（通信与信息系统专业论文）移动ad+hoc网络qos信令机制的研究.pdf

南京邮电学院硕士论文摘要 摘要 移动a dh o c 网络由一系列可以在缺少固定网络基础设施的情况下进行通 信的无线主机组成。它在抢险救灾、会议和军事领域有重要的应用，几年来受 到了极大的重视。随着实时音频、视频、数据等业务向移动a dh o c 网络的引 入，由于网络拓扑、节点间的连通性、端到端的服务质量随时间的变化特性， 使得如何为移动a dh o c 网络提供服务质量保证的问题成为当前研究的热点。 目前存在多种可支持a dh o c 网络的q o s 信令机制，如d r s v p 、m r s v p 、 f o m m 、i n s i g n i a 等，但都不能够很好的满足移动a d h o c 网络自身的特性。 这里，我们引入了a s a p 信令协议，它采用简单信令系统和两步预留机制，为 基于无线i p 网络的实时业务提供自适应q o s 支持。 本文对a s a p 协议基本模型进行介绍，然后结合a s a p 协议应用于移动 a dh o c 网络可能出现的流量恢复、反向路径以及硬预留消息丢失等问题，对 a s a p 协议的改进进行了描述。接着，通过n s 网络仿真器，对基于a s a p 信令 协议的a dh o c 网络系统进行了仿真。验证了a s a p 协议的本地修复、自适应 等性能。同时还将a s a p 协议与i n s i g n i a 信令协议进行了比较。最后，通过 对仿真的分析比较，提出对a s a p 协议下一步改进的建议。 南京邮电学院硕士论文 a b s ”a c t a b s t r a c t am a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t 、v o r k ) c o n s i s t so fac 0 1 1 e c t i o no fw i r e l e s s m o b i l en o d e st h a ta r ec a p a b l eo fc o 删n u n i c a t i n g 谢me a c ho t h e r 、v i t h o u tt h eu s eo fa n e t w o r ki n f r a s t n l c t u r e ，i ti sa ne m e 唱i n gr e s e a r c ha r e a 埘mp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s s u c ha si nd i s a s t e rf e l i e fo f b a t t l e s i t en e 柳o r k s w i t ht l l ei n 乜d d u c t i o no fr e a l t i m e a u d i o ，v i d e oa n dd a t at r 狮c si n t om a n e l 晤，m en e t 、v o r kt o p o l o g y ，t h en o d e s c o 皿e c t i o na 1 1 dt h eq u a l i t yo fs e r v i c eo fe n d - t o e n di sc h a n g e db yt 1 1 et i m e ，血i c h m a k e s “af o c u sa 仃a i rs u p p o r tq o so fm a n e t s t h e r eh a v eb e e nan u n l b e ro fp r o p o s a l sf 研q o si s s u e si na dh o cn e t w o r k s ， i n c l u d i n gd r s v p ，m r s v p ，f q m m a l l di n s i g n i a ，b u ta 1 1o fm e mc a i ln o ts a t i s 母 t 】1 ec b 黝c t e r so fm a n e t s i nt h i sa r t i c l e ，a s a p ( a d a p t i v er e s e r v a t i o na n d p r e a 1 1 0 c a t i o nq o sa r c h i t e c t u r e ) p r o t o c 0 1i si n t r o d u c e d b ya d o p t i n gas i m p l e s i g n a l i n gs y s t e ma n dat w o p h a s er e s e r v a t i o nm e c h a i l i s m ，a s a pp r o v i d e sa d 印t i v e q o ss u p p o r tt or e a l t i m ea p p l i c a t i o i l sm i n 疗嬲t r i l c t u r eb a s e dw i r e l e s sl pn e t w o r k s t h ef o u n hc h 印t e ri nt 1 1 i st 1 1 e s i sa d d r e s s e sn l cb a s i cs y s t e mm o d e lo fa s a p p r o t o c 0 1 ，a f t e rc o n s i d e r i n gm r e em a j o rp r o b l e m so fu s i n ga s a pi nm a n e t s ，n o w r e s t o r a t i o n ，r e v e r s ep a t ha n dl o s th a r dr e s e “a t i o nm e s s a 尽r e s ，也ec o n t e x ti st l 砌1 e do n t h e i m p r o v e m e n to fa s a p i nc h a p t c r 5s o m ee v a l u a t i o n sa b o u tt h ea s a p f r a m e w o r kb yu s i n gn s 一2a r ed e s c r i b e d ，w h i c hv a l i d a t em ep e r f 0 h n a n c ea n de m c i e n t o fs o m eo ft h ec o n c e p t su s e di na s a pl i k el o c a lr e p a i r ，a d a p t a t i o n a n ds o m e c o m p a r a t i o n sb e t w e e na s a pa i l di n s i g l n i au n d e rm es 锄es u r r o u n d i n g sa r ea l s o t a k e ni n t oa c c o u t i nt h el a s tc h a p t e r ，s o m es u g g e s t i o n sa b o u t 也ea d v a n c e dm e n do f a s a pa r ea d d r e s s e d i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 7 6 5 2 5 9 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 含为获得南京邮电学院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：_ i 牛日期：划 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：_ i 赵单导师签名：主益皇晕日期：鱼丛：生上 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线自组织网络简介及其技术特征 2 0 世纪7 0 年代。美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 资助研究“战场环 境中的无线分组数据网( p r n e t ) ”项目。d a r p a 当时所提出的网络是一种服 务于军方的无线分组网络，实现基于该种网络的数据通信。后来，d a r p a 又于 1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁自适应性网络( s u r a n ：s u r v i v a b l e a 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，以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。 无线自组织网络又称为a d h o c 网络i l j ，它是吸取了p r n e t 、s u r a n 以及g l o m o 等项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。 a dh o c 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目 标、事件或局势而不为其他的”的意思。目前所提到a dh o c 网络继承和发扬了 d a r p a 所资助无线分组数据网的思想，特别是p r n e t 。在原有的网络构架技 术中，移动无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域网。蜂窝移动 通信网络移动终端接入固定网络是基于基站的中心接入方式；而无线局域网则 要通过a p ( 接入点) 完成终端接入固定网络。可以看出这两种网络都是单跳、 中心控制网络。这种网络一旦中心控制器遭到破坏，整个网络将会陷入瘫痪， 不利于军方的应用。 a dh o c 网络有别于中心接入和单跳的网络架构，它强调多跳和无中心接 入。网络中各个移动终端之间相互对等，它们作为网络节点不仅具有主机的功 能，还具有路由器的功能。它强调的是在一个广阔的区域实现多跳的无线通信， 基于这种多跳的无线信道特点。面临着诸如媒质接入、寻址、路由、网络初始 化和控制等难题。但是系统自组织( s e l f - o r g a n i z i n g ) 特性使得a dh o e 网络系统 组建灵活，网络的抗破坏性强。在任一时刻，a dh o e 网络中的移动节点间都可 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 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 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。它可以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 信支撑环境，从而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，也可以是以通过网关连接到现有的 网络基础设施上，如i n t e m e t 或者蜂窝核心网。在后面这种情况中，a dh o c 网 络通常是以一个末端网络的方式连接进入现有网络，它只允许产生于或目的地 是自治系统内部节点的信息进出，而不会让其他信息穿越自治系统。 在a dh o c 网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主 机运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由 协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信息不是自己 的分组需要进行分组转发。 由此可以看出，与其他通信网络相比，a dh o e 网络具有以下特征 2 】： 1 、自组织性 a dh o c 网络可以在任何时刻任何地点构建，而不需要现有移动通信网络环 境下常用的基站等网络基础设施的支持，形成一个自治无线通信网络。 2 ) 分布式控制 a dh o c 网络中所有的网络行为包括拓扑结构的发现和消息的传递都必须 由节点自己来完成，也就是说，路由功能必须集成到移动节点中，不存在类似 基站的集中网络中心控制点，因而是一种分布式控制网络。 3 ) 动态网络拓扑结构 节点问通过无线信道连接形成一个任意的网状拓扑结构，节点之间的连接 出于节点的离开和新的节点的到达以及节点的任意移动，可能导致网络拓扑结 构发生剧烈动态变化，而且这种变化是不可预测。某移动节点可能离开网络 中的其他节点，整个网络也可能临时的切分成几个小的子网络。无线收发装置 参数的调整和无线信道动态特性等因素也会影响网络的拓扑结构。 4 ) 安全保密性差 由于a dh o e 网络的自组性和分布式控制方式导致易受到窃听、拦截和拒绝 服务等各种网络攻击。 5 ) 无线传输带宽受限 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 2 南京邮电学院硕士论文第章绪论 得多。除此之外，考虑到竞争共享无线信道产生碰撞、信号衰减、噪音干扰、 信道间干扰和路径损耗等因素，节点可得到的实际带宽是远远小于理论上的带 宽值，而且可能有单向无线信道的存在。有限的带宽将导致网络拥塞频繁的发 生，习惯于有线固定网络的用户往往需要在m a n e t ( 移动a dh o c 网络：m o b i l e a dh o cn e t w o r k s ) 中使用相似的服务，而且多媒体和协同计算的发展也同样需 要较高的带宽。 6 ) 网络的可扩展性受限 动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动节点可以同时处于一个 a dh o c 网络中，子网技术所带来的可扩展性因而无法应用在a dh o c 网络环境 中。 7 ) 终端资源受限 通常a dh o c 网络的终端都是依靠蓄电池等可耗尽能源供电的手持设备，其 c p u 处理能力和可用内存都受到严格的限制，因而在网络协议设计是必须考虑 如何节省信令开销和能源消耗。 8 ) 节点的通信距离受限 由于终端的能源受限导致发射功率的减小，因而网络中的其他节点并不一 定可以收到某节点发出的信号。 9 ) 网络寿命短 a dh o c 网络通常是由于某个特定原因而创建的i 临时网络，使用结束后，网 络环境将会自动消失。因而a d h o c 网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂 的。 1 2a dh o e 网络研究中难点问题 在移动a dh o c 网络中，每一个节点都同时承担主机和路由器两种角色，整 个网络的控制通过各个节点之间分布式进行。节点作为路由器需要运行相关的 路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的目的节点 不是自己的分组需要进行分组转发。在a dh o c 网络中决定一个可行的路由和对 信息进行有效的分发是一个很有挑战性的工作。固定有线网络中的从源到目的 节点的最短路由一般很难直接应用于a d h o e 网络中，此时，可变的无线链路的 南京邮电学院硕上论文第一章绪论 质量、传输路径的衰耗、多用户干扰、功率的消耗、拓扑结构的变化等等都是 必须要考虑的因素，网络应该能够自适应的改变路由来减轻这些因素的影响。 此外，在军事环境下安全、时延、可靠性、抗人为干扰、错误恢复能力、低拦 截和检测率等也是必须要考虑的问题。 1 2 1 路由协议 常规的路由协议有r i p ( 路由信息协议，r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 和 o s p f ( 开放最短路径有效，o p e ns h o r t e g p a t h f i r s t ) ，它们是为固定网络而设计 的，网络的拓扑结构不会出现大的变化。a d h o c 网络结构则是动态变化的，那 么常规路由协议在拓扑结构变化时，就会花很大的代价重新建立路由。 另外，a dh o c 网络不能采用常规路由协议还主要有以下几个原因：( 1 ) a d h o c 网络中主机问的无线信道可能存在单向信道。( 2 ) 无线信道的广播特性使得 常规路由的网络选路过程中产生许多冗余链路。( 3 ) 常规路由的周期性广播路由 更新消息会消耗大量的网络带宽。( 4 ) 常规路由协议周期性的路由更新消息会消 耗大量的主机能源。此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得c p u 始终处 于很高的负载下，这也同样消耗了大量的能源。这将对有限的主机能源带来更 多的压力。 从以上的分析可以看出，一个好的a d h o c 网络层的路由协议应当满足以下 特性要求：分布式运行方式：提供无环路路由；按需进行协议操作：具有可靠 的安全性；提供设备“体眠”操作特性；对单向信道的支持等。 对一个a dh o c 网络层路由协议性能评价的指标应该包括：路由协议开销， 路由建立时间，端到端的平均时延，网络吞吐量等。 f 是出于a dh o c 网络层对路由协议的特殊要求，它便成为了研究的一个热 点。到目前为止，已经有相当多的标准推出，i e t f 也发布了相关的草案供讨论。 主要分为表驱动路由和按需驱动路由两大类。其中，表驱动路由协议包括d s d v ( 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 ) 、w r p ( w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、f s r ( f i s h e y es t a t e r o u t i n g ) 和s t a r ( s o u r c e t r e e a d a p t i v e r o u t i n g ) 等。按需驱动 路由协议包括a o d v ( a dh o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 1 3 1 , d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、t o r a ( t e m p o r a l l y o r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 、 南京邮电学院硕j 二论立 第一章绪论 s s r ( s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g ) 和l a r ( l o c a t i o n a i d e dr o u t i n g ) 等。本文中涉 及到的所有仿真使用的路由协议都是a o d v 协议，下面就简要介绍一下该协议 的内容。 a o d v 是基于距离矢量算法的一种路由协议，它只在必要时请求路由，而 且不要求节点维持当前通信中不使用的路由，也就是说，只要通信连接的节点 之间有可用路由，a o d v 不起任何作用。 a o d v 协议中的两个重要规程：路由发现和路由维护。当网络节点要发送 数据时，如果没有到达目的节点的路由，就要激活路由发现规程来寻找路由。 当一个节点检测到到其邻节点的路由不再有效时，触发路由修复规程。路由修 复规程删除路由表中的无效路由项，发送一个链路失败消息，通知正在使用该 路由的邻节点该路由也不可用。为了达到这个目的，a o d v 使用一个活动邻节 点列表来跟踪使用某一条路由的邻节点。图1 1 是一个a o d v 路由建立的简单 例子。 无线媒质上，源节点1 每隔一段时间就广播一个h e l l o 消息，以知道节 点l 周围都有哪些相邻节点。当源节点1 ( 参考节点) 需要与远端目的节点4 ( 不 是参考节点的相邻节点) 通信时，就需要借助中间节点的转发。此时，要利用 a o d v 路由协议来建立这条通信链路。 如图1 1 j 行示，a o d v 首先广播路由请求消息( r r e q ) ，该消息中包含几 个关键字段，它们是源地址、目的地址、生存周期和序号。 节点1 的相邻节点2 和5 收到该r r e q 消息后，可以有两种选择。如果该 相邻节点知道通往目的地址的路由，那么直接向参考节点回送一条路由应答消 息( r r e p ) 。否则，该相邻节点转发该r r e q 消息。节点2 的路由表中没有到 达节点4 的路由信息，所以继续转发r r e q 消息。节点3 收到r r e q 消息后， 由于路由表中有相关信息，所以立即沿着原路以单播的方式回送一个路由应答 消息( r r e p ) 给源节点1 ，并且更新该路由上所有节点的路由表。 在规定的时间内，参考节点如果收到r r e p 消息，说明路由已经成功建立： 否则，参考节点就得重新发送r r e q 消息。这里r r e q 消息的序号就像一个时 间标签，能够时刻保证路由表里的路由是最新的。 南京邮电学院硕，l 论文 第一章绪论 5 f 相邻节点 2 5 t 。一 r r e p 吱、 2 褂咿一= = 尖 路由表中没 有相应信息， 转发r r e q 节点3 的路由表 跳数 i 1 2 路由表中有( 4 到达节点4 的l 路由信息，回 送i 砒p 消息 图1 1a o d v 协议路由建立过程 1 2 2 服务质量q o s q o s 是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供一组满足预 先定义的服务性能约束，如端到端的延迟、带宽、分组丢失率等。显然，为了 提供q o s 保证，首要任务就是在源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足 q o s 要求的路由，其次对于特定的流一旦路由被选择后，必须为该流预留必要 的资源( 如带宽、路由器中的缓存空间等) 。提供q o s 路由可以将这些任务结 合在一起，这样q o s 保证转换为q o s 路由问题。目前，为移动a dh o c 网络提 供q o s 支持有三种不同的q o s 路由策略： 1 ) 使用m a c 层的t d m a 资源管理。此方法适用的应用是面向会话、需要 恒定不变带宽的应用。文献 2 4 】为基于t d m a 的移动a dh o c 网络提出了一个基 于a o d v 的按需q o s 路由方法。它可以从源端向目的端建立一条满足要求带宽 的q o s 路由。当某一部分拓扑改变时，它还可以重新发现新路由以适应网络的 移动性它在移动性较小的小型网络上的执行效果较好。 2 ) 使用c d m a 进行不同传输之间的冲突避免。无线网络可以是独立的也 可以与有线网络相连接。文献f 2 5 】利用c d m a 的q o s 路由方法在a t m 互联的 情况下，含有在网关处的q o s 参数的重新协商，可以将a t m 虚电路服务扩展 6 懿稻m 跳 一 4 2 2 点 肺。：。 目 豪一 南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 到移动a d h o c 网络。 3 ) 使用普通的q o s 测量，即引入q o s 信令机制。这种方法考虑到无线a d h o c 网络的带宽受限及时变特性，将两个移动主机之间的端对端通信抽象为一 个复杂的信道。由于节点的移动性和无线链路的恶化，网络中用户间的会话可 能会被重新路由。这一时变和依靠位置的信道需要对路由的变化、服务质量的 降低和连通性的问断有一个快速的响应。 a dh o c 网络的q o s 信令研究是本文的重点，将在以后的章节中继续讨论。 1 2 3 媒体接入控制( m a c ) 协议 无线a dh o c 网络中m a c 协议主要为i e e e8 0 2 11 标准中的c s m a c a 协 议和h i p e r l a n 2 协议。在a dh o e 网络，i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议主要存在以下 几个问题： 1 ) 在a d h o c 网络中，隐藏节点问题依然存在。尽管8 0 2 1 1 协议已经定义 了集中用来处理这个问题的机制，例如，物理载波监听( p h y s i c a l c a r r i e rs e n s i n g ) 和r t s c t s 握手机制，没有隐藏节点存在的充分条件是，任何可能干预一个从 节点a 到节点b 的分组的接收的工作站都在a 的监听区域内。在一个8 0 2 1 l 的基本业务集里，这些条件可能是对的，但是在a dh o e 网络这样的多跳环境中 就不一定正确了。 2 ) 没有机制处理暴露节点问题，这个问题在多跳网络中更为严重。 3 1 8 0 2 1 1m a c 协议基于包括物理层监听功能的载波监听。典型的情况是， 监听区域和妨碍区域将严重的破坏多跳网络的性能。前者使隐藏节点的问题更 加严重，而后者加重了暴露节点问题。 4 ) 二进制指数避让机制总是支持最新成功的节点。这将导致一些情况上的 严重的不公正现象。 1 2 4 能源消耗问题 能量消耗( 功率控制) 问题涉及到无线网络中的各层。节点能量消耗可以分为 通信和计算两部分。前者是指无线网络接口消耗的能量。在a dh o e 网络中，移 动节点可以位于发射、接收和空闲( 旁路) 三种模式，其中发射模式的功率消 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 耗最大，空闲模式的功率消耗最小，缺省模式为空闲模式。后者指协议处理方 面消费的能量。通话在这两者之间存在个折衷，降低通信消耗的技术可能增 加计算消耗，反之亦然。 在目的端能正确接收分组的前提下，减少节点的能量消耗可以延长节点和 网络的寿命：减少了对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量；减少了数据被窃 听的可能性，提高了通信的安全性。 硬件层次的技术，如低功率的c p u 、显示器和能量有效的算法等都得到了 应用。在物理层可以调整节点的发射功率来减少网络的能量消耗。m a c 层的 主要措施为减少数据发送的冲突，避免重传，和使进入睡眠状态。在网络层， 采用功率控制路由算法，而不是以最短跳数和最小延迟作为路由度量。 1 2 5 安全性问题 a d h o c 网络自身特点决定要实现安全目标，其安全机制应面对以下诸多挑 战4 】： 1 ) 无线信道使a dh o e 很容易受到被动窃听、主动入侵、信息阻塞、信息 假冒等各种方式的攻击。并且由于节点的能源有限，c p u 计算能力较低，无法 实现复杂的加密算法，增加了被窃密的可能性。 2 ) 当节点在战场上移动时，由于缺乏足够的保护，很可能被占领。因此， 恶意的攻击不仅来自网络之外，而且可能来自网内。为了获得更高的生存能力， a dh o c 应该具有分布式安全结构。 3 ) 由于节点的移动性，a dh o c 网络的拓扑结构和成员处于动态的变化之 中。节点之间的信任关系也在不断变化。因此任何只具有静态配置的安全方案 在a d h o e 中是不可行的。 4 ) 大型的a dh o c 网络中可能包含成百上千个节点，因此安全策略应该具 有较好的可扩展性，以适应网络规模日益增大的要求。 1 3a d h o e 技术的应用 在军事上的应用是a dh o e 技术产生的起源。在战场恶劣的环境下，通信设 备不可能依赖已经铺设的通信基础设施。一方面，这些设施根本不可能存在， 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 另一方面，这些设施都是首先遭到重点打击的对象。而在现代化战场上，各种 军事车辆和士兵之间都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥，协同作战。 这样的通信网络是一种典型的a dh o e 技术的应用。 随着研究的不断深入，a dh o c 技术越来越显现着其独特的魅力，它已经开 始被当作下一代移动通信网络的一种应用方案。 图1 2 a dh o c 网络对等无线网状网方案 作为有线互联网的一个重要发展，对等无线网状网( m e s h n e t w o r k s ) 提供 了灵活和可扩展的移动中高速接入的方案，如图1 2 所示。它具有自动组网、自 愈性和自动路由平衡等功能，提供了无塔、无缝和灵活的宽带无线网络。无线 网状网是低功率的多级跳点( m u l t i h o p ) 系统，它们处理消息的方式是把信息 包从一个节点传递到另一节点，直到信息包到达目的地。通常点到点网络节点 过滤掉所有信息包，只留下自己的信息包，与此不同的是，网状网节点接收要 传给其它节点的信息包，并把它们再次传送出去。多跳网络运行方式很象因特 网，并提供从源到目的地的多条冗余通信路径。如果一条路径由于硬件故障或 干扰而停止工作，网状网会自动改变信息包的路由，使它们穿过一条替代路径。 网状网代表了低成本、高带宽技术，用于提供“最后一公里”即社区级通 信基础设施【26 1 。例如，网状网在安装于灯柱、建筑物、车辆和最终用户设备上 的节点之间使用多跳路由，来为用户提供全社区范围的因特网接入。其网状架 构支持固定宽带连接和移动宽带连接，这是由于它结合了a dh o c 对等路由技术 9 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 和一种专有的q d m a ( 正交分割多址) 无线电协议。q d m a 无线电技术使用直 接序列扩展频谱，工作于2 4 g h zi s m ( 工业、科学及医疗) 频带。当向网络添 加设备或从网络中取出设备时，m e s h n e t w o r k s 【5 j 公司的软件可以发现和共享路 由信息，并重新配置数据路径。m e s h n e t w o r k s 公司把其技术提供给o e m ( 原 始设备制造商：o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e ) 们，提供形式为a s i c 芯片， 它配有内置路由技术、q o s ( 服务质量) 管理和精确定位技术。除了硅芯片以 外，m e s h _ n e t w o r k s 公司还提供p c m c i a 形式的无线调制解调器卡和固定位置路 由器。m w r 6 3 0 0 是一种安装于灯柱的路由器，用于在客户端数量增加时，保 证大面积地域、校园或建筑物内部应用中的无线覆盖范围。 除了以上的两种应用，a dh o c 技术还有许多潜在应用 6 】，主要有以下几类： 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 d h 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 内办公环境中，办公人员携带的装有a dh o e 收发器的p d a 可以通过无线方式 从台式机上下载电子邮件，更新工作日程表等。 家庭联网：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，自动完成开锁、开灯、打开娱乐设备等操作。 紧急服务：由于停电或其他灾害出现，网络基础设备遭到破坏时，组建一 个a dh o c 网络帮助紧急救援人员完成任务。 传感器网络：最近，人们开始关注大量分布的传感器协调工作的问题。传 感器可以工作在危险的环境，也可以工作在其他人类无法到达的地方。通过在 传感器上装备a dh o c 收发器，将传感器所在的现场信息传送到危险现场以外。 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 设备可以或者不需要同因特网相连，但在执行用户的某些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。 1 4 论文研究的背景及主要工作 本论文着重研究a dh o c 网络的q o s 信令机制。在论文的第一章首先对目前 a dh o c 组网技术的研究情况进行了总结，从一般意义上讨论t a dh o c 技术的主 1 0 南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 要问题：第二章详细介绍了 q o s 的基本原理，重点是i n t s e r v 机制和d i f 玛e r v 机制； 第三章介绍t a dh o c l 取j 络q o s 的研究，介绍目前应用于a dh o c 网络的q o s 机制； 第四章阐述了a s a p 的基本理论；第五章提出了论文仿真的性能指标，并对不同 环境下a d h o c 网络中的q o s 性能进行了仿真和分析，并与i n s i g n i a 协议作了一 定的比较；第六章对全文作了总结，并指出需要进一步研究的方向。 南京邮电学院硕士论文 第二章q o s 的一般原理 第二章q o s 的一般原理 2 1 q o s 概念与框架 2 1 1q o s 概念 在早期计算机网络及分组交换网络中，网络一般只为业务提供尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) 服务，在这样的网络系统中，所有业务竞争共享的网络资源，业 务之间没有明确的区分。近年来，随着i p 技术等的飞速发展，尤其是i n t e m e t 及其服务的爆炸式发展，单一的服务类型已不能满足业务发展的需要，于是提 出了服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的概念。 服务质量( q o s ) 最初定义由c c i t t 给出：“q o s 是一个综合指标，用于衡 量使用一个服务的满意程度”。q o s 的进一步定义可以在r a c e ( r e s e a r c h i n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nf o re u r o p e ) 中找到：“q o s 描述了 关于一个服务的某些性能特点。这些性能特点是用户可见的，它以用户可理解 的语言表示为一组参数。这些参数具有客观值或者主观值。客观值亥0 画了系统 的行为性能，如延迟、抖动、错误概率、吞吐量，主观值刻画了系统节点其他 服务性能，如安全性、优先级”。 2 1 2 q o s 框架 鉴于与q o s 相关技术的广阔性、复杂性，引入q o s 框架概念来整合。通用 q o s 框架包括了实现q o s 的一些要素，这些要素包括q o s 原则与q o s 保障机 制。 在讨论q o s 时，有必要引入流( f l o w ) 这个概念。流是具有相同q o s 要求的 一系列分组的集合，是端到端q o s 保证的最小颗粒度。每个流都可以有其独立 的端到端q o s 要求，网络节点对不同的流采取不同的排队调度策略。对i p 网络 来说，具有相同的源地址、目的地址、协议i d 、源端口和目的端口的分组为一 个i p 流。 q o s 原则用于指导通用q o s 框架的设计，包括： 1 2 南京邮电学院硕上论文第二章q o s 的一般原理 1 ) 透明性原则应用层应屏蔽掉下层q o s 保障机制的复杂性。透明性的 重要方面是基于q o s 的a p i ，在该a p i 处描述所需q o s 级别。透明性的好处是 对应用程序隐藏了其下层的服务规范。 2 1 综合原则q o s 必须在整个体系结构层次上可配置的、可预测的和可维 护的，以满足端到端的q o s 要求。f l o w 从源到目的经过的每一个资源模块必须 提供q o s 可配置能力、资源保证和己建立流的维护。 完整的q o s 保障机制包括q o s 规范( s p e c i f i c a t i o n ) 和q o s 机制( m e c h a n i s m ) 。 q o s 规范申明应用所需要的服务质量、管理策略及服务费用；而q o s 机制是实 现q o s 规范的方法和规则，也就是说网络根据用户提出的q o s 规范，对可利用 的资源进行配置和管理的机制。 q o s 机制又可分为静态和动态两大类。静态管理是指在业务流传送前( 通信 建立时以及在进行端到端的q o s 重新协商时) 对资源的配置和管理，称为q o s 预备机制；由它来完成各网络节点q o s 算法的配置，并实现端到端的协同处理。 而动态管理是指在业务流传送过程中对资源的配置和管理，具体指各个网络节 点的q o s 算法；它又可分为对业务流传送进行实时控制的q o s 控制机制，和根 据在一段较长时间内对数据传送的监测结果而进行资源调整的q o s 管理机制。 q o s 规范主要包括： 1 ) q o s 参数通常不同的业务类型、在q o s 结构的不同层次上，需要的 q o s 参数也是不同的。图2 1 给出了多媒体业务系统不同层次所对应的q o s 参 数例子，从图中可以看出，各层次上的q o s 参数有的具有继承性，有的可能适 用于某个层次，而有的需要进行转换。q o s 各层次的q o s 参数之间的转换称为 q o s 映射( m a p p i n g ) 或q o s 翻译( t r a n s l a t i o n ) 。通常我们所指的q o s 参数是网络 层的q o s 参数即终端网络接口对网络提出的要求( 见2 2 节) 。 图像分辨率、帧率、同步质量应用层 比特率、流内和流间同步容限 比特率、延时、延时抖动、错误率 系统层 网络层 图2 1多媒体业务系统不同层次的q o s 示例 2 ) q o s 管理策略反映了当约定的服务质量得不到保证时，q o s 的自适 南京邮电学院硕j ：论文 第二章q o s 的一般原理 应性能。通信过程中对q o s 的调整称为q o s 缩放( s c a l i n g ) ，q o s 的管理策略规 定了在约定的q o s 被破坏情况下，数据流性能下降可容忍的限度和所需要采取 的缩放措施，同时也包括当约定的q o s 被破坏时，是否在应用层给用户以提示， 以及周期性地通知终端可利用的q o s 条件( 带宽、延时、抖动和差错率) 等。 3 1 服务费用q o s 规范中应根据提供不同的服务质量给出服务费用，否 则所有的用户都会选择最好的服务质量。关于q o s 计费方面的研究见文献 3 1 1 。 q o s 预备机制主要包括： 1 1q o s 映射q o s 映射完成不同层间q o s 参数之间的自动转换功能。用 户通过用户界面给出应用层的q o s 规范后，q o s 预备机制功能之一就是将应用 层规范自动地映射到q o s 的下面层次和部分。 2 1q o s 协商在通信建立时，除了要将用户提出的q o s 参数映射到系统 的各个层次之外，通信路径上的各个部分之间还需要对q o s 参数进行协商，以 达到各自的资源都允许接受的统一的q o s 参数值。协商一般是双方的，可分为 呼叫者与被呼叫者之间( 对等型，p e e 卜t o p e e r ) 和服务用户与服务提供者之间( 层 间，l a y e r - t o l a y e r ) 两种方式。 3 ) 接纳控制负责将系统中可利用的资源与q o s 规范所要求的资源进行 比较。如果测试结果显示可利用的资源不能满足q o s 要求，则拒绝呼叫，通信 不能建立；如果可以满足要求，则接纳呼叫，而且终端和沿途的网络节点( 路由 器，交换机) 根据该系统( 或协议) 所规定的资源管理策略( 预留、分配或独占等) ， 将自己的一部分资源保留给该通信过程使用。可分配的资源有带宽和缓冲区等。 4 ) 资源预留从终端沿着通信路径的资源预留是伴随者q o s 协商和接纳 控制而进行的。资源预留可以由发送端起始也可以由接收端起始。 q o s 控制机制主要包括： i ) 流调度流调度( f l o ws c h e d u l i n g ) 是在终端以及网络节点上传送数据 包的策略。终端的调度可能独立于网络进行，也可以和网络集成在一起考虑。 流调度与资源，如带宽、服务时间( 优先级) 与缓存器容量密切相关的。常用的调 度算法有优先级排队( p r i o r i f i z e dq u e u i n g ) 和加权公平队列( w e i g h t e df a i r q u e u e ) 。 2 ) 流成形按照用户对业务流参数的要求在业务源与网络接口处( 或不 同网络之间) 对业务流进行平滑或整形，使进入网络的业务流比较规则，这个过 1 4 南京邮电学院硕士论文 第二章q o s 的般原理 程流成形( f l o ws h a p i n g ) 。之所以要作流成形，使因为在进行端到端的资源预留 和进行流调度时，流量规则的业务流比较容易处理。典型的流成形算法有i t u t 和a t m 使用的漏桶算法( l e a k yb u c k e ta l g o r i t h m ) ，i e t f 使用的令牌桶算法 ( t o k e nb u c k e ta l g o r i t h m ) 。 3 ) 流监管流监管( f l o wp o l i c i n g ) 是指对用户在通信过程中是否遵守它 与网络在通信建立时商定的q o s 规范的监测。流监管功能检查进入网络的业务 流是否符合用户与网络约定的参数，当流监管发现用户违反约定时，则将一部 分分组丢弃或置为较低优先级。流成形和流监管功能在网络中的位置如图2 2 所示。 用户a 网络a网络b用户b 图2 2 流成形和流监管功能在网络中的位置 4 ) 流量控制用来预防与解决网络的拥塞问题，分成开环和闭环两种。 开环流量控制算法可以在源进行，也可以在中间节点进行；闭环流量控制算法 根据显式或隐式信息反馈，也分成两种，t c p 慢启动算法属于后- t o o 类型。 5 ) 媒体流同步在数据传送过程中，q o s 控制机制需要保证媒体流内部 和媒体流之间的同步( 如唇同步等) 。 q o s 管理机制主要包括： 1 ) q o s 监测q o sn ；! 贝| | ( m o n i t o r i n g ) 与q o s 监管是对偶的，它监测在通信 过程中服务提供者是否信守已商定的q o s 契约( 合同) 。一般认为q o s 监测是下 面讲到的q o s 维护机制的一部分。监测所获得的统计数据作为资源管理和控制 的依据。由于监测本身也要消耗资源，往往是可选项目，用户可以选择打开关 闭监测机制、选择对那几个q o s 参数和在那一段时间内进行监测。 2 1q o s 维护q o s 维护机制将监测到的q o s 与期望的q o s 进行比较，然 后将比较的结果报告给系统中相关的模块，对相应部分的资源加以调整。以保 障所要求的q o s 。 南京邮电学院顾士论文第二章q o s 的一般原理 3 ) q o s 缩放如q o s 管理策略所述，通信过程中，由于某种原因使q o s 下降，而且通过q o s 维护机制也无法将其调整到所要求的水平