無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)跨層QoS保證的方法與應(yīng)用探析

摘要：介紹了無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)的背景，指出了傳統(tǒng)因特網(wǎng)的QoS方法無(wú)法完全照搬到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上，而跨層設(shè)計(jì)是能夠有效解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題的有效方法。同時(shí)，對(duì)跨層設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行了探討，進(jìn)而提出了一種跨層設(shè)計(jì)的方法。另外，對(duì)跨層信令的交互、內(nèi)部消息的格式、外部消息的格式做出了規(guī)定，并用實(shí)例說(shuō)明了這種跨層設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)施過(guò)程。
關(guān)鍵詞：無(wú)線自組網(wǎng)；服務(wù)質(zhì)量；跨層設(shè)計(jì)；信令交互

0 引言
無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，又稱移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，是不依賴于任何固定基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)聯(lián)合體。它具有無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施支持、高度動(dòng)態(tài)、移動(dòng)通信等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用(如軍事應(yīng)用、緊急救助、災(zāi)難援助、醫(yī)療應(yīng)用、電子商務(wù)等)。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們需要移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)支持多種多媒體應(yīng)用，例如VoIP、視頻會(huì)議、實(shí)時(shí)協(xié)作等。
在上述應(yīng)用中，通常都要求語(yǔ)音圖像等應(yīng)用信息能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳送，文件下載等應(yīng)用則要求有較好的帶寬和較低的丟失率。因此，人們迫切需要移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具備良好的Qos機(jī)制。但是，由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)所具有的節(jié)點(diǎn)對(duì)等性、動(dòng)態(tài)性和能量有限性等特點(diǎn)，互聯(lián)網(wǎng)QoS控制機(jī)制在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上往往無(wú)法使用，而且在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上要提供Qos控制支持則更為困難。

1 跨層設(shè)計(jì)的背景
目前，對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究主要的仍然是采用傳統(tǒng)的Internet分層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，在該體系的指導(dǎo)下，在網(wǎng)絡(luò)的不同層展開(kāi)了大量的研究。但是，這些研究基本上都忽略了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的整體需求和各層功能之間的相關(guān)性。協(xié)議棧的每一層都是獨(dú)立設(shè)計(jì)和工作的，只在層與層之間有靜態(tài)的、與網(wǎng)絡(luò)各層的限制和應(yīng)用無(wú)關(guān)的接口。分層結(jié)構(gòu)極大程度地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并導(dǎo)致了因特網(wǎng)中健壯的、可升級(jí)的協(xié)議，然而這種嚴(yán)格的分層設(shè)計(jì)方法缺乏靈活性，不能很好地適應(yīng)無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中，層與層之間的信息難以共享，也增加了大量難以控制的鏈路開(kāi)銷、信息冗余以及對(duì)等層間的通信開(kāi)銷。對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，為了應(yīng)對(duì)這些開(kāi)銷以及網(wǎng)絡(luò)其它層的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)計(jì)大都是通過(guò)過(guò)度的冗余設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)每一層來(lái)處理的。然而，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的能量和帶寬等資源嚴(yán)重受限，因?yàn)閷?duì)等層通信要消耗大量的帶寬和能量資源，所以，分層結(jié)構(gòu)的這種設(shè)計(jì)方式進(jìn)一步加劇了無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和能量資源的限制，使得網(wǎng)絡(luò)性能惡化。
無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的能量效率、QoS支持、安全和可擴(kuò)展性問(wèn)題都涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各個(gè)層次，需要多個(gè)協(xié)議層共同配合得以優(yōu)化。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，各個(gè)層次的獨(dú)立優(yōu)化不一定會(huì)帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的性能優(yōu)化，尤其是當(dāng)能量受到限制、或是應(yīng)用程序帶寬需要很大、或者延遲受到嚴(yán)格的限制的時(shí)候。為了達(dá)到這些要求，需要具有自適應(yīng)性和協(xié)議棧多層優(yōu)化的跨層協(xié)議設(shè)計(jì)，因而就出現(xiàn)了無(wú)線Ad Hoc，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了支持跨層交互和實(shí)施性能優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì)方法。近年來(lái)，在無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用跨層設(shè)計(jì)的思想受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

2 跨層設(shè)計(jì)原理
跨層設(shè)計(jì)思想是相對(duì)于OSI模型而言的，目前并沒(méi)有明確的定義。其總體目標(biāo)是通過(guò)提高協(xié)議間在本地端的交互，來(lái)降低遠(yuǎn)程通信，節(jié)省帶寬以達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目的，但同時(shí)也必須考慮跨層所需付出的代價(jià)，包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。嚴(yán)格的分層能保證各層間可控制的交互，開(kāi)發(fā)和維護(hù)任何一層與其他層都是相對(duì)獨(dú)立的。在跨層設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)保持模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，盡量和已有的成熟標(biāo)準(zhǔn)兼容，少或不修改傳統(tǒng)層次中的核心功能；不僅需要考慮靜態(tài)跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要考慮動(dòng)態(tài)優(yōu)化跨層自適應(yīng)。
在無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，將整個(gè)分層協(xié)議棧整體進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，也難以實(shí)現(xiàn)，科學(xué)有效的做法是根據(jù)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)需要，應(yīng)用QoS的約束條件，策略地選擇若干層次進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)。
跨層設(shè)計(jì)意味著移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)的每個(gè)層都能夠與其他層進(jìn)行信息交互，從而使得各層都能夠利用其它層的信息來(lái)控制自身的工作過(guò)程。一個(gè)層既能與上層交互信息，也能與下層交互信息。處于不同設(shè)備的不同層之間也能夠進(jìn)行信息交互。進(jìn)行信息交互的層包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層及物理層。就目前的研究情況而言，跨層設(shè)計(jì)機(jī)制主要包括兩類：一類是由上層到下層的機(jī)制；另一類是由下層到上層的機(jī)制。
由上層到下層的機(jī)制將信息由上層傳遞到下層。例如應(yīng)用層可將其相關(guān)信息(傳輸時(shí)延或分組丟失率)傳遞到鏈路層，使得鏈路層能夠調(diào)整其糾錯(cuò)機(jī)制?；蛘邞?yīng)用層的優(yōu)先級(jí)信息被傳遞到傳輸控制協(xié)議(TCP)層，從而使其接收窗口能夠得到調(diào)整，以獲得相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。
由下層到上層的機(jī)制將信息由下層傳遞到上層。例如TCP層的分組丟失率被傳遞到應(yīng)用層，使得應(yīng)用層能夠調(diào)整其發(fā)送速率。或者物理層將信道衰落信息傳遞到鏈路層，從而使鏈路層能夠根據(jù)信道條件調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送方式。
在分層設(shè)計(jì)方式中，很多時(shí)候，多個(gè)層往往可能需要做重復(fù)的計(jì)算和無(wú)謂的交互來(lái)得到一些其他層次很容易得到的信息，以至于浪費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間?？鐚釉O(shè)計(jì)與優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)使用層間交互，不同的層次可以及時(shí)共享本地信息，以減少處理和通信開(kāi)銷，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。與傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)相比，跨層協(xié)議棧的層間交互要復(fù)雜些，各層需要了解其他層的行為并需要更多的專用接口，因而會(huì)降低通用性。但是，跨層設(shè)計(jì)方法的好處是：各層協(xié)議和功能模塊的協(xié)同有助于消除冗余功能；采用消息驅(qū)動(dòng)的控制方法，任意層之間可以交互信息；針對(duì)特定的場(chǎng)合進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以較好地匹配應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)條件?？紤]到無(wú)線信道有限的帶寬資源、信道的時(shí)變特性以及節(jié)點(diǎn)自身的局限性，跨層設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)所帶來(lái)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間交互帶來(lái)的協(xié)議設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺點(diǎn)。