利用MAC层信息提高多跳Ad Hoc网络中传输层的能(上).doc

大 连 理 工 大 学 本 科 外 文 翻 译利用MAC层信息提高多跳Ad Hoc网络中传输层的性能Improving Transport Layer Performance in Multi-hop Ad Hoc Networks by Exploiting MAC Layer Information学 院（系）： 软件学院 专 业： 软件工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2012年3月31日 利用MAC层信息提高多跳Ad Hoc网络中传输层的性能利用MAC层信息提高多跳Ad Hoc网络中传输层的性能Hongqiang Zhai Xiang Chen and Yuguang Fang 摘要：当IEEE 802.11 MAC协议应用于多跳Ad Hoc网络中时，传统TCP拥塞控制协议将会遇到很多问题，同时TCP的性能会明显下降。其中许多问题是MAC层中媒体竞争造成的。在本文中，我们首先阐明激烈的媒体竞争和拥塞发生是紧耦合的。在这种调节粒度下，TCP的拥塞控制算法变得十分粗糙。这将引起吞吐量的不稳定的过长的时延。接着我们阐述由媒体竞争引起的TCP严重的不公平性问题和总吞吐量与公平性之间的权衡。然后我们用到一种新的能更准确描述网络使用率和拥塞状况的度量信道繁忙率。根据这种度量，我们提出了一种新的无限拥塞控制协议（WCCP），这种协议可以在多跳Ad Hoc网络中高效率并且公平的支持传输服务。在这个协议中，转发节点沿着数据流检查内部和外部节点的公平资源分布情况并相应地决定MAC反馈信息。这个最终由数据流上造成传输瓶颈节点所决定的端到端反馈信息被传输到源节点，进而控制源节点的发送速率。大量的仿真表明WCCP在信道利用率，时延和公平性方面要胜过TCP，并且WCCP消除了饥饿问题。关键词：媒体访问控制（MAC）； 拥塞控制； 公平性； 传输控制协议; 多跳ad hoc网络引 言无线ad hoc网络广泛的应用于固定设施网络不可用和配置需要快速更新的网络，例如战场，灾难营救和会议。而高效的拥塞控制是提高传输服务质量与充分发挥ad hoc网络潜力的重中之重。不幸的是，最近的研究（4，5，7，8，10，11，20，24）表明传统TCP拥塞控制机制表现的很差。TCP拥塞控制有一个暗含的假设，例如，任何丢包都是由于网络拥塞引起。然而这种假设在ad hoc网络中不再合理，这是因为引起丢包的原因还很可能因为信道错误，媒体竞争和路由失效。一些工作已经指出贪婪的TCP可以导致ad hoc网络产生严重的拥塞，进而使网络性能下降。Lind-RED被提出用来根据观测到的封包冲突来标记或丢掉TCP封包。随后TCP源将在拥塞窗口变得很大之间减小它的大小。为了避免拥塞，陈等人提出了根据TCP流路径长度动态调整拥塞窗口的极限。在19中，一种临近RED方法被提出用来缓解TCP公平性问题。这种方法采用根据观测到的信道信息来调整标记或丢弃可能性的方式。同时，一些方法被提出用来缓解移动性带来的负面影响，例如3，12，15，16。其中设计原理是通过显示路由失效通告来区分拓扑改变引起的路由失效和网络拥塞。其他的方法例如6，18中提到的，当源节点第一次探测到乱序包和重传超时的时候，改变TCP的状态而不是使用路由层的反馈信息。在本文中，我们主要关注当IEEE 802.11 MAC协议应用到多跳ad hoc网络中时引起的媒体竞争的问题。在第一章，我们表明在多跳ad hoc网路中一种基于速率的拥塞控制比基于窗口的更合适。我们阐述拥塞和媒体竞争的紧耦合，这种紧耦合导致了TCP的不稳定。在一个很简单的链状拓扑中，想找到一个可以使吞吐量最大，时延最小的最优拥塞窗口大小都是很难的。TCP试图超越网络的容量并且它调节发送速率的粒度太过粗糙。这种粗糙的调节的粒度是因为最小的窗口增加量是在每一个TCP应答到达或是在一个往返时间内一个封包的大小。然后我们进一步证明媒体竞争将给TCP流带来严重的不公平性和饥饿问题。因此我们推断在多跳ad hoc网络中拥塞控制，公平性和媒体竞争具有紧密的耦合性。尽管详尽精确的端到端控制拥塞反馈在Internet和ATM网络中被大量的研究，然而在ad hoc环境中进行精确的端到端速率控制仍然是一个艰巨的任务。这是因为每个节点都急需一个健壮并且测量简单的度量来调整每个经过封包的反馈信息。尽管丢包率，队列长度和链路使用率在有线网络中是很好的度量，但是有两个原因使他们不能直接应用于ad hoc中。第一，丢包和队列长度变大可能表明由于媒体竞争从而导致了严重的拥塞，因此网络没有时间进行迅速的反应。第二，和普通的两个节点之间的有线链路不同，一条无线链路被所有的邻居节点共享，因此任何无线链路状态的变化都很难跟踪。为了克服这个困难，我们提出了一种新的度量去反映无线链路的状态。在第三部分中，信道繁忙率将被提出，它是一种及时并且准确的度量用来评价网络利用率和拥塞。在第二章，我们提出一种新的基于信道繁忙率的无线拥塞控制协议（WCCP）。在这个协议中，每个转发节点决定了内部和外部节点公平信道资源的分配。并且转发节点通过监视和根据它测量到的信道繁忙率偶尔地重写封包中反馈字段，来给经过的流分配资源。反馈信息然后被目的节点传回源节点，并且这个反馈信息就是将数据封包拷贝到了相应的应答信息当中。最后，源节点相应的调整发送速率。毫无疑问，每条流的发送速率由信道利用率状态和瓶颈节点所决定。通过这种方法，WCCP在特定的场景下可以接近最大-最小公平性（2）。在第三章中，我们通过大量的仿真来比较WCCP和TCP。我们观察到WCCP在信道利用率，时延和公平性方面远远好过TCP。特别的是，WCCP解决了TCP中饱受困扰的饥饿问题。在最后的评论中，我们注意到WCCP不适合解决移动性引起的问题，而在节点固定的多跳ad hoc网络中，WCCP具有更好的效果。但是，可以将WCCP与一些3，6，12，15，16，18中已经提出的方法相结合来缓解移动性对网络性能的负面影响，这将是我们未来工作的目标。第四章是总结。1 媒体竞争及其影响1.1 由于拥塞和媒体竞争耦合导致TCP性能下降为了阐述拥塞和媒体竞争之间的耦合，我们使用ns2.27（17）仿真了一系列拓扑如图1.1a所示的场景。多条包大小为1000字节的TCP流经过节点1和节点9。其中最短路径的预计算被使用到，因此没有路由的开销。信道的带宽（信道传输速率）设置为2Mbps，方针时间持续300秒。图1.1 不同流量分布下的9个节点的链状拓扑图1.2 不同流量分布下的9个节点的链状拓扑我们可以从图1.2a中看到，TCP通信量产生了大量的冲突。即使在MAC层具有RTS和DATA帧重传的机制，但是由于媒体竞争在发包速率为0.833.63pkts/s时还是有许多的丢包。注意到没有丢包是因为队列溢出。从图1.2b中可以看到TCP流在无线多跳环境中是不稳定的。其中往返时间（RTT）和瞬时的吞吐量剧烈地变化，这些可以通过求递送出包的数量（序列号）关于时间的微分得出。这些观测值证明了TCP贪婪的特性以及拥塞和媒体竞争的偶合性。直到检测到丢包，TCP会持续的增加拥塞窗口的大小。当TCP源的发送速率超过信道的容量时，包就会沿着路径开始聚集起来。当邻居节点都有包要传的时候，它们会持续的竞争通道。接着就会引起更多的冲突，因此使得竞争延迟增加，减慢转发速率，并且加剧了拥塞。直到有些包因为持续的冲突而丢掉，拥塞和冲突构成了一个正回馈环路。而且TCP源通过重传定时器超时或是延迟的重复ACK包来探测这种丢包。如果将动态路由应用到多跳ad hoc网络中将会产生错误。因为MAC层不能区分丢包是由于冲突还是下一跳不可达造成的，因此当由于冲突丢包时，它仍要报告链路或是路由失效。于是，路由层将花费时间进行路由发现和重新路由，因此端到端的延迟增加了。1.2 TCP优化的拥塞窗口大小和理想的发送速率在这个部分，我们展示多跳ad hoc网络中媒体竞争的本质是如何导出每个RTT中优化的发送速率，并且解释了为什么TCP中基于窗口的拥塞控制机制为何表现的很差。李等人在14中指出，在一个类似图1.1a中链状拓扑中，可以通过安排四跳之外的节点同时发送数据来达到最大信道利用率。并且源的优化发送速率Ro不能高于一个使得上述安排可行的发送速率。这是因为过高的发送速率将导致包的冲突和丢失，进而降低吞吐量并且增加时延。在Ro这个发送速率下，包被以最短时间送到目的地，同时不会发生很多的媒体冲突和很长的队列时延。同时RTT（用RTTo表示）也会变小。假设从节点1到节点9有N条TCP流，每条TCP流的优化发送速率和每个RTTo期间由每个TCP源发送的包的数量分别由以下公式表示。 （1.1） （1.2）根据上述优化安排，我们可以找出优化的总发送速率。我们再一次用仿真说明在使用802.11 MAC下的Ro。采用和TCP中DATA一样包大小的CBR/UDP数据流从节点1发送到节点9，在反向上发送和TCP中ACK一样包大小的数据流。CBR流在两个方向上的发送速率（pkt/s）相同。我们逐渐增加发送速率直到在300秒内的仿真中由于冲突使得丢包率达到0.1pkt/s。可以注意到，发送速率是动态地随着冲突和丢包率的增加而进一步增加的。结果在表1当中，同时增加了5条TCP流时的性能比较。大约为24.3pkt/s的总发送速率是的由冲突引起的丢包率小于0.1pkt/s。同时RTTo=0.139s并且 Keachtcp=0.676pkt/RTT当N = 5的时候。显然，TCP流越多，Keachtcp越小。因为每个RTT期间优化的发送速率小于每个RTT期间一个包，因此我们可以发现TCP试图超出网络的容量因为最小的增加窗口是一个包。换句话说，这种基于窗口拥塞控制机制的粒度过于粗糙。在这点上，基于窗口的协议就不适合于需要稳定支持与可靠传输服务的多跳ad hoc网络中。因此，为了提供一种可以减少包碰撞，提高吞吐量，减少时延并且性能稳定的协议，我们悬在了一种高效的，基于速率的拥塞控制算法。详情在第三部分中描述。1.3 由于媒体竞争产生的不公平性问题从两方面来讲，媒体竞争是引起不公平性的主要因素。首先，不同的数据流可能经过不同的地理区域，这样可能由于在每个区域中有大量的竞争节点而引发不同层次的媒体竞争，并且使得共享通道分布在不同位置。第二，那些长路径的数据流会存在不公平性问题，因为路径越长，消耗的网络资源越多，并且更容易发生媒体竞争进而丢掉更多的包。饥饿问题是TCP存在于多跳ad hoc网络中一个严重的不公平性问题，这种问题主要是由媒体竞争造成的。隐藏站点和接收机阻塞问题共同存在于多跳ad hoc网络当中。它们和TCP流的贪婪性一起造成饥饿问题和封包冲突。例如图1.1a中的例子，假设有两条TCP流分别从节点1到节点2和节点4到节点5。注意到载波监听范围通常是传输范围的两倍多一点。（172122）。当节点4传输包到节点5时，节点2被阻止接受节点1发来的包，因为节点2感知到通道忙而不能响应节点1。因此节点1持续加倍增长竞争窗口并且重传RTS包直到丢掉它。在节点4结束传输之后复位了它的竞争窗口，因此它拥有比节点1更高的优先级获得通道。此外，当节点1向节点2传输的时候节点4可以重新初始化一个传输，因为节点4可以监听到空闲通道。因此如果在节点4，5之间有一条贪婪数据流，那么节点1，2之间的数据流就会饥饿。注意到在公平性与总吞吐量之间存在折衷是很重要的。我们知道可以通过控制不在同一个冲突区域的并发传输实现信道的空间复用。但是上文提到不同的数据流可能遇到不同级别的竞争。想要在这些流量之间达到公平性，就要给竞争严重的流分配更长时间的通道，但这将相应的减少通道的复用和总吞吐量。此外，最大的吞吐量是一跳时候的信道传输速率，而当两跳，三跳，四跳的时候分别减少到二分之一，三分之一和四分之一。因此，在同一区域内要达到不同路径长度流量的公平性是要以总吞吐量为代理的。图1展示了一些不公平性的例子。在图1.1b，流量2流经更多的跳数并且遭受更多的媒体竞争。因此，相对流量1和3，它不得不丢掉更多的包，同时总吞吐量下降的更多。在图1.1c中，流量6遇到隐藏站点和接收机阻塞问题，这