a m i ca d a p t i v ea d j u s t a r i t h m e t i c ，s ot h a tt h et c pf a i r n e s sp r o b l e mi nw i r e l e s sn e t w o r kc o u l db es o i v e dm o r e s i m p l ya n de c o n o m i c a l l yw i t ht h i sa r i t k m e t i e k e y w o r d s ：w l a n ；q o s ， e e e8 0 2 11 ，t c pf a i r n e s s ，d i f f s e r v 4 浙江l ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先对本文的研究背景与研究意义做了总结与概括，之后介绍了目前针 对芜线局域网中t c p 公平性问题所做的相关研究工作。然后就本论文的主要研究 贡献进行归纳。最后介绍了本论文结构和内容安排。 1 1 研究背景 自从1 9 7 7 年第1 个民用局域网系统a r c n e t 投入运行以来，局域网以其广泛 的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功和迅速的发展，己成为数据网络领 域中基于宿主机的最流行的网络连接形式。随着个人数据通信的发展，为了实现 何时何地均能通信的目的，要求传统的计算机网络由有线向无线，由固定向移 动，由单一业务向多媒体发展，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， v l a n ) 得到了进一步的发展。于是1 9 9 0 年1 1 月成立的i e e e 8 0 2 1 1 委员会，着 手制定无线局域网标准，并于1 9 9 7 年6 月制定出全球第一个无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1 1 ，有力地推动了该技术的迅速发展。 与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活，经济节约以及易于 扩展等特点，因而成为有线网络的有利补充，具备极大的应用前景。无线局域网 广泛地适用于各种场所，为用户提供高速内部网络互联或无线宽带i n t e m e t 接 入。要求应用场所包括： 办公室和家庭办公室，以及其它需要方便快捷地安装小型网络的场所如 车站临时联网售票点等。这些区域部署w l a n 可避免由于办公领域、家 庭设施的位置变更带来的麻烦。 公共场所，如展览厅、咖啡厅、校园会议室、机场、车站等，为用户在 这些场所进行宽带无线接入i n t e m e t 提供了灵活的技术手段。 野外环境，实现远距离信息的传输。如勘测、试验、军事、公安、交通 管理等场合。 难以稚线或布线成本太高的环境，包括老建筑、露天区域、各种酒店大 堂等场所。如在这些区域布设各种线缆，可能会影响设施原来的外观， 或者难以对有线网络进行有效的维护和管理，无线局域网则方便地解决 了这些难题。 值得密切关注的是，无线局域网开始是作为有线局域网的延伸而存在的，各 种单位广泛地采用了该技术来构建其办公网络。但随着应用的进一步发展，无线 1 0 浙江i ：业火学硕士学位论文 局域网j 下逐渐从传统意义上的局域网技术发展成为“公共无线局域网”，即成 为i n t e r n e t 宽带接入手段。 随着国外无线局域网的兴起，国内的无线局域网市场也在迅速发展。近两 年，诺基亚、i n t e l 、i b m 相继推出各具特色的无线局域网解决方案和产品服务， 与国内电信运营商携手推进v l a n 在国内市场的应用。国内厂商也纷纷开始看好 吡a n 市场，华为、中兴、大唐等设备厂商都开发了自己的网络产品供用户选择， 从网络系统的解决方案到无线客户机适配器、内置的无线网卡等都有。而且随着 w l a n 技术的不断创新，网络速率可以实现最高5 4 v l b p s 的数据速率，甚至更高。 无线局域网的迅速发展将为人们的生活带来巨大的变化。 1 。2 研究目的与意义 随着无线局域网应用范围的不断扩大，人们在不断追求高速率的同时，也发 现了无线局域网技术中存在的一些问题。这些问题的存在会严重阻碍无线局域网 的进一步发展。 这些问题主要分为四大类；服务质量、无线局域网管理、漫游以及与其他无 线技术之问的互操作性。其中服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e , q o s ) 问题已经成为 目前最热门的话题之一。而在无线网络环境中，提供q o s 保证还存在较大问题。 比如多个接入速率网卡共存时吞吐量均衡问题，以及t c p u d p 包上下行流之间的 带宽分配的公平性问题等。而带宽的公平利用是保证服务质量的基础，也是亟待 解决的问题之一。 无线局域网中各用户共享网络资源，希望各个用户的业务流能够平分网络带 宽，在实际使用中，甚至希望下载业务带宽能够比上传带宽更大，以满足下载业 务的需要。但是，现时的无线设备并不能满足这一公平性要求，而且上传业务往 往比下载业务获得更多的带宽。本论文针对这一问题，以目前广泛应用的基础结 构模式( i n f r a s t r u c t u r e m o d e ) 网络( 如图1 - 1 ) 为背景，研究无线局域网中t c p 上下行流之问带宽公平分配问题。通过分析无线局域网中t c p 上下行带宽分配不 均的原因所在，重点讨论接入点( a c c e s sp o i n t , a p ) 缓存区的影响，利用窗口机 制控制t c p 发送速率，使其实现带宽的公平分配。 浙江 ：业大学硕士学位论文 图卜1i n f r a s t r u c t u r e 模式无线局域网组网 1 3t c p 公平性相关研究工作 已有不少学者和机构对无线局域网中t c p u o p 流的公平性问题进行了研究， 并且取得了不少成果。 sl u “1 首先发现了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网中存在的上下行流之间带宽分配不 公平问题，并提出了他们的解决方案，即在a p 上采用一种无线公平队列调度 算法，为每个下行流建立队列，并决定每个队列中一次能够发送的包数量。 该算法能够保证下行流之间公平的接入无线媒介，但没有对上行流做太大的 限制。并且该算法的实现是建立在t d m a 方式的m a c 层机制基础之上，因此需 要对现有的】i l a c 层机制做改进。 s a a rp i l o s o f 2 等人对无线局域网中t c p 流的公平性进行研究。通过仿真实验的 观察，发现a p 缓存区大小对t c p 上下行流之间带宽的公平分配有着较大影 响。通过模型分析，着重讨论了在单个上行流和单个下行流存在的情形下， t c p 上下行流的平均流量比与a p 队列缓存区以及t c p 接收窗口之间的关系。 在此基础上，该文还提出了自己的解决方案，将经过a p 的t c p 确认包中通告 窗口字段设置为合适的窗口值。通告窗口字段用来表示接收端的可用空间大 小，发送端的发送速率受到该字段值的限制。通过减小该字段值可以实现降 低发送端发送速率，实现各个流之间公平的目的。因此t c p 的发送速率就决 定于所设置的通告窗口字段值。文中将每个通告窗口值都设置为b n ，其中占 为a p 缓存区大小，月为t c p 流的总数量。通过仿真实验也证实该方法能够解 决公平性问题。但是方法中如何统计流的数量以及判定流的方向等问题也成 为应用中的难点问题。 m a r c ob o t t i g l i e n g o 3 等就相同优先级用户如何公平的享有带宽提出了自己的解 浙江上业火学硕士学位论文 决方案。文献 3 从m a c 层的接入概率着手，通过为a p 以及各个无线节点分 配不同的竞争窗口来实现。若已知 p 的最小竞争窗口绷，以及无线节点的 数量m 则各个无线节点的最小竞争窗口将被设为( n x ( 观，。，+ 1 ) - - 1 ) 。这 样a p 的接入概率就是其他各个节点接入概率的倍，保证了a p 能够多发数 据，从而缓解上下行流之间的公平问题。 文献 3 中提出的解决上下行流公平的方法虽然简单，但也存在一些问 题。在应用该方法时各个无线节点必须事先知晓总的无线节点数量以及a p 的 最小竞争窗口大小。若想在无线局域网中增加几个节点，则每个节点都必须 重新设置最小竞争窗口。特别是当用户数量较大时，这种方法会带来较大的 工作量，因此实用性较差。另外，该方法简单的将a p 的接入概率设为无线节 点的倍，其中是所有无线节点的数量，者假设上行的用户数量为麒下 行的用户数量就是( 一肋，设踟为总带宽，那么上行的用户获得的带宽和 每个下行用户获得的带宽分别为b w ( n + 肘) 和n b w t ( + u x n 一) 】，下行 带宽要比上行带宽更大，而且当上行用户数较多时，不公平的情况更严重。 因此文献 3 从m a c 层竞争窗口解决上下行公平性问题还有待进一步研究。 s o n i aw a h a r t e t 4 等提出的解决方法是在m a c 层与l l c 层之间构架一个传感层， 与m a c 层一起完成包无线部分的传输任务。而传感层与m a c 层的工作是相对 独立的。两层使用不同的工作频带。姒c 层按照8 0 2 1 l a 使用5 g h z 工作频 带，带宽可达5 4 m b p s ：传感层在2 4 g h z 频带工作，只需2 m b p s 数据传输速 率。另外，两层的工作任务也不同。m a c 层作为数据平台，主要完成数掘的传 输；而传感层是控制平台，主要用于对数据的传输进行控制，包括数掘包的 长度，发送时间以及传输时长等。 该方法通过并行处理提高了网络的吞吐量，减少了延迟，但是方法占用了两 种不同的工作频带，导致网络频带资源的浪费。而且该方法需要修改各个无 线接入设备，以及原有的接入协议，代价较高。 m a l i k 5 】想到用类似于t c p 协议控制的方法实现对上行流发送速率的控制，提 出无线带宽管理w b m 方法。w b m 在每个上行节点与a p 之间建立一个t c p 控制链接，每次无线上行节点发送数据包之前都要发送一个c o n t r o lt c p 包给 a p ，其中包括详细的用户数据总数，并根据上一轮确定的用户发送数据总量 v m s s 值发送t c p 数据包。a p 分析各无线节点发送的数据总量以及本身队列 中要求发送的数据量，确定下一轮该节点可发送的数据包数量v m s s ，并通 过a c k 包返回到该节点。只有在接收到a c k 包之后，节点才可以继续发送 a c k 包中规定的发送数据量v m s s 。基本过程可用图1 2 表示。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 图卜2w b m 工作方式“1 w b m 方法虽然能有效地控制上行流发送速率，但是该方法需要在发送数据包 之前加入t c p 控制连接，因此需要对各个无线网络设备做全面改进。而且无 线网络a p 如何确定各个节点发包数量的问题，文献 5 也未做讨论。 y iw u ”1 等从队列管理角度考虑实现上下行流之间带宽分配的公平，将p e r - f l o w 的队列机制应用到a p 队列中，为每个流建立不同的队列。p e r - f l o w 机制 是将收到的返回上行节点的a c k 包以及下行的数据包分开放入不同的a p 队 列中，并分别以概率p 和q 发送数据包和a c k 包，系统基本模型如图卜3 。而 如何确定发送概率就是该方法保证队列公平的关键。通过模型分析，文献 6 给出了计算概率p ，q 的方法，并利用仿真实验说明方法能够有效解决上下行 流之间带宽分配的公平。但是该方法不仅要区分各个不同的流，而且还要区 分各个包的类型。在计算发送概率时该方法还需要统计活跃队列的数量，这 些都增加了a p 设计的复杂度。 图卜3a p 队列中的p e r - f l o w 模型”1 以上这些解决方法虽然能够缓解上下行流之间不公平的问题，但是在方法的 实用性上还存在不足。而且这些解决方案的提出均未考虑有线传输延迟的影响。 当存在有线传输延迟时，网络吞吐量很可能会因为延迟影响而降低。因此本文在 1 4 浙江l ：业人学硕士学位论文 提出解决方法的同时，将对方法的有效性和实用性进行讨论，并对网络性能做出 评价。 另外，在公平分配带宽方面，一些新的队列管理机制也相继提出，如 s f e d t 7 】、g r e e n 嗍、s f b l 9 1 ，由于这些队列管理机制实现较复杂，因此未能得到 广泛应用。另外，这些管理机制都是以有线网络为研究基础的，能否在无线网络 中应用还有待进一步研究。 为了有效地支持q o s ，i e e e 8 0 2 1 1 任务组讨论制定8 0 2 1 1 e 协议”“”1 标准。 该协议中所有业务被分成四种接入类别，并引入八种业务流以区分优先级。 i e e e 8 0 2 1 1 e 能够支持多优先级的同时，但仍然存在同一优先级业务流中上下行 流之间资源分配不均衡的问题。 1 4 本论文的主要工作 1 4 1 利用d i f f s e r v 机制静态实现t c p 上下行数据流公平 本文在保证网络总体吞吐量不变的基础上提出了利用d i f f s e r v “机制实现无 线网络t c p 公平性的网络结构。此方法完全放弃对a p 及无线局域网络部分的任 何修改，只在有线部分增加o i f f s e r v 功能。整体网络架构是将公平性的实现分 成两个部分，在d i f f s e r v 域中实现反向的不公平性：利用d i f f s e r v 机制对上行 的t c p 数据流在有线网络部分进行限速，在d i f f s e r v 域中造成上行流速率小于 下行流速率的不公平性，从而相应减少了上行的a c k 数据，使下行的t c p 数据流 能够更多的利用a p 缓存，减少下行t c p 数据的丢失，最终达到上下行数据流的 公平。此方法是希望在d i f f s e r v 域中形成一个补偿机制。使d i f f s e r v 域中的不 公平性和无线网络中的固有的不公平性相互抵消，但又从总体上不影响网络的总 吞吐率。 由于不需对现有的网络设备进行任何的改动，只需在网络结构中增加一个 o i f f s e r v 域，因此从量大限度上降低了此方法实现的复杂性。 之后通过一系列的实验证明，此方法能够较好的实现无线网络中t c pj 氚的公 平性，保证上下行速率之比置，置，维持在1 左右，并且保证网络总吞吐量不变。 1 4 2 利用d jf f s e r v 动态自适应调节算法动态实现t c p 上下行数据流公平 如前所述，的确可以利用d i f f s e r v 功能，实现无线网络中t c p 各上下行流 之问的公平性，但在实际使用d i f f s e r v 功能之i ； ，需要根据事先确定的s e r v i c e p r o v i s i o n i n gp o l i c y ( s l a ) ，对支持d i f f s e r v 功能的边界核心路出器进行一 系列的配置。在s l a 中包含了预先的各数据流的分类规则，相应的t r a f f i c 1 5 浙江t ：业夫学硕十学位论文 p r o f i l e ，以及对此业务流的测量，标记，丢弃，和或整形规则的协议。 d i f f s e r v 边界核心路出器配置之后，不能根据网络环境和实时流量的变化进行 动态调整。因此，当配置完成之后，各上下行数据流所分配到的网络带宽就限定 了，不会随着无线网络实时状态发生变化。但移动性恰恰是无线网络的一个十分 重要的特点。在w l a n 网络环境下，外来的无线节点，在任何时刻都有可能加入 本地无线网络；同时本地无线网络节点，也可以在任何时刻退出本地无线网络。 因此本文对实际使用的d i f f s e r v 功能，做出了一定修改，提出一种动态的q o s 保证机制。这种动态调节机制，能够随着无线网络中节点数目的变化，对网络带 宽的分配进行动态调节。当有新的节点加入无线网络时，重新分配网络带宽，生 成新的d s c p “。和t r a f f i cp r o f i l e ：当原有的节点退出本地无线网络时，删除原 有的d s c p 和t r a f f i cp r o f i l e ，并同时根据此时的无线网络环境，对网络带宽重 新分配。 之后通过n s 2 仿真实验，证明此方法不仅能够很好的实现t c p 上下行数据流 的公平性，并且还能够随着无线网络环境的变化，实时动态的调整各数据流所分 配到的带宽，从而使无线网络的带宽得到充分的利用。 1 5 论文结构 本论文结构安排如下： 第一章部分简单介绍了无线局域网t c p 流公平性问题的研究背景，目的，意 义以及现有的相关研究工作。 第二章部分简单介绍了i e e e $ 0 2 1 1 无线局域网，包括无线网络的标准以及网 络结构等内容。 第三章从m a c 层协议以及t c p 协议控制两方面分析i n f r a s t r u c t u r e - m o d e 无线 局域网中t c p 上下行流之日j 带宽不公平的原因，并根据s a a rp i l o s o f l 2 1 等人提出的 数学模型对此问题进行分析。 第四章在第三章的基础上，提出利用d i f f s e r v 机制静态解决w l a n 环境下的 t c p 上下行数据流公平性问题。通过仿真实验结果分析其性能，并进一步讨论了 t f b r 应用中存在的一些问题。 针对d i f f s e r v 静念流量调节存在的问题，第五章中提出了一种改进的 d i f f s e t v 动态调节功能。并通过仿真实验，分析其性能。 第六部分对全文进行总结，指出目前研究中还存在的不足，并给出下一步的 研究设想。 1 6 浙江i ：业人学硕十学位论文 第二章le e e 8 0 2 ”无线局域网概述 本章将对无线局域网的系列标准以及无线局域网的结构体系做简单夼绍。最 后对无线局域网中存在的一些问题进行描述。 2 1i e e e8 0 2 ”系列标准 1 9 9 0 年，i e e e8 0 2 标准化委员会成立i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准工作 组。经过了7 年的努力，终于在1 9 9 7 年发御了8 0 2 1 1 协议，这