基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)快速傳輸方法

余秋哲，謝凱，龔康奕，阮寧君

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

賀建彪

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

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基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)快速傳輸方法

余秋哲，謝凱，龔康奕，阮寧君

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

賀建彪

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

[摘要]Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型的自組網(wǎng)絡(luò)，因其架設(shè)方便，應(yīng)用范圍不受環(huán)境設(shè)備的制約，在近年來得到了研究人員的高度關(guān)注。針對擁塞避免在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中無法區(qū)分丟包類別而錯(cuò)誤啟動(dòng)致使傳輸效率下降的問題，將傳統(tǒng)TCP協(xié)議擁塞控制算法進(jìn)行優(yōu)化，并在NS-2仿真軟件中通過仿真試驗(yàn)證實(shí)該方法在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率更快、數(shù)據(jù)包的遺失率更低。

[關(guān)鍵詞]Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；TCP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)擁塞；NS-2

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其沒有專用節(jié)點(diǎn)，但其中各個(gè)節(jié)點(diǎn)又兼具轉(zhuǎn)發(fā)包和路由的功能[2,3]。較之有線網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性均較為優(yōu)越。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事通信、災(zāi)后救援、個(gè)人局域網(wǎng)等方面[4]，隨著技術(shù)的愈發(fā)成熟，將運(yùn)用到更多更復(fù)雜的通信環(huán)境。

Ad Hoc的架設(shè)特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡不可預(yù)知，運(yùn)動(dòng)方式無法獲得，從而節(jié)點(diǎn)間的通信缺乏集中管理，交通擁堵可以發(fā)生在任何中間節(jié)點(diǎn)。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生的原因往往不盡相同，所以在傳輸過程中，數(shù)據(jù)包的丟失也有所差異。傳統(tǒng)TCP協(xié)議在此應(yīng)用往往達(dá)不到需要的效果。傳統(tǒng)的TCP協(xié)議中運(yùn)用了4種機(jī)制來避免在通信中可能會(huì)出現(xiàn)的擁塞問題，分別是慢啟動(dòng)機(jī)制、擁塞避免機(jī)制、快速重傳機(jī)制和快速恢復(fù)機(jī)制[5]。這些算法的最初設(shè)計(jì)是針對鏈路具有較高可靠性的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因此TCP協(xié)議在設(shè)計(jì)之初把網(wǎng)絡(luò)中的擁塞原因主要?dú)w結(jié)為數(shù)據(jù)分組的丟失。但在自身的鏈路不穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的路由不穩(wěn)定以及單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸能力限制的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，信道干擾強(qiáng)、誤碼率高和競爭激烈都可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，這些因素在傳統(tǒng)TCP協(xié)議下不能有效的被區(qū)分，網(wǎng)絡(luò)擁塞難以正確的解決，使機(jī)制的處理效果不明顯[6]。越來越多學(xué)者已經(jīng)意識到原來的TCP協(xié)議在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種各樣的問題[7]，并且可以改進(jìn)的地方都是圍繞鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層進(jìn)行。

鏈路層的研究主要圍繞Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的中暴露終端和隱藏終端的問題對MAC層協(xié)議進(jìn)行修改。有學(xué)者對802.11 MAC協(xié)議做了適應(yīng)性修改，優(yōu)化了避退算法和重傳機(jī)制[8]，同時(shí)多信道協(xié)議也被應(yīng)用到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，如跳預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議(DC-HRMA)[9]、雙信道接入?yún)f(xié)議(DCMA)[10]等。網(wǎng)絡(luò)層的主要的改進(jìn)在于路由協(xié)議的研究。有不少文獻(xiàn)對DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA、ZRP等路由的比較進(jìn)行了研究[11～14]，也有學(xué)者在這些協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，提出了LSDSR協(xié)議、 M-TORA協(xié)議等[15，16]。傳輸層的主要目的就是實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸層主要由2個(gè)基本的協(xié)議TCP和UDP組成，所以對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究就是對TCP或UDP的修改，有不少改進(jìn)協(xié)議產(chǎn)生，如SRUDP、ARUDP、 TCP-aware、 Learning-TCP等[17,18]。

傳統(tǒng)TCP協(xié)議中，丟包擁塞是擁塞的主要原因，通常通過減少穿過擁擠路徑流做出響應(yīng)[19]。其主要思路如下：只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，就把ssthresh(慢啟動(dòng)門限值)設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時(shí)cwnd(擁塞窗口)的二分之一，然后把cwnd置為1，執(zhí)行慢開始算法[20]。當(dāng)然，數(shù)據(jù)包的丟失也可能是由信道干擾等其他原因造成，但傳統(tǒng)TCP協(xié)議只對有線傳輸?shù)沫h(huán)境做出有效優(yōu)化，在該情況中信道的影響對于傳輸來說可以忽略不計(jì)，為了協(xié)議的簡便，有些學(xué)者在設(shè)計(jì)擁塞控制算法時(shí)只能對有線環(huán)境進(jìn)行很好的應(yīng)答。這些設(shè)計(jì)運(yùn)用到移動(dòng)頻繁、端口節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定、丟包原因多變的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，就顯得有些不夠?qū)嵱?。為此，筆者通過對原有擁塞控制機(jī)制的修改，使其能夠更好的適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境。

1改進(jìn)算法

圖1　改進(jìn)算法流程圖

在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，產(chǎn)生丟包一般可以分為2種:擁塞丟包和隨機(jī)丟包。擁塞丟包就是網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞導(dǎo)致的丟包，這個(gè)也是有線網(wǎng)絡(luò)中最常見的丟包行為，也是傳統(tǒng)TCP擁塞控制算法解決問題的初衷；而隨機(jī)丟包則可能是除網(wǎng)絡(luò)擁塞以外一切能導(dǎo)致封包丟失的行為引起的丟包，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中主要原因是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)鏈路不穩(wěn)定，信道噪聲干擾等因素引起。新?lián)砣苊馑惴ㄖ饕攸c(diǎn)區(qū)別這2種丟包行為，并對不同的丟包行為做出不同的應(yīng)答方案，具體流程如圖1所示。

在數(shù)據(jù)傳輸之前，數(shù)據(jù)的接收端需要和數(shù)據(jù)的發(fā)送端取得聯(lián)系。通信的開始，先由數(shù)據(jù)的接收端向發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息；發(fā)送端收到來自接收端的請求消息后進(jìn)行確認(rèn)，并對其回復(fù)確認(rèn)消息做好連接準(zhǔn)備；最后，接收端收到發(fā)送端的確認(rèn)消息后，向服務(wù)器發(fā)送消息表示已經(jīng)準(zhǔn)備就緒可以建立通信。

在TCP通信建立之后，發(fā)送端將產(chǎn)生一個(gè)cwnd(擁塞窗口)和一個(gè)ssthresh(慢啟動(dòng)門限值)，其中cwnd=1,即一個(gè)流量包的大小。

通信開始初期，傳輸應(yīng)用慢啟動(dòng)算法，試探性的逐步增大cwnd，來增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。每當(dāng)發(fā)送端收到一個(gè)來自客戶端的確認(rèn)信息ACK后，就對原有的cwnd進(jìn)行增加：

cwnd=2*cwnd

(1)

直到網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)問題。

在進(jìn)行慢啟動(dòng)算法的同時(shí)，對每次從發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行測速，求出發(fā)送速率最大值vmax和當(dāng)前發(fā)送的瞬時(shí)速率v(t):

(2)

(3)

式中，RTT為流量包的發(fā)送時(shí)間；RTTmin為流量包的最小發(fā)送時(shí)間。

由于vmax可以近似的看做網(wǎng)絡(luò)無擁塞時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以，當(dāng)v(t)

n=(RTT-RTTmin)×v(t)

(4)

此時(shí)，可以通過n的值對丟包事件進(jìn)行分析。在此，設(shè)計(jì)一個(gè)閾值m與n進(jìn)行比較，如果nm，則說明網(wǎng)絡(luò)中確實(shí)發(fā)生擁塞，即丟包更多傾向于擁塞丟包。筆者建議閾值一般設(shè)置為3較為合理。

當(dāng)發(fā)生隨機(jī)丟包事件時(shí)，由于認(rèn)定丟包不是由網(wǎng)絡(luò)擁塞所引起，所以用快速重傳算法對丟失流量包進(jìn)行重新發(fā)送。在此,令:

(5)

cwnd=ssthresh+3

(6)

以加大擁塞窗口，增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

當(dāng)發(fā)生擁塞丟包時(shí)，則用擁塞避免算法，令：

(7)

并將cwnd重新置為1。

當(dāng)cwnd

(8)

由此一來，cwnd重新增大，減小了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的注入量，讓網(wǎng)絡(luò)擁塞有足夠的時(shí)間處理。

當(dāng)擁塞處理完畢后，網(wǎng)絡(luò)需要快速恢復(fù)擁塞窗口以充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，故使用快速恢復(fù)算法：

(9)

cwnd=ssthresh+3

(10)

這樣網(wǎng)絡(luò)就成功處理了一次擁塞行為，重新恢復(fù)到正常的通信狀態(tài)。

最后，所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，客戶端與發(fā)送端斷開連接，通信結(jié)束。

2試驗(yàn)

NS-2可以對不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行仿真，該試驗(yàn)結(jié)果通過NS-2仿真軟件仿真獲得。

圖2　試驗(yàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)算法與新算法所產(chǎn)生的吞吐量如圖3所示。從圖3中可以明顯看到新算法的吞吐量要大于原有算法，這就說明了使用新的算法后網(wǎng)絡(luò)相比之前更加“通暢”，更多的帶寬得到有效的利用，網(wǎng)絡(luò)擁塞得到改善。

從圖4(a)、(b)對比可以得出，新的協(xié)議產(chǎn)生的延遲時(shí)間明顯低于傳統(tǒng)TCP協(xié)議，經(jīng)計(jì)算傳統(tǒng)TCP協(xié)議產(chǎn)生的平均延遲時(shí)間為0.54672S,新協(xié)議產(chǎn)生的平均延遲為0.36259s，傳輸速度提升接近35%，達(dá)到了提升傳輸速率的效果。

圖3　網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比圖

表1是經(jīng)過多次試驗(yàn)得到的網(wǎng)絡(luò)丟包率平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，改進(jìn)后算法在丟包率方面較之原有擁塞控制算法有明顯的下降，傳輸?shù)姆€(wěn)定性有所提升。

表1　網(wǎng)絡(luò)丟包率表

圖4　網(wǎng)絡(luò)延遲對比圖

3結(jié)語

在充分研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)之后，發(fā)現(xiàn)其中原有的TCP協(xié)議擁塞控制算法無法合理的在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中使用。筆者在之前的基礎(chǔ)上添加了判斷丟包類型機(jī)制，使擁塞控制更加合理，避免了不必要的帶寬浪費(fèi)。試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的算法明顯優(yōu)于之前的算法，丟包率更低，傳輸速率更快，達(dá)到了設(shè)計(jì)的最初目的。

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[編輯]洪云飛

[收稿日期]2016-02-29

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61272147)；湖北省教育廳項(xiàng)目(B2015446)；長江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20150040)。

[作者簡介]余秋哲(1994-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事信號處理、信號傳輸方面的研究工作。 [通信作者]謝凱(1975-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事油氣信息處理和三維地質(zhì)建模方面的教學(xué)與研究工作；E-mail：pami2010@163.com。

[中圖分類號]TN929.5

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)16-0057-05

[引著格式]余秋哲，謝凱，龔康奕，等.基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)快速傳輸方法[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(16)：57～61.