移動自組織網絡跨層QoS保證機制研究

袁昊+吳進紅+于永良

摘? 要：在無線網絡技術飛速發(fā)展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節(jié)點移動導致網絡拓撲動態(tài)多變以及鏈路連接的動態(tài)變化，無線信道具有不穩(wěn)定性，業(yè)務流具有很強的突發(fā)性等，這些都使得網絡中業(yè)務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統(tǒng)的分層協(xié)議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統(tǒng)的分層協(xié)議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統(tǒng)束縛，它通過層間信息交互，使節(jié)點可以充分利用網絡狀態(tài)資源，調節(jié)各協(xié)議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協(xié)議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協(xié)議模型將通信中的所有問題劃分到相應協(xié)議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統(tǒng)五層協(xié)議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統(tǒng)的無線網絡都是基于圖1所示的協(xié)議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現(xiàn)，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發(fā)到各個子層去分離執(zhí)行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業(yè)務類型，并且有一些異于傳統(tǒng)無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態(tài)多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統(tǒng)五層協(xié)議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協(xié)議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態(tài)信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協(xié)議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優(yōu)化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優(yōu)化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯(lián)合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業(yè)務，DACME算法通過發(fā)送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業(yè)務流QoS要求時，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時優(yōu)先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節(jié)點停止工作而造成的大量數(shù)據(jù)包丟失情況的發(fā)生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數(shù)據(jù)通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業(yè)務流時延要求量化，確定業(yè)務流屬于何種優(yōu)先級，網絡層根據(jù)時延量化結果為業(yè)務流傳輸選擇合適路由，實現(xiàn)了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優(yōu)先級業(yè)務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據(jù)業(yè)務流的優(yōu)先級信息，結合當前網絡的狀況，對業(yè)務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業(yè)務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包調度。

圖4? 跨層數(shù)據(jù)通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現(xiàn)的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現(xiàn)有鏈路狀態(tài)信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監(jiān)測模塊和動態(tài)路由選擇模塊。鏈路監(jiān)測模塊存儲著本節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數(shù)。鏈路估計模塊根據(jù)監(jiān)測模塊所提供的鏈路狀態(tài)信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統(tǒng)結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環(huán)境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統(tǒng)分層協(xié)議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現(xiàn)狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint

摘? 要：在無線網絡技術飛速發(fā)展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節(jié)點移動導致網絡拓撲動態(tài)多變以及鏈路連接的動態(tài)變化，無線信道具有不穩(wěn)定性，業(yè)務流具有很強的突發(fā)性等，這些都使得網絡中業(yè)務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統(tǒng)的分層協(xié)議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統(tǒng)的分層協(xié)議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統(tǒng)束縛，它通過層間信息交互，使節(jié)點可以充分利用網絡狀態(tài)資源，調節(jié)各協(xié)議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協(xié)議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協(xié)議模型將通信中的所有問題劃分到相應協(xié)議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統(tǒng)五層協(xié)議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統(tǒng)的無線網絡都是基于圖1所示的協(xié)議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現(xiàn)，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發(fā)到各個子層去分離執(zhí)行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業(yè)務類型，并且有一些異于傳統(tǒng)無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態(tài)多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統(tǒng)五層協(xié)議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協(xié)議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態(tài)信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協(xié)議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優(yōu)化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優(yōu)化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯(lián)合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業(yè)務，DACME算法通過發(fā)送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業(yè)務流QoS要求時，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時優(yōu)先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節(jié)點停止工作而造成的大量數(shù)據(jù)包丟失情況的發(fā)生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數(shù)據(jù)通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業(yè)務流時延要求量化，確定業(yè)務流屬于何種優(yōu)先級，網絡層根據(jù)時延量化結果為業(yè)務流傳輸選擇合適路由，實現(xiàn)了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優(yōu)先級業(yè)務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據(jù)業(yè)務流的優(yōu)先級信息，結合當前網絡的狀況，對業(yè)務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業(yè)務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包調度。

圖4? 跨層數(shù)據(jù)通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現(xiàn)的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現(xiàn)有鏈路狀態(tài)信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監(jiān)測模塊和動態(tài)路由選擇模塊。鏈路監(jiān)測模塊存儲著本節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數(shù)。鏈路估計模塊根據(jù)監(jiān)測模塊所提供的鏈路狀態(tài)信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統(tǒng)結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環(huán)境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統(tǒng)分層協(xié)議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現(xiàn)狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint

摘? 要：在無線網絡技術飛速發(fā)展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節(jié)點移動導致網絡拓撲動態(tài)多變以及鏈路連接的動態(tài)變化，無線信道具有不穩(wěn)定性，業(yè)務流具有很強的突發(fā)性等，這些都使得網絡中業(yè)務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統(tǒng)的分層協(xié)議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統(tǒng)的分層協(xié)議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統(tǒng)束縛，它通過層間信息交互，使節(jié)點可以充分利用網絡狀態(tài)資源，調節(jié)各協(xié)議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協(xié)議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協(xié)議模型將通信中的所有問題劃分到相應協(xié)議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統(tǒng)五層協(xié)議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統(tǒng)的無線網絡都是基于圖1所示的協(xié)議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現(xiàn)，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發(fā)到各個子層去分離執(zhí)行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業(yè)務類型，并且有一些異于傳統(tǒng)無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態(tài)多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統(tǒng)五層協(xié)議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協(xié)議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態(tài)信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協(xié)議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優(yōu)化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優(yōu)化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯(lián)合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業(yè)務，DACME算法通過發(fā)送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業(yè)務流QoS要求時，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時優(yōu)先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節(jié)點停止工作而造成的大量數(shù)據(jù)包丟失情況的發(fā)生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數(shù)據(jù)通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業(yè)務流時延要求量化，確定業(yè)務流屬于何種優(yōu)先級，網絡層根據(jù)時延量化結果為業(yè)務流傳輸選擇合適路由，實現(xiàn)了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優(yōu)先級業(yè)務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據(jù)業(yè)務流的優(yōu)先級信息，結合當前網絡的狀況，對業(yè)務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業(yè)務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現(xiàn)數(shù)據(jù)包調度。

圖4? 跨層數(shù)據(jù)通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現(xiàn)的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現(xiàn)有鏈路狀態(tài)信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監(jiān)測模塊和動態(tài)路由選擇模塊。鏈路監(jiān)測模塊存儲著本節(jié)點與相鄰節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數(shù)。鏈路估計模塊根據(jù)監(jiān)測模塊所提供的鏈路狀態(tài)信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統(tǒng)結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環(huán)境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統(tǒng)分層協(xié)議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現(xiàn)狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint