延遲容忍網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)差錯控制方法*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

Internet中，傳輸控制協(xié)議(TCP)基于以下4種假設(shè)：源節(jié)點和目的節(jié)點之間經(jīng)過3次握手建立端到端的連接之后才能進行通信；源節(jié)點和目的節(jié)點之間較低的鏈路誤碼率；源節(jié)點和目的節(jié)點之間較低的往返時延(Round-Trip Time，RTT)；源節(jié)點和目的節(jié)點存在對稱的數(shù)據(jù)鏈路。而在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Network，DTN)中，由于不能滿足其中一種或者多種假設(shè)[1-2]，所以TCP不能很好工作在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中，需要設(shè)計新的差錯控制策略。

現(xiàn)有用于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議主要是逐跳的或是端到端的。 文獻[1]提出端到端的傳輸控制協(xié)議，在傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上，通過在應(yīng)用層和傳輸層之間增加一個捆綁層(Bundle Layer)來保證端到端的可靠傳輸。新增的捆綁層對所有應(yīng)用層和傳輸層都是透明的。它負責(zé)將接收到的消息存儲在非易失性存儲介質(zhì)中，對接收到的信息進行安全檢測，然后可靠地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時，捆綁層還用于節(jié)點收到消息后的確認回復(fù)，實現(xiàn)端到端的傳輸控制。

文獻[3]提出逐跳的傳輸控制協(xié)議(Licklider Transmission Protocol，LTP)工作在鏈路層上，對數(shù)據(jù)采取有區(qū)分的傳輸，保證延遲容忍網(wǎng)絡(luò)可靠地逐跳數(shù)據(jù)傳輸。

現(xiàn)有用于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議沒有自適應(yīng)的，同時無線網(wǎng)絡(luò)中媒體訪問控制(MAC)層差錯控制和傳輸層控制是相互透明的[4]，在信道狀況較好的情況下，沒有必要采取雙重差錯控制機制。本文結(jié)合延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的高誤碼特性，提出一種基于MAC層丟包率自適應(yīng)差錯控制方案，該方案能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)時延，在一定程度上滿足了對網(wǎng)絡(luò)時延比較敏感而對網(wǎng)絡(luò)丟包不敏感的業(yè)務(wù)要求。

2 自適應(yīng)差錯控制方案

傳統(tǒng)的IEEE 802.11 DCF機制中間增加了退避重傳策略，MAC層一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失，便重傳該數(shù)據(jù)幀。在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中，通常鏈路的誤碼率很高，信道質(zhì)量較差，需要多次重傳，造成網(wǎng)絡(luò)時延增大。該機制并不適合信道狀況較差且對時延要求比較高的圖像和語音業(yè)務(wù)的要求。

另外一種差錯控制方案是沒有退避重傳策略的MAC層差錯控制方案，MAC層一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失，不再重傳該數(shù)據(jù)幀，直接丟棄。由于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中鏈路誤碼率很高，數(shù)據(jù)幀一旦出現(xiàn)錯誤，便丟棄該數(shù)據(jù)幀，造成網(wǎng)絡(luò)的吞吐量過低，不能很好適應(yīng)圖像和語音等實時性業(yè)務(wù)吞吐量的要求。

傳統(tǒng)的IEEE 802.11 DCF因為有退避重傳策略，能夠保證高吞吐量；MAC層無退避重傳策略，由于沒有退避重傳，能保證較低的端到端時延。本文結(jié)合以上兩種差錯控制策略的優(yōu)點，提出一種自適應(yīng)的差錯控制方案。

本文根據(jù)MAC層的丟包率作出自適應(yīng)的調(diào)整。在MAC層設(shè)定一個丟包率門限值Th。若在MAC層出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失，并且需要重傳時，用當(dāng)前時刻的MAC層丟包率Ploss跟MAC層設(shè)定的丟包率門限值Th比較。當(dāng)Ploss大于該門限值時，表明信道狀況很差，需要采取MAC層重傳機制；當(dāng)Ploss小于該門限值時，表明信道狀況較好，不需要采取MAC層重傳機制。多次實驗分析表明，MAC層丟包率門限值Th為0.09時，網(wǎng)絡(luò)時延性能最好。

圖1 自適應(yīng)差錯控制流程

自適應(yīng)差錯控制方案可以分為競爭信道過程、發(fā)送數(shù)據(jù)過程和重傳判決過程3個階段，具體流程如圖1所示：

(1)發(fā)送主機監(jiān)聽媒體，如果媒體空閑達到DIFS時間，主機立即發(fā)出RTS幀競爭信道，當(dāng)接收主機接收到RTS幀后，向發(fā)送主機回復(fù)CTS幀，當(dāng)發(fā)送主機成功接收到CTS幀后，表明發(fā)送主機已經(jīng)成功競爭到信道。發(fā)送主機和接收主機的鄰居節(jié)點退避；

(2)如果媒體忙，則延遲接入，直到媒體空閑時間達到DIFS以后，發(fā)送主機進入退避過程；

(3)發(fā)送主機根據(jù)退避算法選擇一個退避時間，并設(shè)置退避時間計數(shù)器。在媒體空閑時，退避時間計數(shù)器每隔一個時隙減1；在媒體忙時，退避時間計數(shù)器停止計數(shù)；

(4)在退避時間計數(shù)器減到零后，發(fā)送主機立即發(fā)送RTS幀，重新競爭信道；

(5)發(fā)送主機成功競爭到信道后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。發(fā)數(shù)據(jù)幀計數(shù)器加1，其中發(fā)送數(shù)據(jù)幀計數(shù)器為周期計數(shù)器，設(shè)周期為1 s；

(6)發(fā)送主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到ACK回復(fù)，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗，然后判斷發(fā)送主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀計數(shù)器是否超時，如果超時，則發(fā)送主機發(fā)數(shù)據(jù)幀計數(shù)器置零，周期被重置為1 s，接收ACK周期計數(shù)器置零，周期也被重置為1 s，然后轉(zhuǎn)步驟7；如果沒有超時，則直接轉(zhuǎn)步驟7；

(7)發(fā)送主機根據(jù)式(3)計算丟包率Ploss，根據(jù)式(4)平滑丟包率。如果Ploss大于MAC層丟包率門限值Th，則進入重傳退避過程，回到步驟2；否則，直接丟棄需要重傳的數(shù)據(jù)幀，釋放信道；

(8)如果在規(guī)定的時間內(nèi)收到ACK，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，接收ACK周期計數(shù)器加1。

步驟3中的“根據(jù)退避算法選擇一個退避時間”，這里的退避算法由下面的公式?jīng)Q定：

退避時間=[CW×random( )]×slottime

(1)

式中，CW是退避窗口，random()是(0,1)之間的一個隨機數(shù)，?X」代表小于等于X的最大整數(shù)，slottime是時隙長度。

設(shè)W是退避窗口的初始值，m是退避級數(shù)，m∈[1,mmax],mmax是最大退避級數(shù)，則：

CW=W×2m-1，m∈[1,mmax]

(2)

退避窗口初始值W的默認值是32，m的默認值是6。如果是第一次進入退避過程，退避窗口CW采用的默認值32。如果是重傳退避過程，退避窗口CW采用的值是由公式(2)計算出的新值。CW值的變化序列為32，64，128，256，512，102 4。

MAC層丟包率Ploss定義如下：

(3)

式中，NTransmittedDATA是當(dāng)前節(jié)點MAC層發(fā)送數(shù)據(jù)幀的個數(shù)，NReceivedACK是當(dāng)前節(jié)點MAC層發(fā)送數(shù)據(jù)幀后得到的確認ACK個數(shù)。MAC層丟包率Ploss受信道狀況影響，顯然信道狀況較好時，MAC層丟包率較低，反之，MAC層丟包率較高。

由于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)鏈路變化劇烈，所以丟包率的值變化很大。為了平滑Ploss的值，根據(jù)如下的公式對Ploss平滑[5]：

Ploss=α×Ploss+(1-α)×PPloss

(4)

式中，α是(0,1)之間的任意值，Ploss是當(dāng)前時刻丟包率，PPloss是上一幀發(fā)送時刻丟包率。

3 仿真與分析

對圖2的網(wǎng)絡(luò)情景進行仿真，分析MAC層丟包率和網(wǎng)絡(luò)時延以及吞吐量的關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)負載和網(wǎng)絡(luò)時延以及吞吐量的關(guān)系，其中各個節(jié)點之間鏈路誤碼率是動態(tài)變化的，且誤碼率很高。

圖2 網(wǎng)絡(luò)情景

本文采用NS2仿真平臺[6]，UDP協(xié)議，IEEE 802.11 DCF協(xié)議，節(jié)點2和節(jié)點3之間誤碼模型產(chǎn)生的誤碼率動態(tài)變化。CBR速率也是可變的,包長210 byte；節(jié)點之間的帶寬為1 Mbit/s，平滑丟包率α為0.2，仿真時間50 s。仿真有MAC層退避重傳的IEEE 802.11 DCF機制、在MAC層采取自適應(yīng)重傳機制和在MAC層無重傳機制3種方案的性能。

3.1 MAC層丟包率與網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐量的關(guān)系

圖2網(wǎng)絡(luò)仿真情景中，節(jié)點2和節(jié)點3之間誤碼率是在1×10-2～9×10-2、1×10-3～9×10-3、1×10-4～9×10-4、1×10-5～9×10-5、1×10-6～9×10-65個不同數(shù)量級誤碼率下動態(tài)變化。5個不同數(shù)量級的誤碼率分別對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。CBR速率448 kbit/s得到的網(wǎng)絡(luò)時延結(jié)果取平均值，如圖3所示；得到的網(wǎng)絡(luò)吞吐量取平均值，如圖4所示。

圖3 MAC層不同誤碼率數(shù)量級下的平均網(wǎng)絡(luò)時延

圖4 MAC層不同誤碼率數(shù)量級下的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖3和圖4中，標記為方框的曲線是IEEE 802.11 DCF方案的性能，該方案記為方案1；標記為星號的曲線是自適應(yīng)差錯控制方案的性能，該方案記為方案2；標記為三角號的曲線是無重傳的差錯控制方案的性能，該方案記為方案3。從圖3和圖4可以得出如下結(jié)論：

(1)方案1平均時延最大。當(dāng)誤碼率大于10-4時，方案2時延略大于方案3時延。 當(dāng)誤碼率小于10-4時，方案2時延略小于方案3時延，方案2和方案3平均時延基本相當(dāng)。隨著MAC層誤碼率降低到10-6時，3種方案的平均時延趨于相同；

(2)方案1平均吞吐量最高，方案2的平均吞吐量次之，方案3的平均吞吐量最低。當(dāng)MAC層誤碼率低于10-6數(shù)量級，3種方案的平均吞吐量趨于相同；

(3)方案2和方案3的網(wǎng)絡(luò)時延基本一致，且均遠遠小于方案1的網(wǎng)絡(luò)時延。對于對網(wǎng)絡(luò)時延要求比較敏感、對丟包不太敏感的圖像和語音業(yè)務(wù)，方案1表現(xiàn)較差，方案2和方案3都能在一定程度上滿足這類業(yè)務(wù)的要求。但是方案2的平均吞吐量比方案3大，所以方案2更能適應(yīng)這類業(yè)務(wù)的要求，即自適應(yīng)差錯控制方案更能適應(yīng)這類業(yè)務(wù)的要求。

3.2 網(wǎng)絡(luò)負載與網(wǎng)絡(luò)時延和吞吐量的關(guān)系

仿真圖2的網(wǎng)絡(luò)情景，得到不同網(wǎng)絡(luò)負載下的吞吐量和時延的關(guān)系。節(jié)點2和節(jié)點3之間MAC層誤碼率在1×10-2～9×10-2之間動態(tài)變化。網(wǎng)絡(luò)負載取40 kbit/s的整數(shù)倍，取NS2仿真得到網(wǎng)絡(luò)時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的平均值，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)負載下的平均網(wǎng)絡(luò)時延

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)負載下的平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖5和圖6中，標記為方框的曲線是IEEE 802.11 DCF方案的性能，該方案記為方案1；標記為星號的曲線是自適應(yīng)差錯控制方案的性能，該方案記為方案2；標記為三角號的曲線是無重傳的差錯控制方案的性能，該方案記為方案3。從圖5和圖6可以得出如下結(jié)論：

(1)方案1的平均時延最大，方案2的平均時延次之，方案3的平均時延最低。當(dāng)負載低于300 kbit/s時，3種方案平均時延均低于正常時延，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載高于300 kbit/s時，3種方案平均時延均在正常水平波動；

(2)方案1的平均吞吐量最大，方案2的平均吞吐量次之，方案3的平均吞吐量最低。3種方案在網(wǎng)絡(luò)負載小于100 kbit/s時，吞吐量均小于正常水平，當(dāng)負載大于100 kbit/s時，吞吐量達到正常水平；

(3)方案2隨著負載的變化和節(jié)點之間誤碼率的動態(tài)變化，能夠根據(jù)信道狀況自適應(yīng)地調(diào)整，當(dāng)信道狀況較好時，不需要進行數(shù)據(jù)幀重傳，則它的時延比較靠近方案3的網(wǎng)絡(luò)時延。反之，當(dāng)信道狀況不好時，需要進行數(shù)據(jù)重傳，就增加了數(shù)據(jù)包端到端的時延，則此時網(wǎng)絡(luò)時延靠近方案1。方案2能夠根據(jù)信道的狀況自適應(yīng)地調(diào)整差錯控制策略；

(4)方案1雖然網(wǎng)絡(luò)負載較高，但是它的時延也較高，不適合對時延要求較高的業(yè)務(wù)。雖然方案3時延較低，但是它的平均吞吐量太低，同樣也不符合這類業(yè)務(wù)的要求。方案2在吞吐量和時延上均折衷，能在一定程度上適應(yīng)這類業(yè)務(wù)的要求，改善通信質(zhì)量；

(5)當(dāng)負載增大時，時延和吞吐量并沒有發(fā)生劇烈的變化。由此可以看出，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和時延與負載沒有關(guān)系，而與信道質(zhì)量有關(guān)。

綜上所述，MAC層自適應(yīng)差錯控制方案能夠在一定程度上改善對丟包不敏感、對時延比較敏感的業(yè)務(wù)性能。尤其在信道狀況較差的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，自適應(yīng)差錯控制方案的優(yōu)越性體現(xiàn)得越明顯。

4 結(jié)束語

針對延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的特點，結(jié)合IEEE 802.11 DCF機制和MAC層沒有重傳退避機制的優(yōu)點，本文提出一種基于MAC層丟包率的自適應(yīng)差錯控制方案。在一定程度上改善了對時延敏感的業(yè)務(wù)的性能，減少了中間節(jié)點的開銷，降低了數(shù)據(jù)包的時延，減少了帶寬不必要浪費。

參考文獻：

[1] Fall F. A delay-tolerant network architecture for challenged internets[C]//Proceedings of ACM Special Interest Group of Communication(SIGCOMM).karlsruhe,Germany:[s.n.],2003.

[2] 樊秀梅, 單志廣, 張寶賢,等. 容遲網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電子學(xué)報, 2008, 36(1): 161-170.

FAN Xiu-mei，SHAN Zhi-guang，ZHANG Bao-xian，et al. State-of-the-Art of the Architecture and Techniques for Delay-Tolerant Networks[J]. Acta Electronica Sinica, 2008, 36(1): 161-170. (in Chinese)

[3] FARRELL, STEPHEN. Transmission protocols for challenging networks: LTP and LTP-T [C]// International Workshop In Satellite and Space Communications.France：IEEE,2007：145-149.

[4] 徐昌彪,隆克平.無線網(wǎng)絡(luò)中差錯控制與擁塞控制策略的分析[J].重慶郵電學(xué)院學(xué)報,2001,13(1):30-33.

XU Chang-biao,LONG Ke-ping.Analyses & Considerations about the policies of error controls and congestion controls in wireless networks[J].Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunication,2001,13(1):30-33.(in Chinese)

[5] 溫建偉, 戴瓊海, 金以慧. 無線視頻通信中信道自適應(yīng)差錯控制策略的研究[J]. 控制與決策, 2006, 21(10): 1153-1158.

WEN Jian-wei,DAI Qiong-hai,JIN Yi-hui. On Channel-adaptive Error Control Technique for Wireless Video Communication[J].Control and Decision,2006, 21(10): 1153-1158. (in Chinese)

[6] 于斌, 孫斌, 溫暖,等. NS2與網(wǎng)絡(luò)模擬[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

YU Bin,SUN Bin,WEN Ruan. NS2 and Network Simulation[M].Beijing:People′s Post & Telecomm Press,2007.(in Chinese)