基于多傳感器信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的TCP增強(qiáng)方法*

哈 樂， 房立金

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819)

基于多傳感器信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的TCP增強(qiáng)方法*

哈 樂， 房立金

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 沈陽 110819)

為了解決多傳感器信號(hào)傳輸中端到端TCP協(xié)議存在的如高丟包率、帶寬不穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)拓?fù)湟约按嬖谟捎诙嘈盘?hào)同時(shí)傳輸產(chǎn)生擁堵，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸性能降低等問題，提出了一種基于多傳感器信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議M-TCP.M-TCP采用了一種基于瓶頸節(jié)點(diǎn)信息反饋的新的流量控制機(jī)制，取消了慢啟動(dòng)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)帶寬階段，在連接建立后便采用較理想的發(fā)送速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成功避免了傳輸振蕩.結(jié)果表明，M-TCP在數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率和傳輸延遲等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，能夠很好地提升傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.

多傳感器信號(hào)； 傳輸網(wǎng)絡(luò)； 流量控制； 瓶頸節(jié)點(diǎn)； 信息反饋； 數(shù)據(jù)吞吐量； 丟包率； 傳輸延遲

目前高精度傳感器在物體運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，利用傳感器中的測(cè)量單元獲得被測(cè)物體信息，并將所得信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)和控制等要求[1-2].信息傳輸?shù)姆绞街饕譃橛芯€通訊和無線通訊，其中，有線通訊方式利用金屬導(dǎo)線、光纖等有形媒質(zhì)進(jìn)行信息傳遞，會(huì)因物理連接對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生干擾，影響測(cè)量精度；采用無線通訊的方式即可避免該問題.多個(gè)傳感器通過無線通訊的方式組成了無線信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)[3]，為了最大程度提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，滿足不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，選擇合適的通訊協(xié)議就顯得尤為重要[4-7].

在某航天對(duì)接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)項(xiàng)目中，利用主、被動(dòng)端上安裝的高精度傳感器采集對(duì)接試驗(yàn)過程的全部信息，為整個(gè)對(duì)接平臺(tái)的設(shè)計(jì)改良提供依據(jù).為避免因物理連接對(duì)運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生干擾，利用無線通訊的方式完成對(duì)接機(jī)構(gòu)主、被動(dòng)端運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器信號(hào)的傳輸.整個(gè)系統(tǒng)采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而TCP自身存在固有的局限性，很多因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響[8-9].首先環(huán)境中的噪音和干擾會(huì)影響無線信號(hào)質(zhì)量，使信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器很難根據(jù)無線帶寬的即時(shí)變化來選擇合適的傳輸速率.其次由于多傳感器信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍有限，傳感器的移動(dòng)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致終端到終端的信號(hào)流斷線與丟包，使TCP擁塞窗口發(fā)生振蕩.在傳感器信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，不穩(wěn)定的拓?fù)涫沟枚酥炼说臄?shù)據(jù)流數(shù)量動(dòng)態(tài)地改變，在無線域中帶寬是由這些活躍流共享的，每個(gè)信號(hào)流應(yīng)該動(dòng)態(tài)地改變它的傳輸速率，然而在實(shí)際中，有線服務(wù)器是很難捕捉這些數(shù)據(jù)流的動(dòng)態(tài)變化的.

為了解決上述問題，考慮到多傳感器信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特點(diǎn)，提出了基于MST的M-TCP方法.該方法能夠提高端到端的數(shù)據(jù)吞吐量，避免多信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)在瓶頸處發(fā)生交通擁堵，保持了不同TCP流之間的公平性.

1 M-TCP方法原理

1.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)初始速率的確定

標(biāo)準(zhǔn)的TCP采用了慢啟動(dòng)機(jī)制，其傳輸過程如圖1所示，然而在實(shí)際的多傳感器信號(hào)傳輸中，由于主、被動(dòng)端的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)變化，傳感器信號(hào)可能在達(dá)到最優(yōu)發(fā)送速率之前就已經(jīng)發(fā)生變化，因此，慢啟動(dòng)機(jī)制并不能在短暫的MST通信時(shí)間內(nèi)快速地探測(cè)有效網(wǎng)絡(luò)帶寬.為了提高端到端的數(shù)據(jù)吞吐量，有線源節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在連接建立后就采用最優(yōu)的發(fā)送速率進(jìn)行信息傳輸，即充分利用可用的無線帶寬，理想傳輸過程如圖2所示.

圖1 慢啟動(dòng)傳輸過程Fig.1 Slow start transmission procedure

圖2 理想的傳輸過程Fig.2 Ideal transmission procedure

為了實(shí)現(xiàn)上述的傳輸速率，源節(jié)點(diǎn)需要選擇一個(gè)合適的發(fā)送窗口建立無線連接，并且發(fā)送窗口所確定的發(fā)送速率不大于整條傳輸鏈路上的可用帶寬.同時(shí)應(yīng)該避免選擇過大的窗口導(dǎo)致發(fā)送端的發(fā)送速度過快引起擁塞，反而使網(wǎng)絡(luò)的性能下降，應(yīng)該滿足以下3個(gè)基本條件式，即

(1)

式中：init_wnd為初始窗口大小；pktLen為報(bào)文段大小；t為單位時(shí)間；BW_avail為瓶頸節(jié)點(diǎn)的可用帶寬.

BW_avail=BW_mst-BW_consu

(2)

式中：BW_mst為無線帶寬；BW_consu為消耗帶寬.

基于M-TCP的初始傳輸速率init_rate需滿足

init_rate≤BW_avail

(3)

M-TCP利用在3次握手時(shí)得到的相關(guān)聯(lián)反饋信息來確定合適的初始傳輸率.當(dāng)BW_mst和BW_consu確定時(shí)，源節(jié)點(diǎn)能夠更精確地確定初始傳輸率.

由于有線網(wǎng)絡(luò)是相對(duì)穩(wěn)定的，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量正好等于瓶頸節(jié)點(diǎn)的可用帶寬，確保了無線信道被充分利用.然而，利用源節(jié)點(diǎn)得到BW_mst和BW_consu是存在困難的，所以在無線連接建立時(shí)，可以通過SYN/ACK來估算無線網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬BW_avail.

首先，TCP源節(jié)點(diǎn)的初始速率應(yīng)滿足式(1)的限定條件，即由初始窗口所確定的發(fā)送速率不大于MST的處理速度，預(yù)防瓶頸鏈路擁塞的發(fā)生.其次，根據(jù)ACK層的數(shù)據(jù)反饋，TCP發(fā)送端應(yīng)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送速率，從而逼近無線網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬.

本文根據(jù)SYN/ACK機(jī)制來估算瓶頸鏈路上的帶寬.IEEE 802.11協(xié)議采用帶RTS/CTS機(jī)制的DCF(distributed coordination function)多路訪問(CSMA/CA)控制機(jī)制，它采用如圖3所示的RTS-CTS-DATA-ACK的4次握手機(jī)制，即發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先發(fā)送一個(gè)RTS幀來預(yù)約信道，接受者發(fā)回一個(gè)CTS幀，之后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和ACK確認(rèn).

圖3 IEEE 802.11 4次握手機(jī)制Fig.3 IEEE 802.11 four-way handshake mechanism

MST可以通過4次握手機(jī)制發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，即經(jīng)過發(fā)送RTS，接收CTS，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收ACK這4個(gè)步驟.設(shè)ts為在周期時(shí)間t中信道繁忙時(shí)成功進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間，則有

ts=N(trts+tcts+tdata+tack+3tsifs+tdifs)

(4)

式中：N為周期t中成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)；tdata為發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間；tsifs為SIFS間隔時(shí)間；tdifs為間隔時(shí)間；trts、tcts、tack為發(fā)送RTS、CTS和ACK的時(shí)間.

設(shè)在信道繁忙時(shí)第i個(gè)失敗的RTS傳輸時(shí)間為

(5)

同理，設(shè)第i個(gè)失敗的CTS傳輸時(shí)間為

(6)

設(shè)第i個(gè)失敗的DATA傳輸時(shí)消耗通道時(shí)間為

tdata(i)=trts+tcts+tdata+2tsifs+tdifs

(7)

設(shè)第i個(gè)失敗的ACK傳輸時(shí)消耗通道時(shí)間為

(8)

設(shè)tf為在時(shí)間周期t中信號(hào)傳輸失敗的總時(shí)間，則

(9)

式中：I、J、K、M分別為在信號(hào)傳輸中RTS、CTS、DATA和ACK傳輸失敗的次數(shù).

每個(gè)MST傳輸之前，MST進(jìn)行退避過程，總發(fā)送次數(shù)為S=N+I+J+K+M，則總時(shí)間為

(10)

在周期t中，信道占用繁忙時(shí)長(zhǎng)為tb，因此MST的帶寬可以表示為

BW_mst=N·pktLen/(ts+tf+tb+tn)

(11)

消耗帶寬為

BW_consu=N·pktLen/t

(12)

根據(jù)式(11)和(12)可以在MAC層估算可用帶寬BW_avail，將BW_avail插入至傳輸層ACK中并返回源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)通過獲得反饋信息確定適當(dāng)?shù)某跏紓鬏斔俾?

1.2 信號(hào)傳輸中TCP速率調(diào)整

MST將信息反饋至TCP發(fā)送端后，應(yīng)該考慮TCP的速率調(diào)整機(jī)制，速率調(diào)整機(jī)制旨在充分利用動(dòng)態(tài)無線信道資源.當(dāng)一個(gè)端到端的傳感器信號(hào)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，釋放出的帶寬應(yīng)該分配給其他TCP信號(hào)流.另外，無線信道的容量隨時(shí)間不斷變化，比如信道條件、噪聲和干擾都會(huì)影響MAC層的吞吐量，TCP源節(jié)點(diǎn)此時(shí)應(yīng)該放慢其傳輸速率，以避免在瓶頸節(jié)點(diǎn)處形成交通擁堵；否則，TCP源節(jié)點(diǎn)就該增加其傳輸速率，提高信道資源的利用率.

TCP源節(jié)點(diǎn)應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對(duì)傳輸速率進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)應(yīng)該注意TCP數(shù)據(jù)流間的公平性和帶寬利用率.本文提出利用反饋機(jī)制將MST中的狀態(tài)信息告知TCP發(fā)送方的方法.MST需要確定活動(dòng)的TCP流數(shù)目、無線鏈路可用帶寬和消耗帶寬.

1) TCP流數(shù)目的確定.設(shè)一個(gè)TCP連接數(shù)目的變量為flowCount，引起flowCount變化有兩種情況：新的連接已經(jīng)建立和當(dāng)前連接已經(jīng)斷開.按照如下的方式來維護(hù)：

① 建立新的連接.當(dāng)傳感器信號(hào)進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍并發(fā)起TCP連接時(shí)，MST收到一個(gè)連接建立請(qǐng)求報(bào)文并收到ACK(即連接已經(jīng)建立)后將flowCount加1.

② 連接的斷開.由通信雙方的一方發(fā)起的釋放連接，TCP采用4次握手的方式來釋放掉建立的全雙工連接，當(dāng)MST收到通信一方斷開連接的請(qǐng)求并且連接正常釋放后，將flowCount減1.

③ 由于傳感器信號(hào)超出無線服務(wù)范圍而引起的鏈路斷開，則根據(jù)重傳的次數(shù)來判斷網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài).當(dāng)經(jīng)過4次重傳后依然收不到回答，則認(rèn)為鏈接已經(jīng)斷開，并立即發(fā)送終端信號(hào)給TCP發(fā)送端，然后將flowCount減1.

2) 無線鏈路可用帶寬的確定.根據(jù)式(11)和(12)可得BW_mst=BW_consu.

3) 消耗帶寬的確定.在MST瓶頸節(jié)點(diǎn)處，TCP流消耗帶寬與其他UDP流分享帶寬，TCP流的消耗帶寬記為BW_tcp=ntcp·pktLen/t，其中，ntcp為在MST中的TCP數(shù)據(jù)包數(shù)量.

當(dāng)超出無線服務(wù)范圍或者端到端數(shù)據(jù)流完成傳送時(shí)，TCP源節(jié)點(diǎn)通過所獲得信息可以有效地做出速率調(diào)整.此外，動(dòng)態(tài)通信環(huán)境也可能導(dǎo)致帶寬變化，例如，低的錯(cuò)包率或更少的分組碰撞可能會(huì)增加鏈路吞吐量，形成空緩沖區(qū)，因此，必須對(duì)運(yùn)輸層速率進(jìn)行調(diào)整，以充分利用無線信道資源.在這種情況下，分配速率可表示為

rtcp=(BW_avail+BW_tcp)/flowCount

(13)

通過上述速率調(diào)整機(jī)制，M-TCP方法縮短了TCP慢啟動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間，并且成功減少了在瓶頸節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)擁堵的可能性.

2 仿真結(jié)果

本文利用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件NS2對(duì)M-TCP方法進(jìn)行驗(yàn)證.仿真環(huán)境如圖4所示，主控計(jì)算機(jī)與仿真計(jì)算機(jī)通過有線方式與無線路由連接，主動(dòng)端測(cè)量傳感器與被動(dòng)端測(cè)量傳感器利用無線節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行無線通訊，其中有線節(jié)點(diǎn)間的鏈路帶寬為100 Mb，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)1 ms，無線鏈路采用IEEE 802.11協(xié)議，即無線鏈路帶寬為11 Mb.

圖4 仿真環(huán)境Fig.4 Simulation environment

設(shè)主、被動(dòng)端測(cè)量傳感器在不同的時(shí)間接入無線網(wǎng)絡(luò)并在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生20條FTP數(shù)據(jù)流，每條數(shù)據(jù)流的持續(xù)時(shí)間為20 s.詳細(xì)的數(shù)據(jù)流安排如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)流啟動(dòng)與停止時(shí)間Tab.1 Start-up and stop time of data flow s

為了增強(qiáng)對(duì)比度，本文分別采用另外兩種不同的傳輸控制協(xié)議(TCP Reno和TCP Westwood)在相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流設(shè)定下進(jìn)行模擬仿真.

2.1 吞吐量

端到端的數(shù)據(jù)吞吐量是反映連接性能的重要指標(biāo).隨機(jī)從20條TCP流中選擇10條，并計(jì)算每條的平均吞吐量，三種算法抽取數(shù)據(jù)與總數(shù)據(jù)吞吐量對(duì)比如圖5、6所示.

圖5 抽取數(shù)據(jù)流的平均吞吐量Fig.5 Average throughput of selected data flow

圖6 總數(shù)據(jù)流的平均吞吐量Fig.6 Average throughput of total data flow

由圖5、6可知，M-TCP的吞吐量大于TCP Westwood和TCP Reno.相比之下，M-TCP較為充分地利用了無線帶寬，并且不用通過增加擁塞窗口來探測(cè)可用帶寬.當(dāng)可用帶寬增加時(shí)，M-TCP可以迅速進(jìn)行速率調(diào)整，提高了信道資源的利用率.

2.2 丟包率

三種算法丟包率對(duì)比如圖7所示，可以看出TCP Reno和TCP Westwood數(shù)據(jù)的丟包率在0.02～0.03之間，而M-TCP數(shù)據(jù)流的丟包率在0.01～0.02之間，說明M-TCP的丟包率明顯低于TCP Reno和TCP Westwood.這主要?dú)w因于TCP Reno與TCP Westwood所采用的擁塞控制機(jī)制，在不考慮鏈路差錯(cuò)的情況下，這兩種協(xié)議都是通過丟包率來判斷網(wǎng)路的擁塞，而M-TCP可以根據(jù)MST狀態(tài)反饋的速率及時(shí)調(diào)整發(fā)送速率，最終提高了TCP效率.

2.3 傳輸延時(shí)

三種算法抽取數(shù)據(jù)流與總數(shù)據(jù)流傳輸延遲時(shí)間如圖8、9所示.對(duì)端到端的傳輸延時(shí)影響較大的是MST中數(shù)據(jù)包的排隊(duì)時(shí)間和無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時(shí)間.采用M-TCP時(shí)各數(shù)據(jù)流間的傳輸延遲變化比較平緩，M-TCP在處理網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化時(shí)表現(xiàn)良好，當(dāng)有連接斷開或者有新的連接建立時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)在瓶頸節(jié)點(diǎn)處的緩存使用時(shí)發(fā)生劇烈振蕩.

圖7 總數(shù)據(jù)流的丟包率Fig.7 Packet loss rate of total data flow

圖8 抽取數(shù)據(jù)流傳輸延遲Fig.8 Transmission delay of selected data flow

圖9 總數(shù)據(jù)流平均傳輸延遲Fig.9 Average transmission delay of total data flow

3 結(jié) 論

本文提出一種基于多傳感器信號(hào)傳輸?shù)腡CP增強(qiáng)方法.M-TCP方法根據(jù)瓶頸節(jié)點(diǎn)的信息反饋快速選擇一個(gè)合適的傳輸速率進(jìn)行信息傳輸.同時(shí)，為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的帶寬，該方法通過跟蹤帶寬的變化，靈活地分配源節(jié)點(diǎn)速率，避免了多傳感器信號(hào)在傳輸網(wǎng)絡(luò)瓶頸節(jié)點(diǎn)處發(fā)生擁堵和數(shù)據(jù)振蕩.仿真結(jié)果表明，M-TCP在數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率和傳輸延遲等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，很好地提升了網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

TCP enhancement method based on multi-sensor signal transmission network

HA Le, FANG Li-jin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to solve such problems as high packet loss rate, unstable bandwidth, dynamic topology and network performance degradation caused by the congestion due to simultaneous multi-signal transmission in the end-to end TCP protocol in the multi-sensor signal transmission (MST) process, a transmission control protocol M-TCP was proposed based on MST. A novel flow control mechanism based on the information feedback of bottleneck node was adopted in the M-TCP, and the slow start phase to detect network bandwidth was cancelled. After the connection was established, an ideal transmission rate was adopted for the data transmission, which could successfully avoid the transmission oscillation. The results show that the M-TCP has great advantages in such aspects as data throughput, packet loss rate and transmission delay, and can well enhance the transmission performance of transmission network.

multi-sensor signal; transmission network; flow control; bottleneck node; information feedback; data throughput; packet loss rate; transmission delay

2016-03-03.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB733100)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(140405004).

哈 樂(1986-)，男，遼寧沈陽人，博士生，主要從事智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)及機(jī)器人智能控制等方面的研究.

16∶08在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.15

TP 393

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1000-1646(2017)01-0078-05