Ad Hoc网络拥塞检测和控制分析*

任 海 鹏

(安徽机电职业技术学院 信息工程系，安徽 芜湖 241002)



Ad Hoc网络拥塞检测和控制分析*

任 海 鹏

(安徽机电职业技术学院 信息工程系，安徽 芜湖 241002)

摘要：随着通信技术的不断发展及便携设备的广泛应用，人们开始倾向于成本经济、方便实用的无线网络，Ad Hoc网络就是结合这个需求，以其独特的自组织特点被公认为最佳的移动网络构架，但是，长期以来拥塞问题一直是限制Ad Hoc网络性能的影响因素；基于此，通过对Ad Hoc网络拥塞的影响与出现的原因进行分析，对Ad Hoc网络拥塞检测方法进行研究，对移动Ad Hoc网络的拥塞控制方法进行探讨，并提出移动Ad Hoc端到端TCP拥塞控制改进方案。

关键词：Ad Hoc网络；拥塞；检测；控制

移动Ad Hoc网络属于分布式自组织网络的一种。现阶段，各种各样无线装置得以广泛应用，而移动Ad Hoc网络由于其优点而适用于各种场合，包括军事、传感器网络以及抢险救灾等。但是，因为无线网络本身的特征，比如较高的误码率、时延较大，而且移动频繁等，使得常规网络拥塞控制算法与无线网络之间存在矛盾。所以，必须针对移动Ad Hoc网络的拥塞控制方法进行设计，以此确保Ad Hoc网络的稳定可靠与高效实用。

1Ad Hoc网络的阐述

移动Ad Hoc网络最初源于分组无线网络，最早仅仅应用于军事领域。移动Ad Hoc是因为其他项目的影响而形成的一种全新网络构架技术，这种网络构架技术被IEEE802.11重新命名为“Ad Hoc网络技术”，还有人称之为MANET。移动Ad hoc网络是一种省略掉基础装置的暂时性自治系统，系统中包括具有无线收发功能的移动装置等[1,2]。移动Ad hoc网络中任何一个终端均可随机移动，也可以发挥路由器与主机两种功能。如果终端当作路由器使用，则必须发挥路由器维护及转发数据流的功能；如果终端当作主机，则要发挥主机发起数据流的功能，运行的软件是以面向用户为主，包括FTP、HTTP等。

除此之外，Ad Hoc网络节点会因为发送功率等约束，通信范围被限制，一般发送端、接收端等在彼此通信范围之外，所以发送端与接收端之间进行通信要借助中间节点，而中间节点发挥路由器的转发信息的功能，表示发送端到接收端的路由路径可以经过多跳路由转发，因此Ad Hoc网络名为多跳无线网，兼具计算机网络与移动通信等特征，可以视为一种比较独特的移动计算机通信网络。

2Ad Hoc网络拥塞的影响与出现的原因

2.1Ad Hoc网络拥塞的影响

网络拥塞是影响移动Ad Hoc网络性能的重要因素，甚至有可能造成网络性能严重恶化。网络拥塞节点位置，很多数据包丢弃。不具备拥塞信息移动Ad Hoc网络路由协议会导致网络丢包率和时延提高，而吞吐量下降[3，4]。通过仿真分析发现，网络拥塞对Ad Hoc网络的影响非常大。具体是利用NS2(Network Simulator，version2)网络模拟器。在如图1所示的拓扑结构网络中，节点1是按照1 Mb/s的速率向节点12发送UDP数据包。仿真进行50 s之后，节点2处按照1.5 Mb/s的速率向节点3发送UDP数据包。仿真持续进行100 s后节点10以2 Mb/s的速率向节点11发送UDP数据包。

图1　仿真所用的拓扑结构Fig.1　Simulation used topological structure

图2所示为网络吞吐量及延迟方面的相关仿真结果。结果发现，在0和50 s之间的网络吞吐量比较高，但是延迟非常低；在50 s之后，节点2发送数据包，导致网络产生一定的拥塞，吞吐量显著降低，延迟提高，网络通信能力迅速降低；在100 s之后，节点10发送数据包时，吞吐量迅速下降至0，延迟骤然提升，网络此刻是完全拥塞的状况，无法进行通信。

2.2网络拥塞的原因

(1) Ad Hoc网络的移动终端缓存空间较小，且处理能力比较弱，这和其移动终端大多是手机、笔记本等有直接关系，决定了处理能力有限。

(2) Ad Hoc网络节点的转发特征，其节点可以作为终端、路由器，可以进行收发和转发的任务。一些节点会处理很多数据流，需要排队处理，假如情况持续，一旦缓存耗尽则节点会产生丢弃数据包的情况，而出现网络拥塞情况。

(3) 对无线信道及MAC层机制进行共享。无线Ad Hoc网络中，许多节点的无线信道是共享的，节点要按照MAC层机制才有一定几率接入信道，因为其传输范围的信道有限而导致网络拥塞。

图2　时间变化Fig.2　Time changes

3Ad Hoc网络拥塞检测方法分析

选择闭环控制的拥塞控制，对拥塞进行控制可以详细分为3个过程：首先是节点对网络发生拥塞的具体位置及相关情况进行检测；其次把拥塞通告转移到可以进行拥塞控制的相关节点；最后，控制节点按照收到的拥塞通告信息，选择措施控制拥塞。所以，要准确地检测拥塞情况，对网络有无拥塞情况及拥塞程度进行判断，是开展闭环拥塞控制的前提工作。具体而言，Ad Hoc网络拥塞检测方法包括几种：

(1) 基于缓存队列长度。基于节点缓存数据队列的长度，对网络有无拥塞状况进行判断，是一种最为常见的方法。其原理是缓存内数据队列的长度越长，那么节点缓存剩余空间就越小，如果很多数据进入节点，则节点缓存就会满载溢出，造成数据包丢失而形成网络拥塞；如果节点缓存的数据队列越长，那么节点内缓存数据等待发送时间就会越长久，导致数据包传输被延迟，网络性能下降[5，6]。方法对于瞬时缓存队列长度进行数据采样，如果瞬时缓存队列长度大于设置阈值，则认定网络发生拥塞，方法简单、易于实现、无额外开销。

(2) 基于信道利用率。基于信道利用率的拥塞检测方法是针对无线信道的忙闲程度进行数据采样，如果节点附近信道基本上处于忙的状态，则认定节点网络拥塞，由于节点抢夺信道，则其接入信道传输数据的难度很大。这种检测方法和MAC协议存在密切的关系。

(3) 基于传输速率。这种拥塞检测方法是针对节点MAC层的数据发送速率及数据接收速率开展监测工作，以此对节点周围有无网络拥塞进行判断。除此之外，还有基于传输延迟的拥塞检测方法、基于带宽估计的拥塞检测方法等。

4移动Ad Hoc网络的拥塞控制方法

对移动Ad Hoc网络的拥塞控制方法进行总结，包括针对节点移动、针对多跳引起的随机丢包、针对信道接入不公平性以及新型拥塞控制协议4个方面[7]。针对节点移动引发的拥塞问题，是选择中间节点产生于转发路由失效通知和路由恢复通知，如果发送端收到通知，则进入snooze的状态，此时参数无变化，收到恢复通知才可重新恢复；针对多跳引发的随机丢包问题，是增加了一个新的算法处理随机丢包的问题，对RTO进行实时监测，一旦其变大，则拥塞窗口无变化，如果RTO没有变化，则拥塞窗口根据TCP自身规则变大，ADTCP利用监测网络数据参数对路由、链路情况进行判断，从而进行下一步适当调整；针对信道接入不公平性而引发拥塞控制，路由建立时制定两条不同路径，具有不同的任务需求；新型拥塞控制协议，是基于速率的一份协议，允许发送的速率和当前速率存储于发端数据包的端部，中间节点对数据流CR进行记录，按照带宽区别，并遵循公平分配的原则，对节点可以分配给数据流的速率进行计算，如果计算出速率不大于包头ER，那么替换ER，接收端会收到ER反馈，发送端则可以按照ER值控制发送速率。

5移动Ad Hoc端到端TCP拥塞控制改进

利用隐式丢包的方法，在常规TCP拥塞控制算法的前提下进行重新修改，按照TCP端到端的特征，对于收到重复确认ACK，或者是超时、丢包等情况，先对丢包的具体原因进行判断，按照具体原因选择各种措施[8，9]。方案是以TCP端到端为基础，无需下层反馈信息以及省却了中间节点的合作，网络中实现比较简单，且兼容性特别好。

(1) TCP拥塞度参量，现阶段端对端TCP拥塞控制算法的原理是通过网络中隐藏数据信息对拥塞丢包、费用塞丢包进行区别，如果是费用塞丢包，最好对其状态进行冻结，保持拥塞窗口，而且RTO的参数无变化。首先，段间延迟差异IDD，是以相邻两个报文段间IDD，可以侧面反映网络拥塞情况，尤其是路由变化而引发的网络拥塞；其次是段错序率，报文段错序是因为节点移动而导致，节点移动过程中造成链路终端、路由路径变化等。

(2) 拥塞识别，如果IDD值不小于某一固定数值。同时SOR值不小于SOR0时，则产生网络拥塞。IDD0和SOR0分别是IDD与SOR的门限值，IDD0与SOR0的设置也有一些问题。假如IDD0设置太小，则会对路由变化而引发的丢包判断失误，选择不适当的拥塞控制算法；假如IDD0设置太大，则会认为网络拥塞丢包与路由变化引起的丢包是一致的，持续不断地向网络中发送数据包，持续加重网络拥塞。如果SOR0设置比较小，则会对节点移动造成丢包误判情况，如果SOR0设置太大，则会使链路中断而产生丢包误判，所以可以适当选择IPP0和SOR0的数值。

(3) 具体算法包括发送端算法、接收端算法、总算法等。

6结语

总之，移动Ad Hoc由于其无需基础设施与自组织性较高的特点，非常容易在各种环境下组成通信网络，所以得以广泛应用，人们对其的要求也在提升，包括延迟、带宽及吞吐量等。但由于移动Ad Hoc本身的特征，其TCP性能无法满足使用的需求，必须要针对性地改进与设计合适的TCP拥塞控制算法。

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责任编辑：田静

Ad Hoc Network Congestion Detection and Control Analysis

REN Hai-peng

(Department of Information Engineering,Anhui Technical College of Mechanical and Electrical,Anhui Wuhu 241002,China)

Abstract：With the continuous development of communication technology and with the wide application of portable equipment,wireless network,with low cost,convenience and easy-use,is attached importance.Based on this,Ad Hoc network is regarded as the optimal mobile network frame by its unique self-organization feature,however,congestion problem has been the factor for restricting the performance of Ad Hoc network property for a long time,Therefore,this paper firstly introduces Ad Hoc network,then analyzes the influence and cause for the congestion,studies Ad Hoc network congestion detection method,discusses its congestion control method and proposes the changing method from mobile Ad Hoc end to TCP congestion control improvement.

Key words：Ad Hoc network; congestion; detection; control

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)01-0073-04

作者简介：任海鹏(1979-)，男，安徽芜湖人，讲师，硕士研究生，从事数据通信与无线网络研究.

*基金项目：2014年安徽省质量工程项目(2014jxtd099).

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-09-28.

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0001.016