无线移动自组织互联网中的QoS路由技术

    传统互联网支持从数据、语音到视频信息的各种业务类型。但是随着信息技术的发展，传统互联网接入方式的局限性逐渐暴露出来。例如，有线接入方式难以满足一些有特殊要求场合的应用，比如在抗洪抢险、移动办公、大型户外活动和机场大厅等不适于铺设有线设备的场合。无线局域网的出现向人们提供了无线接入互联网的功能，但是它要求移动节点直接和接入点(AP)连接，这在一定程度上限制了无线上网的使用范围。当网络节点数相对较大时，接入点的覆盖范围有限，难以满足所有节点的要求，难以实现处处接入。此外，家庭使用的小型无线局域网通常是无中心的，不适于使用这种网络结构。人们希望可以在无线网络上方便快捷、随时随地获取信息，同时希望它能够像互联网一样提供安全、可靠并具有服务质量(QoS)保障的信息传送服务，比如VoIP业务，而无线移动自组织互联网的出现为满足人们的这种需求提供了可能。此网络中的节点不需要直接连接到接入点，而是利用自身的自组织功能寻找到达接入点的多跳路由来实现互联网接入。
    由于在无线移动自组织网中节点是移动的，使得网络拓扑结构经常变化，导致了当前的路由信息往往是不精确的。网络拓扑难以预测的变化方式使得无线移动自组织网的组成及其路由方式与有线网络有着极大的差异，有线网络上使用的路由方式和QoS保证策略并不适用于无线环境。大多数现有的无线网络路由协议仅仅处理Best-effort数据业务，并不支持与QoS相关的多媒体业务，而大多数情况下在无线移动自组织网中传输的数据需要通过多个移动节点中转才能到达目的节点，所以在网络承载有QoS要求的服务时不仅要考虑单跳情况下的QoS保证，还要保证整个无线多跳路径上的QoS。对无线移动自组织互联网QoS支持的研究正是针对这一问题展开的。 

1 无线移动自组织互联网
    无线移动自组织互联网的网络结构由无线移动自组织网和互联网组成。无线网络部分可作为一个独立网络有效地支持互联网业务，成为互联网的外延，同时无线移动自组织网中普通节点之间也可以直接通信或仅通过普通节点的中转进行网络内部通信。
要在无线移动自组织互联网中较好地支持QoS，通常需要较为完善的自适应移动分群和路由技术的支持。

1.1 自适应移动分群
    分群主要是为了实现分层分布式控制，节省网络资源。节点的自组织功能是指移动终端通过定期广播自己及周围的网络拓扑信息和接收周围节点广播的拓扑信息获得整个无线网络的拓扑结构信息，适应由于节点移动而引起的拓扑变化，并根据收集到的信息按照一定的协议自发地组成一个个的组群，从而实现移动分群。

1.2 自适应移动路由
    无线网络的路由方式主要分为两种：表格驱动和按需查找。
表格驱动是指网络节点接收到其他节点定期广播的路由信息后不断更新自己保存的路由信息。其优点是一旦有数据要发送，节点可以立刻从路由表中找到可以到达目的节点的路由。但这也意味着网络中的每一个节点都要维护一张包含全网路由信息的路由表。当网络规模较小时这种方式的效率比较高，但是对于较大的网络规模而言，在全网内所有节点中维护这样一张表格会大大增加网络的运营成本。
    按需查找是指当节点产生业务后，源节点根据目的节点地址主动向全网泛洪路由探索信息，当目的节点接收到这个信息后，向源节点返回一个路由探索回应信息，从而在源节点到目的节点之间建立一条路由。这一过程需要多个节点中转完成，要花费较长的时间。

1.3 提供QoS服务
    QoS可以理解为网络利用各种技术有选择地为网络业务提供安全、可靠的信息传送服务的能力。比如，在未来的无线移动自组织互联网中将会支持IP电话业务和实时图像传输业务，虽然网络中的数据是以分组方式传输的，但由于这类业务有着实时性要求，所以要使用一些特殊的策略使其传输满足一定的QoS。在无线移动自组织网络中，网络拓扑的经常变化导致了当前路由信息往往是不精确的。由于拓扑的变化方式难以预测，所以实现QoS路由是非常困难的。但在许多网络拓扑变化不是太频繁的地方提供QoS是可行的，并且可以利用自适应技术来降低QoS中断的可能，比如说，由于重选路由引起的QoS暂时中止可以通过速率自适应、基于话音/视频的分层编码压缩方案来减少。 
    对QoS业务的支持通常分为以下几种：满足业务时延、满足业务带宽和业务优先级等。满足业务时延是指用户的数据传输时延必须小于一定的值，要求路由算法找出满足最大时延( delay constraint ) 的路由；满足业务带宽是指用户的数据传输所需的带宽必须大于一定的值，要求路由算法找出满足业务传输要求最小带宽( band constraint ) 的路由；对于业务优先级的支持则是指根据预约业务的优先等级分配给相应的网络资源。

2 QoS的保障策略及技术

2.1 QoS路由的发现
    路由的发现是指为使网络中产生的数据能到达目的节点，按照一定的协议在网络中为其寻找传输路径的过程。
    在提供QoS服务之前，必须建立起一条满足要求的路由。对于使用表格驱动的路由协议，协议本身规定所有节点定期向网内广播自己记录的路由信息，网络内所有节点中都存有一张路由表用于记录到达网内其他所有节点的路由信息，所以当节点产生有QoS要求的业务时，可以直接从路由表中找出符合业务要求的一条或多条路由。
    对于使用按需查找的路由协议，由于网络节点并没有定期维护到达其他节点的路由信息，所以当某节点产生需要QoS的业务时，该节点首先要向网络泛洪路由探索信息，每个收到该路由探索信息的节点会判断自己是否为目的节点，若不是，则将自己的信息记录在该路由探索信息中并向更远的节点泛洪该信息；若自己是目的节点，则按照收到的路由探索信息中记录的路由信息生成路由探索应答信息。由于路由探索信息在网络中是以泛洪的方式传播的，目的节点可能收到多个这样的信息，如果它对这样的信息一一做出应答，源节点就可能收到多个路由探索应答信息，这样源节点就可以记录多条到达目的节点的路由。

2.2 QoS路由的选择和建立
    为了给QoS路由的选取提供依据，在路由探索信息中可以加入一些评估参数，比如网络传输时延、网络拥塞程度或网络可用带宽等，这些信息被源节点收集并在一定要求下进行评估，从而选出合适的路由。由于在上述QoS路由的发现过程中可以生成多条路由，这为选取最优路由提供了可能，除最优路由外的次优路由对于保证QoS服务是至关重要的，这一点可以在2.4节中清楚地看到。
    对于路由的选取策略可根据QoS业务的类型来制定，大多数QoS业务使用的是优先级服务方式，通常选取跳数最小的路由作为最优路由。在为QoS业务建立路由时要充分考虑到该业务的要求和整条路由的状况，一旦源节点从多条备选路由中按照一定的规则选出满足要求的最优路由后，则在进行实际数据传输之前需要让选定路由上的每一个节点知道将有QoS业务通过，从而为该业务准备足够的网络资源。
    这可以通过端到端的询问和应答机制来实现，源节点通过选定的路由向目的节点发送一个端到端的发送请求(RTS)，若目的节点收到该请求则按反向路由发送一个发送应答(CTS)，当源节点成功收到CTS后即可进行QoS数据的传输。与此同时处于该条链路上的中转节点通过转发的CTS获得此信息，这使得中转节点在承载QoS业务前通知周围邻节点自己在服务过程中不会和它们建立连接，从而避免了隐藏终端的问题，进而为后面的QoS服务做好准备。

2.3 QoS路由的维护
    路由的维护是指为保证网络传输的质量，网络中节点以某种策略保持路由信息的可靠性，从而保证数据传输的可靠性。
    由于无线网络中节点的移动性会导致网络拓扑的变化，这可能直接导致建立好的路由在使用过程中突然中断，所以为了满足QoS服务，在QoS路由建立起来以后还要对它进行维护。传统的路由协议在路由维护方面存在以下问题：
    (1)对于表格驱动的路由协议，网络中的路由信息是周期更新的。虽然这种协议在路由发现和路由建立阶段可以显示出较高的效率，但对于QoS业务的维护，这个周期显然是非常长的。对于IP话音业务来说，较长的更新周期会使网络无法对承载QoS业务的路由进行及时的维护，从而导致IP话音业务因超时而中断。
    (2)对于按需查找的路由协议，路由信息是在建立QoS服务之前收集并记录的，一旦路由建立起来后网络并不对选定的路由进行任何维护。网络拓扑的变化导致链路发生中断时，网络节点可能继续使用过期的路由信息，这不仅会造成数据大量丢失，而且使源节点或目的节点要经过较长的时延才会探测到路由的中断，因此和表格驱动的路由协议面临同样的问题。
    要解决这个问题，必须在进行QoS服务的同时对路由进行维护。根据业务优先级的不同可以采用不同的维护策略，主要可以分为以下几种：
    （1）实时维护
    这种维护方式主要针对业务优先级很高的QoS业务，比如说IP语音业务。由于被传输的QoS业务数据中会携带一定的路由信息，一个较好的办法是节点可以利用这些信息来维护路由信息，使它们始终保持最新。这样做不仅维护了QoS服务所要求的路由信息，而且降低了自组织协议的开销。
    （2）定期维护
    这种维护方式主要针对业务优先级中等的QoS业务，比如说Internet网页数据。这类数据可以忍受较长的网络时延，但要求保证始终可用的路由，即不需要保证路由的高效性，但要保证路由的存在性。因此，传输这类业务就不需要像IP语音业务一样始终保持路由的更新，而只需对路由进行定期的维护。其中的一个办法是源节点定期向目的节点发送路由确定数据包，目的节点在收到该包后回应一个应答包，路由上的节点利用该应答包中的数据定期更新路由信息。
    （3） 触发维护
    这种维护方式主要针对业务优先级较低的QoS业务，比如说E-mail或小型文件。这类数据往往在较短的时间内即可完成在网络上的传输，因此只要为这类数据提供一个在一定时期内有效的路由即可，而无需为其进行专门的路由维护。

2.4 QoS路由的修复 
    路由的修复是指当数据传输使用的链路因为某些原因发生中断或改变时，网络中的节点利用现有的网络拓扑信息重新为数据传输建立链路的过程。
    若在对被使用的路由进行维护时，一个正在被使用的路由上的节点离开或关机，或一个新节点加入到已经建立起来并正在被使用的路由中，原来建立好的路由就遭到了破坏，从而直接导致QoS服务的中断，比如正在进行的IP电话可能被立即中断。为满足QoS业务的要求，必须在有限的时间内恢复对它的支持。
    为做到这一点，可以利用在路由探索阶段保存的多条可选路由作为备用，当节点探测到路由中断时，可从备选路由中选出一条最优的路由立刻恢复数据传输，在恢复数据传输前也要完成源节点到目的节点的RTS/CTS信息的交换。对于表格驱动的路由协议，在开始QoS服务时，除了按照最短路由、最短时延或最小网络开销等策略选出的最优路由外，源节点和中转节点可以在路由表更新时额外保存若干条次优化的路由以备最优路由遭到破坏时使用；对于按需查找的路由协议，由于这种协议没有定期的路由信息交换，所以在路由探索阶段应该保存多条路由信息以便在网络拓扑变化时能及时提供备用路由。另一方面，如果网络节点具备一定的路由自恢复能力，则发生中断时中断处的节点可以利用自己保存的局部网络拓扑信息直接修复路由。

3 结束语
    在保证QoS业务时，路由的发现、选择、建立、维护和修复都起着至关重要的作用，国内外许多专家和机构都在从事这方面的研究和发展。无线移动自组织互联网中的QoS路由技术的发展将成为无线移动自组织互联网发展中的一个重要推动力量，为无线移动自组织互联网支持的业务类型提供了无限的可能。由于无线移动自组织互联网的应用范围几乎不受限制，良好发展的无线移动自组织互联网中的QoS路由技术将使人们可以真正摆脱电缆的束缚，在移动中充分享受信息服务的乐趣，这将成为未来电信服务发展的一个重点，有着良好的发展前景。

4 参考文献
    [1] Jiang Mingliang, Li Jinyang, Tay Y C. Cluster Based Routing Protocol(CBRP)[DB/OL]. http://www.ietf.org/mail-archive/ietf-announce/Current/msg04923.html.
    [2] Gokhale S. Swapna, Tripathi Satish. Effect of Unreliable Nodes on QoS Routing[DB/OL]. http://www.ieee-icnp.org/1999/papers/1999-19.pdf.

收稿日期：2003-09-08

[摘要] 文章首先介绍无线移动自组织互联网的特点，在此基础上着重对QoS的保障策略及技术进行了讨论，并展望了无线移动自组织互联网的发展前景。

[关键词] 无线局域网；无线移动自组织互联网；QoS路由；路由协议

[Abstract] The characteristics of WMSI(Wireless Mobile Self-organizing Internet) are outlined firstly, and then emphasis is placed on the discussion of guarantee strategy and technologies of QoS (quality of service) in this kind of networks. Finally the development prospect of WMSI is forecasted.

[Keywords] WLAN; WMSI; QoS routing; routing protocol