（通信与信息系统专业论文）移动ad+hoc网络中的tcp协议性能改进.pdf

南京郴i u 学院硕上研究生学位论文 摘要 摘要 移动a dh o e 网络是没有任何固定基础设施的移动无线网络，网络的节点配 备有使用全向天线或定向天线的无线收发设备，在一个给定的时间点上，由于节 点的地理位置、收发装置的覆盖范围、传输功率电平和信道干扰等条件的不同， 组成一个随机多跳的无线网络拓扑结构，这种拓扑结构由于节点的移动和发送接 收参数的调整而动态变化，其快速、灵活的组网方式，使其在军事、探测、抢险 救灾等方面有着十分广阔的应用前景。 t c p 是一种面向连接的传输层协议，提供可靠的端到端传输，在目前的有 线因特网中已成为事实上的标准，很自然也将会成为移动a dh o c 网络传输层标 准协议之一。t c p 协议是在有线网络基础上设计并优化的，仅考虑到网络拥塞造 成的数据包丢失。在移动a d h o c 网络中，隐藏节点和暴露节点问题会导致m a c 层频繁冲突，使大量t c p 数据包被丢弃；网络拓扑变化和路由环路现象则会造 成较长时间的t c p 传输中断，并使部分t c p 数据包被丢弃。如果在移动a dh o c 网络中不加修改的使用t c p 协议，必将导致网络性能的下降。 本文首先通过理论分析和性能仿真的方法，详细剖析了移动a dh o e 网络的 两个特性对t c p 性能的严重影响。然后提出一种网络层重传的算法，有效地减 少了由m a c 层冲突造成的丢包；通过改进路由协议a o d v 的l o c a lr e p a i r 机制 消除了路由环路现象；引入网络层信息反馈的方法使t c p 能够更好地适应网络 拓扑变化造成的传输中断。仿真结果表明，改进方案使t c p 总体性能获得了显 著提高，t c p 可以较好地工作于恶劣的底层网络环境之上，并且能够适应网络拓 扑的快速变化。 最后，用不同方法构造了两个t c p 吞吐量计算模型，揭示了网络跳数与t c p 吞吐量之间的关系，并用所构造的模型计算t c p 吞吐量的理论值，以评价新方 案的有效性。 塑皇业! ! 兰堕竺：! 型! 丛生堂垡笙苎 塑些 a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t s ) a r em o b i l ew i r e l e s sn e t w o r k sw i t h o u ta n y k i n do ff i x e di n f r a s t r u c t u r e m a n e t sn o d e sa r ee q u i p p e dw i t hw i r e l e s st r a n s m i t t e r s a n dr e c e i v e r su s i n go m n i d i r e c t i o n a lo rh i g h l y d i r e c t i o n a la n t e n n a e a tag i v e ni n s t a n t ， d e p e n d i n go nt h en o d e s p o s i t i o n sa n d t h e i rt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc o v e r a g ep a t t e m s ， t r a n s m i s s i o np o w e rl e v e l sa n dc h a n n e li n t e r f e r e n c el e v e l s ，aw i r e l e s sc o n n e c t i v i t yi n t h ef o r mo far a n d o m m u l t i h o pg r a p ho r ”a dh o c ”n e t w o r ke x i s t sb e t w e e nt h en o d e s t h i sa dh o ct o p o l o g ym a yc h a n g ew i t ht i m ea st h en o d e sm o v eo ra d j u s tt h e i r t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o np a r a m e t e r s d u et ot h ef a s ta n df l e x i b l en e t w o r k i n g ， m a n e t sc a nb ed e p l o y e di nm a n ya r e a ss u c ha sm i l i t a r y m i s s i o n s ，e x p l o r a t i o n ， d i s a s t e rr e s c u e ，a n ds oo n t c pi sac o n n e c t i o n o r i e n t e dt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c 0 1 i tp r o v i d e sr e l i a b l e ，e n dt o e n dd e l i v e r yo fd a t at ot h et c pr e c e i v e rt c p ，w h i c hi st h ed ef a c t ot r a n s p o r tl a y e r p r o t o c o lf o rt h ei n t e r n e t ，a p p e a r st ob ean a t u r a lc h o i c ea st h ed a t at r a n s p o r tp r o t o c o l i nm a n e t s h o w e v e r ，t c pw a sd e s i g n e da n do p t i m i z e df o rw i r e dn e t w o r k s ，d u et o t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm a n e t sa n dt r a d i t i o n a li n t e m e t ，w ew i l le x p e r i e n c eas e r i o u s d r o pi np e r f o r m a n c ei fw eu s es t a n d a r dt c pp r o t o c o lw i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o ni n m a n e t s i nt h i st h e s i sw ea n a l y z e dt h ei m p a c to fp a r t i c u l a r i t yo fm a n e t so nt c p p e r f o r m a n c ei nd e t a i l ，p r o p o s e da s e to fs c h e m e st oa l lo ft h e s ep r o b l e m s ，a n d i m p l e m e n t e dt h en e ws c h e m e si ns i m u l a t o rt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ，w i t h t h e s es c h e m e s ，t c pp e r f o r m a n c ea c h i e v e dc o n s i d e r a b l ei m p r o v e m e n t ，t c pp r o t o c o l w a sa b l et ow o r kv e r yw e l lo v e rt h es e v e r en e t w o r kc o n d i t i o no fl o w e rl a y e r ，a n d a d a p tt ot h ef a s tc h a n g e so fn e t w o r kt o p o l o g yv e r yw e l l a tl a s t ，t w om o d e l so ft c pt h r o u g h p u tw e r ed e v e l o p e db yd i f f e r e n tm e t h o d s w i t ht h eh e l po ft h e s em o d e l s ，t h ea u t h o rr e v e a l e dt h er e l a t i o nb e t w e e nh o p sa n dt c p t h r o u g h p u t ，a n dc a l c u l a t e dt h ee x p e c t e dv a l u eo ft c pt h r o u g h p u ti no r d e rt oe v a l u a t e t h ee f f i c i e n c yo ft h en e ws c h e m e s 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 行一 研究生签名：主数垦查 日期： 习 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 己 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生魏盘趋导师躲邋晕吼堕型，、 一 南京螂电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 第章绪论 1 1 移动a dh o e 网络与t c p 协议概述 a dh o c 网络的前身是1 9 7 2 年美国d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c ta g e n c y ) 的分组无线网( p r n e t ，p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目，最初的 动机之一就是满足战场生存的军事需求，因为在战场恶劣的环境下，通信设备不 可能依赖已经敷设的通信基础设施，一方面这些设施可能根本不存在，另一方面， 这些设施会随时遭到破坏，因此，能快速装备、自组织的移动基础设施是其基本 要素。之后，d a p r a 又在1 9 9 3 年启动了高残存性自适应网络 ( s u r a n ，s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的成果加以 扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应 网络协议。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动信息系统( g l o m o ，g l o b l em o b i l e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目，在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应 用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的硪究。共一直 持续至今。a dh o c 技术就是吸取了p r n e t 、s u r a n 以及g l o m o 等项目的组网 思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。1 9 9 1 年成立的i e e e 8 0 2 ，1l 标准委 员会首次采用了“a dh o c 网络词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。 i n t e r a c t 工程任务组( i e t f ) 也已经成立了专门的研究小组m a n e t 工作组负 责移动a dh o e 网络的相羌协议的标准化工作。 在原有的移动无线通信网络构架技术中，通常包括蜂窝移动逐信网络和无 线局域网。蜂窝移动通信网络中，移动终端接入固定网络是基于基站的中心接入 方式；而在无线局域网中，则要通过a p ( 接入点) 完成终端接八固定网络。这 两种网络都是单跳、中心控制网络。这种网络一旦中心控制器遭到破坏，整个网 络将会陷入瘫痪，不利于军方的应用。与上述网络架构不同，移动a dh o c 网络 是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的分布式控制自组织网络，它强调 多跳和无中心接入，网络中各个移动终端之间相互对等，它们作为网络节点不仅 具有主机的收发信息功能，还具有路由器的路由寻找、报文转发等功能，所以 a dh o e 网络的构建不需要网络基础设施的支持，不存在类似基站的集中网络中 南京邮电学院硕十研究生学位论文第一章绪论 心控制点，通过分层协议和分布式算法实现网络的自组织和运行。另外，a d h o c 网络不但可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到i n t e m e t 或者蜂窝核 心网上，其快速、灵活的组网方式，使其在军事、探测、抢险救灾以及个人通信 等方面有着十分广阔的应用前景。 作为一种无线分组网络，a dh o c 网络各个层次的协议是可选的，其中最主 要的是媒质接入技术和自组织路由协议，前者是有线局域网区别于无线局域网的 标志，而后者则是无中心的多跳自组织网络区别于单跳、中心控制的一般网络的 标志。就媒质接入技术而言，目前在无线局域网中应用最为广泛的是i e e e8 0 2 1 l m a c 协议，由于它可以支持多跳工作方式，所以在a dh o e 网络的研究和实验中 也被广泛采用，它支持三种物理层技术：跳频、直序扩频、红外线，逻辑链路控 制采用i e e e8 0 2 2 的l l c 。网络层的数据服务由i p v 4 、i p v 6 协议或其他网络层 协议提供。路由协议可采用多种支持a dh o c 网络的路由协议，如a o d v 、d s d v 等等。传输层主要完成端到端的数据传输，目前一般的思路是对有线网中的t c p 和u d p 协议进行改进，使之适应无线环境。a dh o c 的高层主要包括的是传统的 基于t c p i p 的应用( 如f t p 、t e l n e t 等) 以及接入移动通信核心网的各种业务。 应用层f t p 、t e l n e t 、 传输层 t c p 、u d p 网络层路由协议( a o d v 、d s d v ) i p v 4 i p v 6 移动i p 数据链 8 0 2 2 逻辑链路控制( l l c ) 路层 8 0 2 1 1 媒体接入控制( m a c ) 物理层8 0 2 1 1 物理层： 跳频直序扩频红外线 图1 1 基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o e 网络协议栈模型 t c p 是一种面向连接的传输层协议，提供可靠的端到端传输。在有线固定 网络中，由于信道传输技术成熟，传输的带宽、质量都非常高，传输的瓶颈一般 出现在路由器上，造成丢包的主要原因是网络拥塞，t c p 协议专门对这种情况进 行了优化。假设所有的数据包丢失是由网络拥塞造成的，进行相应的拥塞控制来 降低网络数据传输速率，取得了较好的性能。但是在移动a dh o e 网络的特殊环 2 南京邮电学院顽 。研究生学位论史 帮一章绪论 境下，除了网络拥塞以外还有很多其它的因素可能导致数据包的丢失，这必然导 致不必要的调用拥塞控制和避免机制，进而引起t c p 吞吐量下降和数据传输时 延增加。 t c p 协议在目前的有线因特网中已成为事实上的标准，很自然也将会成为 移动a dh o c 网络传输层标准协议之一。目前大多数的i n t e r n e t 应用如w w w 、 f t p 、t e l n e t 和e m a l l 等都使用了t c p 提供的可靠服务，因而用户所能感知 到的网络服务的性能很大程度上取决于t c p 的性能，t c p 的性能也就成为设计 和构建高性能t c p i p 网络的关键。 本论文将用网络仿真的方法分析移动a dh o c 网络中t c p 协议面l 临的性能问 题，并运用跨层设计的思想设计相应的改进方案，以使t c p 协议更好地适应移 动a dh o c 网络复杂的环境。 1 2 仿真环境简介 由于m a n e t 的特殊性，建立实际的实验环境比较困难，所以在协议性能 分析和改善的研究中，网络仿真器必不可少。目前较为常用的网络仿真器有n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 1 2 o p n e t 、g l o m o s i m 等等。其中n s 是一种开放源代 码、可以免费下载和更新的仿真器，不但有大量的研究人员为其作扩展，而且自 行扩展也非常方便和灵活，是应用较为广泛的一种网络仿真器。n s 是u cb e r k l e y 开发的一套面向对象、事件驱动的网络仿真器，用c + + 和o t c l 语言编写，是一 种通用的多协议网络仿真软件，支持的网络类型包括局域网、广域网、移动通信 网、卫星通信网等等，可为多种不同的研究领域提供仿真试验环境。 为了支持对移动a dh o c 网络的仿真，c m u m o n a r c h 项目组对n s 作了移动 性扩展h l ，增加了若干网络组件，如无线信道模型、m a c 层协议、链路层、a d h o c 路由协议等等，使n s 可以对一般的无线局域网和移动多跳自组织网络，并支持 移动i p 。另外为了增强仿真器的可用性，还增加了随机移动模型和随机流量的 生成工具，并提供了新的t r a c e 支持，使用户可以跟踪网络的各个细节。 图1 2 显示了我们在研究中所使用的a dh o c 网络协议模型。在物理层，n s 提供3 种无线信道传输模型，其中有两种较为简单：f r i s s s p a c e 模型( 适用于短 距离仿真) 和t w or a yg r o u n d 模型( 适用于长距离仿真) ，它们都把通信范围 假定为理想的正圆形，算法简单。但事实上由于多径干扰等原因，在某一特定点 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章绪论 的接收信号功率是随机的，所以n s 还提供了一种较为复杂的随机信道模型 s h a d o w i n g 模型。我们只采用t w or a ym o d e l 模型进行理论研究。另外，我们采 用r a n d o mw a y p o i n t 移动模型1 4 】对随机移动网络进行模拟。 应用层 f t p 传输层t c p l 址o e 网络层 a o d v i p v 4 数据链 8 0 2 2 逻辑链路控制( l l c ) 路层8 0 2 11 媒体接入控制( m a c ) 物理层无线传输模型t w or a ym o d e l 移动模型w a i tp o i n t 图1 2n s 仿真器中的a d h o e 协议模型 数据链路层主要是i e e e8 0 2 。11m a c 协议和i e e e8 0 2 2l l c ：网络层采用 i p v 4 ，路由采用a o d v 协议，并根据最新的r f c 3 5 6 1 进行了修改；传输层采用 t c p 的t a h o e 版本，具有慢启动、拥塞避免、快速重传机制；应用层业务为f t p 。 1 3 论文的安排 第二章将详细论述a dh o e 网络m a c 协议、路由协议、t c p 协议，并对其中 存在的问题以及相互间的关系作了深入分析。第三章通过性能仿真证实了上述问 题对t c p 性能的严重影响。第四章总结并分析了已有的移动a dh o c 网络t c p 性能的改进方案的优缺点。第五章针对前面发现的问题提出并在仿真器上实现了 一整套解决方案，然后通过性能仿真验证这些改进方案的效果。第六章给出两个 t c p 吞吐量理论值的计算模型，揭示了网络跳数与t c p 吞吐量之间的联系，并 与改进前后的仿真值作对比，评价改进方案的有效性。第七章对研究工作和成果 进行了总结并指出下一步研究方向。 南京邮电学院硕士研究生学位论立 第一章移动a dh o c 厢络协议栈及其存在的问题 第二章移动a dh o e 网络协议栈及其存在的问题 本章将深入介绍移动a dh o c 网络的各层协议，包括i e e e8 0 2 1 1 、a o d v 和t c p 协议，并从理论上分析各层协议在移动a dh o e 网络环境下工作时存在的 问题及其对t c p 协议性能的影响，以此作为改进方案的理论依据。 2 1m a c 层协议 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 标准 i e e e8 0 2 。1 1 属于i e e e8 0 2 标准的一部分，是局域网在无线环境下的扩展。 与有线局域网相比，无线局域网具有开发运营成本低、投资回报快、组网方式灵 活等优点，有效的弥补了传统有线局域网的不足。 i e e e8 0 2 1 1 的工作频段一般选择为i s m 频段，即工业、科研和医疗频段。 如果发射功率满足美国联邦通信委员会( f c c ) 的要求，则无须向f c c 提出专 门的申请即可自由使用这些i s m 频率。i e e e8 0 2 1 1 及其扩展i e e e8 0 2 1 1 b 工作 在2 ，4 g h z 的i s m 频段，i e e e8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 的i s m 频段。 i e e e8 0 2 1 1 标准提供m a c 和p h y 功能，在局域范围内为固定的、便携 式和以步行或行车速度移动的移动节点提供无线连接。如图2 1 所示，每个应用 i e e e8 0 2 1 l 标准的节点所采用的协议栈结构包括一个单一m a c 和多个p h y 中 的个。 l l c m a c 【包括d c f 和p c f 方式) l 跳频扩频直接序列扩频红外线 图2 1i e e e8 0 2 i1 协议栈结构 媒质按入控制是m a c 层主要的功能。i e e e 8 0 2 1 1 采纳了两种协调控制机 制：一种是基本机制，分布式协调功能d c f ，利用载波监听机制；另一种是可 选机制，点协调功能p c f 由中央控制器进行接入控制。分布式协调功能d c f 适 用于分布式网络，网络中的所有节点地位相等，采用c s m a c a ( 载波检测多址 接入t 碰撞避免) 分布式按入算法，各移动节点通过争用信道来获取发送权。d c f 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章移动a dh o c 婀络协议棱及其存在的问题 传输的一般是具有突发性和随机性的普通分组数据。点协调功能p c f 适用于由 一台中央控制器和多个节点所组成的网络，使用集中控制的接入算法，用轮询方 式授权各个移动节点发送数据，从而避免了冲突的产生。p c f 协议对于传输实 时数据或高优先级的数据网络比较有用。i e e e8 0 2 1 1 协议定义了三种不同的物 理层：跳频p h y ( f h s s ) 、直接序列p h y ( d s s s ) 和红外线p h y 。 i e e e 8 0 2 1 1 标准的制定有一个过程。1 9 9 0 年7 月，i e e e 8 0 2 委员会接受 了n c r 公司“c s m a c d 无线媒质标准扩充”的提案，成立了1 e e e 8 0 2 1 1 工 作委员会，该工作委员会负责制定无线局域网物理层及媒质接入控制( m a c ) 协议的标准。一直到1 9 9 7 年，i e e e 8 0 2 委员会才发布了i e e e 8 0 2 11 标准正式 版( 第一版) ，随后在1 9 9 9 年，i e e e 8 0 2 委员会发布了修订版，即i e e e 8 0 2 11 标准( 第二版) 。 为了解决当前发布的标准不够完善的问题，i e e e s 0 2 1 1 工作组正积极开展 一些相关课题的研究计划，包括i e e e 8 0 2 1 l a 、i e e e s 0 2 1 l b 、i e e e s 0 2 1 1 e 、 i e e e s 0 2 1 1 9 等等，以促进无线局域网标准的进一步完善。 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的组成 我们把无线局域网可覆盖的区域称为服务区域( s e r v i c ea r e a ) ，服务区域 又可分为b s a ( 基本服务区域，b a s i cs e r v i c ea r e a ) 和e s a ( 扩展服务区域， e x t e n d e ds e r v i c ea r e a ) 两种。b s a 指由无线局域网中节点的无线收发机及地理 环境所确定的通信覆盖区域。b s a 包括一个基站和多个移动节点，所有的移动 节点运行同样的m a c 协议并以随机争用的方式共享无线传输媒质。b s a 类似无 线移动通信的蜂窝小区。在i e e e8 0 2 1 1 标准中，基本服务区域中的基站称为 a p ( 接入点，a c c e s sp o i n t ) 。 一个基本服务区域可以是孤立的，也可以通过a p 连接到一个主干分配系统 ( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，然后再接入到另一个基本服务区，这样就构成了e s a 。 主干分配系统可以是任何类型的网络( 包括无线网络) ，但是一般都使用有线以 太网来实现。在e s a 中，移动节点可以在不同的b s a 中漫游，并实现和任何移 动节点或者固定节点的通信，而且这种操作对移动节点的协议栈的m a c 层以上 是透明的。a p 的作用与网桥类似，使e s a 成为一个在l l c 子层上的逻辑局域 网。 南京邮电学院硕士研究生学位论；c =第二章移动a d h o c 嗣络协说栈及苴存在的问题 i e e e8 0 2 1 1 定义了三种类型的移动台。一种是仅在一个b s a 内移动，另 一种是在不同的b s a 之间移动但是仍然在一个e s a 之内，还有一种可以跨e s a 移动。 b s a 的组网方式主要有三种： a dh o c 方式、集中控制方式以及这两种方 式的混合。 在a d h o c 方式下，b s a 中的任意两节点间都可以直接通信，无须设中转站， 这时的m a c 控制功能由各节点分布式管理。这种方式下的信道由所有的节点共 享，并且某一节点的故障不会影响到整个b s a 的运行。本文所讨论的组网方式 就是a dh o e 方式，后面所有的性能分析、改进和仿真都在此方式下进行。 在集中控制方式下，b s a 中要设一个中央控制器，一般由a p 担任，来完 成m a c 控制和信道分配功能。b s a 中的其它节点在中央控制器的协调下与其它 节点进行通信。第三种方式是前两种方式的混合。在这种方式下，b s a 的节点 间可以直接通信，同时中央控制器也能完成部分无线信道资源的控制。 2 1 3m a c 层d c f 功能 d c f 是i e e e8 0 2 “中最基本的媒体接入控制机制。d c f 机制中采用的协 议是c s m a c a 协议，其基本规程如图2 2 所示。 d i f s i d i f s 一一 竞争窗口 1 一 一l 媒体忙刚一退避窗口1 ，下一帧 k 对隙 延迟接入 每隔一个时隙减少退避窗口值， 图2 2c s m a ，c a 基本按入方式 为了尽量避免冲突，i e e e 8 0 2 ，1 1 标准规定了不同的i f s ( i n t e r f r a m e s p a c e ， 帧间倒隔) ，分别是s i f s ( s h o r t i n t e r f r a m es p a c e ，短帧间隔) 、p i f s ( p c f i n t e r f r a m e s p a c e ，p c f 帧间隔) 和d i f s ( d c fi n t e r f r a m es p a c e ，d c f 帧间隔) 。各种i f s 的长短各不相同，它们之间的关系满足：d i f s p i f s s i f s 。 各种i f s 的作用也不相同。s i f s 是i e e e8 0 2 1 1 中规定的最小的i f s ，用于 满足所有需要立即响应的服务。p i f s 用于p c f 机制中，无线接入点a p 在媒体 空闲达到p i f s 时间以后，获得媒体的控制权，宣布c f p ( c o n t e n t i o n f r e e p e r i o d ， 无竞争期间) 的开始。在无竞争期间，a p 监听到媒体空闲时间达到p i f s 时间以 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一二章移动a dh o c 网络协议栈及其存在的问题 后，可以继续发送下一帧。d i f s 用于d c f 机制中，是发送数据帧和管理帧时使 用的时间间隔。 以d c f 中的数据帧发送为例，c s m a c a 协议的算法过程如下： 1 ) 发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到d i f s 时间，主机立即发出数据 帧。 2 ) 如果媒体忙，则等待媒体空闲时间达到d i f s 以后，进入避退过程。 3 ) 主机根据避退算法选择一个避退时间，并设置避退时间计数器。媒体空 闲时避退时间计数器做减1 计数，媒体忙时则停止计数。 4 ) 在避退时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧。 5 ) 发出数据帧后，如果在规定的时间内没有收到a c k ，表明数据帧发送 失败，进入重传退避过程，回到2 ) 。 6 ) 如果在规定的时间内收到a c k ，表明数据帧发送成功。将退避窗口恢 复为默认值。 在d c f 机制中，为了增强c s m a c a 算法对异步数据业务传输的可靠性， i e e e8 0 2 1 l 协议建议在c s m c a 算法基础上采用a c k 确认机制。 id i f siii 源主机r - 1 i ii 圈；囤区丑型 图2 3d c f 基本信道接入方法 在图2 3 中可以看出，在源主机成功发送数据帧以后，经过s i f s 时阊，目 的主机发回一个a c k 帧。这里要注意的是a c k 帧在发送前没有监听信道的状 态。如果源主机没有收到a c k 消息，就表明数据帧发送出错，必需重新发送。 2 1 4m a c 层p c f 功能 为了支持对时延敏感的业务，1 e e e8 0 2 1 1 标准定义了p c f 来保证移动节点 以一定的优先权接入到无线信道中。p c f 机制是基于d c f 之上的协调功能，与 d c f 机制不同，它基于轮询机制。使用p c f 机制需要一台中央控制器，称为p c ( 点协调器，p o i n tc o o r d i n a t o r ) ，一般由a p ( 接入点，a c c e s sp o i n t ) 来充当。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章移动a dh o c 网络协议栈及其存在的问题 p c f 机制可以产生无竞争的媒质接入方式，用于支持无竞争实时业务。由于本文 只讨论无中心的网络结构，所以不再介绍p c f 功能。 2 1 5 d c f 基本接入机制的问题 i e e e8 0 2 1 1 采用载波监听多址接入机制共享无线信道，在不发生干扰的情 况下，可以允许多个工作站同时进行通信，不可避免会造成严重的隐藏节点和暴 露节点问题【6 】，这点与总线式局域网有很大的差别。 首先分析在集中控制方式下的单跳网络中的隐藏节点和暴露节点问题。如 图2 4 所示，当节点1 向a p 发送数据时，节点2 由于侦听不到节点l 正在使用 信道，也可以向a p 发送数据，由此造成a p 中的冲突( 称节点1 为节点2 的隐 藏节点) 。如图2 5 所示，当a p 向节点2 发送数据时，由于节点1 侦听到a p 正 在使用信道，所以不能向a p 发送数据( 称a p 为节点1 的暴露节点) 。由于暴露 节点问题不会引起冲突，所以对网络性能的影响要比隐藏节点小得多。 一、 fc 万一飞广三、1 、 一 图2 4 隐藏节点问题 图2 5 暴露节点问题 i e e e s 0 2 1 1 b 协议采用了r t s c t s ( r e q u e s tt os e n d c i e a rt os e n d ) 方式来缓 解隐藏节点带来的影响。完成r t s c t s 协议需要两个步骤： ( 1 ) 在节点1 发送数据给a p 之前，首先广播一个r t s 信号，在节点1 的通信 范围内利用网络分配矢量n a v ( n e t w o r ka l l o c a t i o n v e c t o r ) 进行资源预留： ( 2 ) a p 收到节点1 的r t s 后，也广播一个c t s 信号，此时在a p 的通信范围 内也进行资源预留。节点l 收到a p 的c t s 后，就可以进行数据传输了。 完成上述两个步骤后，就在节点1 和a p 的通信范围内预留了资源。当节点 2 收到a p 的c t s 信号后，在预留的时间里不可以发送数据。这样就避免了对 a p 的干扰，所以也避免了a p 的冲突。 但是在多跳a dh o c 网络中，出现了一些特殊的情况。 如图2 6 、2 7 所示，当节点3 向节点4 发送数据时，节点2 侦听到节点3 9 、，、。 一再义 - ， 、 - 、 市京邮电学院硕 研究生学位论文第一二章移动a dh o c 网络阱议棱及其存在的问题 一在使用信道，这时节点2 不能收发任何数据。所以节点2 不能向节点1 发送数 据( 称节点3 为节点2 的暴露节点图2 7 ) 。而节点1 由于侦听不到节点3 正在使用信道，更收不到节点4 广播的c t s ，所以节点l 可以向节点2 发送c t s ， 而节点2 由于节点3 的干扰不能进行应答，所以节点1 也不能向节点2 发送数据 ( 称节点3 为节点i 的隐藏节点图2 6 ) 。 图2 6 隐藏节点问题 + 一 图2 7 暴露节点问题 可见c t s r t s 机制不能解决此类隐藏节点问题，更不能解决此类暴露节点 问题。我们遗憾地看到，在多跳a dh o c 网络中，由于隐藏节点和暴露节点的存 在，本来毫不相关的两个链路( 节点1 和2 之间、3 和4 之间) 也不能同时进行 工作。 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议规定，当节点有数据要发送时，如果连续发送7 次 r t s 请求均没有获得信道使用权( 即没有受到c t s ) ，则认为链路不可用，此时 应向上层发送一个链路中断的通告消息，本文将其称为l b n ( l i n kb r e a k a g e n o t i f i c a t i o n ) 。这个消息一般会被路由协议收到，路由协议由此发现路由的失效， 并启动一系列的恢复措施。一般来说，m a c 层发送l b n 是由于目标节点移出了 的正常通信范围，导致无线链路中断，在这种情况下，路由协议进行路由修复是 完全有必要的。但在多跳a dh o c 网络中，隐藏节点和暴露节点的问题也会导致 信道暂时的按入失败，这样一来，m a c 协议就会误以为链路已经中断，立即向 上层发送l b n 消息，进而引起路由协议的一系列不必要的路由修复工作。在后 续的章节中我们将详细分析这种现象对多跳a dh o c 网络性能带来的严重影响。 2 2 路由协议 2 2 ia dh o c 网络路由协议的设计要求 a dh o e 网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量 高效率通信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的 1 0 堕皇! ! ! ! ! 皇兰堕堡主婴壅生堂垡笙壅 笙三主壁垫垒! ! ! ! 旦塑坐鲨垫墨茎鱼垄塑旦嬖 基于因特网的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于a d h o e 网络的 路由协议，根据前文对a dh o c 网络结构和特点的阐述，设计的路由协议必须满 足以下的条件【7 】： ( 1 ) 必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路由环 路的发生，提供方便简单的网络节点定位法。 ( 2 ) 必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销。 ( 3 ) 必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源。 ( 4 ) 在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能性。 2 2 2a dh o c 网络路由协议分类和比较 根据a dh o e 无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种a dh o c 网络 路由协议博j 。i e t f 的m a n e t 工作小组目前正专注于a dh o c 网络路由协议的研 究，提出了许多协议草案，如d s r ，a o d v ，z r p 等路由协议：另外，专业研 究人员也发表了大量关于a dh o e 网络路由协议的相关文章，提出了许多关于 a d h o c 的网络路由协议，如d s d v ，w r p 等。根据路由触发原理，目前的路由 协议大致可以分为先验式路由协议、反应式路由协议两种。 2 2 2 1 先验式路由协议 先验式路由协议又称表驱动路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的 路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以准 确地反映网络的拓扑结构。源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点 的路由。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需要大量的路由控制报文，协 议的开销较大。这类的路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应a d h o c 无线网络要求，如通过修改路由信息协议( r i p ) 得到的目的节点序列距离矢 量协议( d s d v ) 。常用的先验式路由协议有d s d v ，h s r ，g s r ，w r p 等，其 中最常用的是d s d v 协议。 在d s d v ( d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 中，每个移动节 点都需要维护一个路由表。路由表表项包括目的节点、跳数和目的地序号，其中 目的地序号由目的节点分配，主要用于判别路由是否过时，并可防止路由环路的 产生。每个节点周期性必须与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由表的改 变来触发路由更新。路由表更新有两种方式：一种是全部更新( f u l l d u m p ) ，即 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第- = 章移动a d h o c 网络协议栈及其存在的问题 拓扑更新消息中将包括整个路由表，主要应用于网络变化较快的情况：另一种方 式是部分更新( i n c r e m e n t a l u p d a t e ) ，更新消息中仅包含变化的路由部分，通常 适用于网络变化较慢的情况。在d s d v 中只使用序列号最高的路由，如果两个 路由具有相同的序列号，那么将选择最优的路由( 如跳数最短) 。 2 2 2 2 反应式路由协议 反应式路由协议又称随选路由或者按需路由，是一种当需要时才查找路由 的路由选择方式。节点不需要维护及时准确的路由信息，当需要发送数据时才发 起路由查找过程。与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销小，但是数据 报传送的时延较大，不适合于实时性的应用。常用的反应式路由协议有a o d v ， d s r ，t o r a 等，其中a o d v 较为常用。 a o d v ( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 协议：a o d v t l 8 】是d s d v 算法的改进，但它与d s d v 的区别在于它是反应式路由协议。为了找到通往目 的节点的路由，源端将广播一个路由请求消息，邻居节点依次向周围节点广播此 分组直到该消息被送到一个知道目的节点路由信息中间节点或目的节点本身。一 个节点将丢弃重复收到的请求消息，路由请求消息中的序列号用来防止路由环 路，并能判断中间节点是否响应了相应的路由请求。当节点转发路由请求消息时， 它会将其上游节点的标志i d 录入路由表，从而能够构建一条从目的节点到源节 点的反向路由。当源端移动时，它会重新发起路由发现算法；如果中间节点移动， 那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点发送链路失效消息并一直 传到源节点，而后源节点根据情况重新发起路由发现过程。 2 2 2 3 比较和选择 以上介绍的几种a dh o c 网络路由算法各具特点，但是没有一个能够完全满 足前述的几点要求，即没有一个是可以解决a dh o c 网络中所有问题的理想路由 协议。这些路由算法一般都满足分布式操作的特性和避免路由循环，但是在开销、 对移动性的支持等方面各有优缺点。 d s d v 是和有线固定网络中的路由算法最为接近的算法，由于依赖于路由 消息的周期性广播，若广播周期太短，则会浪费大量网络带宽和终端资源，若广 播周期太长，就难以对网络拓扑变化作出快速的反应，从而不适用于高移动性的 a d h o e 网络。 1 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章移动a dh o c 网络协议栈及其存在的问题 a o d v 协议是专门为a dh o c 网络而设计的，克服了d s d v 周期广播路由消 息的缺点，虽然其按需路由的方式在路由建立初期会造成了一定的时延，但在适 应网络拓扑快速变化、降低开销和算法复杂性、防止路由环路等方面做了许多针 对性的设计，性能较好，经过分析和比较之后我们决定选用a o d v 协议。 2