（通信与信息系统专业论文）基于qos保证的无线ad+hoc网络跨层优化技术研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于i n t e m e t 中现有的服务模型不能直接应用于a dh o c 网络，必须从a dh o e 网络的特点出发，为其设计一个合适的q o s 模型。该q o s 模型将规定a dh o e 网 络中提供服务保障的体系结构和框架，并且从a dh o c 网络今后的商业应用考虑， 需要兼顾i n t e m e t 现存的体系结构，以实现与i n t e m e t 的无缝连接。q o s 模型的制 定需要解决的一个关键问题是a dh o c 网络需要提供什么样的服务质量标准和水 平，这将影响q o s 模型和所有其他的o o s 保障要素。本论文研究的主要挑战是如 何在动态变化的网络环境中使用有限的资源来提供灵活的用户可以接受的服务质 量，只单独讨论某个方面的o o s ，而不搞清它们之间的区别和联系，不从整体着 手，将很难了解和评价整个系统的性能。 本文从无线a dh o c 网络的o o s 体系结构、q o s 信令、支持业务区分和资源预 留的各种控制策略的研究出发，指出各层的o o s 控制策略相互独立、局部优化性 和多层重复相似控制策略的冗余性限制了无线自组织网络的性能。指出模糊层间 界限和跨层设计的方案将成为无线网络发展的趋势。并给出了可行的跨层o o s 模 型。通过自适应反馈、自适应调度策略影响协议栈各层次的工作，用以减少原有口 o o s 的复杂性、冗余度，优化自组织网整体性能，提高无线自组织网络的服务质 量保证水平。本文在a dh o c 网络的o o s 服务模型的基础上对已有的模型框架所包 含的功能性组成部分进行具体的设计，主要涉及缓存管理、接纳控制、q o s 路由， 服务等级映射几方面，从而得出了本课题的无线自组织网络的主体q o s 体系架构。 这种基于无线a dh o e 网络中q o s 保障设计的跨层o o s 保障机制框架，它将操作 在不同层上的三种( 预测、协调和适配) 机制与提供o o s 保障的自适应机制结合 起来，以提高整个系统的o o s 保障能力，并体现了跨层的思想。 最后，利用数学模型和网络仿真软件o p n e t 对提出的跨层o o s 机制进行性 能分析，并与传统机制在平均接入延迟、丢包率、吞吐量三方面进行比较，以评 估改进机制的性能。仿真结果表明丢包率和吞吐量得到较为明显的改善。 关键词：无线a dh o e 网络，o o s ，跨层框架，o p n e t 江苏大学硕上学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ee x i s t i n gi n t e r n e ts e r v i c em o d e lc a l ln o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt oa dh o e n e t w o r k , as u i t a b l em o d e lf o rq o sn e e d st ob ed e s i g n e df r o mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa d h o en e t w o r k t h eq o sm o d e l ，i n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r ea n df r a m e w o r kf o rs e r v i c e a s s u r a n c e ，w i l lb ep r o v i d e df o ra dh o en e t w o r k ，a n dt h ee x i s t i n gi n t e r n e ta r c h i t e c t u r e n e e d st ob et a k e ni n t oa c c o u n t ，t oa c h i e v es e a m l e s sc o n n e c t i v i t y 丽t l lt h ei n t e r n e t ，f r o m t h eb u s i n e s sa p p l i c a t i o n so fa dh o en e t w o r ki nt h ef u t u r e ak e yq u e s t i o nf o rt h ed e s i g n o fq o sm o d e li sa dh o en e t w o r kn e e d st op r o v i d ew h a tl e v e lo fs e r v i c eq u a l i t y s t a n d a r d s i tw i l la f f e c tt h eq o sm o d e la n da l lo t h e re l e m e n t so fq o sa s s u r a n c e t h e m a j o rc h a l l e n g ei nt h i sp a p e ri sh o wt op r o v i d eu s e ra c c e p t a b l eq u a l i t yo fs e r v i c e f l e x i b l y , b yt h ed y n a m i cn e t w o r ke n v i r o n m e n ta n dl i m i t e dr e s o u r c e s ，i fo n l yd i s c u s s e sa s e p a r a t ea s p e c to fq o s ，d o e sn o tg a i nac l e a rd i s t i n c t i o nb e t w e e nt h e m ，i tw i l lb e d i f f i c u l tt ou n d e r s t a n da n de v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma saw h o l e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eq o sa r c h i t e c t u r e 、q o ss i g n a l i n g 、t h ev a r i o u sc o n t r o l s t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gr e s o u r c e ss u p p o r ta n db u s i n e s si nw i r e l e s sa d h o cn e t w o r k , t h e n p o i n t so u tt h a ta l ll e v e l so fq o sc o n t r o ls t r a t e g ya r ei n d e p e n d e n to fe a c ho t h e r , l o c a l o p t i m i z a t i o na n dr e d u n d a n ts t r a t e g y , s i m i l a rt ot h em u l t i r e p e a t ，l i m i tt h ep e r f o r m a n c e o fa dh o cn e t w o r k t h ep r o g r a mo fb l u r t i n gt h eb o u n d a r i e sb e t w e e nl a y e r sa n d c r o s s l a y e rd e s i g nw i l lb et h et e n d e n c yo fw i r e l e s sn e t w o r k n e x ti tg i v e sav i a b l e c r o s s l a y e rq o sm o d e l a d a p t i v ef e e d b a c ka n da d a p t i v es c h e d u l i n gs t r a t e g ya f f e c tt h e p r o t o c o ls t a c ka ta l ll e v e l s ，t or e d u c et h ec o m p l e x i t ya n dr e d u n d a n c yo ft h eo r i g i n a li p q o s ，o p t i m i z eo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s es e r v i c eq u a l i t ya s s u r a n c el e v e li n w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k t h i sa r t i c l e ，b a s e do nt h ee x i s t i n gf r a m e w o r ko ft h ea dh o c n e t w o r kq o sb a s i cs e r v i c em o d e l ，g i v e st h es p e c i f i cd e s i g no ff u n c t i o n a lc o m p o n e n t s ， m a i n l yr e l a t e dt ot h ea r e a so fc a c h em a n a g e m e n t 、a d m i s s i o nc o n t r o l 、q o sr o u t i n g 、 s e r v i c el e v e lm a p p i n g ，s oa st oa r r i v ea tt h ei s s u eo fm a i nq o sa r c h i t e c t u r ei nw i r e l e s s a dh o en e t w o r k t h i sc r o s s - l a y e rq o sm e c h a n i s m sf r a m e w o r k ，b a s e do nw i r e l e s sa d h o cn e t w o r ko o sa s s u r a n c e ，c o m b i n e st h et h r e e ( f o r e c a s t ，c o o r d i n a t i o na n da d a p t a t i o n ) m e c h a n i s m sa td i f f e r e n tl e v e l s 丽t l la d a p t i v em e c h a n i s m ，t h e np r o v i d e st h ea s s u r a n c e o fq o st oi m p r o v et h eo v e r a l ls y s t e mc a p a c i 锣a n dr e f l e c tt h et h i n k i n go ft h e c r o s s l a y e r 江苏人学硕士学位论文 f i n a l l y , w eu s em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dn e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r eo p n e t f o r p e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h eg r o s s 1 a y e ro o sm e c h a n i s m ，a n dc o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a l m e c h a n i s m st oe s t i m a t et h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i s mp e r f o r m a n c ei nt h et h r e ea r e a s o ft h ea v e r a g ea c c e s sd e l a y 、p a c k e tl o s sr a t e 、t h r o u g h p u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep a c k e tl o s sr a t ea n dt h r o u g h p u tg e tm o r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sa dh o en e t w o r kq o s ，c r o s s l a y e rf r a m e w o r k , o p n e t n l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 指导教师签名 2 0 0 8 年1 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：名莉而 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 6 日 江苏人学硕士学位论文第一章绪论 1 1研究背景及现状 第一章绪论 近年来随着多媒体应用的普及和a dh o c 网络在商业应用中的进展，a dh o c 网络对q o s 的支持显得越来越重要。但是在a dh o c 网络中存在大量的背景噪声 和冲击噪声、主机可以自由移动、无线信道的质量很差、它所能提供的网络带宽 非常有限，同时移动主机通常靠电池供电，并且容易遭受敌方的有意破坏和干扰， 特别是当网络规模较大时，这些问题更加突出。因此在这种网络环境下提供o o s 将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。 a dh o c 网络由于其系统的动态性，给跨层优化提供了更广泛的研究空间。 跨层设计可以利用调度技术、预测算法、自适应机制以及系统的多样性特征来缓 解网络动态性带来的设计挑战【l 。3 1 。调度技术可以减少业务量的突发性，预测技 术可以降低系统的不确定性，自适应技术可以补偿和利用动态性。同时多样性可 以增强系统的健壮性。调度包括利用数据优先级、资源预约和接入调度来保障高 优先级业务的服务质量。预测技术可以减少拓扑变化对网络性能的影响。此外， 利用预测信息可以减少维护系统操作所需的自适应调节。但是，预测会引入开销， 并且错误的预测会严重影响系统的性能，必须根据网络应用场合来取舍。自适应 机制对于维持a dh o c 网络的j 下常操作至关重要。借助于跨层协议栈提供的便捷 的信息交互，可以设计应用驱动的自适应资源配置协议。系统的多样性特征包括 链路特性多样性、接入技术多样性、路由选择多样性、内容服务和应用需求多样 性等。 在a dh o e 网络中，不仅需要静态的跨层优化设计，还要动态的跨层白适应 机制。动态跨层自适应机制允许各层及时交互信息来协调不同功能模块，适应系 统负载、网络环境和o o s 需求的不断变化。当前存在许多在无线网络中应用跨 层设计的例子。例如，文献f 4 1 提出了在保证q o s 的f ； 提下，无线多跳网络跨层 设计中的联合功率控制和调度问题。根据可接受的信号干扰及噪声比( s 斟r ) 和最低速率来减少在链路中的信号的传输，从而减少系统功耗。文献f 5 1 提出了 针对a dh o c 网络上视频业务而进行的动态调整分组控制方案，这也是一个简单 的跨层设计方案。网络的路由信息由按需距离矢量路由协议( a o d v ) 获得，并 江苏大学硕 ：学位论文 第一章绪论 对应用层共享。用户在发送报文前先检查路由信息，如果路由在跳数上发生改变， 系统将调整码率以适应链路条件。文献【6 】提出了在多跳的无线a dh o c 网络中， 不同层( 网络层、传输层及更高层) 利用网络移动节点的拥塞信息，并依此进行 不同的处理。在网络层上，对于先应式路由协议来说，拥塞信息可以作为选择路 由的度量标准，同时节点依此改变转发路由信息的时问间隔；对于后应式路由协 议，利用拥塞信息改变路由发现过程：如果与节点相连的链路处于忙的状态，它 将不转发路由请求信息。传输层采用e c n 机制提高系统吞吐量。对于应用层， 如果它了解路由的一些链路忙等信息，它将在发送前对数据进行压缩1 7 j 。 很好的理解了相关的跨层设计思想，就可以有效的进行后面的跨层框架设 计。 1 2 研究课题的提出 1 2 1a dh o c 网络对q o s 支持问题 与固定有线网络和传统蜂窝网络不同，对于拓扑经常发生变化、带宽很窄、 能源受限的a dh o c 网络来说，提供q o s 支持是一个复杂而全新的课题。 首先，由于没有考虑a dh o e 网络的动态多变的特性，i n t e m e t 上的q o s 保障 机制不能直接应用于a dh o c 网络。在传统网络中为了支持q o s ，链路状态信息 ( 时延、带宽和出错率等) 通常需要及时维护。但这一点在a dh o c 网络中却难 以实现，因为无线链路的状态随时可能随周围的环境而变化，并且有限的带宽资 源和主机的随意移动使得这个问题更加复杂。同时无线信道质量较差会造成分组 的传输错误率增加，从而使得网络拥塞程度加剧。 其次，目前许多有关无线网络中q o s 保障问题的研究大多基于单跳的有中 心的蜂窝网络模型，这些q o s 体系结构和保障机制也无法直接应用于多跳动态 变化的a d h o c 网络。 此外，引入大量控制报文的q o s 保障机制也不能被a dh o c 网络所接受，因 为这样会过多的占用宝贵的带宽，增加报文冲突的概率，从而降低整个系统的性 能。拓扑结构的动念变化也给a dh o c 网络的q o s 支持带来很大的困难，要消除 或减轻网络拓扑变化对服务质量的影响，需要m a c 层的相应支持以及路由协议 能快速生成新的路径【8 1 。 2 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 总之，a dh o e 网络中0 0 s 保障是个复杂的系统性问题，协议栈的各层都要 提供相应的机制。这就要求设计和研究新的q o s 保障机制，为a dh o e 网络中的 各种业务提供能满足一定要求质量保证的服务。因此本文将在分析a dh o e 的基 础上，针对a dh o e 网络的特性，描述一种适应于a dh o e 网络的跨层q o s 保障 机制框架。 1 2 2 跨层o o s 研究进展 目前，人们已习惯于刀= 放系统互联( o s i ) 分层网络设计的思想，该思想也 己为通信系统服务多年。但同益演进的无线网络正在挑战这种设计理念。随着研 究的深入，无线o o s 的问题在于从整体设计上如何创造性地解决资源管理和分 配的问题。许多研究开始从“跨层分析 ( c r o s s 1 a y e r ) 的角度重新审视无线通信 系统。正是由于无线信道的突出特点，使得有线网络中的通信协议需要在各层上 增强对物理信道的容错、0 0 s 的区分服务、资源分配等机n c g j 。这使得各层的协 议在很多功能上出现冗余。 研究表明 6 - 9 】，在特定的应用场景下，采用严格的o s i 或者t c p 口的多层 协议架构传输无线数据时，存在大量的协议封装信息数据的传输开销，实际有效 载荷的传输速率甚至低于2 0 。因此，有必要结合应用的需求，在研究各网络、 各层性能优化的同时，更要关注物理层、数据链路层和网络层以及上层之间的互 相协调配合对网络性能的影响。将分散在网络协议各子层的特性参数协调融合， 使用基于跨层分析的方法提出新的服务质量保证方案，以提升网络的整体性能， 提高无线自组织网络的服务质量保证水平。 从各协议层的功能可以发现，无线自组织网中每一个协议层都是互相关联而 不管它们在逻辑上是否直接相邻。另一方面，每一个协议层通常面对许多相同的 问题和系统约束，例如能量约束及服务质量保证等等。传统的分层协议栈只能在 某一层对某个约束问题上得到局部的解决和优化，而跨层设计支持多层联合优化 和自适应【l o 】。 所以为了达到更优良的服务质量，需要打破原有的传统分层的束缚，进行跨 层的总体设计。 3 江苏大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的研究内容和组织结构 本文在跨层分析的基础上提出跨层o o s 模型，通过自适应反馈、自适应调 度策略影响协议栈各层次的工作，用以减少原有i po o s 的复杂性、冗余度，优 化自组织网整体性能，提高无线自组织网络的服务质量保证水平。 提出了一种基于无线a dh o c 网络中o o s 保障设计的跨层q o s 保障机制框 架，它将操作在不同层上的三种( 预测、协调和适配) 机制与提供o o s 保障的 自适应机制结合起来，以提高整个系统的o o s 保障能力，并体现了跨层的思想。 具体包括： ( 1 ) 对无线a dh o c 网络的q o s 保障机制的研究。包括o o s 模型、q o sm a c 协议、q o s 信号机制和o o s 路由协议。根据当前已经取得的研究成果，对物理 层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的局部o o s 设计进行分析和探讨。 ( 2 ) 在无线a dh o c 网络的基本q o s 服务模型的基础上对已有的模型框架 所包含的功能性组成部分进行具体的设计，主要涉及缓存管理，接纳控制，o o s 路由，服务等级映射几方面，从而得出了本课题的无线自组织网络的主体o o s 体系架构 ( 3 ) 从无线a dh o c 网络中o o s 保障设计出发，提出了一种跨层q o s 保障 机制框架。该框架利用工作在不同协议层上的由预测机制、协调机制和适配协调 机制组成中心控制器，协调和传递自适应机制间状态信息，共同提高a dh o c 网 络的q o s 。 ( 4 ) 利用数学模型和网络仿真软件o p n e t 对提出的跨层o o s 机制进行性 能分析，并与传统机制在平均接入延迟、丢包率、吞吐量三方面进行比较，以评 估改进机制的性能。 本论文的结构安排如下： 第一章，首先阐述了本论文的研究背景及现状，接下来通过对a dh o c 网络 的q o s 支持问题及跨层o o s 研究进展的分析提出了研究的课题，最后给出了研 究的主要内容及结构安排。 第二章，对无线a dh o c 网络o o s 机制进行了比较详细的分析，分别包括 a dh o c 网络的o o s 模型、a dh o e 网络的o o s 信令机制、a dh o c 网络的q o s 路 由和a dh o c 网络中的m a c 协议四部分内容及其总体分析。 第三章，对无线a dh o e 网络o o s 保障结构体系的各部分功能实体进行了具 4 江苏大学硕上学位论文第一章绪论 体的设计。a dh o c 网络的q o s 保障是一个综合性的问题，需要跨层次的设计和 考虑。接下来通过分层q o s 保障机制研究进展、跨层设计的原理、现有的跨层 设计方案分析引出后一章重点设计的跨层框架。 第四章，论文重点。通过基于m m s e 算法的信道预测算法的预测策略，采 用自适应接纳控制算法的协调策略以及具有q o s 能力的中间适配机制的适配策 略共同构成了一种基于无线a dh o c 网络中q o s 保障设计的跨层q o s 保障机制框 架。 第五章，论文重点。对前一章提出的无线a dh o c 跨层优化机制框架的三部 分进行深一步的具体分析。利用数学模型和网络仿真软件o p n e t 对提出的跨层 q o s 机制进行性能分析，并与传统机制在平均接入延迟、丢包率、吞吐量三方面 进行比较，以评估改进机制的性能。 第六章，对论文内容作了总结，并根据自己的研究成果和体会，提出了未来 进一步研究的方向。 1 4 本章小结 本章通过相关背景知识的介绍对本课题的研究背景及现状进行了比较全面 地阐述，接下来在a dh o c 网络对q o s 支持问题及跨层q o s 研究进展的分析中引 出本论文的研究课题。最后通过对论文研究内容和组织结构的介绍初步诠释了本 文的研究思路。 5 江苏人学硕1 ：学位论文 第一二章无线a d h o e 网络q o s 保障 2 1 概述 第二章无线a dh o c 网络q o s 保障 与固定有线网络和传统蜂窝网络不同，对于拓扑经常发生变化、带宽很窄、 能源和内存非常受限的a dh o c 网络而言，提供q o s 支持【1 1 1 是一个复杂而全新的 课题。a dh o c 网络中存在大量的背景噪声和干扰，主机可自由移动，无线信道 的质量差并且网络带宽很有限。同时移动主机处理能力受限，通常靠电池供电， 并且容易遭受敌方的有意破坏和干扰，特别是当网络规模较大时，这些问题将更 加突出。因此，在这种网络环境中提供q o s 将面临许多不同于传统网络的新问 题和挑战。 在a dh o c 网络中，业务的q o s 保障主要包括以下几个方面内容。 ( 1 ) q o s 模型【4 】：网络应采用的业务方式及结构。定义一系列服务质量可 配置的接口来抽象系统和网络中需要解决的q o s 问题，并且提供一个可以综合 各种q o s 控制和管理机制的框架。 ( 2 ) q o s 资源预留信令蚴：q o s 资源预留信令的中心思想是节点为每个允 许接入的连接保留其所需要的传输资源，并在其使用完毕后释放资源。 ( 3 ) q o s 路由【1 3 】：寻找满足特定q o s 需求的路由。q o s 路由协议要与资源 管理共同配合，以提供端到端的q o s 需求。 ( 4 ) m a c 层的q o s 支持【1 4 】：在a dh o c 网络环境中，相邻节点共享无线传 输信道。每个节点在保证自己的q o s 需求【1 5 】的基础上，还应避免影响相邻节点 的q o s 保障。 q o s 保障需要以上各方面因素相互支持和配合才能完成 2 2a dh o c 网络的q o s 模型 目前，在i n t e m e t 上支持q o s 的体系结构主要有两种：i n t s e r v t l 6 1 和 d i f f s e r v 17 1 。i n t s e r v 是一种基于流( p e r - f l o w ) 的资源预留机制，它引入了虚电 路的概念，由r s v p t l 8 1 作为建立和维护虚电路的信令协议，路由器通过相应的包 调度策略和丢包策略来保证业务流的q o s 要求。i n t s e r v 要求网络中的节点保存 6 江苏大学硕士学位论文 第二章无线a d h o e 网络o o s 保障 基于流的状态信息，它对节点的存储能力和处理能力都有很高的要求，存在明显 的可扩展问题。在无线a dh o e 网络中，由于节点几乎全是便携式移动终端，其 存储能力和处理能力均有限。同时，由于无线a dh o e 网络拓扑的频繁变化，用 于维护虚连接的r s v p 协议将带来很大的开销，而无线a dh o e 网络的带宽有 限，因此，i n t s e r v 并不适合无线a dh o e 网络。尤其是较大型的无线a dh o e 网 络。 d i f f s e r v 是一种基于类( 流的集合) 的q o s 体系结构，它提供定性的q o s 支 持。接入d i f f s e r v 域的业务流首先在域的边缘被分类和调节 c o n d i t i o n i n g ，包 括测量( m e t e r ) 、整形( s h a p i n g ) 、重标记( r e m a r k i n g ) 、丢弃( d r o p p i n g ) 等) ， 而域的核心节点只简单地根据包的d s 域对包进行调度，d i f f s e r v 不要求域的核 心节点保存并在网络拓扑变化时更新基于流的状态信息，从而使核心节点的实现 相对简单。从这一方面看，d i f f s e r v 更适合无线a dh o e 网络。但是，如果采用 d i f f s e r v 结构，则在无中心、分布实旌、拓扑频繁变化的无线a dh o c 网络中， 存在如何划分d i f f s e r v 域，如何定义并区分边缘节点和核心节点，以及如何进行 动态资源分配等问题。 针对无线a dh o e 网络，文献 1 9 1 的作者提出了一种称为灵活o o s 模型 ( f l e x i b l eo o sm o d e lf o rm a n e t s ，简称f q m m ) 的体系结构，该模型类似于 d i f f s e r v ，它将整个无线a dh o e 网络定义为一个d i f f s e r v 域，网络中的每个节 点既是边缘节点，又是核心节点，当某节点为业务流的源端时，该节点为边缘节 点，当某节点作为业务流的中间转发节点时，该节点为核心节点。f o m m 提供 了一种称为混合( h y b r i d ) 模式的资源分配策略，它既支持i n t s e r v 的基于流的 资源分配，又支持d i f f s e r v 的基于类的资源分配，高优先级的业务基于流分配 资源，低优先级的业务流基于类分配资源，以减小节点需保存的基于流的状态信 息，提高f q m m 的可扩展性。f o m m 还采用自适应的业务量调节机制来适应 无线链路带宽的变化。 f q m m 是第1 个针对无线a dh o c 网络的q o s 模型，它的主要优点是根据 网络状态的变化，作自适应的业务量调节( c o n d i t i o n i n g ) ，但它同时还存在如下 缺点： ( 1 ) 实现复杂。由于网络中的节点既要支持i n t s e r v ，又要支持d i f f s e r v ， 7 江苏大学硕士学位论文第_ 二章无线a d h o e 网络q o s 保障 同时，每个节点既可能是边缘节点又可能是核心节点。因此，要求每个节点均实 现i n t s e r v 和d i f f s e r v 的相关功能。 ( 2 ) 对于混合的资源分配策略，存在高优先级的流和低优先级的流各应占 多大比例的问题。对低优先级的流，由于采用d i f f s e r v 的基于类的资源分配策略， 因此，在a dh o e 域内，仍存在与d i f f s e r v 相似的资源分配问题。 根据以上分析得知，已有的o o s 体系结构并不完全适合无线a dh o c 网络， 结合无线a dh o e 网络自身的特点及其应用场合，无线a dh o c 网络的q o s 体系 结构应该具有下述特点： ( 1 ) 具有业务区分能力，提供定性的o o s 支持。 ( 2 ) 开销小，对节点的存储能力和处理能力的要求较低，尽量避免基于流 的存储和处理要求。 ( 3 ) 分布实施，在无固定设施的无线a dh o c 网络中，任何集中式的算法、 机制都会增加其实现的难度和引入较大的开销。 ( 4 ) 具有自适应能力，即能根据无线信道和网络拓扑的变化，实现自适应 的资源分配、业务量调节等功能。 本课题的无线a dh o c 网络中的q o s 保障体系设计是基于区分服务的，具体 的服务等级映射见第四章第三节。 2 3a dh o c 网络的o o s 信令机制 o o s 信令主要用于预留和释放资源以及建立、拆除和协商业务流连接。q o s 信令机制不仅要保证信令在节点间能可靠传递，还要保证信令能被正确地解释并 激活相应的处理模块。按照传递方式不同，o o s 信令可以分为带内信令系统和带 外信令系统。带内信令系统采用控制信息包含在数据分组中进行传递的机制，带 外信令系统采用专用的控制分组传递指令的方法。在i n t e m e t 中，r s v p 是相当 成熟并已被i e t f 标准化的q o s 信令协议，而i n s i g n i a 2 0 】是专为无线a dh o c 网 络设计的q o s 信令协议。 r s v p 是一种基于i n t s e r v 体系结构的q o s 信令协议，它支持单播和多播。 资源预留由目的节点发起，当源节点需要向目的节点发送信息时，源节点发送路 径( p a t h ) 消息。目的节点在收到路径消息后，根据路径消息携带的流参数( f l o w 8 江苏人学硕上学位论文第二章无线a d h o e 网络o o s 保障 s p e c ) 和本身的需要发送资源预留消息，该消息沿路径消息经过的相反方向由中 问路由器向源节点转发。中间路由器在收到资源预留消息时，判断其可用资源能 否满足预留要求。若满足，则预留资源并转发资源预留消息。否则，丢弃资源预 留消息。向目的节点返回拒绝预留消息，预留失败。 由于资源预留由接收方发起，不同的接收方可以根据自身的需要发起具有不 同需求的资源预留请求。因此，r s v p 能够有效支持面向不同类型、不同需求的 接收者的组播。r s v p 要求虚连接上的所有节点保存基于流的状态信息，并由目 的节点定时发送预留更新消息对其更新。r s v p 采用软状态( s o f t s t a t e ) 机制释 放预留的资源。 r s v p 并不适合无线a dh o e 网络，原因在于： ( 1 ) 节点需要处理并保存基于流的状态信息，这对移动节点的处理能力和 存储能力均有很高的要求，在移动a dh o c 网络中存在明显的可扩展性问题。 ( 2 ) r s v p 没有提供能够快速响应网络拓扑频繁变化的机制。 ( 3 ) r s v p 采用带外信令机制，其信令消息将与数据一起竞争无线信道， 占用宝贵的无线带宽，并增加了碰撞概率。 i n s i g n i a 使用带内信令，它支持b e s t - e f f o r t 和自适应的实时业务。 i n s i g n i a 利用i p 包中的口选项携带请求的带宽等信令信息。 i n s i g n i a 提供q o s 信令所需的流建立( f l o ws e t u p ) 、流恢复( f l o w r e s t o r a t i o n ) 、软状态管理( s o f t - s t a t em a n a g e m e n t ) 、白适应调节( a d a p t a t i o n ) 和 q o s 报告( q o sr e p o r t i n g ) 5 种操作，它们共同完成q o s 信令功能。 流建立：源节点发送资源预留请求包( i p 选项的预留模式比特为i 也q ) ，中 间节点在收到资源预留请求包后进行接入控制，并在可用资源满足要求的情况下 进行资源分配并建立“流状态( f l o ws t a t e ) 信息。 q o s 报告：用于目的节点向源节点报告业务流路径上的可用资源。在流建 立过程中，q o s 报告用于告诉源节点其请求的资源被预留的情况；在流建立后， q o s 报告通知源节点业务流路径上的可用资源的变化情况，以便源节点对数据 发送速率作自适应的调节。 软状态管理：流路径上的中间节点保存经过它的业务流的状态，并在收到业 务流数据包时对相应的业务流状态进行刷新，如果在规定的时间内未收到某业务 9 江苏人学硕上学位论文第一二章无线a d h o c 网络o o s 保障 流的数据包，则删除该业务流对应的状态信息，并释放为其预留的资源。 流恢复：当因节点移动而需要重新建立( 或修复) 业务流路径时，在新的业 务流路径建立( 或恢复) 后，新建路径上的节点根据收到的妒包的i p 选项预留 资源，原路径上的节点在超时后删除相关的状态并释放资源。 自适应：源节点根据o o s 报告提供的相关业务流路径上的可用资源情况， 自适应地调节业务流的数据发送速率。 基于i n s i g n i a 的无线流管理模型如图2 1 所示，它的目标是在a dh o c 网 络中支持自适应实时业务。各种业务流能够规定它们的带宽范围，然后由 i n s i g n i a 根据网络资源分配带宽，从而具有更好的自适应性。这种无线流管理 模型具有以下特性： ( 1 ) 不需要等待一个r 耵时间就能够以较小的信令开销快速建立流状态。 ( 2 ) 在链路失效或路由发生改变时，可以通过重路由来维护和恢复活动的 流，并尽量减少服务降级和中断。 ( 3 ) 当会话终止或预约状态在一定时间得不到更新时，自动删除流状态信 息。 在该模型中，处于核心位置的当属i n s i g n i a 模块，它负责建立、恢复、适 配和拆除数据流连接，以适应拓扑和无线链路的变化。快速的流预约和流恢复算 法可以迅速对路由变化做出反应，从而支持自适应实时业务的传递。通过与接纳 控制模块相配合，如果资源请求能得到满足，i n s i g n i a 可以为流进行带宽分配。 否则，如果资源需求不可用，流就被降级为尽力而为服务。 为了快速响应网络拓扑的变化以及满足端到端的服务质量，i n s i g n i a 使用 o o s 报告包通知实时流的状态信息。目的节点主动检测收到的流，并计算o o s 的统计结果( 如丢包率、延时和吞吐量等) 。o o s 报告包被周期地送到源节点。 通过这种反馈信息，源节点可以根据所得到的网络条件对相应的流进行适应性变 化。 1 0 江苏人学硕士学位论文 第二章无线a dh o c 网络q o s 保障 r i m s i g l a 1 1 v s i c n l t 一 二u 二一 移动软状 态，青息 发 图2 1 一种移动节点的无线流管理模型 2 4a dh o c 网络的q o s 路由 q o s 路由的定义为：一种基于网络的可用资源和业务流的q o s 要求来选择 路径的路由机制或一种包含各种q o s 参数的动态路由协议。简而言之，q o s 路 由用来查找满足o o s 要求的路经 2 1 1 。 在a dh o c 网络中，实施q o s 路由的策略涉及以下四个方面： ( 1 ) q o s 尺度的选择：合理的选择q o s 尺度非常重要，它反映了应用所相 关的网络特性并定义了提供q o s 保障的类型。衡量q o s 的指标很多，寻找一条 满足多个约束条件的q o s 路径通常是n p 完全问题，所以实现多维q o s 指标的 方法一般是不可取的，而应根据实际情况来选择某一、两个合适的指标。 ( 2 ) q o s 路由的计算：节点根据收集的网络状态信息来寻找q o s 路由时， 应尽量减少路由计算的复杂性。通常寻求满足单一条件的q o s 路由，但某些场 合下可能需要求解多维约束的q o s 路由。此时，可以采用按需过滤法，即将多 个q o s 路由尺度按照某种顺序( 重要性) 排序，首先基于第一个尺度寻找可行 路径，然后再给予第二个尺度在得到的可行路径集合中进行筛选，直到满足所有 的q o s 尺度。 ( 3 ) q o s 路由的维护：路由更新的频率和消息的大小应能自适应的调整， 以便在路由开销和准确性上做出合理折衷。一种可行方法是，判定状态信息的改 变是否超过预定门限值，只有当此条件为真时才需交换信息。并且要尽量维持现 有路由，从而减少计算开销和性能抖动。如果为每条流都维护路由信息，则路由 表尺寸过大。因此可以采用信息聚集的方法将网络划分为簇，只需考虑与这些簇 相关的状态信息。但是这些信息只能部分真实地反映全局信息，降低了路由信息 1 1 江苏久学硕上学位论文 第二章无线a dh o e 网络q o s 保障 的准确性。另一种方案是采用按需q o s 路由算法，但是路由获得的时延偏大。 ( 4 ) 对现有路由算法进行改造，使其能够支持特定的q o s 要求：每个节点 可以在路由表中增加相应的q o s 信息( 如带宽和时延) ，即算最短路径的同时计 算各种q o s 信息，每个节点根据q o s 信息来决定是否接纳新的连接请求。 按照如何维护状态信息以及如何执行可行路径的搜索，q o s 路由算法可以分 为：集中式、分布式、洪泛搜索和分级路由算法。 在集中式路由中，节点需要维护全局的网络状态信息，源端根据这些状态信 息来集中计算路由并通知该路径上的其它节点如何转发分组；分布式路由中，各 个节点交换控制消息来查找一条满足q o s 要求的路经，节点只需知道到目的节 点的下一跳结点；洪泛搜索路由中，源节点通过发送探测分组来获得可行路径； 分级路由算法中，节点被划分成一些逻辑组，每个组的路由信息汇聚在边界结点， 每个节点需要知道本组中其它节点的信息以及其他组的汇聚信息，类似于基于簇 的路由算法【2 2 1 。 集中式路由算法简单，不会形成环路，但是开销较大、可靠性和可扩展性差， 不适合于a dh o c 网络。洪泛搜索路由的健壮性较好，但是开销也较大。 分布式路由中，各节点只需维护本地状态，开销相对较少，但是计算得到的 路由通常不是最优的，并且可能会存在环路。分级路由的可扩展性好，适用于大 型网络，但是路由信息不够准确，从而影响路由算法的性能。对于规模较小的 a dh o c 网络，通常应采用分布式路由，也可以采用基于洪泛搜索的q o s 路由： 而对于规模较大的网络可以考虑采用基于簇的分级q o s 路由。 在本课题无线a dh o c 网络中q o s 保障体系的设计中，采用的是按需路由协 议d s r 路由算法，具体见第三章第一节。 2 5a dh o c 网络中的m a c 协议 a dh o e 网络能否得到广泛应用的个关键是发展合适的m a c 协议，这种 m a c 协议必须是分布式的，能够高效地利用网络资源，并且可以满足数据业务 和实时业务的q o s 要求【2 3 1 。 m a c 协议解决分组冲突的方法一般是延时重发，延时策略可以