无线Ad hoc网络下“邻居区域RED”的仿真及实验研究

论文摘要

无线ad hoc网络具有许多不同于有线网络的特性,而由这些特性带来的大量的问题至今为止并没有得到完全解决,从而导致TCP业务在无线ad hoc网络中的性能不如在有线网络中那么令人满意。为了解决无线ad hoc网络中TCP流公平性问题,洛杉矶加州大学的许开心博士针对无线传输的特点,提出了一种网络层解决方案——邻居区域随机提前检测(NRED)机制。该机制将有线网络中RED队列管理机制扩展到分布式邻居区域队列上,提前检测拥塞,通知邻居节点,并按照各流占用信道的比例丢包,来提高TCP的公平性。但是,许开心博士在仿真中采用了在MAC层测量信道利用率的方案间接实现了NRED机制,使得该方案变成了一个跨层的解决方案,违背了NRED机制提出的初衷,而且若不修改无线网卡,则很难在实验床上实现。为了验证NRED机制的有效性和实用性,同时避免跨层,我们在仿真和实验床上都实现了在网络层广播队列长度的NRED方案。仿真和实验都证明了该实现方案的性能表现不能很好的与NRED理论相吻合。这主要是由两个原因造成的:首先,基于广播队列长度的NRED机制的广播报文投递并不可靠,尤其是在拥塞严重的邻居区域内这种广播更加不可靠;其次,由于实验中各点实际的邻域队列长度和通过MAC层信道利用率间接计算出来的并不一致,这造成了拥塞程度的判断与理论不一致。所以我们认为基于广播队列长度的NRED实现方案很不理想。为此,我们又提出了两种新的基于被动测量的公平性解决方案――基于传输延迟测量的方案和基于带宽测量的方案。基于传输延迟测量的方案是对NRED机制的改进,我们让每个节点测量自身数据包从离开MAC层缓冲区到成功收到ACK的时间延迟,并以此作为判断邻域拥塞情况的标准,从而自动调节丢包率,以减轻网络负载,达到提高公平性的目的。我们给出了该方案的数学推导,关键算法和基于Linux实验床的实现方案。基于带宽测量的方案中是全新的网络层公平性解决方案,我们让每个节点监听通过该节点的业务流的吞吐率,当达到某一阈值时,我们就认为该节点在信道竞争中处于优势,应该暂停传输数据,给其它节点竞争机会。我们在实验床上实现了该方案,进行了性能评价并和洛杉矶加州大学李咏中所作的仿真进行了比较分析。实验结果与仿真结果一致,都证实了,基于带宽测量的方案采用了被动测量的方式探测邻域拥塞状况,可有效判断出邻域拥塞情况,明显的改善了TCP的公平性。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 无线ad hoc网络技术的发展
• 1.2 课题背景
• 1.3 作者的工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 邻居区域随机提前检测机制概述
• 2.1 无线ad hoc网络中的TCP吞吐率及公平性研究
• 2.1.1 无线ad hoc网络中的TCP吞吐率
• 2.1.2 无线ad hoc网络中的TCP公平性
• 2.2 无线ad hoc网络中的邻居区域概念
• 2.2.1 现有机制下无线ad hoc网络的公平性状况
• 2.2.2 邻居区域及瓶颈邻居区域
• 2.2.3 邻居区域加权公平性指数
• 2.3 RED机制及其在无线ad hoc网络中的应用效果
• 2.3.1 随机提前检测（RED）机制
• 2.3.2 RED在无线ad hoc网络中的应用效果
• 2.4 无线环境下RED机制的改进-NRED机制
• 2.4.1 邻居区域拥塞检测
• 2.4.2 邻居区域拥塞通知
• 2.4.3 邻居区域分布式丢包
• 2.4.4 基于信道利用率的NRED机制仿真验证
• 第三章 Linux网络协议栈及网络测量方法
• 3.1 Linux内核网络协议栈
• 3.1.1 数据结构
• 3.1.2 INET Socket层
• 3.1.3 IP层
• 3.1.4 硬件层
• 3.2 Prism2 无线网络设备驱动程序
• 3.3 网络测量技术
• 3.3.1 主动测量技术
• 3.3.2 被动测量技术
• 第四章 基于广播队长的NRED机制的仿真
• 4.1 在仿真中实现基于广播队长的NRED机制
• 4.1.1 邻居区域拥塞检测
• 4.1.2 邻居区域拥塞通知
• 4.1.3 邻居区域分布式丢包
• 4.2 性能评价指标及参数
• 4.2.1 性能指标
• 4.2.2 仿真参数
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 吞吐率
• 4.3.2 队列长度
• 4.3.3 NCD
• 4.3.4 NCN
• 4.3.5 DNPD
• 4.4 总体评价
• 4.5 参数调整
• 第五章 在实验床上实现基于广播队长的NRED机制
• 5.1 Linux内核中的RED队列管理机制
• 5.1.1 Linux内核对QoS的支持
• 5.1.2 RED机制在内核中的参数配置及应用
• 5.2 NRED机制的实验床实现
• 5.2.1 实验场景及实验环境
• 5.2.2 邻居区域拥塞检测的实现
• 5.2.3 邻居区域拥塞通知的实现
• 5.2.4 邻居区域分布式丢包的实现
• 5.3 实验结果及分析
• 5.4 仿真结果与实验结果的比较
• 第六章 NRED机制的其他实现方案
• 6.1 基于MAC层传输延迟测量的方案
• 6.1.1 MAC层传输延迟的计算模型
• 6.1.2 实验床实现
• 6.2 基于带宽利用率测量的方案
• 6.2.1 实验床实现
• 6.2.2 参数调整
• 6.2.3 实验结果与仿真结果的比较
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 今后研究的方向
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢