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联合QoS配置和多跳无线网络的拥挤控制
摘要
在实时应用程序有益于目前的日子，服务质量（QoS）配置的性能对多跳无线网络特别重要。以一个缺陷的方法来进行数据包的调度和传递可能会导致网络拥塞，这将相应地降低了在网络中的QoS配置的性能。为此，本文里我们分别提出了一个联合QoS配置和拥塞控制算法的多跳无线网络我们的前期工作的基础上分化的排队服务（DQS）和半TCP，提供每包颗粒质量和开展有效的逐跳拥塞控制。当DQS和半TCP分开进行研究，探讨问题产生的联合方案，并提出可能的解决方案，包括最新的出发时间，快速估计，一个处理过期包的方法，和一种自适应应答方案，以及在协议栈的实现共享数据库的跨层结构设计。仿真结果表明，我们的方案提高了网络性能的吞吐量，交付比率，和终端到终端的延迟显着，特别是在移动用户的情况下。我们的讨论和仿真结果表明，所提出的联合方案是灵活的，自适应的动态多跳无线网络环境。
关键词：多跳无线网络，QoS配置，拥塞控制，跨层设计
1引言
通过无线链路的多跳转发有一些有利的优势，单跳传输。它可能扩展蜂窝网络和无线局域网的覆盖范围区域网络中，单跳无线通信通常发生在基站和最终用户。通过多个短的和强大的无线链路转发也可以节省能源，实现更高传输比传输质量单跳长链。这种多跳无线网络以移动的形式得到了广泛的发展Ad Hoc网络，无线传感器网络，无线Mesh网络，和延迟容忍网络（DTNs）。多跳中继也采用3GPP，5G网络和，IEEE 802.16j。
一般有两种类型的数据流量网络：延迟敏感和非延迟敏感的交通。对延迟敏感的流量，有严格的要求，需要服务质量（QoS）的网络配置。非延迟敏感业务具有弹性数据速率，
需要流量和拥塞控制，以适应网络条件。多跳网络协议无线网络继承从有线通信网络。然而，端到端的性能在多跳无线网络中成为问题。这个QoS配置和拥塞的端到端行为对多跳的控制具有特殊的挑战和需要重新考虑由于带宽的问题限制，信号衰落和干扰在这种
网络。当大多数的网络上的流量成为多媒体在不久的将来，例如，VoIP和视频，QoS配置是至关重要的用户经验，它可能会影响未来的应用程序的多跳无线网络。多跳无线网络中的拥塞问题更为严重，由于多个副本的数据包转发的中间节点。当网络处于拥塞状态时整个网络的吞吐量将急剧下降。
延迟敏感和非延迟敏感的应用程序通常共存于同一网络，使QoS配置和拥塞控制高度耦合彼此.QoS配置的调度算法，预计在他们的终端到终端的延迟要求及时发送数据包的目的地，而非延迟敏感的应用程序服务尽最大努力。延迟敏感的流量通常通过排队管理给予非延迟敏感的流量更高的优先级。然而，非delaysensitive应用缺乏任何可用的网络资源.非延迟敏感业务节点不断争用共享无线信道抢占延迟敏感的流量使用通道。这两种类型的应用程序的共存将导致在网络中的优先级反转延迟敏感的流量占用调度节点内的机会，而非延迟敏感流量占有节点间的传输机会。拥塞将进一步发生在这两种类型的流量，导致在媒体和缓冲区的数据包冲突溢出。在这种情况下，数据包将被丢弃，或更多将引入排队延迟。然后，网络在实时和非实时服务可能会失败应用.因此，QoS配置和拥塞控制需要共同考虑在多跳无线网络。
我们提出了一个联合QoS配置和拥塞基于我们以往的差异化控制排队服务（DQS）和半–TCP ，这可以通过提供数据包级的QoS和跳一跳拥塞控制，分别。他们都依赖操作和判断排队缓冲，导致QoS配置与拥塞控制的竞争与冲突。他们的包颗粒的灵活性使他们既适用于多跳无线网络。到目前为止，这两种方案分别提出和研究。在
实践中，DQS和半TCP服务延迟敏感的非延迟敏感业务，分别。当我们考虑与DQS和半TCP融合在了一起，有些问题出现，因为他们都操作同排队缓冲器。一方面，排队和在DQS的调度策略性能的影响半TCP，因为半TCP调整其发送速率根据缓冲区利用率。另一方面,如果拥塞控制在不适当的点数据包被发送到缓冲队列仅在半TCP视图中占据信道，QoS可能变得不可设置。此外，没有适当的排队和调度方案，采用半TCP的联合方案将加剧无线信道中的争用，因为它发送TCP只要链路层中的缓冲队列是贪婪的可用。
本文的贡献包括以下内容：
bull;联合QoS配置和拥塞控制方案：提出了一种基于DQS和半TCP提供全面用于多跳无线网络的服务。
bull;改进DQS和关节半TCP方案：我们提出了一些改进算法综合方案的性能，包括以下：（i）快速估计一个包的最新出发时间，这是一个关键步骤在多跳无线DQS的实现网络；（ii）处理这些数据包的方法其寿命已届满，从而改善带宽资源利用；（iii）自适应确认（ACK）方案，结合想法袋和延迟ACK 进一步减少反向流中的ACK争用方向。
bull;跨层实现：自在DQS和半跨实现TCP传输层、网络层和数据链路层在同一协议栈中，我们设计了一个跨层具有共享数据库的体系结构跨层相互作用和减少联合方案的实现复杂性。
bull;通过模拟验证性能：广泛在NS2仿真进行验证提出的方案。仿真结果表明联合计划可以显着改善端到端吞吐量，减少端到端多跳无线网络中的时延。
本文的其余部分组织如下。
第3节介绍了DQS和半TCP。第4节提出了详细的联合QoS配置和拥塞控制方案，而模拟
结果在第5节中讨论。最后，本文总结是在第6节。
2相关工作
一般来说，有两个QoS模型的互联网建议的互联网工程特遣部队（IETF），即综合服务（IntServ）和区分服务（DiffServ）。研究活动主要集中分布式调度方案提供QoS多跳无线网络。CBQ算法 将流量为类。每个类映射进入物理队列，它具有一定的带宽。该算法使公平在保持高吞吐量的同时共享带宽资源。然而，它无法保证延迟绑定和丢包率。加权公平队列（WFQ）采用不同的调度优先级统计流复用。WFQ的证实保证数据的端到端时延绑定在有线网络中流是漏桶约束。提前截止期优先（EDF），这是能够分开流的延迟和吞吐量保证是动态优先级调度算法，总是在最短的时间内调度数据包。一个协调的EDF调度与无线链路调度
建议在，以尽量减少终端到终端的延迟无线网络。
上述调度算法的QoS粒度基于每类（即，区分服务的计划）或每流（即综合服务计划）。随流量QoS模型，需要存储大量信息在网络节点，这可能会复杂化的实施和影响其可扩展性。与每个类模型，虽然聚合个人流量减少由路由器处理的流数，它提供只有一个粗粒度服务质量QoS可能过度。最近提出的DQS–相当与上述QoS模型不同根据其QoS要求调度每个数据包端到端路径情况。因此，它提供了一个分组级QoS粒度。拥塞更可能发生在无线多跳由于共享和竞争的无线信道的网络。作为传输的主要功能之一控制协议（TCP），许多研究和实验结果报告其性能下降多跳无线网络。TCP的损失数据包，这是由于缓冲区溢出的节点，在有线网络中通常被报告为拥塞。拥塞控制触发相应
TCP向下滑动其拥塞窗口。然而，结移动性、信道质量差等也会破坏TCP数据包或导致TCP数据包丢失。在这种情况下，TCP源节点可能误判的网络情况并触发不必要的拥塞控制，这将减少发送窗口，导致网络低吞吐量。许多TCP建议已经提出了多跳无线网络。一些典型的建议包括，TCP分裂，否定确认（NACK），显式拥塞
通知（ECN），和拥塞的探测方案。
虽然这些方案可以提高TCP性能在某种程度上，他们仍然依赖于TCP层进行拥塞控制，它需要至少一个往返延迟。不幸的是，这种往返时间波动很大，在多跳无线网络。逐跳拥塞控制方案提出相应的，考虑信道接入时间约束MAC层。而不是维持结构TCP，半TCP最近提出从传输层移动拥塞控制下下层以实现逐跳多跳无线网络MAC层的拥塞控制。在这种情况下，节点可以快速响应拥塞状态，避免拥塞误判，以及及时释放拥塞。此外，拥塞对每个包执行半TCP控制，而不是仅用于TCP数据包。它是有效的释放网络拥塞.
为了解决耦合问题，联合拥塞控制调度算法也被认为是文学。黄等。结合基于窗口的流量控制与分布式速率调度总效用最大化和实现的目标低端到端延迟。周等。提出联合利率控制，路由和调度算法，以提供比例延迟服务或最大限度地利用网络效用。在本论文中，我们专注于拥塞控制和QoS供应从协议的角度来看，研究一种新的联合DQS和半TCP协议。
3概述DQS和半TCP
3.1个不同的排队服务（DQS）
DQS使每个实时分组承载的QoS分组级实现粒度服务质量的要求。实时应用程序有一些QoS要求，其中终端到终端的延迟是最重要的QoS度量。对于每个数据包，它应该有一个最大的终端到终端的延迟，也可以被视为数据包剩余寿命的初始值。一源节点的数据包将遍历几个中间节点朝目的地。在每一个中间节点，包可能面临不同的路径的情况下，包括（i）的跳数已旅行，（2）余下的旅程，及（3）争用通道。下面的符号用来介绍DQS：
bull;a：数据包到达时间戳；
bull;e：最新的离开时间包；
bull;T：数据包的剩余寿命；
bull;D:一个数据包的最大端到端延迟；
bull;一包已经在经历一个实际的延迟结；
bull;估计的最大延迟允许的数据包
在一个节点的DQS。DQS估计每个到达的最大延迟
分组停留在一个节点，根据其剩余寿命和当前路径的情况。给定一个数据包沿
n节点的路径，应保持以下关系
在节点I：
这里
a) VBR-TCP b) CBR-UDP
图8移动随机拓扑的平均端到端时延。a vbr-tcp,b cbr-udp
在上面的方程，是由数据包所经历的中间节点的消耗时间和表明了除了当前节点的路由路径以外的剩余行程估计延迟。因此，该数据包允许留一个最大值的延迟。
DQS发展缓冲和基于
（1）双调度缓冲接纳控制（BAC），计算
根据（1）到达分组的最新出发时间EI，并按降序排列分组队列的基础上最新的出发时间输出调度程序，它只是拿起数据包头线让数据服务。因此，DQS适应于多跳中的变化路径情况无线网络。数据包的服务优先级按照最新发车时间动态调整确定队列中的位置
3.2半TCP
半TCP将TCP的功能。它只保留可靠性控制和移动拥塞控制下降到无线网络中的MAC层。MAC层捕获拥塞状态是一种共识更准确和响应速度比TCP层。因此，半TCP有利于节点避免误判和释放拥塞状态。同时，半TCP利用无线的共享性质通道和传输拥塞信息与背驮式机制时，节点争渠道。因此，IEEE 802.11 MAC只需要稍作修改，实现逐跳拥塞控制
下面讨论
bull;拥塞避免：基于RTS / CTS握手协议，负的CTS（NCTS）框架介绍了实现逐跳拥塞控制在MAC层。一个节点发送一个NCTS通知其他暂停接收包时，它在拥塞状态，这是衡量
bull;MAC缓冲区的占用。发送速率调整：TCP源节点根据其MAC缓冲区发送数据包而不是TCP ACK占用。在半TCP源，发送窗口被取消。发送源的速率取决于缓冲占用在下层。当链路层和网络层的缓冲区可用，一个数据包的请求命令反馈到TCP源。包只有当缓冲区可用时才发送。
注意，在MAC中进行拥塞控制对于所有数据包，包括TCP数据包和实时小包.因此，它也可能受益于QoS配置。
4联合QoS提供和拥塞控制
联合QoS提供和拥塞控制方案采用DQS提供QoS的逻辑链路层和半TCP控制网络拥塞
运输和MAC层，使DQS和半TCP共存于同一协议栈。显然，关节方案需要传输层的协作
链路层，以及路由层提供路径信息，如图1所示。虽然DQS和半TCP已经开发独立，两个方案的联合效应未被调查。一些问题仍然开放联合QoS配置和拥塞控制方案多跳无线网络。在本节中，我们讨论的延迟估计，过期的数据包处理，ACK机制，和跨层设计的问题
联合计划。
4.1最新发车时间的估计
最迟出发时间EI的估计是一个关键步骤
实施DQS如式（1）。虽然困难是从Dtilde;J（J gt;我估计），他们应该
计算前可用。
图1协议栈中联合方案的跨层交互
DQS实时调度的数据包根据其端到端的时延要求，能够保证数据包获取颗粒延迟敏感的服务。控制包，如路由广播包，通常比数据包有更高的优先级。这些数据包简单地插入到一个先进先出（FIFO）队列，具有较高的优先级的数据包队列。为了获得最新的出发时间为每个延迟敏感数据包，滕等。建议定期发送探测数据包来估计剩余旅程的延迟。然而，该算法将引入一些问题。如果发送探针包的间隔是小的，可以得到更准确的估计。然而，它可能占用大量的无线带宽，甚至可能引入广播风暴的网络。如果区间较长，估计可能不精确，使得时间敏感的EI无用。事实上，它是
在这种动态的多跳无线网络中不容易有准确的估计方法。
在本文中，我们提出了一个简单而有效的方法，命名为平均剩余寿命，估计最新的出发时间EI。在建议的方案中，（1）和（2）被改写为
i是在上游的跳数和n是在下游的跳数。因此，在Eq. (3)捕获路径的情况和规定的终端到终端的QoS分散的分组的剩余寿命平均剩余的跳数。Eq. (3) 中的的精度可能会有所下降，在现场与静态路径的情况下，因为发送探针包可以得到更准确的估计。然而，在动态
场景，它可以避免额外的开销，减轻信道争用，以及降低算法的复杂性，因为它不依赖于探针包。在我们的联合计划中，节点可能激烈竞争的通道，由于采用半TCP传输层。在这个意义上，它是更合适的使用平均剩余寿命以外的依赖于广播探测计划。
4.2处
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