802．11协议在Ad

802．11协议在Ad 802(11协议在Ad 第26卷第3期南京邮电大学(自然科学版) 2006年6月JournalofNanjingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScien ce) Vol_26No.3 Jun.20o6 文章编号:1673-5439(2006)03-0033-04 802.11协议在Adhoc网络中的应用研究 张登银,卢栋梁 (南京邮电大学计算机学院,江苏南京210003) 摘要:Adhoc网络MAC(媒体接入控制)协议的研究主要是基于802.11协议,但是802.11协议并非 专为多跳网络而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,因此在实际应用中存在TCP传榆不稳定性以及节点信道接入的不公平性问 题.文中提出通过调整TCP滑动窗口参数,解决Adhoc网络中TCP传榆的稳定性;通过改进802. 11协议的竞争窗口机制,解决节点信道接入的公平性.仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,上述改进 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 可以有效提 高802.11协议在Adhoe网络中的应用性能. 关键词:Adhoe网络;802.11协议;TCP传榆;信道接入 中图分类号:TN915.04文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码:A ResearchonIEEE802.11MACProtocolAppliedinAdhocNetworks ZHANGDeng-yin,LUDong-liang (CollegeofComputer,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China) Abstract:IEEE802.11iswidelyusedintestbedsandsimulationsforwirelessmultihopadhocnetworks. However,thisprotocolwasnotdesignedformuhihopnetworks.SowhenappliedinAdhocnetworks,itwillcause problems.ThispapersolvedtheTCPinstabilityissuebyadjustingtheTCPwindowsize,andeliminatedtheunfair- nessissuebymakeanimprovingonthecongestionwindowschemeinthe802.11MACprotoco1.BytheNS2simu- lations,resulmshowthattheabove?mentionedschemecanimprovetheperformanceof802.11MACprotocoleffec- tivelywhenappliedtotheAdhocnetworks. Keywords:Adhocnetworks;802.11protocol;TCPtransport;Channelaccess 1引言 Adhoc网络是一组通信设备(节点)的集合,它 是一个动态的多跳网络,没有固定的网络通信设施. 当发生紧急情况或其它特殊情况时,Adhoc网络可 以快速建立,并且具有自我配置功能,因此可以用于 应急通信或者战场环境…. Adhoc网络是一个多层问题J.物理层必须 适应快速变化的链路特征;数据链路层则要降低冲 突发生,保证各个节点能公平接入网络,并且能够在 存在隐藏终端和暴露终端的共享链路上进行有保证 收稿13期:2005-09-05 的数据传输;网络层需要解决的则是节点间的路由 问题. 本文主要研究Adhoc网络中数据链路层的媒 体接入控制(MAC),对现有无线局域网中普遍使用 的802.11协议进行分析和改进,以便能更好地适 用于Adhoc网络. 2802.11协议 目前,对Adhoc网络MAC协议的研究,主要是 基于IEEE802.11协议.802.11协议是专为无 线局域网设计的,采用具有冲突检测的载波监听多 路访问协议(CSMA/CA)进行无线介质共享.cs. 南京邮电大学(自然科学版)2006年 MA/CA的工作机制是:当节点有数据要发送时,首 先监听介质是否空闲,如果空闲则随机延时.,经 过时延后,再次由硬件高速判定介质是否空闲, 如果空闲就立即发送数据.MAC检测机制计算避 退时间采用的公式是 Backoffl’ime=Random()?aSlotTime(1) 其中,Random()是一个平均分布在[0,CW]段上的 伪随机数,CW是介于802.1l协议管理信息库(MIB) 中拥塞窗口最小值(口C)和最大值(口C)之间 的一个整数,时隙(aSlotTime)值也可以从MIB中找 到.802.11协议的逻辑结构如图1所示. UJC MAC 跳频直接序列红外线 PHYPHYPHY 图1802.11协议逻辑结构 3TCP传输稳定性的改进 802.1l协议是为无线局域网而非多跳网络而 设计,因此当它应用于Adhoc网络时存在着一系列 问题_4J,例如TCP传输性能的不稳定性;节点数 据传输中存在不公平性;信道利用率较低;网络吞吐 量不高.这些问题的产生,主要原因在于Adhoc网 络中存在着隐藏终端和暴露终端.隐藏终端可以通 过采用CTS—RTS—Data—ACK方式解决,即802.1l DCF协议.该协议规定,在发送数据之前先发送 CTS报文,如能正确接收到RTS报文,则进行数据 的发送;如果接收到ACK确认报文,表示该数据包 发送成功.该方法实质上就是利用较小的CTS, RTS报文冲突,来取代较大的数据包冲突产生的开 销和线路资源的浪费. 在使用802.11协议的Adhoc网络中进行TCP 传输时,当传输速率到达一定限度后,网络吞吐量将 表现出极大的不稳定性.我们利用NS2进行性能 仿真试验,采用的拓扑结构如图2所示.其中,共 有5个传输节点,每个节点距离200In.因为 802.1l规定的通信范围为250In_3J,这样可以保证 每个节点只能和邻节点通信.为了使问题简化,假 设这5个节点是静止的. o—o—o—o—o 图2网络拓扑结构 TCP是面向连接的可靠传输,对每个数据报都 要发送ACK报文进行确认.当节点1向节点5发 送数据时,由于TCP发送数据采用的是滑动窗口机 121416182O 面j蕊t/s = window_ =4.data一 图3window一分别为32和4时TCP传输稳定性 为了解决TCP传输的不稳定性,文献[7]中提 出了将TCP分为拥塞控制和可靠传输两部分.当 发生拥塞时,相邻节点替代发生拥塞的节点缓存数 据包,从而提高TCP的传输性能.文献[8]中提出 的TCP—ADA协议,通过减少ACK报文的数量,从而 降低ACK报文和DATA报文产生冲突的概率.这 两种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在一定程度上提高了TCP性能,但也增加 了节点的开销和降低了TCP传输的可靠性.因此, 本文提出了以下解决方案,该方案不仅可以有效改 善TCP传输的稳定性,并且不会带来额外的开销. 通过分析,得到造成cP传输不稳定的原因,是 TCP发送窗口window一默认为32,当节点5有大量 ACK确认报文需要发送的同时,链路上还有大量的 数据报传来.因此节点5发送的RTS报文将在节 点4处发生冲突,从而导致节点4的CTS报文不能 正常发出.当节点5连续发送了4次RTS报文而 没有收到应答时,节点5则认为节点4不可达],即 路由失败,需要重新建立路由,所以在这个时间内吞 吐量迅速下降到0,宏观表现为TCP传输的极不稳 定性. 因此,要解决TCP传输在Adhoc网络中传输的 不稳定性,可以将发送窗口window一设为相对较小 的值.当然,如果window一太小,又不能发挥滑动窗 口机制的优越性.根据TCP协议滑动窗口机制可 加?踮??加O 曲一臣喂昌II 第3期张登银等:802.11协议在Adhoc网络中的应用研究35 知,window__~设为2大小.在不同的Adhoc网络 结构中,对TCP的window一参数应有不同的要求. 对于图2所示的网络结构,经过试验仿真比较,在 window一 设为16和8时,传输稳定性仍然无法令人 满意;当window一设为4时,TCP传输可以获得较高 的稳定性,性能也较好,NS2仿真结果如图3中空心 端点线所示. 4信道接入公平性的改进 Adhoc网络中存在的另外一个问题就是媒体 接入的公平性J,MAC层协议必须保证所有节点能 公平地共享信道.由于802.11采用CSMA/CA机 制进行无线信道的共享,各个节点只是简单地判断 信道是否空闲,然后随机接入信道.这种方式在Ad hoc网络多跳环境下并不适用,由于单跳节点收发 CTS/RTS报文较快,可以获得很高的优先级接入信 道,因而可能导致其他相邻节点”饿死”. 同样使用图2所示的网络拓扑进行NS2仿真 研究.假定在2S时节点5向节点3开始传输数据, 10S时节点1向节点2传输数据,得到的仿真结果 如图4所示.从图4可见,在第10S时节点1—的 数据传输开始后,节点5—3的数据传输被完全终 止.这表明单跳之间数据传输比多跳具有更高的优 先级,导致了节点接入信道的不公平性.究其原因, 主要是802.11协议不能很好地适应多跳环境. 160 lg0 120 10o 8O 60 40 2O O 7一YYrY——r— i O -1i i 1O15 t/s 图4802.11协议信道接入不公平性 文献[9]提出了一种公平接入链路的算法,通 过公平指数FI(FairIndex)来实现.每个节点通过 计算本节点的吞吐量和相邻节点的吞吐量来计算估 算公平指数,然后与预先设定的一个参数进行比较, 再进行动态修改,最后决定接入链路的概率.文献 [10]对文献[9]的算法进行了改进,考虑了当报文 长度发生变化的时候,无需进行RTS和CTS控制报 文握手的情况.文献[11]扩展了文献[9—10]中的 算法,并对每一个数据流的公平性进行研究,提出了 一 种基于信道份额估计的自适应公平接入算法(A— daptiveFairShareBasedMediaAccess,AFSMA).文 献[12]运用了p持型CSMA协议来改善信道接 入的不公平性.节点对每一条链路计算信道接入概 率为P?当节点退避时间到时以后,节点i以p肭概 率向节点发送报文或者以1一Pit的概率再次退避. 然而,上述文献的算法在网络拓扑复杂的情况下会 降低网络的吞吐量,且部分算法增大了帧头信息量, 而且节点管理复杂,增大了系统开销.此外,以上算 法大都基于对广播信息的计数,然而由于Adhoc网 络的移动和多跳特性,网络中广播信息的传送并不 完全可靠.基于此,提出了一种简单实用的基于竞 争窗口的退避算法,可有效地改善信道接入的不公 平性. 通过对802.11协议源码进行分析,发现802.11 协议采用竞争窗口一来控制节点接入信道的概 率,当节点监测到信道忙时,一=2?一+1,直至 达到最大值CWMAX;如果成功传送一次数据,则将 一置为最小值CWMIN.这种竞争机制在无线局域 网中的效果很好,可以使信道吞吐量最大化,但是当 其运用于Adhoc网络时,却加剧了信道接入的不公 平性,结果是单跳节点间的数据传输具有最高的优 先级,导致相邻节点的传输被完全抑制.通过分析, 对竞争窗口机制进行以下改进: (1)为每个节点维持一个传输计数器tcourtt一; (2)当节点成功接收到一个ACK报文,表示成 功发送了一个数据包,令计数器tcount一加1; (3)当计数器计数达到临界值TMAX时,将一 置为CWMAX,并将计数器清零,重新计数. 在上述改进算法中,常量CWMAX可以从节点 的管理信息库(MIB)中获得;TMAX为系统设定的 值,可由管理员设定.该算法保证了同一节点不能 长时间占有信道,从而相应增加了传输被抑制节点 信道t 10 t/s 图511112.11协议竞争窗口机制改进后的 TCP传输(TMAX=2) 5结束语 本文通过对Adhoc网络的媒体接入协议进行 仿真分析,指出了802.11DCF应用于Adhoc网络 时的不足,并对其进行了相应的改进.由于Adhoc 网络自身的复杂性,很多问题还没有得到很好的解 决,而且也不会在短期内取得重大突破.而媒体接 人控制协议处于Adhoc网络的最底层,也是解决其 他问题的基础和关键所在. Adhoc网络作为一种特殊的移动分组网络,是 对现有移动网络必要的和有益的补充,它的应用和 发展将使人们获得更大的通信自由.目前,Adhoc 网络除了用于军事作战和抢险救灾等环境之外,已 经逐步开始应用于商业活动,具有十分良好的应用 前景. 参考文献: [1]xuBangnan,HISCHKES,WALKEB.Theroleofadhocnetwor- kinginfuturewirelesscommunications[C]//CommunicationTech— nologyProceedings.April9—11.2003:1353—1358. [2]RAMANATHANR,REDIJ.Abriefoverviewofadhocnetworks: challengesanddirections[J].CommunicationsMagazine,2002,40 (5):20—22. [3]LANMANStandardsCommittee.ANSI/IEEEStd802.11.1999E— dition(112003).Informationtechnology—Telecommunicationsand informationexchangebetweensystems—I.~calandmetropolitanarea networks—Specificrequirements—Part11:WirelessLANMedium AccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)Specifications lS].2003. [4]XUS,SAADAWIT.Revealingtheproblemswith802.11medium accesscontrolprotocolinmulti—hopwirelessadhoenetworks[J]. ComputerNetworks,2002,38(4):531—538. [5]ESHGHIF,ELHAKEEMAK,SHAYANYR.Performanceevalu— ationofmuhihopadhocWLANs[J].CommunicationsMagazine, 2005,43(3):107—115. 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[12]OZUGURT,NAGHSHINEHM,KERMANIP,eta1.Fairmedia accessforwirelessLANs[C3//GlobalTelecommunicationsCon— ference.1999:570—579. 作者简介: 张登银(1964一),男,江苏靖江人.南京邮电大学计算 机学院计算机应用教研室主任,副研究员.(见本刊2006年 第1期第53页) 卢栋梁(1982一),男,江苏张 家港人.南京邮电大学计算机学院 计算机应用专业硕士研究生.2004 年毕业于南京邮电学院计算机科学 与技术系.目前研究方向为计算机 通信与网间互联技术. ?????mO 号Iqnd最=8盲