CN101188473B - 无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法 - Google Patents
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Abstract
一种通信技术领域的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，包括如下步骤：步骤一，增加速率控制定时器，实现小数发送窗口；步骤二，在慢启动阶段，当收到的确认个数超过一个门限Ns时发送窗口W增加1，小于门限Ns时发送窗口保持不变；步骤三，在拥塞控制阶段，当收到的确认个数超过预设门限NCA时将发送窗口W增加1/W，当小于预设门限NCA时，发送窗口W保持不变，其中预设门限NCA大于步骤二中的门限Ns；步骤四，设置慢启动门限Wth，跟踪稳定的网络发送窗口。本发明的Vegas-W方法在无线自组织网络中的吞吐量性能优于TCP-Vegas方法最大87％，优于FeW方法最大22％。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法。
背景技术
无线自组织网络飞速发展，以WLAN(无线局域网)、无线传感器网络等形式广泛应用于生产生活实践。但是，在无线自组织网络的自身特性(比如隐藏终端、暴露终端、信道误码、拓扑变化等)的限制下，无线自组织网络的吞吐量、时延性能与有线网络相比有很大差距，尚不能满足人们对于大量数据传输的需求。端到端的吞吐量受限于有效信道带宽与空间信道复用率。但是将传统用于有线网络的TCP(传输控制)协议运行于无线自组织网络上所获得的端到端吞吐量相比于理论值有较大的差距。其原因是多方面的，包括隐藏终端引起的网络冲突，暴露终端引起的带宽浪费，网络拓扑变化引起的路由中断触发不必要的发送速率调整，发送端传输层的过度发送等。在以往的分析中，大多认为无线自组织网络的易错无线信道、MAC层接入冲突与路由协议降低了传输层端到端的吞吐量。由于无线自组织网络的时延带宽乘积比较小，TCP的过快增长速度直接导致了吞吐量的下降。Kitae Nahm 2005年在ACM MobiHoc会议发表的“TCP over multihop802.11 networks：issues and performance enhancement”(TCP在802.11网络中的问题与性能增强)一文中分析了基于丢包概率的TCP-NewReno(TCP协议Newreno版本，一种广泛应用的TCP协议)在无线自组织网络中的性能，并提出了分数窗口增长机制FeW，有效的提高了TCP-NewReno在无线自组织网络中的性能。
经对现有技术文献的检索发现，M.Berger等在发表于2006年的CERMA(电子、机器人与机械自动化会议)上的论文“A Performance Comparison of TCPProtocols over Mobile Ad Hoc Wireless Networks”(无线Ad Hoc网络中TCP协议的性能比较)，该文中比较了TCP-Vegas(TCP协议Vegas版本)，与TCP-NewReno(TCP协议Newreno版本)在无线网络中的吞吐量性能，TCP-Vegas是另外一种基于端到端时延的传输层协议，结果表明，前者吞吐量大于后者，但是，TCP-Vegas的性能却比Kitae Nahm提出的FeW算法差，对于如何提高其在无线自组织网络中的性能尚无相关报道。另外，TCP-Vegas的最小发送窗口大于等于1，发送窗口调整以整数为单位，并且每收到一个ACK调整一次发送速率，仿真结果表明，这会引起无线自组织网络的过载，从而增加冲突与拥塞，引起路由层的错误反应，增加网络额外负载，降低端到端吞吐量。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，即Vegas-W(无线TCP-Vegas协议)方法，使其支持小于1的发送窗口，发送端根据收到的ACK(确认)反映的网络状态信息，自适应的改变发送窗口大小与慢启动门限，提高其在无线自组织网络中的吞吐量性能。
本发明是通过如下技术方案实现的，包括如下具体步骤：
步骤一，增加速率控制定时器，实现小数发送窗口；
所述步骤一，具体为：当发送窗口W处于1并连续两次发生传输层超时，则启动小数发送窗口支持，将发送窗口设置为上次发送窗口的一半1/2，慢启动门限设为1，当发送窗口增加到大于1时，仍然按照整数窗口发送数据，在传输层与路由层之间增加一个速率控制定时器，当发送窗口W小于1时，启动速率控制定时器，定时周期为RTT/W，RTT为往返时间，当定时结束时，发送一个数据包，启动下一次定时；当发送窗口W大于1时，该速率控制定时器关闭，按照整数窗口发送数据，小数发送窗口支持阶段的发送速率增长机制与步骤二相同，但窗口增加的步长为1/2。
步骤二，在慢启动阶段，当收到的确认个数超过一个门限Ns时发送窗口W增加1，小于门限Ns时发送窗口保持不变；
所述步骤二，具体为：在慢启动阶段增加一个统计收到确认个数的变量ns，每次进入慢启动阶段时设其初值为0，当收到一个新的确认满足Δ小于γ时，变量ns增加1，当变量ns小于或者等于门限Ns时，发送窗口W保持不变，当变量ns大于门限Ns时，发送窗口W增加1，但是当Δ大于等于γ时，发送窗口减小W×p，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，p为窗口减小比例。
步骤三，在拥塞控制阶段，当收到的确认个数超过预设门限NCA时将发送窗口W增加1/W，当小于预设门限NCA时，发送窗口W保持不变，其中预设门限NCA大于步骤二中的门限Ns；
所述步骤三，具体为：在拥塞控制阶段增加一个统计受到确认个数的变量nCA，每次进入拥塞控制阶段时设变量nCA初值为0，当收到一个新的确认，并满足Δ小于α时，变量nCA增加1，如果增加后的nCA大于预设门限NCA，则发送窗口W增加1/W，否则发送窗口W保持不变；当Δ处于α与β之间时，变量nCA保持不变，发送窗口W保持不变；当Δ大于等于β时，变量nCA清零，发送窗口W减小1/W，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限，与有线TCP-Vegas相同。
步骤四，设置慢启动门限Wth，跟踪稳定的网络发送窗口。
所述步骤四，具体为：在连接初始化时，慢启动门限Wth设为2，在之后所有的慢启动阶段，如果Δ大于γ，则慢启动门限Wth设为当前窗口值减1，否则维持不变；在拥塞控制阶段，增加统计接收到确认个数的变量nsCA，如果Δ小于α，则变量nsCA不变，如果Δ大于β，则变量nsCA设为0，如果Δ处于α与β之间，则变量nsCA增加1，如果变量nsCA大于预设确认个数NSCA，则慢启动门限Wth设为当前发送窗口值，变量nsCA清零；在超时事件发生时，如果超时发生时的发送窗口W小于慢启动门限Wth，则超时次数toss增加1，如果超时次数toss超过超时次数门限TOss，则慢启动门限Wth减小1，超时次数toss清零，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明适用于时延带宽乘积比较小的无线自组织网络，通过修改TCP-Vegas的发送速率调整策略，形成一种适用于无线自组织网络的新型传输层协议Vegas-W方法，多种仿真结果表明Vegas-W在无线自组织网络中的吞吐量性能优于TCP-Vegas最大87％，优于FeW最大22％，并且在任一仿真场景下Vegas-W的吞吐量不低于Vegas与FeW。另外，本发明主要针对TCP-Vegas的基本发送速率控制机制，对于其他更复杂的控制机制，例如快速重传与快速恢复等保持不变。
附图说明
图1是本发明的实施例仿真场景的链式拓扑结构图；
图2是本发明的实施例中使用DSR(动态源路由协议)路由业务流为8时链式拓扑下与Vegas、FeW的吞吐量对比图；
图3是本发明的实施例中使用DSR路由业务流为4时链式拓扑下与Vegas、FeW的吞吐量对比图；
图4是本发明的实施例中使用DSR路由业务流为2时链式拓扑下与Vegas、FeW的吞吐量对比图；
图5是本发明的实施例中使用DSR路由业务流为1时链式拓扑下与Vegas、FeW的吞吐量对比图；
图6是本发明的实施例中使用AODV(按需距离矢量路由算法)路由业务流为为8时链式拓扑下与Vegas的吞吐量对比图；
图7是本发明的实施例中使用AODV路由业务流为为4时链式拓扑下与Vegas的吞吐量对比图；
图8是本发明的实施例中使用AODV路由业务流为为2时链式拓扑下与Vegas的吞吐量对比图；
图9是本发明的实施例中使用AODV路由业务流为为1时链式拓扑下与Vegas的吞吐量对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例的仿真环境参数设置如下：使用802.11作为MAC层协议，信道带宽为2Mbps，发送距离为250m，干扰距离为500m，相邻节点之间的距离为200m，包长为1024字节，相关参数设置如下：窗口增加1/W门限α＝1；窗口减小1/W门限β＝3；窗口减小门限γ＝1；窗口减小比例p＝1/8；门限Ns＝10；预设门限NCA＝100；预设确认个数NSCA＝100；超时次数门限TOss＝2。
如图2所示为本实施例仿真场景的链式拓扑结构，其中节点1为源节点，节点N为目的节点。
本实施例包括如下具体步骤：
步骤一，当发送窗口W处于1并连续两次发生传输层超时，则启动小数发送窗口支持，将发送窗口设置为上次发送窗口的一半1/2，慢启动门限设为1，当发送窗口增加到大于1时，仍然按照整数窗口发送数据，在传输层与路由层之间增加一个速率控制定时器，当发送窗口W小于1时，启动速率控制定时器，定时周期为RTT/W，RTT为往返时间，当定时结束时，发送一个数据包，启动下一次定时；当发送窗口W大于1时，该速率控制定时器关闭，按照整数窗口发送数据，小数发送窗口支持阶段的发送速率增长机制与步骤二相同，但窗口增加的步长为1/2。
步骤二，在慢启动阶段增加一个统计收到确认个数的变量ns，每次进入慢启动阶段时设其初值为0，当收到一个新的确认满足Δ小于γ＝1时，变量ns增加1，当变量ns小于或者等于门限Ns＝10时，发送窗口W保持不变，当变量ns大于门限Ns＝10时，发送窗口W增加1，但是当Δ大于等于γ＝1时，发送窗口减小W×(p＝1/8)，其中Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，p为窗口减小比例。
用公式表示慢启动阶段的窗口变化过程如下：
步骤三，在拥塞控制阶段增加一个统计受到确认个数的变量nCA，每次进入拥塞控制阶段时设变量nCA初值为0，当收到一个新的确认，并满足Δ小于α＝1时，变量nCA增加1，如果增加后的nCA大于预设门限NCA＝100，则发送窗口W增加1/W，否则发送窗口W保持不变；当Δ处于α＝1与β＝3之间时，变量nCA保持不变，发送窗口W保持不变；当Δ大于等于β＝3时，变量nCA清零，发送窗口W减小1/W，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限，与有线TCP-Vegas相同。
步骤三中发送窗口W变化过程用公式表示如下：
步骤四，在连接初始化时，慢启动门限Wth设为2，在之后所有的慢启动阶段，如果Δ大于γ＝1，则慢启动门限Wth设为当前窗口值减1，否则维持不变；在拥塞控制阶段，增加统计接收到确认个数的变量nsCA，如果Δ小于α＝1，则变量nsCA不变，如果Δ大于β＝3，则变量nsCA设为0，如果Δ处于α＝1与β＝3之间，则变量nsCA增加1，如果变量nsCA大于预设确认个数NSCA＝100，则慢启动门限Wth设为当前发送窗口值，变量nsCA清零；在超时事件发生时，如果超时发生时的发送窗口W小于慢启动门限Wth，则超时次数toss增加1，如果超时次数toss超过超时次数门限TOss＝2，则慢启动门限Wth减小1，超时次数toss清零，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限。
图2至图5给出了在使用DSR(动态源路由协议)路由时，Vegas-W与Vegas、FeW的吞吐量性能对比，图中参数多条业务流都是从相同的源节点到相同的目的节点。
如图2所示，当业务流为8时，Vegas-W的吞吐量优于Vegas 62％，优于FeW22％；
如图3所示，当业务流为4时，Vegas-W吞吐量优于Vegas 87％，与FeW基本相当；
如图4所示，当业务流为2时，Vegas-W吞吐量优于Vegas 27％，与FeW基本相当；
如图5所示，当业务流为1时，Vegas-W与Vegas基本相当，优于FeW 7％。仿真数据表明，在任一种仿真条件下，Vegas-W所获得的吞吐量都优于或不低于Vegas与FeW的吞吐量；
图6至图9给出了使用AODV(按需距离矢量路由算法)时，Vegas-W与Vegas的吞吐量对比，吞吐量增益与使用DSR路由协议时类似。
如图6所示，当业务流为8时，Vegas-W的吞吐量优于Vegas 35％；
如图7所示，当业务流为4时，Vegas-W的吞吐量优于Vegas 33％；
如图8所示，当业务流为2时，Vegas-W的吞吐量优于Vegas 30％；
如图9所示，当业务流为1时，Vegas-W与Vegas基本相当。
结果表明，Vegas-W适用于不同的路由协议，可以获得近似的吞吐量增益。
Claims (6)
1.一种无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，增加速率控制定时器，实现小数发送窗口，具体为：当发送窗口W处于1并连续两次发生传输层超时，则启动小数发送窗口支持，将发送窗口设置为上次发送窗口的1/2，慢启动门限设为1，当发送窗口增加到大于1时，仍然按照整数窗口发送数据，在传输层与路由层之间增加一个速率控制定时器，当发送窗口W小于1时，启动速率控制定时器，定时周期为RTT/W，RTT为往返时间，当定时结束时，发送一个数据包，启动下一次定时；当发送窗口W大于1时，该速率控制定时器关闭，按照整数窗口发送数据，小数发送窗口支持阶段的发送速率增长机制与步骤二相同，但窗口增加的步长为1/2；
步骤二，在慢启动阶段，当收到的确认个数超过一个门限Ns时发送窗口W增加1，小于门限Ns时发送窗口保持不变；
步骤三，在拥塞控制阶段，当收到的确认个数超过预设门限NCA时将发送窗口W增加1/W，当小于预设门限NCA时，发送窗口W保持不变，其中预设门限NCA大于步骤二中的门限Ns；
步骤四，设置慢启动门限Wth，跟踪稳定的网络发送窗口。
2.根据权利要求1所述的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征是，所述步骤二，具体为：在慢启动阶段增加一个统计收到确认个数的变量ns，每次进入慢启动阶段时设其初值为0，当收到一个新的确认满足Δ小于γ时，变量ns增加1，当变量ns小于或者等于门限Ns时，发送窗口W保持不变，当变量ns大于门限Ns时，发送窗口W增加1，但是当Δ大于等于γ时，发送窗口减小W×p，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，p为窗口减小比例。
3.根据权利要求1所述的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征是，所述步骤三，具体为：在拥塞控制阶段增加一个统计收到确认个数的变量nCA，每次进入拥塞控制阶段时设变量nCA初值为0，当收到一个新的确认，并满足Δ小于α时，变量nCA增加1，如果增加后的nCA大于预设门限NCA，则发送窗口W增加1/W，否则发送窗口W保持不变；当Δ处于α与β之间时，变量nCA保持不变，发送窗口W保持不变；当Δ大于等于β时，变量nCA清零，发送窗口W减小1/W，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限。
4.根据权利要求1所述的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征是，步骤四中，在连接初始化时，慢启动门限Wth设为2，在之后所有的慢启动阶段，如果Δ大于γ，则慢启动门限Wth设为当前窗口值减1，否则维持不变，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，γ为窗口减小门限。
5.根据权利要求1所述的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征是，步骤四中，在拥塞控制阶段，增加统计接收到确认个数的变量nsCA，如果Δ小于α，则变量nsCA不变，如果Δ大于β，则变量nsCA设为0，如果Δ处于α与β之间，则变量nsCA增加1，如果变量nsCA大于预先设定的稳定接收确认的个数NSCA，则慢启动门限Wth设为当前发送窗口值，变量nsCA清零，其中，Δ为期望发送速率与实际发送速率的差，α为窗口增加1/W门限，β为窗口减小1/W门限。
6.根据权利要求1所述的无线自组织网络中的传输层发送速率自适应调整方法，其特征是，步骤四中，在超时事件发生时，如果超时发生时的发送窗口W小于慢启动门限Wth，则超时次数toss增加1，如果超时次数toss超过超时次数门限TOss，则慢启动门限Wth减小1，超时次数toss清零。
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