專利名稱：一種基于跨層協(xié)作機(jī)制提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能 的技術(shù)。
技術(shù)背景在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，按需路由協(xié)議(例如DSR和AODV等)是用得最 多，也是最常用的路由協(xié)議。按需路由協(xié)議是在連接的建立階段，按照連接 的需求而建立的。按需路由協(xié)議通過對MAC層的丟包探查來判斷是否需要進(jìn) 行路由的維護(hù)和重建；也就是說， 一旦路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)了 MAC層丟包，它就會 觸發(fā)路由的發(fā)現(xiàn)和重建。無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的按需路由協(xié)議對802. 11MAC層 的丟包敏感度很高。通過大量的試驗，我們發(fā)現(xiàn)在802. 11網(wǎng)絡(luò)中一旦MAC層 (物理層)的丟包被發(fā)現(xiàn)，ad hoc的按需路由協(xié)議就會觸發(fā)路由的發(fā)現(xiàn)與重 建。但是該路由協(xié)議卻不能夠區(qū)分由何種因素導(dǎo)致的MAC丟包，并針對不同 的丟包采取不同的處理方法。所以，只要發(fā)現(xiàn)MAC層有丟包發(fā)生，按需路由 協(xié)議就會進(jìn)行路由的發(fā)現(xiàn)與重建，導(dǎo)致無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的TCP進(jìn)入不必要 的重傳與慢啟動，大大降低了無線網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能。這主要是因為802. 11MAC只是路由層與低層之間的中間層，它沒有足夠的能力來區(qū)分并處理由不同原 因引起的丟包。同時，傳統(tǒng)的TCP協(xié)議(如TCP Reno)的窗口機(jī)制也會對802. 11的無 線ad hoc網(wǎng)絡(luò)造成很大的影響。TCP傳輸控制層協(xié)議為了提高自身的吞吐量 性能，會盡可能多的向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)(由擁塞窗口值cwnd就可以知道TCP
的數(shù)據(jù)發(fā)送速率是一直在增加的)直到網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。所以當(dāng)我們將傳統(tǒng)的TCP的窗口機(jī)制運(yùn)用在無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)中時，TCP會盡可能多地向網(wǎng)絡(luò)中發(fā) 送數(shù)據(jù)包，但是因為無線網(wǎng)絡(luò)鏈路的容量較低，所以擁塞常常是發(fā)生在無線 鏈路中而不是隊列中，造成鏈路的競爭丟包，觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)與重建機(jī)制。當(dāng) TCP向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送了過多的數(shù)據(jù)包而超過了一個極限值之后，就會導(dǎo)致MAC層 的競爭丟包，而不是節(jié)點的隊列丟包；也就會導(dǎo)致802. 11網(wǎng)絡(luò)中的按需路由 協(xié)議觸發(fā)不必要的路由重建，從而導(dǎo)致TCP的性能下降。為了解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下由于網(wǎng)絡(luò)擁塞和高誤碼率丟包而引起 的不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建機(jī)制，我們在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中采用一種新的跨 層優(yōu)化策略VDSR++的解決方案
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種能夠區(qū)分導(dǎo)致MAC層丟包因 素的路由協(xié)議，從而針對造成丟包的不同因素采取不同處理方法的跨層優(yōu)化 策略VDSR++，克服因為網(wǎng)絡(luò)擁塞和高誤碼率而引起不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建。
本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是將DSR++跨層機(jī)制與TCP Veno協(xié)議 相結(jié)合，提出一種結(jié)合了MAC層、網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層的跨層優(yōu)化協(xié)議VDSR++, 來解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞和高誤碼率而引起的不必要的路由發(fā) 現(xiàn)與重建機(jī)制問題。在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，首先將802. 11MAC層的參數(shù)信息 傳遞到網(wǎng)絡(luò)IP層，在802. 11 MAC層和1 層運(yùn)用跨層協(xié)作機(jī)制051^++，解決 無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞而引起的路由發(fā)現(xiàn)與重建；然后在傳輸層采 用能更適應(yīng)無線傳輸環(huán)境的TCP Veno協(xié)議，解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的高誤碼 率問題。
跨層優(yōu)化協(xié)議VDSR++具體實施過程包括，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)IP層中DSR按需路 由協(xié)議響應(yīng)802. 11MAC層連續(xù)丟包的個數(shù)或者響應(yīng)鏈路連續(xù)失敗的次數(shù)確定 一個按需路由協(xié)議的閾值e，控制處理器向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送探測信號，位于網(wǎng)絡(luò)層 的探測模塊接收802.11MAC層反饋的函數(shù)和消息，根據(jù)最大重傳次數(shù)判斷是 否有連續(xù)的丟包發(fā)生，并記錄鏈路連續(xù)失敗(鏈路斷路)次數(shù)L，比較模塊調(diào) 用存儲器中的L與0的值，比較其大小，根據(jù)L與P的關(guān)系，確定鏈路連 接所處的狀態(tài)，以解決路由層因為對802. 11MAC層丟包的敏感度高而觸發(fā)不 必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建。采用TCP Veno的窗口調(diào)整算法調(diào)整擁塞避免階段的擁塞窗口值，根據(jù) 報文積壓長度判斷鏈路連接所處的階段并在不同階段采取不同的處理方式， 如果是由鏈路造成的隨機(jī)丟包，不啟動路由的發(fā)現(xiàn)與重建，如果丟包是由于 網(wǎng)絡(luò)擁塞引起，降低窗口的增加速度，使TCP Veno能更長時間的處于較大的 窗口數(shù)目狀態(tài)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。本發(fā)明主要結(jié)合802. IIMAC層、網(wǎng)絡(luò)IP層和傳輸層的跨層協(xié)作，提出 一種能夠區(qū)分導(dǎo)致MAC層丟包因素，從而針對不同的丟包類型采取不同的處 理方法的路由協(xié)議，解決了無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞和高誤碼率而引 起的不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建機(jī)制問題，很好地提高了無線自組織網(wǎng)絡(luò)在無 線高誤碼率環(huán)境中的傳輸性能。


圖1所示為本發(fā)明所述跨層機(jī)制031 ++控制處理流程圖 圖2擁塞避免階段窗口調(diào)整算法示意圖具體實施方式
在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，采用按需路由協(xié)議DSR的TCP連接中， 一旦按需 路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)了 MAC層丟包就會馬上觸發(fā)路由新建機(jī)制(即對丟包反應(yīng)太敏 感)；由于網(wǎng)絡(luò)的擁塞丟包與信道的高誤碼率丟包，使得對MAC層丟包敏感度 過高的DSR路由協(xié)議產(chǎn)生不必要的路由重建。這樣會大大浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源(很 大一部分網(wǎng)絡(luò)資源被用去進(jìn)行不必要的路由維護(hù)和重建)，導(dǎo)致TCP網(wǎng)絡(luò)的性 能下降。為了降低DSR路由協(xié)議對MAC層丟包的敏感度，從而降低路由發(fā)現(xiàn)和重 建的次數(shù)。本發(fā)明利用一種跨層機(jī)制DSR with DAMPEN policy (簡稱為DSR++) 協(xié)議與802. 11MAC的層間協(xié)作來解決這個問題，在802. 11的MAC層與IP層 之間進(jìn)行參數(shù)交互，達(dá)到跨層協(xié)作的目的。首先對跨層機(jī)制051 ++的具體實現(xiàn)過程作詳細(xì)描述。如圖1所示為跨層 機(jī)制051 ++的處理過程流程圖。在802. 11MAC層中，最大重傳次數(shù)RTS/CTS的設(shè)置解決了無線ad hoc 中的隱藏終端和暴露終端問題，默認(rèn)值為7,它的作用是在數(shù)據(jù)包傳輸之前首 先發(fā)送一個探測信號用來探測信道是否可用，在RTS/CTS連續(xù)重傳失敗7次 之后說明信道不可用，那么相應(yīng)的數(shù)據(jù)包就不會發(fā)送；進(jìn)入路由維護(hù)與重建 階段。只有在RTS/CTS傳輸成功之后，才開始傳輸對應(yīng)的數(shù)據(jù)包。在802. 11MAC層中加入一個反饋函數(shù)和一個消息，將802. 11MAC層的參 數(shù)信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)IP層，在802. IIMAC層和1 層運(yùn)用跨層機(jī)制051 ++，解決 無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞而引起的路由發(fā)現(xiàn)與重建。根據(jù)加載在網(wǎng)絡(luò)IP層中DSR按需路由協(xié)議響應(yīng)802. 11MAC層連續(xù)丟包 的個數(shù)或者響應(yīng)鏈路連續(xù)失敗的次數(shù)確定一個按需路由協(xié)議的閾值0 ，將該
閾值存入存儲器中。在網(wǎng)絡(luò)中控制處理器發(fā)送探測信號，探測模塊判斷是否有連續(xù)的丟包發(fā)生，并記錄鏈路連續(xù)失敗(鏈路斷路)次數(shù)L，比較模塊比較 L與P的大小，根據(jù)L與0的關(guān)系，確定鏈路連接所處的狀態(tài)，只有當(dāng)鏈路 連續(xù)失敗的次數(shù)等于3之后，按需路由協(xié)議DSR才會觸發(fā)路由的發(fā)現(xiàn)與重建。網(wǎng)絡(luò)中探測模塊根據(jù)最大重傳次數(shù)進(jìn)行判斷，信道中是否發(fā)生數(shù)據(jù)包的 丟失，如果發(fā)生連續(xù)的丟包，比較模塊調(diào)用存儲器中存儲的記錄當(dāng)前鏈路連 續(xù)失敗次數(shù)L，以及設(shè)置的閾值e，對其進(jìn)行比較判斷，如果L〈e，則控制 處理器控制丟掉當(dāng)前傳送的數(shù)據(jù)包，繼續(xù)向信道發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，并且當(dāng) 前的路由保持不變，控制處理器控制存儲器中的計數(shù)器加一，使得L' 二L+1， 得到新的當(dāng)前鏈路連續(xù)失敗次數(shù)L';如果l^P，按需路由協(xié)議DSR開始響應(yīng) 丟包，控制處理器將存儲器中L的值設(shè)置為0，根據(jù)DSR路由協(xié)議建立新的路 由，觸發(fā)必要的路由維護(hù)機(jī)制。當(dāng)鏈路連接結(jié)束，控制處理器將L重置為O。如果設(shè)置閾值3的值大于1，就會在很大程度上加強(qiáng)鏈路連接的健壯 性。因為802.U的MAC協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)包的最大重傳次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為7，也就 是說數(shù)據(jù)包在MAC層要被連續(xù)重傳7次，如果都沒有成功之后，才會被認(rèn)為 此數(shù)據(jù)包丟失。 一旦纊>1，那么在MAC層，數(shù)據(jù)包至少要被重傳7*3之后才 會被認(rèn)為已經(jīng)丟失，這樣就在很大程度上降低了 DSR路由協(xié)議響應(yīng)MAC丟包 的敏感度，大大降低了不必要的路由發(fā)現(xiàn)和重建的概率。采用031 ++跨層協(xié)作能夠較好的解決路由層因為對802. ll區(qū)C層丟包的 敏感度高而觸發(fā)的不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建；但是目前常規(guī)的處理方式中還 存在因為TCP層的窗口機(jī)制而引起的MAC層的競爭丟包(鏈路丟包)，也頻繁 觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)與重建機(jī)制，本發(fā)明采用TCP Veno協(xié)議的擁塞改進(jìn)算法。根據(jù)
隊列中積壓的報文個數(shù)確定擁塞窗口值。本發(fā)明采用TCP Veno的窗口調(diào)整算法調(diào)整擁塞避免階段的擁塞窗口值， 根據(jù)鏈路連接所處的階段采取不同的處理方式，首先判斷是由鏈路引起的丟 包，還是由擁塞引起的丟包。根據(jù)報文積壓長度N值指示當(dāng)前連接是否處于 擁塞階段。設(shè)定一個門限值P，比較判別模塊通過對報文積壓長度N和門限 值e的比較來區(qū)分當(dāng)前連接所處的狀態(tài)，如果N〈P，則認(rèn)為連接處于非擁塞 狀態(tài)，此時發(fā)生的丟包是由于鏈路造成的隨機(jī)丟包，而不是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo) 致。當(dāng)N》P時，認(rèn)為連接處于擁塞階段，此時丟包是由于網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生。 當(dāng)連接處于擁塞階段時，降低窗口的增加速度。使TCP Veno能更長時間的處 于較大的窗口數(shù)目狀態(tài)，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。如圖2所示為擁塞避免階段窗口調(diào)整算法示意圖。比較判斷模塊對數(shù)據(jù) 傳輸隊列中積壓的報文個數(shù)N及門限值e進(jìn)行比較，當(dāng)隊列中積壓的報文個 數(shù)超過門限值P后，判斷鏈路處于擁塞狀態(tài)，調(diào)用算法模塊，采用改進(jìn)的擁 塞避免算法計算發(fā)送端的擁塞窗口數(shù)cwnd，例如，當(dāng)每收到兩個新的請求確 認(rèn)ACK信號，cwnd值數(shù)目增加l，以此減緩窗口的增加速度，使窗口更長時 間地處于可工作狀態(tài)。當(dāng)隊列中積壓的報文個數(shù)未超過門限值e,網(wǎng)絡(luò)處于 非擁塞狀態(tài)時，采用加法增加算法計算發(fā)送端的擁塞窗口數(shù)cwnd;每收到一 個新的ACK確認(rèn)信號，cwnd值數(shù)目增加1。比起傳統(tǒng)TCP的每個RTT內(nèi)增加 一個擁塞窗口的處理方法，本發(fā)明降低了窗口增加的速率，也就降低了鏈路 擁塞的程度和概率，相應(yīng)地減少了鏈路丟包。也可建立請求確認(rèn)ACK信號與 擁塞窗口數(shù)其他對應(yīng)關(guān)系，改變窗口的增加速度。雖然造成MAC層丟包的因素不同，但是通過網(wǎng)絡(luò)層與MAC層之間信息的
反饋，達(dá)到了降低網(wǎng)絡(luò)層敏感度的目的。采用結(jié)合了 MAC層、網(wǎng)絡(luò)層與傳輸 層的跨層優(yōu)化協(xié)議VDSR++,能夠區(qū)分不同因素造成的MAC層丟包并采取相應(yīng) 的擁塞控制策略，避免了不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建。本發(fā)明在無線自組織網(wǎng) 絡(luò)中利用08&++跨層機(jī)制與TCP Veno協(xié)議相結(jié)合，同時解決了因為網(wǎng)絡(luò)擁塞 和高誤碼率兩種不同的問題而引起的不必要的路由發(fā)現(xiàn)與重建問題，提高了 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。下面以grid拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)為例，對采用本發(fā)明提高無線自 組織網(wǎng)絡(luò)性能作具體說明。假如設(shè)置按需路由協(xié)議的閾值3=2，表明使用跨層協(xié)議031 ++算法；0=1 表明使用的傳統(tǒng)DSR算法；P =0表明使用靜態(tài)路由協(xié)議；VDSIH+表示DSR++ 與TCP Veno相結(jié)合的跨層優(yōu)化協(xié)議算法；鏈路的誤碼率都為無線節(jié)點的無線 物理層的誤碼率。一共設(shè)置了49個無線節(jié)點，排列成等間隔均勻的成一個正方形分布，在 仿真環(huán)境中，每個節(jié)點的隊列長度為10，擁塞窗口 (cwnd)和通告窗口 (wnd) 均為12，數(shù)據(jù)包大小為1024個字節(jié)，節(jié)點的通信范圍為250m，載波感知范 圍為550m，每兩個節(jié)點之間均間隔200m，每個節(jié)點均靜止不動，在其中的兩 個節(jié)點之間建立一條FTP數(shù)據(jù)流。采用NS2仿真工具，仿真結(jié)果表明在不同 的誤碼率情況下，VDSR++的性能不僅比傳統(tǒng)的TCP Reno好，而且也比單獨(dú)使 用DSIH+與TCP Veno更好。結(jié)合DSIU+與TCP Veno的￥031 ++跨層優(yōu)化算法在 解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞和高誤碼率而引起的不必要的路由發(fā)現(xiàn) 與重建機(jī)制問題，提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能方面是比較好的。本方 法適用于靜態(tài)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)SANET和動態(tài)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)MANET中。
權(quán)利要求
1、 一種基于跨層協(xié)作機(jī)制提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能的方法，其特征在于，在網(wǎng)絡(luò)層確定一個按需路由協(xié)議的閾值P;探測模塊接收802.11 MAC層反饋 的函數(shù)和消息，根據(jù)最大重傳次數(shù)判斷是否有連續(xù)的丟包發(fā)生，并記錄鏈路連 續(xù)失敗的次數(shù)L;比較模塊根據(jù)L與P的關(guān)系，確定是否啟動路由發(fā)現(xiàn)和重建 機(jī)制；在傳輸層運(yùn)用TCP Veno協(xié)議，根據(jù)報文積壓長度判斷丟包的原因，如 果是由鏈路造成的隨機(jī)丟包，不啟動路由的發(fā)現(xiàn)和重建，如果是由網(wǎng)絡(luò)擁塞引 起的丟包，降低擁塞窗口的增加速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)跨層機(jī)制DSIH+響應(yīng) 802.11 MAC層連續(xù)丟包的個數(shù)或者響應(yīng)鏈路連續(xù)失敗的次數(shù)確定閾值P。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，最大重傳次數(shù)根據(jù)802. 11 MAC 協(xié)議確定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，如果L〈e，當(dāng)前的路由保持 不變，控制處理器控制存儲器中的L值加一；如果L4，按需路由協(xié)議響應(yīng)丟 包，控制處理器將存儲器中L的值設(shè)置為0，觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)和重建機(jī)制。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當(dāng)隊列中積壓的報文個數(shù)超 過門限值，鏈路處于擁塞狀態(tài)，每收到兩個新的請求確認(rèn)信號，擁塞窗口數(shù)增 加1;當(dāng)隊列中積壓的報文個數(shù)未超過門限值，是由鏈路造成的隨機(jī)丟包，每 收到一個新的確認(rèn)信號，擁塞窗口數(shù)增加l。
全文摘要
本發(fā)明請求保護(hù)一種利用VDSR++跨層優(yōu)化技術(shù)提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)性能的方法，涉及無線通信技術(shù)。該方法結(jié)合了MAC層、網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層的跨層優(yōu)化協(xié)議VDSR++優(yōu)化策略，在802.11MAC層和IP層運(yùn)用跨層機(jī)制DSR++，解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中因為網(wǎng)絡(luò)擁塞而引起的路由發(fā)現(xiàn)與重建；在傳輸層采用TCP Veno協(xié)議，解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中高誤碼率引起的路由發(fā)現(xiàn)與重建問題。提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)中TCP的性能。本方法適用于靜態(tài)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)SANET和動態(tài)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)MANET中。
文檔編號H04L12/56GK101146033SQ200710092928
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者述 唐, 謝顯中 申請人:重慶郵電大學(xué)