城域网拥塞控制综述

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 5（2019）77www.elsevier.com/locate/icte城域网拥塞控制研究综述迪米特里斯·卡内洛普洛斯希腊帕特雷大学数学系接收日期：2018年4月25日;接受日期：2018年2018年6月22日在线提供摘要在移动自组网中，不需要部署任何基础设施来使节点相互通信移动自组网具有使拥塞控制复杂化的独特标准的TCP拥塞控制机制不能很好地处理共享无线多跳信道的特殊性质网络拓扑结构的频繁变化和无线信道的共享性质提出了重大挑战。因此，已经提出了各种用于移动自组网的拥塞控制方法。本文讨论了无线链路的TCP增强。它分析了增强的传输协议的设计挑战，并提出了拥塞控制方案的移动自组网。c2018韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B.V.的出版服务。这是一个开放获取CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：拥塞控制;跨层设计;移动自组网;丢包判别; TCP友好速率控制内容1.一、导言. 772.增强无线链路783.增强型传输协议4.MANNETWORK的拥塞控制794.1.用于分组丢失鉴别的794.2.跨层拥塞控制解决方案804.3.其他拥塞控制方法805.结论和今后的方向利益冲突82参考文献821. 介绍移动自组织网络（MANET）是一组独立的移动节点，它们在没有固定基础设施的情况下使用共享的无线多跳信道进行通信。移动自组网可以应用于灾难恢复、搜索和救援等领域。城域网具有独特的特征，包括动态网络拓扑、不对称、多跳通信和有限的带宽，电子邮件地址：d kan2006@yahoo.gr。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.06.001能源资源这些特性使服务质量（QoS）提供复杂化，并且在拥塞控制的设计中施加了各种挑战[1]。在MANET中，密集的视频流量导致更多的数据包丢失，更长的延迟和随后的QoS性能下降，可能是由于拥塞[2]。有线传输层协议实现拥塞控制、流量控制和数据分组的端到端递送。TCP通过使用确认（ACK）来确保可靠性;对于每个传输的TCP数据包，它都等待ACK。加法-增加/乘法-减少（AIMD）是反馈2405-9595/c2018韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。78D. Kanellopoulos / ICT Express 5（2019）77TCP拥塞控制中使用的控制算法。当发生拥塞时，AIMD将拥塞窗口的线性增长与指数减少相结合。当没有分组丢失发生时，窗口大小在每个往返时间（RTT）中增加一个段。在接收到重复确认的情况下，TCP发送方将首先假设发生了某种分组重新排序网络中但是在接收到ACK的第四副本（三重ACK）时，假设拥塞丢失。在这种情况下，丢失的段被重复，窗口大小被减半。TCP使用的超时取决于测量的连接RTT如果重传超时（RTO）过去而没有确认，则TCP得出严重拥塞的结论。然后，窗口大小减少到1，未确认的数据段再次发送。如果仍然没有ACK到达，则下一次重传尝试之前的超时加倍因此，该超时呈指数增长在连接的第一阶段和超时后，当“慢启动”有效时，窗口大小不是针对每个RTT增加一个段大小，而是针对每个接收到的ACK增加一个段大小。这意味着在此阶段，窗口大小呈指数级增长。有线信道的TCP友好拥塞控制方案提供平滑的发送速率[4]。这些方案包括基于窗口和基于速率的方案，并且它们不能应用于无线场景[5]。基于速率的方案调整传输速率，并通过在时间间隔上扩展数据传输来生成平滑流。因此，避免了由基于窗口的机制引起的突发性。基于等式的拥塞控制使得能够基于RTT和分组丢失概率的统计来响应于带宽估计，源调整传输速率以防止拥塞。典型的基于等式的协议是为有线链路设计的TCP友好速率控制TFRC响应于基于计算的丢失率估计的拥塞水平来调整其传输速率。TFRC将同一RTT中的多个数据包丢弃视为单个丢失事件，从而导致更慢的拥塞控制策略。TCP拥塞控制机制不能很好地处理共享无线多跳信道的属性[6]。各种情况都可能导致数据包丢失，如由于移动性导致的路径中断、隐藏终端问题、高错误倾向的无线链路、由于低电池导致的节点故障等[7]。路由变化和易出错的无线信道会导致不稳定的数据包传输延迟和数据包丢失。因此，数据包丢失不能被误解为拥塞丢失。需要适当的机制来识别网络拥塞，而不是数据包丢失和重传超时。传输协议必须降低发送速率，只有在出现拥塞时才这样做。它还必须定期与较低层进行交互，以适应不断变化的网络条件和网络拓扑的变化。在本文中，我们认为拥塞控制作为一个传输层的问题。我们讨论了无线链路的TCP增强，并分析了设计问题，部署增强的传输协议的移动自组网。我们目前的拥塞控制方案的移动自组网和概述未来的研究方向。2. 无线链路异构有线/无线网络有许多端到端增强功能[8]。TCPWestwood（TCPW）[9]使用带宽估计直接驱动竞争窗口（cwnd）和TCP发送方连续地监视来自接收方的ACK，并计算其当前的合格速率估计（ERE）。ERE基于ACK的速率及其有效载荷。在分组丢失指示时，发送方基于ERE值设置cwnd和ssthresh。TCP Probe [10]提出了一种简单的已经提出了TFRC协议的一些修改，例如MulTFRC [11]，在[11]中，提出了该机制基于显式拥塞通知（ECN）标记。Bae和Chong [12]利用ECN标记使TFRC机制适应无线环境。该方案背后的主要思想是，通过将ECN标记与随机早期检测（RED）队列管理方案结合使用，不仅可以确定网络拥塞的程度，以ECN标记的分组概率的形式通知给多媒体源，而且对多媒体源隐藏无线丢失。视频传输协议（Video Transport Protocol，VTP）[13]是另一种用于无线网络的友好速率控制协议。VTP具有独特的速率控制机制，可避免剧烈的速率波动。它配备了一个实现率估计方案和损失判别算法，以应付在无线网络中的随机错误有效。3. 增强型传输协议增强的传输协议必须可靠地处理丢失，最小化错误，管理网络拥塞并有效地传输。用于移动自组网的增强传输协议的设计挑战如下：分组丢失区分和估计：传统的传输协议假设由于拥塞而遇到分组丢失。这种假设可能会导致性能下降，在移动自组网中，由于传输错误的数据包丢失是更容易出错的链路可能。因此，传输机制必须区分由于网络拥塞而经历的分组丢失和由于链路错误而经历的分组丢失。可用带宽估计：可用的网络条件估计和拥塞控制需要在传输层，以打击不利的带宽和延迟条件在移动自组网。网络信息（例如，分组错误率、延迟、抖动）对于高质量媒体传送是至关重要的。必须执行各种拥塞和速率控制方案，以便视频可以平滑地适应估计的网络信息[14]。可用带宽估计被用于QoS感知路由协议。[15]的QoS感知路由协议结合了准入控制方案和D. Kanellopoulos / ICT Express 5（2019）7779反馈方案，以满足实时应用的QoS要求。该协议使用近似带宽估计来对网络流量做出反应。移动性管理：当节点在MANET内移动时，节点之间的链路被创建由此产生的路由可能是极其不稳定的，使成功的ad hoc路由依赖于对这些拓扑变化的有效反应因此，移动性对视频流上的感知QoS具有显著影响。[16]中的工作集中在如何管理多媒体传输时的数据流。存在两种类型的移动性模型：（1）实体移动性模型，其表示移动彼此独立的节点在这样的模型中，检查各种网络参数（例如，节点数量、网络尺寸和无线电传输范围）[17]。固有的QoS支持：为了获得更高的QoS级别，嵌入在传输层中的QoS支持机制是有益的[18]。4. 城域网拥塞控制Rath等人[19]考虑了实时环境中的拥塞控制，并提出了一种用于实时应用的网络模型的TCP/IP协议套件中的升级流量整形机制。该机制的基本概念是在中间节点处的仿真结果表明，该方法在高度拥塞的业务场景中具有更好的性能，降低了延迟，提高了分组投递率（PDR）。4.1. 用于分组丢失鉴别的传输协议机制带有显式链路故障通知的TCP（TCP-ELFN）[20]处理由于网络拥塞和路由故障导致的数据包丢失的误解。它是一种跨层方法，在传输层和网络层之间协商信息。它使用ELFN，在路由协议发送给发送方的路由失败消息上捎带。此消息的接收迫使节点保持在待机模式，直到路由变得可用。ELFN机制的工作原理如下：当路由失败时，ELFN消息被发送回源。在收到此消息后，源冻结其当前状态的窗口大小和计时器。源发送探测数据包以确定是否已计算新路由当ACK到达时，源解除状态冻结并继续正常。TCP反馈（TCP-F）[21]发送显式路由在检测到路由干扰时向源发送故障通知（RFN）数据包。当节点接收到RFN分组时，它进入休眠状态。当发送方节点接收到路由重建通知（RRN）时，它退出休眠模式并重新开始发送。Ad hoc TCP（ATCP）[22]处理高误码率（BER）以及识别MANET中的路由故障该机制在IP和TCP之间插入一个薄层类似于TCP-F，ATCP中的节点在接收到“目的地不可达”时进入冻结状态。TCP-BuS [23]协议还利用网络反馈来检测路由故障。它要求节点具有缓冲能力，以便在路由断开和重新建立的情况下，节点能够缓冲数据包。它利用显式路由断开通知（ERDN）消息通知源路由失败事件，显式路由成功通知（ERSN）消息通知源路由重建。用于MANNETWORK的Split-TCP [24]方法试图将TCP拥塞控制和可靠的数据包传输分开。代理节点负责这些段之间的接口。代理执行网络的各种功能，如接受数据包，缓冲它们，向源发送本地ACK等。缓冲提供了恢复丢失数据包的优点。Ad hoc传输协议（ATP）[25]也在传输层分离了拥塞控制和可靠性机制。来自网络的反馈用于控制拥塞，而选择性ACK和粗粒度接收器反馈可用于确保可靠性。Zhai等人[26]提出了支持MANN中传输服务在WCCP中，沿业务流的每个转发端到端反馈最终由流中的瓶颈节点决定，并被带回源节点以控制其发送速率。仿真结果表明，WCCP在信道利用率、延迟和公平性方面优于传统TCP，并消除了饥饿问题。Changing等人[27]介绍了一种使用丢包分类器对TCP进行改进的方法：神经网络算法。为了预测拥塞，TCP-BP算法使用四个输入变量：（1）RTT;（2）RTT的振动;（3）拥塞窗口的大小;以及（4）重复ACK的数量。De Oliveira和Braun [28]研究了使用模糊逻辑理论来辅助TCP错误检测机制。他们提出了一个基本的模糊逻辑引擎，区分数据包丢失由于拥塞从无线引起的错误的数据包丢失。他们推断网络内部状态的方法仅依赖于RTT测量他们的解决方案是一个端到端的方案，只需要终端节点的合作。在[29]中，F-ECN方案区分分组丢失是由于拥塞还是由于无线链路故障。F-ECN是基于一个模糊逻辑控制器，使用队列长度和数据包到达率，以衡量拥塞。F-ECN实现了队列稳定性和响应性之间的它的性能需要在吞吐量和延迟时间之间进行权衡[30]中的TCP变体调整发送速率增加以实现TCP连接的竞争性吞吐量。仿真实验表明，在TCP的拥塞避免阶段，较慢的发送速率增加，导致改进的80D. Kanellopoulos / ICT Express 5（2019）77TCP Reno的性能，同时消除了限制最大发送窗口大小所固有的负面影响。TCP-NCE [31]区分非拥塞和拥塞事件，并对这些事件做出响应。由于移动性和多路径路由，TCP-NCE在存在拥塞、错误和重新排序的情况下无法改善端到端性能。为了克服这个问题，[32]中的模拟结果表明 ， 与 TCP-NCE 相 比 ， 增 强 功 能 将 性 能 提 高 了 15%-20%。Molia和Kothari [33]讨论了MANN的TCP变体，并考虑了一组基于以下内容的TCP变体(1)损失处理;（2）损失区分;（3）损失预测;（4）损失避免方法。在[34]中，提出了一种用于检测拥塞的TCP拥塞控 制 方 案 （ TCP-R ） 。 还 提 出 了 一 种 动 态 路 由 算 法（ADV-CC）[34]来控制拥塞。ADV-CC由于其拥塞状态属性，比AODV更好地改善了网络性能。在[34]中，作者分析了TCP-R和ADV-CC的性能结果4.2. 跨层拥塞控制解决方案跨层优化提高了整体网络性能。它通过层边界动态传输反馈，以补偿过载、延迟等。Hu和Johnson [35]提出使用MAC层使用参数来监控节点附近无线信道的平均利用率在[36]中，提出了跨层拥塞控制框架（CCF）。在CCF中，每当节点处的拥塞强度大于阈值时，它向其流量正在通过该节点的所有源发送通知。通知用于减慢源的发送速率。但是CCF没有考虑单个通过流的业务速率强度，盲目地降低所有源的发送速率此外，CCF不考虑数据包丢失背后的任何原因。CCF假设拥塞是分组丢失的唯一原因。因此，CCF遭受不必要的传输，冗余业务速率降低，和较低的信道利用率的问题。Chang等人[37]分析了可能的网络事件（例如，网络断开），这可能导致拥塞。他们提出了一种基于动态交互（非相邻层间）的自适应移动ad-hocTCP（MAD-TCP）和自适应DSR协议。跨层拥塞避免方案（C3TCP）[2]通过收集链路层的带宽和延迟等容量信息来获得高性能。该方法需要在节点的协议栈内引入能够基于容量测量来调整传出数据流的附加模块。作者在[2]中提出了一个建议，为现有的IEEE 802.11协议提供可选的字段支持，以支持他们的拥塞控制解决方案。FuzzyQoS [18]是一种用于移动自组网的跨层QoS解决方案。它利用模糊逻辑来改善交通规则和拥塞控制，支持多媒体服务。它包括三个模块：（1）最大努力流量调节;（2）流量调节控制的QoS决策建模和分析;（3）阈值缓冲管理。提出了一种有效的跨层自适应传输方法，[38]为MANNETWORK处理拥塞。该方法利用主动丢包分类的范例，并在本地或远程控制拥塞的决定性信息上工作该方法识别每个流在拥塞中的贡献，并选择性地使显著贡献者调整其传输速率。因此，它提高了信道利用率。在CCPRCLA模型[39]中，数据链路和传输层中的数据包流量该模型的特点是：本地化的数据包恢复，确定性，效率和对等恢复的交易能力。在此模型中，丢失的数据包可以通过恢复此数据包的副本来检索。优先级也分配给数据包。因此，高优先级分组和低优先级分组的数据业务拥塞率保持不变。高优先级流可以访问具有更高优先级的介质，而低优先级流促进高优先级流。因此，整体性能比其他方法提供更好的结果在[40]中，基于跨层的拥塞检测和路由协议使用模糊逻辑。该协议依赖于识别可能的网络事件（在[37]中讨论），并相应地调整路由过程。无论何时发生网络事件，都会识别出发生的事件类型。其次，通过对关键因素应用模糊逻辑的概念来确定数据传输的备用路由。基于模糊推理规则，选择合适的路线。在FCLCC框架[41]中，使用模糊控制器。MAC层、网络层和传输层交换信息以控制拥塞。在网络层，路由基于DSR。MAC层用于将消息放入ACK包中，以便将其发送到接收方。FCLCC控制器帮助移动用户在发送数据包之前进行路由选择，在数据包从发送方发送到接收方之前建立一条主路由。发送器节点发送路由请求（RREQ）消息到所有附近的节点。每个中间节点将该消息发送到其他节点。这将持续到路由请求消息到达接收方。接收器发送用于根据路由请求分组所经过的路径来创建路径的分组。因此，接收器选择该路径作为其自己的主路径。拥塞基于给定的缓冲器条件和缓冲器变满的次数来检测。在通知期间，上游节点被告知给定的拥塞水平，由FCLCC控制器确定最后，节点根据每个节点的拥塞程度调整其传输速率这种方法提供了拥塞的快速检测、通知和传输速率的调整。4.3. 其他拥塞控制方法自调整混合协议[42]通过释放资源来设置准确的传输速率并满足优先级数据要求，从而减少了移动自组网中的拥塞。如果两个或更多D. Kanellopoulos / ICT Express 5（2019）7781表1先进的城域网拥塞控制方案的比较。方案特点评论[19]它是用于实时应用的网络模型的TCP/IP协议套件在分组路由过程中，使用令牌桶流量整形机制[38]它是一种跨层自适应传输方法，利用主动丢包分类范例。[39]CCPRCLA提供了本地化的数据包恢复，确定性，效率和对等恢复的交易丢失的数据包可以通过恢复此数据包的副本来检索。[40]一个模糊推理系统是用来减轻拥塞检测和路由方案。基于模糊推理规则，选择合适的路线。[41]FCLL是一种跨层解决方案，可提供快速拥塞检测、通知和传输速率调整[42]SH拥塞控制协议通过释放资源来设置准确的传输速率并满足数据优先级来减少拥塞。[43]ARCCRP是一种通过旁路路由选择来解决拥塞的路由协议。当节点检测到本地输出链路L上的拥塞时，它计算到路径包含链路L的目的地的多路径路由。然后，到节点的业务的一部分被转移到替代路径。[45]这种联合方案基于DQS和Semi-TCP的范例。DQS提供每包粒度QoS，而该机制在高度拥塞的业务场景中具有更好的它确定了每个流在拥塞中的贡献，并使显着的贡献者，以适应他们的传输速率。在CCPRCLA中，优先级被分配给分组。因此，保持了较高和较低优先级分组的数据业务拥塞率。所提出的系统识别可能的网络事件，并相应地调整路由过程。根据给定的缓冲区条件和缓冲区变满的次数来检测拥塞SH协议不适用于正常条件，因为它涉及计算密集型程序。与逐跳技术和标准TORA路由协议相比，ARCCRP实现了更高的吞吐量，减少了丢包这种联合方案假设竞争和缓冲区溢出是拥塞的唯一原因。Semi-TCP执行有效的逐跳拥塞控制。节点在拥挤的地方以最短路径将其分组发送到父节点，源节点必须对数据进行优先级排序，并有意识地使用具有由低或非活动节点组成的适当迂回节点的较低优先级的数据。SH模型 在错误和拥塞检测之后，在基站附近的节点（其传送更多业务）在区域内，SH模型通过使用主动表驱动的拥塞控制策略（主动方法- PA）来控制网络错误，从而避免错误。在区域外，反应式按需差错控制策略（反应式接近-RA）与不同的控制机制一起使用。特别地，SH模型通过减少传输信道中的网络流量来控制拥塞但是，SH模型不适用于正常情况下，因为它涉及到一个计算密集型的过程。ARCCRP [43]通过在MANNETWORK中使用旁路路由选择来解决拥塞。当节点检测到本地输出链路L上的拥塞时，它计算到路径包含链路L的目的地的多路径路由。然后，到节点的业务的一部分被转移到替代路径。如果本地链路的利用率超过本地拥塞阈值TH，则在本地链路上检测到拥塞。目标是通过将一部分将流量的一部分分配到替代路径，并将这部分流量作为旁路流量。当节点检测到本地链路拥塞或从邻居接收到显式拥塞指示节点使用ECI位向其邻居[43]中的作者仅将ARCCRP与逐跳技术[44]和标准TORA协议进行了比较。ARCCRP实现了更高的吞吐量，减少了丢包和开销。在[45]中，用于多跳无线网络的联合QoS提供和拥塞控制方案基于先前的区分服务（DQS）和半TCP的工作。DQS提供每包粒度的QoS，而Semi-TCP执行有效的逐跳拥塞控制。作者在[45]中研究了联合方案中出现的问题，并提出了可能的解决方案，包括快速估计最新出发时间，处理逾期数据包的方法，自适应ACK方案，以及设计共享数据库跨层架构以在协议栈中实现。仿真结果表明，该联合方案能够适应动态的移动自组网环境。然而，所提出的基于QoS的拥塞控制方案假设竞争和缓冲区溢出是导致拥塞的主要原因。表1比较了拥塞控制方案。5. 结论和今后的方向本文介绍了移动自组网的基本拥塞控制方案。三个未来的研究方向如下：(1) MAC层或网络层的拥塞控制。TCP吞吐量通过改善其与IEEE 802.11 MAC层的交互来提高。由干扰引起的隐藏终端效应会影响TCP性能，并已通过限制最大发送窗口大小来处理。Atra框架[46]在MAC层和路由层包含三种机制，以提高TCP在MANN上的性能。Atra将默认协议栈的吞吐量性能提高了50%(2) 负载均衡拥塞自适应路由。在这种路由[47]中，两个度量（与路由路径相关的流量负载密度和生命时间）用于确定路由的拥塞状态和最弱节点。的路由82D. Kanellopoulos / ICT Express 5（2019）77选择低业务负载密度和最大生存时间用于分组传输。(3) 多路径路由协议中的拥塞控制通过解决多条路径的发现和维护问题，保证了负载均衡，提高了服务质量[48]中的拥塞控制机制通过使用到达速率和外出速率来检测候选节点中的拥塞。 负载平衡技术[48]还通过使用网关节点将流量分布在多条路径上，这些网关节点通过使用路径成本和链路成本来选择。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] C. Lochert湾Scheuermann，M.陈文辉，移动自组织网络拥塞控制的研究，北京大学出版社，2000。Commun. 暴徒Comput. 7（5）（2007）655-676。[2] D. Kliazovich，F.李文，无线自组织网络中的跨层拥塞控制，无线自组织网络。4（6）（2006）687-708。[3] M.作者：A. Blanton，TCP拥塞控制，RFC 5681，2009年9月。2009年，https：//www. rfc-editorr. org/info/rfc5681。[4] J. Widmer，R. Denda，M. Mauve，TCP友好拥塞控制综述，IEEENetw. 15（3）（2001）28-37。[5] P. Zhu，W.Zeng C.，中国茶苔属Li，无线视频流的源速率控制和拥塞控制的跨层设计，在：多媒体进展，第2007卷中。 http：//dx. 多岛或g/10。1155/2007/68502.[6] F. Klemm，Z. Ye，S.V. Krishnamurthy，S.K.李文，张文，等.基于信号强度的无线自组网中TCP性能的研究.无线自组网技术，2000，24（1）：117 -118. 3（2）（2005）175-191。[7] S. Iren ，P.D.Amer ， P.T.Conrad， 传输 层 ： 测量 和 测 量， ACMComput。监视器31（4）（1999）360-404。[8] F. Hu ， N.K. Sharma ， Enhancing wireless internet performance ，IEEECommun.监视器家教4（1）（2002）2-15。[9] M.杰拉湾Ng，M. 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