應用于有線-無線混合網(wǎng)絡的基站管理機制

劉純麗 方元康

（1池州學院 現(xiàn)代傳媒系，安徽 池州 247000）

（2池州學院 數(shù)學計算機科學系，安徽 池州 247000）

（3南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210016）

1 WTCP協(xié)議概述

TCP（Transmission Control Protocol,傳輸控制協(xié)議）[1]是為了實現(xiàn)在不可靠的網(wǎng)絡中提供可靠的端到端字節(jié)流傳輸而設計的，TCP協(xié)議通過數(shù)據(jù)的分段和重組，實現(xiàn)了流量控制[2]和擁塞控制[3]。

隨著無線網(wǎng)絡的日益發(fā)展，其高延遲和高誤碼率的特點，使得TCP協(xié)議的缺陷日益凸顯，各種基于傳統(tǒng)TCP協(xié)議的改進方案應運而生。1998年，Ratnam和Matta提出了適用于有線-無線混合網(wǎng)絡[4]的分段網(wǎng)絡的WTCP協(xié)議（Wireless Transmission Control Protocol，無線傳輸控制協(xié)議）[5]，其優(yōu)越性也得以顯示：

第一：WTCP協(xié)議保持TCP協(xié)議端到端的含義，對于有線-無線混合網(wǎng)絡，在有線網(wǎng)絡部分仍然使用TCP協(xié)議，對于無線網(wǎng)絡部分采用WTCP保證數(shù)據(jù)更好地傳輸。

第二：WTCP協(xié)議中，為了減少無線網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性對網(wǎng)絡傳輸?shù)挠绊?，提高整個混合網(wǎng)絡的傳輸效率，無線網(wǎng)絡的各種操作對于靜態(tài)主機是透明的。

第三：WTCP協(xié)議采取的基于速率的數(shù)據(jù)和ACK傳輸機制，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，對于避免無效重傳具有一定的效果。

第四：WTCP協(xié)議為了實現(xiàn)擁塞控制與可靠性控制的分開處理，分別設置了擁塞控制序列號與可靠性序列號。

第五：基站承擔了數(shù)據(jù)重傳的功能，減少了鏈路的負載，提高了鏈路的使用效率。

WTCP工作過程如圖1所示。

Figure 1 WTCP protocol

由圖可知，數(shù)據(jù)報文首先由靜態(tài)主機發(fā)送至基站，再通過基站緩沖區(qū)存儲轉發(fā)至移動主機。作為發(fā)送方的靜態(tài)主機，通過判斷基站是否正確接收數(shù)據(jù)報文判斷數(shù)據(jù)是否正確傳送。作為中轉的基站，對于接收的數(shù)據(jù)，要記錄其到達時間和傳輸號，以便更好地轉發(fā)。作為接收方的移動主機，在正確接收到數(shù)據(jù)之后，通過ACK將數(shù)據(jù)接收情況反饋到基站。

為了遵循端到端的傳輸機制，WTCP協(xié)議中ACK的傳送完整路徑包含了無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡兩個部分。由于無線網(wǎng)絡狀況穩(wěn)定性上不如有線網(wǎng)絡，這樣在RTT[6]（Round-Trip Time，往返時延）的計算上，就存在一定的不穩(wěn)定性。

2 新的基站管理機制

WTCP協(xié)議為了遵循端到端的傳輸機制，在ACK傳輸機制上顯現(xiàn)了一定的缺陷。為了改進這一缺陷，NWTCP協(xié)議提出了一種適用于有線-無線混合網(wǎng)絡的基站管理機制。新算法在基站新建了存儲列表，并對采取了新的分段反饋機制（即對ACK傳輸做了改進），使得基站的功能得到更大發(fā)揮，在一定程度上提高了網(wǎng)絡的傳輸能力。仿真對比試驗表明：新的基站管理機制對于提高無線網(wǎng)絡的吞吐量起到了明顯的效果。

NWTCP協(xié)議仍然沿用WTCP協(xié)議中RTT值的計算方法，同時ACK中保留攜帶擁塞狀態(tài)信息位。對于網(wǎng)絡擁塞必須同時滿足擁塞控制標志位AE值為1和RTT＞eRTT+sRTT

NWTCP協(xié)議通過增強基站管理能力，將有線-無線混合網(wǎng)絡分別管理，對于狀態(tài)穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡傳輸層仍然使用TCP協(xié)議進行管理，對于狀態(tài)不穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡傳輸層使用改進的WTCP協(xié)議進行管理。

2.1 基站存儲列表

增強站的存儲能力，新建一個存儲列表，列表采取數(shù)據(jù)結構體。每個從靜態(tài)主機傳送至基站的數(shù)據(jù)單元，都通過新建一個存儲單元添加至存儲列表，基站再根據(jù)接收的ACK更新存儲列表。在此過程中，基站不再只是承擔簡單的存儲轉發(fā)功能，同時具備一定的管理功能，對存儲列表采取滑動窗口機制進行管理，同時對于無線網(wǎng)絡采取一定的擁塞控制機制進行管理。其工作原理如圖2所示：

figure 2 storage list in Base

NWTCP協(xié)議，通過基站建立存儲列表，區(qū)分處理有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的問題，減少不必要的有線網(wǎng)路重傳和ACK的傳送，降低了網(wǎng)絡負載，節(jié)省網(wǎng)絡開銷。存儲列表采取鏈表的管理方式，對于到達的數(shù)據(jù)分區(qū)進行數(shù)字重新數(shù)字編號，以便于基站和移動主機之間的ACK管理。

2.2 分段反饋機制

WTCP協(xié)議為了遵循端到端的含義，其RTT的計算包含了數(shù)據(jù)從靜態(tài)主機發(fā)送到移動主機以及ACK由移動主機返回到靜態(tài)主機的整個過程。在有線-無線混合的網(wǎng)絡中，由于無線網(wǎng)路的高延時和高誤碼率，以及路由更新、能量不足等不可預見的問題時，其性能無法與有線網(wǎng)絡相當，這樣使得RTT的計算存在很大的不穩(wěn)定性。

在NWTCP協(xié)議中，通過分段反饋機制，增強基站的管理能力，有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡分段管理。對于有線網(wǎng)絡，當數(shù)據(jù)被基站正確接收，基站返回ACK通告靜態(tài)主機，靜態(tài)主機判斷數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)被正確傳送；對于無線網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)以及ACK的傳送發(fā)生在基站和移動主機之間，RTT值的計算只涉及這一過程。基站通過RTT值以及ACK攜帶的網(wǎng)絡狀態(tài)信息位的值，對網(wǎng)絡狀態(tài)進行判斷，選擇相應的鏈路管理I機制。

2.3 NWTCP協(xié)議可行性分析

在NWTCP協(xié)議中，在基站新建了存儲列表，通過分段反饋機制，實現(xiàn)了有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的分開管理。有線網(wǎng)絡部分采取成熟的TCP協(xié)議，采取相應的擁塞管理機制和ACK傳送機制，減少了不必要的重傳和ACK狀態(tài)信息的傳送，降低了網(wǎng)絡的負載，提高了網(wǎng)絡的效率。無線網(wǎng)絡由于其高延時、高誤碼率、路由更新、能量不足等非網(wǎng)絡擁塞引起的數(shù)據(jù)包丟失，通過相應的RTT值計算以及ACK攜帶的狀態(tài)信息位值，采取相應的擁塞管理機制。

通過有線-無線混合網(wǎng)絡，既發(fā)揮了有線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性優(yōu)勢，有發(fā)揮了無線網(wǎng)絡的靈活性優(yōu)勢，使數(shù)據(jù)能夠更好地傳輸。

NWTCP協(xié)議中，通過增加基站的存儲能力和增強基站的管理能力，采用存儲列表和ACK分段反饋機制，提高了網(wǎng)絡的吞吐量。核心偽代碼如下所述：

2：if ACK and （（AE=0）or（RTT＞eRTT+sRTT））

3： SW=SW

4：endif

5：if ACK and （（AE=1） and （RTT＜eRTT+sRTT））

6： SW+=1

7：endif

8：if（there is packet lost）and （（AE=0） or（RTT＞ERTT+SRTT））

9： SW/=2

10：endif

11：if（there is packet lost） and （（AE=1） or（RTT＜ERTT+SRTT））

12： SW+=4

13：endif

14：if（there is packet lost）and timeout

15： SW=0

16：endif

上述代碼中，SW表示基站中發(fā)送窗口大小。

3 對比室驗與結果分析

3.1 仿真場景的設置

本文進行的對比實驗均在Windows XP操作系統(tǒng)下安裝NS2.33[7]完成的。

Figure 3 simulation link topology diagram

實驗鏈路拓撲結構圖如圖3所示，實驗過程中采用NS2集成功能模塊實現(xiàn)各構件的功能。在無線網(wǎng)絡中，設置了不同移動速度的移動主機，驗證NWTCP協(xié)議吞吐量要優(yōu)于WTCP協(xié)議。

Table 1 analog parameters set

仿真實驗中，設定的3個移動節(jié)點中任意選定一個作為移動主機，傳送的數(shù)據(jù)報文大小設定為1460字節(jié)的，設定最大8個數(shù)據(jù)報文段大小的發(fā)送窗口，通過FTP代理設置TCP鏈接傳送所需的數(shù)據(jù)流。

3.2 TCL腳本設置

在仿真對比實驗中，首先對節(jié)點和鏈路進行定義。修改基站的TCP NewReno協(xié)議中tcp.h/tcp.cc文檔代碼，實現(xiàn)了WTCP協(xié)議和NWTCP協(xié)議的定義文檔wtcp.cc和nwtcp.cc。修改移動主機的tcp-sink.h/tcp-sink.cc文檔，完成移動主機的設置。

建立網(wǎng)絡鏈接。偽代碼如下：

set ns[new simulor]

set S1[ns node]

set B1[ns node]

set K1[ns node]

set K2[ns node]

set K3[ns node]

將需要的成員函數(shù)添加tcp.h的類中，實現(xiàn)分段反饋機制。

對移動終端的tcp_sink.h/tcp_sink.cc文件進行修改，以實現(xiàn)wtcp.cc和nwtcp.cc，實現(xiàn)相關協(xié)議的功能。

設置網(wǎng)絡鏈路帶寬與時延

設置FTP數(shù)據(jù)的起止時間

對比實驗分別在純無線網(wǎng)絡（既無擁塞，也無網(wǎng)絡差錯）、5%的信道誤差網(wǎng)絡、5%信道誤差且存在另外2條UDP數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡三種環(huán)境下進行，實驗過程中逐漸增加移動主機的移動速度，WTCP協(xié)議和NWTCP協(xié)議分別產生了不同的網(wǎng)絡吞吐量，驗證表明改進協(xié)議具有一定的優(yōu)越性是建立在一定的實驗環(huán)境中的。

通過make相關命令，使新的文件在NS實現(xiàn)，并利用數(shù)據(jù)庫技術來分析結果。

由于篇幅有限，在此并未完成列出新的協(xié)議。

3.3 實驗結果對比分析

首先在設置的不同無線網(wǎng)絡環(huán)境中，對NWTCP協(xié)議和WTCP協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量進行比較。

Figure 4 mobile environment the comparison of the NWTCP protocol and WTCP protocol

如圖4所示，純無線網(wǎng)絡環(huán)境中，在速度小于5m/s的低速情況下，NWTCP協(xié)議與WTCP協(xié)議在吞吐量方面相當。當速度不斷增加，尤其是高于10m/s的情況下，NWTCP協(xié)議吞吐量下降要緩于WTCP協(xié)議。這是由于NWTCP協(xié)議中增加了基站的存儲與管理能力，減少了網(wǎng)路重傳的時間，降低了網(wǎng)絡開銷的原因。

無線網(wǎng)絡中鏈路差錯設定中，通過丟棄數(shù)據(jù)包實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失。在基站處設置好將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的erro_標志位，移動主機通過Agent函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟棄處理。偽代碼描述如下

Figure 5 mobile environment（5%channel error）the comparison of the NWTCP protocol and the WTCP protocol

圖5顯示了5%信道誤差的無線網(wǎng)絡中，隨著移動速度的不斷增加，NWTCP協(xié)議與WTCP所表現(xiàn)的不通網(wǎng)絡吞吐量。圖5與圖4從縱向上相比，增加網(wǎng)絡誤差的網(wǎng)絡環(huán)境中，兩個協(xié)議的網(wǎng)絡吞吐量比純無線網(wǎng)絡環(huán)境都有所下降。從圖5同時可以看出在5%信道誤差的網(wǎng)絡環(huán)境中，隨著移動主機速度的增加，NWTCP的網(wǎng)路吞吐量比WTCP的網(wǎng)絡吞吐量下降要慢。這是由于在5%信道誤差的網(wǎng)絡中，基站良好的存儲與管理能力的優(yōu)越性得以凸顯，完成了快速的數(shù)據(jù)重傳功能。

在該實驗中通過對err函數(shù)中5%（set rate_0.05）的誤差完成實驗環(huán)境的設置。

在圖5設置的5%信道誤差的基礎上，在無線網(wǎng)絡中增加兩條傳輸速率為150kbps的UDP/CBR數(shù)據(jù)流，時間設置在[50,150]、[130,200]之間，得到如圖6的實驗結果。具體偽代碼實現(xiàn)如下：

…… //在B1和K1間建立一條TCP連接的FTP數(shù)據(jù)流

set udp（1）[new Agent/UDP]//在B1和K2間建立一條UDP連接和CBR數(shù)據(jù)流

set udp（1）[new Agent/UDP]//在B1和K3間建立一條UDP連接和CBR數(shù)據(jù)流

……

如圖6所示，隨著移動主機節(jié)點速度不斷降低，NWTCP中吞吐量下降的速度要慢于WTCP協(xié)議。這是由于無線網(wǎng)絡在高速狀況下會出現(xiàn)路由更新以及鏈路中斷，同時又有其它數(shù)據(jù)流的競爭，NWTCP協(xié)議由于增強的基站存儲轉發(fā)能力，提高了網(wǎng)絡的重傳效率；同時分段反饋機制，減少了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)以及ACK傳輸量，節(jié)省了網(wǎng)絡開銷。同時WTCP協(xié)議中當鏈路出現(xiàn)切換時，立即啟動慢啟動，也對吞吐量產生了一定的影響。

Figure 6 mobile environment（5%channel error and 2UDP/CBR flow）the comparison of the NWTCP protocol and the WTCP protocol

綜合3個對比實驗可以得出，在無線網(wǎng)絡環(huán)境中，隨著移動主機速度的增加，本文提出的NWTCP協(xié)議在性能方面較WTCP協(xié)議有所改善。

4 結論

本文提出了應用于有線-無線混合網(wǎng)絡環(huán)境的基站管理機制，新算法新建了存儲列表，同時通過分段反饋改進ACK傳輸機制。對比實驗表明：在有線-無線混合網(wǎng)絡中，隨著信道誤差的增加和數(shù)據(jù)流量增加，本文提出的NWTCP協(xié)議較之WTCP協(xié)議，在移動主機速度不斷增加情況下，對于網(wǎng)絡吞吐量方面有一定的改善。

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