Ad hoc网络中QoS保障机制

洪琳，江成

(黑龙江科技学院，哈尔滨 150027)

0 引言

Ad hoc网络的应用环境以及多媒体业务流在网络中的传输需求要求Ad hoc网络支持QoS。具体表现在军事通信和紧急搜救等应用场合，信息应能实时、准确地传送，这要求Ad hoc网络保证分组的带宽、时延;在军事通信和民事通信领域，当需要传送语音、图像等实时业务(如战地环境图像、临时视频会议等)时，由于这些业务对延时、延时抖动等［1］QoS参数均较敏感，同样要求Ad hoc网络提供业务的QoS保证。因此，Ad hoc网络中QoS的研究是其应用场合的需要，具有重要的实际意义和应用价值。

1 Ad hoc网络的QoS体系结构

1.1 IntServ

IntServ是一种基于流(per-flow)的资源预留机制，它引入了虚电路的概念，由RSVP作为建立和维护虚电路的信令协议，路由器通过相应的包调度策略和丢包策略来保证业务流的QoS要求。IntServ要求网络中的节点保存基于流的状态信息，它对节点的存储能力和处理能力都有很高的要求，存在明显的可扩展问题。在Ad hoc网络中，由于节点几乎全是便携式移动终端，其存储能力和处理能力均有限。同时，由于Ad hoc网络拓扑的频繁变化，用于维护虚连接的RSVP协议将带来很大的开销，而Ad hoc网络的带宽有限，因此，IntServ并不适合Ad hoc网络，尤其是较大型的 Ad hoc网络［2］。

1.2 DiffServ

DiffServ是一种基于类(流的集合)的QoS体系结构，它提供定性的QoS支持。接入DiffServ域的业务流首先在域的边缘被分类和调节［(conditioning，包括测量(meter)、整形(shaping)、重标记(remarking)/丢弃(dropping)等)］，而域的核心节点只简单地根据包的DS域对包进行调度，DiffServ不要求域的核心节点保存并在网络拓扑变化时更新基于流的状态信息，从而使核心节点的实现相对简单。从这一方面看，DiffServ更适合Ad hoc网络。但是，如果采用DiffServ结构，则在无中心、分布实施、拓扑频繁变化的Ad hoc网络中，存在如何划分DiffServ域，如何定义并区分边缘节点和核心节点，以及如何进行动态资源分配等问题。

1.3 灵活QoS模型

针对Ad hoc网络提出了一种称为灵活QoS模型(flexible QoS model for MANETS，FQMM)的体系结构，该模型类似于DiffServ，它将整个无线Ad hoc网络定义为一个DiffServ域，网络中的每个节点既是边缘节点，又是核心节点，当某节点为业务流的源端时，该节点为边缘节点，当某节点作为业务流的中间转发节点时，该节点为核心节点。FQMM提供了一种称为混合(hybrid)模式的资源分配策略，它既支持IntServ的基于流的资源分配，又支持DiffServ的基于类的资源分配，高优先级的业务基于流分配资源，低优先级的业务流基于类分配资源，以减小节点需保存的基于流的状态信息，提高FQMM的可扩展性。FQMM还采用自适应的业务量调节机制来适应无线链路带宽的变化。

a)FQMM是第1个针对Ad hoc网络的QoS模型，它的主要优点是根据网络状态的变化，作自适应的业务量调节(conditioning)，但它同时还存在如下缺点:

1)实现复杂。由于网络中的节点既要支持IntServ，又要支持DiffServ，同时，每个节点既可能是边缘节点又可能是核心节点，因此，要求每个节点均实现IntServ和Diff-Serv的相关功能;

2)对于混合的资源分配策略，存在高优先级的流和低优先级的流各应占多大比例的问题.对低优先级的流，由于采用DiffServ的基于类的资源分配策略，因此，在Ad hoc域内，仍存在与DiffServ相似的资源分配问题。

b)根据以上分析得知，已有的QoS体系结构并不完全适合Ad hoc网络，结合Ad hoc网络自身的特点及其应用场合认为，Ad hoc网络的QoS体系结构应该具有下述特点:

1)具有业务区分能力，提供定性的QoS支持;

2)开销小，对节点的存储能力和处理能力的要求较低，尽量避免基于流的存储和处理要求;

3)分布实施，在无固定设施的Ad hoc网络中，任何集中式的算法、机制都会增加其实现的难度和引入较大的开销;

4)具有自适应能力，即能根据无线信道和网络拓扑的变化，实现自适应的资源分配、业务量调节等功能。

2 动态服务质量保证机制

动态QoS保证机制是一种基于资源预留的服从综合服务模型的方法。资源预留请求不是针对某个固定值，而是规定了一个预约请求范围，网络实体通过对此请求范围进行判决来灵活地提供服务。预约请求范围从应用能接受的最小服务级别到网络可以提供的最大服务质量等级J，各种网络实体(如路由器)在此范围内根据网络的资源状况进行动态的自适应调整，从而提供了一种在动态网络环境下保障QoS的方法。

2.1 移动Ad hoe网络的动态特性

a)动态变化的链路特性

相比与有线链路，无线链路的传输特性经常会发生变化，使得链路层特性也随之改变。通常可以采取两种方法来减少链路变化对上层应用造成的影响:一种方法是在网络层进行差错控制;另一种方法是在链路层进行差错控制。如果采用第一种策略，链路层的性能将变得很差，网络层必须进行差错检测和纠错，然而网络层很难判断分组的丢失是拥塞产生的还是链路层的性能恶化造成的，并且网络层也无法准确获悉当前可利用的带宽，从而难以实施资源预留。因此，最好在链路层进行差错控制。例如，可以使用简单的自动请求重传协议(ARQ)来保障数据的可靠传输。也可以采用一些较复杂的链路层协议(如自适应FEC)，它们能够根据链路的质量自适应地实施差错控制机制，此时网络层的延时和吞吐量与具体的编码算法和控制机制相关。

b)节点的移动特性

Ad hoc网络中节点可以随意移动，并且移动方向和速度都难以预测。这一特点会加剧链路的动态变化，因为节点可能会随时切换到不同的物理媒介上，从而使得可利用的带宽不断变化。另外，节点的移动将会不断改变网络的拓扑结构，使得资源预留变得更加困难，因为资源预留一般要求路径相对比较固定。在蜂窝移动网络中，移动终端切换时可以采用提前进行预约的方法来解决这个问题，但是Ad hoc网络的动态特性使得这种方法不再适用，并且采用备用路由的方法也只能部分解决这个问题，一种较好的方法是实施多路径路由，也就是说，资源预留必须在多条可能的路由上进行。但是，这种方法的可扩展性较差，当网络规模较大时将很难实现。

c)应用需求的动态变化

在不同的时间和场合，各种应用需求经常会发生变化。在固定网络中，可以通过采用基于策略的接入控制机制来决定各种应用的要求是否得到满足。这种方法能够保证一些用户的要求得到满足，但是不够灵活，它要么保证用户的服务质量，要么完全拒绝用户的服务请求。有时，这并不是一种很好的策略，特别是对服务提供商而言。一种可选的策略是尽可能满足更多用户的接入要求，同时为这些用户提供能够接受的服务质量。为此，网络和应用需要通过某种方式来交互网络可利用的带宽和应用能够接受的服务质量级别等相关信息，从而实施合理的接入控制机制。

2.2 动态预约机制

为了解决动态变化的网络特性引起的问题，通过允许资源预约请求规定一个范围而不是一个确定值来实施资源预留。为了实现方便，该机制采用基于业务类的排队策略和受控负载模型。此时，平均数据率是实施资源管理的关键因素之一，可以将数据速率的范围定义为(rmjn—rmax)，其他的参数也可以进行相应地规定。当网络资源变化时，动态QoS机制可以在规定的范围内调整资源的分配。例如，当网络中存在大量的业务流时，这种机制将尽量使更多的业务流获得预约范围之内的动态服务质量，而不是完全拒绝。如果采用的服务模型不是受控负载模型，例如要在确保服务模型中保证较小的分组丢失率，此时输出缓存器的大小将成为资源管理的关键因素，因此可以将令牌桶深度作为预约请求中的可变参数:如果需要为实时业务提供QoS，时延可能成为最重要的参数。为了进一步简化模型的实现，可以采用使某个参数在特定范围内变化，而保持其它参数不变的方法，通过调整可变的参数来满足其它参数的要求。例如，可以通过限制业务流的平均速率来确保有足够的带宽用于传输突发业务流，从而满足传输时延和时延抖动的要求。

2.3 动态资源预留协议(DRSVP)

一种简单的动态QoS保障［3］方法可以通过扩展RSVP协议来实现，但需要对RSVP作如下改动:

1)在RESV消息中增加额外的流规范(flowspec)，并且在PATH消息中相应地增加业务类型规范(tspee)，用于描述业务流量的资源请求范围;

2)在RESv消息中增加一些测量规范来使上游节点可以了解下游链路的资源状况;

3)增加预约通知消息，用于上游节点向下游节点通知资源状况;

4)对接入控制进行适当的改动使其能够处理具有一定带宽范围的预约;

5)设计一个带宽分配算法来为那些被允许接入的流分配带宽，并且需要考虑各个流的预约请求范围以及各自的上下游带宽瓶颈。

3 具有QoS能力的中间适配机制

Ad hoe网络［4］中另一种提供QoS保障的策略是采用带有中间适配件的网络框架来适应网络性能的变化。这种方法考虑了网络的性能和端到端的资源状况，可以向应用提供有用的信息用于重新配置，从而使系统获得最优的服务质量。

3.1 QoS中间适配层框架

在性能经常发生变化的异质网络环境中，多个应用需要共享和竞争可用的系统资源，因此它们需要自适应地动态调整各自的资源需求。为了优化应用层感知的QoS性能，可以设计一种中间适配层来适应下层网络和端系统资源的动态变化。它的目标有两个:一是提供具有QoS保障的传输层机制并且能够对不同的流采用不同的调度策略;二是通过使用一个控制模型，网络能够向应用层提供相关的QoS信息来优化应用层的业务性能。一种简单的实现框架由一个传输控制器和应用控制器构成。前者用于实现一个可靠的传输层并向网络层提供反馈信息，同时它还可以通过一个分组调度器来适应多种业务流对QoS的要求，并能够静态复用业务流来适应带宽的变化。在传输控制器的上层，应用控制器被用来优化应用层QoS的性能，并提供相应的QoS信息来重新指配应用层的通信行为。

3.2 中间件QoS适配器

目前，应用层的自适应机制不能维持某些全局特性(如公平性)，并且操作系统的资源管理机制也无法了解应用层数据的语义。中间件QoS适配器I可以通过动态控制和重新指配多媒体业务的相应参数和特性来提高QoS自适应机制的效率和准确程度。这就要求大量的分布式应用能够适应端到端QoS的变化。首先，它们能够接受和容忍一定范围内的资源限制，并且可以随着可用资源的变化来改变业务性能;其次当需要降低QoS时，它们可以牺牲一些对QoS不太敏感的参数来确保敏感参数的质量。QoS适配器主要在两个方面起作用:系统级(如操作系统和网络协议)和应用级。前者主要强调全局参数，如公平性和资源利用率;而后者更加重视与应用层相关的语义，如视频流的帧速率和视频跟踪的准确度等，目标是尽量不降低业务的性能。需要强调的是，在Ad hoe网络中不可能实现确保的QoS，因为这将对节点的移动模式、节点的密度和分布做出相应要求，违背了Ad hoe网络设计的初衷。

4 提供QoS保障的MAC协议

4.1 Ad hoe网络中的协议［5］

Ad hoe网络能否得到广泛应用的一个关键是发展合适的MAC协议，这种MAC协议必须是分布式的，能够高效地利用网络资源，并且可以满足数据业务和实时业务的0要求。MA C协议解决分组冲突的方法一般是延时重发，延时策略可以采用二进制指数退避(BEB)算法和乘法增加线性减小(MILD)算法等，但是退避策略不能为实时业务提供QoS保证。

近年来，提出了各种MAC机制用来提高网络吞吐量和增强QoS。例如多址访问冲突避免(MA CA)协议。利用RTS和CTS来提高网络吞吐量，因为只有较短的控制分组而不是数据分组会发生冲突。组分配多址接入(GAMA)是一种用于提供QoS保证的MAC协议。该协议中，一个竞争阶段通过使用RTS和CTS对话为随后的无竞争阶段预留带宽，并且一个在无竞争阶段传送的分组可以为下一个循环周期预留带宽。多址接入/分组预留(MACA/PA)类似于GAMA，但是要求在无冲突阶段发送一个ACK来通知相邻的节点，以便在下一个循环到来时获得下一个分组。这些机制与纯粹的CSMA机制不同，因为节点可以基于分组中携带的预约请求来获得信道的状态信息。

4.2 支持QoS的MAC协议［6］

这种MAC协议的目标是在Ad hoe网络中使共享媒体的各个节点能在尽量不影响其他节点的前提下实现自身的QoS要求。这是一个比较复杂的问题，例如，节点I是节点J和节点K的邻居，但是J和K不能直接进行通信，所以它们彼此不知道对方的QoS要求，但是它们可以通过节点I来影响对方。所有的节点可以广播它们的最大带宽要求，因此所有的节点都可以知道其邻居节点的带宽要求，从而可以实现一种在邻居节点间分配信道接入时间的分布式算法。协议具体描述如下:协议中定义了一个循环周期，它由最大可能数量的时隙组成(由节点数量和分布决定)。在每个周期的开始，每个节点都知道其邻居节点的带宽要求，并且能够根据各个节点的带宽要求在邻居节点之间分配相应的时隙。由于所有的节点都运行相同的算法并且交换相似的信息，从而可以知道哪个节点将会占用哪个时隙。节点占用时隙的顺序可以通过它们广播带宽请求时分组中携带的IP地址来决定，同时为了获得较好的公平性，占用时隙的顺序可以在每个周期结束时进行轮换。在每个周期的最后可以留出一段时间用于节点的随机接入，这段时间通常被用来传送尽力而为分组，还可以用来交换各种控制信息，同时新加入的节点也利用这段时间来广播带宽请求。只有当业务量参数发生变化或者现有路径不能满足带宽要求时，节点才会重新广播带宽请求信息。更新后韵信息将被用于下一个循环周期进行时隙的分配。由于知道占用的时隙和总流量，节点可以实现一种连接允许接纳控制算法来接受或拒绝收到的业务流。此外还可以在协议实现时赋予实时业务更高的优先级并且确保无冲突的传送，从而保证较低的时延。这些方法的采用，将会在一定程度上保证实时业务和一些特殊业务的服务质量。

5 结束语

固定有线网络中的QoS保障问题经过多年的研究，已经积累了相当多的经验和方法，但是这个问题仍然没有得到很好的解决。相比与固定有线网络，Ad hoc网络是一种动态变化的基于无线信道的自组织网络。它的QoS保障问题更加复杂和难以实现。当前，它的研究仍是一个开放的热点问题。由于Ad hoc网络具有一些优良的特性，特别是它能够满足部队战术通信、抢险救灾以及应付突发事件等场合，近年来得到日益广泛的关注和重视。但是由于Ad hoc网络中QoS保障问题自身的固有难度，学术界至今没有取得突破性进展。本文主要从不同的角度比较分析了各种QoS解决策略，总结了近年来取得的一些成果，这些成绩将会积极地推动今后的研究工作，但是真正实现比较满意的QoS保障机制还需要经过长期的研究和实践。

［1］赵志峰，郑少仁.Ad hoc网络体系结构研究［J］.电信科学.

［2］徐雷鸣，英春，史美林.白组网环境中的QoS支持阴［J］.计算机世界.

［3］王海涛，郑少仁.白组网的路由协议及其QoS保障［J］.现代电信科技.

［4］Xiao HN，Seah WKG，Lo A，Chua KC.A flexible quality of service model for mobile ad-hoc networks.In:Proc.of the IEEE Vehicular Technology Conference.Vol 1.

［5］Lee S-B.INSIGNIA:An IP-based quality of service framework for mobile Ad hoc networks.Journal of Parallel and Dist.Comp.，Special issue on Wireless and Mobile Computing and Communications.

［6］Zhu C，Corson MS.QoS routing for mobile Ad hoc networks.In:Proc.of the 21st Intil Annual Joint Conf.of the IEEE Computer and Communications Societies.