無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播MAC協(xié)議

余燕平 鄭元琰 黃 怡 倪玲玲

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播MAC協(xié)議

余燕平 鄭元琰 黃 怡 倪玲玲

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

為了在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC層中更好地提供可靠組播，在盡量少修改IEEE 802.11協(xié)議的原則下提出了一個(gè)可靠組播MAC協(xié)議RMMP(reliable multicast MAC protocol).首先由源節(jié)點(diǎn)組播RRTS(reliable RTS)幀，各接收節(jié)點(diǎn)依次回復(fù)RCTS(reliable CTS)幀;源節(jié)點(diǎn)在收到所有RCTS后，組播N個(gè)RDATA(reliable DATA)幀，各接收節(jié)點(diǎn)收到第N個(gè)要求回復(fù)的RDATA幀后依次回復(fù)RACK(reliable ACK)幀，然后源節(jié)點(diǎn)重傳丟失幀.RMMP協(xié)議提高了MAC層組播可靠性.最后運(yùn)用NS-2仿真軟件對(duì)該協(xié)議進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，RMMP在包投遞率、吞吐量性能上都有很大的提高，實(shí)現(xiàn)了MAC層可靠組播，其代價(jià)是平均端到端時(shí)延略大.

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò);MAC協(xié)議;廣播機(jī)制;可靠組播協(xié)議

目前大部分無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)［1］中的 MAC 層協(xié)議采用了 IEEE 802.11 DCF［2］，但是，采用 IEEE 802.11 DCF 作為 MAC層的組播協(xié)議存在著隱蔽節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，這就導(dǎo)致有可能在組播時(shí)試發(fā)多次不成功的現(xiàn)象.另外，現(xiàn)有的基于CSMA/CA的IEEE 802.11協(xié)議不允許采用RTS/CTS握手機(jī)制［3-4］或者ACK應(yīng)答機(jī)制進(jìn)行廣播/組播，因此對(duì)于沒(méi)有成功接收的組播/廣播幀不提供MAC層恢復(fù)機(jī)制.由于受到干擾、沖突等問(wèn)題的影響，許多分組會(huì)丟失，但是丟失的分組不能被檢測(cè)到并重傳，這將損害組播/廣播服務(wù)質(zhì)量.

針對(duì)這些問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外研究者們已經(jīng)提出了許多MAC層可靠組播的解決方法，基本上可以分為硬件型和軟件型.硬件型主要通過(guò)改進(jìn)硬件上某些模塊的特定功能來(lái)實(shí)現(xiàn)MAC層廣播/組播的可靠性，最典型的協(xié)議BPBT［5］采用忙音機(jī)制來(lái)提高M(jìn)AC層的可靠性.軟件型方案主要通過(guò)修改IEEE 802.11協(xié)議來(lái)提供MAC層的可靠廣播/組播.常見(jiàn)的軟件型協(xié)議有 BMW［6］，BMMM［7］，RAMP［8］，DPMM［9-10］，RRAR［11］和 MACAM［12］.

為了更好地提供MAC層的可靠組播，本文在盡量少修改IEEE 802.11協(xié)議的原則下提出了一個(gè)新的可靠組播MAC協(xié)議，主要采用減少碰撞、集中應(yīng)答的措施來(lái)提高可靠性.

1 RMMP協(xié)議

1.1 協(xié)議簡(jiǎn)介

本文提出的可靠組播MAC協(xié)議RMMP的交互過(guò)程如圖1所示.當(dāng)有一個(gè)來(lái)自上層的廣播包，RMMP首先利用CSMA/CA避免沖突，然后組播RRTS幀.各接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)RRTS幀中分配給其的下一跳節(jié)點(diǎn)號(hào)(NHID)計(jì)算不同回復(fù)時(shí)間并回復(fù)RCTS幀，等發(fā)送者收全所有接收者回復(fù)的RCTS幀后連續(xù)發(fā)送N個(gè)RDATA幀，其中第N個(gè)數(shù)據(jù)幀中攜帶要求回復(fù)RACK幀的信息，收到要求回復(fù)信息的RDATA幀后，接收者回復(fù)RACK幀，即每N個(gè)數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個(gè)RACK幀，RACK幀中有一張比特圖，能指明幀是否正確收到，這樣可以避免頻繁回復(fù)帶來(lái)的大量控制開(kāi)銷.同時(shí)發(fā)送者中暫存已發(fā)送的RDATA幀，當(dāng)?shù)弥薪邮展?jié)點(diǎn)丟失RDATA幀時(shí)可以按幀序列號(hào)進(jìn)行重傳，保證可靠性.一次交互完成后，等待下一次的RRTS-RCTSRDATA-RACK交互，直至所有包都發(fā)送接收完畢.

圖1RMMP簡(jiǎn)單交互過(guò)程

1.2 幀結(jié)構(gòu)

在RMMP協(xié)議中，采用RRTS-RCTS-RDATARACK幀交互，各個(gè)幀都有別于IEEE 802.11協(xié)議中相應(yīng)的幀.RRTS幀中包含了所有下一跳鄰節(jié)點(diǎn)的地址，所以增大了接收者地址字段.RCTS幀增加了發(fā)送者地址的字段.因?yàn)閰f(xié)議中每N個(gè)RDATA數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個(gè)RACK，則在數(shù)據(jù)幀中需要增加一個(gè)指明是否要求接收端回復(fù)RACK幀的字段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)中有緩沖區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)已發(fā)送RDATA幀及各個(gè)幀重傳的次數(shù).當(dāng)需要重傳時(shí)，從緩沖區(qū)中搜索需要重傳的幀，如果還在緩沖區(qū)中且重傳次數(shù)小于最大重傳值就進(jìn)行重傳.緩沖區(qū)大小固定，當(dāng)超出其大小后，自動(dòng)刪除最前面的RDATA幀.

接收節(jié)點(diǎn)中存有的比特圖包含的信息有發(fā)送者的MAC地址、發(fā)送者分配給接收者的下一跳節(jié)點(diǎn)號(hào)NHID、幀序號(hào)及相應(yīng)幀的接收情況，正確接收則相應(yīng)比特位記為“1”，否則為“0”.接收者應(yīng)答時(shí)將比特圖中幀接收情況的比特位加入RACK幀，告知發(fā)送者接收情況，發(fā)送者按比特圖中指明的幀接收情況重發(fā)沒(méi)有被正確接收的幀.

1.3 協(xié)議交互步驟

當(dāng)有一個(gè)來(lái)自上層的廣播包，RMMP先用CSMA/CA避免沖突，然后等待信道空閑.當(dāng)信道空閑且空閑DIFS時(shí)，發(fā)送者S啟動(dòng)退避計(jì)時(shí)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，退避計(jì)時(shí)器的值在0和競(jìng)爭(zhēng)窗口數(shù)CW(contention window)之間隨機(jī)選擇.如果介質(zhì)在退避計(jì)時(shí)器不到0時(shí)就被占用，那么停止計(jì)時(shí)，待下次信道空閑且空閑DIFS再重新從該值開(kāi)始倒計(jì)時(shí);如果倒計(jì)時(shí)至0信道依舊空閑，則發(fā)送者S向下一跳鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送RRTS幀并啟動(dòng)Recv_Timer接收計(jì)時(shí)器.如果第一個(gè)幀就發(fā)生沖突，就繼續(xù)采用CSMA/CA監(jiān)聽(tīng)信道，空閑DIFS并采用二進(jìn)制退避機(jī)制隨機(jī)退避一段時(shí)間后再發(fā)送.

發(fā)送者將RRTS幀發(fā)送給下一跳節(jié)點(diǎn)后，每個(gè)接收者收到RRTS幀后觀察自身的MAC地址在RRTS幀中接收者M(jìn)AC字段中的位置是第幾位，若是第1位，該接收者的NHID即為1，同時(shí)存入比特圖中相應(yīng)位置，若是2，該接收者的NHID即為2.以此類推下去，每個(gè)接收者都可以較可靠地由發(fā)送者分配得到各自的NHID，同時(shí)利用NHID來(lái)代替該接收者的MAC地址，即每個(gè)接收者都有不同的NHID與之相對(duì)應(yīng).

接收者根據(jù)RRTS中各自的NHID計(jì)算回復(fù)RCTS起始時(shí)間，即

式中，NNHID為接收者的NHID值;TSIFS為短幀間間隔;TRCTS1為接收者發(fā)送一個(gè)RCTS幀需要的時(shí)間.各個(gè)接收者分別啟動(dòng)各自的退避計(jì)時(shí)器，到0時(shí)發(fā)送RCTS幀給發(fā)送者.如果發(fā)送者在Recv_Timer到預(yù)定時(shí)間發(fā)送者仍未收全 RCTS幀，判定為RRTS幀丟失或者RCTS幀丟失，則重新發(fā)送RRTS幀，重新啟動(dòng)Recv_Timer.但重發(fā)次數(shù)有限制.

當(dāng)所有RCTS幀都收全后，發(fā)送者發(fā)送RDATA幀，并將RDATA幀存入發(fā)送者緩沖區(qū).接收者接收RDATA幀，檢查幀序號(hào)，更新比特圖，同時(shí)發(fā)送者的鄰節(jié)點(diǎn)及各接收者的鄰節(jié)點(diǎn)根據(jù)偵聽(tīng)到的幀更新網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV.

RDATA幀中攜帶有一個(gè)回復(fù)確認(rèn)字段，接收者收到每個(gè)RDATA幀后都會(huì)檢查是否需要回復(fù)RACK幀，在第N個(gè)RDATA幀中攜帶要求回復(fù)的信息.發(fā)送者S則在發(fā)送時(shí)啟動(dòng)Recv_Timer，各個(gè)接收者在收到第N個(gè)RDATA幀后，根據(jù)下一跳節(jié)點(diǎn)號(hào)NHID，計(jì)算回復(fù)RACK幀的起始時(shí)間TRACK，并各自分別回復(fù)RACK幀，RACK幀在比特圖中攜帶幀的接收情況字段.發(fā)送RACK幀的TRACK計(jì)算式為

式中，TRACK1為接收者發(fā)送一個(gè)RACK幀需要的時(shí)間.

如果發(fā)送者收到RACK幀，檢查RACK幀中的比特圖，計(jì)算出各接收者丟失的幀，按幀的序列號(hào)進(jìn)行重傳，重傳幀依舊采用廣播方式.重傳幀的回復(fù)是在N個(gè)幀重傳完畢后再一一回復(fù)RACK幀，已收到正確幀的節(jié)點(diǎn)對(duì)于重傳過(guò)來(lái)的幀會(huì)自動(dòng)丟棄.確定沒(méi)有節(jié)點(diǎn)存在丟失幀后進(jìn)入下一次的交互.若到Recv_Timer預(yù)定時(shí)間發(fā)送者仍未收全RACK幀，認(rèn)為攜帶回復(fù)請(qǐng)求的RDATA幀丟失或者接收者回復(fù)的RACK幀丟失，重發(fā)攜帶回復(fù)請(qǐng)求的RDATA幀，重發(fā)次數(shù)有限制.

前一次的N個(gè)幀均確認(rèn)已收到，要進(jìn)行下一N個(gè)幀的傳輸，節(jié)點(diǎn)中的比特圖恢復(fù)初始狀態(tài)，發(fā)送者的緩沖區(qū)處理相同，比特圖和緩沖區(qū)的大小保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.當(dāng)廣播的幀是最后一個(gè)幀時(shí)，發(fā)送者的RDATA幀中攜帶要求接收者進(jìn)行回復(fù)的信息，接收者收到后計(jì)算相應(yīng)的TRACK后依次進(jìn)行回復(fù).

圖2給出了發(fā)送者S與其中3個(gè)下一跳接收者NH1，NH2，NH3利用RMMP協(xié)議進(jìn)行組播的交互過(guò)程及該過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV的變化.

RAMP中利用下一跳節(jié)點(diǎn)號(hào)計(jì)算回復(fù)CTS和ACK的時(shí)間，避免了CTS幀或ACK幀的碰撞問(wèn)題，但是每發(fā)送1個(gè)DATA幀回復(fù)1個(gè)ACK幀，發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包的交互時(shí)間太長(zhǎng).而在RRAR中采用了多個(gè)數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀方式，減少了ACK幀的發(fā)送次數(shù)，從而減少了碰撞，但是還沒(méi)解決多個(gè)接收者同時(shí)回復(fù)CTS或ACK而產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題.RMMP結(jié)合了兩者的長(zhǎng)處，既避免了RCTS和RACK的碰撞，又提高了一次握手的傳輸效率.因此與RMMP，RAMP和RRAR相比，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都一樣的前提下，RMMP可靠性得到提高，傳輸時(shí)間更短.RAMP的主要思想幾乎與MACAM協(xié)議的一樣，只是MACAM沒(méi)有采用NHID來(lái)縮短RTS幀的控制開(kāi)銷，因此兩者的可靠性和吞吐量性能比較接近，僅僅是控制開(kāi)銷上RAMP略小.

鑒于以上原因，將本文提出的RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議進(jìn)行比較.

圖2 RMMP協(xié)議交互流程示意圖

2 仿真

協(xié)議仿真利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS-2.首先建立仿真場(chǎng)景，在一個(gè)400 m×400 m的平面區(qū)域內(nèi)隨機(jī)設(shè)置50個(gè)靜態(tài)的通信節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有收發(fā)包功能;同時(shí)取N=8，即每發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)包得到一個(gè)確認(rèn)回復(fù).取N=8主要是為了在一定仿真時(shí)間內(nèi)能較明顯地觀察結(jié)果，當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中可以適當(dāng)?shù)馗淖僋值.但N的值也不能很大，因?yàn)槿鬘很大，本次會(huì)話占用的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，一段時(shí)間內(nèi)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信道都被占用，另外的會(huì)話就不能進(jìn)行，其他數(shù)據(jù)等待時(shí)間就太長(zhǎng).仿真參數(shù)如表1所示.

PUMA(protocol for unified multicasting through announcements)［13］為仿真所需的上層組播路由協(xié)議，只發(fā)送組播包，具有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率和可靠性.

本文將對(duì)RMMP協(xié)議、IEEE 802.11協(xié)議和MACAM［12］協(xié)議進(jìn)行仿真對(duì)比，將從3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較:①包投遞率.某一接收節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值.② 平均端到端時(shí)延(average end-to-end delay).所有接收節(jié)點(diǎn)接收某個(gè)數(shù)據(jù)包與發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送該數(shù)據(jù)包的時(shí)間差總和與發(fā)送總數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的比值.③吞吐量(throughput).單位時(shí)間內(nèi)成功傳送的數(shù)據(jù)量.

表1 仿真參數(shù)

2.1 可靠性

包投遞率PDR(packet delivery ratio)表示可靠性.圖3(a)給出了在其他條件相同，不同組播組大小下3種協(xié)議的包投遞率.由圖可見(jiàn)，在組播組大小從5到40的過(guò)程中，RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議的包投遞率都很高，尤其是RMMP協(xié)議，接近100%.這是因?yàn)镽MMP協(xié)議與MACAM協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前分別采用RRTS-RCTS和RTS-CTS交互清空信道，使接收節(jié)點(diǎn)處于準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此提高了數(shù)據(jù)幀組播的可靠性，同時(shí)RMMP協(xié)議又使用了重傳機(jī)制，更加保證MAC組播的可靠性.MACAM協(xié)議在組播組大于30的情況下有部分包因隊(duì)列滿而丟失，影響了可靠性.IEEE 802.11協(xié)議會(huì)因隱蔽節(jié)點(diǎn)問(wèn)題引起碰撞，而且無(wú)握手機(jī)制，直接發(fā)送組播包并無(wú)確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制，因此沒(méi)有成功發(fā)送的分組將不再在MAC層重發(fā)，這些都導(dǎo)致IEEE 802.11協(xié)議下的包投遞率較低，從而不能保證可靠性.

圖3 不同組播組大小下各協(xié)議性能比較

2.2 平均端到端時(shí)延

圖3(b)表示3種協(xié)議在不同組播組下的平均端到端時(shí)延.由圖可知，3種協(xié)議下的平均端到端時(shí)延隨著組播組的增大而變大，而RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議的平均端到端時(shí)延比IEEE 802.11協(xié)議略大.這是因?yàn)镮EEE 802.11協(xié)議直接發(fā)送組播包并無(wú)回復(fù)機(jī)制，顯然其平均端到端延遲較短，但是以很低的可靠性為代價(jià).而對(duì)于RMMP和MACAM這2種協(xié)議，發(fā)送端還需要等待所有接收端回復(fù)幀(RMMP協(xié)議中的RCTS幀和RACK幀，MACAM協(xié)議中的CTS幀和ACK幀)，在仿真設(shè)定的場(chǎng)景下，這2種協(xié)議的平均端到端時(shí)延在1 ms以下.這樣的時(shí)延值基本不會(huì)影響上層應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求，而可靠性卻有了較大提高，因此整體性能得以提高，能更好地支持上層應(yīng)用.

2.3 吞吐量

本文中吞吐量指各組播接收節(jié)點(diǎn)從發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到的平均吞吐量.由圖3(c)可看出，隨著組播組的增大，3個(gè)協(xié)議的吞吐量變化并不很明顯，但是，不管組播組為多少，RMMP協(xié)議吞吐量性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 IEEE 802.11協(xié)議與 MACAM 協(xié)議.因?yàn)镽MMP協(xié)議中，利用不同時(shí)間回復(fù)確認(rèn)幀避免了各節(jié)點(diǎn)同時(shí)回復(fù)而產(chǎn)生的碰撞，碰撞越小，成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)就越多，吞吐量自然就提高了.而MACAM協(xié)議中，因?yàn)槌税l(fā)送者能接收到CTS幀，每一個(gè)下一跳接收者都能接收來(lái)自其他接收者的CTS幀，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低，一定時(shí)間內(nèi)成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)就少，從而降低了吞吐量.IEEE 802.11協(xié)議則由于隱蔽節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致碰撞，而且無(wú)握手機(jī)制和確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制，因此沒(méi)有成功發(fā)送的分組不再重發(fā)，大大影響了吞吐量.

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中MAC層的廣播特性對(duì)組播性能的好壞具有重要影響.本文分析了無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中使用IEEE 802.11協(xié)議作為MAC層產(chǎn)生的可靠組播問(wèn)題，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了可靠的MAC組播協(xié)議RMMP.為了提高M(jìn)AC層組播的可靠性，RMMP協(xié)議中使用了 RRTSRCTS交互、回復(fù)機(jī)制和重傳機(jī)制，這都保證了可靠性.同時(shí)利用下一跳節(jié)點(diǎn)號(hào)替代MAC地址和發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)幀才回復(fù)一次確認(rèn)機(jī)制來(lái)減少控制開(kāi)銷，提高包投遞率及信道利用率.本文使用NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬器實(shí)現(xiàn)RMMP協(xié)議.理論分析和仿真結(jié)果表明，RMMP協(xié)議MAC層組播可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于IEEE 802.11協(xié)議.與MACAM 相比，其吞吐量性能也較好，并且相對(duì)減少了控制開(kāi)銷，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，其代價(jià)是時(shí)延略微增加，但是其絕對(duì)值仍在1 ms以下.因此，RMMP是一種提供可靠組播的MAC協(xié)議.本文在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果MAC層的組播不提供可靠性保證，則向上層提供的可靠性會(huì)非常差.本協(xié)議為今后進(jìn)一步完善無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中組播性能奠定了相應(yīng)的基礎(chǔ).

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Reliable MAC layer multicast protocol in wireless Ad Hoc networks

Yu Yanping Zheng Yuanyan Huang YiNi Lingling
(School of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China)

In order to provide MAC(medium access control)layer reliable multicast in wireless Ad Hoc networks，a new reliable multicast MAC protocol(RMMP)based on IEEE 802.11 is proposed.In this protocol，a sender multicasts a reliable RTS(RRTS)frame and the receivers reply with reliable CTS(RCTS)frames according to the designated sequence.Then the sender sendsNreliable DATA(RDATA)frames and the receivers reply with reliable ACK(RACK)frames sequentially after receiving theN-th RDATA frame in which an acknowledgement frame RACK is demanded.The sender then retransmits the lost frames which are indicated in the RACK frame.The network simulator NS-2 was used to simulate to demonstrate the performance of the protocol.The results show that this protocol achieves reliable multicast at MAC layer by providing higher packet delivery ratio and throughput while slightly increasing average end-to-end delay.

wireless Ad Hoc networks;medium access control protocol;broadcast mechanism;reliable multicast protocols

TP393

A

1001－0505(2012)02-0214-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.004

2011-07-05.

余燕平(1965—)，女，博士，教授，yuyanping@zjgsu.edu.cn.

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1090232)、浙江省錢江人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010R10007).

余燕平，鄭元琰，黃怡，等.無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播MAC協(xié)議［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(2):214-218.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.004］