摘? 要： 提出并實(shí)現(xiàn)了在有基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供應(yīng)用級(jí)服務(wù)質(zhì)量支持的系統(tǒng)模型機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)床實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較，驗(yàn)證了該機(jī)制在實(shí)現(xiàn)中的可行性。
關(guān)鍵詞： 服務(wù)質(zhì)量? 延遲? 區(qū)分服務(wù)
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近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到迅速發(fā)展。從組網(wǎng)方式上看，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可分為隨意組網(wǎng)(Ad-hoc)模式和有基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure)網(wǎng)絡(luò)模式。隨意組網(wǎng)模式允許無(wú)線節(jié)點(diǎn)直接通信。有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模式則禁止無(wú)線節(jié)點(diǎn)直接通信，所有分組都要經(jīng)過(guò)接入點(diǎn)(Access Point，AP)轉(zhuǎn)發(fā)。與隨意組網(wǎng)模式相比，目前，有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用更為廣泛。
現(xiàn)階段，無(wú)線技術(shù)被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程教學(xué)、臨時(shí)會(huì)議等應(yīng)用場(chǎng)景。這就要求無(wú)線網(wǎng)絡(luò)除了支持一般數(shù)據(jù)傳輸外，還要支持對(duì)延遲等參數(shù)較為敏感的實(shí)時(shí)媒體業(yè)務(wù)的傳輸。然而，目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品硬件中實(shí)現(xiàn)的802.11 MAC層協(xié)議只支持基于“盡力而為”的分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function，DCF)，對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不提供任何服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)保證。
本文將提出一種在有基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)提供應(yīng)用級(jí)服務(wù)質(zhì)量支持的系統(tǒng)模型機(jī)制，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。
1?系統(tǒng)模型的算法描述
系統(tǒng)模型主要由3個(gè)模塊構(gòu)成：延遲帶寬分析、準(zhǔn)入控制和速率整形。系統(tǒng)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。
圖中，業(yè)務(wù)分類器主要用于區(qū)分實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和盡力而為業(yè)務(wù)。速率整形模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)整盡力而為業(yè)務(wù)的發(fā)送速率以適應(yīng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的低延遲要求。準(zhǔn)入控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的可用帶寬決定是否滿足新的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的準(zhǔn)入請(qǐng)求，對(duì)已準(zhǔn)入的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流直接插入網(wǎng)卡接口隊(duì)列等待MAC層處理。延遲帶寬分析模塊負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬及該節(jié)點(diǎn)分組的實(shí)際發(fā)送速率，并測(cè)量數(shù)據(jù)幀的MAC層延遲。這里所說(shuō)的MAC層延遲包括：數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)卡接口隊(duì)列的排隊(duì)等待時(shí)間；根據(jù)CSMA/CA算法偵聽(tīng)媒體信道狀態(tài)所等待和退避的時(shí)間；在取得對(duì)媒體信道的訪問(wèn)權(quán)后，發(fā)送RTS(Request to Send)-CTS(Clear to Send)-DATA-ACK一系列幀交換的時(shí)間，其中也包括了可能的幀碰撞和重傳時(shí)間。對(duì)MAC層延遲時(shí)間準(zhǔn)確和及時(shí)的反饋也是整個(gè)算法的關(guān)鍵。此外，由于MAC層對(duì)廣播和組播幀的處理與單播幀不同，在測(cè)量過(guò)程中不應(yīng)包含對(duì)組播和廣播幀的延遲統(tǒng)計(jì)。
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1.1 速率整形機(jī)制
在速率整形機(jī)制中，無(wú)線源節(jié)點(diǎn)和接入點(diǎn)的速率整形模塊均采用加增乘減(AIMD)控制算法。每個(gè)源節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)自身盡力而為業(yè)務(wù)分組的發(fā)送速率。接入點(diǎn)則對(duì)所有轉(zhuǎn)發(fā)的盡力而為業(yè)務(wù)分組進(jìn)行速率調(diào)節(jié)，以使各節(jié)點(diǎn)實(shí)際發(fā)送速率均不高于某一動(dòng)態(tài)變化的發(fā)送速率閾值rate_limit。
AIMD算法被應(yīng)用在TCP擁塞控制等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。在本系統(tǒng)中，AIMD算法則用于提供各無(wú)線源節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線媒體帶寬的公平利用。此外，AIMD算法還可以在確保實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)經(jīng)受較低MAC層延遲的情況下，使盡力而為業(yè)務(wù)更為充分利用剩余的媒體帶寬，使總的吞吐率在系統(tǒng)所允許到達(dá)的最大吞吐率附近上下浮動(dòng)。
對(duì)速率整形算法的描述如下。
(1)rate_limit=C；/*initial rate_limit*/
(2)根據(jù)AIMD算法，每隔t秒，各無(wú)線源節(jié)點(diǎn)和接入點(diǎn)以加法增加發(fā)送速率閾值rate_limit：
rate_limit=rate_limit+rate_inc；
(3)根據(jù)延遲帶寬分析模塊每隔S秒統(tǒng)計(jì)的該節(jié)點(diǎn)的實(shí)際發(fā)送速率rate_actual，調(diào)整過(guò)大的發(fā)送速率閾值rate_limit，即：
If(rate_limit-rate_actual>rate_actual*g%)
????????????? ?? rate_limit=rate_actual*(1+g%)；
(4)每隔ｔ秒，各節(jié)點(diǎn)的延遲帶寬分析模塊用帶權(quán)重的滑動(dòng)窗口來(lái)更新測(cè)得的MAC層平均延遲，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送速率閾值rate_limit：
AP算法(上式中delay用delayAP替換)：
if(delayAP>delay_limit){/*delay is greater than Delay threshold*/
???????????????????? rate_limitAP=rate_limitAP*d%；
/*Multiplicative Decrease rate_limit by AP*/
???????????????????? send_broadcast_frame(frame)；
/*AP is bottleneck，construct the broadcast frame to
notify the source node AP′s delay*/
?????????????? }
無(wú)線源節(jié)點(diǎn)算法：
delayAP=recv_broadcast_frame(frame)；/*receive AP′s?delay*/
delay=MAX(delay，delayAP)/*get the maximum of delay
between AP and Source node itself*/
if(delay>delay_limit)
???????????????????? rate_limit=rate_limit*d%；
/*Multiplicative Decrease rate_limit by source*/
這里，delay_limit是事先定義的延遲閾值。它的值應(yīng)根據(jù)上層實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要確定。
1.2 準(zhǔn)入控制機(jī)制
現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)中，有基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)接入點(diǎn)對(duì)分組的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的間接通信。利用這一性質(zhì)，接入點(diǎn)的延遲帶寬分析模塊就可通過(guò)測(cè)量自身轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)來(lái)獲知目前實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)該媒體信道帶寬(bw_current)的占用情況。這樣，如果可以得到在不破壞服務(wù)質(zhì)量前提下實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所能占用的最大媒體帶寬(bw_threshold)，則二者的差值也就是目前系統(tǒng)中新的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的可用帶寬(bw_availabe)。但是，在實(shí)現(xiàn)中，一般是選取更小的帶寬限值(bw_limit)作為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)所能占用的最大媒體帶寬bw_threshold的替代值(在實(shí)驗(yàn)中均保守地選取bw_limit值，使系統(tǒng)中只允許5條實(shí)時(shí)媒體業(yè)務(wù)流同時(shí)存在)。這樣做的原因是：(1)雖然業(yè)務(wù)負(fù)載量輕重和MAC層的平均延遲具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是平均意義上的對(duì)應(yīng)，并不是穩(wěn)定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際很難找到適合的bw_threshold值。(2)如果選取了bw_threshold作為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)最大可用媒體帶寬，則根據(jù)上述bw_threshold的定義，盡力而為業(yè)務(wù)將有可能幾乎沒(méi)有剩余帶寬可用。這樣，速率整形機(jī)制的調(diào)節(jié)功能也就失去了作用，無(wú)法通過(guò)速率調(diào)節(jié)使實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)MAC層延遲迅速降低，也就失去了該機(jī)制對(duì)延遲變化反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。(3)即使使用了較小的帶寬限值bw_limit作為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)準(zhǔn)入控制的準(zhǔn)入?yún)?shù)，剩余的媒體帶寬仍可由盡力而為業(yè)務(wù)充分地利用，不會(huì)影響系統(tǒng)總的吞吐率。
每個(gè)無(wú)線源節(jié)點(diǎn)維護(hù)著自身發(fā)送實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的狀態(tài)鏈表。接入點(diǎn)則維護(hù)所有轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流狀態(tài)鏈表。準(zhǔn)入控制過(guò)程描述如下：
對(duì)于無(wú)線源節(jié)點(diǎn)，當(dāng)有新的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流到達(dá)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)記錄該業(yè)務(wù)流的狀態(tài)信息(包括源目的地址、端口等)，并向接入點(diǎn)發(fā)送帶有該流狀態(tài)信息(包含預(yù)約帶寬)的準(zhǔn)入請(qǐng)求。接入點(diǎn)收到請(qǐng)求分組后，進(jìn)行比較：若預(yù)約帶寬小于目前系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的可用帶寬，則將新流插入接入點(diǎn)所維護(hù)的準(zhǔn)入流狀態(tài)鏈表，立即更新可用帶寬的值，并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送準(zhǔn)入應(yīng)答分組。源節(jié)點(diǎn)收到準(zhǔn)入應(yīng)答分組后，則將該流插入其維護(hù)的準(zhǔn)入流鏈表，即準(zhǔn)入該流。反之，若請(qǐng)求分組中包含的預(yù)約帶寬大于目前系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的可用帶寬，則接入點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送禁入應(yīng)答。源節(jié)點(diǎn)收到禁入應(yīng)答分組后，則禁入該流，具體說(shuō)，即將禁入流插入到源節(jié)點(diǎn)維護(hù)的禁入流鏈表中，并啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)清空該鏈表。這樣做的目的是在一段時(shí)間后可以再次發(fā)起該流的準(zhǔn)入請(qǐng)求過(guò)程，以防止在系統(tǒng)負(fù)載減輕后仍然禁入這些流。對(duì)于屬于禁入鏈表內(nèi)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)分組，源節(jié)點(diǎn)不必發(fā)起準(zhǔn)入請(qǐng)求過(guò)程，而是直接將其丟棄，以防止其占用媒體信道。
對(duì)于由接入點(diǎn)以太網(wǎng)端口(即來(lái)自有線段)到達(dá)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流，則由接入點(diǎn)的準(zhǔn)入控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)入。但由于接入點(diǎn)本身位于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心環(huán)節(jié)，因此無(wú)需準(zhǔn)入請(qǐng)求等信令過(guò)程。
2?仿真性能評(píng)價(jià)
下面是在網(wǎng)絡(luò)仿真器NS-2上實(shí)現(xiàn)上述機(jī)制的過(guò)程。
????(1)接入點(diǎn)通過(guò)NOAH路由擴(kuò)展提供分組轉(zhuǎn)發(fā)功能。NOAH路由禁止無(wú)線節(jié)點(diǎn)直接通信，任何無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)分組都要經(jīng)過(guò)NOAH路由的轉(zhuǎn)發(fā)。為節(jié)點(diǎn)配置分級(jí)地址以仿真無(wú)線節(jié)點(diǎn)和有線節(jié)點(diǎn)之間的通信。每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為250m，物理層的最大速率為2Mbps，MAC層采用802.11 MAC層協(xié)議。
(2)仿真場(chǎng)景取200m×200m區(qū)域，用1個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)配置NOAH路由充當(dāng)接入點(diǎn)。接入點(diǎn)一端與有線節(jié)點(diǎn)連接，10個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它們和接入點(diǎn)共享2Mbps物理帶寬。用3條常比特率(Constant Bit Rate,CBR)業(yè)務(wù)流仿真模擬實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，用FTP業(yè)務(wù)來(lái)仿真盡力而為業(yè)務(wù)。CBR業(yè)務(wù)以60Kbps勻速率發(fā)送。系統(tǒng)吞吐率隨FTP流數(shù)變化，如圖2所示。CBR流的平均延遲隨FTP流數(shù)變化，如圖3所示。
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???? 圖2和圖3中的x軸代表FTP流的數(shù)量，y軸分別代表無(wú)線子網(wǎng)中系統(tǒng)的平均吞吐率和某CBR流的平均延遲。源節(jié)點(diǎn)陸續(xù)增加FTP流的數(shù)量以增加系統(tǒng)中盡力而為業(yè)務(wù)負(fù)載。可以看出，當(dāng)只有單個(gè)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生FTP業(yè)務(wù)時(shí)，才能使CBR的平均延遲和系統(tǒng)的平均吞吐率均小于多FTP流的場(chǎng)景。隨著FTP流數(shù)的增加，系統(tǒng)的平均吞吐率和CBR流的平均延遲均趨于穩(wěn)定。
在多FTP流的場(chǎng)景下，改進(jìn)后系統(tǒng)CBR業(yè)務(wù)的平均延遲較原系統(tǒng)下降87%～88%，而系統(tǒng)平均吞吐率僅下降7%～8%。單FTP場(chǎng)景下，改進(jìn)后延遲下降91%，吞吐率則相應(yīng)下降了14%。
FTP流數(shù)為3時(shí)的系統(tǒng)吞吐率和CBR流端端延遲每秒均值隨仿真時(shí)間變化情況分別如圖4和圖5所示。圖中，x軸代表仿真時(shí)間，y軸分別代表系統(tǒng)吞吐率和某條CBR業(yè)務(wù)流端端延遲的每秒均值?？梢钥闯龈倪M(jìn)后系統(tǒng)的吞吐率下降不大，而CBR業(yè)務(wù)流的端端延遲卻大幅下降。
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3? 實(shí)驗(yàn)床分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，用5臺(tái)配有D-Link DWL-650無(wú)線網(wǎng)卡的IBM筆記本搭建無(wú)線實(shí)驗(yàn)床。其中一臺(tái)作為接入點(diǎn)存在，與有線連接。另外4臺(tái)則充當(dāng)無(wú)線源節(jié)點(diǎn)。D-Link DWL-650 11M IEEE 802.11b PCMCIA無(wú)線網(wǎng)卡基于Intersil Prism2芯片，支持主機(jī)接入點(diǎn)(Host AP)模式(當(dāng)然也支持通常的有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模式和隨意組網(wǎng)模式)，即用Linux主機(jī)提供接入點(diǎn)功能。在Host AP模式下，無(wú)線網(wǎng)卡硬件負(fù)責(zé)處理BEACON、ACK等對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的管理幀和控制幀。而其他一些IEEE 802.11管理功能(如對(duì)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)等)則由上層Host AP驅(qū)動(dòng)完成。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)修改Host AP驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑶笆鰴C(jī)制在Linux實(shí)驗(yàn)床實(shí)現(xiàn)，Linux內(nèi)核版本為2.4.2-2。在實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生2條TCP業(yè)務(wù)流和3條UDP業(yè)務(wù)流。TCP和UDP業(yè)務(wù)均用業(yè)務(wù)產(chǎn)生器Iperf產(chǎn)生，UDP分組發(fā)送速率為250Kbps，用于模仿實(shí)時(shí)媒體業(yè)務(wù)。其中TCP流則代表盡力而為業(yè)務(wù)。原系統(tǒng)和改進(jìn)后系統(tǒng)某條實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流分組在接入點(diǎn)MAC層延遲的每秒均值隨時(shí)間變化情況如圖6所示。必須說(shuō)明的是：圖中接入點(diǎn)MAC層延遲每秒均值并不是指仿真實(shí)驗(yàn)中的端端延遲，而是指單播數(shù)據(jù)幀從插入接入點(diǎn)網(wǎng)卡接口隊(duì)列到該幀的ACK正確返回所經(jīng)歷的時(shí)間。通過(guò)對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)的trace分析可以認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)分組所經(jīng)歷的端端延遲絕大部分來(lái)自接入點(diǎn)的網(wǎng)卡接口隊(duì)列延遲。因此，在實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，取數(shù)據(jù)分組在接入點(diǎn)的MAC層延遲作為數(shù)據(jù)分組的延遲量度是可行的。
從圖中可以看出，改進(jìn)后系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)流數(shù)據(jù)分組的平均延遲大幅降低并相對(duì)穩(wěn)定。
4? 結(jié)? 論
本文討論了在基于IEEE 8012.11協(xié)議族分布式協(xié)調(diào)功能之上為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供應(yīng)用級(jí)服務(wù)質(zhì)量支持。該機(jī)制的優(yōu)勢(shì)主要在于其完全獨(dú)立于MAC層，無(wú)需進(jìn)行任何硬件的升級(jí)。此外，仿真和實(shí)驗(yàn)床均顯示，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情況下，加入的機(jī)制雖然導(dǎo)致了系統(tǒng)吞吐率的小幅下降，但換來(lái)了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)端端延遲的大幅降低。與原系統(tǒng)相比，改進(jìn)后系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)會(huì)有更低、更穩(wěn)定的端端延遲。
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