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)計的基本原理進行了探討，進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、或者延遲受到嚴格的限制的時候。為了達到這些要求，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。其總體目標是通過提高協(xié)議間在本地端的交互，來降低遠程通信，節(jié)省帶寬以達到優(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。嚴格的分層能保證各層間可控制的交互，開發(fā)和維護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)當保持模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，盡量和已有的成熟標準兼容，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)議棧整體進行跨層設(shè)計過于復(fù)雜，也難以實現(xiàn)，科學有效的做法是根據(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行信息交互。進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?；蛘邞?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)勢所帶來的好處遠遠大于層間交互帶來的協(xié)議設(shè)計復(fù)雜的缺點。

    圖1所示是Internet協(xié)議和Ad Hoc跨層等兩種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則圖。其中固定Internet的網(wǎng)絡(luò)拓撲是準靜態(tài)的，相鄰路由器之間的鏈路帶寬充足，網(wǎng)絡(luò)的瓶頸是路由器的處理能力和存儲容量。因此，Internet的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往通過使用較多鏈路帶寬來減少路由器的處理和存儲資源的耗費，即強調(diào)相鄰路由器對等實體之間的水平通信，以盡量減少路由器內(nèi)協(xié)議棧各層間的垂直通信(如圖1(a)所示)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的鏈路帶寬和主機能量非常稀少，并且能量主要消耗在發(fā)送和接收分組上，而主機處理能力和存儲空間相對較高。為了節(jié)省帶寬和能量，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該盡量減少節(jié)點間水平方向的通信。跨層設(shè)計方法正是這種設(shè)計原則的一種具體體現(xiàn)，它通過增加協(xié)議棧各層之間的垂直交互來減少協(xié)議層對等實體之間的水平通信(如圖1(b)所示)，協(xié)議棧中各層協(xié)議在邏輯上是耦合的，因而減少了不必要的水平通信所造成的資源浪費。

3 跨層設(shè)計方法的特點
    通過對傳統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)的研究，可以確定現(xiàn)有層間通信方法的一些主要缺點。
    首先，通過協(xié)議棧的信號傳播方法效率不高(例如ICMP方式)。一層一層傳播的方法只是僅僅遵循了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?。因此，中間層必須被涉及到，即使消息源層和目的層才是事實上的目標。這將導(dǎo)致不必要的處理和傳播時延。傳統(tǒng)的層間通信必須相鄰，逐層傳播的方法僅僅遵循數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?。因此，會?dǎo)致不必要的處理和傳播時延。
    其次，信號的信息格式，即對上行和下行的動態(tài)信號來說不夠靈活，也對各個節(jié)點內(nèi)外的不同信號來說不夠優(yōu)化，而且，所需要的信號格式應(yīng)該是更豐富的信今方式，而不是簡單的跨層暗示(Cross-layer hints)和通知(notifications)。
    因此，本文給出了一種跨層設(shè)計的方法，希望使其成為一種高效率、靈活和包容性好的機制。它具有如下特性：
3．1 不相鄰層間的直接信令傳輸
    跨層設(shè)計方法的基本思想是打破層排序的制約，但保留層結(jié)構(gòu)(layering structure)。舉例來說，激活應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間的直接通信，而不需通過中間層(傳輸層)。雖然這種方法對原有的分層協(xié)議棧來說并不是不能使用，但它僅僅作為異常情況出現(xiàn)，而不是設(shè)計為一般處理應(yīng)有的功能。又如GSM中，第三層實體RRM(Radio Resource Management)直接訪問物理層。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的一個專門的API被定義在一個軟件模擬器GloMoSim中。同樣的法則也可應(yīng)用在基于軟件的真實世界的應(yīng)用中。顯然，這一機制也應(yīng)用在相鄰層間的信號傳播中。這一特性的概念如圖2所示。下面是對協(xié)議棧傳播時延的簡單分析：

    對于消息一層一層傳播的方法，兩層間的上行(或反過來)傳播時延，其第一層(源層，不一定是物理層)和第n層(目的層，本情況中1<n≤5)可以用公式表達為：


    與逐層傳遞相比，不相鄰層間的直接信令傳輸?shù)膫鞑r延只有前者的1／(n-1)。層數(shù)越多，它就越有意義。只有當n=2(相鄰層間傳播信號)時，兩者才沒有區(qū)別。
3．2 消息格式
    對內(nèi)部消息傳播，沒有必要使用標準協(xié)議，它通常都很繁瑣和低效，特別是對網(wǎng)絡(luò)中差錯控制的傳播。內(nèi)部信號傳輸使用ICMP消息，除了大IP報文頭(對IPv4來說20字節(jié))，一個普通的ICMP報文頭本身是8字節(jié)，所需的校驗字段為2字節(jié)，占了25％。因此，縮減額外的報文頭和將字段最小化可以將內(nèi)部消息格式簡單化。雖然報文頭壓縮技術(shù)正在發(fā)展，但這仍然是另一個領(lǐng)域的問題。從本質(zhì)上來說，交互消息只需要目的地址、事件類型、事件內(nèi)容等三個字段。其中，目的地址包括目的層和目的協(xié)議或應(yīng)用程序；事件類型用于標志一個參數(shù)；事件內(nèi)容主要是參數(shù)值。
    如果為目的地址和事件類型各分配一個字節(jié)并假設(shè)事件內(nèi)容字段占2字節(jié)，整個消息大小為4字節(jié)。類似的，檢查一個IPv4封裝的、有8字節(jié)報文頭和2字節(jié)內(nèi)容的ICMP消息，整個消息大小為30字節(jié)，是“輕量”消息的7．5倍。引入一個可選字段Next Event，消息也可以用累計的方式傳播。
    對于外部消息，ICMP可以用于一般消息，而TCP／IP報文頭則可用于較短的通告。
3．3 消息控制協(xié)議
    消息控制協(xié)議的目的是期望可以用一種優(yōu)化和組織得當?shù)姆椒▉肀ＷC密集的消息，同時通過不同的層，從而達到高效率并避免沖突?？梢砸訧CMP中的消息產(chǎn)生和讀取的機制為基礎(chǔ)。一般，每當層中有參數(shù)發(fā)生重大變化，這個層將產(chǎn)生一個帶有l(wèi)ayer-specific參數(shù)的消息。在協(xié)議里，函數(shù)調(diào)用用來設(shè)置和取得參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)用則用來讀取消息。特別的，層間實際互操作依賴于任務(wù)并且在協(xié)議中有詳細描述。
    本文所提出的跨層設(shè)計方法是一種框架，能使用在不同的應(yīng)用場景。真正的優(yōu)化不僅要求跨層設(shè)計，還要求有跨層適應(yīng)性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有一定的適應(yīng)能力，例如許多通信系統(tǒng)使用信號處理方法來適應(yīng)信道環(huán)境的變化，通過調(diào)整路由表來適應(yīng)業(yè)務(wù)負載的變化。然而，這樣的調(diào)整是隔絕在特定層中的?？鐚舆m應(yīng)性將允許所有網(wǎng)絡(luò)功能在不同功能之間傳送信息并適應(yīng)，以便滿足QoS需求變化、網(wǎng)絡(luò)負載變化和信道條件變化的要求。不難理解，跨層設(shè)計要求網(wǎng)絡(luò)各層的靜態(tài)優(yōu)化，而適應(yīng)性則要求跨層動態(tài)優(yōu)化。

4 設(shè)計過程
    在某個特定管理任務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域利用跨層設(shè)計方法時，要遵循一個特定的設(shè)計程序。本文用一個例子來說明在使用跨層設(shè)計方法時所經(jīng)過的程序，這個例子使用一個自適應(yīng)的多層無線Qos的協(xié)議棧，圖3所示是跨層QoS自適應(yīng)協(xié)議棧模型。該模型的基本思想是在實時和非實時應(yīng)用和其下的層之間，通過交互和響應(yīng)可控制的QoS參數(shù)來實現(xiàn)自適應(yīng)應(yīng)用和協(xié)議。

    首先要確定每一層對此任務(wù)特定的貢獻?，F(xiàn)存的層特定機制或協(xié)議使得這些貢獻之間是相互獨立的，可以從中選擇合適的，如有必要，也可增加一些服務(wù)，并將其引入?yún)f(xié)議棧。例如將IntServ或Diffserv引入網(wǎng)絡(luò)層，用作基于IP的QoS管理。為了控制誤比特率，可以引入前向糾錯FEC和可選擇的ARQ到鏈路層中。傳輸層中的TCP／RTP可以處理延遲抖動以及和錯誤相關(guān)的參數(shù)(如包丟失率)等等。
    第二是設(shè)計出各層中需要跨層的信息。一個跨層的信息可以是其他層有興趣的一個參數(shù)，也可以是需要向其感興趣的層顯示的結(jié)果、行為、功能、動作。前者是可選的環(huán)境度量，比如無線系統(tǒng)中經(jīng)常會用到的信噪比和接收信號強度等?，F(xiàn)以IP級的數(shù)據(jù)交換為例來說明這個問題：在整個交換過程中，傳輸層需要調(diào)整自己的行為，比如，TCP可以被通知時間上的掛起，從而避免重發(fā)。又比如，通過鏈路層到傳輸層的聯(lián)合差錯控制來控制誤碼率。類似的，鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層也可以在幀和包的級別上分別控制限制延遲的傳輸，因此，聯(lián)合延遲控制也是可能的。傳輸層負責報告與差錯有關(guān)的參數(shù)和應(yīng)用層的延遲抖動，網(wǎng)絡(luò)層報告延遲的限制，所有參數(shù)都編碼成固定的消息格式。
    第三，是用所有交互的信息確定層之間如何交互來完成任務(wù)。在這個為適應(yīng)QoS改編的例子中，一個應(yīng)用需要用所有相關(guān)層的可控制參數(shù)和相應(yīng)的值(或值域)來描述其QoS的要求。一般的，一個實時服務(wù)可以忍受較高的包丟失率或誤碼率，但是，要保證延遲和抖動足夠小。而非實時的業(yè)務(wù)通常有著相反的需求。各層可以報告應(yīng)用參數(shù)的任何重大變化，它們將隨著變化相應(yīng)地做出改變。而且，最下層發(fā)出的測量報告，加上其他參數(shù)，將對上下文有關(guān)的應(yīng)用有好處。一個應(yīng)用甚至可以為了成本、能量和節(jié)約資源等目的，而與相關(guān)的層就某個參數(shù)進行協(xié)商，直至最小或需求得到滿足。在接收到一個這樣的請求時，相關(guān)層將相應(yīng)地改變它的行為(如停止一個可選的控制機制)。這個行為調(diào)整可以看做是協(xié)議調(diào)整，因此，在這種情況下，應(yīng)用和相關(guān)層之間的調(diào)整是互惠的。
    特別需要說明的是，對于一個復(fù)雜的任務(wù)，可能需要一個該任務(wù)特有的協(xié)調(diào)模塊來用一種聯(lián)合的方式完全調(diào)用各層的服務(wù)，或者為了使用方便，需要用集合方式管理相關(guān)的信息。在這種情況下，可以在應(yīng)用層中設(shè)置一個模塊來收集接收到的參數(shù)，之后，感興趣的應(yīng)用就可以訪問這個模塊取得想要的參數(shù)，這樣，重復(fù)傳送信號就可以避免了。使用上面的方法甚至可以得到一個基于IP的支持移動的協(xié)議棧，從而用一種綜合的方式處理QoS、無線電資源、能量等管理問題。

5 結(jié)語
    現(xiàn)有QoS各層的控制策略相互獨立，局部優(yōu)化性和多層重復(fù)相似控制策略的冗余性限制了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的性能。隨著無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，跨層設(shè)計越來越受到人們的重視?？鐚釉O(shè)計是無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的重要研究課題，通過跨層設(shè)計能較好地克服無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無中心控制節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)拓撲快速變化、節(jié)點資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬受限等問題所帶來的影響，同時能夠更好地滿足無線環(huán)境內(nèi)更高數(shù)據(jù)速率的要求，使實現(xiàn)端到端的QoS成為可能。