無線Ad Hoc網(wǎng)絡跨層QoS保證的方法與應用探析

摘要：介紹了無線Ad Hoc網(wǎng)絡跨層設計的背景，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)絡上，而跨層設計是能夠有效解決Ad Hoc網(wǎng)絡服務質量問題的有效方法。同時，對跨層設計的基本原理進行了探討，進而提出了一種跨層設計的方法。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計方法的具體實施過程。
關鍵詞：無線自組網(wǎng)；服務質量；跨層設計；信令交互

0 引言
無線Ad Hoc網(wǎng)絡，又稱移動自組織網(wǎng)絡，是不依賴于任何固定基礎設施的移動節(jié)點的動態(tài)聯(lián)合體。它具有無需基礎設施支持、高度動態(tài)、移動通信等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用(如軍事應用、緊急救助、災難援助、醫(yī)療應用、電子商務等)。隨著無線網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，人們需要移動Ad Hoc網(wǎng)絡支持多種多媒體應用，例如VoIP、視頻會議、實時協(xié)作等。
在上述應用中，通常都要求語音圖像等應用信息能實時準確傳送，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Ad Hoc網(wǎng)絡具備良好的Qos機制。但是，由于移動Ad Hoc網(wǎng)絡所具有的節(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)絡上往往無法使用，而且在移動Ad Hoc網(wǎng)絡上要提供Qos控制支持則更為困難。

1 跨層設計的背景
目前，對無線Ad Hoc網(wǎng)絡的研究主要的仍然是采用傳統(tǒng)的Internet分層協(xié)議體系結構，在該體系的指導下，在網(wǎng)絡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)絡設計的整體需求和各層功能之間的相關性。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)絡各層的限制和應用無關的接口。分層結構極大程度地簡化了網(wǎng)絡設計，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，不能很好地適應無線AdHoc網(wǎng)絡的特點。在實際的網(wǎng)絡通信過程中，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)絡來說，為了應對這些開銷以及網(wǎng)絡其它層的動態(tài)變化，設計大都是通過過度的冗余設計網(wǎng)絡每一層來處理的。然而，無線Ad Hoc網(wǎng)絡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一步加劇了無線Ad Hoc網(wǎng)絡帶寬資源和能量資源的限制，使得網(wǎng)絡性能惡化。
無線Ad Hoc網(wǎng)絡的能量效率、QoS支持、安全和可擴展性問題都涉及網(wǎng)絡協(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，需要具有自適應性和協(xié)議棧多層優(yōu)化的跨層協(xié)議設計，因而就出現(xiàn)了無線Ad Hoc，同時在網(wǎng)絡中出現(xiàn)了支持跨層交互和實施性能優(yōu)化的跨層設計方法。近年來，在無線Ad Hoc網(wǎng)絡中，應用跨層設計的思想受到了越來越多的關注。

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。在跨層設計的時候，應當保持模塊結構的優(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)化設計，還要考慮動態(tài)優(yōu)化跨層自適應。
在無線Ad Hoc網(wǎng)絡設計中，將整個分層協(xié)議棧整體進行跨層設計過于復雜，也難以實現(xiàn)，科學有效的做法是根據(jù)無線Ad Hoc網(wǎng)絡需要，應用QoS的約束條件，策略地選擇若干層次進行跨層設計。
跨層設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用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、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：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。例如應用層可將其相關信息(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(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。
在分層設計方式中，很多時候，多個層往往可能需要做重復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用接口，因而會降低通用性。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計和優(yōu)化可以較好地匹配應用需求和網(wǎng)絡條件?？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)議設計復雜的缺點。