基于多傳感器信號傳輸網絡的TCP增強方法*

哈 樂， 房立金

(東北大學 機械工程與自動化學院， 沈陽 110819)

基于多傳感器信號傳輸網絡的TCP增強方法*

哈 樂， 房立金

(東北大學 機械工程與自動化學院， 沈陽 110819)

為了解決多傳感器信號傳輸中端到端TCP協議存在的如高丟包率、帶寬不穩定、動態拓撲以及存在由于多信號同時傳輸產生擁堵，導致網絡傳輸性能降低等問題，提出了一種基于多傳感器信號傳輸網絡的傳輸控制協議M-TCP.M-TCP采用了一種基于瓶頸節點信息反饋的新的流量控制機制，取消了慢啟動探測網絡帶寬階段，在連接建立后便采用較理想的發送速率進行數據傳輸，成功避免了傳輸振蕩.結果表明，M-TCP在數據吞吐量、丟包率和傳輸延遲等方面具有較大優勢，能夠很好地提升傳輸網絡的傳輸性能.

多傳感器信號； 傳輸網絡； 流量控制； 瓶頸節點； 信息反饋； 數據吞吐量； 丟包率； 傳輸延遲

目前高精度傳感器在物體運動信息測量領域被廣泛應用，利用傳感器中的測量單元獲得被測物體信息，并將所得信息按一定規律轉化為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲和控制等要求[1-2].信息傳輸的方式主要分為有線通訊和無線通訊，其中，有線通訊方式利用金屬導線、光纖等有形媒質進行信息傳遞，會因物理連接對運動物體產生干擾，影響測量精度；采用無線通訊的方式即可避免該問題.多個傳感器通過無線通訊的方式組成了無線信號傳輸網絡[3]，為了最大程度提高網絡的整體性能，延長網絡壽命，滿足不同的網絡服務需求，選擇合適的通訊協議就顯得尤為重要[4-7].

在某航天對接實驗平臺項目中，利用主、被動端上安裝的高精度傳感器采集對接試驗過程的全部信息，為整個對接平臺的設計改良提供依據.為避免因物理連接對運動物體產生干擾，利用無線通訊的方式完成對接機構主、被動端運動姿態傳感器信號的傳輸.整個系統采用TCP協議進行數據傳輸，而TCP自身存在固有的局限性，很多因素會對其產生影響[8-9].首先環境中的噪音和干擾會影響無線信號質量，使信號傳輸網絡的帶寬發生變化，結果導致網絡服務器很難根據無線帶寬的即時變化來選擇合適的傳輸速率.其次由于多傳感器信號網絡的傳輸范圍有限，傳感器的移動有時會導致終端到終端的信號流斷線與丟包，使TCP擁塞窗口發生振蕩.在傳感器信號傳輸網絡覆蓋范圍內，不穩定的拓撲使得端至端的數據流數量動態地改變，在無線域中帶寬是由這些活躍流共享的，每個信號流應該動態地改變它的傳輸速率，然而在實際中，有線服務器是很難捕捉這些數據流的動態變化的.

為了解決上述問題，考慮到多傳感器信號傳輸網絡的實際特點，提出了基于MST的M-TCP方法.該方法能夠提高端到端的數據吞吐量，避免多信號實時傳輸時在瓶頸處發生交通擁堵，保持了不同TCP流之間的公平性.

1 M-TCP方法原理

1.1 傳輸網絡初始速率的確定

標準的TCP采用了慢啟動機制，其傳輸過程如圖1所示，然而在實際的多傳感器信號傳輸中，由于主、被動端的運動姿態實時變化，傳感器信號可能在達到最優發送速率之前就已經發生變化，因此，慢啟動機制并不能在短暫的MST通信時間內快速地探測有效網絡帶寬.為了提高端到端的數據吞吐量，有線源節點應該在連接建立后就采用最優的發送速率進行信息傳輸，即充分利用可用的無線帶寬，理想傳輸過程如圖2所示.

圖1 慢啟動傳輸過程Fig.1 Slow start transmission procedure

圖2 理想的傳輸過程Fig.2 Ideal transmission procedure

為了實現上述的傳輸速率，源節點需要選擇一個合適的發送窗口建立無線連接，并且發送窗口所確定的發送速率不大于整條傳輸鏈路上的可用帶寬.同時應該避免選擇過大的窗口導致發送端的發送速度過快引起擁塞，反而使網絡的性能下降，應該滿足以下3個基本條件式，即

(1)

式中：init_wnd為初始窗口大小；pktLen為報文段大小；t為單位時間；BW_avail為瓶頸節點的可用帶寬.

BW_avail=BW_mst-BW_consu

(2)

式中：BW_mst為無線帶寬；BW_consu為消耗帶寬.

基于M-TCP的初始傳輸速率init_rate需滿足

init_rate≤BW_avail

(3)

M-TCP利用在3次握手時得到的相關聯反饋信息來確定合適的初始傳輸率.當BW_mst和BW_consu確定時，源節點能夠更精確地確定初始傳輸率.

由于有線網絡是相對穩定的，每秒傳輸的數據包數量正好等于瓶頸節點的可用帶寬，確保了無線信道被充分利用.然而，利用源節點得到BW_mst和BW_consu是存在困難的，所以在無線連接建立時，可以通過SYN/ACK來估算無線網絡的可用帶寬BW_avail.

首先，TCP源節點的初始速率應滿足式(1)的限定條件，即由初始窗口所確定的發送速率不大于MST的處理速度，預防瓶頸鏈路擁塞的發生.其次，根據ACK層的數據反饋，TCP發送端應及時動態調整數據包的發送速率，從而逼近無線網絡的可用帶寬.

本文根據SYN/ACK機制來估算瓶頸鏈路上的帶寬.IEEE 802.11協議采用帶RTS/CTS機制的DCF(distributed coordination function)多路訪問(CSMA/CA)控制機制，它采用如圖3所示的RTS-CTS-DATA-ACK的4次握手機制，即發送者在發送數據幀之前，首先發送一個RTS幀來預約信道，接受者發回一個CTS幀，之后開始進行數據幀的發送和ACK確認.

圖3 IEEE 802.11 4次握手機制Fig.3 IEEE 802.11 four-way handshake mechanism

MST可以通過4次握手機制發送一個數據包，即經過發送RTS，接收CTS，發送數據，接收ACK這4個步驟.設ts為在周期時間t中信道繁忙時成功進行信號傳輸的時間，則有

ts=N(trts+tcts+tdata+tack+3tsifs+tdifs)

(4)

式中：N為周期t中成功傳輸的數據包數；tdata為發送一個數據包的時間；tsifs為SIFS間隔時間；tdifs為間隔時間；trts、tcts、tack為發送RTS、CTS和ACK的時間.

設在信道繁忙時第i個失敗的RTS傳輸時間為

(5)

同理，設第i個失敗的CTS傳輸時間為

(6)

設第i個失敗的DATA傳輸時消耗通道時間為

tdata(i)=trts+tcts+tdata+2tsifs+tdifs

(7)

設第i個失敗的ACK傳輸時消耗通道時間為

(8)

設tf為在時間周期t中信號傳輸失敗的總時間，則

(9)

式中：I、J、K、M分別為在信號傳輸中RTS、CTS、DATA和ACK傳輸失敗的次數.

每個MST傳輸之前，MST進行退避過程，總發送次數為S=N+I+J+K+M，則總時間為

(10)

在周期t中，信道占用繁忙時長為tb，因此MST的帶寬可以表示為

BW_mst=N·pktLen/(ts+tf+tb+tn)

(11)

消耗帶寬為

BW_consu=N·pktLen/t

(12)

根據式(11)和(12)可以在MAC層估算可用帶寬BW_avail，將BW_avail插入至傳輸層ACK中并返回源節點，源節點通過獲得反饋信息確定適當的初始傳輸速率.

1.2 信號傳輸中TCP速率調整

MST將信息反饋至TCP發送端后，應該考慮TCP的速率調整機制，速率調整機制旨在充分利用動態無線信道資源.當一個端到端的傳感器信號在無線網絡覆蓋范圍中完成數據傳輸時，釋放出的帶寬應該分配給其他TCP信號流.另外，無線信道的容量隨時間不斷變化，比如信道條件、噪聲和干擾都會影響MAC層的吞吐量，TCP源節點此時應該放慢其傳輸速率，以避免在瓶頸節點處形成交通擁堵；否則，TCP源節點就該增加其傳輸速率，提高信道資源的利用率.

TCP源節點應在數據傳輸時對傳輸速率進行調整，調整時應該注意TCP數據流間的公平性和帶寬利用率.本文提出利用反饋機制將MST中的狀態信息告知TCP發送方的方法.MST需要確定活動的TCP流數目、無線鏈路可用帶寬和消耗帶寬.

1) TCP流數目的確定.設一個TCP連接數目的變量為flowCount，引起flowCount變化有兩種情況：新的連接已經建立和當前連接已經斷開.按照如下的方式來維護：

① 建立新的連接.當傳感器信號進入無線網絡服務范圍并發起TCP連接時，MST收到一個連接建立請求報文并收到ACK(即連接已經建立)后將flowCount加1.

② 連接的斷開.由通信雙方的一方發起的釋放連接，TCP采用4次握手的方式來釋放掉建立的全雙工連接，當MST收到通信一方斷開連接的請求并且連接正常釋放后，將flowCount減1.

③ 由于傳感器信號超出無線服務范圍而引起的鏈路斷開，則根據重傳的次數來判斷網絡的連接狀態.當經過4次重傳后依然收不到回答，則認為鏈接已經斷開，并立即發送終端信號給TCP發送端，然后將flowCount減1.

2) 無線鏈路可用帶寬的確定.根據式(11)和(12)可得BW_mst=BW_consu.

3) 消耗帶寬的確定.在MST瓶頸節點處，TCP流消耗帶寬與其他UDP流分享帶寬，TCP流的消耗帶寬記為BW_tcp=ntcp·pktLen/t，其中，ntcp為在MST中的TCP數據包數量.

當超出無線服務范圍或者端到端數據流完成傳送時，TCP源節點通過所獲得信息可以有效地做出速率調整.此外，動態通信環境也可能導致帶寬變化，例如，低的錯包率或更少的分組碰撞可能會增加鏈路吞吐量，形成空緩沖區，因此，必須對運輸層速率進行調整，以充分利用無線信道資源.在這種情況下，分配速率可表示為

rtcp=(BW_avail+BW_tcp)/flowCount

(13)

通過上述速率調整機制，M-TCP方法縮短了TCP慢啟動所花費的時間，并且成功減少了在瓶頸節點數據擁堵的可能性.

2 仿真結果

本文利用網絡模擬軟件NS2對M-TCP方法進行驗證.仿真環境如圖4所示，主控計算機與仿真計算機通過有線方式與無線路由連接，主動端測量傳感器與被動端測量傳感器利用無線節點與上位機進行無線通訊，其中有線節點間的鏈路帶寬為100 Mb，網絡延時1 ms，無線鏈路采用IEEE 802.11協議，即無線鏈路帶寬為11 Mb.

圖4 仿真環境Fig.4 Simulation environment

設主、被動端測量傳感器在不同的時間接入無線網絡并在服務器節點產生20條FTP數據流，每條數據流的持續時間為20 s.詳細的數據流安排如表1所示.

表1 數據流啟動與停止時間Tab.1 Start-up and stop time of data flow s

為了增強對比度，本文分別采用另外兩種不同的傳輸控制協議(TCP Reno和TCP Westwood)在相同的網絡結構和數據流設定下進行模擬仿真.

2.1 吞吐量

端到端的數據吞吐量是反映連接性能的重要指標.隨機從20條TCP流中選擇10條，并計算每條的平均吞吐量，三種算法抽取數據與總數據吞吐量對比如圖5、6所示.

圖5 抽取數據流的平均吞吐量Fig.5 Average throughput of selected data flow

圖6 總數據流的平均吞吐量Fig.6 Average throughput of total data flow

由圖5、6可知，M-TCP的吞吐量大于TCP Westwood和TCP Reno.相比之下，M-TCP較為充分地利用了無線帶寬，并且不用通過增加擁塞窗口來探測可用帶寬.當可用帶寬增加時，M-TCP可以迅速進行速率調整，提高了信道資源的利用率.

2.2 丟包率

三種算法丟包率對比如圖7所示，可以看出TCP Reno和TCP Westwood數據的丟包率在0.02～0.03之間，而M-TCP數據流的丟包率在0.01～0.02之間，說明M-TCP的丟包率明顯低于TCP Reno和TCP Westwood.這主要歸因于TCP Reno與TCP Westwood所采用的擁塞控制機制，在不考慮鏈路差錯的情況下，這兩種協議都是通過丟包率來判斷網路的擁塞，而M-TCP可以根據MST狀態反饋的速率及時調整發送速率，最終提高了TCP效率.

2.3 傳輸延時

三種算法抽取數據流與總數據流傳輸延遲時間如圖8、9所示.對端到端的傳輸延時影響較大的是MST中數據包的排隊時間和無線網絡中傳輸數據包所花費的時間.采用M-TCP時各數據流間的傳輸延遲變化比較平緩，M-TCP在處理網絡的動態變化時表現良好，當有連接斷開或者有新的連接建立時，網絡不會在瓶頸節點處的緩存使用時發生劇烈振蕩.

圖7 總數據流的丟包率Fig.7 Packet loss rate of total data flow

圖8 抽取數據流傳輸延遲Fig.8 Transmission delay of selected data flow

圖9 總數據流平均傳輸延遲Fig.9 Average transmission delay of total data flow

3 結 論

本文提出一種基于多傳感器信號傳輸的TCP增強方法.M-TCP方法根據瓶頸節點的信息反饋快速選擇一個合適的傳輸速率進行信息傳輸.同時，為了適應動態變化的帶寬，該方法通過跟蹤帶寬的變化，靈活地分配源節點速率，避免了多傳感器信號在傳輸網絡瓶頸節點處發生擁堵和數據振蕩.仿真結果表明，M-TCP在數據吞吐量、丟包率和傳輸延遲等方面具有較大優勢，很好地提升了網絡的傳輸性能.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

TCP enhancement method based on multi-sensor signal transmission network

HA Le, FANG Li-jin

(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to solve such problems as high packet loss rate, unstable bandwidth, dynamic topology and network performance degradation caused by the congestion due to simultaneous multi-signal transmission in the end-to end TCP protocol in the multi-sensor signal transmission (MST) process, a transmission control protocol M-TCP was proposed based on MST. A novel flow control mechanism based on the information feedback of bottleneck node was adopted in the M-TCP, and the slow start phase to detect network bandwidth was cancelled. After the connection was established, an ideal transmission rate was adopted for the data transmission, which could successfully avoid the transmission oscillation. The results show that the M-TCP has great advantages in such aspects as data throughput, packet loss rate and transmission delay, and can well enhance the transmission performance of transmission network.

multi-sensor signal; transmission network; flow control; bottleneck node; information feedback; data throughput; packet loss rate; transmission delay

2016-03-03.

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2013CB733100)； 中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(140405004).

哈 樂(1986-)，男，遼寧沈陽人，博士生，主要從事智能網絡系統、分布式控制系統及機器人智能控制等方面的研究.

16∶08在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.030.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.01.15

TP 393

A

1000-1646(2017)01-0078-05