基于物聯網的智能QoS保障機制研究

◆鄭志凌 蒲驍旻 劉霜霜

（湖南工業職業技術學院 湖南 410208）

基于物聯網的智能QoS保障機制研究

◆鄭志凌 蒲驍旻 劉霜霜

（湖南工業職業技術學院 湖南 410208）

隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網相關的各種業務受到重視，物聯網終端在保證能夠隨時隨地接入網絡的同時，也需要控制和保障與其正常運行息息相關的QoS，本文以此為切入點，分析了物聯網QoS保障機制，提出了保障QoS的分組調度算法，研究了基于物聯網的QoS服務模型和智能保障機制。

物聯網；QoS；保障機制；服務模型

0 引言

物聯網是以互聯網為基礎和核心衍生出來的網絡，較小范圍內的物聯網是由各種識別、感應設備與互聯網應用技術組成，使用信息化的識別、實物智能化以及控制監管技術，完成人和物實時連接。較大范圍的物聯網，就是把一切信息空間和物理空間的事物進行網絡化和數字化，通過使用改進和完善的應用服務模式和信息技術，實現人、物和環境之間科學、智能、有效的交互模式。物聯網作為我國五大新興戰略性產業之一，是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網涉及的領域越來越廣，可尋址、可通信、可控制、泛在化與開放模式正逐漸成為物聯網發展的演進目標。

隨著物聯網技術的發展和相關業務需求的增加，物聯網終端不僅要求能隨時、隨地接入網絡，而且需要保障相關業務正常運行所必須的QoS（服務質量，Quality of Service）。物聯網系統的異構性、移動性、不穩定性等特性為提供可靠QoS帶來困難，網絡中許多協議、網絡體系和實現機制需要重新考慮和設計。目前，物聯網在信息的處理效率和交互行為等方面的研究還有很大空間，需要參考其他類型網絡傳輸系統在有限網絡寬帶資源的條件下實現動態資源配置的方法和措施，使網絡資源最大程度地被利用，實現物聯網使用價值的最大化。

1 物聯網QoS保障機制和分組調度算法

1.1 物聯網QoS保障機制

QoS的衡量標準是各種環境下服務的公平性、可靠性以及快速響應的能力。服務質量一般涵蓋了業務服務質量和網絡服務質量，業務服務質量指的是將一些有關聯的業務通過一定的方式組合起來，使其發揮互相制約和影響的作用；網絡服務質量指的是通過一些特殊的應用技術，解決網絡使用過程中的一些資源不暢和網絡延時的狀況，以此來排除不良因素的影響，確保網絡環境的有效和安全，保障主流業務能夠正常運行。有效保障網絡服務質量，對于數據包的處理、控制網絡傳輸延時以及拓寬和保障傳輸網絡寬帶等方面都起到積極的作用。一般在網絡資源應用不合理的條件下，控制和保障網絡服務質量會起到一定的作用，只有在具體的業務中來實現網絡服務質量的控制和保障才有一定的意義。在保障和控制物聯網QoS時一定會限制和約束非保障業務范圍內的其他業務對于網絡資源的使用，因此，需要根據業務的實際情況來完成對物聯網中各種業務QoS的控制和保障。

物聯網QoS保障機制的實現需要經歷不同階段，首先，要對物聯網中各種業務進行區分，在區分了不同業務的情況下，才能夠更加有效地調度這些業務在物聯網中所需的不同條件和資源，保證良好的QoS；其次，對選擇出的目標任務進行優化的處理和設置，在確保目標業務能夠完成的同時，關注物聯網的綜合承載力和運行環境；最后，需要具體全面地處理物聯網運行過程中出現的各個問題，在物聯網QoS保障機制中，要求進入物聯網的數據能夠有秩序地流出各個網絡節點，對沒有按照一定的順序流出的數據進行整形，使之能夠按照順序流出。同時，在網絡擁塞的情況下通過有效的實時控制技術來進行處理，并使用預防機制來避免和控制，最終實現對于物聯網QoS的實時有效控制和智能保障機制。

1.2 保障QoS的分組調度算法

物聯網中的網絡元素在彼此傳輸業務流時會受到派對延期、業務寬帶、業務丟包率以及端口吞吐量等規定系數的約束和限制。各種業務對服務質量也有各自的不同需求，一些業務能夠一定程度上接受排隊延時的現象，因為這些業務更加關心數據和資料是否能夠可靠安全地傳輸；而另一些業務不太關注分組丟棄的現象，它們更加關心業務資料和數據是否能夠實時傳輸。所以，應該根據實際情況來設置QoS的參數，在優化資源的同時使得業務流能夠得到更加公平和完善的服務質量，以此來實現基于物聯網的智能QoS保障機制。對此，可以使用分組調度算法來保障QoS，分組調度算法遵循絕對公平和質量保證的規范，在確保物聯網各種業務能夠按照一定順序來公平使用網絡資源的同時，也能夠保證其各項業務使用網絡資源的實時性，實現基于物聯網的智能QoS保障機制。

分組調度算法根據管理和控制物聯網中各種業務傳輸時延和排隊時延的時延性能來確保服務質量的實時性，確保重要業務和一般業務之間端到端的時延和服務質量。分組調度算法在嚴格確保服務質量的同時確保了更加公平的服務原則，能夠根據實際情況來動態調整和不斷完善物聯網中不同的業務和這些業務所需的數據和資源，阻止遺漏和忽略接受新業務請求的現象，最大程度避免各種業務之間端到端的時延情況，以此保證物聯網環境下QoS智能保障機制。保障QoS的分組調度算法如圖1所示。

圖1 保障QoS的分組調度算法

2 基于物聯網的智能QoS保障機制

2.1 QoS保障機制的服務模型

服務模型是指一組實現端到端QoS保證的方式，實現基于物聯網QoS保障機制需要依托三種服務模型： Best-Effort service（盡力而為服務模型）、Integrated service（綜合服務模型）和Differentiated service（區分服務模型）。

Best-Effort服務模型是一種單一的服務模型，也是最簡單的服務模型。這種模型因為操作和運行的方法非常簡便而得到了廣泛的應用，它使用FIFO隊列來傳輸和發送網絡中不同的報文，不足之處就是這種服務模型不能完全確保網絡應用的實時性，對于一些需要及時傳輸的業務來說顯得不太可靠，一般用在對服務延時沒有太多要求的業務中。

Integrated service服務模型是一個綜合服務模型，能滿足多種QoS需求。它可以使用最詳細和具體的服務質量來管理和區分各種業務在運行過程中所需的網絡資源，以此來保證每個業務都能得到優質的服務質量。該服務模型通過資源預留協議的方式來調控和監視物聯網不同終端之間來往的各種數據流，因此，這種服務模型的不足之處就是因為預留資源而導致不能大量地處理、控制相關業務的數據和資源，也不能有效地根據物聯網的各項業務來擴展和延伸其服務功能。

Differentiated service服務模型是一個多服務模型，能滿足不同的QoS需求。這種服務模型不需要為每個業務預留資源，區分服務實現簡單，可擴展性較好，能夠滿足物聯網環境下各種業務對于QoS的不同需求，避免了綜合服務模型在保障業務正常運行過程中預留資源而出現的問題，該服務模型能夠很好地被延伸和拓展，它根據各個業務的優先級來提供特定的資源和服務，主要用來為重要的業務應用提供端到端的QoS保障。

2.2 智能QoS保障機制

本文以Differentiated service服務模型為基礎研究和分析基于物聯網的智能QoS保障機制，根據寬帶代理和接納控制機制來實時實現并調整QoS控制和運行策略，對于物聯網中QoS的保障機制，通過三個不同層次來控制和管理：在數據層實現分組調度、數據流以及業務優先級；在控制層實現寬帶代理、QoS控制和接納控制；在管理層實現調度策略、實時調整和動態控制。Differentiated service服務模型中的各項業務進行分類和分組。第一，業務的快速轉發，即保證在最短時間內，通過一些特殊的操作指令來傳輸信息和數據；第二，業務保障轉發，即在經過了一段時間延遲以后，保證誤碼率不增加的條件下，確保傳輸和發送所有的業務數據；第三，業務可靠轉發，即按照物聯網中各種業務的需求來最大限度地提供所需的資源和服務。

基于物聯網的智能QoS保障機制需要熟悉整個網絡資源的運行策略，有效掌握資源分配信息，根據可以承載和滿足各項業務需求的QoS來建立服務模型，分組調度特定的資源和服務提供智能QoS保障機制。具體來說，可以從三個方面來實現智能QoS保障機制：首先，通過物聯網中各種設備來動態管理和調整不同業務的數據流量，從大量物聯網終端設備中采集和獲得更多不同數量和種類的信息來綜合調度資源，實現智能QoS保障。其次，通過物聯網系統中多個物聯網終端數據處理的統一調度分配和實時有效控制，在數據層對業務進行分類和分組調度，識別進入數據層的不同業務，區分它們的不同屬性，把同一屬性的業務放在一個隊列中，使用分組調度算法和智能控制策略保障不同業務的QoS。最后，通過對大量進行數據采集的傳感設備和控制設備構成的物聯網終端來實現不同類型業務的智能化處理，在控制層根據實際情況有效管理各種業務數據，合理調配它們所需要的服務資源，實現數據快速、可靠地到達目的地終端，為不同的物聯網設備提供相應的QoS保障機制。

3 結語

本文主要分析和研究了物聯網環境下智能QoS保障機制，根據實際情況來有效調度資源、智能保障服務質量，滿足各種業務的QoS需求。在物聯網產業日益成熟的今天，需要針對具體業務應用來為數據傳輸提供實時、可靠和穩定性的QoS保障，并為不同的數據通信方式提供QoS保障。

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湖南省教育廳科學研究項目“基于物聯網的智能QoS保障機制研究”（16C0522）。