基于媒质共享的无线Ad hoc网络拥塞避免策略*

马琳 张军 刘凯

(北京航空航天大学电子信息工程学院∥国家空管新航行系统技术重点实验室，北京100191)

无线Ad hoc网络是一种无固定基础设施、网络拓扑动态变化、多跳的临时性自治系统.由于其灵活的组网方式，已在无人机网络、灾难救援、传感器网络等诸多领域得到广泛应用.随着网络规模的不断扩大和网络应用业务的不断增多，网络拥塞时常发生;为了保证网络传输的可靠性，保持网络持续端到端的高吞吐量，需要研究拥塞控制算法，进行有效的拥塞控制.文献［1-4］中指出传输控制协议(TCP)在无线Ad hoc网络中表现出了严重的性能下降现象，这是因为TCP协议本是为有线网络设计的，在有线网络里丢包被认为是网络拥塞发生的标志.不过，在无线Ad hoc网络中，丢包可能是由多种原因造成［5-6］，如信道错误、竞争共享信道冲突、路由失败等.文献［2］中指出，由于信号干扰造成的无线链路丢包往往发生在队列溢出之前，这种非拥塞丢包引起TCP拥塞控制机制做出错误的响应，过度降低源端的发送速率，使得TCP协议在无线Ad hoc网络中的性能严重下降.

因此，准确判断节点的拥塞状态成为无线Ad hoc网络拥塞控制算法的关键.为此，研究者开始研究媒质接入控制(MAC)层的拥塞控制算法［7-8］，以MAC层的各种信息作为新的拥塞度量，从而更加准确地判断网络的拥塞状况.典型的算法有LRED［2］、TCPMDA［9］、ARCD［10］等.LRED 利用节点在 MAC 层的重传次数作为网络拥塞的指示，该拥塞度量获取简单，几乎不增加节点额外的开销，但它没有考虑到没有重传并不意味着没有拥塞，某些“饿死”节点的分组重传次数几乎为零，因此不能帮助此类节点从拥塞状态中恢复过来.TCP-MDA用重传分组数和总传输分组数的比值来度量测量节点的拥塞程度，比LRED简单地将重传次数作为拥塞度量的准确性高，但在 IEEE 802.11 DCF［11］协议中，每个重传分组都会经历一段相对长的尝试获取信道的时间，因此TCP-MDA不能及时对网络拥塞做出判断.文献［12］中通过在MAC层实时检测信道的接收和发送情况，结合MAC队列的瞬态长度来估计节点的可用带宽，依此判断节点的拥塞状态.该算法虽能较好地判断出当前节点是否拥塞，但没有考虑到节点的公平性问题.ARCD用MAC层队列长度作为节点拥塞度量，并将整条链路上的拥塞信息反馈给源节点，以便源节点更合理地调整分组发送速率，但MAC层队列长度已经被证实增长缓慢，难以合理表征节点的拥塞程度［2］.文献［13］中利用 TCP拥塞窗口和MAC延时分别估算传输层和MAC层的传输速率，根据两者的比值调整TCP拥塞窗口的大小，达到控制源端发送速率的目的，但拥塞窗口和MAC层延时的抖动都较大，影响了算法的准确性.上述算法均没有考虑节点间拥塞信息的交互，这就降低了节点判断MAC层拥塞的准确性，限制了算法的性能.

为此，本研究首先分析MAC层拥塞和节点冲突问题，探讨引起拥塞和冲突的原因，以及由此导致的节点间不公平性问题.然后从MAC层拥塞控制角度出发，为无线Ad hoc网络提出一种基于媒质共享的公平拥塞控制(MCFCC)算法.基于 IEEE 802.11 DCF的退避机制，提出一种新的MAC层拥塞度量——退避率(pb)来描述节点自身的拥塞程度，传输节点通过请求发送(RTS)、清除请求(CTS)捎带的方式将自身的拥塞信息(简称CI)反馈给邻居节点，收到拥塞信息之后节点还要结合自身拥塞程度计算分组丢弃概率，并依此控制源端的发送速率，从总体上缓解网络的拥塞，改善节点间的公平性.

1 问题描述

IEEE 802.11 DCF协议已经被广泛应用在无线Ad hoc网络中，因此，本部分主要讨论MAC层采用IEEE 802.11 DCF协议时存在的共享媒质冲突和拥塞问题，以及由此导致的TCP吞吐量下降和节点间的不公平性，最后介绍 IEEE 802.11 DCF的退避算法.

1.1 共享媒质冲突引起的拥塞问题

TCP协议本身倾向于最大化网络吞吐量［14］，这常常会导致节点的分组发送速率大于网络容量.根据TCP协议，节点每次成功发送分组后都会加大拥塞窗口，直到判断出丢包的发生.在此期间，源节点逐渐加大的拥塞窗口使得其发送速率超出了网络的容量，源端发出的分组逐渐积累到传输路径中的各个节点的队列里.当传输路径上的节点都有分组需要被转发时，流间竞争和流内竞争问题就会凸显出来，导致网络性能严重下降［15-16］.这是因为邻居节点为了转发分组需要持续竞争信道，导致传输发生冲突、延迟增大、拥塞加剧，直到TCP发现丢包而减小分组发送速率、消除拥塞.消除拥塞之后，TCP又会加大拥塞窗口，这样的循环会一直继续下去，造成网络难以保持良好、稳定的工作状态.

1.2 信道竞争和TCP拥塞控制中的不公平性问题

在无线网络中，竞争信道导致的分组传输冲突和TCP拥塞控制机制是引起节点间不公平性［17-18］的主要原因之一.

首先，传输流经过的区域不同，所面临的竞争压力就不一致，分到的网络带宽也就不同.节点在传输分组的过程中需要和相邻节点竞争共享信道，传输业务流经过区域内的节点越多，与之竞争信道的节点就越多，那么其分到的带宽就会越小，拥塞就会加剧、丢包延迟就会加大.

其次，传输业务流的长短对公平性也有影响.路径长的业务流需要消耗更大的带宽，遭遇的共享信道竞争也越大，会有更多的分组丢失，而路径短的业务流正好相反，并且在TCP拥塞控制机制的作用下，丢包使得路径长的流进一步减小拥塞窗口，只能获得更小的带宽.

最后，TCP拥塞控制和无线媒质冲突还会导致节点“饿死”现象，被“饿死”的节点吞吐量几乎为零.如图1所示，假设存在两个不同的业务流A→B和D→E，图中相邻节点间的距离是200 m，每个节点的传输距离是250m，节点的载波侦听范围和干扰范围是550m.

图1 链式拓扑结构Fig.1 Structure of chain topology

当节点D正在向节点E发送分组时，如果此时节点A要发送分组到节点B，由于B在D的干扰范围之内，故B不能正确接收到A发送的分组.根据IEEE 802.11 DCF协议，节点A的竞争窗口加倍，进入退避过程后重传RTS分组，直至超过重传次数后丢弃相关数据分组.源端确认数据分组丢弃后把TCP拥塞窗口减半，重传该数据分组，使得吞吐量大幅下降.而节点D由于成功发送分组，竞争窗口被重置为最小值，TCP的拥塞窗口加倍，发送速率加大.如果节点D需要传输的数据量较大，那么它会一直占用媒质，而节点A由于不能接入信道，竞争窗口逐渐增大到最大值，TCP拥塞窗口减小，直至被“饿死”.

1.3 IEEE 802.11 DCF 中的退避算法

IEEE 802.11 DCF使用二进制指数退避算法控制节点的信道访问接入，根据当前信道的活动状态，调整节点竞争窗口的大小，进而控制节点的访问权限.802.11 DCF使用载波监听(CS)机制判断所共享的信道媒质是否空闲.

当节点首次发送数据时，必须先侦听信道是否空闲，若信道持续空闲时间等于DCF分布式帧间隔时间(DIFS)，则允许节点执行二进制指数退避过程后发送数据.若节点侦听到信道忙，则等到信道空闲后执行二进制指数退避过程发送数据，即在［0，CW－1］间随机选择一个数作为当前节点的退避时隙数(这里CW为节点竞争窗口的大小)，当侦听到相应数目的退避时隙空闲后发起发送.之后，节点每次发送数据前仍要侦听信道，若信道空闲的时间间隔等于DIFS和当前退避计时器时长之和，则节点开始发送RTS分组.若信道忙或者发送节点没有成功接收到CTS分组，则发送节点需要进入二进制指数退避过程.若发送节点成功收到CTS分组，则开始发送数据分组.DCF使用确认(ACK)分组通知发送节点该数据分组已经被下一跳节点成功接收，如果发送节点在ACK超时发生之前未成功收到ACK分组，则认为冲突发生，并再次进入退避过程，直到达到最大重传限制(802.11允许RTS消息最多重传7次，允许数据分组最多重传4次).此外，当数据传输成功后，发送节点也要进入二进制指数退避过程.通过对退避算法的分析可知，节点每次发送分组失败都要进入退避过程.网络拥塞越严重，节点发送失败的次数越多，执行退避过程的次数也越多.所以节点进入退避过程的次数能够反映网络拥塞的程度.

2 MCFCC算法

如何准确判断网络状态是拥塞控制的难点.本研究提出的MCFCC算法以MAC层媒质竞争失败的次数作为网络拥塞状况的度量，同时利用RTS、CTS分组将此拥塞信息发送到邻节点，各节点据此估计网络的拥塞程度，选择相应的分组丢弃概率，从而降低源端的发送速率.如此便能有效判断并缓解网络的拥塞，同时，拥塞信息的共享又保证了各业务流间传输的公平性.

2.1 拥塞度量

由于无线信道的广播共享性，同一时间只能有一个节点使用信道，因此在无线Ad hoc网络中，节点总是要与其相邻节点竞争共享信道媒质，冲突和丢包的现象会频繁发生.在802.11 DCF协议中，节点每次尝试获取信道失败后都要进入二进制指数退避过程，所以网络拥塞越严重，信道竞争就越激烈，数据传输失败的次数就越多，由于传输失败而执行二进制指数退避过程的次数也就越多.因此，本研究利用节点经历退避过程的多少反映网络拥塞程度，提出了一个新的拥塞度量——退避率(pb)来描述节点自身的拥塞程度，退避率能够准确反映节点间的竞争冲突以及拥塞对网络造成的影响.

在802.11 DCF协议中，节点在如下4种情况下进行退避过程:

(1)节点首次发送数据时，在分组发送之前若节点侦听到信道忙，则进行退避;

(2)节点在发出RTS帧之后，没有成功接收到CTS帧，则进行退避;

(3)节点在发出DATA帧之后，没有成功接收到ACK帧，则进行退避;

(4)当一个数据帧被成功发送之后，节点需要执行退避过程.

显然，前3种情况都是由于节点拥塞或竞争信道失败造成的.定义Ns为节点成功发送分组后进入退避算法的次数，Nf为节点发送分组失败后进入退避算法的次数.退避率的计算公式如下:

可以看出，在已有的MAC层拥塞度量中，无论是分组重传次数［2，19］还是被重传的分组数［8］，都只是Nf的一个子集.分组重传次数没有考虑到情况(1)，而被重传的分组数没有考虑到每次RTS、DATA重传对网络的影响.因此，退避率能够更有效地监测网络的拥塞和冲突，从而快速准确地判断网络的拥塞程度.

2.2 拥塞信息反馈

为了尽可能少地修改IEEE 802.11 DCF协议，本研究使用RTS、CTS消息捎带的方式，在RTS、CTS握手过程中携带节点本身的拥塞信息CI(无特殊说明，文中的拥塞信息均指退避率)，发送节点、接收节点或相邻节点在收到反馈的拥塞信息后，相应地计算各自的分组丢弃概率.本研究在RTS、CTS消息中扩展了拥塞信息CI字段，简称为RTSC、CTSC，如图2所示.

图2 RTSC、CTSC帧格式Fig.2 Frame format of RTSC and CTSC

其中CI字段的内容就是节点自身的拥塞信息，记为Cl，占用一个字节.定义pb，av是数据分组的平均退避率是上次计算的平均退避率，pb是当前分组的退避率，设a+b=1，a、b为计算系数，节点初始退避率是 0，pb，av的计算公式如下:

本研究取a=1/8，b=7/8，上述取值表明当前的网络状态在计算pb，av时起主要作用，能够保证算法对网络拥塞作出快速反应.Cl携带的就是pb，av的信息，为了满足在RTSC、CTSC消息中仅用一个字节携带 Cl，需要对 pb，av的值进行变换，即只保留 pb，av的2位有效数字填入 CI字段进行传输(例如，12.3%只保留为12%，那么Cl=12%，CI字段仅发送12即可，而当其它节点收到CI之后，仍要把12变回为12%后才能进行其它方面的计算).

当有分组需要传输时，发送节点首先计算退避率pb，更新Cl并添加到RTSC消息的CI字段中，接收节点在成功收到RTSC消息后，计算自身的Cl并添加到CTSC消息的CI字段中，发送给发送节点，发送节点提取CTSC消息的CI字段计算分组丢弃概率.其它的邻居节点在收到RTSC、CTSC之后，提取CI字段的信息，这样就使得一个区域内的节点能够知道周围网络的拥塞状态，结合本节点的拥塞信息更新自身的分组丢弃概率，能够改善区域内传输流的公平性.如果整个网络的节点都支持MCFCC算法，那么RTSC、CTSC中的CI字段就能被正确地解析和使用.

2.3 算法描述

为了描述MCFCC算法，用Cd表示计算分组丢弃概率时的辅助信息.定义 Cr为节点接收到的RTSC、CTSC消息中携带的拥塞信息，初值为0.MCFCC算法包括更新Cd和拥塞控制两个过程.

(1)更新 Cd.在 MCFCC算法中，当节点收到RTSC、CTSC消息时提取其中的CI字段对Cr赋值，然后按照算法1更新Cd;或者当有新的分组到达MAC层时，也要更新Cd.为了避免一段时间内由于节点没有收到RTSC、CTSC消息使得Cr过于陈旧，也为了避免一段时间内频繁更新Cr，当Cr＞Cl时，设置抑制计时器t，t时间内不再更新Cr.算法1具体描述如下.

2)拥塞控制.本研究参照 RED［20］将节点拥塞程度分成无拥塞、轻度拥塞和重度拥塞3个等级.设置两个控制阈值ηmin和ηmax，对于每个节点，如果Cd小于ηmin，这意味着节点或其邻居很少拥塞，不需要丢弃分组;当Cd介于两个控制阈值之间时，认为节点或其邻居发生轻度拥塞;当Cd超过ηmax时，节点或其周围网络发生严重拥塞.利用Cd作为拥塞信息，节点按式(3)计算分组丢弃概率Pd.对于MAC层每一个新到来的分组，需要按照概率Pd判断是否被丢弃.可以看出，拥塞程度越严重，被丢弃的分组就越多，TCP拥塞控制机制相应地会减小拥塞窗口，这相当于减小了分组发送速率，有利于缓解拥塞.

需要说明的是，在RTSC、CTSC消息中CI字段携带的是节点本身的拥塞信息Cl而不是Cd，这是因为节点只需要把自身的拥塞状态反馈给相邻节点就可以了.但是在计算节点分组丢弃概率时使用的是Cd，这是因为节点需要考虑其周围网络的拥塞状况，按照最坏的拥塞信息计算分组丢弃概率，这样可以快速消除网络的拥塞状态，改善节点间的公平性.

MCFCC算法中，节点仅通过自身的MAC层信息就可以计算出退避率，利用收到的RTSC、CTSC消息获知节点周围网络的拥塞状态，按照最坏拥塞信息计算分组丢弃概率，从而做出更恰当的操作.使用退避率作为节点的拥塞度量还能够反映出流间竞争、流内竞争和隐终端问题造成的传输冲突引起的拥塞现象，上述问题正是造成无线多跳网络拥塞的主要问题之一.通过侦听邻居节点的RTSC、CTSC消息，能够改善传输流之间的公平性.MCFCC算法仅需对802.11 DCF协议的RTS、CTS帧做少量修改即可，不再增加额外的网络开销，简单且易于实现，节约了网络带宽.这使得MCFCC算法具有很多优势:本地信息总是可用和可靠的，减少了节点间额外的信息交换，并减少了额外的网络开销，降低了节点能耗.

3 实验验证

本研究使用网络模拟器NS-2［21］作为仿真平台.网络层使用DSR协议，传输层采用TCP和UDP协议.按照IEEE 802.11标准设置实验参数:节点的传输距离250 m，侦听范围550 m，无线信道带宽2Mb/s，使用1000B的有效载荷大小.MCFCC算法中丢包策略的控制阈值 ηmin为0.1，ηmax为0.5，t为2s.实验测试了MCFCC算法对802.11 DCF协议的改进效果，同时与LRED算法进行横向比较，分析了算法的优缺点.

3.1 退避率与网络拥塞的关系

采用含有9个节点的链式拓扑结构进行仿真，每个相邻节点间的距离为200m，以保证相邻节点在彼此的传输范围内.在实验的过程中，使用1个TCP流和3个UDP流作为数据源，TCP流始终存在，3个UDP流分别在50、100、150 s时加入，以考察网络负载加重时退避率的变化.显然，每加入1个UDP流，就会加大节点在MAC层的竞争，加剧网络拥塞.表1统计了节点E执行退避过程的次数并计算得到了节点E的退避率.

表1 退避率与网络拥塞的关系Table 1 Correlation between backoff ratio and congestion

由表1可以看到，节点E的退避率从10.4%上升到15.9%.这表明随着网络流量的加大，网络拥塞和节点冲突逐渐加重，节点传输失败后进入退避过程的次数逐渐增多，退避率也随着拥塞的加重而逐渐变大，即退避率与网络拥塞具有一定的正相关性，故本研究用退避率度量节点的拥塞状况，并设控制阈值 ηmin为 0.1、ηmax为 0.5.

3.2 吞吐量的比较

在网络吞吐量仿真实验中，仍使用图1的链式拓扑结构，为了考察不同网络负载情况下MCFCC算法的性能，设置节点数的变化范围是4～40，吞吐量对比情况如图3所示，该曲线由100次仿真结果的平均值得出(文中所有图中标明的802.11 DCF均指未使用 MCFCC算法的标准802.11 DCF协议).由图3可以看出，与 LRED和802.11 DCF相比，采用MCFCC算法后吞吐量有了明显提升.但随着网络节点数的增加，网络的负载加重，节点对共享信道的竞争进一步加剧了网络拥塞，使得吞吐量明显下降.不过，在所有情况下，观察到MCFCC算法均能够提高MAC协议的性能，并且提升TCP吞吐量高达20%，同时也比使用LRED算法高5%以上，这可以解释为LRED算法缺乏对分组发送前信道状态的感知，弱于MCFCC算法对网络拥塞的控制.当节点数大于15时，随着节点数的增加，MCFCC算法能带来更多的性能提升.这是因为节点越多，业务流途经的链路越长，竞争冲突现象就越严重，退避率也就越大.故节点数越多，MCFCC算法的优势就越明显，MCFCC算法能够及早丢包，从而减小发送节点的分组发送速率，降低了传输业务流间的竞争冲突，有助于改善共享信道的利用率.

图3 吞吐量比较Fig.3 Throughput comparison

3.3 端到端延时的比较

在对比端到端延时的仿真试验中，使用含有9个节点的链式拓扑结构，仿真结果如图4所示.由图4可以看出，与LRED算法和802.11 DCF相比，采用MCFCC算法后端到端延时显著减少.这是因为MCFCC算法总是监测节点对共享信道的竞争程度，及早发现网络拥塞，提前做出反应，这大大缓解了MAC层的竞争冲突，减少MAC层分组重传次数，降低了MAC层延时.同时，MCFCC算法使得TCP不用等到MAC层达到重传阈值(RTS7次，DATA4次)丢包后才能做出响应，这也减少了分组传输延时.MCFCC算法对网络拥塞的判断比LRED算法更加准确，而且由于MCFCC算法能够接收来自邻居节点的拥塞状态，更能先于LRED算法发现拥塞，及早处理，降低了端到端延时.仿真开始时网络负载不大，MCFCC、LRED算法对网络延时影响不大，随着网络负载的增加，MCFCC算法能够对拥塞及时地判断和处理，使得网络可以始终保持在低拥塞、低冲突的状态，减少了分组等待时间，因此，使用了MCFCC算法的IEEE 802.11 DCF协议具有更低的端到端延时.

图4 端到端延时比较Fig.4 End-to-end delay comparison

3.4 公平性的比较

本研究使用图5的仿真场景验证MCFCC算法的公平性.图中的3条FTP/TCP流互相没有公用的转发节点，但图中的节点都在互相的干扰范围之内，考察MCFCC算法对节点公平性的改进，仿真结果见图6.由图6可以看到，在未使用MCFCC算法的802.11 DCF协议中，FTP2的吞吐量几乎为0，在LRED场景中，FTP2的吞吐量也远低于 FTP1和FTP3.这是因为FTP2同时面对两条业务流的竞争，其失败的次数较多，每次失败都会使TCP拥塞控制机制减少源节点A的拥塞窗口，执行慢启动阶段，这更加削弱了FTP2的竞争力.业务流FTP1和FTP3则保持着良好的传输状态，使得它们误认为当前网络没有拥塞.而且，由于参与竞争信道的传输流之间没有合作机制，一旦某个流被“饿死”就很难恢复出来.在MCFCC算法中，RTSC、CTSC捎带的拥塞信息能够让节点了解其周围的网络状况，从而控制自身的发送速率，避免了“饿死”现象的发生.实验中流FTP2由于连续的竞争失败使得其CI值较大，当其成功发出 RTSC、CTSC消息后，流 FTP1、FTP3旁听到这些消息，知道某个相邻节点拥塞严重，根据收到的CI重新计算自己的分组丢弃概率，从而降低了自身的发送速率，流FTP2就会重新竞争到信道，使得自己不会被“饿死”.

图5 3条FTP传输流Fig.5 Three FTP flows

图6 3条FTP传输流的平均吞吐量Fig.6 Average throughput of three FTP flows

4 结语

在无线Ad hoc网络中，节点每次发送分组都要竞争共享媒质，这往往导致分组传输冲突，引起网络拥塞和不公平问题，造成网络性能严重下降.为解决以上问题，本研究提出了一种基于媒质共享的公平拥塞控制(MCFCC)算法.在该算法中，提出了一种新的MAC层拥塞度量——媒质竞争失败的退避次数，并仿真验证了该度量的有效性;设计了一种节点间交换拥塞信息的方法，有效改善了各业务流间的公平性，避免出现某些节点被“饿死”的现象.仿真结果表明，MCFCC算法能够准确判断、缓解网络拥塞，显著提高网络的性能，降低端到端延时，改善业务流间的公平性.下一步将针对大规模的复杂场景进行仿真实验，特别是通过实验床实验进一步验证算法的有效性.

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