QoS路由

一般的網絡過程由兩部分組成，一個是依據某種約束參數為到達的業務分組流選擇合適的路由進行數據的轉發，另一個則是為了維護幾點間的路由轉發信息進行的信息交互。QoS路由同樣也是這樣的過程轉發。

首先帶有QoS信息的路由實施有效的控制來防止網絡的過載，然後尋找滿足QoS要求的路由在無線網絡中實施負載均衡；可以基於現有的路由算法來構造QoS路由協議，每個節點在路由表中增加相應的QoS信息，計算最短路徑的同時計算各種QoS信息，進行接納控制；可以選擇資源充足的路徑行進；還可以根據不同的應用要求更加高效地分配帶寬，並可以進行資源的重協商。

IETF在RFC2386中對QoS路由進行了如下定義：QoS路由是一種能夠依據網絡可用資源和業務流QoS需求為依據進行路徑計算的路由機制。

由IETF的上述描述可以看出，與盡力而為的路由選相比，QoS路由不僅關心網絡的連通性，而且也關係路由是否能夠滿足業務所提出的QoS要求的網絡資源的有效配置。QoS路由要從以下3個方面拓展盡力而為的路由模型：首先，為了支持多種服務類型，QoS路由需要支持IntServ模型，支持IP分組的業務類型（ToS）應用需要以及源宿結點間的多重路徑計算，一些新型服務應用的路由計算可能需要不同的路由度量參數，如帶寬、成本、每一跳開銷、時延、可靠性等；第二，在提供“較好”服務性能路由的同時需要防止業務流頻繁地從一條路由跳轉到另一條“更好”的路由，避免由於路由振盪給端用户業務帶來不必要的時延和抖動；第三，支持可選路由，雖然這條路徑不一定是最優或者最短的路由。 ^[1] 

QoS路由過程也是網絡針對各業務應用提出的QoS要求，通過資源和路由分的計算，選擇可用路徑的一個過程。選路時需要考慮的因素有：網絡拓撲結構、業務的QoS參數要求、鏈路上的可用資源和網絡管理層所規定的其他策略。 ^[2] 

QoS路由就是要將傳統的最短路徑變為一條可適應具體業務流屬性需求的“更好”路徑，實施QoS路由的主要目標可以包括以下幾點：

（1）能夠動態地選擇可行路徑，為每一個接納的QoS業務連接 請求，找到能夠滿足其QoS參數需求的可行路徑；

（2）優化資源配置，平衡網絡負載，實現網絡全局資源利用率的優化，從俄日最大化網絡接受其他QoS請求的能力。

（3）與傳統的路由機制相比，能夠改善網絡的吞吐量和網絡性能的退化。

QoS路由的功能組成

QoS路由主要包括QoS路由協議和QoS路由算法兩個基本內容。QoS路由協議用於完成網絡節點之間收集和發佈網路狀態信息的功能，QoS路由算法則是根據已有的狀態信息來為新的用户業務的連接請求選擇一條合適路由。

為了提供QoS保證，與IntServ類似，QoS路由通常也是在用户業務流轉發前需要QoS路由算法計算好相應的傳送路徑，從源端向宿端傳播一個消息，用來通知路徑上的所有節點為這個QoS業務保留相應的資源（如帶寬、緩存等），而後續的用户業務數據流則是沿着這條已經預留的路徑進行傳播，由此可見，QoS路由也是一種具有面相連接特性的路由機制。而網絡因此而產生的可用資源變化則可用資源變化可以通過則可以通過QoS路由協議通知網絡中的各個結點。

QoS路由的主要內容包括QoS路由協議和QoS路由算法兩部分，QoS路由協議實現測量、手機和維護網絡狀態信息，完成狀態信息的獲取和傳播功能，QoS路由計算則依據網絡節點維護的網絡狀態信息和業務流的QoS需求計算獲得一條優化的可行路徑。狀態信息在QoS路由的這些過程中有着重要的地位和作用。 ^[2] 

按照網絡信息所處的物理位置，可以3種狀態信息：本地狀態信息、全局狀態信息和匯聚/局部的全局狀態信息。

（1） 本地狀態信息：結點以及與其連接的鏈路所具有的狀態信息稱為本地狀態。本地狀態信息具體可能包括可能包括可用帶寬、時延、抖動、分組丟失率、結點處理器佔用率和鏈路開銷等信息，這些本地狀態時其他信息的基礎，也是QoS路由技術的基礎信息。

（2）全局狀態信息：網絡中全部結點的本地狀態信息的組合稱為全局狀態。基於全局狀態信息，可以比較容易設計啓發式路由算法，但隨着網絡規模的不斷擴大，玩了過全局信息數量急劇增加，雖然許多QoS路由研究都是基於全局狀態信息的，但是要求一個結點保存如此大量的全局狀態信息，並通過它計算可行路徑，在空間和時間上幾乎都是不可能的。

（3） 匯聚/局部的全局狀態信息：為了減少網絡全局狀態信息的信息量，提高可拓展性，可以將網絡進行結構分層，首先將同一分層結構中的節點本地狀態信息進行匯聚，再將低層網絡的匯聚內部狀態信息向高層傳播。在此過程中，結點所獲得的匯聚的全局狀態，稱為匯聚的全局狀態信息或局部的全局狀態信息。 ^[2] 

QoS路由計算時，需要了解網路或結點的狀態信息和資源情況，從而根據這些信息來計算並確定路徑。常用的度量參數包括：代價、跳數、時延、時延抖動、帶寬、丟包率等，這些參數可以分為加性度量參數、乘性度量參數和最小性度量參數三類。

路由算法的有效性很大程度上依賴於狀態性的準確程度。網絡狀態的不斷變化要求各節點的狀態信息必須進行實時更新。但是頻繁地網絡狀態信息。可能會帶來很大開銷。所以在保證信息正確的同時，還需要控制更新信息的頻率。如果更新頻率過高，會大量佔用網絡資源，使得開銷過大。

通常使用的更新策略可以分為基於時間變化的基於帶寬變化兩類，具體劃分為以下3種主要的更新策略。設計這些策略的中心思想都是在確保及時更新狀態信息的同時，儘量減少網絡和其他開銷，以保證二者之間的平衡。

（1）週期型更新策略

週期型更新策略是基於時間變化來進行信息更新。即每隔一個固定的時間，發送一次結點狀態信息。

（2）變化觸發型更新策略

變化觸發型更新策略是基於變化來進行信息更新。即每當網絡狀態發生顯著變化時，發送一次幾點狀態信息。

（3）複合控制型更新策略

複合控制型更新策略是在變化觸發型更新策略的基礎上面，加入時間控制。即限制兩次連續觸發狀態更新的最小時間間隔，設定鉗制時間，來適當減少狀態信息的發送頻率。

該類協議的代表是在每個節點都維護一張或幾張帶有QoS信息的路由表，每當拓撲結構發生變化時每個節點都需要計算從該節點到其他節點的各個QoS信息，需要大量的計算和佔用大量的存儲空間並增加了網絡負荷。比如像Chen於1997年提出了一種基於帶寬約束的路由算法。這種QoS路由算法是在DSDV路由協議的基礎上實現的。 ^[1] 

這類QoS路由協議是與傳統的按需式路由協議類似，只是在路由發現過程中添加了QoS參數的判斷以滿足業務的需求。像TBD(Ticket—Based Probing)協議也採用了路由發現的並行搜索過程，為了減少這些路由請求報文的耗費，該協議採用一定的機制來限制搜索範圍。比如它增加了三種QoS參數(時延、帶寬、耗費)。由於網絡拓撲結構經常變化，導致蒐集到QoS參數也就經常變化，變得不是很準確，也就不能滿足業務的要求。

Ad hoc網絡拓撲經常變化，不同節點可能對網絡有不同的認識：在時間上，有些節點的信息可能過時；在空間上，節點通常只瞭解周圍部分網絡的狀態。QoS路由需要獲悉大量的鏈路狀態信息來計算可行路徑並且維護易得到的路由資源，但是Ad hoc’網絡中帶寬是受限的並由多個節點共享，沒有中心節點負責分配有限的資源，從而使得QoS路由的發現和維護非常困難。具體而言，在Ad hoc網絡中實施QoS路由主要存在以下困難。

QoS路由研究存在着以下幾個問題: ^[1] 

(1)缺乏路由，理論研究困難

當前Ad hocQoS模型框架重要有INSIGNIA模型、ASWSAN模型、iMAQ模型。INSIGNIA QoS框架模型的主要設計目標是支持自適應的服務。這些服務可對實時的語音和視頻流及數據提供基本的QoS(如最小帶寬等)保證，並且當資源變的可用時，允許服務升級(如提供最大帶寬)在數據分組中添加標誌選項將加大網絡開銷，實質上是以減少有效帶寬的代價來換取資源的快速預留。SWAN模型是一種無狀態的在Ad hoc網絡中提供QoS服務的分佈式控制算法。SWAN並沒有對MAC層引入QoS保障機制，只是通過調整進入MAC層的盡力而為業務和實時業務的發送速率來提供QoS保障。在網絡負載較重的情況下，把實時業務及時成功發送也是很困難的。iMAQ是一個交叉層結構來支持在無線移動網絡上傳輸多媒體數據，增加了信息的處理量。

由於網絡拓撲和業務特性複雜多樣，協議數學描述困難。因此，多數路由研究主要是針對某個問題設計啓發式算法，而不是基於某種模型從理論上推導算法特性和性能，這種情況下，為分折算法性能，需要大量仿真工作，由於缺乏理論支持，在不同的拓撲結構和業務特性下，算法性能可能差異較大，而且仿真得到的結果缺乏説服力。

(2)優化目標不同，評估標準不一致

主要的優化目標包括代價和延時等加性參數，評估標準主要有：業務接入率、阻塞率、數據丟包率、帶寬利用率、節點隊列長度、代價、信令開銷等。由於各個研究者解決的問題不同，優化目標往往不相同，因此，評價標準也不一致。在這種情況下，不利於比較不同算法之間的優越性，因此制定出統一的路由性能評價標準對路由研究具有重要意義。

(3)接入業務的變化對網絡狀態影響大

Ad hoe無線網絡節點具有動態移動的特點，使得動態多變的網絡拓撲使得信息的收集和維護非常困難。現有的QoS路由依據用户業務對服務質量的要求進行尋路，一旦存在滿足要求的路徑就會將業務接入，在業務接入時，沒有考慮該業務的接入對網絡狀態有多大的改變，因此，QoS路由是基於服務質量要求的盡力而為的路由，在這種情況下，如果業務特性變化過快，網絡狀態急劇變化，網絡效率、阻塞率等特性都會受到很大影響，因此，在今後的研究中網絡的性能變化也應該作為業務接入的一個參考。

(4)節點控制與路由過程脱離

網絡為業務提供Qos服務時，節點控制和路由控制是相輔相成，缺一不可的。當數據包到達節點後，區分數據包類型，週期地監測並統計節點韻狀態，更新狀態數據庫；當本節點的狀態變化達到一定值時，觸發狀態信息向全網中剪達節點發送》本節點根據接收到的最新狀態信息，更新狀態數據癢和路由表，並進行其狀態穩定性判斷，調整相鄰節點的輸’出；根據業務數據包的QoS要求、目的地址和本節點狀態數據庫和路由表的內容，選擇路徑並進行業務調度。其中可能會存在當節點發佈信息時，此時移動節點的拓撲結構可能已經發生了變化，將導致節電控制和路由過程的不一致。