CN117412330A - 一种多层协作的无线自组织网络tcp拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动自组织网络技术领域，特别涉及一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法。其技术方案为：一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，包括以下步骤：S1：当节点发送一个请求发送控制报文RTS或允许发送控制报文CTS成功后，周围节点根据收到的RTS或CTS设置自己的网络分配适量NAV；未接收到RTS帧的节点重传RTS帧，当重传达到限定次数时，发送链路断开信息给源节点；S2：当节点路由协议收到链路层的链路失效指示时，路由协议对链路失效真实性进行判断；S3：设置最大拥塞窗口。本发明提供了一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法。

Description

一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法

技术领域

本发明属于移动自组织网络技术领域，特别涉及一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法。

背景技术

无线自组织网络是没有任何中心实体的自组织网络，依靠节点间的相互协作(在事先设计好的各种协议的支持下)在移动、复杂多变的无线环境中自行成网，借助多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离，从而拓宽网络的覆盖范围，为用户提供各种服务、传输各种业务。

由于无线通信信道传输速率较地面通信速率低(如光纤通信)，信道误码率比地面线路高，因此，现有的无线自组织网络几乎都毫无例外地借用了OSI的协议层次结构。TCP作为目前OSI中使用最多的传输协议，是一种面向连接的可靠的传输层协议，最初是针对有线网络而设计的。由于有线网络链路可靠性高，传统TCP认为丢包是由网络拥塞所导致的，而无线自组织网络链路的高误码率和节点移动等会导致丢包，节点移动切换也会导致乱序，传统TCP没有考虑非拥塞因素的乱序和丢包，其拥塞控制机制是导致TCP协议在无线自组织网络中性能下降的主要原因。

随着节点的增多以及TCP流发送端和接收端的跨度增加，网络的有效带宽将变得很小。而传统TCP的拥塞窗口cwnd增长没有限制，允许TCP流尽可能大的得到网络带宽，这样往往使cwnd趋于一个比较大的值。TCP拥塞窗口值大小代表了节点可以向网络注入数据量的多少，注入网络中的流量增加，MAC层丢包的概率也随着增加。传统TCP拥塞控制算法在移动无线自组织网络中显得过于激进，这将严重加剧网络的拥塞传统TCP不加改进就运用于无线自组织网络的话，势必引起无线自组织网络的传输性能严重下降。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，包括以下步骤：

S1：当节点发送一个请求发送控制报文RTS或允许发送控制报文CTS成功后，周围节点根据收到的RTS或CTS设置自己的网络分配适量NAV；未接收到RTS帧的节点重传RTS帧，当重传达到限定次数时，发送链路断开信息给源节点；

S2：当节点路由协议收到链路层的链路失效指示时，路由协议对链路失效真实性进行判断；

S3：设置最大拥塞窗口。

作为本发明的优选方案，步骤S2具体为：

当某个节点网络层收到来自链路层的到下一跳的链路失效指示时，立即向TCP源端发送通告信息，让源端不再发送任何数据包，并且冻结重传定时器和拥塞窗口大小；

向对应的下一跳节点发送Hello消息来探测链路的连通；若在三个Hello消息周期内没有收到下一跳对于Hello消息的应答，则判定链路已经断开，继续冻结源端TCP，并且启动路由发现过程；若在三个Hello周期内收到应答，则表明刚才的链路不是真正断开的，则恢复源端TCP传输。

作为本发明的优选方案，步骤S3具体为：

最大拥塞窗口maxcwnd的取值为：

其中h为TCP源节点到目的节点间连接的跳数。

作为本发明的优选方案，在步骤S3中，由于源节点与目的节点之间的连接跳数被保存在网络层的路由表里面，则通过在传输层直接获取TCP源节点到目的节点间连接的跳数h。

作为本发明的优选方案，在步骤S3中，当路由表里面不存在到目的节点的路由时，源节点停止发送所有数据，等待新的路由建立后再计算拥塞窗口值。

作为本发明的优选方案，在步骤S1中，未接收到RTS帧的节点重传RTS帧的限定次数为七次。

本发明的有益效果为：

本发明的多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法中，网络层通过延迟寻路判断链路断开信息的真实性，反馈给TCP。为使整个网络达到比较大的总吞吐量，传输层利用网络层路由协议中源节点到达目的节点的跳数来动态调整TCP拥塞窗口大小，缓解网络拥塞。这种方法能有效区分错误链路断开信息，避免了频繁的路由发现过程，并且使网络吞吐量有了很大的提高，解决了传统TCP拥塞控制方法在移动自组织网络中性能低效的问题。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是无线10跳静态网络场景图；

图3是链式拓扑中不同跳数时网络吞吐量比较图；

图4是链式拓扑中不同跳数时端到端平均时延图；

图5是随机拓扑不同节点速度平均吞吐量比较图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，在移动自组织网络中，当节点发送一个请求发送控制报文RTS(Request to Send)或允许发送控制报文CTS(Clear to Send)成功后，周围节点会根据收到的RTS或CTS设置自己的网络分配适量NAV(Network Allocation Vectors)，在这段时间内节点不能发送任何信息，这样会导致其他节点发送RTS帧后，等待接收CTS帧。但是由于接收到RTS帧的节点不能发送任何信息，而使其他节点重传RTS帧。当重传次数达到七次时，就认为是链路发生故障，就发送链路断开信息给源节点，触发耗时的路由发现过程，路由发现过程严重降低网络的稳定性和吞吐量。而这个链路断开事件本身是不存在的，只是移动自组织网络特殊环境下所产生的。鉴于这种情况，我们可以当节点路由协议收到链路层的链路失效指示时，不立即启动路由发现过程，而是等待一定时间判断链路是否真的断开。这样能减少错误链路断开信息的影响和耗时的路由发现过程。

设置适当的TCP拥塞窗口大小可以增加网络总的吞吐量。过多的数据注入网络反而会引起网络总吞吐量的下降，本发明利用源节点与目的节点之间的跳数来控制源端TCP拥塞窗口的目的。

具体地，路由协议对链路失效真实性判断包括以下步骤：

当某个节点网络层收到来自链路层的到下一跳的链路失效指示时，立即向TCP源端发送通告信息，让源端不再发送任何数据包，并且冻结重传定时器和拥塞窗口大小。但是并不马上启动路由发现过程，而是向对应的下一跳节点发送Hello消息来探测链路的连通，在三个Hello消息周期(HELLO_INTERVAL)内若没有收到下一跳对于Hello消息的应答，则判定链路已经断开，继续冻结源端TCP，并且启动路由发现过程。若在三个Hello周期内收到应答，则表明刚才的链路不是真正断开的，这时恢复源端TCP传输。延迟的路由发现过程在移动自组织网络中能有效的减少假的链路失效信息带来的路由发现开销。

具体地，设置最大拥塞窗口包括以下步骤：

在移动自组织网络中，当TCP拥塞窗口最大值等于四分之一跳数时，网络的空间吞吐量达到最大，而源节点与目的节点之间的连接跳数被保存在网络层的路由表里面，可以通过在传输层直接获取该信息来计算发送数据时所使用的拥塞窗口大小。同时，传输层在网络层维持一个函数，当到达目的节点的路由改变引起源目节点之间跳数变化时，自动激活该函数以通告TCP设置新的拥塞窗口最大值的大小。当路由表里面不存在到目的节点的路由时，源节点停止发送所有数据，等待新的路由建立后再计算拥塞窗口值。

为此，对最大拥塞窗口maxcwnd的取值为：

其中h为TCP源节点到目的节点间连接的跳数。当TCP源节点与目的节点之间的跳数小于4时，maxcwnd取值为1。

采用这样的算法使节点最大拥塞窗口值远远小于传统TCP的拥塞窗口值，将拥塞窗口门限值的大小直接赋值为最大拥塞窗口值，这样若节点因某些原因触发慢启动过程，即使采用加法增大的二进制增长方式，也不至于使网络出现拥塞。

以下通过实验比较传统移动自组织网络中TCP和多层协作的无线自组织TCP性能，网络场景分别采用跳数不同的静态多跳链式拓扑和有50个移动节点的随机拓扑。

静态拓扑网络性能：

设置一个静态10跳网络，如图2所示。考虑只有一个TCP连接的情况，以节点0为TCP源节点，其他节点分别作为跳数不同时的TCP目的节点。改进前网络参数配置与如表1所示，对比实验采用改进后的TCP算法。图3是实验得到的网络平均吞吐率，图4是实验得到的网络端到端平均时延。

表1静态多跳无线网络参数配置

无线传播模型	TwoRayGround	接口队列类型	DropTail/PriQueue
				IFQ最大报文数	50	信道带宽	2Mbit/s
MAC协议	IEEE802.11	路由协议	AODV
				TCP包大小	1460bytes	TCP版本	Newreno
节点个数	10	仿真时间	150s

实验发现在跳数小于3的时候，网络的平均吞吐率相差不大，这是因为此时网络不存在隐藏终端的问题，所有节点都能检测到其他节点的发送，这时起关键作用的不是拥塞窗口大小，而是IEEE802.11的RTS-CTS-DATA-ACK机制。当跳数大于3时，网络中存在隐藏终端问题，IEEE802.11不能解决由隐藏终端带来的共享信道的竞争问题，这时起关键作用的是TCP拥塞窗口的大小，控制TCP拥塞窗口大小，就可以控制注入网络中的数据量，从而缓解信道竞争的程度。此时根据源目节点之间的跳数来控制拥塞窗口最大值，使网络吞吐量达到最优。通过比较得出网络平均吞吐量比原来为改进的方案提高了43％～281％。

由于同样的原因，在跳数小于3时，网络的端到端平均时延相差不大。而当跳数大于3时改进后的TCP的端到端平均时延比传统TCP小得多。分析得知当跳数等于5时采用改进后TCP时，网络重新寻路的次数比采用传统TCP时少了37次路由发现过程。原因有两点，一是网络中数据量减小，可以减少链路层冲突，使得链路层断开的可能性降低。二是延迟路由发现过程，可以有效的区分链路断开的真实性，大大节省了路由发现的开销，从而降低了端到端平均时延。

随机拓扑网络性能：

模拟一个节点随机移动的动态网络拓扑结构，对比采用不同方案时网络的性能。首先考虑网络中存在10个TCP连接时，节点不同的移动速度的网络平均吞吐量。实验场景设置如表2所示。

表2随机拓扑网络参数配置

在理论上，节点移动速度越大，网络中的链路断开的可能性也越大，网络的整个吞吐量应该越小。但是在该场景中节点移动速度、TCP连接的两个节点和TCP建立的时间都是随机的，这样很可能以较快速度的节点在某一其它节点需要与其建立TCP连接的时刻刚好移动到其它节点的通信范围内，源节点很快发现目的节点，并建立TCP连接，使得网络中总的吞吐量反而比移动速度小的时候更大。在模拟过程中必须考虑这种随机性。因此我们将每种速度分别在多个不同的随机拓扑中进行实验，利用多次仿真的结果取其平均值，得到的仿真结果如图5所示。

网络平均吞吐率随着节点移动速度的增大而减小，在速度较小的情况下采用改进后TCP的方案比采用传统TCP的方案的平均吞吐率有较大增加，但是这种增加是随着节点移动速度增大而减小的。原因是当节点移动速度增加后，节点移动出相互间的通信范围造成链路断开的可能性增加，并且这时分组丢失主要就是链路断开造成的。当移动速度较大时，改进后TCP吞吐率反而不如传统TCP因为这时链路断开是经常发生的，而且是真实的。采用延迟路由发现过程，将造成网络延时大大增加，从而降低整个网络的平均吞吐率。所以在节点高速移动的网络中，延迟路由发现过程是不适合的。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：当节点发送一个请求发送控制报文RTS或允许发送控制报文CTS成功后，周围节点根据收到的RTS或CTS设置自己的网络分配适量NAV；未接收到RTS帧的节点重传RTS帧，当重传达到限定次数时，发送链路断开信息给源节点；

S2：当节点路由协议收到链路层的链路失效指示时，路由协议对链路失效真实性进行判断；

S3：设置最大拥塞窗口。

2.根据权利要求1所述的一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：步骤S2具体为：

当某个节点网络层收到来自链路层的到下一跳的链路失效指示时，立即向TCP源端发送通告信息，让源端不再发送任何数据包，并且冻结重传定时器和拥塞窗口大小；

向对应的下一跳节点发送Hello消息来探测链路的连通；若在三个Hello消息周期内没有收到下一跳对于Hello消息的应答，则判定链路已经断开，继续冻结源端TCP，并且启动路由发现过程；若在三个Hello周期内收到应答，则表明刚才的链路不是真正断开的，则恢复源端TCP传输。

3.根据权利要求1所述的一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：步骤S3具体为：

最大拥塞窗口maxcwnd的取值为：

其中h为TCP源节点到目的节点间连接的跳数。

4.根据权利要求3所述的一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：在步骤S3中，由于源节点与目的节点之间的连接跳数被保存在网络层的路由表里面，则通过在传输层直接获取TCP源节点到目的节点间连接的跳数h。

5.根据权利要求4所述的一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：在步骤S3中，当路由表里面不存在到目的节点的路由时，源节点停止发送所有数据，等待新的路由建立后再计算拥塞窗口值。

6.根据权利要求1所述的一种多层协作的无线自组织网络TCP拥塞控制方法，其特征在于：在步骤S1中，未接收到RTS帧的节点重传RTS帧的限定次数为七次。