（计算机应用技术专业论文）ad+hoc无线网络中tcp公平性的研究.pdf

摘要 a dh o c 无线网络具有一些有线网络所没有的特性，而由这些特性带来的大 量的问题至今为止并没有得到完全解决，从而导致t c p 业务在a dh o c 无线网络 中的性能不如在有线网络中那么令人满意。近年来人们已经在提高a dh o c 无线 网络中t c p 的效率( 即提高t c p 的吞吐率) 上作了大量的工作，而我们将研究的重 点放在t c p 公平性方面。我们发现在a dh o c 无线网络中t c p 流间存在着严重的 不公平性，甚至出现独占信道( c h a n n e lc a p t u r e ) 的现象，同时发现在有线网 络中提出的公平性的定义和公平指数不可直接用于a dh o c 无线网络。为此我们 提出了关于a dh o c 无线网络中t c p 流的邻居区域最大最小公平性( n e i 曲b o r h o o d m a x m i nf a i r n e s s ) 的定义，及相应的公平指数。与a dh o c 无线网络中公平性相 关的因素有许多，其中最重要的两个因素是：空间复用约束特性以及空间位置相 关性，这两个因素也是a dh o c 无线网络独具的特性，因此在我们给出的上述定 义中充分考虑了这两个因素。此外，我们还从传输层的角度，分析了a dh o c 无 线网络中t c p 流不公平性的原因。并提出了一种网络层的解决方案n r e d 机 制。在n r e d 机制中我们将一个节点及其干扰节点看成一个邻居区域，并认为邻 居区域所有节点的队列形成了邻居区域的分布式队列，同时，我们将有线网络中 r e d 队列管理机制扩展到分布式邻居区域队列上，通过提前检测拥塞，通知邻居 节点，并按照一个流占用信道带宽的比例丢包，来提高t c p 的公平性。而且这种 机制是在网络层实现的，不必对m a c 层协议进行修改。仿真实验证明n r e d 机制 可以极大的提高a dh o c 无线网络中t c p 的公平性，当然这种公平性的提高是以 吞吐量的下降为代价的，文中也简要解释了吞吐量下降的原因。 关键词：a dh o c 无线网络，t c p 公平性，t c p 性能，最大最小公平，n r e d a b s t r a c t ah o s to f p r o b l e m s a r ec r e a t e d b y v a r i o u sa dh o c w i r e l e s sn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c sn o tf o u n di nw i r e dn e t w o r k ，a n dn o ta l lo f t h e s ep r o b l e m sh a v eb e e n s a t i s f a c t o r i l ys o l v e d t h e r e f o r et c pp e r f o r m a n c ei na dh o cw i r e l e s sn e t w o r ki sn o ta s s t a b l ea si nw i r e dn e t w o r k s r e c e n tw o r k0 1 3 t c pp e r f o r m a n c ei na dh o cw i r e l e s s n e t w o r k m o s t l yf o c u s e so nt c pe f f i c i e n c y ( e g e n h a n c i n gt h r o u g h p u t ) ，b u tw ef o c u s o nt c p f a i r n e s s s i g n i f i c a n tt c pu n f a i r n e s s ，e v e nc h a n n e lc a p t u r e ，h a sb e e no b s e r v e d t h r o u g hs i m u l a t i o n s f a i r n e s sd e f i n i t i o n sa n df a i r n e s si n d e x sd e v e l o p e df o rt h ew i r e d n e t w o r kc a n n o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt oa dh o cw i r e l e s sn e t w o r k t h e r e f o r ew e p r o p o s e a n e i g h b o r h o o dm a x m i n f a i m e s sd e f i n i t i o na n di t c o r r e s p o n d i n gf a i r n e s si n d e xf o r e v a l u a t i n gt c pf a i r n e s s i na dh o cw i r e l e s sn e t w o r k t w o f a c t o r s ，s p a t i a l r e u s e c o n s t r a i n ta n dl o c a t i o nd e p e n d e n c y , a r et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt c p f a i r n e s si na dh o cw i r e l e s sn e t w o r k t h e r e f o r e ，w et a k et h e mi n t oc o n s i d e r a t i o n si n t h ed e f i n i t i o n sa b o v e t oi m p r o v et c p f a i r n e s s ，w ea n a l y z et c p u n f a i r n e s sf r o mt h e t r a n s p o r tl a y e rv i e w an e t w o r kl a y e rs o l u t i o nc a l l e dn e i g h b o r h o o dr a n d o me a r l y d e t e c t i o n ( n r e d ) i st h e np r o p o s e d i nn r e d ，w ei n t r o d u c e d t h e c o n c e p to f n e i g h b o r h o o d ，w h i c hi st h ea g g r e g a t eo fa n o d ei t s e l fa n di t si n t e r f e r i n gn o d e s ，a n d t h ec o n c e p to fd i s t r i b u t e dn e i g h b o r h o o dq u e u e ，w h i c hi st h ea g g r e g a t eo fl o c a lq u e u e a tt h e s en o d e s w ee x t e n dt h er e d c o n c e p t t ot h i sd i s t r i b u t e dn e i g h b o r h o o dq u e u e b yd e t e c t i n ge a r l yc o n g e s t i o n ，n o t i f y i n gn e i g h b o r h o o dn o d e sa b o u tc o n g e s t i o n ，a n d d r o p p i n gp a c k e t sp r o p o r t i o n a l l yt oa f l o w su s a g eo fc h a n n e lb a n d w i d t h ，t h en r e d s c h e m ec a ni m p r o v et c pu n f a i r n e s ss i g n i f i c a n t l y n r e di sl o c a t e da tt h en e t w o r k l a y e r ，a n dh a sn on e e do fa n y m o d i f i c a t i o ni nm a c l a y e r s i m u l a t i o ns t u d i e sc o n f i r m t h a tt h en r e ds c h e m ec a ni m p r o v et c pu n f a i r n e s ss u b s t a n t i a l l yi na d h o cn e t w o r k a tt h ee x p e r s eo f t h r o u g h p u t b u tw et h i i l kt h ee x p e r s ei sn e c e s s a r y k e y w o r d s ：a dh o cw i r e l e s sn e t w o r k ，t c pf a i r n e s s ，t c pp e r f o r m a n c e ，m a x m i n f a i m e s s ，n r e d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名：钫建番 签字日期：年月 日签字日期：年月日 第一章绪论 i 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 a d h o e 无线网络是若干无线移动节点组成的临时网络，这个网络不依赖于 建设好的基础设施，不存在集中式的网络管理控制。因此它具有拓扑动态变化及 有限频宽等特性。a dh o c 无线网络一般使用公用广播信道，而介质访问控制层 ( m a c ) 多采用载波侦听多路访问( c s m a ) 类型的协议。a dh o e 无线网络由 于具有完全无线并可任意移动的特性，而在军事领域以及灾难急救中有很高的应 用价值。同时这种网络还被考虑用于户内组网、临时办公室等商业用途。有关 a dh o e 无线网络及其相关i e e e 8 0 2 1 1 协议的详细介绍参见附录a 。 t c p 协议是当今基于i p 的网络世界中应用最普遍的一个传输层协议，它提 供了可靠的数据传输和拥塞控制。一种网络机制、协议能否很好的支持t c p 协 议，以及t c p 协议在这种网络机制、协议下的性能如何，都决定了这种网络机 制、协议的可行性和实用性。在过去的二十年中，通过反复修改和调整，t c p 业务在有线网络及有线无线混合网络( 即最后一跳连接为蜂窝网络，无线l a n 或卫星链路的网络) 中取得了较好的性能，但在a d h o e 无线网络中t c p 的性能 却不象在上述网络中那么令人满意。事实上人们对a dh o c 无线网络中t c p 的性 能还没有一个完全的认识。a dh o e 无线网络具有一些有线网络所没有的特性， 诸如：不可预知的无线传输介质，外部冲突、干扰，多路访问竞争，节点的移动 等，这些特性带来了大量的问题，而这些问题至今为止没有得到完全解决。例如： 节点移动会导致通向目的节点的路径经常中断，需要重新计算路由。在重新建立 和切换路径的过程中，一些分组会丢失，并引起超时，而t c p 协议认为丢失分 组是网络拥塞的标志，为了减轻网络负载，t c p ，会进一步增加超时时间【l 】。如 果连接中断持续一段时间( 当路由协议响应较慢时) ，t c p 超时时间会变得很大， 从而导致一个较大的等待重传的时间，使网络的效率严重下降，这种情况在存在 高速移动节点( 如：在车辆，飞机等交通工具上) 的网络中尤为明显。 2 1 1 3 4 中提出了一种有效的重传策略来克服这个问题。 第一章绪论 即便在没有节点移动引起路径中断的情况下，a dh o c 无线网络的其他特性 也会引起t c p 性能方面严重的问题。首先，在a dh o c 无线网络中t c p 的吞吐 率与拥塞控制窗口大小密切相关。有研究表明在每一组给定的网络拓扑和业务参 数下，都对应一个特定的拥塞窗口的值，使得t c p 的吞吐率达到最好。当拥塞 控制窗口增加到很大( 超过最优值) 时，路径上有很多数据分组和反向传输的 a c k 分组，它们竞争同传输介质，导致广播介质的不足，网络出现拥塞，并 最终引起吞吐量的下降 5 。这个问题是一般t c p 所固有的，一般的t c p 协议都 通过增大窗口并不断的探测信道试图进一步提高吞吐量。只是有线网络不象a d h o c 无线网络对窗口过大这么敏感，且链路带宽不受路径上分组数目的影响【5 。 其次，竞争同一冲突区域( c o l l i s i o nd o m a i n ) 的多个t c p 流会由于它们各自所 经过的路径的不同对当前的信道状况产生不同的判断，这会带来严重的t c p 不 公平性问题，在仿真实验和实验网络测量中许多研究者都发现了这个问题 【6 】【7 8 】 1 3 】a 近年来人们提出许多能够提高a dh o c 无线网络中t c p 性能的技术。这些技 术大部分都是用于解决移动引起的链路中断及路由算法失败问题，如e l f n 2 、 t c p f 1 0 、f i x e d - r t o 3 、及t c p - d o o r 1 2 等都属于这类。有人认为我们 对于a dh o c 无线网络中t c p 性能问题已经有了足够的认识和完善的解决方案， 但事实并非如此，一直以来我们忽视了对a d h o e 无线网络中t c p 性能的另一方 面问题公平性问题的研究。而t c p 的公平性在a dh o c 无线网络中是非常重 要的，因为a dh o c 无线网络中会传输较大的文件( 如在战场上机动变化的网络 中传输的图像文件) ，并且这个文件的传输可能对一个需要立即进行的应用是非 常重要的，但不公平性乃至信道独占现象会极大的延迟甚至阻止这个文件的传 输。 近来，通过仿真和实验网络测量的方法，人们观测并记录了a dh o e 无线网 络中t c p 流间的严重的不公平性【6 】【7 【8 【1 3 】。这些实验所使用的场景都比较简 单，而且往往只有少量的特定的业务( 如2 到3 个t c p 流) 。对复杂场景下的 t c p 公平性问题至今为止基本没有进行过系统化的研究。而且以前的研究大都 只对公平性进行了定性的讨论，之所以这样部分原因是由于缺少a dh o c 无线网 络中公平性的定义和对其进行量化分析的公平性指数的定义，在简单场景下，我 第一章绪论 们很容易指出是否存在不公平现象，但在复杂的a dh o e 无线网络场景下，我们 就需要依靠公平性的定义和公平指数来判断是否公平。要想对更具普遍性的场景 下t c p 的公平性进行更为细致的观察和分析，我们必须对a dh o c 无线网络中 t c p 公平性给出更为严格的定义，同时我们还需要一个对公平性进行度量的合 适的标准( 如：公平性指数) 。故在深入研究a dh o c 无线网络中t c p 公平性问 题之前我们首先定义了什么是公平，并对公平性进行了量化。长期以来我们对有 线网络中公平性进行了大量的研究，有了相应的公平性和公平指数的定义，并已 被人们所广泛接受。但这两个概念不能直接用于a dh o c 无线网络，主要是由于 在a dh o c 无线网络中两点间不存在有线网络中那样预先确定的点到点的链路。 更明确的说，不同的流相互竞争的是某个区域内的无线信道，由于多跳的特性和 隐藏、暴露终端问题的出现，处于不同位置的节点所看到的是不同的但又部分重 叠的冲突区域，使得不同流在竞争同一信道时的能力不同。我们需要定义新的公 平性及公平指数来体现这种空间复用约束特性和空间位置相关性。 在本文中，我们提出一种公平性的定义，称为邻居区域最大最小公平 ( n e i g h b o r h o o dm a x m i nf a i r n e s s ) 。所谓邻居区域( n e i g h b o r h o o d ) 是指一个节 点及其直接邻居节点组成的集合。依据受瓶颈邻居区域干扰的程度的不同，给每 个流分配一个权重。同时，还相应的提出了加权的邻居区域最大虽小公平指数 ( w e i g h t e d n e i g h b o r h o o d m a x m i n f a i r n e s s i n d e x ) 来对a d h o c 无线网络中的t c p 公平性进行量化。引发t c p 不公平的因素有许多，在上述定义中我们主要考虑 其中的两个a dh o c 无线网络独具的特性因索：一个是空间复用约束，另一个是 位置相关性。空间复用约束使得空间也成为一种共享的资源。不经过共同节点的 t c p 流之间也会相互竞争它们所共享的空间资源，从而相互干扰；而位置相关 性( 即相对的空间位置) 引发了隐藏、暴露终端等问题，常常被认为是引发t c p 不公平性的主要原因。 过去与此相关的研究工作都将研究的重点放在寻找并分析引发a dh o c 无线 网络中t c p 不公平的原因上，并且至今为止未提出能有效提高t c p 公平性的方 案。引发t c p 不公平的因素有许多，主要包括隐藏、暴露终端的问题， i e e e 8 0 2 1 1 m a c 的二进制指数后退算法等【7 】 8 。我们认为a dh o c 无线网络中 的空间复用约束和位置相关性，会导致瓶颈处相对位置不同的t c p 流，由于经 第一章绪论 历的丢包、延迟的不同，而对瓶颈处的状况有不同的认识。从瓶颈处得到正确的 反馈信息对t c p 拥塞控制的公平性是非常重要的，对瓶颈处状态认识不一致性 会引发严重的不公平性( 如有些流丢包的数目较多，它就会比其他流更加频繁的 减小其拥塞窗口) 。因此这两个特性使得t c p 不公平性成为a dh o c 无线网络特 有的问题。 如果我们将一个节点及其干扰节点看成一个邻居区域，并认为邻居区域的 所有节点的队列形成了这个邻居区域的分布式队列。当然这个队列并非f i f o 的 队列，共享这个队列的流根据拓扑和业务参数的不同而有不同的、动态变化的优 先级，因而当拥塞发生时，他们由于丢包率，分组延迟的不同得到不同的反馈信 息，而这种不一致的反馈信息作用于t c p 拥塞控制机制，会使带宽分配偏离公 平共享的状态。在有线网络中，如果使用d r o pt a i l 队列管理机制，当缓存区满 时也会出现类似的问题，而随机提前检测( r e d ，r a n d o m l ye a r l yd e t e c t i o n ) 机 制可以克服这个问题，提高t c p 流的公平性。这是因为r e d 机制将队列大小控 制在一个较小的范围，且丢包( 或为分组加标) 的概率与该流的分组在队列中的 出现的个数( 该流所占的带宽) 成比例。与此类似，在本文中我们提出一种邻居区 域r e d ( n r e d ，n e i g h b o r h o o dr e d ) 机制，这种机制将原有的r e d 的机制扩展 到邻居区域的分布式队列上。与r e d 类似，每个节点都一直估算其邻居区域队 列长度，一旦队列长度超过某个阈值，使用与原有的r e d 机制类似的算法来计 算丢包概率。这个丢包概率将传给邻居区域的其他节点用于丢包。每一个邻居节 点根据这个收到的丢包概率，及本地队列长度计算本地丢包概率，也就是按照邻 居区域各节点占用信道的情况，将计算出来的上述总丢包概率分配到邻居区域各 节点的队列上。因此，n r e d 基本上是适于a d h o c 无线网络的分布式的r e d 。 我们通过仿真试验来评价分析n r e d 机制的有效性。 本文最主要的创新在于对a d h o c 无线网络中t c p 公平性进行了量化。此外 本文另一个新颖之处在于提出了一种网络层方案来提高a dh o c 无线网络中t c p 公平性。而此前的研究或是没有提出任何解决方案，或是由于所提出的方案要对 m a c 层协议进行修改而难于实现。 本项研究是与洛杉矶加州大学( u c l a ) 计算机科学系的许开新博士研究生 合作完成的，对于许开新同学提出的邻居区域最大最小公平的概念和n r e d 机 第一章绪论 制的基本思想，我们进行了反复的研究、讨论和修改，本文作者完成了本研究的 大部分仿真实验，同时完成了n r e d 机制在n s 中的实现，在此基础上进行了大 量的仿真实验并对仿真结果进行了分析和讨论。 此外本文中给出了大量的仿真实验结果，所用到的仿真实验工具为n s 仿 真软件。在附录b 中给出了n s 仿真软件的简单介绍。 1 2 研究生期间完成的研究工作 作者在研究生期间除了主要进行了与本文有关的研究外，还进行了关于 d i f t s e r v 网络中病态流控制方面的研究，具体的研究状况和结果，在附录c 中进 行了介绍。 1 3 论文结构 论文的后续部分组织情况如下：第二章主要介绍当前a dh o e 无线网络领域 t c p 性能的相关研究情况；第三章阐述我们提出的a d h o e 无线网络适用的t c p 公平性及公平指数的定义，并通过简单的实验来观察现有机制下a dh o e 无线网 络中t c p 公平性问题：第四章分析a dh o e 无线网络中t c p 不公平性问题产生 的原因：第五章介绍n r e d 机制的提出及其基本思想；第六章详细介绍我们提 出的n r e d 机制及其在n s 中的实现i 第七章对采用n r e d 机制的a d h o c 无线 网络进行仿真，分析t c p 公平性的改进，并对n r e d 机制进行评价；第八章给 出结论并讨论今后的研究方向。 第二章相关研究的现状 第二章相关研究的现状 当前人们对a dh o c 无线网络的研究主要包括两个方面：1 ) 对适用于a dh o c 无线网络的分布式路由协议的研究；2 ) 对a dh o c 无线网络性能的研究。特别是 与第二个方面相关的t c p 1 4 1 5 在a d h o c 无线网络中性能的研究一直是一个活 跃的领域。与有线网络相比，a dh o c 无线网络具有丰富的动态特性，而这些特 性影响着t c p 的性能的各个方面，导致t c p 的吞吐率，公平性出现了出乎意料 的结果。下面我们将简要的从吞吐率和公平性两个方面介绍有关t c p 在a dh o c 无线网络中性能的研究情况。 2 1a dh o c 无线网络中t c p 吞吐率 为提高无线网络中t c p 流的吞吐率，人们进行了大量的研究工作。这些研 究工作可以简单的分为两类：第一类主要研究无线信道的高差错率和动态特性对 t c p 吞吐率的影响；第二类主要研究局部共享的无线信道对t c p 吞吐率的影响。 这些研究工作的成果对我们的研究都起到了启迪和借鉴的作用，因此在这- - d 节 我们将介绍这方面研究的成果与现状。 2 1 1 对不同原因引起的丢包的处理 在无线网络中，丢包可能是由各种不同的原因引起的，例如由节点移动所 带来的链路中断，干扰冲突或拥塞等等。传统的t c p 拥塞控制机制将所有的丢 包都看作是由于拥塞引起的，于是就通过降低发送速率来对丢包作出响应，具体 的做法有减小拥塞控制窗口的大小，以及将t c p 重传超时时间翻倍。而在丢包 并非由拥塞引起的情况下，这种降低发送速率的做法会严重降低t c p 的吞吐率。 在a dh o c 无线网络中这种做法会使得t c p 的性能下降8 0 左右 1 6 j 。人们对单 跳及多跳无线网络下的这个问题都进行了研究，发现解决这个问题的关键是区分 由拥塞引起的丢包和由无线信道错误等其他原因引起的丢包。目前有两种可选的 解决方案，一是在网络层鉴别丢包原因，这就需要对下层的体系结构作一些改进。 第二章相关研究的现状 另一种方案是对传输层进行改进，进行端到端的测量和鉴别。 在最后跳是无线蜂窝结构的网络中，有人提出将t c p 流分为两段：无线 部分和有线部分 1 7 【1 8 【1 9 】【2 0 2 1 】。这个“断点”选在了基站上，为了完成这 种分割还需要一个响应t c p 机制的代理( t c p a w a r ea g e n t ) 。这个代理负责在无 线信道部分对非拥塞引发的丢包进行重传，并在发生拥塞引起的丢包时，向t c p 源发送拥塞信号。还有一种方法就是通过基于接收方的对分组内部到达时间 ( i n t e r - a n - i v a lt i m e ) 和丢包的测量，来鉴别拥塞丢包和信道错误丢包 2 2 1 1 2 3 1 。 但是由于无线信道质量不断振荡( 统计) ，这种测量结果中的“噪声”( 干扰) 太 大而没有实用价值 2 3 1 1 2 4 1 。 在移动的a d h o c 无线网络中，除了无线信道出错丢包之外，由节点移动导 致链路失效而引发的丢包也经常发生。为解决这个问题人们提出了许多方案，这 些方案都采用面向网络基础结构的方法 2 4 1 1 2 5 2 6 。一种方案是每个节点都采 用一种显式链路失效通知( e l f n ，e x p l i c i t l i n kf a i l u r en o t i f i c a t i o n ) 的机制来通知 t c p 源链路失效 2 】。这样源就可以将链路失效引起的丢包与拥塞丢包区分开。 已经证明在移动的a d h o e 无线网络中e l f n 机制可将t c p 的吞吐率提高7 倍， 但在静态的a dh o e 无线网络中它将使t c p 吞吐率下降约5 。另一种类似的方 案是中间的无线节点在察觉到链路失效的时候，产生一种称为路由失败通知 ( r f n ，r o u t ef a i l u r en o t i f i c a t i o n ) 的信息，从而使得t c p 源在激活状态和暂时 休眠状态间切换 4 。还有一种方案对标准的t c p 作了扩展，称为a t c p ，引入 坚持状态( p e r s i s t e n ts t a t e ) 、拥塞控制状态( c o n g e s t i o n c o n t r o ls t a t e ) 和重传状态 ( r e t r a n s m i s s i o ns t a t e ) 来处理网络中链路失效，拥塞以及信道出错这些状况 1 4 。 在a t c p 中，t c p 源通过检测i c m p ( 目的节点不可达) 和网络中反馈的信息来 了解网络状况 2 7 1 ，发生丢包时，若源节点接收到i c m p 信息，就进入坚持状态 ( 这是由于链路失效) ；若源收到e c n ( e x p l i c i tc o n g e s t i o n n o f i f i c a t i o n ) 信息，就进 入拥塞控制状态；若未收到e c n 信息和i c m p 而出现丢包时，就进入重传状态。 在第二类基于端到端的测量和鉴别的方案的研究中，有人研究了使用单一 指标( 如：内部到达延迟，吞吐率，丢包等) 的测量来检测网络拥塞，但结果都 不令人满意。端到端单一指标的测量中干扰太大，在同时存在节点移动和信道错 误的情况下这一点尤为突出 2 4 。 2 8 中试图提供一种更为通用的、用于可靠鉴 第二章相关研究的现状 别网络中不同状况的解决方案基于端到端测量的多指标联合鉴别。拥塞、路 径改变、信道错误以及连接中断等网络状态可通过对4 个不同指标的测量来鉴 别，对标准的状态机制进行修改，使其能根据当前网络状态的不同，而产生不同 的反应。仿真实验表明，这种多指标联合鉴别的方法能够使检测的精确度提高 8 0 ，并且达到的吞吐量水平接近e l f n 2 。另方面e l f n 机制需要底层网络 结构的支持，而这种方法并不需要。 2 9 中提出根据端到端的带宽的估计来鉴别丢包原因，采用这种方案的t c p 协议称为t c pw e s t w o o d 。在t c p w e s t w o o d 中，发送方不断的测量t c p 连接的 速率，这个速率的测量是通过监视返回a c k 的速率来实现的。这个通过测量得 到的t c p 连接的速率是对可用带宽的一个估计值。当出现丢包时，t c p 源使用 这个带宽估计值来计算拥塞窗口和慢启动的阈值。显然，t c pw e s t w o o d 机制并 没有显式的判定丢包是否是由拥塞造成的。任何丢包都会使t c p 源进入拥塞控 制处理。但由于拥塞控制窗口大小和慢启动闽值是由可用带宽的估计值决定的， 不是由拥塞引起的丢包就不会导致拥塞控制窗口的大幅减小。这样，t c p w e s t w o o d 机制就隐式的区分了丢包类型，且这种机制完全符合t c p 协议端到端 的特性，不需要中间节点的支持。 通常，网络层鉴别的方法都对拥塞进行直接的监测，而基于端到端测量的 方法中，都是通过对一些指标的观测，来分析是否出现了拥塞。基于端到端测量 的方法更符合t c p 端到端的特性，并且由于不需要底层结构的支持而更易于实 瑚。 2 1 2 对t c p 重传超时的处理 在传统的t c p 协议中，当发生重传超时( r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t ) 时，t c p 发送方重传丢失的分组并使重传超时间隔( r t o ，r e l m n s m i s s i o nt i m c o u ti n t e r v a l ) 加 倍，并不断重复以上过程直至收到丢失分组的应答。重传超时间隔的这种指数后 退的算法适用于由拥塞引发丢包的情况，但在a dh o c 无线网络中，除了拥塞外 还有多种原因可能引发丢包，这样就使得在没有拥塞的情况下重传超时间隔也会 迅速增大。在a dh o e 无线网络中拥塞控制窗口一般很小，重传超时间隔的作用 就非常重要，因此这种不恰当的重传超时间隔的指数后退算法会导致t c p 性能 第二章相关研究的现状 的显著下降。 在 3 中，d y e r a n d b o p p a n a 等人提出了一种称为固定一r t o ( f i x e d r t o ) 的 机制来解决这个问题。在这种机制中，如果连续发生重传超时，则认为主要是路 径中断引起的，而不是拥塞。因此这种机制，在重传丢失的分组之后，将冻结 r t o 的值直至重新建立路径。仿真实验证明使用f i x e d r t o 机制，t c p 的吞吐 率几乎可以达到e l f n 机制的水平，所不同的是e l f n 机制是需要底层网络结构 的支持，而这种机制是一种纯的端到端的机制。 2 1 3 对乱序分组的处理 在a d h o c 无线网络中，由于节点移动，干扰，噪音等原因，从源节点到目 的节点的路径会频繁改变，这样分组发送经常会出现乱序现象。分组乱序会导致 重复的a c k ( d u pa c k ) 。而t c p 发送方通常会认为连续的重复的a c k 分组 ( 一般为3 个d u p a c k ) 是网络出现拥塞的标志，为此将降低发送速率。因此 对乱序分组问题处理不当会降低t c p 的性能。最近有研究在源端和目的端使用 乱序分组( o o o ，p a c k e to u t o f - o r d e r ) 来检测路径的改变 1 2 。当通过o o o 分组 检测到路径改变时，发送方会将其发送状态“冻结”一段时间，这样在这段时间 出现的丢包将不会引起拥塞控制方面的处理。当检测到o o o 分组时，最近一段 时间所采取的拥塞控制措施将会被取消，以避免不必要的慢启动过程。但是，这 种机制能有效的检测网络中路径的中断，并判断网络是否拥塞是基于如下假设： 在网络拥塞的时候，不会出现分组乱序。 2 1 4m a c 层协议的影响 m a c 层是a d h o c 无线网络中非常重要的一层，a d h o c 无线网络中t c p 的 性能与m a c 层协议密切相关。在 3 1 1 3 2 中，g e r l aa n d b a g r o d i a 等入对c s m a 、 f a m a 、m a c a w ( 与当前的i e e e 8 0 2 1 1 协议非常的类似) 等m a c 层协议下 t c p 吞吐率进行观测。他们发现在a d h o e 无线网络中，t c p 数据分组和t c p a c k 分组之间存在着冲突，这一点是a d h o e 无线网络独有的特性( 与有线网络相比) 。 他们指出，对于单跳的t c p 流来说，c s m a 下的吞吐量要优于f a m a 和 第二章相关研究的现状 m a c a w 。但对于多跳的t c p 流来说，c s m a 或f a m a 协议下，当最大拥塞控 制窗口的尺寸大于1 时，t c p 的吞吐量下降很快。如果连接的长度大于3 跳， c s m a 和f a m a 的吞吐量很差。而m a c a w 的吞吐量还很好。研究者认为引起 这种差别的原因在于c s m a 和f a m a 机制没有链路层的a c k ，而m a c a w 有。 这样，在多跳场景下使用c s m a 和f a m a ，当拥塞窗口大于1 个分组时，会有 负面的影响。在m a c a w 中，链路层的a c k 对链路有维护的作用。因此，与 c s m a 和f a m a 相比，它对多跳t c p 连接的支持更好。研究者进一步指出，在 a dh o c 无线网络中，最优的拥塞控制窗口的大小是1 个分组，仿真实验以及实 验测量的结果都很好的证明了这一点。 2 1 5a dh o c 路由协议的影响 a dh o c 路由协议是a dh o e 无线网络的重要组成部分。人们对它进行了长期 的研究。人们提出了很多的a d h o e 路由协议。近来人们还对不同a d h o c 路由协 议上t c p 的性能进行了研究。在 3 e p ，d y e ra n db o p p a n a 等人比较了d s r ， a o d v 和a d v 三种不同的路由协议之上的t c pr e n o 的性能，其中d s r 和 a o d v 是按需的路由协议( o n d e m a n dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。a d v 是一种主动的 ( n o f i v e ) 路由协议。通过比较得到的主要结论包括：1 ) 主动的路由协议a d v 的效果要比按需的路由协议d s r 和a o d v 的效果好。2 ) 当t c p 发送方和接收 方频繁经历路由失败时，这三种路由协议下t c p 的性能都不好。但是，a d v 的 性能仍略好于d s r 和a o d v ，这主要是由于它恢复路径的速度要比按需的路由 协议快。3 ) f i x e d r t o 机制可以显著提高按需路由协议的性能。 2 1 6 延迟抖动较大的影响 i e e e s 0 2 1 1 协议的数据应答( d a t a - a c k ) 和重传( r e t m n s m i s s i o n ) 机制可以 减小信道出错时分组丢失的概率，但这些机制也会导致动态无线信道上分组传输 延迟有的较大抖动( d e a l yj i t t e r ：) “3 3 】证明在3 g 无线网络中，如果可以将r t t 的较高的方差减小，则t c p 的性能可以提高4 0 。在基站上引入对t c p 源的突 发进行平滑的“a c kr e g u l a t o r ”，并基于流提供缓存可以使t c p 的性能显著提 第二章相关研究的现状 高。 2 2a dh o c 无线网络中t c p 公平性 近年来人们也对a dh o c 无线网络中t c p 的公平性进行了一些研究，尤其是 对基于i e e e8 0 2 1 1m a c 的a d h o c 无线网络中t c p 公平性进行了研究 6 7 1 3 【3 2 】。 在 7 中s h u g o n g x u 等研究者认为，尽管i e e e8 0 2 ，1 l 已经成为无线局域网 的标准，并在实验床和仿真中得到了广泛的应用，但事实上，i e e e8 0 2 1 1 并不 能很好的支持a d h o c 无线网络的多跳特性。文中列举了基于i e e e8 0 2 t 1 1 的a d h o c 网络中出现的严重的性能问题，其中就包括a dh o c 无线网络中t c p 间严重 的不公平性。文中通过仿真试验指出在基于i e e e8 0 2 11m a c 的a dh o c 无线网 络中几个同时发送的跳数相同的t c p 流之间存在着严重的不公平性，而且这种 不公平性并不是由于r t t ( r o u n d - t r i pt i m e ) 的不同而引发，而是根源于a dh o c 无线网络的m a c 层协议。文中仿真试验拓扑是简单的线性拓扑( 即各节点等距 的排列在一条直线) ，属于隐藏终端问题的场景。研究者通过分析仿真实验得到 的m a c 层和网络层t r a c e 文件，指出m a c 层的隐藏、暴露终端问题，冲突范围 过大以及i e e e8 0 2 】1 的b e b 算法是引发不公平性的主要因素。这篇文章较为 全面透彻的分析了引发a dh o c 无线网络中t c p 不公平性的m a c 层原因，因此 成为此后许多有关a d h o c 无线网络中t c p 流公平性研究( 包括本文) 的基础， 但文中没有提出任何提高公平性的解决方案。 在 8 】中研究人员认为在用于商业用途和军事用途的a d b o c 无线网络中，经 常会出现a db o c 无线网络中的无线节点通过a db o c 无线网络与i n t e m e t 相连的 情况，研究这种情况下的t c p 业务的性能是非常重要的。为此，他们使用实验 床对这种场景下t c p 业务的公平性进行了测试( 其中，a d h o e 无线网络拓扑为 线性) ，发现在a dh o c 无线网络中经过多跳的t c p 业务流间存在严重的不公平 性。研究者通过分析认为不公平产生的最重要、最根本的原因是隐藏、暴露终端 问题，同时指出【3 0 中所提出的r r t s ( r e q u e s t t or t s ) 机制只能解决某一类不公 平性问题( 由隐藏、暴露终端问题所引发的) 。通过仿真实验还发现公平性与t c p 流拥塞窗口尺寸有关，在每种特定的拓扑和业务下都存在一个拥塞窗口的值，使 第二章相关研究的现状 得t c p 流的公平性达到最优，但在a dh o c 无线网络中由于i e e e8 0 2 n 协议的 作用t c p 拥塞窗口机制不能使拥塞窗口的大小趋于这个最优值。从传输层的角 度分析a dh o c 无线网络中t c p 流不公平性产生的原因是该篇文章的新颖之处， 这一点对本文的研究有很大的启迪。但文中也没有提出任何提高公平性的解决方 案。 t a n g 和g e r l a 等人曾对c s m a 、f a m a ( f l o o ra c q u i s i t i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 、 m a c a w 及i e e e 8 0 2 1 1 等m a c 层协议下t c p 公平性进行观测( 【6 【3 1 3 2 】) 。 他们指出当t c p 的拥塞窗口固定等于1 时，t c p 的性能达到最优，而使用动态 自适应的拥塞窗口机制时，拥塞窗口的大小往往会大于这个最优值，从而使网络 中有较多的数据分组和a c k 分组在同一路径上反向传输，出现冲突，从而导致 t c p 性能的下降。他们对线性、环形、网格等拓扑场景进行了研究，发现在所 有的网络场景下i e e e8 0 2 ，1 1m a c 在公平性方面总优于其它m a c 层协议，但在 环形、网格拓扑中如果允许t c p 拥塞控制窗口增长到1 个分组以上时，所有这 些m a c 层协议的公平性都较差。同时他们指出在信道竞争中跳数较少的t c p 连接比跳数较多的t c p 连接有优势，而且这种优势要比有线网络中明显的多。 在【3 2 中通过对c s m a 、f a m a ( f l o o r a c q u i s i t i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 、m a c a w 这几种m a c 层协议下t c p 公平性的比较，他们发现在各种场景下m a c a w 协 议都会使得t c p 的公平性优于其他两种协议，这主要是由于m a c a w 协议使用 新的后退机制代替了其他两种协议的二进制指数后退机制，二进制指数后退机制 设计的初衷是使节点根据网络负载的大小，自动调节自己竞争窗口的大小，既减 少碰撞，又避免带宽的浪费，但是由于竞争同一信道的节点在竞争中经历的成功 失败不同，导致它们对负载程度的估计不同，从而竞争窗口大小也不同，失败的 节点的竞争窗口越来越大，这样需要后退