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网络中差错控制的基本机制(通信原理差错控制)

2022-11-16  本文已影响 309人 
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 1引言
  随着Internet的发展和商业化进程的加速,组播[1]以其节约网络带宽和减轻服务器负荷的优势获得了越来越多的应用。无线Mesh网络[2]作为“最后一公里”宽带无线接入的重要技术之一,具有高速度、低干扰、网络覆盖范围大、结构灵活等特点。因此无线Mesh网络中的组播应用越来越广泛。但无线网络带宽低、丢包率高、稳定性差的缺点,对无线Mesh网络组播传输的可靠性来说是一个挑战。
  差错控制是保证组播传输可靠性的重要方法,而MAC层的控制协议因为具有处理延迟短等特点,使它成为目前研究的重点,其中基于领导者的系列组播差错控制协议最为典型。本文对典型的无线Mesh网络组播差错控制协议的性能进行分析,通过理论和实验比较其优劣性,以期改进出性能更优的协议。本文结构主要如下,第2节介绍典型的无线Mesh 网络组播差错控制协议;第3节从理论上对协议进行性能分析;第4节实验仿真结果;第5节对全文进行总结并给出下一步研究期望。
  2典型无线Mesh网络组播差错控制协议
  基于领导者的系列组播差错控制协议以802.11 MAC标准的分布式协调机制[ 3]为基础,其基本思想是选择一个代理(即领导者)来代表所有的接收者负责与发送者进行控制信息的交互,从而避免反馈信息冲突和爆炸。不同的基于领导者协议在非领导者是否有发言权、是否采用分层以及是否结合前向纠错等方面存在差异,因而其在重传次数、信道占用时间及端到端平均时延等方面的性能不同。
  定义1 组播源节点或任意中间需要转发数据的节点,在向下一跳发送或者转发数据时称为发送者。
  2.1LBP
  LBP[4]是最基本的领导者协议,其基本思想是在接收者中选出一个领导者,作为和发送者交互的代理。发送者发送数据后,如果领导者正确接收到了数据,则回复ACK确认,其它节点无论是否收到数据都不做任何回应。如果发送者收到领导者回复的ACK,则此次传输结束;如果发送者在一定时间内没有收到ACK,则说明传输过程发生错误,开始重传,直至能正确接收到ACK。如果非领导者没有接收到正确数据,但领导者回复了ACK,则发送者会认为所有节点都已正确接收数据,不会再进行重传,所以无法保证非领导者节点接收到正确数据。LBP实现简单,但由于非领导者没有话语权,不能保证组播的可靠性。
  2.2BLBP
  BLBP[5]在LBP的基础上,使非领导者能反馈NACK来告知自己未正确收到数据。BLBP要解决的关键问题是如何统一接收者接收数据以及进行反馈的时间。为此,BLBP增加一个信标帧BEACON帧,BEACON帧格式如图1所示。持续时间标识的是即将发送的数据的持续时间,这样可以使所有接收者能在收到BEACON帧同时确定数据发送完成的时间,即同步了所有接收者的时间。帧序号标识了当前发送帧的序号,重传时已正确接收到数据的节点可以直接丢弃重复的帧。
  BLBP的基本思想是:发送者在发送数据之前,广播BEACON帧,这样所有节点在收到BEACON帧后可根据持续时间设定自己回复ACK/NACK时间;领导者在成功接收数据后,回复ACK,如果未正确接收,则不回应;非领导者成功接收则沉默,否则回复NACK。如果发送者收到ACK,则本次组播成功结束,收到NACK或者ACK等待超时则本次组播失败,进行重传,直到发送者正确接收到领导者回复的ACK时,结束本次组播。
  分析BLBP可知,领导者和非领导者接收数据的情况有三种。①如果所有节点都成功接收数据,发送者会收到ACK;②如果是领导者或者某些非领导者未收到正确数据,发送者会在ACK等待超时或者收到NACK后进行重传;③如果领导者正确接收而其他节点有错误,则会同时回复ACK和NACK,这样会因为信道冲突导致信道噪音,发送者会因为无法正确接收到ACK而在等待超时后进行重传。这三种情况下,BLBP都能保证所有接收者正确接收数据,因此BLBP能保证组播可靠性。
  但是BLBP仅考虑了单跳情况,在多跳的无线Mesh网络环境中性能较差。
  2.3LBLBP
  为了使BLBP能适用于多跳环境,LBLBP[6]在BLBP的基础上加入分层的概念,将组播的纠错过程逐跳的进行。LBLBP子层内用改进的BLBP协议进行可靠性保障,且定义了层内和层间的竞争机制。
  定义2从组播源节点开始,按照每增加一跳将组播划分一层,即到源节点跳数相同的节点处于同一层。
  定义3如果某一层中有节点需要向下转发数据,那么将该节点和接收它转发数据的节点划分成一个子层。
  在出现错误时,如果是单跳情况下,发送者只有一个,可以紧接着重传;但在多跳环境下,除子层内发送者外,还有其他的转发节点在竞争信道,所以要对竞争加以限制,因此加入L-C/L-R(Layer-Clear/Layer-Retransmission)帧来标识子层内传输完成情况。若子层内所有接收者都正确接收到了数据,则发送者组播L-C帧,告知此次发送成功;如果本次组播出错,则发送者组播L-R帧,等待一定时间后发送者立刻开始重传过程。
  由于存在多个中间节点需要转发数据,因此要协调节点对信道的使用,LBLBP定义了层内和层间的竞争机制。同层节点间遵循重传优先,转发平等的原则。假设节点A本次转发失败,需要进行重传,此时同层其他节点侦听到A的L-R帧后会根据A的持续时间域继续等待,以保证A能优先重传。层间采用的是下层节点转发优先的原则,保证数据帧能尽快向下传递,减小时延。如图2,B、C是A的下层节点。A在成功完成数据传输后,若仍要继续发送,则需将竞争窗口设置为最小窗口的2倍再参与信道竞争,而B、C节点只要设为最小竞争窗口即可参与信道竞争,从而保证数据能尽快向下转发。
分析LBLBP可知,由于子层内采用了改进的BLBP,因此它能保证组播的可靠性;同时LBLBP在多跳环境下定义了信道竞争机制,避免了无序竞争,能有效降低传输时延。但LBLBP也存在以下问题:当任意接收者出错时,发送者都要将数据包单独重传一次,这会大大增加重传的次数,且花费在传输控制帧的时间开销太大。
  2.4HLBLBP
  HLBLBP[7]在LBLBP的基础上,采用前向纠错FEC机制降低重传次数,另外为了减少控制帧开销,将BEACON帧与RTS帧通过融合形成新的MRTS帧,格式如图4所示。
  HLBLBP的主要思想是:利用纠删码[8]技术将一个数据块的k个数据包编码成k+n个包,其中n个包作为重传包。数据传输过程分为两部分。首先按照802.11规定标准发送前k-c个数据包,这样可以减少信道竞争和控制帧开销。其中c的取值取决于信道质量,在丢包率较小、邻居节点竞争较少时,c取值比较小。其次采用LBLBP机制发送余下的包,当发送完k个包后,发送者根据反馈信息决定是否要进行重传纠错。
  如果领导者正确收到了k个数据包,则反馈ACK,若接收的正确数据包小于k个,则不反馈任何信息;如果是非领导者正确接收到k个数据包,则不作反馈,若接收到的正确数据包小于k个,则回复NACK。发送者根据反馈,若收到ACK信息,则发送L-C帧,表示数据发送成功;若收到NACK或在一定时间内没收到ACK帧,则发送L-R帧,表示需要进行纠错。
  分析可知,HLBLBP同样能够保证组播的可靠性;由于引入了纠删码技术,在组播环境下单个的纠错包能同时纠正不同接收者的不同错误,因此可以有效的减少重传次数。虽然编码解码会增加计算开销和复杂性,占用更多的带宽,但与LBLBP每次出错都要重传数据包相比,带宽利用率还是更高。
  无线环境中某些节点到发送者的信道质量可能很差,只能收到很少的正确包,需要重传的数据包数量就很大,这样对信道质量较好的节点不公平,同时会增大数据包向下转发的时延,影响整个网络的性能。因此,公平性问题是基于领导者系列协议要解决的一个共同问题。
  3理论分析
  从上节分析可知LBP不能保证可靠性,而BLBP、LBLBP和HLBLBP三种协议都能保证可靠性,因此只对后三种协议的性能进行分析。重点分析协议的传输次数期望E(N)、数据包信道占用时间期望T(N)和端到端平均时延DK。假设本文用到的MAC层控制帧(RTS、CTS、BEACON、ACK/NACK等)都可无差错地传输到接收者。
  3.1传输次数期望
  5结束语
  本文从理论和实验上分析了BLBP、LBLBP、HLBLBP等典型的无线Mesh网络组播差错控制协议的性能,结果表明三者均能保证组播的可靠性;其中BLBP主要适用于单跳环境,而LBLBP和HLBLBP能适用于多跳环境;在传输次数、信道占用时间、端到端平均时延等方面HLBLBP的整体性能最好。但HLBLBP也存在某些信道质量较差节点影响整个网络的性能,对信道质量好的节点不公平,因此解决这个公平性问题是下一步的研究目标。
  参考文献
  [1]周贤伟.IP组播与安全[M].北京:国防工业出版社,2006.
  [2]方旭明.下一代无线因特网技术:无线Mesh网络[M].北京:北京邮电出版,2007.
  .Piscataway,NJ,,2000.
  .ACM/Kliwer Wireless Networks Journal.2001,7(4):445-487.
  .Wicom’,,2008:1-4.
  [6]席鹏,周颢,赵保华.分层信标帧驱动的无线Mesh网多播差错控制协议[J].西安交通大学学报.2010.6,44:51-56.
  . Journal of Xi’an Jiaotong University.2011.8,45:y1-y6.
  [8]Rizoo L. Effective erasure codes for reliable computer communication protocols[J].

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