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移动a dh o c 网络m a c 层q o s 技术研究 摘要 移动a dh o c 网络作为一个多跳的端到端网络，由于其方便部署、 灵活等特点，在军用和民用领域受到越来越多的重视。但是a dh o c 网络动态变化的拓扑结构及有限的网络资源使得网络中q o s 的实施 面临巨大的挑战。 m a c ( 媒体访问控制) 协议作为网络协议栈的最底层，直接控制 着节点对无线信道资源的使用，m a c 层q o s 技术是a dh o c 网络实 施q o s 的关键。研究表明，跳数对a dh o c 网络数据流的q o s 有重 要影响。首先，随着数据流传输跳数的增加，数据流的端到端吞吐量 大幅度下降；其次，相邻两个不同跳数的数据流之间存在严重的不公 平问题。现有的m a c 退避算法多以b e b ( 二进制指数退避) 算法为 基础，从当前的网络参数及节点、业务流的优先级上对退避算法进行 改进，但是并没有充分考虑a dh o c 网络多跳特性对网络q o s 的影响。 针对a dh o c 网络中数据传输跳数对数据流q o s 的影响及存在的 问题，本文提出了一种基于跳数的m a c 退避机制。通信节点根据发 送数据包要传输的跳数来动态调整当前退避窗口的大小及更新更新 机制，以提高传输跳数多的数据包接入信道的能力，在一定程度上平 衡不同跳数的数据流对网络资源的占用，最终实现提高网络的公平性 的效果。同时，使用o p n e t 对算法进行仿真，结果表明，新的退避 算法在一定程度上有效缓解了不同跳数的数据流在端到端吞吐量上 的不公平性，提高了网络的性能。 关键字：a dh o c ，m a c ，q o s ，跳数，退避算法，o p n e t r e s e a r c ho nm a c q o st e c h n o l o g i e s i n m o b i l ea dh o cn e t w o r k s a bs t r a c t a sam u l t i h o pa n dp e e r - t o p e e rn e t w o r k ，m o b i l ea dh o cn e t w o r kh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf o ri t sc o n v e n i e n c ea n df l e x i b i l i t yi n b o t hm i l i t a r yf i e l da n dc i v i l i a nf i e l d s b u tt h ed y n a m i ct o p o l o g ya n d l i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e sb r i n gg r e a tc h a l l e n g e st oi m p l e m e n tq o si na d h o cn e t w o r k s m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c 0 1 w h i c h1 i e si nt h eb o t t o m o ft h ep r o t o c o ls t a c k ，i st h ek e yt oi m p l e m e n tq o si na dh o cn e t w o r k s i n a dh o c n e t w o r k ，h o p c o u n t p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n q o s i m p l e m e n t a t i o no fa dh o cn e t w o r k s f o ras i n g l ed a t af l o w , t h ee n d t o e n d t h r o u g h p u td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eh o pc o u n ti nt h ef l o w f o r t w on e i g h b o r i n gd a t af l o w sw i t hd i f f e r e n th o pc o u n t ，t h es h o r t e rf l o wi s e n t i t l e dt om u c hl a r g e rb a n d w i d t ht h a nt h el o n g e rf l o w u n f a i m e s se x i s t s i na dh o cn e t w o r k sa m o n gf l o w sw i t hd i f f e r e n th o pc o u n t s m o s to ft h e b e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f 0r e l a t e dm a cb a c k o f fa l g o r i t h m s a d j u s tt h ep a r a m e t e r si nb a c k o f fp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn e t w o r k p a r a m e t e r ss u c ha st h r o u g h p u t ，d e l a ya n ds oo n ，w h i c hi g n o r et h eh o p c o u n tf a c t o r si na dh o cn e t w o r k s t h i st h e s i sg i v e san o v e lm a cb a c k o f fm e c h a n i s mb a s e do nh o p c o u n to ft h ed a t ap a c k e tt ot r a n s m i t n o d e si nn e t w o r ka d j u s ti t sb a c k o f f p a r a m e t e r sd y n a m i c a l l yb a s e do nt h er e s th o pc o u n to ft h ep a c k e t ，i n o r d e rt ob a l a n c et h en e t w o r kr e s o u r c e b ys i m u l a t i o nu n d e ro p n e t , t h e n e wa l g o r i t h mt os o m ee x t e n ta l l e v i a t e st h eu n f a i r n e s sa m o n gf l o w sw i t h d i f f e r e n th o pc o u n t s ，a n di m p r o v e st h ep e r f o l r m a n c eo ft h en e t w o r k k e yw o r d s ：a d h o c ，m a c ，q o s ，b a c k o f f , h o pc o u n t ，o p n e t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：遨：望：! 主 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人虢 刻军 日期： 刀7 哆3 、， 导师签名： - j 蔓丝同期：2 气多雌 | t 自帅l u 人学i 州究学位沧土 笫一章杠砷a dh o c h 络麟述 第一章移动a d h o c 网络概述 1 i 移动a d h o c 网络研究意义 a d h o c 这个词来源于拉丁语，基本含义是“专门为某一特定目的的，在无 线网中，a d h c c 表示自组织网络，为了统一起见，下文统一使用a d h o c 网络 来表示自组织网络。a dh o c 网络是一种不需要有线基础网络设施支持的移动网 络，网络中的节点均由移动主机构成。a dh o c 网络最早应用与军事领域，随着 无线通信和终端技术的不断发展，a dh o c 网络在民用环境下也得到了发展，如 需要在没有有线基础设旆的地区进行临时通信时，可以很方便地通过措建a d h c c 网络实现。 a dh o c 网络中，当两个移动主机，如图1 1 中的主机a 和b ，在彼此的通 信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限， 如果两个相距较远的主机，如图i - i 中的主机a 和c ，要进行通信需要通过 它们之间的移动主机b 的转发才能实现。因此在a dh o c 网络中，主机同时还是 路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。每个主机的通信范围有限，因此路 由一般都出多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地，因此a dh o g 网络也被称为多跳无线网络。 ：i i 一c 一 二 1 1 a d h o c 网络特点 固l - i 移动自组织同络结构围 无线a d h o c 喇络由组带有无线收发信装置的移动节点组成，不依赖于预 设的基础设施而临时组建网络，节点问利用自身的无线收发设备交换信息，当相 互之日j 不在彼此的通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。 a d h o c 网络作为一种籀的组网方式，具有以下特点： 网络的独立性 a dh o c 网络相对常规通信网络而亩最大的区别就是可以在任何时刻、 千 北京f lr g l l 2 , 人学倾i ： l j j = 究生学位论文 第一章移动a dh o c 网络 ! j 【述 何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。通过多 个移动通信节点之间的相互协调，通信节点作为通信终端的同时，负责数据包的 路由和转发。这就是a dh o c 网络具有强大的独立性，可以随时随地建立起独立 的通信网络。 动念变化的网络拓扑结构 在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，主机的移动会使网络拓扑结 构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。动念变化的网络拓扑 结构给网络的管理和q o s 的实施提出了新的挑战。 有限的无线通信带宽 由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。 除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因 素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。这就使得a dh o c 网络的网络资源相对于有线网络甚至是w l a n 网络都显得格外匮乏，因此，如 何合理利用有限的网络资源也是a dh o e 网络要解决的个重要问题。 有限的主机能源 在a dh o c 网络中，主机均是一些移动设备，主机的能源主要由电池提供， 因此a dh o e 网络有能源有限的特点。有限的网络能源就要求主机要尽量节省自 己的能源，以便网络提供可靠的q o s 保证。 网络的分布式特性 在a dh o c 网络中没有中心控制节点，主机通过分柿式协议互联。没有中心 控制节点作为a dh o e 网络区别与普通通信网络的最大特点，增加了网络的抗毁 性，但同时对网络主机之间的同步可协调提出了更高的要求。 生存周期短 a dh o c 网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一 般比较短，同时网络的生存期受限于主机电池的寿命。 有限的物理安全 移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和 拒绝服务等攻击。 1 1 2a dh o c 网络的应用 通过上述分析可以看出，a dh o c 网络具有灵活、易部署、抗毁性强等特点， 因此，a dh o e 网络潜在的应用很多，主要分为以下几类： 移动会议：在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过a dh o c 方式 组成一个临时网络来协同完成一项大的任务，或协同完成某个计算任务。在室内 北京邮l u 人学顾l j 研究生学位论文第一章移动a dh o c m 络概述 办公坏境中，办公人员携带的包含a dh o e 收发器的p d a 可以通过无线方式自 动从台式机上下载电子邮件，更新工作f 1 程表等。 家庭关网：通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭，必要时在 家庭办公。或者利用我们随身携带的个人无线a dh o c 设备与装备了a dh o c 收 发器的家庭电器通信，自动完成丌锁、丌灯、打开娱乐设备、调节空调等操作。 紧急服务：由于停电或其他灾害出现，网络基础设施遭到破坏时，组建一个 a dh o c 网络帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。 传感器网络：传感器可以工作在危险的环境( 如化学有害物质泄漏现场) ， 通过在传感器上装备位置指示器、a dh o c 收发器等，将传感器所在现场的信息 传送到危险现场以外，避免救援人员进入现场，收集和辩别事故信息。 个人域网络：通过a dh o c 网络把个人通信、娱乐、办公等设备联网，这些 设备可以或不需要与因特网相连，但在执行用户的某项活动时肯定需要彼此通 信，在这种情况下，移动性不是主要问题。 军事无线通信：在现代化战场上，各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军 事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中指挥，协调作战。这样的通信网 络是一种典型的a dh o c 网络。 其他商业应用：如未来装备a dh o c 收发设备的机场预约和登机系统可以自 动地与乘客携带的个人无线a dh o c 设备通信，完成目前的换登机牌等手续。如 商场内商品r f 标签，廉价的r f 标签可以通过无线接口由a dh o c 设备动态刷新。 顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到某种商品和价格。 总之，a dh o c 网络由于其灵活的特点收到越来越多的关注，a dh o c 网络的 应用领域也将不断扩大，深入到人们生活的方方面面。但是，a dh o c 网络独特 的网络特性给网络q o s 的实施带来了巨大挑战，如何是a dh o c 网络提供具有 q o s 保证的业务是一个亟待解决的问题；同时，a dh o c 网络与有线网络和蜂窝 移动通信网络相比，仍然存在大量问题需要解决，对a dh o c 网络的关键技术仍 然需要做进一步深入的研究。 1 2a dh o c 网络研究热点 由于a dh o e 网络应用领域的不断扩大，对a dh o c 网络技术的研究已经从无 线通信领域中的一个小分支逐渐扩大至t j , h x 于较独立的领域。目前，a dh o c 网络 的研究热点主要集中在以下几个方面【lj ： ( 1 ) 提出新的路由协议 a dh o c 的网络拓扑结构随着节点的移动而动态变化，对于路由协议来说， 面临的主要挑战是，传统的保存在结点中的分布式路由数据库如何适应网络拓扑 北京i | | i ：i 也人学倾i ：研究生学位论文第一章移动a dh o c 网络概述 的动念变化。在a dh o e 网络中，一般使用广播或组播的方式建立和维护路由， 但是大量的广播和组播数据包的传递将会导致网络资源的大量浪费，形成广播j x l 暴，从而导致网络拥塞。因此a dh o e 网络路由协议的核心是减少广播风暴。 y c g s r vv t o r as s r 图1 - 2a dh o e 网络路由协议分类闭 针对a dh o e 网络的特点，要求路由协议必须采用分布式操作，能够尽量支 持单向链路，同时尽量避免环路现象。现有的a dh o e 网络路由协议根据发现路 由的驱动模式不同分为表驱动路由协议和按需路由协议，一般普遍得到认可的有 d s d v 、w r p 、a o d v 、d s r 、t o r a 和s s r 等，如图1 2 所示为a 的h o e 网 络路由协议的分类情况。 ( 2 ) 提出基于a dh o e 网络的m a c 协议 a dh o e 网络的m a c 协议主要是解决隐藏终端和暴露终端问题，以及公平 接入问题。影响比较大的有m a c a 协议，即r t s c t s a c k 方案，控制信道和 数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的m a c 协议，以及一些改进类的 m a c 协议。有一些研究则是侧重于将i e e e8 0 2 1 l 的m a c 协议移植到a dh o e 网络中。基于定向天线的m a c 协议在理论上性能较为优越，但在技术上实现的 难度较大。i e e e8 0 2 1 l 的m a c 协议由于其在w l a n 的广泛应用而被广泛接收， 同时由于8 0 2 1 l 协议中提出的d c f ( 分布式协调控制功能) 适合a dh o e 网络分 布式网络结构的特点而受到重视，但是仍然存在不少问题需要解决。 ( 3 ) a dh o e 网络与其它网络的互连互通 随着a dh o e 网络应用的普及，a dh o e 网络与其它网络的互联互通问题也成 为必须解决的问题，这旱的其它网络主要指i n t e m e t 网络和现有的蜂窝移动通信 网络。不同网络之l 日j 协议的转换、主机i p 地址的分配以及a dh o c 网络接入其它 网络时的接入公平性问题等逐渐称为新的研究热点。 ( 4 ) 其它方面 4 北京l l l g , 1 1 人学颁l ：研究生学位论义第一章移动a dh o c 川络概述 基于a d h o e 网络的多播组播协议、t c p 协议、地址分配、功率( 节能) 控 制、安全性问题、分布式算汉、q o s 等方面有些研究成果，但各部分的数量相 对较少。 本文主要研究基于i e e e8 0 2 1l 协议的a dh o c 网络m a c 协议，从m a c 层 出来来提高a dh o c 网络的q o s 水平。 1 3 论文工作安排 本论文主要针对a dh o c 网络的m a c 协议进行研究，从m a c 协议出发研究 a dh o c 网络的q o s 技术。本文主要对i e e e8 0 2 1 1 m a c 机制的研究与分析，结 合a dh o c 网络多跳的特性对m a c 退避算法进行改进，针对现有的m a c 协议 在不同跳数的数据流之间存在的公平性问题，在m a c 退避机制中引入传输跳数 因素，提出适合多跳网络的m a c 退避机制，以提高网络的公平性。论文具体内 容安排如下： 第一章主要对a dh o c 网络的基本概念、特点及应用进行简单介绍，并概括 总结a dh o c 网络技术研究的热点问题。 第二章首先对现有的q o s 技术进行了分析。首先从网络端和应用端两个方面 分析了q o s 参数，同时结合i n t e m e t 网络的q o s 技术，对a dh o c 网络实施q o s 存在的问题进行分析和概括，简要介绍了a dh o c 网络现有的q o s 技术，对a d h o c 网络q o s 的实施进行了一个整体而全面的介绍。 第三章详细从m a c 层介绍了a dh o c 网络实施q o s 的常见方法。首先对a d h o e 网络常见m a c 协议进行详细地介绍，重点介绍了基于8 0 2 1 1 的m a c 协议， 然后针对m a c 层的功能及特点分析并总结了m a c 层实施q o s 的主要策略及方 法，以及现有的主要m a c 层q o s 技术。 第四章从m a c 层退避算法出发，首先使用数学模型分析了多跳网络的退避 算法，并通过仿真阐述了跳数对网络q o s 的影响及当前存在的公平性问题，并 总结了a dh o c 网络现有的基于i e e e8 0 2 1 l 的m a c 退避算法，利用m a c 层与 网络层的跨层机制，在m a c 退避机制中引入传输跳数因素，提出了一种适合多 跳网络的退避机制。 第血章使用o p n e t 网络仿真软件对新的退避算法进行了仿真与分析。 最后，第六章对全文进行总结，提出未来的研究方向。 北京邮i u 人学颁l ：研究生学位论文 第二章q o s 技术研究 2 1q o s 参数 第二章q o s 技术研究 基于存储转发机制的i n t e m e t ( i p v 4 标准) 只为用户提供了“尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) ”的服务，不能保证数据包传输的实时性、完整性以及到达的顺序 性，不能保证服务的质量，所以主要应用在文件传送和电子邮件服务。随着 i n t e m e t 的飞速发展，人们对于在i n t e m e t 上传输分布式多媒体应用的需求越来越 大，一般说来，用户对不同的分布式多媒体应用有着不同的服务质量要求，这就 要求网络应能根据用户的要求分配和调度资源，因此，传统的所采用的“尽力而 为”转发机制，已经不能满足用户的要求。 为了解决在i n t e m e t 等计算机网上高质量地传输多媒体信息地问题，美国于 1 9 9 6 年底，开始了以提高网络服务质量研究为核心的i n t e m e t 以及n g i ( 下 一代i n t e r n e t ) 等研究项目。i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成立了专 门的工作小组来研究多媒体服务质量的定义和相关的标准。 网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称q o s ) 是网络与用户之间以及网络 上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质的约定，例如，传输延迟允许时 问、最小传输画面失真度以及声像同步等。 对于不同的应用，不同的网络，对q o s 的要求存在较大的差异。例如话音 业务对端到端时延有严格要求，但是需要的带宽却很小；相比较而言，视频业务 则对网络带宽有较大需求。下面分别从网络和应用的角度【3 1 对常见的q o s 参数进 行说明。 2 1 1 网络端q o s 参数 网络端q o s 参数是指从网络的角度看q o s 参数，这些参数主要是用来描述 网络的特性，描述网络对不同业务应用的支持能力。从网络的角度来看，衡量一 个i p 网络性能最重要的参数，同时也是影响一个端到端应用质量的重要因素有： 带宽 带宽表示端到端路径相对于应用或数据流的可提供的服务能力。因此，各种 不同的应用数据流注入网络的比特数必须根据应用的质量要求进行合理的调整。 而这罩的带宽是指网络能够提供的服务能力，与网络上承载何种应用无关。 时延 北京邮i 【1 人学顾l ：研究生学位论文第- 二章q o s 技术研究 网络时延表示应用数据单元经过网络从源端到目的端花费的时问。网络时延 是网络传输时延、处理时延以及数据在路由器的排队等待时延的综合。大的时延 可能导致数据丧失实时特性或数据传输失败。 时延波动抖动 时延抖动通常是突发数据流对路由器缓存的影响造成的，少数情况下是由于 路由失败而导致的路由表更新引起的。应用的网络时延抖动容忍量取决于一系列 的因素，其中最重要的是应用的自然属性，也依赖于在一个端到端路径中其它系 统( 如操作系统或多媒体编码系统) 引入的时延波动。对时延有严格要求的应用 也要求有尽量小的时延抖动。其它应用可以通过建立缓冲区的方法来平滑抖动。 然而，对缓存也会有限制，这些限制取决于应用对时延的容忍度和缓存区的大小 限制。其它额外抖动可需要深层次的回放缓冲，这些会在数据解码、现实和处理 前产生不可预知的时延。 丢包率 丢包一般是网络过度拥塞的结果。从源端到目的端的路径上丢失的i p 数据 包数量与传输的总数据包的数量的比值被定义为丢包率。对于大多数应用( 特别 是多媒体应用) ，丢包率本身并不足以表示对服务质量的影响。在这种情况下， 丢包模式也是一个重要的参数。 丢包模式丢包周期 丢包模式也是一个非常重要的参数，因为它可以向代码或应用的设计这提供 十分有价值的信息。在现在的互联网中最值得关注的一种丢包模式是数据包突发 ( 一般表现为短期或突发的，在网络特别拥塞情况下，或包长度特别大) 情况下 的包丢失。根据采用的编码机制、数据传输类型及是否采用纠错或隐藏技术，丢 包对服务质量的影响也不同。 2 1 2 应用q o s 参数 应用q o s 参数与网络q o s 参数并不完全统一。从用户的角度来说，应用的 性能与网络服务的细节实施及网络服务的表现并不十分相关。应用性能恶化从用 户角度来说一般关注用户感知效果，而不是作为根源的端到端网络路径。例如， 某种应用的终端用户只能感知到应用的时延，但是并不能区分导致时延的原因是 来自网络还是用户的终端处理系统。因此，从用户的角度来说，网络q o s 参数 将被隐藏于端到端应用层性能中。 应用层性能参数有： 吞吐量 吞吐量是一个有效的衡量应用从网络共享的带宽大小的参数。即某个特定应 北京邮l u 人学顺i ：+ o d y 生学位论文第一二章o o s 投术研究 用能够使用的网络带宽资源的多少。与网络吞吐量相比，网络吞吐量是网络所能 承受的最大数据流，而应用吞吐量则是在网络所能承受的吞吐量中应用能够使用 的有效吞吐量。 时延 时延指应用经历的端到端的时间延迟。时延对用户满意度有直接的影响。应 用对其时延不仅有定性的要求，还有定量的要求。例如，端到端时延需求是指， 能够实现可理解的非重叠会话，或者说是等待时间小于某个阀值，或预期的小的 响应时间。 服务的可获得性和连续性 这个参数描述的是对服务质量可接受的非中断服务的要求。服务的连续性可 以有多个参数来描述，其中最重要的是： 信息( 数据) 丢失量 在用户层面来说，信息丢失与网络层面的数据包丢失并不相同。它可能是应 用层的数据丢失( 例如，由于编码引起的重要信息字段的丢失) ，或针对用户的 信息丢失。在这种情况下，它可以被解释为用户感知的信息的丢失，这会导致应 用使用者的不适，如果未能及时对这些信息丢失进行判断和做出反应，会导致用 户对应用厌烦、不安，长失兴趣等等。因此，信息丢失表示用户认为的信息丢失 量( 用户看到的视觉信息，用户听到的声音清晰度的损失) 。注意，信息丢失量 这个参数可能会包含一定的主观成分。例如，即使是在一个无损网络环境中，用 户也可能认为使用流传输的某些信息是错误的。此外，更常见的情况是，虽然实 际上数据在网络中传输时有丢包，但是用户可能不会意识和感知到( 例如在信息 传输过程中非声音、非可见或非感知的数据包的丢失) 。这可能与网络中q o s 的 “有界”规则或“容忍范围”的概念相违背。 时延抖动 尽管特定水平的抖动可以通过使用缓存的方法被应用吸收，但是过大的端到 端时延可能意味着数据包将不能在接收端使用。时延抖动还可能在数据呈现给用 户时产生短暂的不连续性( 例如视频出现暂停，然后又丌始) ，这会导致用户对 应用的厌恶，同时失去了数据呈现的意义。和人与人时间的交谈一样，对于时间 敏感的一些应用，时延抖动比恒定的时延更严重。为了服务的时延抖动问题，可 以通过应用缓存的方法来消除抖动，但这会额外的增加端到端的时延花费。 拒绝服务( d o s ) 和安全 d o s 导致服务不可用，尽管基础的网络传输设备完全有能力提供所请求的 q o s 。安全也被作为应用层q o s 的一个重要特性，它提供可以信赖的通信服务( 个 人会议，安全交易等) 。 9 北京邮l u 人学倾i j 研究生学位论文 第二章q o s 技术研究 2 2 互联网q o s 技术简介 q o s 技术最先是在i n t e m e t 网络中研究和实施的。到目前为止，i e t f 已经提出 了多种服务体系和模型来满足各种q o s 的需求。现有的q o s 控制方法中比较典 型的有以下几种模型：集成服务资源预留( i n t s e r v r s v p ，i n t e g r a t e ds e r v i c e s r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 、区分服务( d i f f s e r v ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 、多 协议标签交换协议( m p l s ，m u t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 、流量规划( t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 和约束路由( c b r ，c o n s t r a i n tb a s e dr o u t i n g ) 、子网带宽管理( s b m ， s u b n e tb a n d w i d t hm a n a g e r ) 。i n t s e r v r s v p 是在数据传送前，先进行网络资源的 协商预留。d i f 俗e r v 则对数据流进行分类，不同类在网络中得到不同的服务。 m p l s 是一种新的路由转发机制，c b r 根据q o s 参数的要求和策略选择路由， 流量规划可以避免网络中的拥塞问题，s b m 提供了数据链路层的资源预留。这 些协议从不同的层次上提供t q o s 的支持，组成了图2 - l 所示的互联g 习q o s 框架， 下面分别对其进行简单的介绍【4 1 。 应用层 传输层r s v p d i f 腾e l w 网络层 m p l s 链路层 s b m 图2 - 1 互联网q o s 框架 2 2 1 综合业务模型资源预留( i n t s e r v r s v p ) i n t s e r v r s v p 综合服务体系结构模型是i e t fi n t s e r v 小组于1 9 9 4 年提出的。 其基本思想是一个应用要想获得某种服务质量，必须在向网络传送流量之前请求 网络为其预留所需资源。这就要求会话开始之前，源端和目的端之间首先要建立 一条链路。因此从某种意义上米 兑，i n t s e r v r s v p 实际上是提供了一种类似于电 路级( c i r c u i tl e v e l ) 的服务质量，理论上是可以实现完全的端到端q o s 。 i n t e r s e r v 体系的核心是r s v p 。在传送数据之前，r s v p 要在发送者、接收者 及沿途的路由器间协商q o s ，进行资源预留，以保证在传送时的用户q o s 要求。 1 0 北京邮j u 人学坝i j 研究生学位论文 第二章q o s 技术研究 r s v p 是单向的预约方式，由接收者开始向发送者要求资源预约。r s v p 本身不 是一个路由选择协议，而是用来沿着所选定的路由预留资源的信令协议。其预留 建立在流的基础上，流i 土11 p v 4 的地址字段或i p v 6 的流标识来指定，路由器根据 为该流分配的资源来调度分组的转发。图2 2 为i n t s e r v r s v p 模型的功能结构图。 控 制 面 注：p e p ( p o l i c ye n f o r c e m e n tp o i n t ) 图2 - 2i n t s e r v r s v p 模型功能结构图1 4 1 数据包分类器( p a c k e tc l a s s i f i e r ) ：根据预制的一些规则，对进入路由器中 的分组进行分类。 接入控铝l j ( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) ：基于用户和网络达成的网络协议，对用户的 访问进行一定的监视和控制，以利于保证双方的共同利益。 分组调度器( p a c k e ts c h e d u l e r ) ：基于一些调度算法，对分类好的分组队列进 行调度。 r s v p 协议模块：通过信令完成对资源的申请、预定和解除。r s v p 协议采用 信令方式完成资源的预留。发送主机首先向接收主机发送p a t h 路径信息，该消 息中包含了描述发送数据流的通信量规约。路由器接到p a t h 消息后直接转发给 有路由协议决定的下一跳。当接收主机收至u p a t h 消息后以r e s v 预留消息作为 回应。分组所需的服务质量类型及中间节点转发分组所需的优先级参数都包含在 r e s v 消息中。网络的中间节点路由器就以该r e s v 为依据，为该分组分配链路 带宽和缓冲空l 日j ，同时维护该分组的状态信息。为了适应网络拓扑路由及q o s 要 求的变化，r s v p 请求及路山器维护的状态信息要做周期性的刷新。至此，预留 通路就建立起来了。具有r s v p 的结点收到分组，将分组分类，按照r s v p 控制通 路建立资源预留时的分组分类标准将该分组送到相应的输出队列中，并由转发机 制按一定的优先级算法转发出去。 i n t s e r v r s v p 模型是对提高i n t e m e t 的q o s 性能做出的最初尝试。随着基于 w e b 的业务的出现，i n t s e r v r s v p 逐渐暴露出弊端。第一，i n t s e r v 模型最初是为 北京i l i l j l u 人学坝i ：研究生学位论文 第一二章q o s 上术f j f 究 了保证视频会议此类长生存期( l o n gl a s t i n g ) 的实时应用。对于一些随机的突 发性实时业务流来说，如果对每一个短暂的会话都启动资源预留就有些得不偿失 了；第二，i n t e r s e r v 是典型的基于流( p e rf l o w ) 的模型，要求网络中的每个节 点维护与每个流相关的状态信息，因而不利于网络的扩容，可扩展性差。但是， 对于接近主机处的网络边缘，流量相对较低，i n t s e r v 机制将会发挥其特长。 2 2 2 区分服务模型( d i 儡e ) 针对i n t s e r v r s v p 存在的问题，i e t f 组织指定了一个相对扩展性较强的方 案，来保证i p 网络的服务质量q o s ，这就是区分服务模型( d i f f s e r v ) 。d i f f s e r v 主要是重新利用了口数据包头中的服务类型( t o s ) 字段，使得对r s v p 网络控 制协议的使用仅局限在用户网络一侧，而将骨干传送网从r s v p 中解脱出来。骨 干网中的核心路由器只需检查数据包中的t o s 字段判断业务的类别，再为不同 的业务提供不同的q o s 保证策略，这种模型并不提供从信源端到信宿端的全程 q o s 保证，而将q o s 限制在不同的域范围内加以实现，不同域之问应有一定的 约定和标识的翻译机制p j 。 在网络边界将数据流按q o s 要求进行简单分类、整形、聚合为不同的流聚 集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的区分服务标记域中。如图2 3 所示，在 d i f f s e r v 中，定义了一个替换头字段，称为d s 字段，用来取代现有的i p v 4 中的 t o s 字段和i p v 6 中的t r a 伍cc l a s s 字段。d s 字段分成两部分，6 位d s 代码点 ( d s c p ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sc o d ep o i n t ) 和2 位c u ( c u r r e n tu n u s e d ) ，其中 用于指定该报文分组在各个节点上的p h b ( 逐跳行为) ，c u 为系统保留，支持 d s 的节点将忽略c u 值。进入网络的流量在网络边缘处进行分类和可能的调节， 然后被分配到不同的行为集合中去。每一个行为集合由唯一的d s c p 标识。在网 络核心处，数据包根据d s c p 对应的每一跳行为转发。 6b i t2b i t d s c pc u d s c p 区分服务代码点 c u 未使用 图2 - 3d s 字段定义 d i f f s e r v 体系结构模型有两个组成部分，数据转发部分和管理部分。d i f f s e r v 把数据转发部分和属于管理部分的接纳控制和资源分配独立开来。这种分离与 i n t e m e t 中将数据转发模块与路由模块独立的思想吻合。相比之下，a t m 和 1 2 | 匕京怫1 u 大学帧l ：r 0 1 究学论z 第# o o s # 目f 究 i n t s e r v r s v p 都是在连接建立的阶段，将数据转发与接纳控制、资源分配结合在 一起，保证数据流的服务质量。 囤2 - 4 d i f f s e t v 模型 o i f f s e r v e f l 提出y d i 髑e r r 域的概念，如图2 也一个d i f i s e r v 域由许多路由器 组成，处于域边缘的路由器称之为边缘路由器( e d g er o u t e r e r ) ，处于域核 心的路由嚣称之为核心路由器( c o t e r o u t e r ，c r ) ，都有带宽代理( b a n d w i d t h b r o k e r ，b b ) 来管理。d i f t s e r v 将针对单一流的复杂处理推向网络的边缘，f 1 4 e r 来完成数据包的分类和流量调节；c r 不再维护节点的状态信息，仅完成相应的 p h b 操作。因此，对于这种o r e ，s t a t e l e s s 方式的模型来说具有很好的扩展性和 伸缩性。 d j 船e r r 中也定义了三种业务类型：快速转发( e x p e d i t e df o r w a r d i n g ，e f ， 提供类似专线和租用线的业务，d s c p 推荐值为1 0 1 1 1 0 ) ：保证转发( a s s u r e d f o r a a r d j n g ，a f ，提供比b e s te f f o r t 尽量好的业务，分四类，每类叉定义了三种不 同的丢弃优先级，共有1 2 种推荐的码点) ；尽力而为业务( b e s te f f o r t ，b e ，d s c p 推荐值为0 0 0 0 0 0 ) 。 d i f f s e r v 良好的伸缩性和易于实现的特点使其成为网络核心处的首选机制。 但是，由于i e t f 仅仅提出t d i f f s e r v 在一个子网域内实现o o s 的框架，对于大多 数的交互式实时业务来说将无法保证绝对的端到端的o o s 。 2 2 3 多协议标签交换协议( m p l s ) m p l s ( m u m - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l $ ) 是一种转发机制。它利用一 个固定长度的标电来决定如何转发数据包，取代了传统的基于目的地址的逐跳寻 径方式简化了包的转发过程，大大提高了路由器转发速率。按照o s i 的七层 北京i i i g i l l 人学坝i j 研究生学位论文第- 二章q o s 技术研究 模型来讲，m p l s 应该说处于数据链路层和网络层之间【4 j 。 m p l s 包中有一个头，其中有2 0 2 b i t 用来做标记，3 2 b i t 的服务类型字段，1 2 b i t 栈标记和8 2 b i t 生存期字段。当包进入m p l s 域时，m p l s 的头封装在数据链路 层的头和网络层的头之间，随后的分类、转发等都是根据标记进行。支持m p l s 的路由器称为标签交换路由器( l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ，l s r ) ，收到含有标签的数 据包时，l s r 读出标签，将标签作为索引，匹配转发标签项( n e x th o pl a b e l f o r w a r d i n ge n t r y ，n h l f e ) 入e l 。如果l s r 发现。个n h f l e 入口标签项与索引 标签完全匹配，l s r 根据n h f l e 项的相关信，g ( o n 输出标签和输出端1 ：3 等) ，用输 出标签替代包中的标签，然后按照指定输出端口转发数据包。 m p l s 的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性；其主要 优点是减少了网络复杂性，兼容现有各种主流网络技术，能降低5 0 网络成本， 在提供i p 业务时能确保q o s 和安全性，具有流量工程能力。此外，m p l s 能解决 v p n 扩展问题和维护成本问题。 2 3a dh o c 网络q o s 技术 与固定有线网络和传统蜂窝网络和互联网络不同，对于拓扑结构经常发生变 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，主机可以自由 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， 通常考电池供电，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。 2 3 1a dh o c 网络中实施q o s 的难点 首先，由于没有考虑a dh o c 网络的动念的多变特性