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

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

0 引言
無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，又稱移動自組織網(wǎng)絡(luò)，是不依賴于任何固定基礎(chǔ)設(shè)施的移動節(jié)點的動態(tài)聯(lián)合體。它具有無需基礎(chǔ)設(shè)施支持、高度動態(tài)、移動通信等優(yōu)點，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)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們需要移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)支持多種多媒體應(yīng)用，例如VoIP、視頻會議、實時協(xié)作等。
在上述應(yīng)用中，通常都要求語音圖像等應(yīng)用信息能實時準(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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具備良好的Qos機制。但是，由于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)所具有的節(jié)點對等性、動態(tài)性和能量有限性等特點，互聯(lián)網(wǎng)QoS控制機制在移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)上往往無法使用，而且在移動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)計的背景
目前，對無線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(shè)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(yīng)用無關(guān)的接口。分層結(jié)構(gòu)極大程度地簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并導(dǎo)致了因特網(wǎng)中健壯的、可升級的協(xié)議，然而這種嚴(yán)格的分層設(shè)計方法缺乏靈活性，不能很好地適應(yīng)無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點。在實際的網(wǎng)絡(luò)通信過程中，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銷、信息冗余以及對等層間的通信開銷。對于有線網(wǎng)絡(luò)來說，為了應(yīng)對這些開銷以及網(wǎng)絡(luò)其它層的動態(tài)變化，設(shè)計大都是通過過度的冗余設(shè)計網(wǎng)絡(luò)每一層來處理的。然而，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的能量和帶寬等資源嚴(yán)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(jié)構(gòu)的這種設(shè)計方式進(jìn)一步加劇了無線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。
無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的能量效率、QoS支持、安全和可擴展性問題都涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各個層次，需要多個協(xié)議層共同配合得以優(yōu)化。在實際的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，各個層次的獨立優(yōu)化不一定會帶來整個系統(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，因而就出現(xiàn)了無線Ad Hoc，同時在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了支持跨層交互和實施性能優(yōu)化的跨層設(shè)計方法。近年來，在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用跨層設(shè)計的思想受到了越來越多的關(guān)注。

2 跨層設(shè)計原理
跨層設(shè)計思想是相對于OSI模型而言的，目前并沒有明確的定義。其總體目標(biāo)是通過提高協(xié)議間在本地端的交互，來降低遠(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，但同時也必須考慮跨層所需付出的代價，包括設(shè)計、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，開發(fā)和維護(hù)任何一層與其他層都是相對獨立的。在跨層設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)保持模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，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，還要考慮動態(tài)優(yōu)化跨層自適應(yīng)。
在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，將整個分層協(xié)議棧整體進(jìn)行跨層設(shè)計過于復(fù)雜，也難以實現(xiàn)，科學(xué)有效的做法是根據(jù)無線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。
跨層設(shè)計意味著移動通信系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)的每個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控制自身的工作過程。一個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)計機制主要包括兩類：一類是由上層到下層的機制；另一類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(yīng)用層可將其相關(guān)信息(傳輸時延或分組丟失率)傳遞到鏈路層，使得鏈路層能夠調(diào)整其糾錯機制。或者應(yīng)用層的優(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(diào)整，以獲得相應(yīng)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(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)計方式中，很多時候，多個層往往可能需要做重復(fù)的計算和無謂的交互來得到一些其他層次很容易得到的信息，以至于浪費較長的時間?？鐚釉O(shè)計與優(yōu)化的優(yōu)勢在于通過使用層間交互，不同的層次可以及時共享本地信息，以減少處理和通信開銷，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，因而會降低通用性。但是，跨層設(shè)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(qū)動的控制方法，任意層之間可以交互信息；針對特定的場合進(jìn)行集成設(shè)計和優(yōu)化可以較好地匹配應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)條件?？紤]到無線信道有限的帶寬資源、信道的時變特性以及節(jié)點自身的局限性，跨層設(shè)計方法的優(yōu)勢所帶來的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層間交互帶來的協(xié)議設(shè)計復(fù)雜的缺點。