基于Glomosim的移动自组织网络MAC协议的研究

基于Glomosim的移动自组织网络MAC协议的研究摘要：无线移动AdHoc网络(MANET)是一种不依赖任何固定设施的移动无线多跳网络。由于AdHoc网络的拓扑结构和资源限制,一个有效和分布式的MAC协议是一个挑战性研究工作。本文运用Glomosim仿真软件分析了典型的AdHoc网络MAC协议。然后根据这些协议的设计机制、解决问题的方法进行讨论和性能对比。关键词：AdHoc；MAC协议；Glomosim0引言移动自组织网络(MANET)在军事、商业和教育环境中的应用,尤其是在战争、野外活动中有着其他各种固定网络无法比拟的优势,使得多跳、无线自组网络成为近年来研究的热点。由于它具有自组性、临时性、无基础设施要求及易于架设等特点,被广泛应用于战场信息系统建设、紧急救援救灾指挥、会议交流、野生动物追踪、海底及空间探索等领域。无线网络多以多路复用信道作为通信基础,与采用点到点连接的网络相比,存在一个关键的技术问题,即当信道的使用发生竞争时,如何分配信道的使用权。在无线网络中,完成该功能的是数据链路层DLC的介质访问控制(MAC)子层。无线网络的性能(吞吐量、时延等)完全取决于MAC子层的接入协议。因而制定适当的MAC子层协议规则,根据网络业务特性有效地配置信道资源,提高无线资源的使用效率,提高系统的容量和传输质量一直是国内外学术界研究的重要课题之一。。本文运用Glomosim仿真软件分析了典型的AdHoc网络MAC协议。然后根据这些协议的设计机制、解决问题的方法进行讨论和性能对比。1AdHoc网络MAC协议介绍1.1MAC协议简介AdHoc网络的链路协议可以被划分为两个子层：链路控制子层LLC和信道接入子层MAC，链路控制子层完成链接控制、分簇等与信道无关的链路控制功能。信道接入子层控制节点访问无线信道，为上层提供快速、可靠的报文传送支持。当发送数据时，MAC层要完成以下任务：首先按照某种规则从逻辑链路层接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络是否可以发送；一旦网络可以发送，它将给数据附加上一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式(帧)送往物理层。当接收数据时，MAC要完成以下任务:首先它从物理层接收数据帧并检查数据帧中的控制信息，从而判断是否发生传输错误。如数据正确，则去掉控制信息后将其送至逻辑链路层。由于AdHoc网络没有中央控制机制，与普通的单跳网络(无线局域网、蜂窝网络)相比，网络冲突可能更容易发生。传统的MAC协议需要进行改进才能适用于AdHoc网络中。目前针对媒质共享竞争的问题，已经有ALOHA、时隙ALOHA、CSMA(载波侦听多路访问)，以及IEE802.11所采用的CSMA。MAC层主要就是由这些媒质接入方案充当。由于ALOHA、时隙ALOHA、CSMA都存在媒质冲突、终端暴露以及终端隐藏等严重的问题，所以，后来就有带冲突检测和冲突避免的CSMA媒质接入方案的提出，被用在了当前的IEE802.11无线局域网方案中。我们将在下一节中对这几种信道接入协议进行分析和介绍。1.2MAC协议的性能指标MAC协议是AdHoc网络组网的基础，也是网络节点通信的第一步，只有高效、公平、有序地组织网络中的所有通信节点的链路层通信能力，才能保证上层路由协议的正常运行，从而保证网络的整体性能。运用准确的理论分析方法有效地度量MAC协议的性能好坏，对我们研究并改进协议的工作有重要的现实意义。对MAC协议接入性能的评价，主要是从它对网络整体性能(吞吐量和时延)的影响来进行的，也定性地分析节点的信道接入效率的公平性指标。一种好的MAC协议应在下述方面达到最优：1)、获得尽可能高的网络吞吐量；2)、延迟尽可能小；3)、公平、有效地使用无线信道的有限带宽资源，改善信道接入的公平性。但是，在AdHoc网络环境中使以上各方面指标都达到最优是不可能的，只能根据不同种类通信业务对网络性能要求进行折中。从上述三个方面做出评估，将对一个MAC协议在实用中是否可行给出衡量，这些对于研究协议十分重要。人们常用定性办法评估协议，定量方面给出衡量办法不多，下面具体描述几个MAC协议的性能指标：1.2.1吞吐量把单位时间内在信道上成功传输的信息量定义为吞吐量。假设帧长固定，帧长度为Lbit，且单位时间(以下设为s)内成功传输的帧数为n，则吞吐量可表示为nLbps(比特/秒)。通常，用信道传输速率R(bps)，对吞吐率归一化，归一化的吞吐率S表示，即S=RLn=nT这里T=L/R是指每帧在信道上的发送时间。如果在信道上帧不发生碰撞，且帧间隙为零的话，信道将被最大限度地使用，这时nL=R，即吞吐率S=1。相反，如果信道上所有的帧发生碰撞，即成功传输的帧数n=0的话，吞吐率达最小值S=0，这里信道传输速率是指消息在信道上的传输过程中，每单位时间内所传输的理论信息量。通常情况下，一个通信系统是不会始终工作于最大吞吐量状态下的，经常会出现过载情况，所以需要引入“饱和吞吐量”(SaturationThroughput)的概念，在随机接入中，随着负载增加，吞吐量达到最大值，称为“最大吞吐量”。但是随着负载的进一步增加吞吐量却显著降低，也就是系统不能长时间工作在最大吞吐量，所以“最大吞吐量”这种性能指标在实际应用中是没有意义的。随着负荷增加，系统从最大吞吐量降到一个稳定值，这就是上述的饱和吞吐量。1.2.2时延衡量网络传输能力的重要指标之一是将一个分组从源节点传到目的节点的时延。对于整个网络而言，某一帧从进入缓冲器的时刻开始，至成功地到达目的站接收缓冲器的时刻为止的一段时间，称为帧的传输时延。当某帧被成功地传输时，其时延主要是发送等待时间(即为获得信道使用权的等待时间，称为接入时延)和该帧在信道上的传输时间(即刀组成。如果发生碰撞或者传输错误，延迟时间还应包括由于重传而带来的时延。由于每帧的传输时延可能不同，一般取一帧的平均传输时延(用符号D表示)作为帧时延的量度。通常用一帧的传输时间(T)对平均传输时延(D)归一化。假定网络中的链路具有相同的信道容量，各节点具有相同的处理能力，则节点由于重传而带来的时延和传输时延都是一致的。在讨论网络时延性能的影响时只考虑接入时延部分，即认为对网络时延的主要影响是由网络的接入时延造成的。接入时延定义为：节点从有数据需要发送到数据的实际发送的时间间隔。它是反映单个节点接入效率的重要参数，但是不能反映网络整体性能。1.2.3公平性公平性在流量控制、缓存管理和调度中是一个普遍的概念。一般来讲，对公平性最直观的理解就是保证没有一个用户被刻意地歧视或过分地优待。对于采用MAC协议来共享介质的网络，从带宽分配的角度分析，实现公平性的目的就是为了调整MAC层的接入，使得网络中的不同节点，同一服务级别协定(ServiceLevelAgreement,SLA)的不同流(一对确定的入口节点和出口节点之间所有单向流量)，或者不同SLA的流都有“公平的”机会接入网络，或者说，可以“成比例”或者“加权”地分配到带宽资源。同时，这种分配不依赖于节点在网络中所处的具体位置。因此，这里所谓的公平性也就称为MAC协议公平性，为解决MAC协议公平性所提出的算法，就称为MAC协议公平性算法。IEEE802.3,IEEE802.5以及IEEE802.6等标准中定义的多种MAC协议，都包含MAC协议公平性算法的。1.3AdHoc网络中几种典型的MAC协议MAC协议可以分为同步协议和异步协议。同步MAC协议中,所有节点在时间上是同步的。异步MAC协议采用分布式的控制机制,其信道接入多是基于竞争模式的。MAC协议也可以分为发方驱动协议和收方驱动协议。收方驱动协议是由收方通知发方自己已经准备好接收数据,如MACA-BI。发方驱动协议是发方通知收方自己有数据需要发送,如MACA。现有的大多数协议都是发方驱动的,也有少数协议是混合式的。MAC协议还可以分为单信道、双信道和多信道协议。单信道协议中,所有的信号都在同一个信道上传输。为了减少冲突,可以把信道分成控制信道和数据信道,分别传输控制信号和数据信号,避免数据信号和控制信号的冲突。而ISM频带是一个典型的多信道环境,采用多信道MAC协议更能适应AdHoc网络环境的要求。本篇论文主要集中于对单信道协议当中具有代表性的几种MAC协议的仿真研究。1.3.1ALOHA协议(PureALOHA&SlottedALOHA)ALOHA协议和它的后继者CSMA/CD都是随机访问或者竞争发送协议。随机访问意味着对任何站都无法预计其发送的时刻；竞争发送是指所有发送的站自由竞争信道的使用权。Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项研究计划的名字。由该校NormanAmramson等人为他们的地面无线分组网设计的。70年代初研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议。取名Aloha，是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。由此可见，ALOHA采用的是一种随机接入的信道访问方式。ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。即PureALOHA&SlottedALOHA。ALOHA协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。时隙ALOHA协议。思想是用时钟来统一用户的数据发送。办法是将时间分为离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。1.3.2载波监听多点接入(CSMA)CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）即载波监听多路访问/冲突检测方法它起源于上节所提到的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。另一个改进是，对于每一个节点而言，一旦它检测到有冲突，它就放弃它当前的传送任务。换句话说，如果两个站都检测到信道是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会检测到有冲突发生。它们不应该再继续传送它们的帧，因为这样只会产生垃圾而已；相反一旦检测到冲突之后，它们应该立即停止传送数据。快速地终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。它的基本工作原理是：发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据.在发送数据时，边发送边继续监听，若监听到冲突,则立即停止发送数据。等待一段随机时间，再重新尝试。1.3.3多点接入冲突避免协议(MACA)MACA(MultipleAccesswithCollisionAvoidance)是一种用于单频网络的媒体接入控制协议，力求解决AdHoc网络中的隐终端和暴露终端问题,它使用RTS-CTS的握手机制。发送节点在发送数据前,首先向收方发送RTS信号,进行信道预留,接收节点收到RTS信号后,回送一个CTS信号,其它收到RTS或CTS信号的节点采用二进制指数退避算法(BEB)延迟数据发送,以避免冲突。此外,MACA还考虑了功率控制,对节点的发送功率进行控制,从而提高网络负载能力并节约能量。如果一个节点监听到了CTS信号(发送RTS者除外),就暂时禁止发送数据,降低输出功率,这使得信道可以在空间复用。由于RTS/CTS帧的长度很小,与CSMA相比,MACA减少了数据包冲突。但是,在MACA中依然存在冲突,特别是在RTS/CTS帧交互期间。另外,MACA没有采用链路层确认机制,冲突后需要超时重发。由于采用BEB退避算法,信道接入的公平性很差。1.3.4IE