基于業(yè)務(wù)匹配的QoS網(wǎng)絡(luò)路由研究*

白維學(xué)，王亞茜，溫嵩杰，毛建兵

（中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司第三十研究所,四川 成都 610041）

0 引 言

隨著無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)將不斷增加，不同業(yè)務(wù)的特征信息（如業(yè)務(wù)類型、傳輸特點(diǎn)、分組數(shù)據(jù)包類型）差異很大。

傳統(tǒng)的無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由多采用以跳數(shù)為路由度量的策略，未能反映實(shí)時(shí)的鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，除了會(huì)導(dǎo)致路徑使用的不公平外，還無法對(duì)數(shù)據(jù)流所屬的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行區(qū)分，不能有效地在多條可用的路徑間進(jìn)行具有業(yè)務(wù)感知的數(shù)據(jù)分發(fā)，無法為不同類型的業(yè)務(wù)提供其所需的高質(zhì)量傳輸路徑。

基于業(yè)務(wù)匹配的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）網(wǎng)絡(luò)路由根據(jù)不同接入業(yè)務(wù)的需求，選擇滿足不同服務(wù)質(zhì)量要求的路徑。該路由技術(shù)涉及兩個(gè)方面的問題：一是選擇什么樣的度量參數(shù)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)；二是選好判斷標(biāo)準(zhǔn)之后，如何找到滿足業(yè)務(wù)需求的路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)[1]。

因此，QoS路由算法需要考慮業(yè)務(wù)的特性和需求，以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用資源。通過與節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用相結(jié)合，可以識(shí)別出業(yè)務(wù)的類型，并得知業(yè)務(wù)的特性和需求。接下來，判斷出進(jìn)行路由選擇過程中所應(yīng)該采用的度量參數(shù)有哪些以及該如何組合。在路由選擇過程中，需要將業(yè)務(wù)的度量參數(shù)需求與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用資源作比較，選擇出滿足業(yè)務(wù)QoS需求的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果同時(shí)有可達(dá)目的的多條路徑符合要求，應(yīng)該考慮從中選擇對(duì)后續(xù)路由選擇影響較小或是更有利于網(wǎng)絡(luò)資源充分利用的路徑。

圖1 業(yè)務(wù)匹配QoS路由模型

一個(gè)運(yùn)行良好的QoS路由算法除了考慮路由的優(yōu)化之外，還要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，以及路由表信息的更新策略、鏈路參數(shù)選擇、由于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化引起的不準(zhǔn)確性以及路徑建立期間資源的分配等問題。

1 業(yè)務(wù)匹配的QoS路由模型

基于業(yè)務(wù)匹配的QoS網(wǎng)絡(luò)路由采用一種新的QoS路由模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型業(yè)務(wù)提供不同服務(wù)的路由方案，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的資源配置。該QoS路由模型主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵模塊：業(yè)務(wù)分類識(shí)別模塊、業(yè)務(wù)QoS需求解析模塊、QoS路由模塊和傳輸調(diào)度模塊[2]。QoS路由模型的基本框架如圖1所示。

為綜合評(píng)價(jià)QoS路由某一路徑的QoS性能，研究采用路徑的穩(wěn)定度、可用帶寬、傳輸速率、一次傳輸成功率、丟包率及平均傳輸時(shí)延作為路徑性能的評(píng)價(jià)體系。

2 業(yè)務(wù)分類及QoS需求

由于無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的差異性和網(wǎng)絡(luò)資源有限性，所以需要聯(lián)合考慮業(yè)務(wù)的需求和無線資源的利用率，二者相結(jié)合以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。

2.1 基于流的業(yè)務(wù)分類

基于流的業(yè)務(wù)分類主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行識(shí)別，以確定何種網(wǎng)絡(luò)流量是需要路由做相關(guān)QoS服務(wù)保障處理的，業(yè)務(wù)的分類和識(shí)別可以采用多種方法，包括：端口匹配分析法、深度包檢測(cè)法和深度流檢測(cè)法等。

基于數(shù)據(jù)流的業(yè)務(wù)分類著眼于一整條流，故采用IP網(wǎng)絡(luò)中常見的五元組（即源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口、傳輸協(xié)議）來標(biāo)記一條業(yè)務(wù)流。

2.2 業(yè)務(wù)QoS需求

在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對(duì)于QoS服務(wù)質(zhì)量，眾多國際組織/機(jī)構(gòu)給出了不同的定義。其中，RFC2386對(duì)QoS的描述具有一定的代表性：oS是網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)流時(shí)要求滿足的一系列服務(wù)請(qǐng)求，具體可以量化為帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、丟包率、吞吐量等性能指標(biāo)[3]。常見數(shù)據(jù)流的QoS需求如表1所示。

表1 常見數(shù)據(jù)流QoS需求

3 QoS路由協(xié)議

針對(duì)小規(guī)模無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信強(qiáng)度較高的特性、為滿足不同業(yè)務(wù)QoS需求及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)式的路由協(xié)議，即基于業(yè)務(wù)QoS的多年共同鏈路狀態(tài)路由協(xié)議Q-DLSR（QoS-supporting Dynamic Link State Routing）。

3.1 QoS路由度量參數(shù)

QoS路由度量參數(shù)對(duì)于路由設(shè)計(jì)至關(guān)重要，所以度量參數(shù)的選擇要遵循以下原則：要能夠代表網(wǎng)絡(luò)的基本屬性、針對(duì)度量參數(shù)的路由計(jì)算不能過于復(fù)雜、度量參數(shù)之間盡可能相互獨(dú)立。

基于以上原則及小規(guī)模無線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性，選擇路徑長(zhǎng)度（跳數(shù)）、帶寬、分組延遲、分組丟失率、穩(wěn)定性及代價(jià)作為Q-DLSR路由協(xié)議的度量參數(shù)。

3.2 QoS選路算法

QoS選路采用一種分布式路由設(shè)計(jì)，網(wǎng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，即在給定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)信息的情況下，根據(jù)QoS需求，調(diào)用QoS選路算法計(jì)算出符合業(yè)務(wù)QoS需求的路徑。QoS選路算法的核心是一種基于寬度優(yōu)先搜索（Breadth-First Search，BFS）的QoS搜索算法[4]，該算法屬于啟發(fā)式算法[5]，其算法描述如下：

輸入：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)信息 和一個(gè)QoS 請(qǐng)求 Q=｛S，D，Bandwidth，Delay，Loss｝。

輸出：滿足請(qǐng)求Q的路徑。

Step1.刪去所有不滿足QoS請(qǐng)求Q的帶寬要求的鏈路。

Step2.分別對(duì)約束條件延遲Delay（ ）、丟失率Loss（ ），利用Dijkstra最短路徑算法計(jì)算出所有節(jié)點(diǎn)j（j=1，2，...，n-1）到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)d的最小條件值。

Step3.搜索滿足QoS需求的多條可能傳輸路徑。

vs（源節(jié)點(diǎn)）入隊(duì)列Qu；

while（Qu隊(duì)列非空）

從隊(duì)列Qu中讀取隊(duì)首元素到v0；

while（v0.node的鄰居節(jié)點(diǎn)j）

Step4.根據(jù)搜索過程記錄，輸出符合QoS要求的傳輸路徑或通知沒有發(fā)現(xiàn)路徑。

4 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB平臺(tái)軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由仿真分析，驗(yàn)證其QoS選路能力。仿真程序以帶寬、時(shí)延、丟包率作為QoS參數(shù)，隨機(jī)產(chǎn)生35個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)信息，進(jìn)行從節(jié)點(diǎn)6到節(jié)點(diǎn)13的QoS選路，QoS選路網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景如圖2所示。

圖3為常規(guī)最短路徑算法選路結(jié)果，圖4為采用Q-DLSR路由協(xié)議選路算法的選路結(jié)果，顯然Q-DLSR路由協(xié)議選路結(jié)果避開了由于熱點(diǎn)擁塞導(dǎo)致的不符合業(yè)務(wù)QoS需求的路徑，而由于Q-DLSR路由協(xié)議采用的選路算法將業(yè)務(wù)QoS需求作為約束條件，所以其選路結(jié)果必然能夠保障業(yè)務(wù)的QoS需求。

圖2 QoS選路仿真網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

圖3 常規(guī)最短路徑算法選路

圖4 QoS選路算法路徑選擇結(jié)果

5 結(jié) 語

隨著無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化發(fā)展，各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)將不斷增加，傳統(tǒng)的以跳數(shù)為度量參數(shù)的無線自組網(wǎng)路由協(xié)議將無法滿足AdHoc各種應(yīng)用需求，而Q-DLSR路由協(xié)議采用了基于BFS的QoS選路算法，能夠依據(jù) 不同業(yè)務(wù)的QoS需求來尋找符合業(yè)務(wù)QoS需求的路勁，而且通過采用不同的調(diào)度策略可以實(shí)現(xiàn)冗余備份、并發(fā)多徑及并發(fā)負(fù)載均衡多徑傳輸。