（计算机软件与理论专业论文）无线局域网中流量控制协议研究.pdf

摘要 无线局域网( w l a n ) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产 物。无线局域网采用无线的方式实现终端间的连接，与有线局域网相 比更加复杂。近年来，无线局域网研究中的主要热点和难点闯题为介 质访问控制m a c 协议、公平性保证、有效性保证、传输控制协议t c p 、 能量消费等 在无线局域网中，m a c 协议的设计是一个核心的问题。m a c 协 议应该满足较高的吞吐量和较好的公平性等要求。本文根据8 0 2 1 1 分布式协同函数d c f ，提出了一种新的高效的竞争窗口c w 处理机 制，称作自适应倍乘增加倍乘减小算法a d d 该算法的基本思想如 下：每个站点在成功地连续发送r t 个数据包后，其m a c 层的竞争窗 口减小为原值的一半，而且1 1 的值根据接入节点a p 的瞬时流量自适 应地调节。大量仿真实验表明；该算法可以通过有效地降低站点之间 的冲突概率，来增加系统整体的吞吐量，同时增加不同站点之间的公 平性。 随后，论文总结了无线局域网公平性同有线网络中公平性的区 别，介绍了时间公平性提出的背景及相关的研究工作。在此基础之上， 本文提出了一种基于时间公平性的主动队列管理机制t r e d ，通过引 入竞争负载c o 的概念，计算得出不同速率的流的丢弃概率，从而对 不同信道容量的流进行区分处理，限制低速率的流的信道访问时间， 达到时间公平的目的。通过模拟结果，可以看出，算法基本实现了原 有的设计目标，即较好的系统总体吞吐量，以及流之间的信道访问时 间之比等于分析所得的结果 关键词：无线局域网，流量控制，竞争窗口退避，时问公平性 w i r c l 懿sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) i st h ep r o d u c to fc o m b i n a t i o n b e t w e e nc o m p u t e rn e t w o r ka n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e 硼a na d o p t st h ew i r e l e s sm e t h o dt oc o n n e c tw i t he a c ho t h e r c o m p a r e d 谢也w i r e do n e s 。i t sm o r ec o m p l e x n o w a d a y s 。t h eh o t s p o t sa n d d i f f i c u l t i e so fw l a nr e s e a r c hi n c l u d e sm e d i aa c c e 鼹c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l ，f a i r n e s sa 船u r a n c c ，e f f i c i e n c ya $ s u r a n c ：c , t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l ( t c p ) a n da 圮曜黟c o n s u m p t i o n ，e t c d e s i g no fm a cp r o t o c o l si so n ek e yp r o b l e mi nw i r e l e s sl o c a la 嘲 n e t w o r k s t h cm a j o rf e a t u r e so f am a c p r o t o c o la h i g ht h r o u g h p u ta n d g o o d f a i r n e s s i nt h i s p a p e r , w ep r o p o s e an e we f f i c i e n t c o n t e n t i o n - w i n d o w ( c mr e s o l u t i o nm e c h a n i s m , c a l l e da d a p t i v ed o u b l e i n c r e a s ed o u b l ed e c r e a s ea l g o r i t h m ( a d d ) a c c o r d i n gt ot h ei 既e8 0 2 1l d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( d c f ) 。 w h i c h i m p r o v e s t h e p e r f o r m a n c oo fo r i g i n a lm a cp r o t o c 0 1 1 1 1 ca l g o r i t h mi sd e v e l o p e da s f o l l o w s ：e a c hs t a t i o nw i l lh a l v et h ec o n t e n t i o nw i n d o wa f t e rn c o n s e c u t i v e $ u c c e 鹳f u lt r a n s m i s s i o n s a n dt h ev a l u eo fni sa d j u s t e d a d a p t i v e l ya c c o r d i n gt ot h et h r o u g h p u to fa c c e s sp o i m ( a p ) n o d e 啦s a l g o r i t h mc a l lr e d u c et h e c o l l i s i o np r o b a b i l i t y ；m e a n w h i l e i ti m p r o v e st h e f a i r n e s sb o t w c c nd i f f c r e n ts t a t i o n s s u b s e q u e n t l y , t h ed i s s c r t a t i o ns u m m a r i z e st h ed i f l o r e n c eo ft h e f a i r n e s sb o t w c e l l ，a n sa n dw i r e dn e t w o r k s a n di n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n do ft i m e - f a i m m sa n dr e l a t i v er e s e a r c hw o r k o n 也a tb a s i s a n c vm e c h a n i s m , t i m e - f a i r n e s sa c t i v eq u e u em a n a g e m e n t ( t r e d ) , i s p u tf o r w a r d i tu s e st h ec o n c e p to f c o n t e n t i o no v e r h e u i ( c o ) t oc o m p u t e t h ed r o p p i n gp r o b a b i l i t i e so ff l o w s 稍也d i f f e r e n tr a t e 9a n dh e n c ed e a l s w i t ht h e s ef l o w ss e p a r a t e l y , i c 1 i m i t i n gt h em e d i aa c c c s st i m eo ft h e s l o wf l o w , a n dr e a c ht h eg o a lo ft i m e - f a i r n e s s t h r o u l g ht h es i m u l a t i o n r e s u l t ，i t so b v i o u st h a tt h ea l g o r i t h ms a t i s f l 铭t h ed e s i g nd e m a n d , t h a ti s , g o o dt o t a ls y s t e mt h r o u g h p u t , a n dt h er a t i oo fc h a n n e la c o 略st i m e b e “嗍f l o w si st h es a m ea st h er e s u l ta n a l y s e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sl o c a la 托an e t w o r k , f l o wc o n t r o l ，c o n t e n t i o n w i n d o wb a c k o f f , t i m e - f a i m c 蟠 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 窒塑日期：j 坚) 王年至月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线局域网及8 0 2 1 1 标准 随着社会对计算机依赖性的迅速增加，用户要求互连的计算机数量更多，类 型也更为复杂现代电子技术的发展，使人们可以根据不同的要求选择不同的网 络方案，但传统的有线网络因为受到设计或环境条件的制约，在物理、逻辑和资 金方面普遍存在着一系列问题，所以发展一种可行的无线通信网络技术作为现有 数据连接的扩充己成为一种迫切需要，无线局域网( w l a n ，w i r e l 嘲l o c a la r e a n e t w o r k ) 正是在这种背景下产生的 个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端的广泛应 用，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 演进，这种趋势进一步推动了v o _ , a n 的发展w l a n 主要在一定覆盖范围内提 供高速无线接入，因此在接入速率和适应环境上，w l a n 与蓝牙【、3 ( p 等技术 是互为补充的。 j 1 无线局域网概述 w l a n 采用无线传输媒质在局部区域对计算机进行组嘲，它能在难以布线 的区域进行通信，并提供安装、使用、管理的便利作为一种灵活的数据通信系 统，w l a n 是有线网络的延伸，在某些环境还可以替代传统的有线网络 与提供相似功能的有线局域网和移动通信网络相比，无线局域网有其突出的 特点：( 1 ) w l a n 的便携性、安装简易性使得它非常适合于不易安装有线网络 的地方，如受保护的建筑物、机场等，或者经常需要变动布线结构的地方，如展 览馆等( 2 ) 数据发送速率高无线局域网最高可以提供n m b 芦一5 4 m b l 晦的 数据发送速率，远高于普通移动通信网络支持的数据速率因此，无线局域网能 够满足对数据发送速率要求高的应用( 3 ) 覆盖范围小无线局域网通常只能 覆盖一百米左右的距离，适合于小范围、密度高的覆盖形式，而不适合做城市之 间的广域覆盖；相比之下移动通信网络可以做到全球性的覆盖，覆盖范围远远大 于无线局域网 无线局域网的这些特点一方面吸引了企业用户，另一方面也吸引了电信运营 商企业用户根据自身的要求搭建无线网络，从而提高企业的信息化程度，促进 企业的发展电信运营商则投资建设无线局域网，向公众提供 n t e m e t 接入服务 硕士学位论文第一章绪论 在w l a n 中，基本构成单位是基本业务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) ，简 单的b s s 可以由2 个或多个无线节点构成。无线节点一般被称为移动终端 s t a t i o n ，各个s t a t i o n 之问可以互相通信。而w l a n 根据各s t a t i o n 之问不同的拓 扑结构，来满足具体的应用和安装的需要。常见的拓扑结构可分为两类，对等式 ( i n d e p e n d e n t m o d e ，也称为a d h o c 方式) 和中心式( i n f r a s h - u c t u r e m o d e ) 拓扑， 中心式拓扑中负责协调各终端接入的中心节点称为访问接入节点( a p ，a c c e s s p o i n t ) 对等式拓扑适用于小数量用户的独立网络，而中心式拓扑则可以服务 于大量用户 如果全部的业务在b s s 内部的各s t a t i o n 之间，并且与b s s 之外的网络没有 任何连接，这样的b s s 称为独立基本业务集( i n d e p e n d e t l t b s s ) 在i b s s 内部， s t a t i o n 之间是对等的，s t a t i o n 可以任意加入或者离开i b s s ，这样的网络往往在 应用中临时构建，应用结束后，网络也随之撤锖，通常这种拓扑结构的网络被称 之为自组织( i n d e p e n d e n t m o d e ) 网络，如图1 - 1 ( a ) 所示 而更普遍的无线网络结构是这样的，即：b s s 中包含一个a p 。作为连接有 线网络和无线网络的桥梁当b s s 中存在a p 时，各个s t a t i o n 之间不再是对等 的关系，所有通信都必须经过a p ，如图1 - l f o ) 所示本文中，专门是针对这种 拓扑结构进行的一系列的研究 w l a n 采用无线的方式实现终端间的连接，与有线局域网相比更加复杂， 对其研究也相对滞后近年来，一系列标准的推出，大大地促进了w l a n 的研 究与发展。目前，无线局域网的标准有很多，主要包括电子电气工程师协会 ( i e e e ，i n s t i t u t eo f e l e c i r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 制定的8 0 2 。1 1 系列标准， 和欧洲电信标准化协会( e t s i ，e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d s h 碰t u t e ) 制定的高性能w l a n ( h i p e r l a n ) 3 1 标准，另外，还有面向个人区域网络( p a n ， p e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 的蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准和h o m e - r f ( 1 ( r a d i of r e q u e n c y ) 、 2 硕士学位论文第一章绪论 标准等等 1 1 2i e e e8 0 2 标准 目前应用最广泛的w l a n 标准是i e e e8 0 2 1 1 系列1 9 9 0 年7 月，i e e e8 0 2 标准化委员会成立8 0 2 1 1w l a n 标准工作组，专门负责制订w l a n 物理层 ( p h y ) 和介质访问控铜( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层的协议标准。1 9 9 7 年6 月该工作组颁布了8 0 2 1 1 第一版本，1 9 9 9 年又推出了改进版本嘲，此后陆 续发布了多个的扩展版本，旨在数据速率，安全性，移动性等方面加强w l a n 的性能 在8 0 2 1 1 系列标准中，涉及物理层的有4 个标准l8 0 2 1 1 ，8 0 2 1 1 b 嘲， 8 0 2 1 1 一，8 0 2 1 l f 毗这4 个标准的工作频段、信号调制方式以及支持的数据发 送速率都不尽相同；8 0 2 1l 规定的物理层有直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u m c e s p r e a ds p e c m n ) 、跳频扩频( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 、 红外线( 取，i n f r a r e d ) 三种，传输速率l 一2 d b l 龉，工作频段为2 4 g h z 频段；8 0 2 1l b 增加了补码键控( c c k ，c o m p l a n e n t a r y c o d ek e y i n g ) 调制，将传输速率提高到 l l m b 一；8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频段，通过正交频分复用( o f d m ，o r t h o s o m f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，进一步将峰值速率提高到5 4 m b p l 【9 1 q ；8 0 2 1 l o 也采用o f d m 调制技术，工作在2 4 g i - i z 频段，可提供5 4 m b p s 传输速率，但强 制保留原8 0 2 1l b 所采用的d s s s ，c c k 的调制方式，因而能够兼容8 0 2 1 l b 它 们的比较见表1 1 袁1 - 1 礼 n 相关标准比较 8 0 2 1 l8 0 2 1 l b8 0 2 1 1 8 0 2 1 l g 物理层 d s s s ，f h s s 、i rd s s so f 蹦o f 喇 m c 蜃 c s m c c 岛i c c 轴i c c 轴u c 频段2 4 g h z 。9 0 伽z2 4 g h z5 g h z2 4 g h z 传输6 。9 。t 2 ，l l ，2 4 ， 1 ，2 m b p s1 2 ，5 5 ，1 1 m b p st 高可迭5 4 m b p s 速率 弘，4 s ，5 4 1 b p $ 编码g f s t ( f o rf h )舶p 弧，d q p s i髓旺，q p 旺 o 旺 调制d p s i ( f o rd s ) c c 置 q 埘 主要应用较广在2 4 g h z 频段提供 通信距离较适传翰速率最高 优点通信距离较远 较高的数据速率 主要对于很多紧急应距离大干8 0 2 1 l a 缺点 传输速率有限通信距离t * t 用速率不够时共存网络数有限 3 硕士学位论文第一章绪论 除了以上4 种基本协议，i e e e8 0 2 11 还有多个扩展版本，分别在不同的方 面加强w l a n 的性能。 i e e e8 0 2 1 l 一】目的在于实现w l a n 图像和语音的实时传输，其基本传输 技术直接沿用已经制订的i e e e8 0 2 1 l a 以及8 0 2 1i b 协议，也将使用2 4 g h z 频 段或者5 g i i z 频段新协议的特点在于改进了w i 。a n 多址接入的方式，可根据 数据的种类决定优先顺序以确保传输影视以及声音数据的带宽，而不使数据在传 输中途间断现行w l a n 多址接入技术，是基于载波侦听多路复用冲突避免 ( c s m a c a ，c a r r i e 1 s e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i 0 1 1a v o i d a n c e ) 方式。在这一 方式中没有优先权的概念，是一种竞争的方式来获得信道的使用权与此不同， i e e e8 0 2 1 l e 则是采用美国风险公司s h a r e w a v e 开发的名为“w h i t e c a p ”的协议 来实现多址接入在“w h i t e c a p ”中采用时分多路复用( t d m a ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术，每隔一定时间按照数据的种类分配信号发送权，从而确 保优先数据的带宽。 8 0 2 1 l i 1 2 1 t 作组希望开发出能够应用于各种i e e e8 0 2 1 1 产品中的数据安全 协议，其工作主要在于增强m a c 予层的安全机制针对原先有线等效加密 ( w e p ，w i r e de q u i v a l e n tp r i v a c y ) 方法的缺点，提出了频繁密钥旋转和初始矢 量旋转的改进方法8 0 2 1 l i 工作组还在考虑其它的安全措施，如w e p 2 用来兼 容原有的w e p 方法，而高级加密标准( a e s ，a d v a n c e de n c r y p f i o ns t a n d a r d ) 可 以提供比w e p 强很多的加密方法，此外，扩展认证协议( e a p 。e x t m s i b l e a u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 在端对端比协议( p p p ，p e e r - p e e rp r o t o c 0 1 ) 、i e e e8 0 2 1 x 标准中都得到支持 1 2 无线局域网的研究现状 有线网络中对连接性和业务传输的基本需求，在无线局域网中也同样需要得 到满足而无线局域网有其不同于有线网络的特点：无线信道所能提供的网络带 宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差，很容易受到外界噪音的 影响；无线节点能以任意可能的速度和移动模式移动，因此网络的拓扑结构会迅 速变化，从而导致可用带宽的变化，并且变化的方式和速度都难以预测；移动终 端尽管具有携带方便、轻便灵巧等特点，但一般都依靠能量有限的电池来供电， 因此如何高效的使用节点的电池能量以及延长节点的生存时间以及整个网络的 生存时间就成为了一个十分突出的问题。这就对无线局域网的性能提出了一系列 更新的要求。 目前无线局域网研究中的主要热点和难点问题为m a c 协议、公平性保证、 硕士学位论文第一章绪论 有效性保证、t c p 、能量消费等 ( 1 ) m a c 协议 无线局域网以多路复用信道作为通信的基础，如何分配信道的使用权是需要 解决的关键问题，在w l a n 中完成该功能的是数据链路控制层( d l c ，d a t al i n k c o n t r 0 1 ) 中的m a c 予层在共享媒质的通信网络中，网络的性能，如吞吐率、 接入延迟和公平性等，在很大程度上依赖于所使用的m a c 协议所以，制定合 适的m a c 子层规范，以有效地配置信道资源，提高无线资源的使用效率，提高 系统的容量和传输质量，是w l a n 研究的重要课题通常，可以将m a c 协议 分为两大类：随机接入( 如a l o h a 、c s m a 和c s m a c d 等) 和受控接入( 如 t d m a 和令牌传递方案等) 。事实上，针对w l a n 提出的m a c 协议大多数都 是随机接入协议例如，i e e e8 0 2 1 1 标准委员会就选择一种随机接入方案( 即 c s m a c a ) 协议作为其标准的m a c 协议的基础 ( 2 ) 公平性保证 公平性问题是衡量网络性能的一个主要指标。在无线局域网中，每个无线节 点的带宽，会根据其同其它节点的距离的改变而改变，这就给无线局域网中公平 性目标的实现，提出了不同于有线网络的要求实际上，在有线网络中，公平性 的目标，一般是达到各个流之间吞吐量的公平分配但是，当这样一种方式却不 适用于无线局域网。因为各无线节点的信道容量的不同，原有的机制不仅不能达 到公平分配的效果，反而会影响网络总吞吐量，造成性能的下降因此，在无线 局域网中，时间公平性的概念得以提出并取得的长足的发展，其着重解决的就是 多速率无线局域网情况下。每流之间信道访问时间的公平分配问题，避免因为慢 速流影响整体系统吞吐量的情况出现 ( 3 ) 有效性保证 有效性保证是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供满足预 先确定的有效性指标( 如端到端的延迟、带宽、分组丢失率和延迟抖动等) 网 络能够提供有效性保证的能力取决于网络中的所有组成部分，包括传输链路、 m a c 子层、鹦络层等在无线局域网中提供有效性保证是一个非常复杂的问题， 主要包括三个重要的组成部分lm a c 协议、路由协议和资源预留的信令m a c 协议解决信道竞争的问题，支持可靠的单播通信和为实时业务提供资源预留，如 g a m a p r 协议【t 3 1 和b b 竞争机制【m 路由协议是指在给定的资源约束下，能 够发现和维护满足有效性要求的路由，而有效性信令为有效性路由确定的路径提 供实际的接纳控制、调度以及资源预约服务。这- - 4 组成部分之间需要相互合作， 以提供用户要求的具有有效性保证的服务 ( 4 ) 彻 5 硕士学位论文第一章绪论 在无线局域网中。由于无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造报文冲 突和丢失，这将严重影响t c p 的性能。而传统的t c p 是针对有线网络设计的， 同时也是针对有线网络进行参数调整和优化的。但在无线局域网中，造成分组丢 失的主要原因有四种：无线信道的高误码率、节点的移动性、信道接入冲突和缓 存溢出。针对不同原因，t c p 应该采用不同的措施来保证连接的性能然而当前 t c p 的拥塞控制机制并不能对这四种原因进行有效地区分，而是在出现分组丢失 时一律调用拥塞避免算法，因而使得无线局域网中t c p 的性能非常差，原有的 t c p 协议已不太适合无线局域网的多跳环境。因此，无线局域弼中要对传统的 t c p 协议进行修改或重新设计，以满足数据传输的需要目前，无线局域网中的 t c p 协议研究分别从t c p 层、p 层和链路层3 个层面提出了相关解决方案 ( 5 ) 能量节省问题 移动设备依靠电池提供能量，因此有限的电池能量给针对移动设备的算法设 计提出了最大的约束条件近几十年来，与高速发展的微处理器芯片技术相比， 在限制电池重量的情况下提高电池容量的技术发展得相当缓慢在这种情况下， 节省节点的能量消费变得至关重要。能量节省问题涉及到无线网络中的各个层， 在每层上都有相应的技术方案当前的节能机制主要分为两大类：一类是无线网 卡动态关闭机制嗍，另一类是功率控制机制【1 6 1 1 3 本文研究内容 不同于有线网络，无线环境下的m a c 技术将要面对更多的问题。侈i 如，有 线网络中很容易实现的冲突检测，在无线网络中却只有采用冲突避免；无线信道 的数据传输也不如有线方式可靠。误码率将大大高于有线网络；在有线环境中， 不存在隐藏终端和暴露终端的问题，而在无线网络中，它却是导致网络性能恶化 的重要因素：无线网络，尤其是在分布式方式下，终端的移动会导致网络拓扑结 构的变化，这也会给m a c 的设计带来问题 i e e e8 0 2 i l 系列标准规定了两种m a c 模式：分布式协调功能( d c f ) 和 点协调功能( p c f ) ，两者均基于c s m a c a 机制其中，d c f 是协议规定的基 本信道接入方式，p c f 则是可选方式。d c f 是构成 e e e8 0 2 1 l 无线局域网的基 础，支持分布式的应用环境结合目前协议标准的应用情况，本文把i e e e8 0 2 1 1 d c f 作为研究分布式无线局域网m a c 机制的基础 ( 1 ) 本文将着重探讨i e e e8 0 2 1 ld c f 退避算法问题。 通过比较以往各种算法的不同之处，提出自己的竞争窗口c w 退避算法 因为如何有效控制c w 的值对于提高系统吞吐量、减少冲突十分重要。在以前 6 硕士学位论文 第一章绪论 的c w 更新规则类算法中，一般是当成功发送一个数据报后就立刻大幅度降低 c w 的值，而在网络负载较大的情况下会存在严重的冲突现象。可以从两个角度 控制减少c w 的值，一个是控制降低的幅度；一个是控制降低的时间，即在成 功发送多少个数据报后再降低c w 的值。在大多数文献中都是通过控制降低的 幅度来优化网络性能，而本文将从控制降低的时间角度来优化网络性能 ( 2 ) 本文将分析w l a n 中与有线网络不同的时间公平性的问题 首先介绍w l a n 中公平性的定义同有线网络不同之处，详细阐述时问公平 的概念并总结以前相应的工作然后，选取主动队列管理( a q m ，a d a p t i v eq 恤 m a n a g e m e n t ) 的机制，动态反馈给源端a p 节点的负载信息，从而有利于整体系 统吞吐量的改进本文中，着重考虑的是t c p 流的时间公平性因为此前尽管 已有一系列的工作就无线局域网的时间公平性展开，但主要还是针对c b k 流的 c b r 流的速率是固定不变的。所以。当整个系统满足时间公平的要求时，不同 速率的无线站点之间的吞吐量之比，就等同于它们信道的容量之比而t c p 流 则不然，其自身包含的拥塞调节机制，造成了其速率动态变化，从而使得原有针 对c b r 流的时间公平性的机制不能够很好地适用于w l a n 中t c p 流的要求 因此，考虑以区分的主动队列管理机制，使低速率的流的分组丢弃的概率，要大 于高速率的流，调节不同速率无线节点的源端t c p 窗口的变化，使得每个节点 公平地访问信道同时，为防止速率低的流访问不到信道而活活“饿死”，也应 考虑为每流设定一个最小的阈值 1 4 论文的组织 本文研究的重点是无线局域网中的竞争窗口退避算法和时间公平性具体来 说，本文的内容安捧如下： 第一章绪论。这一章主要描述了w l a n 的发展及特征，介绍了几种常见的 i e e e8 0 2 1 l 标准在此基础上，讨论了当前国际上就w l a n 研究的难点与热点 问题，包括m a c 协议，公平性保证，有效性保证、t c p 以及能量节省问题。并 相应地讲述了论文中将要涉及的问题 第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法。首先分析了当前m a c 研究 的热点问题，概述了当前退避算法的研究现状通过分析b e b 退避算法的不足， 提出了一种自适应倍乘增加倍乘减小算法，根据a p 节点的瞬时吞吐量，动态地 调节无线节点的竞争窗口最后给出了模拟仿真结果并进行了分析和比较，验证 了新算法的有效性 第三章w l a n 中时间公平性的研究。这一章首先从w l a n 时间公平性提 ， 硕士学位论文第一章绪论 出的原因，并介绍了相关的研究进展情况然后着重描述了主动队列管理机制， 并在此基础上提出了一种基于时间公平性的算法t r e d ，对于多速率w l a n 中 具有不同带宽的流，通过不同的分组丢弃概率，限制低速率的流的访问信道的时 间，从而保证整体系统吞吐量。 第四章结束语。对所做的研究工作作出总结，并阐述了将来进一步的工作 计划。 硕士学位论文第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法 第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法 2 1 札州中u a c 协议研究 无线局域网以多路复用信道作为通信的基础，如何分配信道的使用权是需要 解决的关键问题，在w l a n 中完成该功能的是数据链路控制层( d l c ，d a t al o s i c c o n t r 0 1 ) 的m a c 子层在共享媒质的通信网络中，网络的性能，如吞吐率、接 入延迟和公平性等，在很大程度上依赖于所使用的m a c 协议所以，制定合适 的m a c 子层规范，以有效地配置信道资源。提高无线资源的使用效率，提高系 统的容量和传输质量，是w l a n 研究的重要课题 无线局域网m a c 技术的目标就是要在如此复杂多变的环境下，尽可能地提 高传输媒质的利用率，并保证一定的接入公平性根据应用场景的不同，对m a c 技术还可能有更多的要求，如提供节能、数据验证与保密支持等通常情况下， m a c 协议还需要与上层协议，如路由协议的密切配合，才能够达到更好的整体 性能。 目前，无线局域网常用的m a c 机制主要有固定分配、按需分配和随机竞争 三类，其中固定分配和按需分配适合于对实时性要求高的业务，而随机竞争类更 适用于间歇性工作的用户发送非时延敏感型的业务从使用信道的情况来看， m a c 机制又有单信道和多信道之分多信道m a c 机制对终端的硬件设备要求 很高，而单信道m a c 机制则相对容易实现，本文的研究在此基础上展开 随着8 0 2 1 1 无线局域网的发展，已做了很多的工作来提高这种网络的总体 性能m a c 协议要解决的就是在多个无线节点竞争接入同一信道时，如何保证 接入的有效性，达到合理地利用系统资源的目的的问题m a c 协议既要尽量降 低各无线节点之间的冲突概率，又要避免因退避时间过长而降低信道利用率，同 时还要保证各节点公平地访问信道。在分布式环境中，这些要求，无疑对算法的 设计提出了挑战 根据已有的研究 1 7 1 1 卿表明，当前的m a c 协议存在如下一系列问题： ( 1 ) m a c 协议冲突避免的速度比较慢，在无线终端数目增大的时候，无线 链路的带宽利用率会迅速下降；同时冲突避免算法的公平性不好 ( 2 ) m a c 协议没有提供报文传输在优先级方面的区别，不能提供服务质量 ( q o s ，c i l l d i t y o f s e i ) 1 2 0 1 方面的服务保证 ( 3 ) m a c 协议不能提供比较高的分组传输成功率，影响上层通信协议，比 如t c p 的性能 ， 硕士学位论文 第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法 ( 4 ) m a c 协议在无线终端切换无线接入点方面的支持不理想，导致无线终 端在切换过程中会丢失报文，并影响上层通信协议的性能。 因此，研究人员在此基础之上，提出了很多关于接入方式的改进方案，本章 对一些有代表性的改进方案作了分析，其中，m a c 层的退避机制着重针对的是 前两方面的问题，因此，在本章第2 小节中对退避机制做了详细的描述。这里， 介绍的是对t c po v e l l o s s yl i n k 问题以及8 0 2 1 l 标准终端切换方面的改进。 2 1 1 在t c po v q fl o u s yl i n k 方面的改进 根据相关统计，占总字节数9 5 以及总报文数9 0 的流量使用的是t c p 协 议来传输。所以t c p 协议是目前在i n t e r n e t 中使用最广泛的传输协议由于它的 重要性，t c p 协议在无线局域网上的性能问题已经得到了广泛深入的分析。 实验结果表明：无线链路上传输错误发生的比率很高，同时无线终端的移动 和切换操作也会促使传输错误的发生，它们会导致t c i 连接的吞吐率大幅度下 降研究人员分析了这种现象产生的原因当报文经过无线链路时，网络拥塞、 传输错误和无线终端切换都会导致报文丢失，而t c ? 连接的数据发送方会认为 所有的报文丢失都是由于网络拥塞引起的，从而错误地启动拥塞控制机制，不必 要地抑制自己的发送速度，导致了t c p 连接吞吐率的下降 在分析问题的原因之后，研究人员提出了很多解决方案文献【2 l 】将这些解 决方案分为三类： ( 1 ) 端到端的解决方案。这类方案不涉及中间网络设备的协议实现，通过 修改t c p 连接两端的协议来提高传输层协议的性能解决方法包括引入选择性 重传( s a c k ) 机制，使多个报文的丢失能够更快地恢复；引入预测或者反馈机 制使数据发送方能够区别报文丢失的原因等等 ( 2 ) 分段处理方案。这类方案将t c p 连接在无线链路和有线链路交界的地 方分为两条连接，有线链路上仍使用t c p 协议，无线链路上使用特殊的协议， 并由交界处的网络设备负责保持两条连接的互通，减少无线链路上的报文丢失现 象对有线链路上连接的影响。 ( 3 ) 数据链路层的改进方案这类改进方案利用无线链路上的本地重传功 能，试图对端到端的t c p 连接屏蔽无线链路上的传输错误。 端到端的解决方案要求t c p 连接的数据发送方掌握报文丢失的真实原因， 并设计了显式通知和隐式预测这两种区分机制。显式通知机制包括改进后的 i c m p 协议 2 2 1 、e c n 【2 3 ，2 4 1 通知机制、e l n 通知机制嘲和e b s n 2 6 1 通知机制等等， 这些机制的成功运作需要无线链路上路由器的支持，而且当带有特殊标记的关键 硕士学位论文第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法 报文丢失以后，这些机制就会失效，说明这些机制的健壮性不强 隐式预测机制的健壮性要强于显式通知机制，它不需要关键报文上的特殊标 记，而是通过在数据发送端的计算来预测报文丢失的原因，如n c p l d 机制洲 等但是隐式预测机制的准确性往往不高，例如文献 2 5 1 设计了三种报文丢失的 预测函数，实验结果表明，从预测结果的准确性这一点来分析，预测函数并不总 比随机抛硬币的方式更好 基于v e g a s 拥塞控制策略跚的预测函数准确度相对比较高，但是其结果要 依赖于网络参数，如路程往返时闯，途中路由器的队列长度和无线链路的信道质 量等等。作为结论，该文献认为这些预测方法都建立在对发送窗口的观察上，而 数据发送方希望通过调接发送窗口的大小来促使薅络提供关于发送速度的正确 反馈，但是由于单个t c p 连接对网络中全部流量的影响是很小的。所以网络的 反馈结果往往独立于发送方所做的调整动作，这样数据发送方就不能正确的预测 网络的真实情况在类似的研究当中，文献1 3 0 】也认为网络中拥塞事件的发生也 近似于一个随机过程，从端到端的角度来预测报文丢失的原因是很困难的 目前已有的分段处理机制有包括i - t c p 协议【3 l 和m - t c p 协议吲等等，其中， m - t c p 协议是一个比较有特色的协议，一方面它利用田c p 报头的接收方通告窗 口促使数据发送方调整发送速度；另一方匾它监溅无线终端和无线接入点之间暂 时的通信中断并向传输层协议实体通告，防止上层协议因为超时而重新发送报 文这些协议的不足之处在于它们可能会违反t c p 协议端到端确认的原则【明i 而且，在无线终端切换无线接入点的时候，可能会因为同步缓存数据等工作，而 增大切换的延时 数据链路层的改进方案有早期的停等协议和选择性重复发送等等但是研究 表明，当数据链路层的本地重传和上层协议独立工作的时候，效率并不高原因 主要有两点：一是数据链路层和传输层协议的定时器独立工作，会引起两层的协 议实体同时重传报文，竞争使用信道。二是数据链路层非严格按序的数据传输使 得t c p 连接的数据发送方进行不必要的快速重传，导致了数据接收方发出重复 的确认报文，降低了t c p 连接的吞吐率 为了解决这些问题，s n o o p 协议i 州从报文流中提取出t c p 连接的相关信息， 根据来自数据接收方的重复确认和自己维护的定时器来探测t c p 报文的丢失， 并在数据链路层完成数据的重发，实验表明这一协议能够有效地提高t c p 连接 的传输性能s n o o p 协议不需要对t c p 连接两端的传输层协议实体进行改动 但它违反了协议层次问隐藏工作细节的原则s n o o p 协议的另一个缺点是协议代 理( s n o o pa g e n t ) 要监测经过无线接入站的每一个t c p 连接，为每一个t c p 连 接维护多个定时器，从而增大了无线接入点的处理负荷 硕士学位论文第二章w l a n 中m a c 层竞争窗口退避算法 与s n o o p 协议非常相似的一个协议是w t c p 协议f 3 5 1 ，但是w t c p 协议是在 无线接入点的m 层监控t c p 报文流的信息；另外w t c p 协议通过修改t c t 报 文的时间戳，使数据发送方在计算路程往返时间( 1 m ) 的时候扣除了w t c p 协议在无线接入点上处理报文的时间 t u l i p 协议【3 6 l 是另一种无线链路层的改进方案，与s n o o p 协议不同，它不 需要了解传输层协议的语义，不分析和保存t c p 分组所携带的信息，仅仅提供 一个本地的数据链路层上的超时重发机制。t u l i p 协议中设计了一个m a c 层加 速协议，它在数据链路层的a c t 帧中同时封装了t c p 协议的确认分组，因此增 加了无线链路的带宽利用率。 与s n o o p 协议相比，t u l i p 协议的处理单位是单个无线终端，因此降低了 用于维护工作状态的开销，当同一个无线移动终端中有多个t c p 连接同时工作 时效果更显著实验表明，t u l i p 协议可以有效地提高无线网络上t c p 连接的 吞吐率，减小端到端的延时和抖动，在高误码率的无线链路上效果更明显 综上所述，端到端的解决方案不能使数据发送方准确地区分分组丢失的原 因，从而不能保证采取措施的正确性，因此不能作为最佳的解决方案。通过增加 数据链路层本地重传协议，无线链路可以从一条出错率比较高的链路转换成为一 条相对高延时、低出错率的链路，基本解决t c p 连接因为传输错误而引发拥塞 控制机制的问题。分段处理机制因为它的处理开销相对较大而降低了它的可用 性，但是分段处理机制在传输层的流速调控策略还是值得借鉴的，如果和数据链 路层的本地改进方案结合在一起，将会带来更大的改进效