無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中MAC層與TCP層跨層協(xié)作技術(shù)的研究

廖秋麗譚新德

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林星辰科技有限公司，廣西 桂林 541004）

無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中MAC層與TCP層跨層協(xié)作技術(shù)的研究

廖秋麗1譚新德2

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林星辰科技有限公司，廣西 桂林 541004）

在無線多跳Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的丟包主要是由于MAC層介質(zhì)競爭引起的，而不是傳統(tǒng)的路由器緩存隊(duì)列的溢出。因此，文章分析了四種能反映MAC層競爭程度的擁塞測(cè)度，提出基于MAC層擁塞測(cè)度的TCP跨層優(yōu)化協(xié)議。通過仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能極大地提高無線網(wǎng)絡(luò)性能。

無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；MAC層；TCP層；ECN；跨層協(xié)議

有別于常見的蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無線局域網(wǎng)（終端通過無線接入點(diǎn)AP接入有線網(wǎng)絡(luò)），無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（wireless Ad hoc networks）[1]是一種完全由多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，無線節(jié)點(diǎn)之間可以對(duì)等地進(jìn)行直接通信，不再需要通過AP轉(zhuǎn)發(fā)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在完成自身的功能之外還必須充當(dāng)一個(gè)路由器，轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，且無線節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)移動(dòng)和開關(guān)機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳豢深A(yù)知地發(fā)生變化。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的這些特性使得其廣泛應(yīng)用于軍事、緊急營救、 特殊工作環(huán)境及其他個(gè)人通訊領(lǐng)域，但其自身的特點(diǎn)同時(shí)也給這種網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用帶來了許多困難和挑戰(zhàn)[2]。

網(wǎng)絡(luò)信道擁塞程度是網(wǎng)絡(luò)性能好壞的重要標(biāo)志，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的判斷是由數(shù)據(jù)包丟失引起的節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列溢出，一旦隊(duì)列溢出，所有的輸入分組將被丟棄，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞狀態(tài)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制。然而，在無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)丟包并不一定都是由于擁塞引起的，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)造成的路由中斷，無線鏈路出錯(cuò)或MAC層競爭接入信道都會(huì)引起TCP數(shù)據(jù)包的丟失。有研究指出，無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的擁塞并不表現(xiàn)為隊(duì)列長度的增加，而更多的表現(xiàn)為MAC層競爭造成的阻塞現(xiàn)象[3]?？梢?，無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的丟包大多是由于MAC層競爭沖突引起。而由于傳統(tǒng)的TCP協(xié)議對(duì)丟包產(chǎn)生的原因不加以區(qū)分，在出現(xiàn)分組丟失時(shí)一律采用擁塞避免算法，從而導(dǎo)致TCP吞吐量下降80%左右[4]。若能根據(jù)MAC層的狀態(tài)來及時(shí)調(diào)整發(fā)送方的發(fā)送速率，就可以在一定程度上減少因MAC層信道爭用造成的數(shù)據(jù)包丟失，從而可以提高網(wǎng)絡(luò)的性能。這就是本文利用MAC層參數(shù)進(jìn)行跨層協(xié)作從而改進(jìn)無線多跳Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議性能的出發(fā)點(diǎn)。

1 MAC層與TCP層跨層協(xié)作方法

在無線網(wǎng)絡(luò)中，跨層設(shè)計(jì)的思想已被證明能有效地保障網(wǎng)絡(luò)的QOS(服務(wù)質(zhì)量)?？鐚訁f(xié)作最大的優(yōu)點(diǎn)就是信息共享，各層根據(jù)共享的信息作出相應(yīng)的反應(yīng)以達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。在跨層設(shè)計(jì)中，一般只涉及到兩層，上層根據(jù)下層提供的信息采取相應(yīng)的措施，如傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層與物理層，傳輸層與數(shù)據(jù)鏈路層。由于MAC層最能反映網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，故TCP層與MAC層的跨層協(xié)作最能提高無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能[5]。

1.1 TCP層擁塞控制機(jī)制

TCP協(xié)議是一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（通過調(diào)整其窗口大?。┑淖赃m應(yīng)傳輸協(xié)議，其目的是為了能夠在不引起網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下盡可能充分的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時(shí)使各條流公平共享無線鏈路帶寬，為此其使用一種加性增乘性減(Additive Increase Multiplicative Decrease, AIMD)的窗口控制算法，發(fā)送端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況來自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身的發(fā)送速率，進(jìn)行擁塞控制[6]。實(shí)現(xiàn)過程如下：每個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)窗口：一個(gè)是接收方窗口，另一個(gè)是擁塞窗口(congestion window, cwnd)，發(fā)送端按這兩個(gè)窗口中較小的那個(gè)窗口值來發(fā)送分組。當(dāng)建立一個(gè)連接時(shí)，發(fā)送端的擁塞窗口初始值為1，每收到一個(gè)非重復(fù)的ACK確認(rèn)包，其擁塞窗口呈指數(shù)增長，這個(gè)過程稱為慢啟動(dòng)(slow start,SS)階段。當(dāng)擁塞窗口增至慢啟動(dòng)閾值(slow start threshold)，發(fā)送端在收到非重復(fù)的ACK確認(rèn)包時(shí)，擁塞窗口不再是指數(shù)增長，而是加性增加，即將其加1，目的是減小擁塞窗口的增大速率，這個(gè)階段稱為擁塞避免(congestion avoidance)階段。如果發(fā)送端連續(xù)收到有三個(gè)重復(fù)的ACK或重傳定時(shí)器超時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞，則將慢啟動(dòng)閾值設(shè)置為當(dāng)前窗口的一半，同時(shí)將擁塞窗口置1，進(jìn)入慢啟動(dòng)階段。如果網(wǎng)絡(luò)沒有發(fā)生丟包行為，擁塞窗口值將繼續(xù)增大，直至增大到接收方窗口，它將停止增長，而且，只要一直不丟包且接收方窗口大小不變，則擁塞窗口將保持不變。

1.2 MAC層擁塞測(cè)度

MAC層能很好地反映網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，不同的擁塞測(cè)度反映網(wǎng)絡(luò)情況的精確度也不一樣。現(xiàn)有的MAC層擁塞測(cè)度主要有以下幾種：RTS重傳次數(shù)，幀服務(wù)延時(shí)FSD，信道忙碌比Rb和幀傳輸效率R。

（1）RTS重傳次數(shù)

在使用RTS/CTS接入方案中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前會(huì)先發(fā)送RTS幀預(yù)約信道，接收方回傳一個(gè)CTS幀同意連接，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和ACK確認(rèn)。當(dāng)RTS幀發(fā)生沖突時(shí)，節(jié)點(diǎn)將重發(fā)該RTS幀。如果RTS重傳次數(shù)達(dá)到最大重傳次數(shù)7（IEEE802.11默認(rèn)值），節(jié)點(diǎn)丟棄這個(gè)RTS幀以及隨后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，可見，RTS重傳次數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)越擁塞。在文獻(xiàn)[7]中通過實(shí)驗(yàn)證明了MAC層RTS重傳次數(shù)與TCP擁塞程度的相關(guān)性。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)RTS重傳次數(shù)超過2時(shí)，在整個(gè)仿真時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的成功傳輸數(shù)目最多只有2個(gè)，這說明一旦MAC層的RTS的重傳次數(shù)超過2，網(wǎng)絡(luò)即進(jìn)入擁塞狀態(tài)。

（2）幀服務(wù)延時(shí)FSD

MAC幀服務(wù)延時(shí)（Frame Service Delay）定義為MAC層為傳輸這一幀開始偵聽信道到成功接收到ACK的時(shí)間間隔，特別的，若達(dá)到最大重試次數(shù)后，幀仍沒有發(fā)送成功，則FSD為MAC層嘗試發(fā)送該幀所消耗的時(shí)間[8]，包括沖突時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。MAC層競爭接入信道越激烈，幀服務(wù)延時(shí)越長，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的可能性越大。當(dāng)MAC層采用RTS/CTS接入方案時(shí)，F(xiàn)SD越大，本質(zhì)上是RTS重傳次數(shù)越多。

（3）信道忙碌比Rb

信道忙碌比（Channel Busyness Ratio）定義為在一段時(shí)間間隔內(nèi)，鏈路層忙碌的時(shí)間（包括數(shù)據(jù)成功傳輸?shù)臅r(shí)間和沖突時(shí)間）與總時(shí)間的比率[9]。信道越忙碌，表明信道利用率越高，網(wǎng)絡(luò)吞吐量越大。而當(dāng)信道忙碌比Rb大于某一個(gè)閾值時(shí)，沖突概率急劇增加，信道利用率和吞吐量會(huì)急劇下降。

（4）幀傳輸效率R

幀傳輸效率定義為成功傳輸一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔與MAC層幀服務(wù)延時(shí)之比。隨著傳輸概率的不斷增大，幀傳輸效率R不斷減小，特別是在傳輸概率的某一閾值附近，傳輸概率的一點(diǎn)點(diǎn)增加，就會(huì)造成R的急劇下降[10]。幀傳輸效率R對(duì)MAC層擁塞是很敏感的，所以可以選取幀傳輸效率R作為擁塞指示。

以上4種MAC層擁塞測(cè)度，RTS重傳次數(shù)實(shí)現(xiàn)最簡單，但對(duì)擁塞感知的精確度不高；幀服務(wù)延時(shí)FSD由于與無線節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和數(shù)據(jù)包的大小有關(guān)，受場(chǎng)景影響較大，故閾值較難確定；信道忙碌比Rb能精確反映信道的擁塞情況，但實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜，且時(shí)間間隔較難選取；幀傳輸效率R較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)協(xié)議改動(dòng)不大，且由于幀傳輸效率是一個(gè)比值，故閾值較好確定。

1.3 跨層協(xié)作

TCP層與MAC層跨層協(xié)作是通過ECN（Explicit Congestion Notification，顯示擁塞通告）[11]機(jī)制來完成的。ECN機(jī)制提供了一種清晰明了的通知方式，來告訴發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生了擁塞。實(shí)現(xiàn)思路是：通過擁塞測(cè)度判斷網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，發(fā)送端MAC層把數(shù)據(jù)包IP頭的服務(wù)類型字段中的第7位CE位置1，當(dāng)接收端收到此數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)在ACK確認(rèn)包中的TCP頭的保留字段最后一位（定義為ECN-Echo位）置1，發(fā)送端收到ACK報(bào)文后，查看頭部信息，發(fā)送端據(jù)此調(diào)整自身的發(fā)送速率，因此，將ECN機(jī)制應(yīng)用于無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中可以有效地減少由于無線信道競爭沖突引起的報(bào)文丟失和避免了不必要的重傳，從而提高了無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

本文分別運(yùn)用RTS重傳次數(shù)、幀服務(wù)延時(shí)FSD、信道忙碌比Rb和幀傳輸效率R作為MAC層擁塞測(cè)度，利用ECN機(jī)制實(shí)施基于窗口的TCP速率調(diào)節(jié)，從而在無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)MAC層與TCP層的跨層協(xié)作。

2 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)通過網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)ns 2.27對(duì)圖1所示的場(chǎng)景進(jìn)行模擬仿真。仿真場(chǎng)景中，所有節(jié)點(diǎn)采用IEEE 802.11協(xié)議，路由協(xié)議為AODV，TCP數(shù)據(jù)流分別從發(fā)送站（1…n）發(fā)送到接收站w3，其中發(fā)送節(jié)點(diǎn)（1…n）只在節(jié)點(diǎn)w1的傳輸范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)包大小為1000字節(jié)，仿真時(shí)間為300s，其它未聲明的參數(shù)設(shè)置均采用NS2的默認(rèn)值。

圖1 模擬場(chǎng)景

各個(gè)擁塞測(cè)度的擁塞指示門限取值分別為： RTS重傳次數(shù)大于等于2，幀服務(wù)延時(shí)FSD、信道忙碌比Rb和幀傳輸效率R分別為0.03、0.75和0.60。

2.1 測(cè)度值分析

圖2、圖3、圖4和圖5是當(dāng)只有一條TCP數(shù)據(jù)流時(shí)，如果沒有使用ECN機(jī)制和分別使用以上四種擁塞測(cè)度，分別對(duì)應(yīng)的測(cè)度值比較。從中可以看出，使用了基于MAC層擁塞測(cè)度的ECN機(jī)制后，RTS重傳次數(shù)、幀服務(wù)延時(shí)FSD、信道忙碌比Rb和幀傳輸效率R都趨于穩(wěn)定，且有明顯改善，表明MAC層競爭沖突程度得到較大地緩解。

圖2 RTS重傳次數(shù)的比較

圖3 幀服務(wù)延時(shí)FSD的比較

圖4 信道忙碌比Rb的比較

圖5 幀傳輸效率R的比較

2.2 性能分析

當(dāng)圖1仿真場(chǎng)景的發(fā)送站個(gè)數(shù)n為1，3，5，7，9時(shí)，分別采用RTS重傳次數(shù)、幀服務(wù)延時(shí)FSD、信道忙碌比Rb和幀傳輸效率R這四個(gè)測(cè)度為指示信號(hào)和不采用ECN機(jī)制時(shí)的性能比較，如圖6所示。圖6(a)為網(wǎng)絡(luò)總吞吐量，圖6(b)為網(wǎng)絡(luò)丟包率。

圖6 性能比較

從圖6(a)可以看出，發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)n越多，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的程度越嚴(yán)重，TCP流總吞吐量呈下降趨勢(shì)，但與傳統(tǒng)TCP協(xié)議相比，使用了MAC層擁塞測(cè)度的ECN機(jī)制之后，吞吐量下降程度較小，特別是TCP流條數(shù)越多，改善越明顯。這是因?yàn)榘l(fā)送TCP流條數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性越大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，采用ECN機(jī)制的發(fā)送端會(huì)主動(dòng)降低發(fā)送速率，從而達(dá)到減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的目的。從圖6(b)的TCP流丟包率也可看出，使用傳統(tǒng)TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)丟包率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用了MAC層擁塞測(cè)度的方法，并且丟包率上升得更快。例如圖6(b)中當(dāng)連接數(shù)n為9時(shí)，沒有使用ECN機(jī)制的丟包率大約為0.35，分別使用基于RTS重傳次數(shù)、幀服務(wù)延時(shí)FSD和信道忙碌比Rb的ECN機(jī)制后的丟包率大約為0.15，而使用基于幀傳輸效率的ECN機(jī)制后，TCP流丟包率大約為0.014，基本保證了數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。

綜上所述，在無線多跳Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，采用以上四種基于MAC層擁塞測(cè)度的ECN機(jī)制都能提高網(wǎng)絡(luò)性能，且由于擁塞測(cè)度的精度不一樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提高程度也不一樣。

3 結(jié)束語

在無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，IEEE802.11 MAC層協(xié)議對(duì)TCP性能影響很大，MAC層能最先感知到網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，聯(lián)合MAC層與TCP層的跨層設(shè)計(jì)能提高網(wǎng)絡(luò)性能。本文分析了用于跨層設(shè)計(jì)的各個(gè)MAC層擁塞測(cè)度（RTS重傳次數(shù)、幀服務(wù)延時(shí)、信道忙碌比和幀傳輸效率），并利用ECN機(jī)制完成跨層設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的TCP協(xié)議相比，使用了基于MAC層擁塞測(cè)度的ECN機(jī)制后，網(wǎng)絡(luò)性能得到極大的提高。

[1] Ram Ramanathan, Jason Redi. A brief overview of mobile Ad hoc networks: challenge-s and directions. IEEE Communications Magazine,50th Anniversary Commemorative Issue,2002,(5):20-23.

[2] Imrich Chlamtac, Marco Conti, Jennifer J.-N.Liu. Mobile ad hoc networking:imperativ- es and challenges[J].Ad Hoc Networks,2003,1(1):13-64.

[3] Fu Zhenghua,Zerfos Petros,Luo Haiyun,Lu Songwu, Zhang Lixia, and Gerla Mario.The impact of multihop wireless channel on TCP throughput and loss.Proc.of IEEE INFOCOM’03, April 2003.

[4] Fu Zhenghua, Meng Xiaoqiao, Lu Songwu. How bad TCP can perform in wireless ad hoc networks. Proceedings of IEEE ISCC,2002:298-303.

[5] Vivek Raghunathan and P. R. Kumar,A Counterexample in Congestion Control of Wireless Networks[J].Performance Evaluation,2007,64 (5):399-418.

[6] Allman M,Paxson V, Stevens W, RFC2581,TCP Congestion Control,1999.04.

[7] 葉進(jìn),王建新.一種融合MAC層擁塞通告的混合網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議[J].高技術(shù)通訊,2009,19(4):361-365.

[8] 岳鵬,文愛軍,趙瑞琴,等.IEEE 802.11 MAC幀服務(wù)時(shí)延分析和在擁塞控制中的應(yīng)用[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,(3):399-415.

[9] Hongqiang Zhai,Xiang Chen,and Yuguang Fang. Improving Transport Layer Performance in Multihop Ad Hoc Networks by Exploiting MAC Layer Information[J]. IEEE Transactions Wireless Communication,2007,6(5):1692-1701.

[10] 葉進(jìn),王建新,廖秋麗.無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)中基于幀傳輸效率的擁塞控制方法[J].通信學(xué)報(bào),2010,31(11):80-86.

[11] Floyd S. TCP and Explicit Congestion Notification[J]. ACM Computer Communicati- on Review, 1994,24(5):10-23.

Performance research of cross-layer protocols based on MAC layer and TCP layer in wireless Ad hoc networks

Packet losses due to link-layer contention dominates in wireless Ad hoc networks, rather than the traditional router buffer overflow. An analysis has been made of four congestion metrics which can reflect the degree of medium contention at the MAC layer in this paper. A cross-layer TCP protocol based on the novel use of congestion metrics at MAC layer was proposed. Extensive simulations show that it can prominently improve transport layer performance in wireless multihop Ad hoc networks.

wireless Ad hoc networks;MAC layer;TCP layer;ECN;cross-layer protocol

TP393

A

1008-1151(2015)03-0034-03

2015-02-13

桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“電子工程訓(xùn)練教學(xué)模式的改革與實(shí)施”（ZJW11053）。

廖秋麗（1986－），女（壯族），桂林電子科技大學(xué)助教，碩士研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化。