Ad hoc網絡中QoS保障機制

洪琳，江成

(黑龍江科技學院，哈爾濱 150027)

0 引言

Ad hoc網絡的應用環境以及多媒體業務流在網絡中的傳輸需求要求Ad hoc網絡支持QoS。具體表現在軍事通信和緊急搜救等應用場合，信息應能實時、準確地傳送，這要求Ad hoc網絡保證分組的帶寬、時延;在軍事通信和民事通信領域，當需要傳送語音、圖像等實時業務(如戰地環境圖像、臨時視頻會議等)時，由于這些業務對延時、延時抖動等［1］QoS參數均較敏感，同樣要求Ad hoc網絡提供業務的QoS保證。因此，Ad hoc網絡中QoS的研究是其應用場合的需要，具有重要的實際意義和應用價值。

1 Ad hoc網絡的QoS體系結構

1.1 IntServ

IntServ是一種基于流(per-flow)的資源預留機制，它引入了虛電路的概念，由RSVP作為建立和維護虛電路的信令協議，路由器通過相應的包調度策略和丟包策略來保證業務流的QoS要求。IntServ要求網絡中的節點保存基于流的狀態信息，它對節點的存儲能力和處理能力都有很高的要求，存在明顯的可擴展問題。在Ad hoc網絡中，由于節點幾乎全是便攜式移動終端，其存儲能力和處理能力均有限。同時，由于Ad hoc網絡拓撲的頻繁變化，用于維護虛連接的RSVP協議將帶來很大的開銷，而Ad hoc網絡的帶寬有限，因此，IntServ并不適合Ad hoc網絡，尤其是較大型的 Ad hoc網絡［2］。

1.2 DiffServ

DiffServ是一種基于類(流的集合)的QoS體系結構，它提供定性的QoS支持。接入DiffServ域的業務流首先在域的邊緣被分類和調節［(conditioning，包括測量(meter)、整形(shaping)、重標記(remarking)/丟棄(dropping)等)］，而域的核心節點只簡單地根據包的DS域對包進行調度，DiffServ不要求域的核心節點保存并在網絡拓撲變化時更新基于流的狀態信息，從而使核心節點的實現相對簡單。從這一方面看，DiffServ更適合Ad hoc網絡。但是，如果采用DiffServ結構，則在無中心、分布實施、拓撲頻繁變化的Ad hoc網絡中，存在如何劃分DiffServ域，如何定義并區分邊緣節點和核心節點，以及如何進行動態資源分配等問題。

1.3 靈活QoS模型

針對Ad hoc網絡提出了一種稱為靈活QoS模型(flexible QoS model for MANETS，FQMM)的體系結構，該模型類似于DiffServ，它將整個無線Ad hoc網絡定義為一個DiffServ域，網絡中的每個節點既是邊緣節點，又是核心節點，當某節點為業務流的源端時，該節點為邊緣節點，當某節點作為業務流的中間轉發節點時，該節點為核心節點。FQMM提供了一種稱為混合(hybrid)模式的資源分配策略，它既支持IntServ的基于流的資源分配，又支持DiffServ的基于類的資源分配，高優先級的業務基于流分配資源，低優先級的業務流基于類分配資源，以減小節點需保存的基于流的狀態信息，提高FQMM的可擴展性。FQMM還采用自適應的業務量調節機制來適應無線鏈路帶寬的變化。

a)FQMM是第1個針對Ad hoc網絡的QoS模型，它的主要優點是根據網絡狀態的變化，作自適應的業務量調節(conditioning)，但它同時還存在如下缺點:

1)實現復雜。由于網絡中的節點既要支持IntServ，又要支持DiffServ，同時，每個節點既可能是邊緣節點又可能是核心節點，因此，要求每個節點均實現IntServ和Diff-Serv的相關功能;

2)對于混合的資源分配策略，存在高優先級的流和低優先級的流各應占多大比例的問題.對低優先級的流，由于采用DiffServ的基于類的資源分配策略，因此，在Ad hoc域內，仍存在與DiffServ相似的資源分配問題。

b)根據以上分析得知，已有的QoS體系結構并不完全適合Ad hoc網絡，結合Ad hoc網絡自身的特點及其應用場合認為，Ad hoc網絡的QoS體系結構應該具有下述特點:

1)具有業務區分能力，提供定性的QoS支持;

2)開銷小，對節點的存儲能力和處理能力的要求較低，盡量避免基于流的存儲和處理要求;

3)分布實施，在無固定設施的Ad hoc網絡中，任何集中式的算法、機制都會增加其實現的難度和引入較大的開銷;

4)具有自適應能力，即能根據無線信道和網絡拓撲的變化，實現自適應的資源分配、業務量調節等功能。

2 動態服務質量保證機制

動態QoS保證機制是一種基于資源預留的服從綜合服務模型的方法。資源預留請求不是針對某個固定值，而是規定了一個預約請求范圍，網絡實體通過對此請求范圍進行判決來靈活地提供服務。預約請求范圍從應用能接受的最小服務級別到網絡可以提供的最大服務質量等級J，各種網絡實體(如路由器)在此范圍內根據網絡的資源狀況進行動態的自適應調整，從而提供了一種在動態網絡環境下保障QoS的方法。

2.1 移動Ad hoe網絡的動態特性

a)動態變化的鏈路特性

相比與有線鏈路，無線鏈路的傳輸特性經常會發生變化，使得鏈路層特性也隨之改變。通常可以采取兩種方法來減少鏈路變化對上層應用造成的影響:一種方法是在網絡層進行差錯控制;另一種方法是在鏈路層進行差錯控制。如果采用第一種策略，鏈路層的性能將變得很差，網絡層必須進行差錯檢測和糾錯，然而網絡層很難判斷分組的丟失是擁塞產生的還是鏈路層的性能惡化造成的，并且網絡層也無法準確獲悉當前可利用的帶寬，從而難以實施資源預留。因此，最好在鏈路層進行差錯控制。例如，可以使用簡單的自動請求重傳協議(ARQ)來保障數據的可靠傳輸。也可以采用一些較復雜的鏈路層協議(如自適應FEC)，它們能夠根據鏈路的質量自適應地實施差錯控制機制，此時網絡層的延時和吞吐量與具體的編碼算法和控制機制相關。

b)節點的移動特性

Ad hoc網絡中節點可以隨意移動，并且移動方向和速度都難以預測。這一特點會加劇鏈路的動態變化，因為節點可能會隨時切換到不同的物理媒介上，從而使得可利用的帶寬不斷變化。另外，節點的移動將會不斷改變網絡的拓撲結構，使得資源預留變得更加困難，因為資源預留一般要求路徑相對比較固定。在蜂窩移動網絡中，移動終端切換時可以采用提前進行預約的方法來解決這個問題，但是Ad hoc網絡的動態特性使得這種方法不再適用，并且采用備用路由的方法也只能部分解決這個問題，一種較好的方法是實施多路徑路由，也就是說，資源預留必須在多條可能的路由上進行。但是，這種方法的可擴展性較差，當網絡規模較大時將很難實現。

c)應用需求的動態變化

在不同的時間和場合，各種應用需求經常會發生變化。在固定網絡中，可以通過采用基于策略的接入控制機制來決定各種應用的要求是否得到滿足。這種方法能夠保證一些用戶的要求得到滿足，但是不夠靈活，它要么保證用戶的服務質量，要么完全拒絕用戶的服務請求。有時，這并不是一種很好的策略，特別是對服務提供商而言。一種可選的策略是盡可能滿足更多用戶的接入要求，同時為這些用戶提供能夠接受的服務質量。為此，網絡和應用需要通過某種方式來交互網絡可利用的帶寬和應用能夠接受的服務質量級別等相關信息，從而實施合理的接入控制機制。

2.2 動態預約機制

為了解決動態變化的網絡特性引起的問題，通過允許資源預約請求規定一個范圍而不是一個確定值來實施資源預留。為了實現方便，該機制采用基于業務類的排隊策略和受控負載模型。此時，平均數據率是實施資源管理的關鍵因素之一，可以將數據速率的范圍定義為(rmjn—rmax)，其他的參數也可以進行相應地規定。當網絡資源變化時，動態QoS機制可以在規定的范圍內調整資源的分配。例如，當網絡中存在大量的業務流時，這種機制將盡量使更多的業務流獲得預約范圍之內的動態服務質量，而不是完全拒絕。如果采用的服務模型不是受控負載模型，例如要在確保服務模型中保證較小的分組丟失率，此時輸出緩存器的大小將成為資源管理的關鍵因素，因此可以將令牌桶深度作為預約請求中的可變參數:如果需要為實時業務提供QoS，時延可能成為最重要的參數。為了進一步簡化模型的實現，可以采用使某個參數在特定范圍內變化，而保持其它參數不變的方法，通過調整可變的參數來滿足其它參數的要求。例如，可以通過限制業務流的平均速率來確保有足夠的帶寬用于傳輸突發業務流，從而滿足傳輸時延和時延抖動的要求。

2.3 動態資源預留協議(DRSVP)

一種簡單的動態QoS保障［3］方法可以通過擴展RSVP協議來實現，但需要對RSVP作如下改動:

1)在RESV消息中增加額外的流規范(flowspec)，并且在PATH消息中相應地增加業務類型規范(tspee)，用于描述業務流量的資源請求范圍;

2)在RESv消息中增加一些測量規范來使上游節點可以了解下游鏈路的資源狀況;

3)增加預約通知消息，用于上游節點向下游節點通知資源狀況;

4)對接入控制進行適當的改動使其能夠處理具有一定帶寬范圍的預約;

5)設計一個帶寬分配算法來為那些被允許接入的流分配帶寬，并且需要考慮各個流的預約請求范圍以及各自的上下游帶寬瓶頸。

3 具有QoS能力的中間適配機制

Ad hoe網絡［4］中另一種提供QoS保障的策略是采用帶有中間適配件的網絡框架來適應網絡性能的變化。這種方法考慮了網絡的性能和端到端的資源狀況，可以向應用提供有用的信息用于重新配置，從而使系統獲得最優的服務質量。

3.1 QoS中間適配層框架

在性能經常發生變化的異質網絡環境中，多個應用需要共享和競爭可用的系統資源，因此它們需要自適應地動態調整各自的資源需求。為了優化應用層感知的QoS性能，可以設計一種中間適配層來適應下層網絡和端系統資源的動態變化。它的目標有兩個:一是提供具有QoS保障的傳輸層機制并且能夠對不同的流采用不同的調度策略;二是通過使用一個控制模型，網絡能夠向應用層提供相關的QoS信息來優化應用層的業務性能。一種簡單的實現框架由一個傳輸控制器和應用控制器構成。前者用于實現一個可靠的傳輸層并向網絡層提供反饋信息，同時它還可以通過一個分組調度器來適應多種業務流對QoS的要求，并能夠靜態復用業務流來適應帶寬的變化。在傳輸控制器的上層，應用控制器被用來優化應用層QoS的性能，并提供相應的QoS信息來重新指配應用層的通信行為。

3.2 中間件QoS適配器

目前，應用層的自適應機制不能維持某些全局特性(如公平性)，并且操作系統的資源管理機制也無法了解應用層數據的語義。中間件QoS適配器I可以通過動態控制和重新指配多媒體業務的相應參數和特性來提高QoS自適應機制的效率和準確程度。這就要求大量的分布式應用能夠適應端到端QoS的變化。首先，它們能夠接受和容忍一定范圍內的資源限制，并且可以隨著可用資源的變化來改變業務性能;其次當需要降低QoS時，它們可以犧牲一些對QoS不太敏感的參數來確保敏感參數的質量。QoS適配器主要在兩個方面起作用:系統級(如操作系統和網絡協議)和應用級。前者主要強調全局參數，如公平性和資源利用率;而后者更加重視與應用層相關的語義，如視頻流的幀速率和視頻跟蹤的準確度等，目標是盡量不降低業務的性能。需要強調的是，在Ad hoe網絡中不可能實現確保的QoS，因為這將對節點的移動模式、節點的密度和分布做出相應要求，違背了Ad hoe網絡設計的初衷。

4 提供QoS保障的MAC協議

4.1 Ad hoe網絡中的協議［5］

Ad hoe網絡能否得到廣泛應用的一個關鍵是發展合適的MAC協議，這種MAC協議必須是分布式的，能夠高效地利用網絡資源，并且可以滿足數據業務和實時業務的0要求。MA C協議解決分組沖突的方法一般是延時重發，延時策略可以采用二進制指數退避(BEB)算法和乘法增加線性減小(MILD)算法等，但是退避策略不能為實時業務提供QoS保證。

近年來，提出了各種MAC機制用來提高網絡吞吐量和增強QoS。例如多址訪問沖突避免(MA CA)協議。利用RTS和CTS來提高網絡吞吐量，因為只有較短的控制分組而不是數據分組會發生沖突。組分配多址接入(GAMA)是一種用于提供QoS保證的MAC協議。該協議中，一個競爭階段通過使用RTS和CTS對話為隨后的無競爭階段預留帶寬，并且一個在無競爭階段傳送的分組可以為下一個循環周期預留帶寬。多址接入/分組預留(MACA/PA)類似于GAMA，但是要求在無沖突階段發送一個ACK來通知相鄰的節點，以便在下一個循環到來時獲得下一個分組。這些機制與純粹的CSMA機制不同，因為節點可以基于分組中攜帶的預約請求來獲得信道的狀態信息。

4.2 支持QoS的MAC協議［6］

這種MAC協議的目標是在Ad hoe網絡中使共享媒體的各個節點能在盡量不影響其他節點的前提下實現自身的QoS要求。這是一個比較復雜的問題，例如，節點I是節點J和節點K的鄰居，但是J和K不能直接進行通信，所以它們彼此不知道對方的QoS要求，但是它們可以通過節點I來影響對方。所有的節點可以廣播它們的最大帶寬要求，因此所有的節點都可以知道其鄰居節點的帶寬要求，從而可以實現一種在鄰居節點間分配信道接入時間的分布式算法。協議具體描述如下:協議中定義了一個循環周期，它由最大可能數量的時隙組成(由節點數量和分布決定)。在每個周期的開始，每個節點都知道其鄰居節點的帶寬要求，并且能夠根據各個節點的帶寬要求在鄰居節點之間分配相應的時隙。由于所有的節點都運行相同的算法并且交換相似的信息，從而可以知道哪個節點將會占用哪個時隙。節點占用時隙的順序可以通過它們廣播帶寬請求時分組中攜帶的IP地址來決定，同時為了獲得較好的公平性，占用時隙的順序可以在每個周期結束時進行輪換。在每個周期的最后可以留出一段時間用于節點的隨機接入，這段時間通常被用來傳送盡力而為分組，還可以用來交換各種控制信息，同時新加入的節點也利用這段時間來廣播帶寬請求。只有當業務量參數發生變化或者現有路徑不能滿足帶寬要求時，節點才會重新廣播帶寬請求信息。更新后韻信息將被用于下一個循環周期進行時隙的分配。由于知道占用的時隙和總流量，節點可以實現一種連接允許接納控制算法來接受或拒絕收到的業務流。此外還可以在協議實現時賦予實時業務更高的優先級并且確保無沖突的傳送，從而保證較低的時延。這些方法的采用，將會在一定程度上保證實時業務和一些特殊業務的服務質量。

5 結束語

固定有線網絡中的QoS保障問題經過多年的研究，已經積累了相當多的經驗和方法，但是這個問題仍然沒有得到很好的解決。相比與固定有線網絡，Ad hoc網絡是一種動態變化的基于無線信道的自組織網絡。它的QoS保障問題更加復雜和難以實現。當前，它的研究仍是一個開放的熱點問題。由于Ad hoc網絡具有一些優良的特性，特別是它能夠滿足部隊戰術通信、搶險救災以及應付突發事件等場合，近年來得到日益廣泛的關注和重視。但是由于Ad hoc網絡中QoS保障問題自身的固有難度，學術界至今沒有取得突破性進展。本文主要從不同的角度比較分析了各種QoS解決策略，總結了近年來取得的一些成果，這些成績將會積極地推動今后的研究工作，但是真正實現比較滿意的QoS保障機制還需要經過長期的研究和實踐。

［1］趙志峰，鄭少仁.Ad hoc網絡體系結構研究［J］.電信科學.

［2］徐雷鳴，英春，史美林.白組網環境中的QoS支持陰［J］.計算機世界.

［3］王海濤，鄭少仁.白組網的路由協議及其QoS保障［J］.現代電信科技.

［4］Xiao HN，Seah WKG，Lo A，Chua KC.A flexible quality of service model for mobile ad-hoc networks.In:Proc.of the IEEE Vehicular Technology Conference.Vol 1.

［5］Lee S-B.INSIGNIA:An IP-based quality of service framework for mobile Ad hoc networks.Journal of Parallel and Dist.Comp.，Special issue on Wireless and Mobile Computing and Communications.

［6］Zhu C，Corson MS.QoS routing for mobile Ad hoc networks.In:Proc.of the 21st Intil Annual Joint Conf.of the IEEE Computer and Communications Societies.