无线Ad Hoc网络跨层QoS保证的方法与应用探析（须）） 网络, Internet, 设计原则, 能力

forsuccess

图1所示是Internet协议和Ad Hoc跨层等两种网络体系结构的设计原则图。其中固定Internet的网络拓扑是准静态的，相邻路由器之间的链路带宽充足，网络的瓶颈是路由器的处理能力和存储容量。因此，Internet的网络协议往往通过使用较多链路带宽来减少路由器的处理和存储资源的耗费，即强调相邻路由器对等实体之间的水平通信，以尽量减少路由器内协议栈各层间的垂直通信(如图1(a)所示)。Ad Hoc网络中的链路带宽和主机能量非常稀少，并且能量主要消耗在发送和接收分组上，而主机处理能力和存储空间相对较高。为了节省带宽和能量，在Ad Hoc网络中应该尽量减少节点间水平方向的通信。跨层设计方法正是这种设计原则的一种具体体现，它通过增加协议栈各层之间的垂直交互来减少协议层对等实体之间的水平通信(如图1(b)所示)，协议栈中各层协议在逻辑上是耦合的，因而减少了不必要的水平通信所造成的资源浪费。

3 跨层设计方法的特点
    通过对传统的分层体系结构的研究，可以确定现有层间通信方法的一些主要缺点。
    首先，通过协议栈的信号传播方法效率不高(例如ICMP方式)。一层一层传播的方法只是仅仅遵循了数据传输的模式。因此，中间层必须被涉及到，即使消息源层和目的层才是事实上的目标。这将导致不必要的处理和传播时延。传统的层间通信必须相邻，逐层传播的方法仅仅遵循数据传输的模式。因此，会导致不必要的处理和传播时延。
    其次，信号的信息格式，即对上行和下行的动态信号来说不够灵活，也对各个节点内外的不同信号来说不够优化，而且，所需要的信号格式应该是更丰富的信今方式，而不是简单的跨层暗示(Cross-layer hints)和通知(notifications)。
    因此，本文给出了一种跨层设计的方法，希望使其成为一种高效率、灵活和包容性好的机制。它具有如下特性：
3．1 不相邻层间的直接信令传输
    跨层设计方法的基本思想是打破层排序的制约，但保留层结构(layering structure)。举例来说，激活应用层和网络层之间的直接通信，而不需通过中间层(传输层)。虽然这种方法对原有的分层协议栈来说并不是不能使用，但它仅仅作为异常情况出现，而不是设计为一般处理应有的功能。又如GSM中，第三层实体RRM(Radio Resource Management)直接访问物理层。网络层和应用层之间的一个专门的API被定义在一个软件模拟器GloMoSim中。同样的法则也可应用在基于软件的真实世界的应用中。显然，这一机制也应用在相邻层间的信号传播中。这一特性的概念如图2所示。下面是对协议栈传播时延的简单分析：

    对于消息一层一层传播的方法，两层间的上行(或反过来)传播时延，其第一层(源层，不一定是物理层)和第n层(目的层，本情况中1<n≤5)可以用公式表达为：


    与逐层传递相比，不相邻层间的直接信令传输的传播时延只有前者的1／(n-1)。层数越多，它就越有意义。只有当n=2(相邻层间传播信号)时，两者才没有区别。
3．2 消息格式
    对内部消息传播，没有必要使用标准协议，它通常都很繁琐和低效，特别是对网络中差错控制的传播。内部信号传输使用ICMP消息，除了大IP报文头(对IPv4来说20字节)，一个普通的ICMP报文头本身是8字节，所需的校验字段为2字节，占了25％。因此，缩减额外的报文头和将字段最小化可以将内部消息格式简单化。虽然报文头压缩技术正在发展，但这仍然是另一个领域的问题。从本质上来说，交互消息只需要目的地址、事件类型、事件内容等三个字段。其中，目的地址包括目的层和目的协议或应用程序；事件类型用于标志一个参数；事件内容主要是参数值。
    如果为目的地址和事件类型各分配一个字节并假设事件内容字段占2字节，整个消息大小为4字节。类似的，检查一个IPv4封装的、有8字节报文头和2字节内容的ICMP消息，整个消息大小为30字节，是“轻量”消息的7．5倍。引入一个可选字段Next Event，消息也可以用累计的方式传播。
    对于外部消息，ICMP可以用于一般消息，而TCP／IP报文头则可用于较短的通告。