牛　釗　馬　濤　盧嶄嶄

(電子工程學(xué)院　合肥　230037)

?

三種不同干擾下CSMA/CA機制的性能分析*

牛釗馬濤盧嶄嶄

(電子工程學(xué)院合肥230037)

摘要CSMA/CA機制是一種應(yīng)用廣泛的無線網(wǎng)絡(luò)MAC層接入方式,對其攻擊手段的研究很多,但是對在攻擊下CSMA/CA機制的網(wǎng)絡(luò)性能分析研究不多。論文建立了一個簡化版離散馬爾科夫模型,對隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾三種手段進行定量比較,得出干擾效果高低。

關(guān)鍵詞干擾; CSMA/CA; 性能分析

Performance Analysis of the Throughput of CSMA/CA Mechanism under Three Different Jamming

NIU ZhaoMA TaoLU Zhanzhan

(Electronic Engineering Institute, Hefei230037)

AbstractThe CSMA/CA mechanism is a kind of access way and widely used in MAC layer of wireless network. There are a lot of attacking means for CSMA/CA mechanism, but a less study for the performance analysis of the throughput of CSMA/CA mechanism under jamming. In this paper, a discrete-time Markov chain analysis is used to derive formulae for the saturation throughput of memory less, reactive and intelligent jamming. Then three mathematical saturation throughput are compared, and the result is obtained.

Key Wordsjamming, CSMA/CA, performance analysis

Class NumberTP393

1研究現(xiàn)狀

載波偵聽多址訪問與碰撞回避(Carrier Sense Multiple Access with collision avoidance,CSMA/CA)機制是載波偵聽多址訪問(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)協(xié)議和碰撞回避多址訪問(Multiple Access with collision avoidance,MACA)協(xié)議的融合[1],廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)MAC層[2]。

對無線網(wǎng)絡(luò)干擾攻擊的研究中,很多針對CSMA/CA機制干擾攻擊手段的研究,但是對于在不同干擾攻擊下網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)的研究相對較少。Pelechrinis等采用量化方式分析了干擾信號對網(wǎng)絡(luò)性能的影響[3]。RaviTeja Chinta等分析干擾802.11 DCF模式中回退機制的效果,得到網(wǎng)絡(luò)吞吐量和干擾能力消耗的參數(shù)表達式[4]。Xiaojuan Liao利用博弈論相關(guān)理論進行攻擊效果的研究[5]。Sagduyu等通過分析,得出貝葉斯博弈機制對于不完整信息、動態(tài)流量特征的MAC層是一種較好的模型[6]。Abderrahim Benslimane等通過分析無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)在受到單節(jié)點、多節(jié)點和不同距離的多節(jié)點干擾下的網(wǎng)絡(luò)性能變化進行評估[7]。

2離散馬爾科夫模型

對傳輸數(shù)據(jù)報文的無線網(wǎng)絡(luò)信道進行如下假設(shè): 1) 網(wǎng)絡(luò)中不存在隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點問題,當(dāng)信道中有數(shù)據(jù)報文進行傳輸時,所有節(jié)點均可以偵聽到; 2) 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均有數(shù)據(jù)報文進行傳輸,發(fā)送隊列不為空; 3) 干擾成功率為100%,即干擾信號一定能干擾到MAC幀; 4) 節(jié)點之間的發(fā)送行為相互獨立。

由于CSMA/CA機制在退避進程中采用二進制隨機指數(shù)退避方式,對該機制建立一個離散時間馬爾科夫鏈。Bianchi建立了IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)在飽和狀態(tài)下MAC層的馬爾科夫模型,并對基本型和RTS/CTS型接入模式進行分析,對影響網(wǎng)絡(luò)最大飽和吞吐量影響因素和影響程度進行了實驗分析[8]。本文建立的離散時間馬爾科夫模型與Bianchi所建離散馬爾科夫模型不盡相同,在退避次數(shù)上做了簡化。

圖1　CSMA/CA機制離散時間馬爾科夫模型

圖1展示了CSMA/CA機制在一個離散時間馬爾科夫鏈中的狀態(tài)變遷。發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)報文發(fā)送過程被分割成一個個時隙,對應(yīng)退避計時器的退避狀態(tài),退避計時器在每個時隙的開始減1。信道空閑時,時隙大小為σ,若信道繁忙,時隙長度將大于σ,甚至包含一個數(shù)據(jù)報文的傳輸時間。當(dāng)發(fā)送節(jié)點的傳輸從(i,j)狀態(tài)逐漸減小到(i,0)狀態(tài)時,發(fā)送節(jié)點進行一個信道申請發(fā)起數(shù)據(jù)報文的傳輸,若數(shù)據(jù)報文發(fā)送成功,發(fā)送節(jié)點將重置它的競爭窗口到(0,j),其中j從[0,W0-1]中隨機的選擇。若數(shù)據(jù)報文發(fā)送失敗,發(fā)送節(jié)點將加倍其競爭窗口,進入到馬爾科夫模型中的狀態(tài)(i+1,j),j從[0,Wi+1-1]中隨機選擇。

節(jié)點在(i,0)狀態(tài)進行傳輸,傳輸失敗的原因有兩種:與其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送碰撞或被干擾信號破壞。假設(shè)在有n對節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點之間數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞的概率設(shè)為定值Pc。在沒有發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞的條件下,干擾信號在狀態(tài)(i,0)下發(fā)送概率設(shè)為qi。根據(jù)數(shù)學(xué)原理,可以獲得在(i,0)狀態(tài)下數(shù)據(jù)報文發(fā)送失敗的概率pi=Pc+(1-Pc)qi。

定義bi,j代表發(fā)送節(jié)點在第i次退避時退避計時器處于j值的概率。通過數(shù)學(xué)分析,可以得到

(1)

故可以得出:

(2)

其中,Ps代表在一個時隙內(nèi)存在數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)目赡苄?L代表一個數(shù)據(jù)報文的持續(xù)時間,Ptr代表在一個時隙中至少一個節(jié)點進行傳輸?shù)目赡苄?根據(jù)定義Ptr=1-(1-τ)n,Ttr代表在存在傳輸時一個時隙的持續(xù)時間,Tid代表沒有傳輸時時隙的持續(xù)時間。獲得τ,Ps,Ttr,Tid的值并且根據(jù)式(2)可以獲得網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3隨機干擾下網(wǎng)絡(luò)性能

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中,隨機干擾信號每秒發(fā)送比率為R(在1s內(nèi)發(fā)生一個長度為R的脈沖,一般取值在[0,1]之間),并且干擾脈沖發(fā)送服從泊松分布[9],故發(fā)送節(jié)點在數(shù)據(jù)報文發(fā)送期間被干擾的概率為q=1-e-Rt,在依次完整的RTS/CTS型CSMA/CA機制傳輸中,q=1-e-R(RTS+CTS+DATA+ACK)。

p=Pc+(1-Pc)(1-e-R(RTS+CTS+DATA+ACK))

(3)

其中,RTS,CTS,DATA和ACK指示的是RTS,CTS,一個數(shù)據(jù)和ACK的持續(xù)時間。

通過分析圖1可以獲得不同退避次數(shù)下發(fā)送狀態(tài)(i,0)概率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系:

bi-1,0·p=bi,0→bi,0=pi·b0,0, 0

bM,0=b0,0

(4)

根據(jù)上式,可以獲得:

(5)

根據(jù)上式得出:

(6)

穩(wěn)定狀態(tài)下傳輸概率為τ:

(7)

根據(jù)b0,0和τ的公式表達,可以獲得Pc、Ps、Ttr和Tid的公式表達:

Pc=1-(1-τ)n-1

Ps=nτ(1-τ)n-1e-R(RTS+CTS+DATA+ACK)

Ptr=1-(1-τ)n

Ttr=DIFS+3SIFS+RTS+CTS+DATA+ACK

Tid=σ

在隨機干擾下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S:

(8)

4反應(yīng)式干擾下網(wǎng)絡(luò)性能

反應(yīng)式干擾情況下,干擾者只在探測到數(shù)據(jù)報文發(fā)送情況下進行干擾信號的發(fā)送。假設(shè)在數(shù)據(jù)傳輸中沒有碰撞的情況下,反應(yīng)式干擾者的每秒干擾概率為q。由于數(shù)據(jù)報文的傳輸與退避次數(shù)i無關(guān),每秒干擾概率q與退避次數(shù)i也無關(guān),可以得出發(fā)送節(jié)點在(i,0)狀態(tài)下傳輸失敗概率:

p=Pc+(1-Pc)q

(9)

其中,傳輸失敗概率p為定值。

由式(7),節(jié)點發(fā)送概率τ:

(10)

經(jīng)過分析,可得:

Pc=1-(1-τ)n-1

Ps=nτ(1-τ)n-1(1-q)

Ttr=DIFS+3SIFS+RTS+CTS+DATA+ACK

Tid=σ

獲得在反應(yīng)式干擾下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S:

(11)

5智能干擾下網(wǎng)絡(luò)性能

智能干擾條件下,干擾者能夠探測出CSMA/CA機制傳輸過程中幀傳輸狀態(tài),選擇性的對信道中幀進行干擾,使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量急速下降。

發(fā)送節(jié)點在(i,0)狀態(tài)下傳輸失敗概率:

pi=Pc+(1-Pc)qi

(12)

節(jié)點發(fā)送概率τ:

(13)

在給定時隙內(nèi)數(shù)據(jù)報文傳輸成功的可能性Ps為

(14)

根據(jù)CSMA/CA傳輸機制可以得出:

Ttr=DIFS+3SIFS+RTS+CTS+DATA+ACK

Tid=σ

獲得在智能干擾下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S:

(15)

6干擾下網(wǎng)絡(luò)性能仿真實驗

在隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾下,由于干擾者每秒干擾概率不同,導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點在(i,0)狀態(tài)下傳輸失敗概率pi也不相同,節(jié)點發(fā)送概率τ也不同。在不同干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S也不相同。使用仿真實驗對離散時間馬爾科夫模型進行驗證,對比仿真環(huán)境下不同干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量和理論計算值。

使用仿真軟件QualNet 5.2進行仿真環(huán)境的搭建,構(gòu)建隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾下網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境。設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)帶寬為2Mbps,理論上可以滿足理想信道飽和吞吐量要求。網(wǎng)絡(luò)仿真區(qū)域大小設(shè)為400×400m2的區(qū)域,數(shù)據(jù)報文長度固定為500bit,網(wǎng)絡(luò)MAC運行802.11b協(xié)議。

接收節(jié)點通過概率性的丟棄報文完成對隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾下網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境的構(gòu)建。

6.1每秒干擾概率R對網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的影響

1) 隨機干擾

仿真實驗中,設(shè)置信道中數(shù)據(jù)報文大小固定為500bit,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)變化范圍為[0,50],每秒干擾概率值分別設(shè)為0,0.0004,0.0008和0.0016。干擾者按照泊松分布特性進行干擾的發(fā)送,接收節(jié)點按照相應(yīng)的概率丟棄數(shù)據(jù)報文。

每秒干擾概率R取不同值的情況下,求取離散時間馬爾科夫模型下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。將隨機干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值進行對比。

圖2展示了在每秒干擾率R取值為0,0.0004,0.0008和0.0016情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論計算值在隨機干擾下的變化趨勢。在節(jié)點n取值一定的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨著每秒干擾率R的增大逐漸降低,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值下降趨勢相同;在R取相同值的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論計算值相近,隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)量n的增大變化趨勢基本相同,由此可以驗證離散時間馬爾科夫模型的正確性。

2) 反應(yīng)式干擾

仿真實驗中,設(shè)置信道中數(shù)據(jù)報文大小固定為500bit,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)變化范圍為[0,50],每秒干擾概率值分別設(shè)為0,0.0004,0.0008和0.0016。干擾者按照固定周期發(fā)送干擾信號(LDOS),周期T=1+Rs,接收節(jié)點按照相應(yīng)的概率丟棄數(shù)據(jù)報文。

在不同取值的每秒干擾概率R下,計算在離散時間馬爾科夫模型下求得的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。將反應(yīng)式干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值進行對比。

圖2　不同干擾率R下隨機干擾網(wǎng)絡(luò)吞吐量S與節(jié)點對數(shù)量n示意圖

圖3展示了在每秒干擾率R取值為0,0.0004,0.0008和0.0016情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論計算值在反應(yīng)式干擾下的變化趨勢。在節(jié)點n取值一定的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨著每秒干擾率R的增大逐漸降低,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值下降趨勢相同;在R=0.0004和0.0008時,網(wǎng)絡(luò)吞吐量先隨著節(jié)點數(shù)量的增加而增加,而后又隨之降低,這是因為在節(jié)點密度較低情況下,節(jié)點增多將會傳輸更多的數(shù)據(jù)報文,但是在節(jié)點密度到達一定程度后,由于信道中報文碰撞等原因,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S將會隨之網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)量n的增多而降低;在R取相同值的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論值相近,變化趨勢相同,均呈下降的趨勢。

圖3　不同干擾率R下反應(yīng)式干擾網(wǎng)絡(luò)吞吐量S與節(jié)點對數(shù)量n示意圖

3) 智能干擾

仿真實驗中,設(shè)置信道中數(shù)據(jù)報文大小固定為500bit,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)變化范圍為[0,50],每秒干擾概率值分別設(shè)為0,0.0004,0.0008和0.0016。干擾者按照信道中ACK幀傳送頻率進行干擾信號的發(fā)送,由于實際網(wǎng)絡(luò)中可能存在碰撞等原因造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?故干擾者在第i次退避中以概率qi∈[0.5,1]發(fā)送干擾信號,接收節(jié)點按照相應(yīng)的概率丟棄數(shù)據(jù)報文。

在不同取值的每秒干擾概率R下,計算在離散時間馬爾科夫模型下求得的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。將智能干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值進行對比。

圖4展示了在每秒干擾率R取值為0,0.0004,0.0008和0.0016情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論計算值在智能干擾干擾下的變化趨勢。在節(jié)點n取值一定的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨著每秒干擾率R的增大逐漸降低,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S仿真值和理論計算值下降趨勢相同;在R取相同值的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值和理論值相近,變化趨勢相同。

圖4　不同干擾率R下智能干擾網(wǎng)絡(luò)吞吐量S與節(jié)點對數(shù)量n示意圖

6.2三種干擾方式對比

由于每種干擾模式下干擾概率qi取值不同,不能使用公式直接比較出三種干擾方式干擾效果的不同。圖2~圖4中,可以看出仿真值近似理論計算值,故使用三種干擾模式下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的仿真值進行干擾效果的比較。

在數(shù)據(jù)報文長度固定的情況下,對網(wǎng)絡(luò)吞吐量S造成影響的因素有網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點對數(shù)量n和干擾信號每秒干擾概率R。上節(jié)已經(jīng)對單個干擾模式下網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨節(jié)點對數(shù)量和干擾信號每秒干擾概率R變化率進行討論,本節(jié)將對在固定節(jié)點對數(shù)量(n=1和n=50)條件下,三種干擾模式下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨每秒干擾率R的變化進行討論。

1)n=1

圖5展示了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)量n=1的條件下,三種干擾模式下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨每秒干擾率R的變化趨勢。可以看到,三種干擾模式下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量S均隨著每秒干擾率R的增大減小;在相同每秒干擾率取R值的情況下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的取值由高到低依次為隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾,且隨著每秒干擾率R的變化這種取值大小趨勢不變,可以看出干擾效果強弱依次為智能干擾、反應(yīng)式干擾和隨機干擾。

圖5　n=1三種干擾網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨每秒干擾率R變化示意圖

2)n=50

圖6展示了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)量n=50的條件下,三種干擾模式下網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨每秒干擾率R的變化趨勢。三種干擾模式下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量S均隨著每秒干擾率R的增大減小;同樣在相同的每秒干擾率R下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量S的取值由高到低依次為隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾,且這種大小關(guān)系隨著每秒干擾率R的變化并不改變。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)量n=50的情況下,干擾效果強弱依次為智能干擾、反應(yīng)式干擾和隨機干擾。

圖6　n=50三種干擾網(wǎng)絡(luò)吞吐量S隨每秒干擾率R變化示意圖

7結(jié)語

本文對隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾三種干擾方式的效果進行了研究。首先通過對CAMA/CA機制建立離散時間馬爾科夫模型,分別對三種干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量進行了理論分析。通過Qualnet實驗仿真,仿真值與理論計算中非常相近,證明了離散馬爾科夫模型理論分析的正確性。理論分析中不能直接比較三種干擾下網(wǎng)絡(luò)吞吐量的大小,通過仿真實驗,在固定節(jié)點對(n=1和n=50)的條件下,網(wǎng)絡(luò)吞吐量高低依次為隨機干擾、反應(yīng)式干擾和智能干擾,說明干擾效果強弱依次為智能干擾、反應(yīng)式干擾和隨機干擾。

參 考 文 獻

[1] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)[M].第5版.北京:電子工業(yè)出版社,2008:105-108.

[2] LEI Guang, Chadi Assi, Abderrahim Benslimane. MAC layer misbehavior in wireless networks: challenges and solutions[C]//IEEE Wireless Communications,2008:6-14.

[3] Pelechrinis Konstantinos, Koufogiannakis Christos, Kxishnamurthy Srikanth V. On the Efficacy of Frequency Hopping in Coping with Jamming Attacks in 802.11 Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2010,9(10):3258-3271.

[4] RaviTeja Chinta, Tan F. Wong, John M. Shea. Energy-Effeicient Jamming Attack in IEEE 802.11 MAC[C]//IEEE Military communication conference 2009JEEE Milcom,2009.

[5] Xiaojuan Liao, Dong Hao, Kouich Sakurai. A Taxonomy of game theoretic approaches against attacks in wireless Ad Hoc networks[C]//SCIS 2011, The 2011 Symposium on Cryptography and Information Security. Okura, Japan,2011:25-28.

[6] Sagduyu, Y. E., Berry, R.A., Ephremides, A. Jamming games in wireless networks with incomplete information[J]. IEEE Communications Magazine,2011,49(8):112-118.

[7] Abderrahim Benslimane, Abdelouahid El Yakoubi, Mohammed Bouhorma. Analysis of Jamming effects on IEEE802.11 Wireless Networks[C]//Communication(ICC), 2011 IEEE International Conference on 2011:1-5.

[8] Bianchi. G. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2000,18(3):535-547.

[9] 張君毅,楊義先.針對無線網(wǎng)絡(luò)的隨機干擾技術(shù)研究[J].北京電子科技學(xué)院學(xué)報,2012,20(2):1-8.

[10] 張君毅,楊義先.針對無線網(wǎng)絡(luò)的智能干擾技術(shù)研究[J].通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù),2012,38(6):6-8.

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.017

作者簡介:牛釗,男,碩士研究生,研究方向:無線通信。馬濤,男,博士,講師,研究方向:無線網(wǎng)絡(luò)。盧嶄嶄,女,碩士研究生,研究方向:網(wǎng)絡(luò)安全。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月16日