（通信与信息系统专业论文）无线ad+hoc网络qos保障关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线a dh o e 技术是当前无线通信领域研究的一个热点，它已经被当作下一代移动通 信网络的一种应用方案。在无线a dh o c 网络走向民用化的过程中，随着多媒体技术的不 断发展，研究无线a dh o c 网络的q o s 保障具有重要意义。然而，由于a dh o c 网络不同 于传统网络的特点，使得实施q o s 保障面临许多新的挑战。论文主要从q o s 信道接入、 q o s 路由、t c p 设计、q o s 信令和跨层q o s 服务模型五个方面系统地研究了a dh o c 网 络q o s 保障的关键技术。 论文在重点研究s w a n 模型的基础上，针对其支持q o s 的不足，从三个方面进行改 进。首先，使用探测帧查找q o s 路径无法做到既不重复又不遗漏。论文提出用改进的 a o d v 路由模块替换原s w a n 模型的一般路由模块。其次，原s w a n 模型是基于尽力而 为m a c 协议设计的。本文扩展s w a n 模型的分类器使之支持优先级动态分配，以兼容 i e e e8 0 2 1 l ee d c f 的q o s 支持功能。再次，原s w a n 模型不支持路由备份功能，在链 路失效后重路由会引入较大时延。论文设计了探测包与q o s 路由交替运行的机制，增加 了路由备份功能，一定程度上避免了重路由带来的时延丌销。 最后，本文研究了a dh o c 网络q o s 保障的理论基础a dh o c 网络的数学模型。给出 了对数正态几何随机图数学模型下，节点度、链路跳数、网络容量和节点连接概率的关 系式。 南京邮电人学硕j 上研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，m o b i l ea dh o cn e t w o r k st e c h n o l o g yh a sb e e na na c t i v er e s e a r c hp r o j e c ti nt h e a r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di tw i l lb ea p p l i e di nt h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l e n e t w o r k s t h ee v o l u t i o no ft h em u l t i m e d i at e c h n o l o g yt or e a c hc i v i l i a na p p l i c a t i o n sh a sm a d e q o sr e s e a r c hi nw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k sa nu n a v o i d a b l et a s k h o w e v e r ，q o sg u a r a n t e ei s e x t r e m e l yc o m p l i c a t e da n dd i 确c u l ti naw i r e l e s sa dh o cn e t w o r kb e c a u s et h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fa dh o cn e t w o r k si sg r e a t l yd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a ln e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h e k e yt e c h n i q u e so fq o sg u a r a n t e ei na dh o cn e t w o r ki st h o r o u g h l ys t u d i e df r o mf i v ea s p e c t s ： q o sm a c ，q o sr o u t i n g ，t c pd e s i g n , q o ss i g n a l i n g ，c r o s s l a y e rq o ss e r v i c em o d e l b a s e do ni n d e p t hs t u d yo fs w a nm o d e l ，s e v e r a ls c h e m e sa l ep r o p o s e dt oe n h a n c eq o s g u a r a n t e e f i r s t ，i t sd i f f i c u l tt od i s c o v e raf e a s i b l ep a t hw i t h o u tr e p e a t i n go rm i s s i n gd e t e c t i o n b ys e n d i n gap r o b e a o d vr o u t i n gp r o t o c o li se n h a n c e dt os u p p o r tq o sa n dt h er o u i n gm o d u l e i sr e p l a c e dw i t hi ti ns w a nm o d e l s e c o n d l y ，s w a nm o d e lo p e r a t e so nb e s t - e f f o r tm a c p r o t o c 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c l a s s i f i e ri ns w a nm o d e li se x t e n d e dt os u p p o r tt r a f f i cc l a s s i f i c a t i o na n dd y n a m i cp r i o r i t i z e dq o ss e r v i c es oa st ob ec o m p a t i b l ew i t hi e e e8 0 2 1lee d c fq o s m e c h a n i s m t h i r d l y ，t h eo r i g i n a ls w a nm o d e ld o e sn o ts u p p o r tb a c k u pr o u t i n ga n dt h el i n k f a i l u r ew i l li n t r o d u c ea d d i t i o n a ld e l a y i nt h i sp a p e r ，b a c k u pr o u t i n gm e c h a n i s mi sa d v i s e dt o r e d u c et h ed e l a yi n t r o d u c e db yr e r o u t i n g e n h a n c e da o d vr o u t i n ga n dp r o b em e c h a n i s mo p c r a t ei na na l t e m a t em a n n e r f i n a l l y ，s e v e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o ra dh o cn e t w o r ka r er e s e a r c h e d i t st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt of u r t h e rs t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa dh o cn e t w o r ka n dq o sg u a r a n t e e t h e e x p r e s s i o n so fn o d ed e g r e e ，h o p c o u n t ，c a p a c i t ya n dl i n kp r o b a b i l i t ya r es u m m a r i z e d i i q o s t d d m a c n s 英文缩略语 o u a l i t yo fs e r v i c e t i m ed i v i s i o nd u a l m e d i aa c c e s sc o n t r o l n e t w o r ks i m u l a t o r c s m a c a c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s r t s r t r d c f p c f e d c f a c q a p t x o p m s d u c p c f p i f s s i f s p i f s d i f s e i f s a i f s a i f s n c t s n c t s a c k w i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e r e q u e s tt os e n d r e a d yt or e c e i v e d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c ti o n e n h a n c e dd c f a c c e s sc l a s s q o sa c c e s sp o i n t t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y m a cs e r v i c ed a t au n it c o n t e n t i o np e r i o d c o n t e n ti o n - f r e ep e r i o d in t e r f r a m es p a c e s h o r ti f s p c fi f s d c fi f s e x t e n d e di f s a r bit r a tio nin t e r 。f r a m es p a c e a r b i t r a t i o ni n t e r f r a m es p a c en u m b e r c 1 e a rt os e n d n e g a ti v ec t s a c k n o w l e d g e v i 服务质量 时分双工 媒体访问控制 网络仿真器 载波侦听多点接入 冲突避免 请求发送 接收准备好 分布式协调功能 点协调功能 增强分布式功能 接入类别 q o s 接入点 发送机会 m a c 服务数据单元 竞争周期 无竞争周期 帧间隔 短帧间隔 p c f 帧间隔 d c f 帧间隔 扩展帧问隔 仲裁帧间隔 a i f s 序号 清除发送 否定c t s 确认 南京邮电大学硕上研究生学位论文 英文缩略语 f p r p r r e p r r e q r f i f r s i s r c q r r e q q r r e p o q r t t l n a c k t b p t c p m s s r t o t c p - f r f n r r n a t c p s a c k f i v ep h a s er e s e r v a t i o np r o t o c o l五阶段资源预留协议 r o u t er e p l y r o u t er e q u e s t r e s e r v a tio nf r a m e i n f o r m a tio nf r a m e r e s e r v a t i o ns l o t i n f o r m a t i o ns 1 0 t r e s e r v a t i o nc y c l e q o sr o u t er e q u e s t q o sr o u t er e p l y o n d e m a n dq o sr o u t i n gp r o t o c o l t i m et ol i v e n e g a ti v ea c k 路由应答 路由请求 预留帧 信息帧 预留时隙 信息时隙 预留周期 q o s 路由请求 q o s 路由应答 按需q o s 路由协议 生存时间 否定a c k t i c k e t b a s e do o sr o u t i n gp r o t o c o l基于“t i c k e t ”路由协议 t r a n s m is si o nc o n t r o lp r o t o c o l m a x i m u ms e g m e n ts i z e r e t r a n s m is s i o nt i m e o u t f e e d b a c k b a s e dt c p r o u t ef a i1 u r en o t i f i c a t i o n r o u t er e e s t a b li s h m e n tn o t i f i c a t i o n a dh o c - t c p s e l e c t i v ea c k 传输控制协议 最大分组尺寸 重传超时 基于反馈的t c p 路由失效通知 路由重建通知 a dh o e 网t c p 选择性a c k t c p b u st c pw i t hb u f f e r i n gc a p a b i l i t ya n d带缓存功能和序列信 i c m p d u r s q d r s v p m p t s e q u e n c ein f o r m a tio n i n t e r n e t c o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l d e s t i n a t i o nu n r e a c h a b l e s o u r c eq u e n c h d y n a m icr e s o u r c er e s e r v a tio n s e t u pp r o t o c o l m u l t i p l ep a t ht r a n s m i s s i o n v i i 息的t c p 网间控制报文协议 目的不可达 源端抑制 动态资源预留协议 多路径传输 d s d v a o d v c w e c n a i m d d s r p h b s d s c p d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r o nd e m a n dd is t a n c ev e c t o r c o n t e n t i o nw i n d o w e x p l i c i tc o n g e s t i o nn o t i f i c a t i o n a d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p li c a t i v e d e c r e a s e d y n a m ics o u r c er o u t in gp r o t o c o l p e r h o pb e h a v io r s d if f s e r vc o d ep o i n t r t - f l o wr e a l t i m ef i o w v o i pv o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l v 1 1 1 目的序列距离矢量 按需距离矢量 竞争窗口 显式拥塞通知 加性增加 乘性减小 动态源路由协议 每一跳行为 服务区分码字 实时流 i p 电话 南京邮电大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生签名：脚迥 日期：塑妇：生! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：抽勘涩 导师签名： 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 绪论 1 1 引言 第一章绪论 移动a dh o e 无线网络是由一组移动节点组成的动态多跳的临时性自治系统，是一种 无中心的无线网络。网络的自组织、自恢复以及部署迅速等特点使得a dh o c 网络成为研 究的热点。最近，随着用户在无线网络应用中对多媒体业务需求不断增长，如何实现数 据、语音和图像多业务的服务质量控制是未来无线通信研究中的重要内容。移动a dh o c 网络出现的初期，主要用于传输少量的数据信息。随着应用的不断扩展，需要在移动a d h o c 网络中传输话音、图像等多媒体信息。这些多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等 都提出了很高的要求，为实时传输提供必要的q o s 保障也受到了越来越广泛的关注。 移动a dh o e 网络中的服务质量保证是一个系统性问题，不同层都要提供相应的机 制，比如应用层要提供自适应信源编码和压缩技术，网络层要提供q o s 路由，链路层要 提供资源预留策略。国际上对于a dh o c 网络的q o s 保障技术的研究尚处于初级阶段，研 究的热点集中在a dh o e 网络的q o s 路由，q o s 信令，q o sm a c 协议、动态自适应以及 跨层q o s 保障等领域。 1 2 无线a dh o e 网络的简介 a dh o c 网络是由一组有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络， 它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交 换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其它中间节点中继来实现多跳 通信。中间节点帮助其它节点中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个 节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网。 在a dh o e 网络中，每个用户终端兼备路由器和主机两种功能。作为主机，用户终端 需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，用户终端需要运行相应的路由协议，根据 路由策略和路由表参与分组转发工作和路由维护工作。 从无线a dh o c 网络的工作方式和组网形式来看，它具有以下几个技术特点： ( 1 ) 网络的自组织性 相对常规通信网络而言，无线a dh o c 网络最大的特点就是可以在任何时刻和任何地 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 点，在不需要固定基础网络设施( 如基站等) 支持的条件下，快速构建起一个移动通信网络。 因此，a dh o c 网络有时也称为移动自组织网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k s ) 。它也是个人通信 的一种体现形式。 ( 2 ) 多跳性 由于无线通信距离受限，自组网内节点间的通信往往需要借助其它节点中继转发才 能实现，这样就形成了多跳通信路径。 ( 3 ) 动态变化的网络拓扑结构 在a dh o c 网络中，节点可以以任意速度和任意方式在网络中移动，再加上节点发送 功率变化、无线信道干扰、衰落等综合因素的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓 、 扑结构随时可能发生变化。、 ( 4 ) 分布式控制 无线a dh o c 网络中的每个节点都兼备路由和主机的功能，不存在一个网络中心控制 点，节点之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有较强 的鲁棒性和抗毁性。在常规通信网络中，存在基站、网控中心或路由器这样一类的集中 控制设备，节点与它们的地位是不对等的。 ( 5 ) 对等网络 与蜂窝网不同，自组网中节点与节点之间可以直接互通。在自组网中一般每个节点 都相同，无主从之分，所以每个节点应当能够支持逻辑上的自发自收，也就是节点之间 的来去双向链路都相同。因此，自组网节点的无线通信装置一般采用时分双工方式。 ( 6 ) 传输信道基于无线信道，且带宽有限 a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性， 它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。同时考虑到竞争共享无线信道产生的碰 撞、信号衰减、噪音干扰、信道问干扰等多种因素，节点可用的实际带宽远远小于理论 上的最大带宽值。 ( 7 ) 信道的单向性 自组网的一对节点之间可能存在单向信道，这种情况往往在使用功率控制时发生。 ( 8 ) 能量受限 自组网内的移动节点一般需要依靠电池提供能量，在电池容量没有大幅提高前，节 省功率将是自组网技术中一个需要高度重视的问题。 r ( 9 ) 网络安全性较差 2 南京邮电大学顾士研究生学位论文 绪论 a dh o e 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道，网络的控制方式多为 分布式控制，因此更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”( 终端无 法进入睡眠模式) 、伪造等各种网络攻击。 1 3 无线a dh o e 网络的应用场景 a dh o c 网络可以在任何时刻和任何地点，在不需要固定基础网络设施( 如基站等) 支持的 条件下，快速构建起一个移动通信网络。因此在军用、民用方面都有广阔的前景。目前， a dh o c 网络的主要应用场合包括： a dh o c 网络与蜂窝移动通信网络相结合【2 1 ，利用a dh o c 网络的多跳转发能力，扩 大蜂窝移动通信网络的覆盖范围、均衡相邻小区的业务等，作为移动通信网络的 一个重要补充，为用户提供更加完善的通信服务。 传感器网络。传感器网络是a dh o e 网络技术应用的另一大应用领域。对于很多应 用场合来说，传感器网络只能使用无线通信技术，并且考虑到体积和节能等因素， 传感器的发射功率不可能很大。分散在各处的传感器组成一个a dh o e 网络，可以 实现传感器之间和与控制中心之间的通信。 军事战术通信系统 紧急服务和灾难恢复 移动会议 个域网络 1 4 无线a dh o c 网络研究的主要问题 近年来，随着计算机网络技术以及无线技术的发展，无线通信网络技术的研究受到 了各国研究机构的关注，而a dh o c 网络以其独有的特点成为无线通信领域的一个研究热 点。目前a dh o c 网络研究的主要问题包括以下几个方面： ( 1 ) 物理层自适应技术 由于能量的限制，自组织网络的链路层设计面临许多新的挑战。由于多径衰落引起 的幅度与相位的扰动，延迟扩展引起的码间串扰，来自其它节点信号的干扰等等因素， 使得无线信道的单位带宽容量相对很小。自组网网络链路层设计的目标是在相对小的能 量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。如何充分利用有限的带宽，能量资源， 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绰娑 资源，基于应用的特点和对q o s 的要求，最大化网络的吞吐量，最小化能量的消耗，延 长能量受限网络的寿命，将是链路自适应技术要解决的问题。解决的方法主要有采用自 适应编码，自适应调制，帧长自适应，自适应功率控制，自适应资源分配，自适应链路 调整等技术。 ( 2 ) 媒体接入控带, j ( m a c ) 信道接入技术是a dh o e 网络协议的基础。它控制着节点如何接入无线信道，对a d h o c 网络的性能起着决定性的作用。a dh o c 网络的无线信道不同于普通网络的共享广播 信道，点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中的由基站控制的无线信道，它是多跳共享 的多点信道。即一个节点发送信息时，邻居节点可以收到。此外，a dh o c 网络还存在独 特的隐终端和暴露终端的问题，研究设计具有更高传输速率和通信容量的无线链路媒体 接入控制协议，并且较好地解决隐终端、暴露终端等问题。 ( 3 ) 路由协议 针对a dh o c 网络的特点，如网络拓扑结构动态变化，信道带宽受限等等，设计出高 效的路由协议。 ( 4 ) 服务质量保障 a dh o c 网络出现的初期，主要用于传输少量的数据信息。随着应用的不断扩展，需要 在a dh o c 网络中传输话音，图像等多媒体信息。多媒体信息对带宽，时延，时延抖动等 都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。a dh o c 网络中的服务质量保 证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。比如应用层要提供自适应信源编码和 压缩技术，网络层要提供q o s 路由，链路层要提供资源预留策略等，研究各种q o s 保 证策略，以支持a dh o c 网络中各种多媒体业务对q o s 的需求成为当前迫切要求。 ( 5 ) 低能耗设计 主要包括两个方面的内容：调整移动节点的功率，以便在传输范围和干扰之间进行 折衷；减少节点的电池消耗。 ( 6 ) 广播和多播 由于a dh o c 网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，它们需要链路层和 网络层的支持。 ( 7 ) 异构网络的互连 研究a dh o c 网络和其它网络( 如i n t e m e t 网络、蜂窝移动通信网络) 的互连互通问题。 ( 8 ) 安全性问题 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 在a dh o e 网络中实现保密性、完整性、服务有效性以及鉴权和认证等安全需求方面 将面临极大的挑战，这是因为节点的移动性给鉴权中心的确定和密钥管理带来很大困 难。 ( 9 ) 网络管理 网络管理的范围较广，包括a dh o c 网络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服 务管理等，要有相应的机制解决节点定位，地址自配等问题。 ( 1 0 ) 传输层服务 在a dh o c 网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成报文冲突和丢 失，这将严重影响t c p 的性能。因此，在a dh o c 网络中要对传输层服务进行修改，以 满足数据传输的需要。 1 5 论文的主要工作及章节安排 本文系统地研究了a dh o c 网络中q o s 保障的相关技术。首先分析了a dh o c 网与 传统无线网络相比具有的特点和实施q o s 保障面临的挑战。其次对现有q o s 保障机制 分门别类进行全面的总结，分析了协议栈各层的q o s 解决方案、q o s 信令机制和q o s 服 务模型，重点研究了跨层的软q o s 保障机制。在深入分析典型的q o s 保障机制基础上， 借鉴其设计原理，结合新的研究成果，对s w a n 进行扩展。最后，探讨了a dh o c 网的数 学模型。 第一章介绍了a dh o c 网络的特点和主要研究的问题。第二章全面地的介绍目前国内 外q o s 保障的研究成果，主要从a dh o c 网络协议栈各层的q o s 保障机制，q o s 信令 机制等方面进行归纳总结。第三章研究了a dh o c 网络的q o s 服务模型，重点分析了两种 跨层q o s 保障机制的设计原理和实现细节。第四章在日仃面分析q o s 保障机制的基础上， 基于i e e e8 0 2 1 1 e 对s w a n 模型进行扩展，增强其q o s 保障功能。第五章探讨了a d h o c 网的数学模型，以期对研究q o s 保障提供理论模型。第六章总结全文，预测了未来的 研究方向和研究目标。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o o s 保障技术研究成果 第二章q o s 保障技术研究成果 2 1q o s 保障概述 随着多媒体应用的普及，q o s 保证己成为通信系统必须支持的一项重要功能， 对于 a dh o c 网络也是一样。所谓q o s 就是网络为用户提供的服务性能水平，它是基于端到 端的表征网络性能的属性集合，如最大时延，最大时延抖动，最小带宽，最大丢包率 等。实施q o s 保障的目的就是寻求更加确定的网络特征，来保障数据按照预先向用户承 诺的服务水平传输，并且达到网络资源优化利用。q o s 保障需要在用户和网络间进行协 商，涉及呼叫允许控制、资源预留、分组优先调度等。在a dh o c 中，一般采用基于流、 基于链路的、基于节点三种方案实施q o s 保障。 各种应用的服务水平要求千差万别，不可能对所有的应用采用统一的q o s 度量参 数。如多媒体应用中，主要考虑带宽、时延、时延抖动三个q o s 度量参数，在紧急搜索 和救援应用中，可用性将成为设计q o s 保证的关键性度量参数。军事应用则更加强调网 络服务的安全性，集群会议中节能设计将会成为考虑的重点因素。 传统的有线网络，一般只考虑多媒体业务的q o s 保障，也只需关一t l , 业务本身的q o s 需求。为了保证q o s ，a dh o c 网要掌握尽量准确的网络状态信息，比如链路的时延、时 延抖动、可用带宽等，但它是一种自创建，自组织，自管理的多跳无线网络，具有一些 独特的特点。因此，在a dh o c 网中保证q o s 除了面临有线网络中的问题，还面临新的巨 大挑战，主要表现在： ( 1 ) 节点资源受限 带宽、电池续电能力、存储空间大小，数据计算处理能力受限，高效的资源使用机制 成为优化使用稀少的网络资源和增强实施q o s 保障能力的关键。 ( 2 ) 网络拓扑动态变化 网络中节点移动的随意性，使得网络拓扑千变万化。已经成功实施q o s 保障的会 话，路径质量可能下降、甚至中断，重路由或路由维护会增加时延和时延抖动：也可能 找不到新的路由，进而导致q o s 路由失败。这无疑会增大时延，造成数据报丢失。可 见，网络的动念性使得路由的维护非常困难。 6 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究成果 ( 3 ) 隐藏终端 采用握手机制解决隐藏终端问题，可能引起数据包重发，增大网络时延。 ( 4 ) 不准确的链路状态和流状态信息 链路状态信息包括带宽、时延、时延抖动、丢包率、误包率、稳定度、跳数多少等。 流状态信息包括会话i d 、源地址、目的地址、q o s 要求等。节点的移动性和网络拓扑动 态变化性使得这些状态信息可能不准确，而这些信息是运行路由机制的重要依据。 ( 5 ) 不安全性 由于a dh o e 网节点访问的开放性，使得a dh o e 网更容易受到攻击，如窃听、哄 骗、拒绝服务、数据篡改等。 ( 6 ) 链路质量难以预测 a dh o e 节点使用无线媒介进行通信，无线信号传输面临着路径损耗、多径衰落和干 扰等问题。同时，自组网具有节点的随机移动性、电池能量的有限性等特点，使得对节 点间链路质量的预测更加困难。 ( 7 ) 缺乏中心协调功能 由于a dh o c 网没有中心协调各个节点的行为，各节点功能上是对等的。网络资源的 管理和路由等工作只能采用复杂的分布式控制机制。采用分布式控制机制的网络中，任 何节点都没有完整的全局信息，加上网络拓扑的动态变化，这使得q o s 保证变得异常困 难。虽然节点能够对本节点上等待转发的业务按照优先级进行处理，但是因为采用共享 信道，信道的使用权是通过分布式方式获得的，在缺乏中心管理节点协调的情况下，分 布式协作不能完全保证高优先级业务优先获得信道使用权。 ( 8 ) 缺乏路由模型，理论研究困难 由于网络拓扑和业务特性复杂多样，协议数学描述困难。因此，目前多数路由研究主 要是针对某个问题设计启发式算法，而不是基于某种模型从理论上推导算法特性和性 能。由于缺乏理论模型支持，为分折算法性能，需要进行大量仿真验证，并且在不同的 拓扑结构和业务特性下，算法性能差异较大，仿真得到的结果缺乏说服力。 2 2 q o s 保障策略的类别 目前保障网络的q o s 方法主要有如下三类选择： ( 1 ) 硬q o s ( h a r dq o s ) 幂n 软q o s ( s o f lq o s ) 保障策略 7 南京邮电大学硕i j ：研究生学位论文 第一二章q o s 保障技术研究成果 在整个会话过程中，链路始终能保障承诺的q o s 要求，就称为硬q o s 保障策略。采 用基于优先级的方法对分组进行标记来保障特定业务的服务质量，由于在整个会话期间 承诺的q o s 要求并不能始终得到保障，就称为软q o s 保障策略。二者的例子如i e t f 提 出的综合服务模型( i n t e r s e ) 【3 】和区分服务模型( d i f 硌e r v ) 【4 1 。 ( 2 ) 全状态( s t a t e f u l ) 矛1 无状态( s t a t e l e s s ) 的q o s 保障策略 这是从q o s 保障是否需要维护状态信息的角度来区分的。每个节点需要维护全局或 局部状态信息就是全状态q o s 保障方法，这些状态包括拓扑信息和流规范信息；而在无 状态q o s 保障方法中，节点不需要维护这些信息。基于全状态的q o s 保障方法中，采用 中心路由算法的路由利用这些状态信息路由分组。但是在a dh o c 网中，拓扑动态变化， 每个节点准确维护状态信息相当困难，也带来了大量的丌销，在节点资源受限的a dh o c 网中，这是不足取的。如果每个节点的维护的是局部信息，则采用分布路由算法传输分 组，这有利于减少开销，但是基于分布式算法的路由有可能存在环路。 ( 3 ) 硬状态( h a r ds t a t e ) 和软状态( s o f ts t a t e ) 资源预留机制 q o s 资源预留是q o s 框架体系的基石。硬状态资源预留方案是指在整个q o s 会话期 间，路径上所有转发节点都要实现资源预留。a dh o c 网络拓扑的动态性导致链路失效 时，预留资源必须通过资源释放机制显式释放。但是往往存在某些节点，在一个q o s 会 话失效时，变成不可达节点，这些节点预留资源也就不可释放。同时，在q o s 会话路径 上的所有转发节点实施资源预留、释放和更新，增加了大量的控制丌销。因此，硬状态 的资源预留方案不适合在大规模或者是节点移动性较高的a dh o c 网。软状态资源预留方 案中，每个节点的预留资源不是始终贯穿整个q o s 会话期i 日j ，它使用超时失效机制，如 果在给定的时问内没有收到同一个流的分组，节点就释放资源。显然，硬状态资源预留 方案增大了网络负载，呼叫阻塞率上升，而软状态资源预留方案保持了相对较高的呼叫 成功率。 2 2 1 基于o o s 部署方法的分类 目前q o s 保障方案有两种分类方法：一是根据q o s 部署策略进行分类。另一种分类 方案是根据q o s 机制运行在网络协议栈的哪个层上进行分类。q o s 保障策略分f - j ) , j 类的 研究方法恰恰体现了q o s 解决方案设计者的设计思想，有助于理解q o s 框架和设计出有 效的q o s 保障策略。 8 南京邮电大学硕= l ：研究生学位论文 第一二章q o s 保障技术研究成果 图2 1 基于q o s 部署方法的分类 基于o o s 部署方法从路由协议与q o s 保障机制耦合的松紧度、网络层与m a c 的交互性 以及路由维护机制，把目前的q o s 保障机制分成三类。如图2 1 【5 】所示，对t b p 哺1 、 p l b q r 7 1 、t d r 8 1 、q o s a o d v 9 1 、b r 0 1 、o q r 1 1 1 、o l m q r 2 1 、a o r 1 ：1 1 、c e d a r t 5 】、i n o r a 。6 】、 i n s i g n i a 川、s w a n “8 1 、p r t m a c 州等的分类结果。 图中“耦合的”是指在实施o o s 保障时，q o s 策略和路由协议紧密相关。“非耦合” 9 南京邮电大学硕， ：研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究成果 是指o o s 保障策略机制不依赖具体的路由协议。同理，在基于网络层与m a c 层交互性的 分类方法中，“依赖的”是指q o s 策略需要m a c 协议协助路由算法来实现。“独立的” 是指q o s 策略直接通过网络层实现，不需要m a c 层协助。基于路由信息更新机制，其中 “表驱动”是指每个节点都维护一张路由表，而在按需的路由协议中由源节点根据需要 发现路由，每个节点并不维护路由表。“混合的”的含义显而易见。 2 2 2 基于q o s 机制运行在网络协议栈分层的分类 图2 2 基于q o s 运行在协议栈层次分类 图2 2 给出了基于q o s 机制运行时所处的网络协议栈层次2 们，对现有q o s 方案 c l u s t e r t d m a 2 ，8 0 2 11 e 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 】，d b a s e t 2 7 1 ，m a c a p r 2 引，r t m a d 2 9 等进行分类 的结果。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究成果 2 3a dh o c 网络协议栈各层的q o s 保障机制 在a dh o c 网络中提供q o s 保障意味着需要提供质量可以接受的信道、支持q o s 的 信道接入协议、识别能够满足业务量要求的转发节点和在源节点实施拥塞控制和管理。 下面从q o sm a c 协议，q o s 路由，传输层协议，调度机制，q o s 信令机制，动态自适 应机制和q o s 模型等方面对当前已经取得的研究结果进行分析和讨论。 2 3 1a dh o c 网络的o o sm a c 协议 q o sm a c 协议是a dh o c 网络q o s 体系中最基本的部分，q o s 路由和q o s 信令 都要依赖于它，并与它协同工作。m a c 层处于协议栈的底层，是所有数据报文和控制消 息在无线信道上进行发送和接收的直接控制者。m a c 协议能否有效地使用无线信道是各 种q o s 保障机制，能否有效运行的一个关键因素。 a dh o c 网络的无线信道是多跳共享的多点信道，存在隐藏终端【3 0 1 、暴露终端和入侵 终端等问题。图2 3 给出了中发送节点s 、接收节点尺、隐藏终端日和暴露终端e 之间 关系的示意图，大量文献【3 1 , 3 2 , 3 3 , 3 4 】已经对此问题进行了详细的分析，限于篇幅，这旱不再 赘述。 图2 3 隐藏和暴露终端示意图 如图2 4 根据m a c 协议对隐藏终端和暴露终端的处理方式不同，可以划分为 ( 1 ) 当节点发送数据时，该发送节点覆盖范围内的所有节点禁止同时传输数据，此类 m a c 协议没有解决隐藏终端和暴露终端问题，如不带资源预留的c s m a c a 协议【3 5 1 。 ( 2 ) 当节点传输数据时，发送节点和接收节点覆盖范围内的所有节点都禁止同时传输 数据，此类m a c 协议解决了隐藏终端，但是没有解决暴露终端问题。此类协议有带资源 预留的c s m a c a 、m a r c h 3 6 j 、s - m a c 【3 7 】、e m a c 【3 8 】、c a t s 3 9 1 等 1 i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二二章q o s 保障技术研究成果 ( 3 ) 当节点传输数据时，接收节点覆盖范围内的所有节点禁止同时传输数据，此类 m a c 协议既解决了隐藏终端也解决了暴露终端，但是需要信令信道，实现较为复杂。例 如r b c s 4 0 】和d b t m a 4 1 】协议。 发送节点 接收节点 暴露终端 隐藏终端 【3 ) 图2 4 基于m a c 协议处理隐藏终端和暴露终端分类示意图 此外还可以根据信道接入时握手协议的发起者划分为 ( 1 ) 发方主动的m a c 层协议形成由发送节点发起信道预约，即发方要发送数据 时，先发送一个r t s 控制报文与收方预约信道。大多数的信道接入协议属于此类，如 m a c a w l 4 2 1 。 ( 2 ) 收方主动的m a c 层协议由收方发起信道预约。接收结点主动向发送结点发 送r t r 控制报文，发送结点如果有数据就直接发送。它减少了控制报文的个数和握手开 销，如m a c a b i 4 3 】。 适合a dh o c 网络的m a c 协议还可以按照同步方式，资源预留方式等进行分类。从 能否提供q o s 保障的角度，m a c 协议分为三个基本类别：基于竞争随机接入机制、基于 竞争的资源预留机制和基于竞争的调度机制。基于竞争随机接入机制不提供资源预留 m a c 协仪，不能为实时会话提供q o s 保障。基于竞争的调度机制包括分组调度和接入调 度。调度机制主要解决节点业务的公平接入，避免单纯竞争机制可能带来的某些节点业 务阻塞，一直不能获得信道接入权的情况。因此，a dh o c 网络中的q o sm a c 协议可以 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究成果 分为基于优先级和基于资源预留两种基本类型。 通常而言，对于承载面向连接业务的网络，往往采用基于资源预留的信道接入机制， 包括固定分配和动态调度。基于竞争的随机接入协议适合于具有大量突发业务的网络。 而对于连续流，基于竞争的随机接入协议性能较差，因为许多传输都会发生冲突，并且 不能提供严格的时延保障。固定分配接入机制可以解决基于竞争的随机协议不能实施 q o s 保障的困难，为用户提供一定的q o s 保障。但是当用户数较少时信道利用率较低， 而在用户数超过某阈值时，信道接入时延迅速增加。调度机制综合了基于竞争的随机接 入机制和固定分配机