余燕平 鄭元琰 黃 怡 倪玲玲

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播MAC協(xié)議

余燕平 鄭元琰 黃 怡 倪玲玲

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

為了在無線自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC層中更好地提供可靠組播，在盡量少修改IEEE 802.11協(xié)議的原則下提出了一個可靠組播MAC協(xié)議RMMP(reliable multicast MAC protocol).首先由源節(jié)點組播RRTS(reliable RTS)幀，各接收節(jié)點依次回復(fù)RCTS(reliable CTS)幀;源節(jié)點在收到所有RCTS后，組播N個RDATA(reliable DATA)幀，各接收節(jié)點收到第N個要求回復(fù)的RDATA幀后依次回復(fù)RACK(reliable ACK)幀，然后源節(jié)點重傳丟失幀.RMMP協(xié)議提高了MAC層組播可靠性.最后運用NS-2仿真軟件對該協(xié)議進行驗證，結(jié)果表明，RMMP在包投遞率、吞吐量性能上都有很大的提高，實現(xiàn)了MAC層可靠組播，其代價是平均端到端時延略大.

無線自組織網(wǎng)絡(luò);MAC協(xié)議;廣播機制;可靠組播協(xié)議

目前大部分無線自組織網(wǎng)絡(luò)即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)［1］中的 MAC 層協(xié)議采用了 IEEE 802.11 DCF［2］，但是，采用 IEEE 802.11 DCF 作為 MAC層的組播協(xié)議存在著隱蔽節(jié)點問題，這就導(dǎo)致有可能在組播時試發(fā)多次不成功的現(xiàn)象.另外，現(xiàn)有的基于CSMA/CA的IEEE 802.11協(xié)議不允許采用RTS/CTS握手機制［3-4］或者ACK應(yīng)答機制進行廣播/組播，因此對于沒有成功接收的組播/廣播幀不提供MAC層恢復(fù)機制.由于受到干擾、沖突等問題的影響，許多分組會丟失，但是丟失的分組不能被檢測到并重傳，這將損害組播/廣播服務(wù)質(zhì)量.

針對這些問題，目前國內(nèi)外研究者們已經(jīng)提出了許多MAC層可靠組播的解決方法，基本上可以分為硬件型和軟件型.硬件型主要通過改進硬件上某些模塊的特定功能來實現(xiàn)MAC層廣播/組播的可靠性，最典型的協(xié)議BPBT［5］采用忙音機制來提高MAC層的可靠性.軟件型方案主要通過修改IEEE 802.11協(xié)議來提供MAC層的可靠廣播/組播.常見的軟件型協(xié)議有 BMW［6］，BMMM［7］，RAMP［8］，DPMM［9-10］，RRAR［11］和 MACAM［12］.

為了更好地提供MAC層的可靠組播，本文在盡量少修改IEEE 802.11協(xié)議的原則下提出了一個新的可靠組播MAC協(xié)議，主要采用減少碰撞、集中應(yīng)答的措施來提高可靠性.

1 RMMP協(xié)議

1.1 協(xié)議簡介

本文提出的可靠組播MAC協(xié)議RMMP的交互過程如圖1所示.當有一個來自上層的廣播包，RMMP首先利用CSMA/CA避免沖突，然后組播RRTS幀.各接收節(jié)點根據(jù)RRTS幀中分配給其的下一跳節(jié)點號(NHID)計算不同回復(fù)時間并回復(fù)RCTS幀，等發(fā)送者收全所有接收者回復(fù)的RCTS幀后連續(xù)發(fā)送N個RDATA幀，其中第N個數(shù)據(jù)幀中攜帶要求回復(fù)RACK幀的信息，收到要求回復(fù)信息的RDATA幀后，接收者回復(fù)RACK幀，即每N個數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個RACK幀，RACK幀中有一張比特圖，能指明幀是否正確收到，這樣可以避免頻繁回復(fù)帶來的大量控制開銷.同時發(fā)送者中暫存已發(fā)送的RDATA幀，當?shù)弥薪邮展?jié)點丟失RDATA幀時可以按幀序列號進行重傳，保證可靠性.一次交互完成后，等待下一次的RRTS-RCTSRDATA-RACK交互，直至所有包都發(fā)送接收完畢.

圖1RMMP簡單交互過程

1.2 幀結(jié)構(gòu)

在RMMP協(xié)議中，采用RRTS-RCTS-RDATARACK幀交互，各個幀都有別于IEEE 802.11協(xié)議中相應(yīng)的幀.RRTS幀中包含了所有下一跳鄰節(jié)點的地址，所以增大了接收者地址字段.RCTS幀增加了發(fā)送者地址的字段.因為協(xié)議中每N個RDATA數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個RACK，則在數(shù)據(jù)幀中需要增加一個指明是否要求接收端回復(fù)RACK幀的字段，發(fā)送節(jié)點中有緩沖區(qū)，用來存儲已發(fā)送RDATA幀及各個幀重傳的次數(shù).當需要重傳時，從緩沖區(qū)中搜索需要重傳的幀，如果還在緩沖區(qū)中且重傳次數(shù)小于最大重傳值就進行重傳.緩沖區(qū)大小固定，當超出其大小后，自動刪除最前面的RDATA幀.

接收節(jié)點中存有的比特圖包含的信息有發(fā)送者的MAC地址、發(fā)送者分配給接收者的下一跳節(jié)點號NHID、幀序號及相應(yīng)幀的接收情況，正確接收則相應(yīng)比特位記為“1”，否則為“0”.接收者應(yīng)答時將比特圖中幀接收情況的比特位加入RACK幀，告知發(fā)送者接收情況，發(fā)送者按比特圖中指明的幀接收情況重發(fā)沒有被正確接收的幀.

1.3 協(xié)議交互步驟

當有一個來自上層的廣播包，RMMP先用CSMA/CA避免沖突，然后等待信道空閑.當信道空閑且空閑DIFS時，發(fā)送者S啟動退避計時器進行倒計時，退避計時器的值在0和競爭窗口數(shù)CW(contention window)之間隨機選擇.如果介質(zhì)在退避計時器不到0時就被占用，那么停止計時，待下次信道空閑且空閑DIFS再重新從該值開始倒計時;如果倒計時至0信道依舊空閑，則發(fā)送者S向下一跳鄰節(jié)點發(fā)送RRTS幀并啟動Recv_Timer接收計時器.如果第一個幀就發(fā)生沖突，就繼續(xù)采用CSMA/CA監(jiān)聽信道，空閑DIFS并采用二進制退避機制隨機退避一段時間后再發(fā)送.

發(fā)送者將RRTS幀發(fā)送給下一跳節(jié)點后，每個接收者收到RRTS幀后觀察自身的MAC地址在RRTS幀中接收者MAC字段中的位置是第幾位，若是第1位，該接收者的NHID即為1，同時存入比特圖中相應(yīng)位置，若是2，該接收者的NHID即為2.以此類推下去，每個接收者都可以較可靠地由發(fā)送者分配得到各自的NHID，同時利用NHID來代替該接收者的MAC地址，即每個接收者都有不同的NHID與之相對應(yīng).

接收者根據(jù)RRTS中各自的NHID計算回復(fù)RCTS起始時間，即

式中，NNHID為接收者的NHID值;TSIFS為短幀間間隔;TRCTS1為接收者發(fā)送一個RCTS幀需要的時間.各個接收者分別啟動各自的退避計時器，到0時發(fā)送RCTS幀給發(fā)送者.如果發(fā)送者在Recv_Timer到預(yù)定時間發(fā)送者仍未收全 RCTS幀，判定為RRTS幀丟失或者RCTS幀丟失，則重新發(fā)送RRTS幀，重新啟動Recv_Timer.但重發(fā)次數(shù)有限制.

當所有RCTS幀都收全后，發(fā)送者發(fā)送RDATA幀，并將RDATA幀存入發(fā)送者緩沖區(qū).接收者接收RDATA幀，檢查幀序號，更新比特圖，同時發(fā)送者的鄰節(jié)點及各接收者的鄰節(jié)點根據(jù)偵聽到的幀更新網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV.

RDATA幀中攜帶有一個回復(fù)確認字段，接收者收到每個RDATA幀后都會檢查是否需要回復(fù)RACK幀，在第N個RDATA幀中攜帶要求回復(fù)的信息.發(fā)送者S則在發(fā)送時啟動Recv_Timer，各個接收者在收到第N個RDATA幀后，根據(jù)下一跳節(jié)點號NHID，計算回復(fù)RACK幀的起始時間TRACK，并各自分別回復(fù)RACK幀，RACK幀在比特圖中攜帶幀的接收情況字段.發(fā)送RACK幀的TRACK計算式為

式中，TRACK1為接收者發(fā)送一個RACK幀需要的時間.

如果發(fā)送者收到RACK幀，檢查RACK幀中的比特圖，計算出各接收者丟失的幀，按幀的序列號進行重傳，重傳幀依舊采用廣播方式.重傳幀的回復(fù)是在N個幀重傳完畢后再一一回復(fù)RACK幀，已收到正確幀的節(jié)點對于重傳過來的幀會自動丟棄.確定沒有節(jié)點存在丟失幀后進入下一次的交互.若到Recv_Timer預(yù)定時間發(fā)送者仍未收全RACK幀，認為攜帶回復(fù)請求的RDATA幀丟失或者接收者回復(fù)的RACK幀丟失，重發(fā)攜帶回復(fù)請求的RDATA幀，重發(fā)次數(shù)有限制.

前一次的N個幀均確認已收到，要進行下一N個幀的傳輸，節(jié)點中的比特圖恢復(fù)初始狀態(tài)，發(fā)送者的緩沖區(qū)處理相同，比特圖和緩沖區(qū)的大小保持一一對應(yīng)關(guān)系.當廣播的幀是最后一個幀時，發(fā)送者的RDATA幀中攜帶要求接收者進行回復(fù)的信息，接收者收到后計算相應(yīng)的TRACK后依次進行回復(fù).

圖2給出了發(fā)送者S與其中3個下一跳接收者NH1，NH2，NH3利用RMMP協(xié)議進行組播的交互過程及該過程中網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV的變化.

RAMP中利用下一跳節(jié)點號計算回復(fù)CTS和ACK的時間，避免了CTS幀或ACK幀的碰撞問題，但是每發(fā)送1個DATA幀回復(fù)1個ACK幀，發(fā)一個數(shù)據(jù)包的交互時間太長.而在RRAR中采用了多個數(shù)據(jù)幀回復(fù)一個確認幀方式，減少了ACK幀的發(fā)送次數(shù)，從而減少了碰撞，但是還沒解決多個接收者同時回復(fù)CTS或ACK而產(chǎn)生的碰撞問題.RMMP結(jié)合了兩者的長處，既避免了RCTS和RACK的碰撞，又提高了一次握手的傳輸效率.因此與RMMP，RAMP和RRAR相比，在發(fā)送節(jié)點、接收節(jié)點所要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都一樣的前提下，RMMP可靠性得到提高，傳輸時間更短.RAMP的主要思想幾乎與MACAM協(xié)議的一樣，只是MACAM沒有采用NHID來縮短RTS幀的控制開銷，因此兩者的可靠性和吞吐量性能比較接近，僅僅是控制開銷上RAMP略小.

鑒于以上原因，將本文提出的RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議進行比較.

圖2 RMMP協(xié)議交互流程示意圖

2 仿真

協(xié)議仿真利用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺NS-2.首先建立仿真場景，在一個400 m×400 m的平面區(qū)域內(nèi)隨機設(shè)置50個靜態(tài)的通信節(jié)點且每個節(jié)點都具有收發(fā)包功能;同時取N=8，即每發(fā)送8個數(shù)據(jù)包得到一個確認回復(fù).取N=8主要是為了在一定仿真時間內(nèi)能較明顯地觀察結(jié)果，當然在實際應(yīng)用中可以適當?shù)馗淖僋值.但N的值也不能很大，因為若N很大，本次會話占用的時間會很長，一段時間內(nèi)相關(guān)節(jié)點的無線信道都被占用，另外的會話就不能進行，其他數(shù)據(jù)等待時間就太長.仿真參數(shù)如表1所示.

PUMA(protocol for unified multicasting through announcements)［13］為仿真所需的上層組播路由協(xié)議，只發(fā)送組播包，具有比較高的數(shù)據(jù)傳輸率和可靠性.

本文將對RMMP協(xié)議、IEEE 802.11協(xié)議和MACAM［12］協(xié)議進行仿真對比，將從3個指標進行比較:①包投遞率.某一接收節(jié)點成功接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與發(fā)送節(jié)點發(fā)送的總數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值.② 平均端到端時延(average end-to-end delay).所有接收節(jié)點接收某個數(shù)據(jù)包與發(fā)送節(jié)點發(fā)送該數(shù)據(jù)包的時間差總和與發(fā)送總數(shù)據(jù)包個數(shù)的比值.③吞吐量(throughput).單位時間內(nèi)成功傳送的數(shù)據(jù)量.

表1 仿真參數(shù)

2.1 可靠性

包投遞率PDR(packet delivery ratio)表示可靠性.圖3(a)給出了在其他條件相同，不同組播組大小下3種協(xié)議的包投遞率.由圖可見，在組播組大小從5到40的過程中，RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議的包投遞率都很高，尤其是RMMP協(xié)議，接近100%.這是因為RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議在發(fā)送數(shù)據(jù)之前分別采用RRTS-RCTS和RTS-CTS交互清空信道，使接收節(jié)點處于準備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，因此提高了數(shù)據(jù)幀組播的可靠性，同時RMMP協(xié)議又使用了重傳機制，更加保證MAC組播的可靠性.MACAM協(xié)議在組播組大于30的情況下有部分包因隊列滿而丟失，影響了可靠性.IEEE 802.11協(xié)議會因隱蔽節(jié)點問題引起碰撞，而且無握手機制，直接發(fā)送組播包并無確認應(yīng)答機制，因此沒有成功發(fā)送的分組將不再在MAC層重發(fā)，這些都導(dǎo)致IEEE 802.11協(xié)議下的包投遞率較低，從而不能保證可靠性.

圖3 不同組播組大小下各協(xié)議性能比較

2.2 平均端到端時延

圖3(b)表示3種協(xié)議在不同組播組下的平均端到端時延.由圖可知，3種協(xié)議下的平均端到端時延隨著組播組的增大而變大，而RMMP協(xié)議與MACAM協(xié)議的平均端到端時延比IEEE 802.11協(xié)議略大.這是因為IEEE 802.11協(xié)議直接發(fā)送組播包并無回復(fù)機制，顯然其平均端到端延遲較短，但是以很低的可靠性為代價.而對于RMMP和MACAM這2種協(xié)議，發(fā)送端還需要等待所有接收端回復(fù)幀(RMMP協(xié)議中的RCTS幀和RACK幀，MACAM協(xié)議中的CTS幀和ACK幀)，在仿真設(shè)定的場景下，這2種協(xié)議的平均端到端時延在1 ms以下.這樣的時延值基本不會影響上層應(yīng)用的實時性要求，而可靠性卻有了較大提高，因此整體性能得以提高，能更好地支持上層應(yīng)用.

2.3 吞吐量

本文中吞吐量指各組播接收節(jié)點從發(fā)送節(jié)點收到的平均吞吐量.由圖3(c)可看出，隨著組播組的增大，3個協(xié)議的吞吐量變化并不很明顯，但是，不管組播組為多少，RMMP協(xié)議吞吐量性能遠遠優(yōu)于 IEEE 802.11協(xié)議與 MACAM 協(xié)議.因為RMMP協(xié)議中，利用不同時間回復(fù)確認幀避免了各節(jié)點同時回復(fù)而產(chǎn)生的碰撞，碰撞越小，成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)就越多，吞吐量自然就提高了.而MACAM協(xié)議中，因為除了發(fā)送者能接收到CTS幀，每一個下一跳接收者都能接收來自其他接收者的CTS幀，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸效率低，一定時間內(nèi)成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)就少，從而降低了吞吐量.IEEE 802.11協(xié)議則由于隱蔽節(jié)點導(dǎo)致碰撞，而且無握手機制和確認應(yīng)答機制，因此沒有成功發(fā)送的分組不再重發(fā)，大大影響了吞吐量.

3 結(jié)語

無線自組織網(wǎng)絡(luò)中MAC層的廣播特性對組播性能的好壞具有重要影響.本文分析了無線自組織網(wǎng)絡(luò)中使用IEEE 802.11協(xié)議作為MAC層產(chǎn)生的可靠組播問題，并結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了可靠的MAC組播協(xié)議RMMP.為了提高MAC層組播的可靠性，RMMP協(xié)議中使用了 RRTSRCTS交互、回復(fù)機制和重傳機制，這都保證了可靠性.同時利用下一跳節(jié)點號替代MAC地址和發(fā)送N個數(shù)據(jù)幀才回復(fù)一次確認機制來減少控制開銷，提高包投遞率及信道利用率.本文使用NS-2網(wǎng)絡(luò)模擬器實現(xiàn)RMMP協(xié)議.理論分析和仿真結(jié)果表明，RMMP協(xié)議MAC層組播可靠性遠遠優(yōu)于IEEE 802.11協(xié)議.與MACAM 相比，其吞吐量性能也較好，并且相對減少了控制開銷，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，其代價是時延略微增加，但是其絕對值仍在1 ms以下.因此，RMMP是一種提供可靠組播的MAC協(xié)議.本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，如果MAC層的組播不提供可靠性保證，則向上層提供的可靠性會非常差.本協(xié)議為今后進一步完善無線自組織網(wǎng)絡(luò)中組播性能奠定了相應(yīng)的基礎(chǔ).

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Reliable MAC layer multicast protocol in wireless Ad Hoc networks

Yu Yanping Zheng Yuanyan Huang YiNi Lingling
(School of Information and Electronic Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China)

In order to provide MAC(medium access control)layer reliable multicast in wireless Ad Hoc networks，a new reliable multicast MAC protocol(RMMP)based on IEEE 802.11 is proposed.In this protocol，a sender multicasts a reliable RTS(RRTS)frame and the receivers reply with reliable CTS(RCTS)frames according to the designated sequence.Then the sender sendsNreliable DATA(RDATA)frames and the receivers reply with reliable ACK(RACK)frames sequentially after receiving theN-th RDATA frame in which an acknowledgement frame RACK is demanded.The sender then retransmits the lost frames which are indicated in the RACK frame.The network simulator NS-2 was used to simulate to demonstrate the performance of the protocol.The results show that this protocol achieves reliable multicast at MAC layer by providing higher packet delivery ratio and throughput while slightly increasing average end-to-end delay.

wireless Ad Hoc networks;medium access control protocol;broadcast mechanism;reliable multicast protocols

TP393

A

1001－0505(2012)02-0214-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.004

2011-07-05.

余燕平(1965—)，女，博士，教授，yuyanping@zjgsu.edu.cn.

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(Y1090232)、浙江省錢江人才計劃資助項目(2010R10007).

余燕平，鄭元琰，黃怡，等.無線自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播MAC協(xié)議［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(2):214-218.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.004］