吉福生　周小龍

(重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所　重慶 400065)

?

6LoWPAN中分布式TCP緩存隊(duì)列策略

吉福生周小龍

(重慶郵電大學(xué)寬帶泛在接入技術(shù)研究所重慶 400065)

摘要在多TCP連接的6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks)網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)丟包嚴(yán)重時(shí)存在頻繁的端到端重傳問題，提出分布式TCP緩存隊(duì)列策略。該策略能夠使中間節(jié)點(diǎn)合理地緩存不同TCP連接在鏈路層傳輸中丟失的分段，從而保證每個(gè)TCP連接的性能，減少網(wǎng)絡(luò)能耗。另外，采用ARQ機(jī)制進(jìn)行鏈路層數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)，由于中間節(jié)點(diǎn)判斷丟包的準(zhǔn)確率較低，導(dǎo)致緩存隊(duì)列中存在一些實(shí)際未丟失的分段。對(duì)這些分段的重傳會(huì)消耗額外的能量，降低了緩存隊(duì)列的利用率。因此緩存管理采用詢問鄰居節(jié)點(diǎn)的方式檢查分段是否丟失，及時(shí)地刪除無效的緩存分段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用分布式TCP緩存隊(duì)列策略可以使得多個(gè)TCP連接的網(wǎng)絡(luò)性能以及緩存隊(duì)列利用率得到了很大提高。

關(guān)鍵詞低功耗個(gè)人局域網(wǎng)傳輸控制協(xié)議自動(dòng)重傳請(qǐng)求緩存隊(duì)列丟包恢復(fù)

0引言

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEFT通過采用適配層和優(yōu)化相關(guān)協(xié)議使IPv6技術(shù)可以運(yùn)行在低功耗、低速率的無線嵌入式設(shè)備中。由這樣的設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)就是基于IPv6的低功耗無線個(gè)域網(wǎng)6LoWPAN。6LoWPAN的傳輸層協(xié)議包括用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)。其中6LoWPAN使用TCP來保證端到端數(shù)據(jù)可靠傳輸，然而TCP協(xié)議在無線網(wǎng)絡(luò)中存在性能問題：由于無線鏈路丟包率較大，導(dǎo)致TCP分段在中間節(jié)點(diǎn)處頻繁丟失，從而引起TCP頻繁的端到端重傳，這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延遲且消耗過多節(jié)點(diǎn)能量。在無線低功耗網(wǎng)絡(luò)中，所有采用端到端錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的可靠傳輸協(xié)議都面臨該問題。解決這個(gè)問題的常用方法是通過中間節(jié)點(diǎn)緩存那些在鏈路層傳輸中丟失的數(shù)據(jù)包。當(dāng)目的接收端發(fā)起錯(cuò)誤恢復(fù)請(qǐng)求時(shí)，丟失的數(shù)據(jù)包可以直接從緩存該數(shù)據(jù)包的中間節(jié)點(diǎn)處重傳。該方法的可行性已經(jīng)被數(shù)學(xué)模型所驗(yàn)證[1]。目前，解決這一問題的經(jīng)典機(jī)制分為兩類：第一類是基于非IP無線低功耗網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制[2-8]；第二類是在基于IP的無線低功耗網(wǎng)絡(luò)中針對(duì)TCP協(xié)議的機(jī)制[9-11]。

第一類機(jī)制中，文獻(xiàn)[5] 提出了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中全局簇協(xié)作機(jī)制(GCCS)，GCCS使用緩存發(fā)現(xiàn)算法找出緩存了所查詢數(shù)據(jù)項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]提供了兩個(gè)優(yōu)化方案，即增強(qiáng)的基于NACK修復(fù)機(jī)制和優(yōu)化的DTSN傳輸窗口，重新實(shí)現(xiàn)了一個(gè)增強(qiáng)DTSN協(xié)議。第一類機(jī)制并不是基于TCP協(xié)議的，所以無法使用在6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中。在第二類機(jī)制中，文獻(xiàn)[10]提出的DTC機(jī)制中，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)能否接收到下一跳節(jié)點(diǎn)的鏈路層確認(rèn)來判斷數(shù)據(jù)包是否丟失，并將判斷丟失的數(shù)據(jù)包鎖定在緩存中，設(shè)置重傳定時(shí)器。DTC的中間節(jié)點(diǎn)需要計(jì)算到達(dá)TCP接收端的往返時(shí)間(RTT)，并通過RTT配置重傳定時(shí)器(RTO)：RTO=1.5×RTT。在重傳定時(shí)器溢出時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行“鎖存”TCP分段重傳操作。在重傳定時(shí)器未溢出前，如果中間節(jié)點(diǎn)接收到TCP接收端發(fā)送的確認(rèn)消息TCP ACK(或SACK)的序列號(hào)與“鎖存”TCP分段的序列號(hào)相同則執(zhí)行重傳，并且“終止”該TCP ACK繼續(xù)向TCP發(fā)送端的轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[11]中提出的EDTC機(jī)制是對(duì)DTC機(jī)制地改進(jìn)。目前常用無線鏈路層協(xié)議基于CSMA-CA算法，因此該文獻(xiàn)將基于TDMA網(wǎng)絡(luò)的DTC機(jī)制改進(jìn)為基于CSMA-CA網(wǎng)絡(luò)的EDTC機(jī)制。與DTC機(jī)制不同，EDTC節(jié)點(diǎn)的MAC層采用ARQ機(jī)制來傳輸數(shù)據(jù)包，以保障鏈路層傳輸?shù)目煽啃浴Ａ硗?，EDTC還針對(duì)DTC的緩存放置、緩存管理以及重傳超時(shí)定時(shí)器設(shè)計(jì)不足給出了新的解決方法。然而，不管是DTC還是EDTC機(jī)制，目前的研究都是基于鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，并且只存在單個(gè)TCP連接。在多個(gè)TCP連接的非鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，處于TCP傳輸路徑上的中間節(jié)點(diǎn)無法同時(shí)合理地存儲(chǔ)每個(gè)連接丟失的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致每個(gè)TCP連接的性能不均衡。另外，根據(jù)鏈路層確認(rèn)來進(jìn)行丟包檢查準(zhǔn)確率低，會(huì)導(dǎo)致有限緩存空間中存在并沒有丟失的數(shù)據(jù)包，造成緩存資源浪費(fèi)，且會(huì)在重傳定時(shí)器超時(shí)后執(zhí)行多余得本地重傳增加節(jié)點(diǎn)能耗。

針對(duì)多TCP連接的非鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)存在的上述問題，本文提出6LoWPAN中分布式TCP緩存隊(duì)列策略。該策略不僅保證中間節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)合理地存儲(chǔ)每個(gè)TCP連接丟失的數(shù)據(jù)包，而且避免了中間節(jié)點(diǎn)由于丟包檢查準(zhǔn)確率低造成緩存空間浪費(fèi)和能耗增加。

1分布式TCP緩存隊(duì)列策略

本節(jié)描述的分布式TCP緩存隊(duì)列策略由三個(gè)部分組成：緩存放置策略，在隊(duì)列長度沒達(dá)到規(guī)定門限前以鏈路層丟包為依據(jù)執(zhí)行分段存儲(chǔ)，當(dāng)超過門限時(shí)需要以一定概率執(zhí)行分段存儲(chǔ)；緩存管理策略，對(duì)緩存隊(duì)列的無效緩存進(jìn)行清除，以提高緩存隊(duì)列利用率，避免重傳定時(shí)器超時(shí)后對(duì)無效緩存執(zhí)行本地重傳；主動(dòng)重傳策略，以緩存管理策略為基礎(chǔ)，主動(dòng)向TCP接收端發(fā)送已經(jīng)確認(rèn)有效的緩存分段，為緩存隊(duì)列清理出存儲(chǔ)空間。

1.1緩存放置

為了能夠同時(shí)存儲(chǔ)不同TCP連接在鏈路傳輸中丟失的分段，中間節(jié)點(diǎn)采用緩存隊(duì)列策略。然而若與上述研究相同，只將鏈路層丟包作為緩存放置的依據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)丟包增多時(shí)緩存隊(duì)列會(huì)很快被放置滿。因此本文綜合考慮鏈路層丟包、緩存隊(duì)列長度和不同TCP連接發(fā)送速率以及跳數(shù)等因素重新設(shè)計(jì)緩存放置策略。

對(duì)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)v，在協(xié)議規(guī)定的適配層上設(shè)置一個(gè)容量大小為Cv的緩存隊(duì)列。經(jīng)過節(jié)點(diǎn)v的TCP連接數(shù)為F。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)TCP分段時(shí)，MAC層從發(fā)送隊(duì)列中取出一個(gè)分段放入其發(fā)送緩存，同時(shí)該TCP分段也會(huì)被復(fù)制到緩存隊(duì)列中。當(dāng)MAC發(fā)送失敗，該分段將被鎖定在緩存隊(duì)列中，鎖定的分段不能被下一個(gè)分段覆蓋。每次鎖定時(shí)，需要設(shè)置重傳定時(shí)器RTO′=1.5×RTO，其中RTO的計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[12]給出的方法。如果緩存隊(duì)列中TCP分段的重傳定時(shí)器溢出時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)將執(zhí)行本地重傳，將該分段發(fā)送給TCP接收端。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到TCP接收端發(fā)送給TCP發(fā)送端的ACK消息時(shí)，查看ACK序列號(hào)是否存在對(duì)應(yīng)緩存分段，如有這樣的緩存分段則執(zhí)行本地重傳，并終止該ACK消息繼續(xù)向TCP發(fā)送端的轉(zhuǎn)發(fā)。執(zhí)行本地重傳后的數(shù)據(jù)將從緩存隊(duì)列中刪除。

為避免緩存隊(duì)列溢出，節(jié)點(diǎn)需要在緩存隊(duì)列長度到達(dá)一定程度時(shí)主動(dòng)降低入隊(duì)速率。在實(shí)際隊(duì)列長度到達(dá)給定門限時(shí)，通過預(yù)測(cè)緩存隊(duì)列長度預(yù)先設(shè)置緩存放置概率來確保降低入隊(duì)速率。本文采用指數(shù)平滑法預(yù)測(cè)緩存隊(duì)列長度Qt+1，如式(1)所示：

Qt+1=αqt+(1-α)Qt

(1)

當(dāng)實(shí)際隊(duì)列長度qt到達(dá)門限qth時(shí)，則根據(jù)預(yù)測(cè)隊(duì)列長度Qt+1、TCP發(fā)送速率以及跳數(shù)來確定緩存放置概率P，如式(2)所示：

P=εi×λ

(2)

(3)

式中的WSi和WSj表示TCP連接的窗口大小，該值在TCP連接建立初始階段獲得。hv,i表示TCP連接i在節(jié)點(diǎn)v的跳數(shù)，hi為TCP連接i的總跳數(shù)。預(yù)測(cè)所得剩余緩存的權(quán)重越小，需要更小緩存隊(duì)列的入隊(duì)速率，即鎖定的TCP分段的緩存放置概率越小。TCP連接的發(fā)送速率越大，所傳輸?shù)腡CP分段就越多，則緩存放置概率應(yīng)當(dāng)越大。另外，中間節(jié)點(diǎn)需要緩存靠近接收端的TCP連接的TCP分段，因?yàn)榭梢栽谧羁斓臅r(shí)間執(zhí)行重傳。

1.2緩存管理

在6LoWPAN協(xié)議中，鏈路層技術(shù)采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)使用ARQ機(jī)制來保證鏈路層傳輸可靠性。根據(jù)ARQ機(jī)制，節(jié)點(diǎn)MAC層向下一跳發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后等待下一跳節(jié)點(diǎn)的ACK回復(fù)消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)等待時(shí)間內(nèi)沒有收到ACK回復(fù)消息，就會(huì)執(zhí)行重傳嘗試。節(jié)點(diǎn)重傳嘗試的最大執(zhí)行次數(shù)取決于最大重傳嘗試次數(shù)(默認(rèn)為3，范圍：0～7)[13]。當(dāng)超過這個(gè)限度時(shí)，MAC層丟棄該數(shù)據(jù)包，并告知上一層數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。然而存在兩種情況導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無法接收到下一跳節(jié)點(diǎn)的ACK回復(fù)消息：

(1) 節(jié)點(diǎn)向下一跳發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在超過最大重傳嘗試次數(shù)之后，至少有一幀數(shù)據(jù)被下一跳節(jié)點(diǎn)正確接收，但是下一跳發(fā)送的ACK回復(fù)消息丟失。

(2) 節(jié)點(diǎn)向下一跳發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在超過最大重傳嘗試次數(shù)之后，沒有數(shù)據(jù)幀被下一跳節(jié)點(diǎn)正確接收，所以下一跳節(jié)點(diǎn)并沒有發(fā)送ACK回復(fù)消息。

消息(1)中，節(jié)點(diǎn)沒有接收到ACK回復(fù)消息因此判斷為丟包，實(shí)際上這種判斷是錯(cuò)誤的。不準(zhǔn)確地丟包判斷會(huì)導(dǎo)致緩存隊(duì)列中存在不少比例的無效緩存(非丟失數(shù)據(jù)包)。當(dāng)重傳定時(shí)器溢出后，無效緩存同樣會(huì)被執(zhí)行本地重傳，這不僅增加了能量開銷而且降低了緩存隊(duì)列的利用率。因此，本文提出一種提高緩存隊(duì)列利用率的緩存管理策略。

在給定周期T內(nèi)，中間節(jié)點(diǎn)需要記錄沒有接收到的TCP分段序列號(hào)和鎖定在緩存隊(duì)列中的TCP分段序列號(hào)，分別構(gòu)成集合R和S。在周期T到達(dá)時(shí)若S非空，節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播詢問消息，詢問是否接收過集合S中的分段。當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到詢問消息時(shí)，與對(duì)應(yīng)T時(shí)刻產(chǎn)生的集合R進(jìn)行對(duì)照。如果R′=R∩S且R′≠?，將R′內(nèi)容作為回復(fù)消息發(fā)送給詢問節(jié)點(diǎn)，刪除R中內(nèi)容并重新開始記錄。節(jié)點(diǎn)收集鄰居節(jié)點(diǎn)的回復(fù)消息構(gòu)成集合R″，通過S′=S-R″運(yùn)算就可以得知無效緩存分段。節(jié)點(diǎn)清除緩存隊(duì)列中包含S′的分段，以確保隊(duì)列中所有緩存分段有效。

時(shí)間間隔T的取值滿足T

(4)

其中，q是緩存隊(duì)列長度。h是所有TCP連接中總跳數(shù)的最小值，hv是h對(duì)于TCP連接發(fā)送端到節(jié)點(diǎn)v的跳數(shù)，RTT是h對(duì)于TCP連接的往返時(shí)間估計(jì)。

1.3主動(dòng)重傳

當(dāng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行緩存管理操作之后，緩存隊(duì)列已經(jīng)確認(rèn)緩存分段的有效性。如果節(jié)點(diǎn)可以在重傳定時(shí)器超時(shí)之前，中間節(jié)點(diǎn)可以對(duì)那些已經(jīng)確認(rèn)有效的緩存分段進(jìn)行合理的主動(dòng)重傳，保證緩存隊(duì)列中擁有更多的存儲(chǔ)空間。

如果節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，主動(dòng)的發(fā)送緩存隊(duì)列中的分段不僅增加了網(wǎng)絡(luò)碰撞的概率而且影響了正常TCP分段的投遞。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)頻繁時(shí)，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行信道檢查的成功率會(huì)受到影響。所以根據(jù)這一點(diǎn)，本文規(guī)定主動(dòng)重傳必須要在一段時(shí)刻內(nèi)信道檢查的成功率ω達(dá)到一定水平才能夠被執(zhí)行。時(shí)間間隔T內(nèi)信道檢查的成功率的計(jì)算公式為：

(5)

圖1　主動(dòng)重傳判斷流程

當(dāng)前的鏈路狀態(tài)會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，中間節(jié)點(diǎn)選擇高質(zhì)量、低延時(shí)的鏈路進(jìn)行主動(dòng)重傳非常重要，這樣的鏈路不僅可以提高數(shù)據(jù)傳輸成功率還會(huì)降低延時(shí)。本文通過鏈路質(zhì)量級(jí)別LQL(Link Quality Level)來區(qū)分鏈路好壞。LQL是一個(gè)0至7之間的整數(shù)，其中0表示鏈路質(zhì)量水平是未知，而1則表示最高鏈路質(zhì)量水平[14]。標(biāo)準(zhǔn)草案 [RFC 6551]中沒有給出具體的LQL計(jì)算方法，所以在本文中LQL的值由鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)求得，如式(6)所示：

(6)

如果節(jié)點(diǎn)信道檢查的成功率ω大于閾值并且鏈路質(zhì)量級(jí)別小于3，將對(duì)最新確認(rèn)的緩存分段進(jìn)行重傳。具體的流程如圖1所示。

2性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)估本文所描述策略的性能，在OMNET++仿真軟件中實(shí)現(xiàn)了所提出的策略。在仿真中使用一個(gè)由20個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的非鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)TCP連接通信，節(jié)點(diǎn)間的距離為50米。每個(gè)TCP發(fā)送端發(fā)送32KB的數(shù)據(jù)給它們的接收端。表1列出了仿真參數(shù)。

表1　仿真參數(shù)

2.1鏈路層丟包判斷的準(zhǔn)確率

本文所提緩存管理策略是為了避免鏈路層丟包判斷不準(zhǔn)確導(dǎo)致的緩存隊(duì)列利用率低的問題。為了證明提出該緩存管理策略的必要性，下面采用數(shù)學(xué)方法來計(jì)算錯(cuò)誤判斷丟包的概率以及在總的丟包判斷中所占的比例。最終的結(jié)果表明，中間節(jié)點(diǎn)采用ARQ機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)包，鏈路層丟包判斷的準(zhǔn)確率較低。

假設(shè)鏈路傳輸中包λ(數(shù)據(jù)包或確認(rèn)包)的錯(cuò)誤概率為pλ，最大重傳嘗試為r，那么在節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤判斷鏈路層傳輸沒有成功的概率為：

(7)

式(7)表示節(jié)點(diǎn)在r+1次數(shù)據(jù)鏈路層傳輸中，有m(r>m>1)次傳輸數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功到達(dá)了下一跳節(jié)點(diǎn)。但是，由于節(jié)點(diǎn)沒有接收到下一跳確認(rèn)，所以誤認(rèn)為數(shù)據(jù)包沒有成功發(fā)送。

圖2給出了在不同的最大重傳嘗試次數(shù)下的節(jié)點(diǎn)誤判丟包的概率?？梢钥闯稣`包率的增大會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)誤判丟包的概率增大。而最大重傳嘗試次數(shù)越大，這種誤判發(fā)生的概率會(huì)越小。這可能是由于總的丟包概率跟隨最大重傳嘗試次數(shù)的增加而變小，為此需要給出誤判丟包的概率在總丟包概率中所占的比例。圖3為不同的最大重傳嘗試次數(shù)下誤判丟包的概率在總丟包概率中所占的比例，結(jié)果表明在鏈路層丟包的誤判總是存在，且所占比例較高。較大的最大重傳嘗試次數(shù)下鏈路層丟包的誤判比例明顯高于較大的最大重傳嘗試次數(shù)。表2中給出了數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包錯(cuò)誤概率對(duì)應(yīng)于誤包率的取值。

圖2　不同重傳嘗試下誤包率對(duì)誤判丟包的影響　　　圖3　誤判丟包在所有丟包中所占的比例

pλpDATApMACK0000.310.360.320.410.460.410.470.520.470.560.620.560.660.710.66

2.2緩存利用率

在本文提出的基于隊(duì)列緩存機(jī)制中，中間節(jié)點(diǎn)為了確保在緩存隊(duì)列中沒有無效的緩存分段，向下一跳節(jié)點(diǎn)詢問所緩存的包是否已接收，從而提高緩存利用率降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。緩存利用率的計(jì)算方式如下：

(8)

圖4給出了包含詢問機(jī)制與不包含詢問機(jī)制的分布式TCP緩存隊(duì)列利用率的比較。從仿真結(jié)果中可以看到，在不同的誤包率條件下，包含詢問機(jī)制的緩存隊(duì)列利用率幾乎達(dá)到了100%。但是由于在網(wǎng)絡(luò)中可能存在詢問包的丟失使得在較大的誤包率條件下，緩存隊(duì)列利用率反而會(huì)受到一定的影響。

圖4　有/無詢問策略時(shí)緩存隊(duì)列利用率比較

2.3能量消耗與網(wǎng)絡(luò)延時(shí)

為評(píng)估本文提出的分布式TCP緩存隊(duì)列策略的性能，在仿真軟件上實(shí)現(xiàn)了兩種類似的機(jī)制DTC和EDTC。實(shí)驗(yàn)在不同TCP連接數(shù)(1-6)條件下對(duì)兩種類似算法與本文所提機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)能耗與傳輸時(shí)間進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中所使用的IEEE 802.15.4節(jié)點(diǎn)的能量參數(shù)如表3所示。

表3　節(jié)點(diǎn)的能量參數(shù)取值

根據(jù)表格所給出的參數(shù)在誤包率為0.3條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所得到的仿真結(jié)果見圖5和圖6所示。可以觀察到，TCP連接數(shù)不斷增加時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)中要發(fā)送數(shù)據(jù)總數(shù)增加所以網(wǎng)絡(luò)中能量開銷增大。而本文提出的分布式TCP緩存隊(duì)列機(jī)制在總數(shù)據(jù)發(fā)送量增大時(shí)，并沒有增加端到端重傳次數(shù)從而使得能量開銷隨TCP連接數(shù)線性遞增，并且大部分重傳由中間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行所以網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間保持在一定水平。相比基于隊(duì)列的緩存機(jī)制，DTC和EDTC機(jī)制在TCP連接數(shù)較大時(shí)，某些中間節(jié)點(diǎn)可能承擔(dān)著多個(gè)連接的傳輸流，導(dǎo)致傳輸過程中丟失的分段不能有效地存儲(chǔ)在中間節(jié)點(diǎn)，必須執(zhí)行端到端的重傳才能完成錯(cuò)誤恢復(fù)。所以在仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)TCP連接超過3的時(shí)候EDTC和DTC的能量消耗猛然增加。由于EDTC和DTC在TCP連接較大時(shí)存在較多的端到端重傳，所以網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)間就會(huì)增加。

圖5　能量消耗比較　　　　　圖6　傳輸時(shí)間比較

3結(jié)語

本文給出了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中一種基于緩存隊(duì)列的分布式TCP分段丟包恢復(fù)策略，并分析出鏈路層確認(rèn)機(jī)制的丟包判斷方法會(huì)導(dǎo)致隊(duì)列中存在無效緩存分段，所以緩存管理采用詢問方式確認(rèn)緩存是否有效。為緩解緩存隊(duì)列存儲(chǔ)空間的不足，根據(jù)公式權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，最終確定是否主動(dòng)發(fā)起本地重傳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的分布式TCP緩存隊(duì)列策略能夠有效地減少TCP端到端丟包恢復(fù)所帶來的能量損耗。

參考文獻(xiàn)

[1] Tiglao N M C,Grilo A M.An analytical model for transport layer caching in wireless sensor networks[J].Performance Evaluation,2012,69(5):227-245.

[2] Stann F,Heidemann J.RMST:Reliable Data Transport in Sensor Networks[C]//First International Workshop on Sensor Net Protocols and Applications,2003:102-112.

[3] Wan C Y,Campbell A T,Krishnamurthy L.PSFQ:a reliable transport protocol for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 1st ACM international workshop on Wireless sensor networks and applications,2002:1-11.

[4] Marchi B,Grilo A,Nunes M.DTSN:Distributed transport for sensor networks[C]//12th IEEE Symposium on Computers and Communications,2007:165-172.

[5] Chauhan N,Awasthi L,Chand N.Global cooperative caching for Wireless Sensor Networks[C]//Information and Communication Technologies (WICT),2011:235-239.

[6] Tiglao N M C,Grilo A M.On the optimization and comparative evaluation of a reliable and efficient caching-based WSN transport protocol[C]//Design of Reliable Communication Networks (DRCN),9th International Conference,2013:226-233.

[7] Tiglao N M C,Grilo A M.Cross-layer caching based optimization for wireless multimedia sensor networks[C]//Wireless and mobile computing,networking and communications (WiMob),IEEE 8th international conference,2012:697-704.

[8] Buttyán L,Grilo A M.A secure distributed transport protocol for wireless sensor networks[C]//Communications (ICC),2011 IEEE International Conference,2011:1-6.

[9] Braun T,Voigt T,Dunkels A.TCP support for sensor networks[C]//Wireless on Demand Network Systems and Services,Fourth Annual Conference,2007:162-169.

[10] Dunkels A,Alonso J,Voigt T,et al.Distributed TCP caching for wireless sensor networks[C]//3rd Annual Mediterranean Ad-Hoc Networks Workshop,2004.

[11] Ayadi A,Maille P,Ros D.Improving distributed TCP caching for wireless sensor networks[C]//Ad Hoc Networking Workshop (Med-Hoc-Net),The 9th IFIP Annual Mediterranean,2010:1-6.

[12] Paxson V,Allman M,Chu J,et al.Computing TCP’s Retransmission Timer[S].RFC6298,IETF,June 2011.

[13] IEEE Computer Society.IEEE Standard for Information technology-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPAN)[S].IEEE Std 802.15.4-2006,October 2006.

[14] Vasseur J,Kim M,Pister K,et al.Routing metrics used for path calculation in low power and lossy networks[S].RFC 6551,IEFT,March 2012.

DISTRIBUTED TCP CACHING QUEUE STRATEGY IN 6LOWPAN

Ji FushengZhou Xiaolong

(BroadbandUbiquitousNetworkResearchLaboratory,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

AbstractWe proposed a distributed TCP cache queue strategy for the problem of frequent end-to-end data retransmission when the packets’ missing is serious in 6LoWPAN with multiple TCP connections. This method can make the intermediate nodes reasonably cache the missing segments of different TCP connections when the link layer transmission is failure, so as to ensure the performance of each TCP connection and reduce the energy consumption of the network. In addition, when transmitting the data frames of link layer by adopting ARQ mechanism, there are some actually non-missing segments in cache queue due to the intermediate nodes having low accuracy in judging the packet missing, to retransmit these non-missing segments will cost extra energy and reduce the utilisation of cache queue. Therefore, the cache management checks whether or not the segment has lost by asking the neighbouring node and deletes the invalid cached segments timely. Experimental results showed that the performance of the network with multiple TCP connections and the utilisation of cache queue had been greatly improved by using distributed TCP cache queue strategy.

KeywordsIPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)Transmission control protocol (TCP)Automatic repeat request (ARQ)Cache queuePacket recovery

收稿日期：2014-11-11。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371097)。吉福生，工程師，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)管理及無線網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)。周小龍，碩士生。

中圖分類號(hào)TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.030