无线多跳网络跨层协议研究

无线多跳网络跨层协议研究

1跨层协议设计无线跳跃网络是一个没有固定基础设施的自组织网络。其特点是没有网络中心、多跳道、网络自组、动态拓扑等。其中任何无线设备节点都可以同时作为接入点(AP)和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。与传统网络相比,这种网络具有一些显著的优势,例如结构灵活;易于快速部署和安装;容易实现非视距传输,这一特征大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。然而,由于无线信道的链路共享、衰落和干扰等特点,在无线多跳网络中的各协议层之间存在着相互影响。这对传统的OSI分层体系架构提出了挑战,于是,跨层协议设计成为目前无线网络的热门研究领域。跨层设计的主要思想是将分散在网络各个子层的特性参数协调融合,以提升整体网络的性能。近年来,出现了一些改善无线多跳网络性能的跨层协议设计方案,有基于跨层设计的服务质量框架,有对MAC性能的改进,还有对TCP传输性能的改进等。本文主要在介绍跨层设计的基本思想和一些有代表性的方案的基础上,分析其优劣,并通过仿真验证跨层设计必须合理设计、谨慎实施,否则网络的性能不升反降。本文的结构如下:论文第2部分分析无线多跳网络的特征及对不同协议层的影响,说明在无线多跳网络中跨层协议设计的必要性;第3部分给出跨层协议设计的基本思想,并通过实际案例分析它们从哪些方面改善了无线网络的性能;第4部分分析跨层设计可能带来的问题,并在第5部分针对速率自适应MAC协议和网络层路由协议之间的相互影响给出了仿真实例,进一步论证跨层协议设计要考虑协议层之间的相互影响,合理设计,才能改善网络的性能;第6部分是论文的总结。2无线多通道网络的特性以及影响不同协议层的因素本节首先介绍无线多跳网络不同于有线网络的基本特征,同时讨论这些特征对不同协议层的影响。2.1链路质量变化无线多跳网络中一条链路的概念和有线网络中的链路有本质上的不同。在有线网络中,链路的连通性是一个二元判定问题,即仅当两个节点之间用某种媒质连接起来时,它们之间存在一条链路;而在无线多跳网络中,从理论上讲某个节点可以和任何结点通信,其速率取决于接收机侧的信号与干扰及噪声比(SINR),即“链路”存在于任何节点对之间,链路的SINR会随着传输距离、信号传播的环境以及节点之间的传输干扰,在时间上和空间上随机变化,因此无线链路上的数据速率和差错速率会随着时间大幅波动。由于链路质量的变化,很难预测分组差错率(丢包率),从而影响不同层的性能。MAC层会认为分组的丢失是由于冲突引起的,进而增加退避时间,尽管这时信道可能很空闲,这就导致分组的延时增加。链路质量的变化还可能会导致路由更新的丢失,进而网络层会察觉网络拓扑的连续变化,这会导致产生大量的路由更新消息,从而增加路由开销。而传输层的协议会认为分组的丢失是拥塞引起的,从而导致吞吐量的降低。2.2媒质控制问题无线信道本质上是一个广播媒质,竞争节点之间通过MAC协议实现对先到的共享,有线LAN同样也存在媒质控制问题,他们都采用随机接入MAC协议,其中有线LAN采用CSMA/CD,无线LAN采用CSMA/CA,但无线网络媒质接入还存在隐藏终端和暴露终端问题。端到端延时和吞吐量极大程度上依赖于MAC协议,这样要满足某种应用的QoS就要依赖于MAC协议的性能。2.3增加传输功率通过有效地增加传输功率,节点可以和任何只有单跳距离的节点可靠通信,换句话说,通过简单地增加传输功率就可以改善无线链路的质量,同样,只要有足够的功率,理论上无线链路可以支持任何数据速率。在这种情形下,网络层察觉到的网络拓扑依赖于节点的功率,而随着传输功率的增加,受到该传输影响(干扰)的节点数也会增加,从而影响了MAC层的性能。2.4无线归网不同的移动性影响网络性能无线多跳网络中节点是可以移动的,他们可以是手持终端,也可能是运动着的交通工具上的某个终端,或者是传感设备。移动性会影响协议栈的各层。在物理层,移动性决定了链路特性变化的快慢;在MAC层,移动性决定了信道状态和干扰测量的时效性;移动性还会引起网络拓扑的变化,从而影响路由协议的性能。总之,和有线网络相比,无线网络的状态是高度变化的,而网络的性能(时延和吞吐量)很大程度上取决于网络的状态。无线网络状态的变化会对多个协议层产生影响,因此,为了满足应用的需求,有必要在不同层之间进行协作,采用跨层的协议设计,以适应链路状态、网络拓扑和功率级别等网络状态的变化。3mac协议是跨层网络的设计方案,其协议采用分层的OSI体系架构是互联网获得成功的主要原因,分层便于理解,更便于开发和部署整个网络系统。在分层的架构中,各种高层应用共享同样的底层传送功能,从而降低了应用的开发成本,同时网络的效用得到增强。分层思想简化了网络设计,使得现有网络的协议更具健壮性和扩展性。当然,分层架构也有它不理想和不灵活的一面,这是因为层之间不允许共享信息,所以每一层只了解有限的网络信息,层之间的接口是静态的,并且不依赖于特定的网络约束条件和应用。通过前面的分析,可以知道无线网络设计应考虑网络跨层间的相互作用,因此各层必须协作以适应网络状态的变化。跨层设计就是在各层之间交换状态信息,以适应并优化网络的性能,其具体架构见图1。信息的共享使得每一层了解整个网络的特征和系统的限制,从而可以更好地协作,联合优化网络的性能。这样,协议的开发不再是是独立的,而应该在综合的、等级的框架下完成,要充分利用协议之间相互依赖性。在跨层的架构下,为了满足应用的QoS,MAC层可以根据物理层的链路质量进行调度,此时,它需要从底层获得链路的特征信息,还需要从应用层获得具体应用的性能参数。同样,为了满足性能需求,一个自适应的跨层路由协议可能要基于物理链路的信息来选路,也可能要基于MAC层的调度策略来选路。例如,参考文献就是为了保证应用的带宽和比特差错率,提出了一种物理层和MAC层的联合优化方案,它优化的目标是总的传送功率。参考文献研究的是无线多跳网络的路由协议和MAC协议的相互影响,它通过实验分析了不同路由协议、节点移动速度和MAC协议组合在一起,对网络性能的影响。参考文献是一个简单的跨层设计方案,它选择Adhoc按需距离矢量(AODV)路由协议,传送实时视频业务,AODV产生的路由信息可以和应用层共享。当发送方在发送分组之前,首先检测路由信息,如果路径改变,则调整其编码方式以适应链路的变化。参考文献选择移动节点的拥塞信息分别通知给网络层、传输层和应用层。移动节点可以通过两个参数测量其拥塞等级,一个是传输队列长度,另一个无线媒质的资源占用率。在网络层,拥塞信息可以作为选路的依据,或者节点可以根据拥塞信息改变发送路由信息的时间间隔;在传输层,节点可以根据拥塞信息设置分组头部的显式拥塞通知(ECN)比特;而在其它高层协议中,例如,如果获知路径中的某些链路拥塞,发送方会在发送前压缩数据。参考文献的结果证明该方案可以优化分组的路径,降低端到端的延时,提高网络的吞吐量。这里值得注意的是,不管采用何种联合优化,有一条基本的原则必须遵从,即为了适应网络的变化,首先要考虑在层内适配,如果本层适配不见成效,再通知高层。这是因为低层的变化时限大大低于高层的变化时限。例如,一条链路的SINR的变化可能要比一个节点位置的变化要快得多,当链路的质量下降时,物理层的协议必须首先要适应这种变化,比如提高发送功率或者改变编码方式,如果SINR的变化是由于某个随机波动引起,并且很快就会恢复,那么这种方法是可以暂时解决问题的;可如果很长时间内链路的SINR都没有得到改善,那么物理层就会意识到,这种链路性能的下降是可能由于拓扑的变化引起的(其它节点可能移走了),于是它将链路变化信息通知网络层,然后网络层再利用这个信息重新计算路径。4负面效应的设计跨层协议设计会带来网络性能的改善(如前所述),同样它也会产生一些负面效应。如果设计不合理,它甚至会导致网络性能的急剧下降。下面将分析它可能带来的问题和缺陷。4.1分层协议设计跨层协议设计的目的是为了更好地适应网络的状态,从而优化应用的性能。因此,协议的行为高度地依赖于所支持的应用。如果两个应用的需求,或者是两个无线网络案例的环境大不相同,那么他们各自都需要设计不同的协议组,也就是说,要针对不同的应用和不同的网络环境设计不同的跨层方案。例如两个网络N1和N2。假设N1中的节点是靠电池工作的,而N2中的节点的能源来自太阳能(无止境)。于是,在N1中,要优化的一个目标就是节约能量,而在N2中却不需要考虑这一点。尽管N1的协议集在N2中也会运转得很好,但这时N2的性能没有得到最优化,甚至比使用分层协议还要差。因此,针对每种应用和网络临时开发协议集将导致开发成本提高和开发周期的延长。4.2测试系统的长久性大部分流行的跨层共享信息的建议,其目标都是优化性能,然而这种性能的改善都是一种短期行为。这是因为每一层的技术都在快速地变化(例如,MAC卡的功能,物理链路的技术),于是层间共享的信息以及所采取的动作也要跟着变化。这就和协议设计的基本宗旨,即协议的长久性,背道而驰。如果在考虑性能的同时,兼顾协议的使用寿命和成本,那么还是分层架构好。4.3跨层协议栈中协议的设计难度在分层架构中,层与层之间的相互影响有限并且可控,这样可以简化在任何层次上的协议的设计或者修改。而跨层的设计会导致不同层之间相互依赖,因此在设计一个新协议时必须要理解和考虑不同层之间的相互影响,并需要仔细研究层间相依图(dependencygraph)。即使考虑到这些,由于会出现多个适配环路,有时也会导致意想不到的后果。因此跨层协议栈中某个协议的设计比分层协议栈中协议的设计更具挑战性。在论文后半部分将通过仿真论证这一点。4.4无线网络的跨层设计注意事项前面已经提到,跨层协议设计会导致多个适配环路,这些环路相互之间复杂的交互会破坏系统的稳定性。尽管无线网络的跨层设计提供了很多改善性能的机会,但同时它也有一些显著的缺陷,这些缺陷会阻碍无线网络的发展,因此要谨慎使用。无线网络的一些典型特征,比如传输功率控制和信道状态估计,这些必须进行跨层设计的情况,在实现时必须谨慎,即层之间交换的信息要尽量少。5基于ns2仿真及验证为了更具体地说明跨层协议设计的优劣,将给出仿真的实例。这里的例子来自于一些文献中提出的方案,并不是要证明这些方案好或是不好,而是想说明,这些跨层方案和其它现有协议的相互影响,以及可能产生的负面效果,即降低网络的性能。这里将采用NS2仿真软件,验证速率自适应MAC协议和传统最小跳路由协议协同工作时,无线多跳网络的吞吐量是否得到改善;同时也针对速率自适应MAC协议,提出一种简单的跨层选路参数,并验证其效果。5.1接收信号强度目前广泛使用的IEEE802.11x媒质接入标准支持多种物理层比特率,例如802.11b可以支持的物理速率有1,2,5.5或11Mbps,而802.11a/g可以支持6,9,12,18,24,36,48或54Mbps的物理速率。这种物理层比特率自动适配功能允许用户在可能的情况下选择质量高、距离短的链路。图2描述了一个802.11b设备和它的相邻节点距离不同时的速率变化。如果某个节点使用11Mbps的速率,那么只有最内圈上的节点能够以足够的SNR正确地接收。可如果它使用1Mbps的速率,那么传输范围就会大大增加。这里设置了一系列接收信号强度的门限值。对于多跳网络而言,两个节点之间的路径就存在多种选择,可以是短距离、高速的多跳链路,也可以是长距离、低速的单跳链路。IEEE802.11标准并没有规定如何根据变化的信道条件选择传输速率,为此提出了多种速率自适应MAC协议,例如自动速率后退(ARF)协议和接收方自适应速率(RBAR)协议。在参考文献中,发送方在连续成功传输多次之后,就提高数据速率,而当遇到传输失败,就降低速率。在参考文献中,接收方根据根据收到的分组的SNR,选择MAC帧的数据速率。这需要在MAC层创建一个表记录SNR和相应数据速率的关系,当有数据要输出时,设备驱动器查找该表,确定每个输出帧的速率。这种方法可以快速地对信道的变化做出反应,但需要对现有的物理层和MAC层的协议做修改。在后面的仿真中就用到这种方案。5.2速度适应mac和最小跳转路径5.2.1多速率无线网络传输模型大部分现有的路由协议是基于跳数来选择最优路径的,这种参数适合于单一速率无线网络环境,因为每次传输占用相同数量的资源。然而在多速率网络中,采用基于跳数的选路技术,则吞吐量会下降。多速率MAC本身是设计用来处理由于移动性和干扰所带来的连接的变化,它提供多种链路速率,以适应链路质量的波动。在802.11b中,当两个节点背向移动时,自动速率协议就会在最终断开之前,平滑地将链路速率从11Mbps降到1Mbps。而在多速率无线网络中,最小跳路由协议试图选出的是低速率的链路,路径通常是在处于连接边缘的两个节点之间建立。这是因为最短路径包含最少的中间节点,而在相同的距离下,中间节点少就意味着链路长。既然在无线网络中距离是决定信道质量的重要因素,长的链路必然质量低,进而工作速率低。因此只要有机会,为了使跳数最小化,最短路径选择协议就会选择尽可能长的链路,而这些链路的工作速率一定是最低的。除了低的链路速率会导致路径效率低下以外,这种选路方法还会降低网络中其它流的性能。这是由于无线媒质是共享的,以一个低的链路速率传送分组需要占用很多的媒质时间,该传送信号干扰范围内的所有节点必须延期传送自己的信息,从而降低了整个网络的吞吐量。下面将选择两种情形来比较验证以上的分析。方案1选择单速率的802.11bMAC,以最高的速率发送数据(11Mbps),即当信道质量不够好时不发送数据,这时不再有长的跳,从而迫使最小跳路由协议使用大量的高速率的短跳链路。方案2选择速率自适应802.11bMAC,这时最小跳路由协议会选择尽可能长的跳,而每跳链路的速率会很低。5.2.2基于跳数的dsdv协议这里采用NS2.26进行仿真测试,主要分析两种情形下网络的吞吐量。在开始分析结果之前,首先简单地说明一下仿真的参数。NS2是一个开放源码的网络仿真软件,它包含802.11MAC层的实现,但是NS2的无线接口模型还是基于老的WaveLANⅡ网卡,它不支持2Mbps以上的速率。这里针对参考文献中提供的部分代码做了修改,增加了标准802.11b中定义的对多速率的支持,并修改了接口模型的参数。其中无线信道采用two-rayground模型,路由协议都采用基于跳数的DSDV协议。在方案1中,数据速率固定为11Mbps,即当收发距离在100m之内数据分组的速率为11Mbps,超出该范围则数据通信中断。在方案2中,收发距离在0~99m范围时,数据速率为11Mbps;收发距离在100~199m范围时,数据速率为5.5Mbps;收发距离在200~250m范围时,数据速率为1Mbps;收发距离大于250m,数据通信中断。本文选择了两种不同网络拓扑结构进行仿真。图3是一种线形拓扑,13个节点在1000m×200m的范围内均匀地排成一行,节点间的距离为80m。在相距720m的节点3和节点12之间存在一个TCP连接。按照速率自适应MAC方案,直接相邻的节点间的链路速率可以达到11Mbps,而相隔两跳的节点间的链路速率只能是1Mbps。于是,按照最小跳数选路,方案1(单速率)会选择每跳速率为11Mbps的路径3-4-5-6-7-8-9-10-11-12,而方案2(速率自适应)会选择每跳速率为1Mbps的路径3-6-9-12。图4是仿真得到的两种方案的吞吐量对比,结果表明速率自适应MAC和最小跳路由协同工作,不但没有改善网络的性能,反而不如单速率MAC,这和前面的分析相吻合。第二种网络拓扑是50个节点随机分布在1000m×200m的范围内,选择这样的结构是为了确保方案1的100m传输距离限制。在不同的远端节点之间同时存在3个TCP连接,路由协议仍然采用基于跳数的DSDV。运行的结果见图5。方案1的总吞吐量再次超过了方案2。5.3最小跳路由协议实际上,速率自适应MAC设计是一个很好的跨层设计方案,这里问题出在使用了最小跳路由协议。如果路由参数选择恰当,网络的吞吐量会得到改善。下面设计了一种简单的、可以感知底层速率的跨层选路参数,并通过仿真来证明这一点。5.3.1限制sdv的限制条件这里设计了一个简单的、可以感知底层速率的选路参数Cij,用它来替代DSDV中的最小跳数,目的并不是要提出一种新的路由算法,而是用它来说明合理的设计跨层协议方案会改善网络的性能。定义节点i和节点j之间的链路lij的代价参数Cij为:其中Rij是该链路上可用的速率,Lpkt是分组的长度,于是某条路径的代价值可定义为:上面的等式(2)定义