Ad_hoc网络中TCP性能分析及改进研究

２００７年第２４卷第９期微电子学与计算机

１引言

传统ＴＣＰ协议是一种针对有线网络设计的可

靠传输协议，把丢包当做网络拥塞的标志，通过启

动拥塞控制机制减小发送速率来缓解网络拥塞［１］。在Ａｄ－ｈｏｃ网络中，除拥塞外，无线信道的高误码

率、路由频繁中断、多跳连接竞争共享的无线信道

等都会引起丢包。传统ＴＣＰ协议直接应用于Ａｄ－ｈｏｃ网络时，它会把由非拥塞情况引起的丢包当作

拥塞来处理，从而启动不必要的拥塞控制机制，使ＴＣＰ性能受到严重影响。文中从Ａｄ－ｈｏｃ网络自身特点出发，并结合ＴＣＰ协议，对造成Ａｄ－ｈｏｃ网络ＴＣＰ性能下降的原

因进行深入分析。提出了一种针对ＭＡＣ层协议的

参数优化法，ＮＳ２仿真实验证明，该方法能够有效

提高Ａｄ－ｈｏｃ网络多跳情况下的ＴＣＰ性能。

２Ａｄ－ｈｏｃ网络中的ＴＣＰ性能分析

鉴于ＴＣＰ／ＩＰ已经成为事实上的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ标准

协议栈，作为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ扩展的Ａｄ－ｈｏｃ网络也将广泛

采用它，因此分析ＴＣＰ的性能并研究如何使其适应于无线Ａｄ－ｈｏｃ网络环境变得尤为重要。２．１无线多跳性对ＴＣＰ性能的影响

在网络协议栈中，ＭＡＣ协议主要解决当信道使

用产生竞争时分配信道使用权的问题。目前，ＩＥＥＥ８０２．１１ＤＣＦ已被广泛地接受为Ａｄ－ｈｏｃ网络的

ＭＡＣ层协议，但它本身是针对单跳无线网络设计

的，当应用于Ａｄ－ｈｏｃ网络时存在着很多不适应，其

原因在于Ａｄ－ｈｏｃ网络是多跳共享竞争的无线信

道，存在着隐藏节点和暴露节点现象［２］，进而引发

ＴＣＰ的不稳定性和不公平性问题。

（１）隐藏节点情况如图１所示，根据ＴＣＰ传输

机制，当Ａ发送给Ｃ的数据经过Ｂ时，由于Ｃ侦听

不到Ａ的发送，认为信道空闲，便发送ＡＣＫ，结果与Ａ发送的数据在Ｂ处产生冲突，最终导致节点Ｂ正

在接收的数据丢失，使ＴＣＰ性能受到影响，此时Ｃ就是一个隐藏节点。

为解决隐藏节点问题，８０２．１１ＤＣＦ协议采

用收稿日期：２００７－０６－１７基金项目：四川省教育厅项目（２００５００４０２８）国防科工委项目（２００６Ａ３１２００６０２６４）Ａｄ－ｈｏｃ网络中ＴＣＰ性能分析及改进研究

杨欢，江虹，陈容

（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳６２１０１０）

摘要：对引起Ａｄ－ｈｏｃ网络ＴＣＰ性能降低的原因进行了分析，并针对Ａｄ－ｈｏｃ网络的多跳特性对ＴＣＰ性能的影响，提出了一种通过增大ＭＡＣ层最小竞争窗口来减小信道竞争压力的参数优化法。ＮＳ２仿真实验结果表明提出的方案能有效地改善Ａｄ－ｈｏｃ网络的ＴＣＰ性能。关键词：Ａｄ－ｈｏｃ网络；ＴＣＰ性能；拥塞控制；ＮＳ２中图分类号：ＴＰ３９３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２００７）０９－００４５－０４

ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒＴＣＰＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｉｎＡｄ－ｈｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ

ＹＡＮＧＨｕａｎ，ＪＩＡＮＧＨｏｎｇ，ＣＨＥＮＲｏｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｔｈａｔｃａｕｓｅｐｏｏｒＴＣＰｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎＡｄ－ｈｏｃｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓａｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｇａｉｎｓｔｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｈｏｐｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＡｄ－ｈｏｃｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｃｈａｎｎｅｌｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍＣｏｎｔｅｎｔｉｏｎＷｉｎｄｏｗｉｎＭＡＣｌａｙｅｒ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｃｈｅｍｅｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅＴＣＰｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｄ－ｈｏｃｎｅｔｗｏｒｋｓ；ＴＣＰｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｃｏｎｇｅｓｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ＮＳ２４５微电子学与计算机２００７年第２４卷第９期

ＲＴＳ／ＣＴＳ机制来减少多个节点同时发送数据可能造

成的冲突。根据其二进制退避算法（ＢＥＢ），当某节点

想要与其他节点通信时，随机退避一段时间Ｂａｃｋｏｆｆ＿ｔｉｍｅ＝ｒａｎｄ［０，ＣＷ－１］×ＳｌｏｔＴｉｍｅ后（ＣＷ为当

前竞争窗口），节点发送ＲＴＳ来预留信道，若发送端

在规定时间内未收到接收端的ＣＴＳ帧，就加倍其ＣＷ，选择新的退避时间重复以上操作。ＣＷ１＝ＣＷｍｉｎ，ＣＷｍａｘ＝２７×ＣＷｍｉｎ。若节点发送成功，ＣＷ被重置为ＣＷｍｉｎ。显然，成功发送后的节点退避时间短，处于竞

争优先地位；节点传输失败次数越多，接入信道的

机会就越小，从而导致接入信道不公平性，使ＴＣＰ性能下降。在图１中，根据ＲＴＳ／ＣＴＳ机制，当节点Ａ需要

发送数据给Ｂ时，它会先发送一个ＲＴＳ给Ｂ，在收

到Ｂ返回的ＣＴＳ后，Ａ便开始发送数据。由于Ｃ能

侦听到Ｂ发送的ＣＴＳ，知道Ｂ正在接收数据，在该ＣＴＳ帧包含的数据传输持续时间内，Ｃ不会向Ｂ发

送ＡＣＫ。可见，ＲＴＳ／ＣＴＳ机制能较好地解决隐藏节

点问题。（２）ＲＴＳ／ＣＴＳ机制不能解决扩展的隐藏节点问

题。如图１所示，如果Ａ发送给Ｄ的数据正经过Ｂ，通过ＲＴＳ／ＣＴＳ机制，Ｃ之前会收到Ｂ的ＣＴＳ，而Ｄ收不到Ｂ的ＣＴＳ。若Ｄ要发送ＡＣＫ给Ｃ，Ｄ便先会

发送ＲＴＳ给Ｃ请求建立连接，而Ｃ之前收到了Ｂ的ＣＴＳ，知道信道非空闲，在该次数据传输结束之

前，不会发送ＣＴＳ给Ｄ，此时Ｄ就是一个扩展的隐

藏节点。Ｄ在一定时间内没有收到Ｃ的ＣＴＳ，便采

用ＢＥＢ算法，增大ＣＷ后重新选择一个退避时间等

待再次接入信道。如果Ａ有大量的数据要发送给Ｂ，根据成功传输节点处于竞争有利地位的原则，Ｄ

很可能再次竞争不到信道。当Ｄ连续７次发送ＲＴＳ给Ｃ都未收到Ｃ的ＣＴＳ，则会向上层发送路由失败

消息（ＲｏｕｔｅＦａｉｌｕｒｅＮｏｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＮ），网络层收到ＲＦＮ后，继而进行复杂的路由发现过程。在找到新

路由前，所有存储在中间节点的需要利用该失败路

由转发的数据包均会被丢弃，ＴＣＰ协议会把这种丢

包现象误认为拥塞，并进行不必要的拥塞控制，使ＴＣＰ的吞吐量降低、稳定性变差。

（３）ＲＴＳ／ＣＴＳ机制同样不能解决暴露节点问

题。图１中，在Ｃ转发数据给Ｄ之前，会先发送一个ＲＴＳ给Ｄ，收到Ｄ返回的ＣＴＳ后，Ｃ便向Ｄ发送数

据。如果Ｂ需要转发ＡＣＫ给Ａ，由于它侦听到了Ｃ的发送，知道信道繁忙，便会推迟向Ａ发送ＡＣＫ，实

际上Ｂ向Ａ的发送不会影响Ｃ向Ｄ的数据传输，此时Ｂ就是暴露节点。同样，节点Ｂ的发送不成功，便会采用ＢＥＢ算法退避一段时间后再次尝试接入

信道。若连续７次发送ＲＴＳ都未收到相应的ＣＴＳ，便会报告路由失败，随后会进行不必要的路由发现

以及拥塞控制，而致使ＴＣＰ的吞吐量下降、稳定性

变差。通过以上分析可知，Ａｄ－ｈｏｃ网络中扩展的隐藏

节点、暴露节点问题会使ＴＣＰ性能下降。随着跳数

增加，隐藏节点、暴露节点会增多，ＴＣＰ吞吐量降

低，稳定性也会变差。为了验证上述理论分析结果，文中采用ＮＳ２网络仿真软件，对Ａｄ－ｈｏｃ网络多跳

情况下对ＴＣＰ性能的影响进行仿真。仿真环境为１５００ｍ×１５００ｍ的正方形区域，拓扑结构为由７个节

点组成的静态链式拓扑，相邻节点间的距离为２００ｍ，节点通信半径为２５０ｍ，ＭＡＣ层协议为

８０２．１１ＤＣＦ，路由协议为ＡＯＤＶ，ＴＣＰ、ＡＣＫ分组大小

分别为１０４０字节和４０字节，只在选定的发送端和

接收端之间建立一条ＴＣＰ连接，仿真时间为１５０ｓ。此次仿真称为实验１。结合前面的分析知，１跳情况下，由于８０２．１１ＤＣＦ工作在单跳Ａｄ－ｈｏｃ网络时，不存在隐藏节点、暴露节点，分组无需竞争无线信道，所以１跳时的

丢包率为０（如图２所示），ＴＣＰ瞬时吞吐量稳定性

较好（如图３所示）。当跳数为２时，由于ＲＴＳ／ＣＴＳ机制能够解决隐藏节点问题，仍然不存在丢包现

象，瞬时吞吐量较稳定。３跳时，同时存在的扩展隐

藏节点与暴露节点的情况，使分组必须在每一跳竞

争信道，并只能在一跳内成功传输，因此３跳时，会

出现因目的端ＡＣＫ无法接入信道而发生假的路由

中断，开始出现丢包。４跳时，扩展的隐藏节点和暴

露节点增多，数据包和ＡＣＫ竞争信道的情况更严

重，丢包率明显增大，瞬时吞吐量剧烈抖动，有５次

达到了０。当跳数＞４时，ＴＣＰ源端与接收端相距较

远，分组可以在多跳链路上同时传输，丢包与稳定

性的情况有所改善。４６２００７年第２４卷第９期微电子学与计算机

２．２节点的移动性对ＴＣＰ性能的影响

在Ａｄ－ｈｏｃ网络中，由于节点的移动性，经常会

发生路由中断。此时，中间节点会丢弃缓存中的数

据包，而ＴＣＰ会把当前网络状态误判为拥塞进而进

行拥塞控制。由于路由已经中断，在ＲＴＯ超时之前，ＴＣＰ源端无法收到目的端的ＡＣＫ，便会采用退避策

略重传数据包，并把ＲＴＯ加倍，直至源端收到ＡＣＫ。同时源端会减小发送速率，将慢启动门限设

置为当前拥塞窗口（ｃｗｎｄ）的一半，然后将ｃｗｎｄ置１，开始慢启动过程。这些措施对网络拥塞引起的丢

包有效，对于由路由中断带来的丢包则不合理。如

果路由重建不成功，ＴＣＰ源端尽管减小了ｃｗｎｄ，但

重传只会使更多数据包丢失，浪费了带宽和节点有

限的能量；如果路由重建成功，源端会从慢启动阶

段以较小的速率恢复数据传输，增加了通信时间，造成ＴＣＰ性能下降。以上分析通过实验２验证，本次仿真环境设置

为：３０个节点在６００ｍ×６００ｍ的区域内，分别以１ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ、３０ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ、５０ｍ／ｓ、６０ｍ／ｓ

的平均速度随机运动。场景中采用ＦＴＰ业务流，随

机建立５条ＴＣＰ连接，ＴＣＰ与ＡＣＫ分组大小分别

为５５２字节和４０字节，路由协议采用ＡＯＤＶ，仿真时间为３００ｓ。每一种平均速度下的分析结果都是对１０组随机场景进行仿真后取得的平均值。从图４中

可以看出，当节点移动速度增加时，路由中断的概

率相应增大，结果导致端到端的平均吞吐量降低。

３相关工作

目前，国内外对于Ａｄ－ｈｏｃ网络中ＴＣＰ性能的

研究，主要集中在分析并解决多跳连接、节点移动

导致路由中断这两个特性及其对ＴＣＰ性能的影响

上。针对多跳性对ＴＣＰ的影响，很多工作集中在ＭＡＣ层，如文献［３］中提出一种在不同链路误码率的

情况下，适当增加重传门限来提高ＴＣＰ吞吐量的方

法。针对Ａｄ－ｈｏｃ网络路由中断的ＴＣＰ改进方案有

两类：一是利用网络层的反馈信息来提高ＴＣＰ性

能，如ＴＣＰ－Ｆ、ＴＣＰ－Ｂｕｓ等；二是基于端到端的拥塞

控制方案，如ＦｉｘｅｄＲＴＯ、ＴＣＰＤＯＯＲ等。

４针对Ａｄ－ｈｏｃ网络中多跳特性的ＴＣＰ性能改进

在Ａｄ－ｈｏｃ网络中，８０２．１１ＤＣＦ协议不能很好

地解决多跳情况下的信道竞争问题，因此使ＴＣＰ性

能受到影响。由前面分析知，当节点连续７次未能

接入信道时，则会误认为是路由中断，进而报告路

由失败。为避免这种情况，文中提出了一种针对ＭＡＣ层ＢＥＢ算法的参数优化法，即通过增大

８０２．１１ＤＣＦ的最小竞争窗口ＣＷｍｉｎ来改善ＴＣＰ性

能。ＣＷｍｉｎ增大，发送ＲＴＳ的退避时间会增大，节点

竞争信道发生冲突的概率减小，同时也减小了发送