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

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

0 引言
無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，又稱(chēng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )，是不依賴(lài)于任何固定基礎設施的移動(dòng)節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)聯(lián)合體。它具有無(wú)需基礎設施支持、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用(如軍事應用、緊急救助、災難援助、醫療應用、電子商務(wù)等)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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 )支持多種多媒體應用，例如VoIP、視頻會(huì )議、實(shí)時(shí)協(xié)作等。
在上述應用中，通常都要求語(yǔ)音圖像等應用信息能實(shí)時(shí)準確傳送，文件下載等應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機制。但是，由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )所具有的節點(diǎn)對等性、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 跨層設計的背景
目前，對無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的研究主要的仍然是采用傳統的Internet分層協(xié)議體系結構，在該體系的指導下，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 )設計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立設計和工作的，只在層與層之間有靜態(tài)的、與網(wǎng)絡(luò )各層的限制和應用無(wú)關(guān)的接口。分層結構極大程度地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )設計，并導致了因特網(wǎng)中健壯的、可升級的協(xié)議，然而這種嚴格的分層設計方法缺乏靈活性，不能很好地適應無(wú)線(xiàn)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(xiāo)、信息冗余以及對等層間的通信開(kāi)銷(xiāo)。對于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，為了應對這些開(kāi)銷(xiāo)以及網(wǎng)絡(luò )其它層的動(dòng)態(tài)變化，設計大都是通過(guò)過(guò)度的冗余設計網(wǎng)絡(luò )每一層來(lái)處理的。然而，無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的能量和帶寬等資源嚴重受限，因為對等層通信要消耗大量的帶寬和能量資源，所以，分層結構的這種設計方式進(jìn)一步加劇了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的能量效率、QoS支持、安全和可擴展性問(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?xún)?yōu)化。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化過(guò)程中，各個(gè)層次的獨立優(yōu)化不一定會(huì )帶來(lái)整個(gè)系統的性能優(yōu)化，尤其是當能量受到限制、或是應用程序帶寬需要很大、或者延遲受到嚴格的限制的時(shí)候。為了達到這些要求，需要具有自適應性和協(xié)議棧多層優(yōu)化的跨層協(xié)議設計，因而就出現了無(wú)線(xiàn)Ad Hoc，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò )中出現了支持跨層交互和實(shí)施性能優(yōu)化的跨層設計方法。近年來(lái)，在無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中，應用跨層設計的思想受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

2 跨層設計原理
跨層設計思想是相對于OSI模型而言的，目前并沒(méi)有明確的定義。其總體目標是通過(guò)提高協(xié)議間在本地端的交互，來(lái)降低遠程通信，節省帶寬以達到優(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)，包括設計、生產(chǎn)和維護。嚴格的分層能保證各層間可控制的交互，開(kāi)發(fā)和維護任何一層與其他層都是相對獨立的。在跨層設計的時(shí)候，應當保持模塊結構的優(yōu)點(diǎn)，盡量和已有的成熟標準兼容，少或不修改傳統層次中的核心功能；不僅需要考慮靜態(tài)跨層優(yōu)化設計，還要考慮動(dòng)態(tài)優(yōu)化跨層自適應。
在無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )設計中，將整個(gè)分層協(xié)議棧整體進(jìn)行跨層設計過(guò)于復雜，也難以實(shí)現，科學(xué)有效的做法是根據無(wú)線(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )需要，應用QoS的約束條件，策略地選擇若干層次進(jìn)行跨層設計。
跨層設計意味著(zhù)移動(dòng)通信系統協(xié)議棧內的每個(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，跨層設計機制主要包括兩類(lèi)：一類(lèi)是由上層到下層的機制；另一類(lèi)是由下層到上層的機制。
由上層到下層的機制將信息由上層傳遞到下層。例如應用層可將其相關(guān)信息(傳輸時(shí)延或分組丟失率)傳遞到鏈路層，使得鏈路層能夠調整其糾錯機制?；蛘邞脤拥膬?yōu)先級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整，以獲得相應的優(yōu)先級。
由下層到上層的機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用層，使得應用層能夠調整其發(fā)送速率?；蛘呶锢韺訉⑿诺浪ヂ湫畔鬟f到鏈路層，從而使鏈路層能夠根據信道條件調整數據的發(fā)送方式。
在分層設計方式中，很多時(shí)候，多個(gè)層往往可能需要做重復的計算和無(wú)謂的交互來(lái)得到一些其他層次很容易得到的信息，以至于浪費較長(cháng)的時(shí)間?？鐚釉O計與優(yōu)化的優(yōu)勢在于通過(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(xiāo)，優(yōu)化系統整體性能。與傳統的分層結構相比，跨層協(xié)議棧的層間交互要復雜些，各層需要了解其他層的行為并需要更多的專(zhuān)用接口，因而會(huì )降低通用性。但是，跨層設計方法的好處是：各層協(xié)議和功能模塊的協(xié)同有助于消除冗余功能；采用消息驅動(dòng)的控制方法，任意層之間可以交互信息；針對特定的場(chǎng)合進(jìn)行集成設計和優(yōu)化可以較好地匹配應用需求和網(wǎng)絡(luò )條件?？紤]到無(wú)線(xiàn)信道有限的帶寬資源、信道的時(shí)變特性以及節點(diǎn)自身的局限性，跨層設計方法的優(yōu)勢所帶來(lái)的好處遠遠大于層間交互帶來(lái)的協(xié)議設計復雜的缺點(diǎn)。