基于业务匹配的QoS网络路由研究*

白维学，王亚茜，温嵩杰，毛建兵

（中国电子科技网络信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041）

0 引 言

随着无线AdHoc网络应用的多样化发展，各种网络业务不断涌现，无线网络承载的业务将不断增加，不同业务的特征信息（如业务类型、传输特点、分组数据包类型）差异很大。

传统的无线AdHoc网络路由多采用以跳数为路由度量的策略，未能反映实时的链路质量和节点状态，除了会导致路径使用的不公平外，还无法对数据流所属的业务类型进行区分，不能有效地在多条可用的路径间进行具有业务感知的数据分发，无法为不同类型的业务提供其所需的高质量传输路径。

基于业务匹配的服务质量（Quality of Service，QoS）网络路由根据不同接入业务的需求，选择满足不同服务质量要求的路径。该路由技术涉及两个方面的问题：一是选择什么样的度量参数作为判断标准；二是选好判断标准之后，如何找到满足业务需求的路径到达目的节点[1]。

因此，QoS路由算法需要考虑业务的特性和需求，以及当前网络的可用资源。通过与节点的应用相结合，可以识别出业务的类型，并得知业务的特性和需求。接下来，判断出进行路由选择过程中所应该采用的度量参数有哪些以及该如何组合。在路由选择过程中，需要将业务的度量参数需求与当前网络的可用资源作比较，选择出满足业务QoS需求的路径进行转发。如果同时有可达目的的多条路径符合要求，应该考虑从中选择对后续路由选择影响较小或是更有利于网络资源充分利用的路径。

图1 业务匹配QoS路由模型

一个运行良好的QoS路由算法除了考虑路由的优化之外，还要考虑整个网络的性能，以及路由表信息的更新策略、链路参数选择、由于网络动态变化引起的不准确性以及路径建立期间资源的分配等问题。

1 业务匹配的QoS路由模型

基于业务匹配的QoS网络路由采用一种新的QoS路由模型，实现对不同类型业务提供不同服务的路由方案，以优化网络的资源配置。该QoS路由模型主要包括以下几个关键模块：业务分类识别模块、业务QoS需求解析模块、QoS路由模块和传输调度模块[2]。QoS路由模型的基本框架如图1所示。

为综合评价QoS路由某一路径的QoS性能，研究采用路径的稳定度、可用带宽、传输速率、一次传输成功率、丢包率及平均传输时延作为路径性能的评价体系。

2 业务分类及QoS需求

由于无线AdHoc网络业务的差异性和网络资源有限性，所以需要联合考虑业务的需求和无线资源的利用率，二者相结合以优化网络性能。

2.1 基于流的业务分类

基于流的业务分类主要是对网络数据流量进行识别，以确定何种网络流量是需要路由做相关QoS服务保障处理的，业务的分类和识别可以采用多种方法，包括：端口匹配分析法、深度包检测法和深度流检测法等。

基于数据流的业务分类着眼于一整条流，故采用IP网络中常见的五元组（即源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口、传输协议）来标记一条业务流。

2.2 业务QoS需求

在通信网络系统中，对于QoS服务质量，众多国际组织/机构给出了不同的定义。其中，RFC2386对QoS的描述具有一定的代表性：oS是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、时延、时延抖动、丢包率、吞吐量等性能指标[3]。常见数据流的QoS需求如表1所示。

表1 常见数据流QoS需求

3 QoS路由协议

针对小规模无线AdHoc网络节点间数据通信强度较高的特性、为满足不同业务QoS需求及系统的稳定性，设计了一种主动式的路由协议，即基于业务QoS的多年共同链路状态路由协议Q-DLSR（QoS-supporting Dynamic Link State Routing）。

3.1 QoS路由度量参数

QoS路由度量参数对于路由设计至关重要，所以度量参数的选择要遵循以下原则：要能够代表网络的基本属性、针对度量参数的路由计算不能过于复杂、度量参数之间尽可能相互独立。

基于以上原则及小规模无线自组网的网络特性，选择路径长度（跳数）、带宽、分组延迟、分组丢失率、稳定性及代价作为Q-DLSR路由协议的度量参数。

3.2 QoS选路算法

QoS选路采用一种分布式路由设计，网内每个节点维护全局网络状态，即在给定网络拓扑和链路状态信息的情况下，根据QoS需求，调用QoS选路算法计算出符合业务QoS需求的路径。QoS选路算法的核心是一种基于宽度优先搜索（Breadth-First Search，BFS）的QoS搜索算法[4]，该算法属于启发式算法[5]，其算法描述如下：

输入：网络拓扑图及网络连接状态信息 和一个QoS 请求 Q=｛S，D，Bandwidth，Delay，Loss｝。

输出：满足请求Q的路径。

Step1.删去所有不满足QoS请求Q的带宽要求的链路。

Step2.分别对约束条件延迟Delay（ ）、丢失率Loss（ ），利用Dijkstra最短路径算法计算出所有节点j（j=1，2，...，n-1）到目标节点d的最小条件值。

Step3.搜索满足QoS需求的多条可能传输路径。

vs（源节点）入队列Qu；

while（Qu队列非空）

从队列Qu中读取队首元素到v0；

while（v0.node的邻居节点j）

Step4.根据搜索过程记录，输出符合QoS要求的传输路径或通知没有发现路径。

4 仿真验证

利用MATLAB平台软件进行网络路由仿真分析，验证其QoS选路能力。仿真程序以带宽、时延、丢包率作为QoS参数，随机产生35个网络节点的网络拓扑和链路状态信息，进行从节点6到节点13的QoS选路，QoS选路网络场景如图2所示。

图3为常规最短路径算法选路结果，图4为采用Q-DLSR路由协议选路算法的选路结果，显然Q-DLSR路由协议选路结果避开了由于热点拥塞导致的不符合业务QoS需求的路径，而由于Q-DLSR路由协议采用的选路算法将业务QoS需求作为约束条件，所以其选路结果必然能够保障业务的QoS需求。

图2 QoS选路仿真网络场景

图3 常规最短路径算法选路

图4 QoS选路算法路径选择结果

5 结 语

随着无线AdHoc网络应用的多样化发展，各种网络业务不断涌现，无线网络承载的业务将不断增加，传统的以跳数为度量参数的无线自组网路由协议将无法满足AdHoc各种应用需求，而Q-DLSR路由协议采用了基于BFS的QoS选路算法，能够依据 不同业务的QoS需求来寻找符合业务QoS需求的路劲，而且通过采用不同的调度策略可以实现冗余备份、并发多径及并发负载均衡多径传输。