葛衛(wèi)民，趙冬雪，邱勝男，羅詠梅

(天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072)

無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種基于無線通信技術(shù)的特殊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都具有路由的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能．它具有無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，這些特點(diǎn)使 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的丟包原因呈現(xiàn)多樣化．容易出錯的無線信道、MAC層的競爭、節(jié)點(diǎn)移動造成的路由失效、網(wǎng)絡(luò)擁塞等原因均會導(dǎo)致傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)數(shù)據(jù)包丟失[1]．然而，目前廣泛使用的 TCP協(xié)議是針對鏈路傳輸錯誤率低的有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，它不區(qū)分網(wǎng)絡(luò)擁塞、路由失效以及無線鏈路錯誤造成的數(shù)據(jù)包丟失，而是把所有的數(shù)據(jù)包丟失都看成是網(wǎng)絡(luò)擁塞引起的，從而錯誤地啟動擁塞控制機(jī)制，造成擁塞窗口的減小和不必要的重傳，導(dǎo)致吞吐率下降[2]．因此，TCP協(xié)議不能很好地適應(yīng)無線移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)．

目前，針對無線Ad hoc中TCP性能問題的改進(jìn)方案主要可分為單層方案和跨層方案兩類．無論哪一種方案，依據(jù)可用帶寬信息調(diào)節(jié) TCP在源端的發(fā)送速率都是改進(jìn) TCP性能的一種有效方法．CRP[3]、TCP-Westwood[4]、TCP-Door[5]等單層改進(jìn)方案是基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，對 TCP/IP協(xié)議棧中的MAC層、網(wǎng)絡(luò)層或傳輸層中的一層進(jìn)行修改以提高TCP協(xié)議的性能．TCP-Door[5](TCP detect of outof-order and response)把包是否有序作為區(qū)分擁塞丟包和移動丟包的依據(jù)并以此來調(diào)整 TCP源端的行為．TCP-Westwood[4]在傳輸層對當(dāng)前的可用帶寬進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)可用帶寬調(diào)整擁塞窗口和慢啟動閾值．CRP[3](congestion adaptive routing protocol)在網(wǎng)絡(luò)層主動防止擁塞事件的發(fā)生，而不是等到傳輸層擁塞控制機(jī)制檢測到擁塞發(fā)生再被動地進(jìn)行處理．但是，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在MAC層和物理層上，在優(yōu)化Ad hoc網(wǎng)絡(luò)下TCP的性能時(shí)，如果跨過這些底層的信息，很難得到較好的優(yōu)化方案．由于無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自身的特點(diǎn)增強(qiáng)了協(xié)議層之間的相關(guān)性，近年來，通過跨層交互來改進(jìn) TCP性能成了研究的趨勢，TCP-Feedback[6]、C3TCP[7]、CHCC[8]等跨層方案都得到了較好的效果．TCP-Feedback[6]是一種基于網(wǎng)絡(luò)層反饋信息的跨層機(jī)制，這種方案通過傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層的交互，了解網(wǎng)絡(luò)層的路由狀態(tài)，利用網(wǎng)絡(luò)層的反饋信息調(diào)整 TCP的傳輸狀態(tài)．C3TCP[7](cross-layer congestion control for TCP)也是利用下層反饋信息的跨層方案．此方案的主要思想是在MAC層對當(dāng)前傳輸路徑的可用帶寬進(jìn)行估計(jì)，包括帶寬和延遲信息，進(jìn)而調(diào)整TCP的發(fā)送速率．這種方案更適合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)．但是，它忽略了 MAC層重傳所需的時(shí)間，因此，在帶寬和延遲估計(jì)上不是很準(zhǔn)確，會使估計(jì)值過高，使得TCP的性能不夠穩(wěn)定．

筆者提出了一種提高無線 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下TCP協(xié)議性能的改進(jìn)方案，即無線 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)基于MAC層帶寬延遲估計(jì)的 TCP擁塞控制方法(BDETCP：TCP congestion control using bandwidth and delay estimation under wireless Ad hoc network)．該方法借鑒了C3TCP的帶寬估計(jì)方法，即在MAC層逐跳估計(jì)可用帶寬和延遲進(jìn)而得到端到端可用帶寬和延遲的方法．但是在兩方面進(jìn)行了改進(jìn)：①在計(jì)算單跳延遲時(shí)，提出的方法包含了 MAC層協(xié)議重傳機(jī)制所引入的延遲，而 C3TCP在計(jì)算單跳延遲時(shí)沒有計(jì)算這部分延遲，因此，本方案的估計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確；②在擁塞控制策略上進(jìn)行了改進(jìn)，C3TCP只在發(fā)生丟包時(shí)，利用估計(jì)到的帶寬延遲信息調(diào)整擁塞窗口和閾值，而本文的方案在此基礎(chǔ)上還增加了一種在沒有丟包的情況下動態(tài)調(diào)整擁塞窗口和閾值的方法，增強(qiáng)了TCP對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化的適應(yīng)性，從而有效提高了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能．

1 BDE-TCP中MAC層帶寬延遲估計(jì)方法

BDE-TCP主要涉及到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的MAC 層和傳輸層，其主要思想是在MAC 層對當(dāng)前的可用帶寬進(jìn)行估計(jì)，通過跨層交互機(jī)制將得到的帶寬和延遲信息反饋給傳輸層，傳輸層源端根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整其發(fā)送速率．該方案有 3個組成部分：①M(fèi)AC層帶寬延遲估計(jì)；②跨層信息交互機(jī)制；③改進(jìn)的 TCP擁塞控制方法．其中，MAC層帶寬延遲估計(jì)是整個方案的基礎(chǔ)和核心．

在 MAC層對帶寬延遲進(jìn)行估計(jì)的目的是要得到端到端傳輸路徑上的可用帶寬和數(shù)據(jù)包的往返延遲，進(jìn)而計(jì)算出傳輸路徑的帶寬延遲積，作為 TCP發(fā)送端調(diào)整發(fā)送速率的依據(jù)．根據(jù)文獻(xiàn)[8]提出了一種估計(jì)端到端可用帶寬的方法，即逐跳估計(jì)可用帶寬，然后將帶寬最小的那一跳的帶寬作為路徑的可用帶寬，每跳延遲之和作為路徑上包的傳輸延遲．顯然，該方法的關(guān)鍵是如何估計(jì)每跳的帶寬和延遲．

目前，IEEE 802.11 MAC協(xié)議是無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)鏈路層使用的主流協(xié)議，本文中的方法是針對該協(xié)議的DCF工作模式而提出的．

1.1 單跳帶寬和延遲的計(jì)算

假設(shè)在 MAC層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長度是Packet_len，單跳傳輸這個數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間是 T，那么就可以計(jì)算出單跳的可用帶寬BWE，即

考慮節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的競爭，以及節(jié)點(diǎn)內(nèi)部流與流之間的競爭，可知單跳延遲應(yīng)該包括排隊(duì)延遲 Tq，獲得媒體接入所需的時(shí)間 Tc，以及傳輸延遲 Tr．所以總的單跳延遲時(shí)間為

傳輸延遲Tr的計(jì)算為

式(3)中的SIFS和DIFS分別表示優(yōu)先級幀間隔和分散幀間隔．式(4)和式(5)中的PLCP是物理層對數(shù)據(jù)包的封裝；MAC是鏈路層對數(shù)據(jù)包的封裝；Basic_rate為 PLCP頭部的發(fā)送速率；Data_rate為普通數(shù)據(jù)域的發(fā)送速率．

式(2)中的Tc是從MAC層隊(duì)列取出并開始處理該數(shù)據(jù)包時(shí)開始，一直到 RTS/CTS完成接入控制的時(shí)間．考慮MAC層的多次重傳，MAC層需要定義一個計(jì)時(shí)器，分兩部分計(jì)算 Tc的時(shí)間：①數(shù)據(jù)包從隊(duì)列中取出到獲得信道使用權(quán)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)的這段時(shí)間；②數(shù)據(jù)發(fā)送后，計(jì)時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)，一直到成功接收該數(shù)據(jù)包的 MAC層 ACK確認(rèn)時(shí)，從該計(jì)時(shí)器中取出的時(shí)間．如果傳輸該數(shù)據(jù)包共進(jìn)行了 n次信道競爭，那么第②部分時(shí)間就是n-1次重傳競爭信道需要的時(shí)間．每一次將數(shù)據(jù)發(fā)送到媒介上之前，都需取出該計(jì)時(shí)器的值，將其累加到信道競爭時(shí)間 Tc上，一直到收到MAC層ACK確認(rèn)或超過重傳次數(shù)限制為止．這樣就解決了數(shù)據(jù)包重傳帶來的帶寬和延遲估計(jì)不準(zhǔn)確的問題．

1.2 路徑可用帶寬和延遲的計(jì)算

有了單跳帶寬和延遲的計(jì)算方法后，就可以估計(jì)整個傳輸路徑的帶寬和延遲．在正向傳送的過程中，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)計(jì)算本節(jié)點(diǎn)處單跳的帶寬和延遲，之后將延遲累加并存入到包頭，將新估計(jì)的帶寬與包頭中原有的帶寬兩者的較小值重新存入包頭中．在接收端，將正向傳輸過程中估計(jì)的帶寬和延遲存入TCP的ACK頭部，由ACK帶回到發(fā)送端．同樣，在反向傳輸時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)該 ACK的節(jié)點(diǎn)將修改包含 ACK包的數(shù)據(jù)幀中的延遲信息．

TCP的 ACK回到發(fā)送端時(shí)會攜帶正向傳輸?shù)膸捬舆t和反向傳輸?shù)难舆t信息，利用這些信息可以計(jì)算出帶寬延遲積 BDP，BDP能夠反映出網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前所能提供的最大容量，即路徑帶寬大小，同時(shí)對于發(fā)送端來說，其值就是最佳窗口大小的比特?cái)?shù)[9]．

2 BDE-TCP的實(shí)現(xiàn)

2.1 BDE-TCP的總體結(jié)構(gòu)

BDE-TCP的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示．它包括 3個組成部分：對IEEE 802.11,MAC層協(xié)議的擴(kuò)展，完成MAC層單跳的帶寬延遲估計(jì)；設(shè)計(jì)跨層交互機(jī)制，輔助MAC層完成帶寬延遲估計(jì)，提供TCP與MAC層間信息的交互；對 TCP擁塞控制方法進(jìn)行調(diào)整，使TCP能夠適應(yīng)無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提高TCP的性能．

圖1中：帶有“a”的是跨層交互機(jī)制內(nèi)的交互；帶有“b”的是跨層交互機(jī)制與外部的交互．1為MAC層估計(jì)的單跳帶寬延遲信息；2為從 MAC頭部讀出的原帶寬延遲信息；3為向MAC頭部寫入的新帶寬延遲信息；4為向TCP的ACK數(shù)據(jù)包中寫入的帶寬延遲信息；5為調(diào)整 TCP擁塞控制的信息；6為丟包事件．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of system

2.2 相關(guān)協(xié)議的擴(kuò)展

實(shí)現(xiàn) MAC層的帶寬延遲估計(jì)，需要對MAC層協(xié)議和TCP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展．

為了使數(shù)據(jù)包能夠攜帶帶寬延遲信息，需要在MAC層頭部擴(kuò)展出兩個位，如圖2所示．

圖2 擴(kuò)展后的MAC層頭部Fig.2 Expanded head of MAC frame

圖2 中：BWE 為 unsigned short int，占 16 bits；delay 為 unsigned short int，占 16 bits；其中，帶寬信息BDE的單位為kb/s，延遲的單位為μs．返回到接收端后，計(jì)算帶寬延遲積時(shí)再將單位轉(zhuǎn)換回bit/s．

同時(shí)，為了完成帶寬延遲估計(jì)，數(shù)據(jù)包到達(dá)接收端后，對正向的帶寬和延遲信息需要由 TCP的 ACK包帶回給發(fā)送端．因此，需要利用TCP的數(shù)據(jù)包頭部的選項(xiàng)字段儲存正向的帶寬延遲信息，如圖3所示．

圖3 擴(kuò)展后的TCP頭部Fig.3 Expanded head of TCP segment

2.3 跨層機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

跨層交互機(jī)制參考了文獻(xiàn)[10]中提出的 ECLAIR體系結(jié)構(gòu)，將跨層部分與現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議層分離，使跨層交互變得更加簡單，并且更有效率．

跨層模塊只涉及到TCP層與MAC層之間信息的共享，其主要任務(wù)是完成信息處理和交互的功能．

(1)在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)(包括接收端)處，MAC層在收到數(shù)據(jù)包時(shí)，先交給跨層模塊，跨層模塊取出帶寬和延遲信息并存儲，同時(shí)記錄此項(xiàng)信息對應(yīng)的MAC幀．MAC層得到數(shù)據(jù)包并對當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行帶寬延遲估計(jì)后，請求跨層模塊取出該數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)攜帶的帶寬和延遲信息，之后繼續(xù)做其他處理．

(2)在接收端，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包頭部的帶寬和延遲信息取出，交給跨層模塊，當(dāng) TCP層對該數(shù)據(jù)包發(fā)出ACK時(shí)，跨層模塊將正向的帶寬和延遲信息存入TCP的ACK包頭部．

(3)在發(fā)送端，跨層模塊從TCP層的ACK頭部取出正向帶寬和延遲信息，從 MAC頭部取出反向延遲信息，計(jì)算帶寬延遲積，定時(shí)向TCP層發(fā)出控制信息．

(4)在發(fā)送端檢測出丟包事件時(shí)，跨層模塊設(shè)置擁塞窗口和慢起動閾值．

2.4 帶寬延遲估計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn) MAC層的帶寬延遲估計(jì)，并將其傳回到 TCP發(fā)送端，以實(shí)現(xiàn)對TCP發(fā)送端發(fā)送速率的控制，在 TCP發(fā)送端、中間節(jié)點(diǎn)和 TCP接收段都需要對估計(jì)的帶寬延遲信息進(jìn)行處理．

1)中間節(jié)點(diǎn)對 MAC層估計(jì)的帶寬延遲信息的處理

中間節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后，會請求跨層模塊進(jìn)行處理．跨層模塊從MAC幀頭部取出帶寬和延遲信息，再從IP包和TCP數(shù)據(jù)包的頭部取出源IP地址、目的 IP地址、源端口號、目的端口號以及包的序列號，將這些信息存入新創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)，在節(jié)點(diǎn)中記錄本節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建時(shí)間．最后將該節(jié)點(diǎn)插入到鏈表的尾部．

當(dāng)節(jié)點(diǎn)競爭到信道后，準(zhǔn)備要發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，會請求跨層模塊來獲得對應(yīng)的舊的帶寬延遲信息．此時(shí)，跨層模塊用該數(shù)據(jù)包中的源 IP地址、目的 IP地址、源端口號、目的端口號以及包的序列號等信息作為關(guān)鍵字在鏈表中查找，返回查找到的指向該節(jié)點(diǎn)的指針，在 MAC層更新完帶寬延遲信息后，會將該節(jié)點(diǎn)刪除．

遇到重傳的情況時(shí)，由于 IEEE 802.11,MAC協(xié)議采用了自動重傳機(jī)制，在 MAC層沒有收到發(fā)送幀的ACK確認(rèn)幀時(shí)不會將數(shù)據(jù)包從隊(duì)列中刪除，因此，需重傳的數(shù)據(jù)包中已存在帶寬和延遲信息，只需要根據(jù)重傳情況更新[11]．

圖4給出了MAC層帶寬延遲估計(jì)流程圖．

圖4 帶寬延遲估計(jì)流程Fig.4 Flow chart estimation of bandwidth delay

2)TCP接收端對 MAC層估計(jì)的帶寬延遲信息的處理

當(dāng) TCP接收端在 MAC層收到數(shù)據(jù)包時(shí)，將MAC幀頭部的帶寬和延遲信息取出，交給跨層模塊，并存入一個節(jié)點(diǎn)信息包括源 IP地址、目的 IP地址、源端口號、目的端口號、包序列號、帶寬、延遲等信息的鏈表中．當(dāng)TCP接收端對該數(shù)據(jù)包發(fā)出ACK時(shí)，TCP會請求跨層模塊將正向的帶寬和延遲信息存入TCP的 ACK包頭部，實(shí)現(xiàn)將帶寬和延遲信息傳回到TCP 發(fā)送端[12]．

3)TCP發(fā)送端對TCP的ACK包帶回的帶寬延遲信息的處理

當(dāng) TCP發(fā)送端的 MAC層收到含有 TCP的ACK包的數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先由跨層模塊從MAC層數(shù)據(jù)幀頭部和TCP的ACK包頭部取出帶寬延遲信息，并計(jì)算本跳的延遲delay和帶寬bandwidth，之后計(jì)算帶寬延遲積new_bdp，計(jì)算過程為

其中：th是TCP數(shù)據(jù)包的頭部；mh是MAC幀頭部．

得到新的帶寬延遲信息后，用新得到的帶寬延遲積new_bdp平滑舊的帶寬延遲積bdp

其中 delta是帶寬延遲積的平滑系數(shù)，在這里取值為0.8．

2.5 對擁塞窗口和慢啟動閾值的調(diào)整

調(diào)整 TCP窗口和閾值的方法主要有兩種：動態(tài)調(diào)整和靜態(tài)調(diào)整．動態(tài)調(diào)整是指，定時(shí)地根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整 TCP的擁塞窗口和慢啟動閾值；靜態(tài)調(diào)整是指，當(dāng)檢測到丟包事件才會調(diào)整 TCP的擁塞窗口和慢啟動閾值[13]．把這兩種方法相結(jié)合，調(diào)整后TCP的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示．

圖5 調(diào)整后的TCP狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意Fig.5 TCP state transition diagram after adjusted

1)靜態(tài)調(diào)整算法

當(dāng) TCP發(fā)生丟包時(shí)，TCP請求跨層模塊處理丟包事件，此時(shí)，跨層模塊設(shè)置窗口和閾值的策略與TCP當(dāng)前所處的狀態(tài)無關(guān)，而與 TCP檢測到丟包事件的方法有關(guān)．

如果是超時(shí)檢測出的丟包事件，不能準(zhǔn)確地區(qū)分丟包原因，因此把超時(shí)的情況都看成是網(wǎng)絡(luò)擁塞．這時(shí)，通過BDP計(jì)算出相應(yīng)的窗口大小wnd，將慢啟動閾值設(shè)置為 wnd，將窗口設(shè)置為 1，重新開始慢啟動過程．

如果是重復(fù) ACK檢測出的丟包事件，則說明已經(jīng)有數(shù)據(jù)包離開了網(wǎng)絡(luò)，并且不再占用網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源．因此，將慢啟動閾值設(shè)置為 wnd，將窗口設(shè)置為當(dāng)前窗口與 wnd中的較小值，并根據(jù)當(dāng)前擁塞窗口和慢啟動閾值的關(guān)系來確定TCP狀態(tài)．

偽代碼表示的靜態(tài)調(diào)整算法為

wnd_＝BDP/segment_size；//將帶寬延遲積轉(zhuǎn)化成理想發(fā)送窗口大小

2)動態(tài)調(diào)整算法

擁塞窗口和慢啟動閾值的動態(tài)調(diào)整由跨層模塊的定時(shí)器觸發(fā)．定時(shí)器超時(shí)后，通過 BDP計(jì)算出相應(yīng)的窗口大小 wnd，然后用 wnd調(diào)整擁塞窗口和慢啟動閾值．

若當(dāng)前 TCP處于慢啟動狀態(tài)，此時(shí)擁塞窗口cwnd比慢啟動閾值 ssthread?。绻?cwnd比 wnd小，說明傳輸路徑上還可以容納更多的數(shù)據(jù)包，此時(shí)，對擁塞窗口不做調(diào)整，將慢啟動閾值設(shè)為 wnd．如果cwnd不小于 wnd，則將擁塞窗口和慢啟動閾值降低為 wnd，這樣 TCP就從原來的慢啟動過程進(jìn)入以wnd為閾值的線性增長過程．

若當(dāng)前 TCP處于擁塞避免狀態(tài)，此時(shí)擁塞窗口cwnd比慢啟動閾值 ssthread大．如果 cwnd不大于wnd，這時(shí)慢啟動閾值也一定小于 wnd，則對擁塞窗口不再作任何調(diào)整，只將慢啟動閾值設(shè)置為 wnd．如果 cwnd比 wnd大，將窗口和慢啟動閾值都降低為wnd，相當(dāng)于降低了數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，然后以一個新閾值重新開始線性增長．

偽代碼表示的動態(tài)調(diào)整算法為

wnd_＝BDP/segment_size；//將帶寬延遲積轉(zhuǎn)化成理想發(fā)送窗口大小

if(cwnd_＜wnd_){//擁塞窗口小于理想發(fā)送窗口

ssthresh_＝wnd_；

}

else{//擁塞窗口不小于理想發(fā)送窗口

cwnd_＝wnd_；

ssthresh_＝wnd_；

}

3 性能評價(jià)

3.1 仿真場景

使用NS2仿真工具對TCP改進(jìn)方案進(jìn)行性能評價(jià)．仿真場景分為靜態(tài)場景和動態(tài)場景兩類．

靜態(tài)場景包括5種．前4種場景如圖6所示，其中場景a、b中的相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為100,m．場景c、d中，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為 150,m．場景 e為隨機(jī)分布場景，50個節(jié)點(diǎn)分布在 1,000,m×500,m的矩形區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布，所有節(jié)點(diǎn)都靜止不動．網(wǎng)絡(luò)中有5條隨機(jī)選取的TCP連接．

動態(tài)場景是在 1,000,m×500,m的矩形區(qū)域隨機(jī)設(shè)置了50個節(jié)點(diǎn)．使用了4個不同的平均移動速度：1,m/s、5,m/s、10,m/s、20,m/s．節(jié)點(diǎn)移動的停留時(shí)間都設(shè)置為0，即節(jié)點(diǎn)將不停地隨機(jī)移動．

在上述兩種仿真場景下，對傳統(tǒng)的 TCP(TCP Reno)和 BDE-TCP的性能進(jìn)行對比．應(yīng)用層采用典型的 FTP業(yè)務(wù)．性能評價(jià)指標(biāo)使用平均吞吐率和平均慢啟動次數(shù)．

圖6 靜態(tài)仿真場景Fig.6 Static simulation scenario

3.2 靜態(tài)場景下仿真結(jié)果討論

在各場景下測得的吞吐率如圖 7所示．仿真結(jié)果顯示，相對于TCP，BDE-TCP在各場景下的性能都有所提升，總吞吐率分別提高了14.8%、12.4%、9.7%、6.2%、8.6%．

圖7 靜態(tài)場景下的吞吐率Fig.7 Throughput in static scenario

圖8給出了各靜態(tài)場景中的平均慢啟動次數(shù)．BDE-TCP在各場景下的平均慢啟動次數(shù)都降低了一定的幅度，一般在 10%～25%．這可以說明調(diào)整后的 TCP擁塞控制方法更能夠適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，進(jìn)而說明了本方案在 MAC層進(jìn)行帶寬延遲估計(jì)的準(zhǔn)確性更高．

圖8 靜態(tài)場景下的慢啟動次數(shù)Fig.8 Slow-start times in static scenario

由仿真結(jié)果可知，提出的 MAC層帶寬延遲估計(jì)方案可以更準(zhǔn)確地計(jì)算當(dāng)前傳輸路徑中的可利用的資源，利用帶寬延遲積動態(tài)的調(diào)整窗口，避免了 TCP一味地增加擁塞窗口來探測網(wǎng)絡(luò)容量直到丟包發(fā)生為止．比較所有的靜態(tài)場景，數(shù)據(jù)流分布越復(fù)雜的場景，BDE-TCP提高的吞吐率的幅度越小，產(chǎn)生這一結(jié)果有兩種可能性：①信道的可利用帶寬較小，所能提高的信道利用率也就相對較?。虎谠谛诺栏偁庉^強(qiáng)的區(qū)域，丟包頻繁發(fā)生，導(dǎo)致估計(jì)出的帶寬延遲信息的準(zhǔn)確性也會受到影響．

3.3 動態(tài)場景下仿真結(jié)果討論

圖9和圖10分別給出了動態(tài)場景下的吞吐率和平均慢啟動次數(shù)．

圖9 動態(tài)場景下的吞吐率Fig.9 Throughput in dynamic scenario

由圖9可以看出，在動態(tài)場景下，BDE-TCP的平均吞吐率提高了 8%．節(jié)點(diǎn)移動速度越高，吞吐率的提升越?。@是由于在動態(tài)場景下，隨著節(jié)點(diǎn)移動速度加快，移動性的丟包增加，存有帶寬延遲信息的ACK無法到達(dá)數(shù)據(jù)包的發(fā)送端，帶寬延遲估計(jì)算法不能準(zhǔn)確測量到當(dāng)前的可用帶寬，因而不能根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀況，對TCP擁塞進(jìn)行有控制的調(diào)整．

由圖10可以看出，BDE-TCP的平均慢啟動次數(shù)減少了10%到20%，減小的幅度也比靜態(tài)場景下的要少．在動態(tài)場景下，由于節(jié)點(diǎn)的移動會導(dǎo)致鏈路的中斷，造成了移動性的丟包，而在移動性丟包較多的情況下，MAC層沒有足夠的帶寬延遲信息來對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的處理能力進(jìn)行估計(jì)，導(dǎo)致了對 TCP擁塞窗口和慢啟動閾值的設(shè)置不準(zhǔn)確，影響了改進(jìn)效果．

圖10 動態(tài)場景下的慢啟動次數(shù)Fig.10 Slow-start times in dynamic scenario

4 結(jié) 語

利用跨層交互的思想提出了一種提高無線 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下 TCP協(xié)議性能的改進(jìn)方案 BDPTCP，并利用 NS2仿真工具實(shí)現(xiàn)了該方案．仿真結(jié)果表明，該方案可以準(zhǔn)確地估計(jì)出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬和數(shù)據(jù)包在傳輸路徑上的往返延遲，利用估計(jì)的帶寬和延遲信息能夠把 TCP的擁塞窗口限制在一個合理的范圍內(nèi)，既可以充分利用多變的網(wǎng)絡(luò)可用帶寬傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)包，保證了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，又可以避免盲目地向網(wǎng)絡(luò)中注入大量的數(shù)據(jù)包而引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞，減少了不必要的數(shù)據(jù)包重傳，使Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的性能明顯提高．通過仿真方法在幾種典型的場景下驗(yàn)證了 BDP-TCP的有效性，下一步將針對大規(guī)模的復(fù)雜場景進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，特別是通過實(shí)驗(yàn)床實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的有效性．

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