（计算机应用技术专业论文）无线ad+hoc网络下“邻居区域red”的仿真及实验研究.pdf

摘要 无线a dh o c 网络具有许多不同于有线网络的特性，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 业务在无线a dh o c 网络 中的性能不如在有线网络中那么令人满意。为了解决无线a dh o e 网络中t c p 流 公平性问题，洛杉矾加州大学的许开心博士针对无线传输的特点，提出了一种网 络层解决方案邻居区域随机提前检测( n r e d ) 机制。该机制将有线网络中 r e d 队列管理机制扩展到分布式邻居区域队列上，提前检测拥塞，通知邻居节 点，并按照各流占用信道的比例丢包，来提高t c p 的公平性。但是，许开心博 士在仿真中采用了在m a c 层测量信道利用率的方案间接实现了n r e d 机制，使 得该方案变成了一个跨层的解决方案，违背了n r e d 机制提出的初衷，而且若 不修改无线网卡，则很难在实验床上实现。 为了验证n r e d 机制的有效性和实用性，同时避免跨层，我们在仿真和实 验床上都实现了在网络层广播队列长度的n r e d 方案。仿真和实验都证明了该 实现方案的性能表现不能很好的与n r e d 理论相吻合。这主要是由两个原因造 成的：首先，基于广播队列长度的n r e d 机制的广播报文投递并不可靠，尤其 是在捌塞严重的邻居区域内这种广播更加不可靠；其次，由于实验中各点实际的 邻域队列长度和通过m a c 层信道利用率间接计算出来的并不一致，这造成了拥 塞程度的判断与理论不一致。所以我们认为基于广播队列长度的n r e d 实现方 案很不理想。 为此，我们又提出了两种新的基于被动测量的公平性解决方案一基于传输 延迟测量的方案和基于带宽测量的方案。基于传输延迟测量的方案是对n r e d 机制的改进，我们让每个节点测量自身数据包从离丌m a c 层缓冲区到成功收到 a c k 的时间延迟，并以此作为判断邻域捌塞情况的标准，从而自动调节丢包率， 以减轻网络负载，达到提高公平性的目的。我们给出了该方案的数学推导，关键 算法和基于l i n u x 实验床的实现方案。基于带宽测量的方案中是全新的网络层公 平性解决方案，我们让每个节点监听通过该节点的业务流的吞吐率，当达到某一 闽值时，我们就认为该节点在信道竞争中处于优势，应该暂停传输数据，给其它 节点竞争机会。我们在实验床上实现了该方案，进行了性能评价并和洛杉矶加州 大学李咏中所作的仿真进行了比较分析。实验结果与仿真结果一致，都证实了， 基于带宽测量的方案采用了被动测量的方式探测邻域拥塞状况，可有效判断出邻 域捌塞情况，明显的改善了t c p 的公平性。 关键词：无线a dh o c 网络，t c p 公平性，n r e d ，l i n u x 实验床 a b s t r a c t m a n yp r o b l e m sa r e1 n d u c e db yv a r i o u sw i r e l e s sa dh o cn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c s n o tf o u n di nw i r e dn e t w o r ka n ds o m eo ft h e mh a v en o tb e e nc o m p l e t e l ys o l v e d s o t c pp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sn o ta ss t a b l ea si nw i r e dn e t w o r k i n o r d e rt oi m p r o v et c pf a i r n e s so fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ，d r x uo f u c l a p r o p o s e d 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 yd e t e c t i o nr n r e d ) i n n r e d ，t h ec o n c e p to fn e i g h b o r h o o di si n t r o d u c e d ，w h i c hi st h ea g g r e g a t i o no fan o d e i t s e l fa n di t si n t e r f e r i n gn o d e s s ot h er e dm e c h a n i s mi se x t e n d e dt ot h ed i s t r i b u t e d n 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 i o no fl o c a lq u e u ei no n e sn e i g h b o r h o o d h o w e v e r ，d r x us i m u l a t e da n da n a i y z e dt h ep e r f o r m a n c eo fn r e db ym e a s u r i n g c h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t e ，w h i c hi sa no v e r - l a y e rs o l u t i o na n dd i f f i c u l tt oi m p l e m e n ti n p r a c t i c e t ov a l i d a _ t et h ee f f e c t i v e n e s so fn r e d ，w ei m p l e m e n t e di t b yb r o a d c a s t i n g q u e u el e n g t hi nn e t w o r kl a y e ri nt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tb o t ho ft h e ms h o w e d t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m ei sn o tc o n s i s t e n tw i t hn r e d t h e o r y t h e r ea r e t w om a i np r o b l e m s f i r s t ，b r o a d c a s t i n gp a c k e t sa r en o tr e l i a b l e ；s o m eo ft h e ma r e d i s c a r d e dw h e nt h ec h a n n e li sc o n g e s t e d s e c o n d ，c o n g e s t i o na r e a sd e t e c t e di nt h e e x p e r i m e n ta r en o tt h o s eg i v e nb yt h e o r y , b e c a u s et h en e i g h b o r h o o dq u e u el e n g t hi s n o ta c c o r d a n tw i t hc h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t e s ow ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h es c h e m e o f b r o a d c a s t i n gq u e u el e n g t hw a sn o te f f e c t i v e t oa v o i d ，t h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，w ep r o p o s e da n o t h e rt w of a i r n e s s s o l u t n si nn e t w o r kl a y e rb a s e do n p a s s i v e m e a s u r e m e n t t h ef i r s ti st h e i m p r o v e m e n to fn r e db a s e do na v e r a g ep a c k e td e l a ym e a s u r i n g i nt h i ss c h e m e ，w e m e a s u r eo n e h o pd e l a yi nm u l t i - h o pa dh o cn e t w o r k ，u s i n gt h a tt od e t e c tc o n g e s t i o n s ow ec a l lc o n t r o ld r o pr a t et og u a r a n t e ef a i r n e s st h es e c o n di sb a s e do nb a n d w i d t h u t i l i z a t i o nr a t em e a s u r i n g ，w h i c hi san e wf a i r n e s ss o l u t i o n i nt h i ss c h e m e ，e v e r y n o d em o n i t o r si t st h r o u g h p u ts e p a r a t e l y i ft h eb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t ee x c e e d st h e t h r e s h o l dw es e t ，t h et r a f f i co ft h i sn o d es h o u l db ep a u s e ds ot h a to t h e rn o d e sw i l l h a v ec h a n c et os e n dp a c k e t s w ei m p l e m e n t e dt h i ss c h e m ei nt e s tb e d ，a n dc o m p a r e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l tw i t hs i m u l a t i o nf i n i s h e db yl e ey e n g z h o n go fu c l a b o t ho f t h e ma c c o r d a n t l yp r o v et h a t p a s s i v em e a s u r e m e n ti sm o r ep r e c i s ea n dt h es c h e m e b a s e do nb a n d w i d t hu t i l i z a t i o nr a t em e a s u r i n gc a ng r e a t l yi m p r o v et c p f a i r n e s s k 呵w o r d ：w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ，t c pf a i r n e s s ，n r e d ，l i n u xt e s tb 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，也不包含为获得墨生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 作了明确的况明并表示了谢意。 学位论文作者签名：侈】乞 签字日期：? 一r 年6 月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨童盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘鲎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：匆q 危 lo 导师签名：誓亏 签字日期：埘年占月矽日 签字e 1 期：埘年7 月加日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线a dh o c 网络技术的发展 近年来，随着i e e e8 0 2 1 1 协议族的不断扩充，无线网络技术得到了更快的 发展。同有线网络相比，无线网络具有组网方便、节点移动性高等特点。这些 特点使无线网络更适合于野外勘测、战地、突发事件等需要临时搭建网络及需 要节点频繁移动的情况。在某种意义上说，无线网络可以作为有线网络的延伸 和重要补充。同时，我们也应当看到，无线局域网在技术上仍然存在着一磐亟 待解决的问题。与有线网络相比，无线局域网存在以下问题： 1 、带宽的有限性：无线网络的带宽仍然相对较低，虽然8 0 2 1 1 a 及8 0 2j 1 1 9 标准的出台使无线网络的物理带宽提高到5 4 m b p s 甚至是1 0 8 m b p s ，但相对于 有线网络而言，无线网络的物理带宽及可用带宽仍显不足。 2 、差错率高：由于无线信号易受周围环境影响，以及无线信号间的互相干 扰，造成了无线网络中报文传输具有高差错的特点。 3 、通信距离的有限性：由于无线信号随距离及障碍物遮挡而衰减，因此无 线节点就具有了一定的通信范围，只有在通信范围内节点才能直接通信。这一 性质是造成隐藏暴露节点，a d h o c 路由等问题的根本原因。 4 、高移动性：无线网络节点的可移动性是无线网络的最大优势，但同时也 引起了a d h o c 网络路由失效以及移动节点在不同接入点之间( e s s ) 漫游等技 术问题。 另外，由于无线局域网协议只涉及m a c 层和物理层的规定，并不涉及对 上层协议的修改，因此，i p 层以上协议仍然沿用传统的t c p i p 模型。从网络 分层角度讲，这样规定是合理的，但是，这也会对上层业务性能产生一些不良 的影响。 目前，无线局域网存在着很多并行发展的协议标准。例如：i e e e8 0 2 1 l 、 h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等。这砦标准之间存在着一定的竞争关系，但是从总体上 看，它们可以适应不同用户群的需求，是互为补充的无线局域网解决方案。 i e e e8 0 2 1 1 协议 1 是最早制定的无线局域网标准，协议工作在公用的 2 4 g h z 频带，最高速率为2 m b p s 。作为一个共享的无线局域网标准，8 0 2 1 l 使 用了带有冲突规避能力的载波侦听多路访问( c s m a ) 介质访问控制( m a c ) 协议，在物理层规定了三种不同的传输技术，直接序列传播频谱( d s s s ) ，跳 频传播频谱( f h s s ) 和扩展的红外线( d i r ) 。由于1 e e e8 0 2 1 1 协议可用带宽 第一章绪论 较低，不适应日益增加的上层业务对网络性能的要求，因此，i e e e8 0 2 1 1 b 协 议在此基础上发展起来。i e e e8 0 2 1 l b 协议在物理层采用直序扩频技术，最高 速率可达1 1 m b p s 。目前，该标准早已实现了商业产品化。也正是因为如此，我 们选择了8 0 2 1 1 b 协议作为仿真和实验床测量的标准来进行性能分析。 从组网方式上看，无线网络可以提供有基础设施网络模式( i n f r a s t r u c t u r e b a s e d ) 和a d - h o c 网络模式两种基本解决方案。在有基础设施网络中，无线节点 通过接入点( a c c e s sp o i m ) 按入i n t e r n e t 。无线节点之间不能直接通信，只能通 过接入点对数据包转发实现间接通信，接入点成为网络的中心环节。由于这种 方式配置简单，并且各个厂商的产品都提供了与有线网络的接口，因此，它是 目前无线局域网主要的，也是比较成熟的种解决方案。a d h o c 网络不需要基 础设施支持，借助a d h o c 路出协议，每个无线节点都可以充当路出器的功能， 对数据分组进行转发。a d h o e 网络在组网方式上更加灵活，但由于其较复杂， 因此尚处于研究和试验阶段，未见产品化，也没有提供路由支持的解决方案。 1 2 课题背景 正如上节所提到的，无线a dh o e 网络是若干无线移动节点组成的动态临时 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。无线a dh o e 网络一般使用公用广 援信道，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。无线a dh o c 网络由于具有完全无线并可任意移动的特性，在军事领域 以及灾难急救中有很高的应用价值。同时这种网络还被用于户内组网、临时办 公室等商业用途。 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 供了可靠的端到端数据传输和拥塞控制。某一种网络机制或协议能否很好的适 应和支持t c p 协议，以及t c p 协议在这种网络机制或协议下的性能表现，都 决定了这种网络机制或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) 中表现出了较好的性能，但在无线a d h o c 网络中t c p 的性能却不像在上述网络中那么令人满意。无线a dh o c 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。 近年来人们提出许多能够提高无线a dh o c 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等问题，如 第一章绪论 e l f n 2 、t c p f 3 】、f i x e d r t o 4 、及t c p d o o r 5 等都属于这一类。有人 认为我们对于无线a dh o c 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，直以来我们忽视了对无线a dh o c 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 的公平性在无线a dh o c 网络中 是非常重要的，因为无线a dh o c 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) ，并且这类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类 文件的传输。 近来，通过仿真和实验网络测量的方法，人们观测并记录了无线a dh o c 网 络中t c p 流间的严重的不公平性 6 7 1 1 8 9 1 。这些分析和基于这些分析的解决 方案绝大部分都是针对m a c 层协议提出的，由于在实际应用中，m a c 层协议 难以修改，所以上述解决方案很难实现。在【l o 忡，许开心博士和奇兰涛等人 提出了一种网络层方案来提高无线a dh o e 网络中t c p 的公平性，并对无线a d h o c 网络中t c p 公平性进行了量化。 在 1 0 中，提出了无线网络中的邻居区域概念，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组成了这个邻居区域的 分布式队列。这个队列显然并非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。根据r e d 机制的原理，许丌心等人提出一种邻居区域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 可以看作是适于无线a d h o c 网络的分布式的r e d 机制。许丌 心等人通过仿真评价和分析了n r e d 机制的有效性。 但是 1 0 中的n r e d 仿真并不是完全基于网络层，而是通过在m a c 层的 第一章绪论 测量来实现的替代方案。为了实现完全与m a c 层脱离，我们通过研究和实验 床实验，实现了多种完全基于网络层的公平性解决方案，并结台理论和仿真进 行分析研究。由于我们实现的实验床实验完全避免涉及m a c 层，所以具有很 强的实际应用意义。 1 3 作者的工作 本文工作主要分为以下四个部分： i ) 我们在仿真软件上实现了基于广播队列长度的n r e d 方案。 2 ) 我们修改了l i n u x 内核和网卡驱动程序，实现了基于广播队列长度的 n r e d 实验床方案，并将测量结果与理论及仿真结果进行了分析比较。 3 ) 我们提出了一种基于m a c 层传输延迟测量的n r e d 方案，通过修改 l i n u x 内核和网卡驱动程序完成了实验床的实现，并进行了理论分析。 4 ) 我们修改了l i n u x 内核，完成了基于带宽利用率测量的公平性解决方案 的实验床实现，并将测量结果与理论及仿真结果进行了分析比较。 1 4 论文结构 论文第二章介绍了邻居区域的概念，并重点阐述了n r e d 机制，第三章我 们剥l i n u x 内核协议栈流程和无线网卡驱动程序的收包发包过程进行了总结， 介绍了网络测量的基本原理和方法，并给出了我们的实验床实验的数据记录格 式。第四章我们介绍了基于广播队列长度的n r e d 机制的仿真，并对其进行了 详细分析。第五章我们详细介绍了基于广播队列长度的n r e d 机制的实验床实 现，并将测量结果与理论及仿真结果进行了分析比较。第六章中我们介绍了其 他在网络层的公平性解决方案的实现，包括基于m a c 层传输延迟的方案和基 于带宽利用率测量的方案。第七章对会文进行总结，并对今后的研究和工作进 于带宽利用率测量的方案。第七章对全文进行总结，并对今后的研究和工作进 行展望。 第二章n r e d 机制概述 第二章邻居区域随机提前检测机制概述 当前人们对无线a dh o c 网络的研究主要包括两个方面：1 ) 对适用于无线a d h o c 网络的分布式路由协议的研究：2 ) 对无线a dh o c 网络性能的研究。特别是 与第二个方面相关的t c p 1 1 【1 2 1 在无线a dh o e 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，无线a dh o c 网络具有丰富的特性，而这些特性影 响着t c p 的性能的各个方面，导致t c p 在吞吐率和公平性上的表现有别于有线 网络。在本章中，我们将简要地介绍t c p 在无线网络中的研究情况，并着重介 绍无线a dh o c 网络中的邻居区域概念，以及根据邻居区域提出的n r e d 队列管 理机制。 2 1 无线a dh o c 网络中的t c p 吞吐率及公平性研究 2 1 1 无线a dh o e 网络中的t g 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- - + 节 我们将介绍这方面研究的成果与现状。 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 捌塞控制机制将所有的丢包 都看作是由于拥塞引起的，随后通过降低发送速率来对丢包作出响应，具体的做 法有减小捌塞控制窗口的大小，以及将t c p 重传超时时间翻倍等。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。 有研究表明，在无线a d h o c 网络中这种做法会使得t c p 的性能下降8 0 左右 1 3 。 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。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 4 1 5 】 1 6 】 1 7 】 18 】。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 第二章n r e d 机制概述 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涮 ( i n t e r - a r r 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 1 9 2 0 。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 0 2 1 1 。 在移动的无线a dh o c 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 1 1 2 2 2 3 2 4 1 。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t c p 源就可以将链路失效引起的丢包与拥塞丢 包区分开。已经证明在移动的无线a dh o c 网络中e l f n 机制可将t c p 的吞吐率 提高7 倍，但在静态的无线a dh o c 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 2 2 1 。还有一种方案对标准的t c p 作了扩展，称为a t c p ， 通过引入坚持状态( 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 nc 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 1 。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 5 】。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( 这是由于链路失效导致的) ；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 t i f i c a t i o n ) 信息，就进入捌塞控制状态；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 1 。 2 6 中试图提供一种更为通用的、用于可靠鉴别网 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，并 且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 且使得吞吐量水平接近e l f n 2 1 。另一方面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 7 】中提出根据端到端的带宽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 pw e s t w o o d 中，发送方不断地测量t c p 连接的速 率，这个速率的测量可以通过监视返回a c k 的速率来实现。这个通过测量得到 第二章n r e d 机制概述 的t c p 连接的速率可以用来估计带宽。当出现丢包时，t c p 源使用这个带宽估 计值来计算 爿j 塞窗口和慢启动的阈值。显然，t c pw e s t w o o d 机制并没有显式地 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阀值是由可用带宽的估计值决定的，不是由搠塞 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 pw e s t w o o d 机制就 隐式地区分了丢包类型，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测量，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现。 另外，t c p 的超时重传机制，对乱序的处理机制，网络层上的a dh o c 路由 协议，以及m a c 层协议都会对无线网络中t c p 流的吞吐率产生影响，由于篇幅 所限，我们在此就不一一列举。 2 1 2 无线a d h o c 网络中的t c p 公平性 近年来人们也对无线a dh o c 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 的无线a dh o c 网络中t c p 公平性进行了研究 6 7 】 9 2 8 。 在 7 中s h u g o n gx u 等研究者认为，尽管i e e e8 0 2 1 1 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 l 并不 能很好地支持无线a dh o c 网络的多跳特性。文中列举了基于i e e e8 0 2 1 1 的a dh o c 网络中出现的严重的性能问题，其中就包括无线a dh o c 网络中t c p 流间严重的 不公平性现象。文中通过仿真指出在基于i e e e8 0 2 m a c 的无线a dh o c 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 p t i m e ) 的不同而引发，而是根源于无线a d h o c 网络的m a c 层协议。文中仿真拓扑是简单的线性拓扑( 即各节点等距的排列在 一条真线) ，属于隐减终端问题的场景。研究者通过分析仿真得到的m a c 层和 网络层t r a c e 文件，指出了m a c 层的隐藏暴露终端问题，并提出冲突范围过大 以及i e e e8 0 2 ，1 l 的二进制指数后退( 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地分析了引发无线a dh o c 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无线a dh o c 网络中t c p 流公平性研究( 包括本 文) 的基础。但是，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无线a dh o c 网络中，经 常会出现无线a d h o c 网络中的无线节点通过无线a d h o c 网络与i n t e m e t 相连的情 第二章n r e d 机制概述 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，无线a dh o c 网络拓扑为线 性) ，发现在无线a dh o e 网络中多跳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 tt 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) 。仿真还发现公平性与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，使得t c p 流的公 平性达到最优，但在无线a d h o c 网络中，由于m e e8 0 2 1 1 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无线 a dh o c 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 m a g 和g e r l a 等人曾对c s m a 、f a m a ( f l o o r a 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 e8 0 2 1 1 等m a c 层协议下t c p 公平性进行观测( 6 2 8 2 9 1 ) 。 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 2 8 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，自动调节自己退避窗口的大小，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，从而退避窗口大小也不同，失败的 节点的退避窗口越来越大，这样需要后退等待的时间越来越长，在信道竞争中成 功的可能性就越来越小。而二进制指数后退机制与t c p 的后退机制共同作用， 会使得信道竞争中失败的节点等待更长的时间，从而引发了严重的不公平性。 m a c a w 协议使用的新的后退机制就是在每个分组的头部加一个竞争窗口大小 字段，发送方在发送分组时将自己的竞争窗口的值写入这个字段。凡是侦听到这 个分组的节点，都将根据这个字段的值来修改自己的竞争窗口的大小，使得竞争 第二章n r e d 机制概述 同一信道的节点的竞争窗口的大小相同，在信道竞争中成功的概率相同。但仿真 也表明，在某些拓扑下基于m a c a w 协议的无线a dh o e 网络中t c p 的公平性也 不令人满意，甚至会出现信道独占的现象，这说明二进制指数后退机制不是无线 a dh o c 网络中t c p 不公平性产生的唯一原因，因而m a c a w 协议不能完全解决 无线a dh o c 网络中t c p 流不公平性问题。 t a n g 和g e r l a 等人还提出了种简单的m a c 层解决方案。在这个方案中， 使用一个额外的后退时间来抑制最近使用过信道的节点再次使用信道。这个额外 的后退时间将迫使最近的成功占用信道的节点延迟一段时间再发送。这种方法在 一定程度上会提高公平性，但它会带来很大的开销。特别是在隐藏终端情况下， m a c 层协议的b e b 算法会使没有取得信道的节点后退很长的一段时间，这样， 为了避免最近占用过信道的节点再次占用信道则需要使其后退一个更长的时间。 这就可能造成了信道的浪费。 同时有些研究者指出了一些有意义的研究方向：研究m a c 层后退机制与 t c p 层后退机制间的相互影响：研究m a c 层的后退策略，链路保护机制，队列 传输调度机制、拥塞控制机制间的相互影响，考察这些机制中哪些对t c p 的性 能真正产生作用；研究是否需要增加新的传输层机制或新的网络层队列管理机制 来提高t c p 流的公平性。 2 2 无线a dh o c 网络中的邻居区域概念 2 2 1 现有机制下无线a dh o c 网络的公平性状况 “曩知】 ：，一+ - 、： n 劣等畚i 昏1 1 w ”1 q ) 。：苟。 ： w ，、：1 、j 一： ，毗t tt ，? 姆，。，。| i 圈2 - i 一个简单晌无线a dh o e 网蝌拓扑( 单位：米) 圈2 - 2 三个t c p 流平均吞吐率的比较 在讨论公平性的定义之前，我们先通过一个简单的场景来考察一下现有机制 下无线a dh o c 网络中t c p 公平性的状况。我们使用n s 3 1 软件来仿真图2 1 所 示的简单的网络场景。9 个节点如图所示排列且固定不动( 简化问题) ，我们建立 第二章n r e d 机制概述 了3 个f t p t c p 业务分别是t c p l ( 节点1 到节点3 ) 、t c p 2 ( 节点4 到节点6 ) 、 t c p 3 ( 节点7 到节点9 ) 。所使用的t c p 的版本是t c p n e w r e n o 。t c p 分组的平 均大小为1 0 2 4 b y t e 。路由协议使用d s r 。m a c 层协议使用i e e e8 0 2 1 1d c f 。 传播模型使用t w o r a yg r o u n d 。设侦听范围、冲突范围及传输范围均为2 5 0 米。 节点队列类型为d r o p t a i l ，队列大小为5 0 个分组。仿真时间3 2 0 秒。图中还用虚 线圆分别标出了节点2 、5 、8 的传输范围。可以看到由于节点2 和节点5 互在对 方的传输范围内，故流t c p l 和t c p 2 互相竞争资源。类似的，t c p 2 和t c p 3 也相互竞争资源。 图2 2 中给出了三个流在整个连接时间范围内的平均吞吐率的比较( 某个流 的平均吞吐率是该流的目的节点在整个连接时间内接收到的数据量除以该流的 连接时间) 。我们发现t c p 2 吞吐量几乎为零。因此我们认为在这三个流对信道 的共享中存在着严重的不公平性。在 6 】 7 】 9 】中，其它研究者也发现了类似的情 况。 2 2 2 邻居区域及瓶颈邻居区域 无线a dh o c 网络和有线网络的主要区别在于：在无线a dh o c 网络中，由于 空i 日j 复用约束的作用，不经过相同节点的多个连接问也会互相干扰，互相竞争信 道带宽。因此在无线a dh o c 网络中空间区域( s p a c e ) 也是一种资源。对此， 1 0 】 中提出了邻居区域的概念，下面对此作简单的介绍： 我们考虑节点周围的空间区域，在这个空间区域内其他信号会对该节点发出 的信号构成干扰，将这个空间区域看作一个“虚节点”( v i r t u a ln o d e ) 。那么凡是 通过这一空间区域的流都被认为是共享这个“虚节点”。我们使用图2 1 中的场 景举例，节点5 的“虚节点”如图2 3 所示，可以看出节点2 、4 、5 、6 、8 都在 “虚节点”的范围内，则由于t c p l 通过节点2 ，t c p 2 通过节点4 、5 、6 ，t c p 3 通过节点8 ，所以这3