一種基于Ad hoc網(wǎng)絡的TCP性能改進方法

摘要:分析了Ad hoc網(wǎng)絡的多跳性對其TCP性能的影響，提出了一種改進的超時重傳機制。NS2仿真實驗結(jié)果表明提出的方案能有效地改善Ad hoc網(wǎng)絡的TCP性能。

關(guān)鍵詞:Ad hoc網(wǎng)絡; TCP性能; 傳輸時延

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-5967-02

An Improvement Scheme of TCP Performance base on Ad hoc Network

DAI Wei

(Department of Computer Information Science， Neijiang Normal University， Neijiang 641000， China)

Abstract: Analyze the impact of multi-hops to capability of TCP in Ad hoc network， introduce a modified retransmission mechanism about TCP， simulation results show that the proposed scheme can improve the TCP performance efficiently.

Key words: Ad hoc network; TCP performance; propagation delay time

移動Ad hoc網(wǎng)絡(MANET)是一種具有高度動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點任意移動的分布式控制自組織網(wǎng)絡，它的各個節(jié)點具備報文轉(zhuǎn)發(fā)能力，通過分層協(xié)議和分布式算法實現(xiàn)網(wǎng)絡的自組織和運行。

Ad hoc網(wǎng)絡具有多跳的特性，多跳連接競爭共享的無線信道會引起丟包。標準TCP協(xié)議會把此種情況當作擁塞進行處理，啟動不必要的擁塞控制機制，使TCP性能受到嚴重影響[1]。

1 多跳特性對TCP性能的影響

1.1 傳輸時延問題

在網(wǎng)絡中，設(shè)從TCP源節(jié)點到目標節(jié)點之間的跳數(shù)為h，數(shù)據(jù)鏈路層實際數(shù)據(jù)傳輸速率為Vlink，MAC協(xié)議的CTS，RTS，ACK消息長度分別為Lcts，Lrts，Lack，TCP數(shù)據(jù)報文和應答報文長度分別為LTCP，LACK，TCP數(shù)據(jù)報文和應答報文每跳的等效傳輸速率分別為:

(1)

(2)

TCP數(shù)據(jù)報文和應答報文每跳傳輸時延分別為:

(3)

(4)

TCP數(shù)據(jù)報文和應答報文的端到端時延為:

(5)

(6)

當Vlink、Lcts、Lrts、Lack、Ltcp、Lack給定以后，則每跳時延為一常數(shù)，所以端到端時延將隨節(jié)點數(shù)h的增大而線性增加，因此在單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量會線性減少，即TCP吞吐容量減少。

1.2 擴展的隱藏節(jié)點與暴露節(jié)點問題

在無線網(wǎng)絡中，MAC協(xié)議主要解決當信道使用產(chǎn)生競爭時分配信道使用權(quán)的問題。目前，IEEE802.11DCF已被廣泛地接受為Ad hoc網(wǎng)絡的MAC層協(xié)議，但它本身是針對單跳無線網(wǎng)絡設(shè)計的，當應用于Ad hoc網(wǎng)絡時存在著很多不適應，因為Ad hoc網(wǎng)絡是多跳共享競爭的無線信道，存在著隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點問題，引發(fā)TCP吞吐容量減小[2]。

1) 擴展的隱藏節(jié)點問題。為有效解決隱藏節(jié)點問題，802.11DCF協(xié)議采用RTS/CTS機制，而且效果良好。但RTS/CTS機制不能解決擴展的隱藏節(jié)點問題。如圖1所示，網(wǎng)絡中有4個節(jié)點，分別是節(jié)點1、2、3、4，如果節(jié)點1發(fā)送給節(jié)點4的數(shù)據(jù)正經(jīng)過節(jié)點2，通過RTS/CTS機制，節(jié)點3之前會收到節(jié)點2的CTS，而節(jié)點4收不到節(jié)點2的CTS。若節(jié)點4要發(fā)送ACK給節(jié)點3，節(jié)點4便先會發(fā)送RTS給節(jié)點3請求建立連接，而節(jié)點3之前收到了節(jié)點2的CTS，知道信道非空閑，在該次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，不會發(fā)送CTS給節(jié)點4，此時節(jié)點4就是一個擴展的隱藏節(jié)點。

2) 暴露節(jié)點問題[5]。圖1中，在節(jié)點3轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給節(jié)點4之前，會先發(fā)送一個RTS給節(jié)點4，收到節(jié)點4返回的CTS后， 節(jié)點3便向節(jié)點4發(fā)送數(shù)據(jù)。如果節(jié)點2需要轉(zhuǎn)發(fā)ACK給節(jié)點1，由于它偵聽到了節(jié)點3的發(fā)送，知道信道繁忙，便會推遲向節(jié)點1發(fā)送ACK，實際上節(jié)點2向節(jié)點1的發(fā)送不會影響節(jié)點3向節(jié)點4的數(shù)據(jù)傳輸，此時節(jié)點2就是暴露節(jié)點。同樣，節(jié)點2的發(fā)送不成功，便會采用BEB算法退避一段時間后再次嘗試接入信道。

為驗證上述理論分析結(jié)果，采用NS2網(wǎng)絡仿真軟件進行模擬仿真。仿真中MAC層協(xié)議為802.11DCF，路由協(xié)議為AODV，仿真時間為120s。從仿真結(jié)果(圖2)分析，在跳數(shù)較少(如1、2)的情況下，不存在隱藏節(jié)點、暴露節(jié)點問題，分組無需競爭無線信道，在跳數(shù)較多(如3、4)時，出現(xiàn)擴展的隱藏節(jié)點與暴露節(jié)點，會出現(xiàn)因目的端ACK無法接入信道而發(fā)生假的路由中斷，開始出現(xiàn)丟包，而且出現(xiàn)擴展的隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點越多，信道的競爭越嚴重，丟包率越大。當跳數(shù)大于一定閥值(如5)時，TCP源端與接收端相距較遠，分組可以在多跳鏈路上同時傳輸，丟包與穩(wěn)定性的情況有所改善。

2 改進的超時重傳機制

由于網(wǎng)絡中的跳數(shù)增加不但會引起節(jié)點間的傳輸時延增加，而且一定程度上也會引起丟包率的明顯增加，引發(fā)不需要的擁塞控制機制，而且大量的數(shù)據(jù)包需要重傳，實質(zhì)上也降低了TCP的吞吐容量。基于有線網(wǎng)絡的超時重傳機制不太適合具有多跳特性的Ad hoc網(wǎng)絡。因此我們提出一個改進的超時重傳機制:后退多幀重傳。由于無線鏈路的傳輸質(zhì)量具有時間相關(guān)性，當一個數(shù)據(jù)包發(fā)生超時，其后的多個數(shù)據(jù)包也可能會超時，這樣會導致吞吐量的下降。

TCP的發(fā)送端對發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行計時，當某個數(shù)據(jù)包的確認ACK在RTO內(nèi)沒有到達時就啟動重傳機制。

為了研究所提出的改進方案的性能，采用NS2進行模擬仿真。在測試過程中由移動終端連續(xù)發(fā)送2Kbyte的幀給相鄰的路由器。使用一個TCP模擬器通過數(shù)據(jù)包的RTT來判定超時數(shù)據(jù)包的個數(shù)和1Mbyte文件傳輸?shù)耐掏铝俊７抡娼Y(jié)果顯示改變m的值導致RTO的增加和數(shù)據(jù)包超時的次數(shù)減少，TCP的吞吐量得到了改善。如圖3所示，當m值設(shè)為4時，使用后退多幀重傳機制的吞吐量比常規(guī)重傳機制提高了12%。而m值為9時，由于避免了偽超時，這樣使兩者的吞吐量變得非常相近。

3 結(jié)束語

文中分析了Ad hoc網(wǎng)絡的多跳特性對其TCP性能的影響。由于無線信道的競爭機制，一定范圍內(nèi)，通信節(jié)點數(shù)越多，節(jié)點間的傳輸時延越大，而且會引起數(shù)據(jù)掉包率的增加，引發(fā)不必要的擁塞控制，實質(zhì)上降低了TCP吞吐容量，指出在數(shù)據(jù)包時延有一定時間相關(guān)性的網(wǎng)絡環(huán)境中，TCP采用后退多幀重傳機制可以有效解決該問題。

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