隐藏终端和暴露终端

隐藏终端和暴露终端 隐藏终端隐藏终端 隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点 隐藏终端由于 听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组 导致分组在接收节点处冲突 冲突后发送节点要重传冲突的分组 这降低了信道的利用率 隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端两种 在单信道条件下 隐发送终端可以通 过在发送数据报文前的控制报文握手来解决 但是隐接收终端问题在单信道条件下无法解 决 当 A 要向 B 发送数据时 先发送一个控制报文 RTS B 接收到 RTS 后 以 CTS 控制报文 回应 A 收到 CTS 后才开始向 B 发送报文 如果 A 没有收到 CTS A 认为发生了冲突 重发 RTS 这样隐发送终端 C 能够听到 B 发送的 CTS 知道 A 要向 B 发送报文 C 延迟发 送 解决了隐发送终端问题 对于隐接收终端 当 C 听到 B 发送的 CTS 控制报文而延迟发送时 若 D 向 C 发送 RTS 控制报文请求发送数据 因 C 不能发送任何信息 所以 D 无法判断时 RTS 控制报文发生 冲突 还是 C 没有开机 还是 C 时隐终端 D 只能认为 RTS 报文冲突 就重新向 C 发送 RTS 因此 当系统只有一个信道时 因 C 不能发送任何信 息 隐接收终端问题在单信 道条件下无法解决 暴露终端暴露终端 暴露终端是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点 暴露终端因听 到发送节点的发送而可能延迟发送 但是 它其实是在接收节点的通信范围 之外 它的发 送不会造成冲突 这就引入了不必要的时延 暴露终端又可以分为暴露发送终端和暴露接收终端两种 在单信道条件下 暴露接收终端 问题是不能解决的 因为所有发送给暴露接收终端的报文都会产生冲突 暴 露发送终端问 题也无法解决 因为暴露发送终端无法与目的节点成功握手 当 B 向 A 发送数据时 C 只听到 RTS 控制报文 知道自己是暴露终端 认为自己可以向 D 发送数据 C 向 D 发送 RTS 控制报文 如果是单信道 来自 D 的 CTS 会与 B 发送的 数据报文冲突 C 无法和 D 成功握手 它不能向 D 发送报文 在单信道下 如果 D 要向暴露终端 C 发送数据 来自 D 的 RTS 报文会与 B 发送的数据报 文在 C 处冲突 C 收不到来自 D 的 RTS D 也就收不到 C 回应的 CTS 报 文 因此 在单信道条件下 暴露终端问题根本无法得到解决 隐藏终端和暴露终端问题产生的原因隐藏终端和暴露终端问题产生的原因 由于 ad hoc 网络具有动态变化的网络拓扑结构 且工作在无线环境中 采用异步通信技 术 各个移动节点共享同一个通信信道 存在信道分配和竞争问题 为了提高信道利用率 移动节点电台的频率和发射功率都比较低 并且信号受无线信道中的噪声 信道衰落和障 碍物的影响 因此移动节点的通信距离受到限制 一个节点发出的信号 网络中的其它节 点不一定都能收到 从而会出现 隐藏终端 和 暴露终端 问题 隐藏终端和暴露终端问题对隐藏终端和暴露终端问题对 ad hoc 网络的影响网络的影响 隐藏终端 和 暴露终端 的存在 会造成 ad hoc 网络时隙资源的无序争用和浪费 增加数 据碰撞的概率 严重影响网络的吞吐量 容量和数据传输时延 在 ad hoc 网络中 当终 端在某一时隙内传送信息时 若其隐藏终端在此时隙发生的同时传送信息 就会产生时隙 争用冲突 受隐藏终端的影响 接收端将因为数据碰撞而不能正确接收信息 造成发送端 的有效信息的丢失和大量时间的浪费 数据帧较长时尤为严重 从而降低了系统的吞吐 量和容量 当某个终端成为暴露终端后 由于它侦听到另外的终端对某一时隙的占用信息 而放弃了预约该时隙进行信息传送 其实 因为源终端节点和目的终端节点都不一样 暴 露终端是可以占用这个时隙来传送信息的 这样 就造成了时隙资源的浪费 隐藏终端和暴露终端问题的解决方法隐藏终端和暴露终端问题的解决方法 解决隐藏终端问题的思路是使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收 目前 实现的方法有两种 一种是接收节点在接收的同时发送忙音来通知邻居节点 即 BTMA 系 列 另一种方法是发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换 以短 消息的方式通知邻居节点它即将进行接收 即 RTS CTS 方式 这种方式是目前解决这个 问题的主要趋势 如已经提出来的 CSMA CA MACA MACAW 等 还有将两种方法结 合起来使用的多址 协议 如 DBTMA 对于隐藏发送终端问题 可以使用控制分组进行握手的方法加以解决 一个终端发送数据 之前 首先要发送请求发送分组 只有听到对应该请求分组的应答信号后才 能发送数据 而是收到此应答信号的其他终端必须延迟发送 在单信道条件下使用控制分组的方法只能 解决隐发送终端 无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题 为此 必须采用双信道的方法 即利用数据信道收发数据 利用控制信道收发控制信号 RTS CTS 握手机制 RTS Request to Send 请求发送 CTS Clear to Send 清除发送 RTS CTS 机制是对 CSMA 的一种改进 它可以在一定程度上避免隐藏终端和暴露终端问 题 采用基于 RTS CTS 的多址协议的基本思想是在数据传输之 前 先通过 RTS CTS 握 手的方式与接收节点达成对数据传输的认可 同时又可以通知发送节点和接收节点的邻居 节点即将开始的传输 邻居节点在收到 RTS CTS 后 在以后的一段时间内抑制自己的传 输 从而避免了对即将进行的数据传输造成碰撞 这种解决问题的方式是以增加附加控制 消息为代价的 从帧的传输流程来看 基于 RTS CTS 的多址方式有几种形式 从复杂性和传输可靠性角 度考虑 可采用 RTSCTS Data ACK 的方式 具体做法 是 当发送节点有分组要传时 检测信道是否空闲 如果空闲 则发送 RTS 帧 接收节点收到 RTS 后 发 CTS 帧应答 发送节点收到 CTS 后 开始发送数据 接收节点在接收完数据帧后 发 ACK 确认 一次 传输成功完成 如下图所示 如果发出 RTS 后 在一定的时限内没有收到 CTS 应答 发 送节点执行退避算 法重发 RTS RTS CTS 交互完成后 发送和接收节点的邻居收到 RTS CTS 后 在以后的一段时间内抑制自己的传输 延时时间取决于将要进行传输的数据 帧的长度 所以由隐藏终端造成的碰撞就大大减少了 采用链路级的应答 ACK 机制就 可以在发生其它碰撞或干扰的时候 提供快速和可靠的恢复 RTS CTS 握手机制 RTS CTS 握手机制的缺陷 1 不同节点发送的 RTS 和控制信息发生冲突 2 多个 CTS 信息被不同的邻居节点收到 从而导致冲突 RTS CTS 握手机制中的退避算法 在 CSMA 系列的接入技术中 当报文产生冲突时 发送者要执行退避算法 延迟一段随机 时间后再次尝试发送 实行退避的目的是为了减小重发时在此发生冲突的可能性 在 ADHOC 网络中 为了解决隐藏终端和暴露终端问题 引入了 RTS CTS 握手机制 RTS 和 CTS 控制报文之间可能会发生冲突 发生冲突时 发送者超时 等不到 CTS 要执行 退避算法 延迟一段随机时间后重发 RTS 产生这个随机时间的 种子 叫做退避计数器 退避计数器的值直接影响着产生的延迟时间的长短 显然 节点退避计数器的值越短 它 抢占信道的能力就越强 反之 它抢占信道的能力就越弱 也就是说 退避计数器的值反 映了节点抢占接入信道的能力 所以 维护退避计数器的值是非常重要的 退避算法退避算法 通常退避算法包括二进制指数退避算法 倍数增线性减算法 1 二进制指数退避算法 BEB Binary Exponential Backoff BEB 算法的 Finc 和 Fdec 函数如下 其中 COUNTER 是退避计数器的值 MAX 和 MIN 分别指退避计数器的最大和最小取值 每次发生冲突时 退避计数器的值加倍 每次交互成 功时 退避计数器降至最小值 MIN Finc min 2 COUNTER MAX Fdec MIN BEB 有两个缺点 1 当一次交互成功时 退避计数器的值就降到最低值 不能正确反映信道 的争用状况 2 BEB 会带来不公平现象 一次交互成功后 节点的退避计数器值降为最小 而 其他不成功的节点的退避计数器的值较大 在后续的竞争中 退避计数器值小的节点在竞 争中获胜的可能性大 2 倍数增线性减算法 MILD 倍数增线性减 MILD Multiplicative Increase Line Decrease 算法是对 BEB 算法的改进 该算法的 Finc 和 Fdec 函数如下 Finc min COUNTER MAX Fdec m