基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制研究

◆鄭志凌 蒲驍旻 劉霜霜

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 410208）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制研究

◆鄭志凌 蒲驍旻 劉霜霜

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 410208）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各種業(yè)務(wù)受到重視，物聯(lián)網(wǎng)終端在保證能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)的同時，也需要控制和保障與其正常運(yùn)行息息相關(guān)的QoS，本文以此為切入點，分析了物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制，提出了保障QoS的分組調(diào)度算法，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS服務(wù)模型和智能保障機(jī)制。

物聯(lián)網(wǎng)；QoS；保障機(jī)制；服務(wù)模型

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)和核心衍生出來的網(wǎng)絡(luò)，較小范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)是由各種識別、感應(yīng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)組成，使用信息化的識別、實物智能化以及控制監(jiān)管技術(shù)，完成人和物實時連接。較大范圍的物聯(lián)網(wǎng)，就是把一切信息空間和物理空間的事物進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化，通過使用改進(jìn)和完善的應(yīng)用服務(wù)模式和信息技術(shù)，實現(xiàn)人、物和環(huán)境之間科學(xué)、智能、有效的交互模式。物聯(lián)網(wǎng)作為我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)涉及的領(lǐng)域越來越廣，可尋址、可通信、可控制、泛在化與開放模式正逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的演進(jìn)目標(biāo)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)業(yè)務(wù)需求的增加，物聯(lián)網(wǎng)終端不僅要求能隨時、隨地接入網(wǎng)絡(luò)，而且需要保障相關(guān)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行所必須的QoS（服務(wù)質(zhì)量，Quality of Service）。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的異構(gòu)性、移動性、不穩(wěn)定性等特性為提供可靠QoS帶來困難，網(wǎng)絡(luò)中許多協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)體系和實現(xiàn)機(jī)制需要重新考慮和設(shè)計。目前，物聯(lián)網(wǎng)在信息的處理效率和交互行為等方面的研究還有很大空間，需要參考其他類型網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)在有限網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的條件下實現(xiàn)動態(tài)資源配置的方法和措施，使網(wǎng)絡(luò)資源最大程度地被利用，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)使用價值的最大化。

1 物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制和分組調(diào)度算法

1.1 物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制

QoS的衡量標(biāo)準(zhǔn)是各種環(huán)境下服務(wù)的公平性、可靠性以及快速響應(yīng)的能力。服務(wù)質(zhì)量一般涵蓋了業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量指的是將一些有關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)通過一定的方式組合起來，使其發(fā)揮互相制約和影響的作用；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指的是通過一些特殊的應(yīng)用技術(shù)，解決網(wǎng)絡(luò)使用過程中的一些資源不暢和網(wǎng)絡(luò)延時的狀況，以此來排除不良因素的影響，確保網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的有效和安全，保障主流業(yè)務(wù)能夠正常運(yùn)行。有效保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，對于數(shù)據(jù)包的處理、控制網(wǎng)絡(luò)傳輸延時以及拓寬和保障傳輸網(wǎng)絡(luò)寬帶等方面都起到積極的作用。一般在網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用不合理的條件下，控制和保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量會起到一定的作用，只有在具體的業(yè)務(wù)中來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的控制和保障才有一定的意義。在保障和控制物聯(lián)網(wǎng)QoS時一定會限制和約束非保障業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的其他業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)資源的使用，因此，需要根據(jù)業(yè)務(wù)的實際情況來完成對物聯(lián)網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)QoS的控制和保障。

物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制的實現(xiàn)需要經(jīng)歷不同階段，首先，要對物聯(lián)網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，在區(qū)分了不同業(yè)務(wù)的情況下，才能夠更加有效地調(diào)度這些業(yè)務(wù)在物聯(lián)網(wǎng)中所需的不同條件和資源，保證良好的QoS；其次，對選擇出的目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化的處理和設(shè)置，在確保目標(biāo)業(yè)務(wù)能夠完成的同時，關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的綜合承載力和運(yùn)行環(huán)境；最后，需要具體全面地處理物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各個問題，在物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制中，要求進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)能夠有秩序地流出各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對沒有按照一定的順序流出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整形，使之能夠按照順序流出。同時，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下通過有效的實時控制技術(shù)來進(jìn)行處理，并使用預(yù)防機(jī)制來避免和控制，最終實現(xiàn)對于物聯(lián)網(wǎng)QoS的實時有效控制和智能保障機(jī)制。

1.2 保障QoS的分組調(diào)度算法

物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)元素在彼此傳輸業(yè)務(wù)流時會受到派對延期、業(yè)務(wù)寬帶、業(yè)務(wù)丟包率以及端口吞吐量等規(guī)定系數(shù)的約束和限制。各種業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量也有各自的不同需求，一些業(yè)務(wù)能夠一定程度上接受排隊延時的現(xiàn)象，因為這些業(yè)務(wù)更加關(guān)心數(shù)據(jù)和資料是否能夠可靠安全地傳輸；而另一些業(yè)務(wù)不太關(guān)注分組丟棄的現(xiàn)象，它們更加關(guān)心業(yè)務(wù)資料和數(shù)據(jù)是否能夠?qū)崟r傳輸。所以，應(yīng)該根據(jù)實際情況來設(shè)置QoS的參數(shù)，在優(yōu)化資源的同時使得業(yè)務(wù)流能夠得到更加公平和完善的服務(wù)質(zhì)量，以此來實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制。對此，可以使用分組調(diào)度算法來保障QoS，分組調(diào)度算法遵循絕對公平和質(zhì)量保證的規(guī)范，在確保物聯(lián)網(wǎng)各種業(yè)務(wù)能夠按照一定順序來公平使用網(wǎng)絡(luò)資源的同時，也能夠保證其各項業(yè)務(wù)使用網(wǎng)絡(luò)資源的實時性，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制。

分組調(diào)度算法根據(jù)管理和控制物聯(lián)網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)傳輸時延和排隊時延的時延性能來確保服務(wù)質(zhì)量的實時性，確保重要業(yè)務(wù)和一般業(yè)務(wù)之間端到端的時延和服務(wù)質(zhì)量。分組調(diào)度算法在嚴(yán)格確保服務(wù)質(zhì)量的同時確保了更加公平的服務(wù)原則，能夠根據(jù)實際情況來動態(tài)調(diào)整和不斷完善物聯(lián)網(wǎng)中不同的業(yè)務(wù)和這些業(yè)務(wù)所需的數(shù)據(jù)和資源，阻止遺漏和忽略接受新業(yè)務(wù)請求的現(xiàn)象，最大程度避免各種業(yè)務(wù)之間端到端的時延情況，以此保證物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下QoS智能保障機(jī)制。保障QoS的分組調(diào)度算法如圖1所示。

圖1 保障QoS的分組調(diào)度算法

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制

2.1 QoS保障機(jī)制的服務(wù)模型

服務(wù)模型是指一組實現(xiàn)端到端QoS保證的方式，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)QoS保障機(jī)制需要依托三種服務(wù)模型： Best-Effort service（盡力而為服務(wù)模型）、Integrated service（綜合服務(wù)模型）和Differentiated service（區(qū)分服務(wù)模型）。

Best-Effort服務(wù)模型是一種單一的服務(wù)模型，也是最簡單的服務(wù)模型。這種模型因為操作和運(yùn)行的方法非常簡便而得到了廣泛的應(yīng)用，它使用FIFO隊列來傳輸和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)中不同的報文，不足之處就是這種服務(wù)模型不能完全確保網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實時性，對于一些需要及時傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)來說顯得不太可靠，一般用在對服務(wù)延時沒有太多要求的業(yè)務(wù)中。

Integrated service服務(wù)模型是一個綜合服務(wù)模型，能滿足多種QoS需求。它可以使用最詳細(xì)和具體的服務(wù)質(zhì)量來管理和區(qū)分各種業(yè)務(wù)在運(yùn)行過程中所需的網(wǎng)絡(luò)資源，以此來保證每個業(yè)務(wù)都能得到優(yōu)質(zhì)的服務(wù)質(zhì)量。該服務(wù)模型通過資源預(yù)留協(xié)議的方式來調(diào)控和監(jiān)視物聯(lián)網(wǎng)不同終端之間來往的各種數(shù)據(jù)流，因此，這種服務(wù)模型的不足之處就是因為預(yù)留資源而導(dǎo)致不能大量地處理、控制相關(guān)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)和資源，也不能有效地根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的各項業(yè)務(wù)來擴(kuò)展和延伸其服務(wù)功能。

Differentiated service服務(wù)模型是一個多服務(wù)模型，能滿足不同的QoS需求。這種服務(wù)模型不需要為每個業(yè)務(wù)預(yù)留資源，區(qū)分服務(wù)實現(xiàn)簡單，可擴(kuò)展性較好，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各種業(yè)務(wù)對于QoS的不同需求，避免了綜合服務(wù)模型在保障業(yè)務(wù)正常運(yùn)行過程中預(yù)留資源而出現(xiàn)的問題，該服務(wù)模型能夠很好地被延伸和拓展，它根據(jù)各個業(yè)務(wù)的優(yōu)先級來提供特定的資源和服務(wù)，主要用來為重要的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供端到端的QoS保障。

2.2 智能QoS保障機(jī)制

本文以Differentiated service服務(wù)模型為基礎(chǔ)研究和分析基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制，根據(jù)寬帶代理和接納控制機(jī)制來實時實現(xiàn)并調(diào)整QoS控制和運(yùn)行策略，對于物聯(lián)網(wǎng)中QoS的保障機(jī)制，通過三個不同層次來控制和管理：在數(shù)據(jù)層實現(xiàn)分組調(diào)度、數(shù)據(jù)流以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級；在控制層實現(xiàn)寬帶代理、QoS控制和接納控制；在管理層實現(xiàn)調(diào)度策略、實時調(diào)整和動態(tài)控制。Differentiated service服務(wù)模型中的各項業(yè)務(wù)進(jìn)行分類和分組。第一，業(yè)務(wù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，即保證在最短時間內(nèi)，通過一些特殊的操作指令來傳輸信息和數(shù)據(jù)；第二，業(yè)務(wù)保障轉(zhuǎn)發(fā)，即在經(jīng)過了一段時間延遲以后，保證誤碼率不增加的條件下，確保傳輸和發(fā)送所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；第三，業(yè)務(wù)可靠轉(zhuǎn)發(fā)，即按照物聯(lián)網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)的需求來最大限度地提供所需的資源和服務(wù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制需要熟悉整個網(wǎng)絡(luò)資源的運(yùn)行策略，有效掌握資源分配信息，根據(jù)可以承載和滿足各項業(yè)務(wù)需求的QoS來建立服務(wù)模型，分組調(diào)度特定的資源和服務(wù)提供智能QoS保障機(jī)制。具體來說，可以從三個方面來實現(xiàn)智能QoS保障機(jī)制：首先，通過物聯(lián)網(wǎng)中各種設(shè)備來動態(tài)管理和調(diào)整不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流量，從大量物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備中采集和獲得更多不同數(shù)量和種類的信息來綜合調(diào)度資源，實現(xiàn)智能QoS保障。其次，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多個物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)一調(diào)度分配和實時有效控制，在數(shù)據(jù)層對業(yè)務(wù)進(jìn)行分類和分組調(diào)度，識別進(jìn)入數(shù)據(jù)層的不同業(yè)務(wù)，區(qū)分它們的不同屬性，把同一屬性的業(yè)務(wù)放在一個隊列中，使用分組調(diào)度算法和智能控制策略保障不同業(yè)務(wù)的QoS。最后，通過對大量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感設(shè)備和控制設(shè)備構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)終端來實現(xiàn)不同類型業(yè)務(wù)的智能化處理，在控制層根據(jù)實際情況有效管理各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，合理調(diào)配它們所需要的服務(wù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速、可靠地到達(dá)目的地終端，為不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供相應(yīng)的QoS保障機(jī)制。

3 結(jié)語

本文主要分析和研究了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能QoS保障機(jī)制，根據(jù)實際情況來有效調(diào)度資源、智能保障服務(wù)質(zhì)量，滿足各種業(yè)務(wù)的QoS需求。在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)日益成熟的今天，需要針對具體業(yè)務(wù)應(yīng)用來為數(shù)據(jù)傳輸提供實時、可靠和穩(wěn)定性的QoS保障，并為不同的數(shù)據(jù)通信方式提供QoS保障。

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湖南省教育廳科學(xué)研究項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能QoS保障機(jī)制研究”（16C0522）。