構建Ad Hoc網絡跨層協(xié)議交互機制

　　摘要：Ad Hoc網絡中無線信道的時變特性和網絡拓撲的不斷變化導致了鏈路的頻繁斷續(xù)，使得數(shù)據(jù)包大量丟失。這就要求高層應用協(xié)議能夠快速訪問底層傳輸協(xié)議甚至信道的狀態(tài)信息，各層協(xié)議之間能夠根據(jù)需要互相交換信息，迅速作出決策，提高分組接收成功率。本文基于QualNet網絡仿真器設計并實現(xiàn)了一種網絡協(xié)議棧跨層交互的機制。結果表明，利用該機制，能夠快速建立跨層協(xié)議的交互，使得高層協(xié)議及時獲取低層協(xié)議的有用信息，從而可根據(jù)信道的狀況動態(tài)調節(jié)網絡協(xié)議設置，提高分組發(fā)送成功率，優(yōu)化網絡傳輸?shù)男阅堋?

　　關鍵詞：無線，網絡，跨層，自組織，仿真

1.引言

　　傳統(tǒng)的基于TCP/IP的網絡協(xié)議棧將各個協(xié)議層獨立開來，相鄰層之間通過良好的層間接口進行直接通信，而非相鄰層之間不允許進行直接通信。每個協(xié)議層專注于完成本層內部的全部功能，而不必去關心其它層的功能實現(xiàn)。這樣做的好處在于，設備廠商內能夠專注于某一協(xié)議層的網絡設備的開發(fā)，進行功能優(yōu)化與添加，只要保證層間接口的標準化，就不會影響到整個網絡的互通。這一理念鼓勵了設備廠商的技術創(chuàng)新，使得市場上不斷出現(xiàn)質優(yōu)價廉的產品和服務，促成了全球互聯(lián)網Internet的飛速發(fā)展。但是，對于無線動態(tài)網絡和有線、無線混合異構網絡來說，嚴格的分層限制了信息獲取的靈活性，使得網絡設計者無法根據(jù)無線網絡的動態(tài)特性做出自適應優(yōu)化，導致傳統(tǒng)用于有線網絡的嚴格分層的協(xié)議棧在上述網絡中無法高效運行[1]。

　　在一個典型的無線移動自組織網絡（MANET）中，由于無線信道的時變性和節(jié)點的移動性，使得鏈路的斷開、路由的改變頻繁發(fā)生，要維護網絡的正常運行，就要及時發(fā)送網絡控制信息，這就會給目前低帶寬的無線鏈路帶來很大的開銷。在某一層次的性能優(yōu)化也許還會導致全局協(xié)議棧的性能的降低[2]。同時，基于嚴格分層的協(xié)議棧使得高層協(xié)議希望直接得到的網絡底層信息需要經歷幾個中間協(xié)議層才能得到，信息的更新帶有明顯的遲滯性[3]。針對無線網絡的特點及問題，許多研究人員提出，打破基于TCP/IP協(xié)議棧的嚴格分層限制，使得相關協(xié)議層次能夠直接進行信息的交互，從而極大提高網絡的傳輸性能。Vineet Srivastava等人綜述了跨層設計的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，將跨層定義為違反參考協(xié)議棧構架的協(xié)議設計，并將跨層分類為創(chuàng)建新接口、合并相鄰層、無新接口的耦合設計和全局垂直信息交互四種[4]。Taesang Yoo等人利用NS-2網絡仿真器構建了一個跨層設計框架用以研究Ad Hoc網絡上的視頻傳輸性能[5]。XinSheng Xia和Qilian Liang利用OPNET建立了一個MAC層和物理層耦合的跨層機制[6]。Ning Yang等人基于NS-2建立了物理層和介質訪問控制（MAC）層、網絡層和MAC層之間的信息交互[7]。

　　目前的跨層協(xié)議研究大多是基于網絡仿真器軟件實現(xiàn)的，跨層協(xié)議交互的研究主要針對于有延時限制的多媒體信息傳輸，而仿真軟件的仿真速度及實時性影響著許多研究的順利開展，例如我們建立的Ad Hoc網絡實時視頻傳輸實驗平臺就必須要依托于高速的網絡仿真引擎[8]。同時，仿真工具的易用性也影響著我們的研究進度。基于上述原因，我們選擇QualNet作為我們的網絡仿真工具，取得了良好的效果。

　　本文首先介紹了QualNet網絡仿真器及與我們跨層協(xié)議實現(xiàn)相關的消息處理機制，接著以應用層和網絡層跨層交互為例，講解了如何在QualNet里面實現(xiàn)跨層協(xié)議設計，然后給出了不同節(jié)點、不同應用之間跨層協(xié)議交互的設計實現(xiàn)。最后總結全文并指出下一步的工作方向。

2.QualNet及其消息處理機制

　　2.1QualNet網絡仿真器

　　QualNet是一種應用于無線、有線以及混合動態(tài)網絡的快速而且精確的開發(fā)、仿真系統(tǒng)。Scalable Network Technologies Inc.公司將美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)開發(fā)的開放源代碼的GloMoSim成功地轉化為了商業(yè)版本——QualNet。目前已經在世界范圍內50多個國家和地區(qū)得到了推廣應用，它的客戶主要是美國的大的軍方項目承包商，包括DARPA、微軟、NASA、雷神、美國空軍等，目前已經成為美國軍方網絡中心戰(zhàn)及未來作戰(zhàn)系統(tǒng)（FCS）的主要仿真平臺。

　　2.2QualNet協(xié)議棧構架

　　QualNet協(xié)議棧的設計遵循著TCP/IP網絡協(xié)議棧分層結構，如圖1所示。但是，QualNet還提供了一套完整的消息傳遞機制，使得我們能夠進行類似圖2所示的跨層協(xié)議開發(fā)。







圖1 QualNet分層協(xié)議棧 圖2 跨層協(xié)議示例


　　2.3QualNet消息處理流程

　　以應用層恒定比特率（CBR）協(xié)議為例，QualNet標準協(xié)議棧的內部消息處理流程如圖3所示。





圖3 QualNet內部消息處理流程


　　首先，應用層對CBR分組使用MESSAGE_Alloc( )函數(shù)分配內存空間，并利用MESSAGE_PacketAlloc( )函數(shù)將用戶載荷拷貝到packet結構體指針，通過MESSAGE_Send( )遞交給傳輸層，傳輸層利用MESSAGE_AddHeader( )函數(shù)增加一個TCP或者UDP頭，通過MESSAGE_Send( )函數(shù)遞交給網絡層，網絡層通過路由尋徑，增加了IP頭以后遞交給MAC子層，MAC子層增加MAC幀頭后遞交給物理層，經過相應的編碼、調制、天線發(fā)射出去，經過無線信道的模擬傳輸，歷經了衰落、多徑、損耗，到達接收端，如果發(fā)生差錯就要根據(jù)MAC層設置進行相應的處理，如重傳。接收端的處理過程與發(fā)送端相反，經過MESSAGE_RemoveHeader( )函數(shù)層層剝離協(xié)議頭，將消息遞交給上層進行相應的處理，最終到達目的應用協(xié)議，利用MESSAGE_Free( )函數(shù)釋放掉由發(fā)送端使用的MESSAGE_Alloc( )函數(shù)和MESSAGE_PacketAlloc( )函數(shù)分配的內存空間。

　　可見，如果要想實現(xiàn)跨層信息交互，就要在執(zhí)行MESSAGE_Send( )函數(shù)的時候，將原來的消息參數(shù)進行相應的更改，使得仿真器經過事件調度以后能夠將此消息遞交給期望的處理函數(shù)。下面，我們就將CBR協(xié)議進行修改，實現(xiàn)如圖2所示的繞過UDP傳輸協(xié)議直接將CBR分組遞交給IP層的跨層協(xié)議交互功能。

3基于QualNet的跨層交互機制

　　如圖2所示，跨層協(xié)議交互分為兩個部分，一部分是應用層直接將數(shù)據(jù)遞交給IP層處理，另一部分是IP層將數(shù)據(jù)繞過UDP協(xié)議傳送到CBR處理函數(shù)入口。

　　3.1應用層到網絡層的通信

　　常規(guī)協(xié)議棧中，基于UDP的應用層協(xié)議將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送到UDP，添加UDP頭后發(fā)送到IP。為了使得CBR能直接將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送到IP，我們就要首先確定UDP使用了哪些接口來和網絡層進行通信，然后在CBR和IP之間使用相同的接口。

　　圖4所示為分層的協(xié)議棧接口，可以看到，CBR調用接口函數(shù)APP_UdpSendNewHeaderVirtualDataWithPriority( )將CBR數(shù)據(jù)發(fā)送給UDP協(xié)議，UDP協(xié)議調用接口函數(shù)NetworkIpReceivePacketFromTransportLayer( )將數(shù)據(jù)發(fā)送給IP，接著IP進行相應的處理并調用函數(shù)RoutePacketAndSendToMac( )將數(shù)據(jù)包發(fā)送到MAC層。我們所需要做的，就是要將原來的數(shù)據(jù)通路打斷，讓CBR協(xié)議直接調用接口函數(shù)NetworkIpReceivePacketFromTransportLayer( )，并傳遞相應的參數(shù)。





圖4 CBR協(xié)議層間接口（左：分層；右：跨層）


　　3.2網絡層到應用層的通信

　　對于網絡層到應用層的跨層通信，首先要確定傳輸層和應用層之間使用的是什么接口函數(shù)，然后使得網絡層使用相同的接口將數(shù)據(jù)傳遞給應用層。網絡層函數(shù)DeliverPacket( )從接收到的IP包的頭內讀取接收端協(xié)議編號ipProtocolNumber，將數(shù)據(jù)包傳遞給目的協(xié)議。對于一個基于UDP的應用程序，DeliverPacket( )使用函數(shù)SendToUdp( )發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)包給UDP，因而，將數(shù)據(jù)包傳遞給應用層就要使用UDP函數(shù)TransportUdpSendToApp( )。為了使得IP能夠直接向CBR發(fā)送數(shù)據(jù)，編寫一個函數(shù)SendToCbr( )并修改DeliverPacket( )使之調用SendToCbr( )向CBR發(fā)送數(shù)據(jù)包，該修改過程的偽代碼如圖5所示。

4跨層仿真實例

　　我們針對上述的CBR跨層協(xié)議交互，進行了無線移動Ad Hoc網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆抡鎸嶒灒瑢嶒灲Y果表明，即使是經過簡單的跨層交互（只是跨過了傳輸層），較之嚴格分層的協(xié)議棧，分組投送成功數(shù)量提高了33%。

　　4.1實驗設置

　　我們選取了1000M