（通信与信息系统专业论文）无线网络中多媒体业务的服务质量机制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 无线自组织( a dh o c ) 网络是一种无须固定通信设施支持的新型无线网络，具 有很高的可靠性和灵活性。它可以广泛应用于紧急的和不易建设固定通信设施的环 境中，如野战通信、紧急搜救、临时会议等。近年来随着多媒体应用的普及和a dh o c 网络在商业应用的进展，在a dh o c 网络上提供必要的服务质量( q o s ) 保证显得越 来越重要。但是因为a dh o c 网络自身的特点，比如其网络资源极其有限、信道共享、 网络拓扑结构动态变化以及信道通信质量很差，导致在这种网络下提供端到端的服 务质量保证十分困难。这就需要综合研究q o s 模型设计、资源预留信令机制、q o s 路由、网络层队列管理和q o s 媒体接入控制，所以日前研究进展缓慢。 本文着重研究如何在a dh o c 网络的动态环境和有限的带宽情况下提供端到端 的服务质量保证的问题。以支持多媒休h k 务为同标，分别对媒体接入q o s 机制，网 络层q o s 机制，传输层q o s 机制进行了性能分析比较，系统地研究了这赌q o s 机 制的设计及系统配置问题，并提出了一些新颖的改进方案。 首先，详细介绍了区分服务t j t n ，井研究了其关键机制r i o ( r e dw i t hi n o u t ) 的参数设置问题。从仿真角度详尽分析了r i o 参数设胃对确保服务质罱的影 响。实验结果为下一步将r i o 机制和区分服务机制应用到a dh o c 网络打下了峰实 的基础。 接着，系统分析比较了不同a dh o c 网络环境f 媒体接入层和网络层q o s 机制 的性能，并得到了很有意义的研究结论。 然后，着重建模分析了双窗口t c p 协议的性能，并通过大景仿真实验验证了模 型的正确性。由于双窗口t c p 对于提高区分服务网络中确保服务的带宽保证和公平 性十分有效，希望能够充分理解解它的特点、性能和基本思想，进而在以后的t 作 中设计出新的适合a dh o c 网络特点的传输层协议。 最后，对a dh o c 网络上采用t f r c ( t c pf r i e n d l yr a t ec o n t r 0 1 ) 掷议传输多媒 体业务的性能进行了分析。通过大量的仿真试验揭示了t f r c 在无线网络，i ：存神! 的 问题，并对产生这些问题的原因进行了分析。而目参考现有t c p 改进思路，利用断 路信息反馈机制，提出了改进t f r c 的移j 步方案。 主题词：a dh o c 网络服务质量区分服务r i oe d c f 烈窗l it c p 协议 t f r c 协议 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t am o b i l ca dh o c 讳吁r d c s sn e t w o r ki san e wk i n do fw j r e l e s sn e t w o r k sw h i c hh a sn o i n f r a s t r u c t u r e i th a sh i g hr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y c o n s e q u e n t l y ，t h e ya r ew i d e l yu s e di n s o m ee m e r g e n ta p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t so rw h e nt h ew i r e dn e t w o r ki sn o ta v a i l a b l e ， s u c ha sb a t t l e f i e l dc o m m u n i c a t i o n s ，d i s a s t e rr e c o v e r y ，o c c a s i o n a lc o n f e r e n c e s ，e t c i n r e c e n ty e a r s ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r ep o p u l a r ，a n da dh o cn e t w o r k s a r ew i d e l yu s e di nc o m m e r c i a le n v i r o n m e n t s s o ，i ti sc r u c i a lf o ra dh o en e t w o r k st o s u p p o r tq u a l i t y - o f - s e r v i c e h o w e v e r ，s o m ed i s t i n c tc h a r a c t e r so fa dh o cn e t w o r k s ，s u c h a st h ec o n s t r a i n e db a n d w i d t h ，s h a r e dc h a n n e l ，d y n a m i ct o p o l o g ya n dp o o rl i n kq u a l i t y ， m a k ei tv e r yd i f f i c u l t t h e n ，m a n ye l e m e n t ss h o u l db ei n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gq o s a r c h i t e c t u r e s ，o o sr e s o u r c er e s e r v a t i o ns i g n a l i n g ，q o sr o u t i n ga n dq o sm e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ho nt h i ss u b j e c ti sv e r ys l o w t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nh o wt op r o v i d et h eq o si na dh o cw i r e l e s sn e t w o r k s w h e r et h et o p o l o g yi sd y n a m i ca n dt h eb a n d w i d t hi sc o n s t r a i n e d t o w a r d st op r o v i d i n g q o s ，t h ew o r ki n v e s t i g a t e ss e v e r a lm e c h a n i s m sd e s i g na n ds e t t i n g ，s u c ha sm e d i aa c c e s s c o n t r o l ，t r a n s m i s s i o na n dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 a n ds o m eo r i g i n a ls c h e m e sa r ep r o p p o s e d f i r s t ，t h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sn e t w o r ki si n t r o d u c e d ，a n dt h ek e yc o m p o n e n ti u t h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sn e t w o r k s ，r i oq u e u em a n a g e m e n ts c h e m e ，i si n v e s t i g a t e d t h ei m p a c to f s e t t i n ga n dc o n f i g u r a t i o n so fr i op a r a m e t e r so nt h ep e r f o r m a n t eo f a s s u r a n c es e r v i c e si sa n a l y z e dt h r o u g han u m b e ro fn e t w o r ks i m u l a t i o n s s i m u l a t i o n s r e s u l t sa r eh e l p f u lf o rf u t u r er e s e a r c ht oa p p l yr i oa n dt h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s m e c h a n i s m st oa dh o cn e t w o r k s s e c o n d t w om a j o rc l a s s e so fq o ss c b e m e sf o ra dh o cn e t w o r k sj um a c l a y e ra n d n e t w o r kl a y e ra r ec o m p a r e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h eo b s e r v a t i o n s ，an e wh y b r i d s c h e m ei sp r o p o s e d w h i c hi sa b l ei os u p p o r tq o so fr e a l t i m ea p p l i c a t i o n s t h i r d ，a l la n a l y t i c a lm o d e li sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h et h r o u g h p u ta c h i e v e db y i n d i v i d u a lt w o - w i n d o w st c pf l o w s e x t e n s i v es i m u l a t i o n sv a l i d a t et h em o d e l s i n c et h e t w o - w i n d o w st c pi se f f e c t i v eo ns o l v i n gt h eb a n d w i d t hg u a r a n t e ea n df a i r n e s si s s u e s ，i t i sp o s s i b l et h a tan e wp r o t o c o lo ft r a n s p o r tl a y e ri na dh o cn e t w o r k sc o u l db ed e s i g n e d b a s e do nt h ej d e ao ft w o w i n d o w st c p 华中科技大学硕士学位论文 l a s t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft f r ci na dh o cn e t w o r k si si n v e s t i g a t e d t h r o u g ha n u m b e ro fn e t w o r ks i m u l a t i o n s ，t h ep r o b l e m so ft f r cu s e dj oa dh o cn e t w o r k sa r e s h o w n s u b s e q u e n t l y ，t h e r e a s o n sa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h er e v i s e dt f r ci s p r o p o s e da c c o r d i n gt o t h er e v i s e dt c pa n db yu s eo ft h eo p e nc i r c u i tf e e d b a c k m e c h a n i s m k e y w o r d s ：a dh o cn e t w o r k sq u a l i t yo fs e r v i c e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sr i o e d c ft w o w i n d o w st c pt f r c i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 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。 鬻器箨r 期勘件f 月罗同f 、 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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部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何论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 同期：2 0 d 牟年f 月 指导教师箍名 闩期：如铲年 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 无线网络可以分为具有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r k ) 和没有基 础设旋的网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 两大类。前者具有固定和有线的基站，网络 中节点( 或称为主机) 从基站接收和向基站发送所有的业务，这种网络的典型例子为 无线局域网，如图1 - 1 ( a ) 所示。后者就是无线自组织( a dh o c ) 网络，如图l - 1 ( b ) 。 本文主要研究无线a dh o c 网络。 ，一 ，l 彳 ，弓：，。二 、 、l 一， ( a ) 有基础设施的无线网络 ( b ) 无线a dh o c 网络 图1 - 1 无线网络分类 般来说，具有基础设施的无线网络应用比较背遍比如蜂窝移动通信网。无 线局域网。但对丁某些特殊场合来说，这种有中心有基 i f | i 嫂施的网络并不能胎仃。 比如，战场上部队快速部署、地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖丁 任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。a dh o c 网络 f 是为了这种情况而设计的。 1 1 研究背景及意义 1 1 1a dh o c 网络简介 a dh o c 一词来源于拇丁语，是“特别地、号i 、j 地为某一即将发生的特定同标、 事件或局势而不为其他的”的意思。“a dh o c 技术”所指的就是一种无线特定的网 络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念。a dh o c 网络的的身足分组无线网。 对分组无线网的研究起源于2 0 世纪7 0 年代的美周军事领域，它是舟美困吲防郝资 助研究的“战场环境中的无线分组数据网( p r n e t ) ”项目巾产牛的一种新型的网 3 当 华中科技大学硕士学位论文 络构架技术。当时所提出的网络是种服务丁军方的无线分组网络，实现基于该种 网络的数据通信。后来，国防部又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁可适应 性网络( s u r a n ：s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 和全球移动信息系统( g l o m o ，g l o b a l i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 两个项目的研究，以便能够建立满足军事应用需要的、可快速 展丌、高抗毁性的移动信息系统。a dh o c 技术就是吸取了p r n e t 、s u r a n 以及 g i o m o 等项目的组网思想，从而产，l 三的一种新型的网络构架技术。1 9 9 1 年成立的 i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络”一词柬描述这种特殊的对等式无线移 动网络。 在任一时刻，a dh o c 网络中一些带有无线收发装置的移动节点间都可以通过无 线信道连接形成一个任意网状的拓扑结构。节点可以任意移动，可能导致网络拓扑 结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围的有限性，两 个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。就是晚节 点具有报文转发能力，可以进行路t 【j 发现、路由维护等常见的路操作。节点之闸 的通信可能要经过多个中问节点的转发，即经过多跳( m u l t i h o p ) 。这是a dh o c 网络与其他无线网络的最根本区别。在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况 下提供一种通信支撑的功能拓宽了移动通信网络的应用环境。a dh o c 网络可以在独 立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如i n t e r n e t 或者 蜂窝核心网。 由此可以看出，与其他通信网络棚比，a dh o c 网络具有以卜特征： ( 1 ) 无中心：a dh o c 网络没有严格的控制中心。 ( 2 ) 网络的自组性：a dh o c 网络可以在任何时刻任何地方构建，丽不需要现有 的信息基础网络设施的支持，形成个自由移动的通信网络。 ( 3 ) 动态拓扑：节点可以任意自由移动，这意味着网络的拓扑可能随机变化，而 且有可能快速变化。新的节点可能突然加入网络，现有的节点也可能突然离丌或者 关闭电源。 ( 4 ) 能量限制的操作：a dh o c 网络中的部分或者伞部节点要依靠电池供r 乜。 ( 5 ) 有限的无线传输带宽：无线信道本身的物娜特性使a dh o c 网络的网络带宽 相对有线方式要低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、 阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。 ( 6 ) 移动终端的有限性：a dh o c 网络巾的移动用，l t 终端内存小、c p u 处邪能力 低、所带电源有限使得a dh o c 网络的设计更加困难。 ( 7 ) 安全性差：a dh o c 网络是种无线方式的分布式结构，所以更加容易被窃 听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。 华中科技大学硕士学位论文 ( 8 ) 网络的可扩展性不强：由f 采用1 c t ， p 卧议i f l 泓| 硼技术使得i n t e r n e t 具有网络的可扩展性，而a dh o c 网络动态变化的拓扑结构使得r 网技术所带束的网 络可扩展性不能得到应用。 从以上特点可以看出实现a dh o c 无线网络将要遇到各种难题，其中既包括系统 的设计，也包括系统的性能。这使得a dh o e 网络在体系结构、网络组织、协议设计 等方而都与普通的蜂窝移动通信网络和同定通信网络有着最著的区别【”。因此需要 设计适用于a dh o c 网络的协议和算法。 近年来针对a dh o c 网络开展了很多研究研究的内容集中存信道接入协议、路 由协议、网络互联、功率控制和服务质量保证等方面。 1 1 2a dh o c 网络的主要应用 由于a dh o c 网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着明显的差别。 其应用场合主要有以下几类【2 j ： ( 1 ) 军事应用：军事应用是a d h o c 网络技术的主要应用领域。a dh o c 技术的 主要特点就是无需架设网络设施、可快速展丌、抗毁性强等，这就决定了它是数字 化战场通信的首选技术。 ( 2 ) 紧急和临时场合：在灾难发生时，比如地震、水灾等，固定的通信网络设 施都可能无法萨常工作。这时就需要既不依赖，仃何网定网络设施又能快速前f 设的 a dh o c 网络技术。在边远或野外地区，无法依赖| ；i i | 定或预设的网络设施进行通倩， 具有独立组网能力的a dh o c 网络是最侄选抒。 ( 3 ) 个人通信：个人局域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是a dh o c 网络技 术的另一应用领域。它不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电予通信t 发衙 之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。 ( 4 ) 与移动通信系统的结合：a dh o c 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合， 利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业 务、提高小区边缘的数据速率等。 1 1 3 a dh o e 网络的服务质量保旺 近年来随着多媒体应用的普及和a dh o c 网络应用的进展，在a dh o c 网络巾同时 支持包括数据、音视频存内的多种、i k 务将成为一种发展趋辨。无沦是抢险救灾或者 大型体育比赛场合，视频以及音频等实时信息的传输对a dh o c 网络的应用都非常关 键。同时，随着个人移动设备计算能力以及无线网络带宽的提高，实时交瓦式游戏 等多媒体业务也将逐渐成为a dh o c 网络巾的熏要业务。另外，对r 军用环境，a dh o c 华中科技大学硕士学位论文 网络对于数据的传输也有较高的要求，比如战场上紧急情报或来自上级的命令需要 及时传送到士兵手中。因此，提供必要的服务质量保证( q o s ) ，是a dh o c 网络能 否成功的一个重要方面。所谓服务质量，是指网络在传输数据流时要满足的系列 服务请求，具体可以量化为传输延迟、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等指标。 1 2 研究现状和关键技术 1 2 1 实现q o s 的难点 正如上面所指出的，与单跳的蜂窝网络不同，a dh o c 网络中无线节点之问通过 多跳的无线连接进行通信。所以在a dh o c 网络中，不仅要考虑单跳情况下的服务质 量保证，更重要的是要保证无线多跳路径上的服务质量。另外，结合上面提到的a d h o c 无线网络本身的特点，可以看出在a dh o c 网络中支持服务质量主要包括以下难 点。 ( 1 ) a dh o c 网络的网络资源极其有限：a dh o c 网络的一个特点是信道带宽较窄， 并且无线信道质量不稳定。虽然可以通过改进编码方法、增加信号发射功率以及提 供冗余路径等方式来提高信道质量，然而更强的编码会导致带宽减少：提供冗余路 径会加重网络的负担：增大功率则会增加分组冲突的概碎 。所以，信道质最问题的 解决通常会引起网络进一步拥寨【3 l 口 ( 2 ) a dh o c 网络中的信道访问存在竞争：无线信道是广稀，e 享形式的。多数a d h o c 网络采用随机的信道访问机制( 如载波检测多址c s m a ) ，同时a db o c 网络巾 存在终端隐藏和终端暴露的问题。因此，引入大量控制分组的方法不再适用，因为 那样会带来更多的冲突，降低系统的整体效能。 ( 3 ) a dh o c 网络拓扑结构动态变化：要减轻网络拓扑结构变化对服务质量的影 响需要改进媒体接入控制层( m a c ) 协议以及依靠能够快速生成新路径的路由跚议。 ( 4 ) 无线信道质量较差：存在大量背景噪声和冲击噪声的无线信道会造成分组的 出错概率大大增加，虽然采用冗余编码、增大信号强度和更换路由等方法可以提高 无线信道的质量，但是将会进一步较少网络的可用资源。可见在这种网络中，带宽容 量和信道质量之间存在固有矛盾，必须进行合理的折衷f 4 1 。 由此可知，在这种网络环境下提供服务质最保证将而f l i i , t q ：多问题和挑战，具核 心问题就是如何在动态的环境和有限的带宽情况下提供端到端的服务质景保证。这 就需要研究q o s 模型设计，资源预留信令机制，o o s 路山，网络层队列管理和q o s 媒体接入控制。在共享信道的无线网络巾，媒体接入的机制对丁提供服务质景保证 华中科技大学硕士学位论文 起关键的作用，如果仅靠q o s 路出机制或者资源预留信令机制都很难达到公甲分配 带宽、接入控制的目的。但是单纯的媒体接入层的q o s 机制能力有限，只能在局部 环境下通过集中控制的方式分配带宽，并不完全适用于分布式环境的a dh o c 网络。 所以需要各个协议层相互之间协调合作，才可以达到有效地提供服务质量保证的目 的。可以看出，a d h o c 网络服务质量机制问题非常困难，所以到目前为止研究进展 不大。 解决这些难题，比较直接的想法是将现有的i n t e r n e t 上的q o s 机制用于a dh o c 网络。但是由于没有考虑a dh o c 网络的特性，i n t e r n e t 卜的o o s 保证机制难以商接 应用于a dh o c 网络。经过大量的研究，目前已经提出几种a dh o c 网络上的q o s 方 法。分别介绍如下。 1 2 2q o s 信令机制 q o s 信令主要用来预留和释放资源，建立和拆除业务流。q o s 信令包括两个不 同的机制：一是保证信令信息在节点间可靠地传递：二是保证信令信息被形确解释 并激活相应的处理机制。q o s 信令按照传递方式的不同分为带内信令系统和带外信 令系统，前者指控制信息包含在数据分组中进行传递的机制，典型代表是 i n s i g n i a 5 1 。而后者是指采用专用的控制分组传递信令的方法，如s w a n 6 1 ，f q m m 7 i 等。 ( 1 ) i n s ( 3 n i a 图1 - 2i n s i g n i a 软状态资源预印机制 i n s i g n i a ( i n b a n ds i g n a l i n gs u p p o r tf o ro o si nm o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 机制足 种a dh o c 网络中支持q o s 的带内信令系统。i n s i g n i a 将信令消息放在t p 报头 华中科技大学硕士学位论文 中，这种选项被称为i n s i g n i a 选项。它是一种软状态资源预时机制，是基二r 每个 流进行管理。i n s i g n i a 巾包括快速的预约、恢复和自适廊算法，可以用于传递向 适应的实时业务。由接收节点通过反馈q o s 报告来通知发送节点! i k 务流当前的状 态，如图1 - 2 所示。如果一个中间节点不能提供需要的带宽，它仍然会转发这个数 据分组，但是会修改分组头部说明它缺少带宽。接收节点可以通过o o s 报告告知发 送节点，后者决定取消这个业务流或者按照现有的带宽凋整它。 由于采用了带内信令机制，i n s i g n i a 没有给网络带来额外的负担，并且可以 同各种路由协议结合使用。同时因为每个i n s i g n i a 的l p 头包含了足够的建立或者 维持一条连接的信息，具有根据网络情况迅速调节带宽预留以及改写分组头部以通 知发送方和中间节点的功能，更加适应网络拓扑的高速变化，使得在a dh o c 网络中， 数据流仍然能够快速地建立、恢复和释放。但是在i n s i g n i a 中的自适应机制要求 应用具有某种自适应性( 将分组分为基层和增强层) 这并不适用于所有的业务。而 且它需要在每个移动节点保存流状态的信息，在a dh o e 网络规模较大时同样存在扩 展性问题。并且当存在单向链路时，反馈信息难以到达源节点，此时采用i n s i g n i a 协议比较困难。 ( 2 ) s w a n 在s w a n ( s e r v i c e d i f f e r e n t i a t i o n i ns t a t e l e s s w i r e l e s s a d h o c n e t w o r k s ) 协议巾， 为了建立一条端到端的连接，发送端发送一个探测分组，然后在端到端路径上的侮 个节点比较自己能提供的带宽与探测分组中的最小带宽值。如果能满足需要，则不 做改动，否则根据自己能提供的带宽值修改探测分组巾的值，然后继续发送。接着， 接收端将会把最小带宽值反馈给发送端。最后，发送端比较这个值与实时业务流需 要的带宽，决定是否接收这个流。s w a n 通过明确拥塞通知( e c n ) 来解决女h 塞问 题。当中间节点发生拥塞时，改写数据分组单的e c n 标记何，这样接收端通过一个 管理分组通知发送端进行重新建立连接，如果不能满足条件就不建立。 s w a n 的特点是：每个节点通过慢增快减( a i m d ) 来占用带宽，模仿t c p ， 以使得带宽的利用率最大；实时业务与t c p 流通过分类器( c l a s s i f i e r ) 分流，用 测速器( s h a p e r ) 测定发送速率，若实时q p 务发送速率小丁可允n ：的发送速率则发 送尽最大努力服务。可以看出s w a n 重点保护实时业务，在此基础之f ：发送t c p 服务：测速器( s h a p e r ) 用来保证实际的发送速率等1 ：允一i ：值：侮个节点通过 测量m a c 层的发送时延来计算其发送速率。 ( 3 ) f q m m 由h x i a o 等提出的用1 二a dh o c 网络q o s 模型f q m m ( af l e x i b l eq o sm o d e lf o r m a n e t s ) 借鉴了区分服务网络和集成网络服务的优点。它考虑了a dh o c 网络的特 6 华中科技大学硕士学位论文 点，吸收集成服务的基j ：每流服务的细粒度控制机制和区分服务模型的埘_ p 务区别 处理的思想。与区分服务模型类似，f q m m 模型中定义了三种节点：入口节点、核 心节点和出口节点，分别对应与源节点、中问转发节点和目的节点。其中各个节点 的角色将随着它的位置和网络业务流量的变化而动态改变。f q m m 中采用的资源配 置是一种结合了集成服务的、基于每流进行服务和区分服务模型的、按照、f k 务类进 行服务的混合机制、对大部分业务流按照流聚集的方式进行服务。在入口节点设胃! 业务量调节器，它按照相应的业务量记录柬标记、丢弃和整形业务流分组 1 2 3 q o s 路由 q o s 路由1 8 1 用于查找满足q o s 要求的路径，它与资源管理机制协调运作来建立满 足端到端资源要求的路径。实施q o s 路由主要目的是保证实时业务的服务性能，但 同时它还具有以下作用：一是可以进行接入控制，即在决定路由选择时计算该路山 能够提供的q o s 能力，网络控制机制根据此能力来决定是否接受新的连接；二是使 用q o s 路由，可以将业务量分配到不同的路径上来获得负载均衡；三是采用q o s 路由后，资源预留协议可以沿着资源充足的路l 行进，从而提高了资源预科成功的 概率。a dh o c 网络现有的一些路由算法，如t o r a 、d s r 、a o d v 等，它们都按需创 建路由，利用这一特点并选用最小可用带宽作为衡景指标，可以使q o s 路由问题大 大简化。例如，在t o r a 的查询消息或d s r 、a o d v 的路 i 请求分组r 1 ，可以携 带应用请求的最小带宽。中问节点接收到这个查询或路i 请求分组时，仅当有足够 资源时才将请求递交给下一跳节点。这样，当日的节点最终收到这个查询或路i t i 请 求分组时，就得到了一条满足o o s 需求的路径f 9 i 。如果存在多条可行路径，则山目 的节点负责找出“最佳”的路径来( 通常选取成本最小的路t l i ) 。 1 2 4 提供q o s 的m a c 协议 a dh o c 网络能否得到广泛应用的一个关键是发展合适的m a c 胁议，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。m a c 协议解决分组冲突的方法一般是延时重发，延时策略可以采用 二进制指数退避算法( b e b ) 和乘法增加线性减小算法( m i l d ) 等。近年来，提 i i 了各 种m a c 机制用来增强o o s 保证。例如多址访问冲突避免协议( m a c a ) b o 】利用r t s 和c t s 来提高网络吞吐量。组分配多址接入( g a m a ) l l l l 是一种用于提供q o s 保证 的m a c 协议。该协议中，一个竞争阶段通过使用r t s 和c t s 对话为随后的无竞争 阶段预留带宽，并且一个在无竞争阶段传送的分组可以为f 个循环周期预留带宽。 多址接入分组预留( m a c a p a ) 类似丁- g a m a ，但要求在无冲突阶段发送一个a c k 束 7 华中科技大学硕士学位论文 通知相邻的节点，以便在下一个循环到来时获得下一个分组。支持g o s 的m a cm 议的目标是在a dh o e 网络中使共享媒体的各个节点能在尽量不影响其他节点的前 提下实现自身的o o s 要求。网络中的所有节点可以广播它们的最大带宽要求，因此 所有的节点都可以知道其邻居节点的带宽要求，实现一种在邻居节点间分配信道接 入时间的分布式算法。 另外i e e e 标准化组织诈在制定8 0 2 1 1 e 标准1 1 2 】，通过设定不同的媒体接入层 参数可以提供一定的服务质量。关于这个盼议将在第三章做详细介绍。这些方法的 采用，将会在一定程度上保证实时业务和一些特殊业务的服务质景。 1 , 3 本文的研究目标、研究内容 本文的研究工作是基于“困家闩然科学基会( 项目编号：6 0 2 0 2 0 0 5 ) ”资助项 目。 通过上面对a dh o e 网络的特点介绍，提供服务质量保证遇到的种种难题和现有 方法的归纳，可以发现在这样的动态拓扑变化和有限带宽的无线网络r l t 提供端列端 的服务质量保证是一个综合性的问题，需要涉及到媒体接入、传输、拥塞控制等多 方面的机制研究。本文以支持多媒体业务为目标，从音视频对网络的服务质量要求 出发，分别对媒体接入q o s 机制，网络层q o s 机制，传输层q o s 机制进行了性能 分析比较，系统地研究了这些o o s 机制的设计及系统配胃问题并提了一曲新颖 的改进方案。 本文的研究内容主要有： 首先，详细介绍了区分服务机制，并研究了其关键机制r i o 的参数设蔑问题。 从仿真角度详尽分析了r i o 参数设置对确保服务质量的影响。实验结果为下一步将 r i o 机制和区分服务机制应用到a dh o e 网络打下了峰实的基础。 然后，系统分析比较了不同a dh o e 网络环境下媒体接入层和网络层q o s 机制 的性能，并得到了十分有意义的结论。网络屡q o s 机制，比如r i o 队列管理n j i 0 在一个节点内部对于分配网络带宽以区分服务等级方而1 。分有效，但是它们不能很 好的控制无线信道带宽的分配。而媒体接入层对控制无线信道带宽的分配起重要的 作用。所以本文提出一种新型兼顾媒体接入层和网络层o o s 机制的初步方案，希鲷 可以结合两者的优点，更有效地保证服务质量。 接着，着霉建模分析了双窗f it c p 协议的性能，并通过大量仿真实验验证了模 型的正确性。由于双窗i1t c p 对1 ：提高区分服务网络i i 确保服务的带宽保证和公、卜 性十分有效，希望能够充分理解解它f 订特点、性能和裁木思想，进而在以历的f ：作 华中科技大学硕士学位论文 中设计出新的适合a dh o c 网络特点的传输层协议。 之后，对a dh o c 网络采用t f r c 协议传输多媒体业务的性能进行了分析。通过 大量的仿真试验揭示了t f r c 在无线网络上存在的问题，并对产生这些问题的原因 进行了分析。而且参考现有t c p 改进思路，利用断路信息反馈机制，提出了改进 t f r c 的初步方案。 最后，总结了毕业设计的u t 作，并对下。步可丌展的t 作进行展挚。 9 华中科技大学硕士学位论文 2r t 0 稳定性的分析 由于a dh o c 网络是一种多跳的动念拓扑的无线网络，其网络资源极其有限，各 个节点竞争共享信道，信道通信质量很差，所以在这种网络环境f f 提供端到端的服 务质量保证十分困难。目前还没有完善的a dh o e 网络上的q o s 服务架构，所以现 有的有线网络上成熟的服务模型，比如区分服务网络，有一一定的借鉴作用。当然， 由于没有考虑a dh o e 网络的特性，i n t e r n e t 上的q o s 机制难以直接应用于a dh o e 网络。但是充分了解有线网络的q o s 服务模型，并理解其特点、关键技术和基本思 想，对今后提出新的适合a dh o c 网络特点的q o s 机制很有帮助。 本章详细介绍了具有良好扩展性并且实现简单的区分服务机制并研究了其关键 机制r i o 的参数设置问题。从仿真角度详尽分析了r i o 参数设置对区分服务网络巾 的确保服务质景的影响。通过设胃r i o 巾门限值和最大分组丢弃碎 等参数的典刑债， 并结合不同的预订带宽比，进行网络仿真实验。实验结果表明，合理设霄r i o 的门 限值和配置方式，有利下提高网络的公平性，改善确保服务的性能。通过对实验数 据的分析，对r i o 和确保服务两者之间的关系有了初步的认识，为实际庶用| f 1r i o 参数的最佳配置方式提供帮助，同时也为今后在a dh o e 网络的网络层提供服务质最 保证提供了参考。 本章结构安排如下。在第1 节介绍区分服务网络，并洋细描述r i o 机制及其相 关的参数。第2 节是仿真的设计及参数配置，并给小仿真实验结果和结论。第3 肯 对本章进行小结。 2 1 区分服务网络简介 因为多媒体应用通常具有严格的服务质量要求，比如带宽，时延及时延抖动等。 而充足的网络带宽仅仅是保证服务质量的一个方面。为满足多媒体服务质量要求， 需要精心设计服务质量机制。综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) f i 3 1 和区分服务 ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) i t 4 j 是目前因特网上研究最为广泛的两种服务质量机制。其 中区分服务通过分离服务请求的接入控制和数据分组的区分转发，具有良好的可扩 展性。它主要通过配置在边缘路由器和核心路器f ：的流鼠竹理机制束实现，包括 流量分类、流量测量、流量标记、带宽凋度、队列管理等几个方而，队列管耶是e 中的关键技术。 0 华中科技大学硕士学位论文 2 1 1 区分服务网络体系结构 区分服务的基本思想是取消复杂的接入控制和端到端的资源预留坍议| 1 5 i ，而是 通过在边缘路由器一l 对流量进行分类，结合在核心路由器上对分类后的流量进行区 别对待，r i o ( r e dw i t hi n o u t ) 1 6 1 队列管理算法是区分服务的核心机制。 区分服务模型试图将尽最大努力服务模型和综合服务模型的优点结合起来，主 要的思想是在保持i n t e r n e t 统计复用特征的基础上，同时采用可扩展的灵活技术机 制来提供多种等级的q o s 服务。区分服务在网络的边缘将进入网络的单流分类、聚 合为不同的流聚集，并将流聚集映射到预定义的几种类别e 。在网络核心只保存为 数较少的类别的状态，路由器通过不同的队列及带宽调度算法有区别地对待这些分 类的数据，从内产生服务的等级。 首先，用户和网络要签订服务等级承诺s l a ( s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ) 。s l a 规定了用户可期望获得的服务指标，如带宽、时延等。同时，s l a 也规定了用户流 量特征描述。用户为在s l a 流量描述范踊之内的数据付赞，网络刈这揶分流甩捉 供服务承诺，对超出描述范围的流量，网络不承诺服务质量或降低服务质最。 其次，当用户流量进入网络时，边缘路山器对用户的流量进行测量和分类，将 用户的流聚合为流聚集，聚集信息存储在每个i p 头的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 标记域中，称为d s c p ( d sc o d ep o i n t ) 。网络核心设备在调度转发t p 分纠m f 根据 分组头部的d s c p 选择提供特定质景的调度转发服务，其外部特性称为逐跳行为 p h b ( p e rh o pb e h a v i o r ) 。 在区分服务模型框架中，在网络边缘有对网络流暇进行分类的分类器 ( c l a s s i f i e r ) 和对流景进行测量和标记的调节器( c o n d i t i o n e r ) ，在网耋符核心有对 含有d s c p 的分组进行调度的p h b 。p h b 确定了外部可见的带宽调度、队列僻那特 性，p h b 的不同实现可以自由地选择算法，例如加权公- 甲队列( w f q ) 、肌权循环 调度( w r r ) 等，以获得所要求的特性。 在区分模型中服务、p h b 、流量管理机制三者是分丌的，l e t f 只对p h b 进行 标准化，但是对采用什么技术束实现p h b 由服务提供者i s p s 自行选择，而i s p 利 用p h b 向用户提供什么样的服务也是山i s p 自己决定的。f i 前已经标准化的p h b 有缺省型b e ( b e s te f f o r t ) 、加速型e f ( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ) i i ”确保刑a f ( a s s u r e d f o r w a r d i n g ) 1 1 8 l 。 区分服务网络中的确保服务( a s s u r a n c es e r v i c e s ，a s ) 是一种雹要的服务。对 于确保服务，预定服务者事先要预定。定的带宽，即前而捉