李 帥, 曾曉麗, 胡 偉

(成都信息工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引 言

近年來(lái),無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)在接入領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展,依據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸速率的較大優(yōu)勢(shì),WLAN被認(rèn)為是3G或后3G移動(dòng)數(shù)據(jù)通信的一個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者。但WLAN也有不足之處,其中最主要的一個(gè)就是接入點(diǎn)(AP)的覆蓋范圍有限,若要在一個(gè)相對(duì)較大的區(qū)域提供無(wú)線覆蓋,就需要配置多個(gè)接入點(diǎn),因而增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。因此近年來(lái)人們把目光轉(zhuǎn)向一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)。WMN是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。從組網(wǎng)方式講,WMN可以看成是WLAN和移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的融合,具有較強(qiáng)的靈活性和健壯性。自IEEE802.11WLAN工作組于2004年成立Mesh任務(wù)組以來(lái),針對(duì)WMN的802.11s協(xié)議草案已經(jīng)成功問(wèn)世,預(yù)計(jì)在2012年年底正式的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可以出臺(tái)。

早期的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞控制研究都把注意力集中在甄別數(shù)據(jù)包的丟失是由無(wú)線信道沖突還是擁塞造成的[1-2]。文獻(xiàn)[1]提出一種間接的TCP協(xié)議,針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用改進(jìn)的協(xié)議可以通知上層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)、移動(dòng)和其他的無(wú)線鏈路參數(shù),如可用信道容量等,但是方案破壞了TCP連接的端對(duì)端語(yǔ)義。

目前關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制主要是在TCP擁塞控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn),多是在傳輸層實(shí)現(xiàn)或者在傳輸層結(jié)合底層的一些信息進(jìn)行跨層設(shè)計(jì),如文獻(xiàn)[3-4]。文獻(xiàn)[5]使用跨層設(shè)計(jì)將擁塞控制移至MAC層,提出NTCP的算法,基于802.11 DCF的MAC層修改添加了兩種新幀NTR(Not to Receive)和FRTS(Future Request To Send)。擁塞節(jié)點(diǎn)用NT R幀告訴鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞,不在接受數(shù)據(jù),之后立刻進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù),擁塞節(jié)點(diǎn)采用FRTS代替RTS告訴鄰居節(jié)點(diǎn)還有多少數(shù)據(jù)未發(fā)送完畢。方法采用對(duì)流入數(shù)據(jù)和流出數(shù)據(jù)對(duì)比的方法獲取擁塞狀態(tài),當(dāng)流入數(shù)據(jù)大于流出數(shù)據(jù)是即認(rèn)為發(fā)生擁塞。算法對(duì)擁塞反應(yīng)靈敏,能夠很快的對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)作出反應(yīng)。相比傳統(tǒng)的TCP-Reno,NTCP吞吐量更加穩(wěn)定,端到端的延時(shí)也明顯小于傳統(tǒng)TCP層的擁塞控制算法。但算法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)不同區(qū)分,無(wú)法提供Qos。文獻(xiàn)[6]也采用跨層設(shè)計(jì)的方法,MAC層同樣采用802.11 DCF,針對(duì)節(jié)點(diǎn)上通過(guò)的數(shù)據(jù)流建立輕量級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄流的源地址和最后一次的更新時(shí)間,設(shè)計(jì)了兩個(gè)新的模塊,擁塞評(píng)估模塊和速率調(diào)整模塊。擁塞控制模塊利用存放流信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和MAC層的丟包信息對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的擁塞狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,如果出現(xiàn)擁塞將向應(yīng)用層發(fā)送擁塞報(bào)告,并觸發(fā)速率調(diào)整模塊,速率調(diào)整模塊根據(jù)擁塞評(píng)估信息進(jìn)行計(jì)算決定需要調(diào)整的速率,應(yīng)用層修改新的發(fā)送速率。該策略利用跨層設(shè)計(jì),將MAC的丟包信息迅速的反映到上層的速率調(diào)整,擁塞控制靈敏迅速,網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)吞吐量、延時(shí)、丟包等都得到了顯著的提高,是跨層擁塞控制設(shè)計(jì)的代表。但研究沒(méi)有采用最新的802.11e里面的EDCA接入機(jī)制,無(wú)法在MAC層接入的時(shí)候就對(duì)不同的業(yè)務(wù)提供Qos服務(wù)。

在鏈路層實(shí)現(xiàn)擁塞控制最早是在802.11s草案[7]中提出。武昌盛,方旭明等[8]將經(jīng)濟(jì)學(xué)的定價(jià)理論應(yīng)用到無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的擁塞控制中,基于IEEE802.11s提出了基于定價(jià)理論的擁塞控制策略,通過(guò)統(tǒng)計(jì)4類(lèi)業(yè)務(wù)接收發(fā)送速率差,對(duì)業(yè)務(wù)定價(jià),將定價(jià)信息反饋到上游節(jié)點(diǎn),調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口達(dá)到擁塞控制,在網(wǎng)絡(luò)擁塞比較嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)加劇信道競(jìng)爭(zhēng),增加信道競(jìng)爭(zhēng)造成的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。文中研究的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制策略是在802.11s協(xié)議草案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),針對(duì)前人研究調(diào)整信道競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)存在加劇擁塞的情況,根據(jù)擁塞情況動(dòng)態(tài)分配發(fā)送機(jī)會(huì)TXOP。

1 IEEE802.11s中的EDCA接入機(jī)制

在802.11s草案中采用802.11e EDCA(Enhanced Distributed Channel Access),定義了4種不同的信道接入類(lèi)別AC(Access Category),每個(gè)接入類(lèi)別對(duì)應(yīng)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。為了針對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供有區(qū)別的服務(wù)質(zhì)量,EDCA規(guī)定每個(gè)AC都有一個(gè)獨(dú)立的分組發(fā)送隊(duì)列,并且不同的AC執(zhí)行相互獨(dú)立的退避算法為其隊(duì)列中分組競(jìng)爭(zhēng)信道的接入使用權(quán)。每個(gè)AC的使用不同的接入?yún)?shù)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道。這些參數(shù)包括:最小競(jìng)爭(zhēng)窗口(Congestion Window min[AC])、最大競(jìng)爭(zhēng)窗口(Congestion Window max[AC])、AIFS[AC](Arbitration Inter Frame Space)、TXOP[AC]。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)某個(gè)AC隊(duì)列中有數(shù)據(jù)要發(fā)送并且當(dāng)前信道處于忙碌狀態(tài),節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)AC的退避計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器的初始值在[0,CW[AC]]區(qū)間上隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)值,每檢測(cè)到信道連續(xù)空閑達(dá)到AISF[AC]時(shí)間后減1,減到0時(shí),節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)或者RTS(Require To Send)幀。如果節(jié)點(diǎn)內(nèi)多個(gè)AC退避計(jì)數(shù)同時(shí)減為0,優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)先發(fā)送,低的按發(fā)送碰撞處理再次退避。節(jié)點(diǎn)內(nèi)的AC是否成功競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán)取決于是否在發(fā)送RTS幀后的短幀間隔內(nèi)收到CTS(Clear To Send),收到CTS的AC將在TXOP[AC]長(zhǎng)的時(shí)間里可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)分組而無(wú)需再次競(jìng)爭(zhēng)信道。

在EDCA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制下信道的競(jìng)爭(zhēng)變成了節(jié)點(diǎn)內(nèi)不同優(yōu)先級(jí)AC的競(jìng)爭(zhēng)和節(jié)點(diǎn)間AC的競(jìng)爭(zhēng)。因此擁塞的檢測(cè)和擁塞控制對(duì)象都需要從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個(gè)AC隊(duì)列。TXOP值不隨著轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的擁塞程度改變,會(huì)帶來(lái)業(yè)務(wù)間和節(jié)點(diǎn)間的不公平的性[9]。因此提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)各個(gè)AC發(fā)送隊(duì)列狀態(tài)動(dòng)態(tài)改變TXOP[AC]的擁塞控制策略。

2 擁塞控制策略

2.1 802.11s草案中的擁塞控制策略

802.11s草案中提出的擁塞控制是在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的,采用hop-by-hop的逐跳擁塞控制方式,擁塞控制分為“本地?fù)砣麢z測(cè)”、“擁塞控制信令交互”和“目標(biāo)速率控制”,通過(guò)檢測(cè)本地各個(gè)AC業(yè)務(wù)的發(fā)送速率和接收速率差來(lái)判斷是否向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送擁塞控制信令,如果接收速率大于發(fā)送速率就通過(guò)擁塞交互信令通知上游節(jié)點(diǎn)提高AIFS來(lái)減緩CW(競(jìng)爭(zhēng)窗口)的減小速度以達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)信道接入優(yōu)先級(jí),相反的接收速率小于發(fā)送速率就降低AIFS來(lái)加快上游節(jié)點(diǎn)CW的減小速度從而提高上游節(jié)點(diǎn)的信道接入優(yōu)先級(jí)。

草案中的擁塞控制策略在網(wǎng)絡(luò)初始階段各個(gè)節(jié)點(diǎn)的AC發(fā)送隊(duì)列中待發(fā)送的數(shù)據(jù)分組不多的時(shí)候能夠起到很好的擁塞控制效果,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后處于無(wú)線Mesh網(wǎng)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)中的各個(gè)AC發(fā)送隊(duì)列被需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組幾乎充滿(mǎn),單純的調(diào)整上游節(jié)點(diǎn)的AIFS提高中間節(jié)點(diǎn)有接入信道機(jī)會(huì)是不夠的,競(jìng)爭(zhēng)到一次信道的使用權(quán)后,發(fā)送少量數(shù)據(jù)就釋放信道,不足以改變中間節(jié)點(diǎn)某類(lèi)AC隊(duì)列仍然擁塞的狀態(tài)。需要給擁塞的AC業(yè)務(wù)較大的TXOP,讓該類(lèi)業(yè)務(wù)在最大傳輸機(jī)會(huì)這段時(shí)間內(nèi)不用競(jìng)爭(zhēng)信道把更多緩存的數(shù)據(jù)分組發(fā)送出去,從而緩解擁塞。

2.2 基于TXOP的擁塞控制策略

上面已經(jīng)提到提高TXOP[AC]在網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重?fù)砣闆r下的潛在效果,文獻(xiàn)[8]聚焦TXOP提出的一種無(wú)線局域網(wǎng)中TXOP動(dòng)態(tài)分配方法,不適用無(wú)線Mesh網(wǎng)。受文獻(xiàn)[8]啟發(fā),在802.11s基本擁塞控制基礎(chǔ)上提出了一種修改擁塞業(yè)務(wù)TXOP的擁塞控制策略TCC。

EDCA接入機(jī)制為各個(gè)業(yè)務(wù)單獨(dú)分配有限空間的發(fā)送隊(duì)列,因此TCC通過(guò)檢測(cè)各類(lèi)業(yè)務(wù)的發(fā)送隊(duì)列的剩余空間來(lái)判斷是否發(fā)生擁塞。802.11s草案中沒(méi)有明確各類(lèi)業(yè)務(wù)發(fā)送隊(duì)列分配的具體參數(shù),研究過(guò)程中為了消除不同發(fā)送隊(duì)列造成的干擾,為4類(lèi)業(yè)務(wù)分配相同的發(fā)送隊(duì)列緩存空間,大部分基于隊(duì)列的擁塞控制研究都直接把發(fā)送隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)占用預(yù)分配空間的百分比做為擁塞程度的表征,按照慣例用這個(gè)百分比表示擁塞程度Congestion Level(CL)。一般基于隊(duì)列的擁塞控制研究中,隊(duì)列中緩存數(shù)據(jù)占到隊(duì)列預(yù)分配空間的80%～90%即視為發(fā)生擁塞,依此從90%開(kāi)始劃分出兩個(gè)擁塞等級(jí)(CL1,CL2),p定義為T(mén)XOP的分配額度,在不同的擁塞級(jí)別下分配不同的額度,同時(shí)為了保證原有業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的一致性,不同的業(yè)務(wù)在發(fā)生擁塞時(shí)TXOP分配額度pac也加以區(qū)分,pac1、pac2分別表示特定業(yè)務(wù)在兩種擁塞級(jí)別下分配的最大傳輸機(jī)會(huì)額度百分比,pac1、pac2的確定目前沒(méi)有足夠的理論依據(jù),通過(guò)大量仿真選擇可以使系統(tǒng)性能最佳的經(jīng)驗(yàn)值作分配,如表1所示。

表1 擁塞程度與分配額度

pac1,pac2都是定值,實(shí)際的額度百分比p由擁塞程度和各類(lèi)業(yè)務(wù)發(fā)送隊(duì)列狀態(tài)決定,根據(jù)發(fā)送隊(duì)列狀態(tài)調(diào)整,按照以上要求把待發(fā)送隊(duì)列中所有分組大小Qac和隊(duì)列中來(lái)自別的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組Qrac納入p的公式設(shè)計(jì):

在達(dá)到CL1之前所有業(yè)務(wù)都使用802.11e默認(rèn)TXOP作為信道接入?yún)?shù),一旦某類(lèi)業(yè)務(wù)被判定為擁塞將根據(jù)CL和p分配最大傳輸機(jī)會(huì),最大傳輸機(jī)會(huì)是一個(gè)時(shí)間Qac和p確定在分配的時(shí)間內(nèi)要發(fā)送多少數(shù)據(jù),通過(guò)網(wǎng)卡的傳輸速率確定TXOP:

公式(2)中TXOPAC是將要分配給擁塞隊(duì)列的最大傳輸機(jī)會(huì),dr是網(wǎng)卡的傳輸速率仿真中采用802.11b網(wǎng)卡0＜dr＜11(單位Mb/s)。如果隊(duì)列中緩存的其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)增多就會(huì)分配更多的發(fā)送機(jī)會(huì)。提出的擁塞控制策略是通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)送隊(duì)列來(lái)判定擁塞程度,中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)都會(huì)改變發(fā)送隊(duì)列的擁塞情況,因此TCC的執(zhí)行過(guò)程如圖1所示。

在一次接收數(shù)據(jù)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)更新發(fā)送隊(duì)列擁塞程度,在一次接收完成后通過(guò)TCC策略調(diào)整TXOP;轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)限,開(kāi)始使用調(diào)整后的TXOP發(fā)送某類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),并統(tǒng)計(jì)發(fā)送隊(duì)列擁塞情況,發(fā)送完數(shù)據(jù)后臺(tái)更新TXOP。競(jìng)爭(zhēng)到信道的使用權(quán),使用TCC策略分配的傳輸機(jī)會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。

TCC根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)某類(lèi)業(yè)務(wù)發(fā)送隊(duì)列實(shí)時(shí)情況分配競(jìng)爭(zhēng)到信道后信道使用時(shí)間TXOP。

圖1 TCC擁塞控制策略流程圖

3 仿真和分析

仿真在NS2仿真軟件中進(jìn)行,采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。節(jié)點(diǎn)1發(fā)送業(yè)務(wù)到節(jié)點(diǎn)0,中間需要節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)5到節(jié)點(diǎn)6是干擾節(jié)點(diǎn),造成節(jié)點(diǎn)2信道資源不足。節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)3也有業(yè)務(wù),用來(lái)造成節(jié)點(diǎn)0信道資源不足。

仿真中設(shè)定的節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)0之間的業(yè)務(wù)見(jiàn)表2。其他節(jié)點(diǎn)之間(5到6、4到3)的業(yè)務(wù)也做了類(lèi)似的定義。其中Voice業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)最高,定義為prio-0等級(jí),Video業(yè)務(wù)和Date業(yè)務(wù)分別為prio-1和prio-2業(yè)務(wù)。表中各種業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)量都比較大,屬于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況。

圖2 網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)?/p>

表2 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)0之間的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。圖3中A、C、E柱體表示在不使用TCC擁塞策略情況下信道競(jìng)爭(zhēng)所造成的時(shí)間消耗比,B、D、F柱體代表TCC擁塞策略下的時(shí)間消耗比,未發(fā)生擁塞時(shí),兩種策略沒(méi)有明顯的差別,隨著擁塞程度加劇TCC按節(jié)點(diǎn)某類(lèi)業(yè)務(wù)發(fā)送隊(duì)列擁塞程度動(dòng)態(tài)分配TXOP的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露,當(dāng)擁塞達(dá)到CL2時(shí)TCC策略的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)非常明顯。

由圖4可知,淺色曲線表示在不使用TCC擁塞策略情況下,節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)0之間的總吞吐量。其吞吐量穩(wěn)定在1.2Mbps左右。藍(lán)色曲線表示在使用TCC擁塞控制策略情況下節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)0之間的總吞吐量。由以上結(jié)果可知,在使用TCC策略情況下,網(wǎng)絡(luò)總吞吐量得到明顯提高。這首先是由于本策略中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身某類(lèi)業(yè)務(wù)擁塞情況動(dòng)態(tài)地調(diào)整自身TXOP提高了擁塞情況下某類(lèi)業(yè)務(wù)的最大傳輸機(jī)會(huì),有效地通過(guò)增加擁塞業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)間緩解了轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)附近的信道因過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)造成的時(shí)間消耗問(wèn)題,降低了上游節(jié)點(diǎn)信道使用時(shí)間。

圖5展示了擁塞策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)在丟包方面的明顯改善,這得益于TCC擁塞控制策略在發(fā)生丟包之前就對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,一定程度上減輕了由丟包所造成的信道消耗,從而提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

圖5 兩種策略下轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)2丟包率對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在IEEE 802.11s的擁塞控制策略的基礎(chǔ)上提出了一種根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送隊(duì)列擁塞情況動(dòng)態(tài)分配最大傳輸機(jī)會(huì)TXOP的擁塞控制策略TCC。策略避開(kāi)了同類(lèi)研究中信道競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)的調(diào)整,主要針對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)中的中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),將擁塞判別定位于4類(lèi)業(yè)務(wù)的發(fā)送隊(duì)列,針對(duì)不同業(yè)務(wù)的特性提出了不同的擁塞判定,依擁塞程度分配最大傳輸機(jī)會(huì)。通過(guò)仿真可以看出擁塞控制策略降低了擁塞節(jié)點(diǎn)附近信道競(jìng)爭(zhēng)所造成的時(shí)間消耗,網(wǎng)絡(luò)吞吐也有改善,丟包得到了顯著改善。不過(guò)由于策略只針對(duì)擁塞的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)到信道后才能生效的TXOP,并沒(méi)有增加擁塞節(jié)點(diǎn)的信道接入機(jī)會(huì),網(wǎng)絡(luò)吞吐抖動(dòng)比較明顯。策略仍需進(jìn)一步改進(jìn),將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)擁塞信息反饋周邊節(jié)點(diǎn),在擁塞時(shí)適當(dāng)提高擁塞業(yè)務(wù)的信道接入機(jī)會(huì)。

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