無線Mesh網絡應用論文

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摘要無線mesh網絡中應用的協議主要是TCP協議。應用層轉發方法是將傳統的端對端TCP連接分成一些短小的連接，它應用在有線網絡中以提高TCP的性能。本文介紹了在無線mesh網中的應用層轉發方法并在本網絡中測試了TCP的性能。通過這種方法，無線網絡中的結點具有更高的獨立性并且往返時間RTT也大大縮短。然而，轉發也增加了網絡的競爭，為了減少這種競爭，引進了一個簡單的調度進程來增進節點間的合作。實驗結果表明，在4跳的網絡中，應用調度機制能提高將近50％的網絡性能。

關鍵詞無線mesh網；TCP；應用層轉發

引言

TCP協議的性能隨著路徑的增加而迅速降低。TCP的設計原理是當網絡發生擁塞時，它會很快的退避到發送者那里，使之降低發送率，但仍不可避免分組丟失。在WMN中，分組丟失不僅和網絡擁塞有關，還與斷路有關。盡管鏈路層提供一種重傳機制來減少斷路率，但是斷路率還是明顯高于有線網絡。

1TCP轉發系統描述

1.1應用層TCP轉發

有線網絡首先提出了應用層TCP轉發，它是通過用多個轉發節點按序轉發數據到目的節點來把一個長距離的TCP連接分割成若干個小部分。當收到源節點發送來的分組時，第一個轉發節點就立刻給源節點發送一個確認分組（ACK）。然后該節點就將本地副本轉發到下一個節點。在該條鏈路上，發送者必要時要重傳TCP。與有線網絡相似的是，在WMN中源節點和目的節點可以配置轉發功能。在TCP轉發中采用了一種簡單的方法，對于源節點和轉發節點只要能發送數據它們就發送。換句話說，它們之間并沒有相互協作。

1.2拓撲結構

我們的研究主要是針對線性鏈路拓撲結構，即一個n跳的WMN有n+1個節點和n條鏈路。令N={0,…,n}代表節點數組，節點i-1和節點i之間的鏈路為鏈路i，令I=（1,…,n）代表鏈路數組。我們假設：節點i（）的位置處在只有它的鄰結點i－1和i＋1在它的傳輸范圍內。節點i在節點i－2和節點i＋2的傳輸范圍以外，因此它不能偵聽到它們發出的信息。因此當節點i和節點i＋2同時發送信息時，在節點i＋1不可避免的發生沖突。同樣，節點i和節點i－2同時傳送，在節點i－1就會發生碰撞。我們定義節點i＋2和節點i－2為節點i的隱藏節點。

1.3測試環境

我們的測試環境包括5臺筆記本電腦節點來傳送TCP流，另外5臺筆記本電腦節點負責偵聽鏈路層的活動。我們設定前5個節點作為mesh節點，后5個作為檢測節點。5個檢測節點擺放在mesh節點的后面。每個檢測節點都運行OmniPeek來存儲鏈路層活動。

TCP測試程序TTCP運行在源節點0和目的節點4，該程序在給定的時間內不斷地從源節點向目的節點傳送TCP流。在目的節點，TTCP從TCP緩存不斷讀取數據。每個TCP連接的持續時間為1分鐘，1分鐘足可以克服系統啟動所造成的影響。每組試驗做10次，最后報告的是平均值。

1.4轉發的好處

我們對有轉發和無轉發系統的TCP性能進行了比較。比較重要的性能指標是TCP實際吞吐量G。表1是對上述兩種系統的比較結果。與我們預計的不一樣的是，加進了轉發功能，性能并沒有得到顯著提高。2建模

假設節點i以參數為的泊松分布發送數據，為節點i的ACK分組的發送率。定義節點i的分組到達率為。用這些變量，我們將鏈路層數據分組（ACK分組）的分組丟失概率（）分為3個部分：

1）信道分組丟失概率：由于鏈路錯誤造成的平均分組丟失率。用和分別表示數據分組和ACK分組的信道分組丟失率。

2）沖突概率：分組丟失概率與鄰節點的傳輸沖突有關。

3）隱藏節點丟失概率：由于兩個隱藏節點互相不能感知到對方的活動，他們的傳輸就會發生沖突致使鏈路層發生分組丟失。因此我們設數據分組和ACK分組的分組丟失概率分別為和。

因此我們得到鏈路層的分組丟失概率和為：

（1）

若沒有轉發，那么就會有一個流約束：

（2）

給定分組錯誤率，到達率如下：

（3）

所以節點傳輸率如下：

（4）

若有轉發，在并且所有的相同的情況下，實際吞吐。

在穩定的狀態下，所有的TCP的實際吞吐量都相同：

（5）

比較（4）和（5），我們得出：。所以，若有轉發，那么轉發節點具有更高的發送率。

模型顯示，一旦具有了轉發功能，每個轉發節點就試著以比沒有轉發功能時高的速率傳輸數據。盡管它使吞吐量增加了，它同時也增大了隱藏節點的影響和鏈路的分組丟失率，因此TCP性能不能明顯的提高。

3簡單調度機制的實現

前面的部分我們分析了在WMN中轉發導致低性能的原因。本部分介紹一種簡單的調度機制，該機制可以顯著提高吞吐量。

第一步，源節點發送M個分組給轉發節點1。然后，節點1設置它的接收窗口為0以阻止從源節點發送過來的任何信息。接著，節點1開始向節點2發送數據，由于只有一個節點在發送數據，所以能達到最好的速率，沒有延時。當節點1發送完畢，它仍處在“拒絕接收”狀態，這個時候節點2開始向節點3發送數據。節點2發送完數據后，就轉為“拒絕接收”狀態，然后就會發送一個“釋放信號”給節點1，節點1收到后，就從“拒絕接收”狀態釋放出來，這時源節點和節點3都開始發送數據。最后，節點2通過節點3發送的“釋放信號”跳出“拒絕接收”狀態，由于節點3是最后一個轉發節點，當它發送完M個分組給目的節點后，它自行從“拒絕接收”狀態中釋放出來。這時，所有的節點都在同樣的狀態。這個過程循環不斷的進行，直到源節點數據發送完畢。

通過這個簡單的調度算法，網絡可以達到最大的并行傳輸量，而鄰節點間沒有任何競爭。令表示鏈路i的實際吞吐量，i=1，2，3或4。我們假設傳送釋放信號時沒有沖突，則總的網絡吞吐量為：

（6）

其中，D是每個發往下一節點的分組的大小，S是釋放信號的長度。

表2比較了下列三個系統的性能：不帶轉發功能的系統，帶轉發功能但沒有調度算法的系統，既有轉發又有調度算法的系統。毫無疑問，既有轉發又有調度算法的系統的性能最好。

4總結

本文，我們首先對線性拓撲結構的無線mesh網絡中的應用層轉發方法進行了分析，結果顯示，該方法可以提高吞吐量，但由于轉發節點互相獨立，它也增加了鏈路之間的競爭。為了減小這種競爭，提出了一種調度算法來協調各個轉發節點的工作。在MWMN中進行實驗，結果表明該模型在4跳的網絡中能提高將近50%的性能。

參考文獻

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