CN101069392A - 在ad hoc网络中用于动态适配服务质量标准的方法和系统 - Google Patents

在ad hoc网络中用于动态适配服务质量标准的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种在ad hoc网络中动态地管理服务质量标准的系统，该网络包括用于传送数据分组的路由节点(100)。系统包括网络管理器(200)，所述网络管理器基于所述网络上可用的服务质量和基于一个或多个应用所需要的服务质量，确定、计算以及部署将要在给定时刻应用的服务质量标准。每一个节点包括标准管理器(111)，所述标准管理器用于根据接收的所述将要应用的服务质量标准更新所述节点的路由表(1121)。

Description

在AD HOC网络中用于动态适配服务质量标准的方法和系统
技术领域
本发明涉及在ad hoc网络中传送服务质量，所述ad hoc网络是使用无线电介质的通信网络。所述网络包括移动和/或固定节点，所述节点具有自动和动态地构建网络的属性，一旦在节点和其近邻之间建立无线通信，则所述网络能够从网络的任意点向其他点传送分组。
背景技术
在ad hoc网络中，如果目的节点在源节点的连接区域内，分组从源节点直接发送给目的节点，如果目的节点在源节点的发送范围内，则分组从源节点经过相邻中间节点发送给目的节点。
因此，ad hoc网络能瞬间地部署没有预先存在的基础结构和没有集中管理的通信网络。所述网络的形成是动态的，所有的管理任务分布在网络的所有节点之间。
ad hoc网络的主要特征是网络节点用作或者能用作路由器。因此，节点自身使用特定的路由协议负责网络的建立并且保持连续的连通性，所述特定的路由协议能够在相邻节点间交换路由协议并且计算到所有其他节点的通信路径。这些路由协议周期地发送消息用于更新ad hoc网络的拓扑(即，用于标识节点和节点之间的链路)。
有两个路由协议族：先应式路由协议以及反应式路由协议。
对于先应式路由协议族中的协议，借助于周期性的路由交换表，每个节点具有整个网络的概貌。经由路由表所有的路径都是直接可用的。
对于反应式路由协议族中的协议，只有在请求时路径才可用。如果根据路由表至目的节点的路径不可用，则发起路径搜索请求，该请求的结果使得在存在路径的情况下该路径能被发现。
先应式路由协议，特别是OLSR(优化的链路状态路由)协议更特别地与本发明相关。
图1表示OLSR协议的组成，该协议是先应式路由协议。该协议具有两个主要部分：拓扑维持部分10，包括连接到路由节点选择模块12的拓扑控制模块11；以及路径选择部分20，包括路径计算模块或算法21。通过周期地交换控制信息，拓扑维持部分10构建网络的拓扑图，所述拓扑图之后用于计算路径。通过使用多点中继(MPR)路由器节点选择机制，该机制也减小了网络业务量开销。
根据聚集的与拓扑有关的信息，路径选择部分20使用图形路径计算算法(例如Dijkstra的算法)在网络的节点之间计算最佳路由，路径选择准则就是路程段(hop)的数量。
ad hoc先应式路由协议的基础设计明显地不考虑关于路径计算的服务质量。这些协议采用的准则通常是路程段的数量。很显然，这样的准则对于诸如视频会议应用和电话应用的实时应用而言是不够的。
作为路径选择过程的一部分，在设计阶段将服务质量考虑到路由协议实体中，预定义被称为服务质量的新标准。在这样的环境下，如图1所示，路径选择部分20进一步包括与路径计算算法相关联的服务质量标准管理模块22。这些标准的例子是时延标准、带宽标准、抖动标准等。关于服务质量标准的信息被注入拓扑图中。充实了该服务质量信息的新图因而被构建，并且考虑这些标准来计算路径。
在现有技术中，关于服务质量标准选择的决定被静态地编程，其中所述服务质量标准用作路径选择标准。因此，一旦实施了路由协议就不可能改变这些标准。
还要注意，公知的解决方案着眼于在给定状况(带宽或时延、可靠性、能量，等)中的优化，提供了单个标准或标准的预定义组合的使用。然而，这些标准的静态管理所导致的局限性很快就能被感觉到。如果在ad hoc网络中执行的一个或多个应用被共同使用，以利用不足的标准基于路由算法来确定路由，则给予那些应用的服务质量不是最佳的，特别是在所述应用就质量标准而言通常不同的情况下。
用于减少这些局限性的一个解决方案是选择多标准(或多准则)路径，这需要定义能够对所有可能的标准发现最佳路径的算法。然而，不可能实现这样的算法，这对应于电子数据处理中的决策复杂性问题理论中的NP完整性问题(如果决策问题是在相对于实例大小的多项式时间内，“是”响应可以由非确定算法决定，并且如果任何NP完整性问题可以借助于多项式算法被重写为该问题的实例子集，则所述决策问题是指NP完整性问题)。存在基于试探法的近似计算技术，但是该技术受限于预定标准的数量并且也是静态的。由此，出现了和第一种状况中相同的局限性。
发明内容
本发明目的在于解决上述问题并提出了一种用于适配路由协议，特别是先应式路由协议(例如OLSR协议)的技术解决方案，以通过考虑网络特性和/或所用的应用必需的资源，使得在ad hoc网络中用来计算路径的服务质量标准能够被动态地改变和应用。
以上目的是借助于动态适配服务质量标准的方法来实现的，所述方法包括以下步骤：
a)基于网络上可用的服务质量和/或基于一个或多个应用所需要的服务质量，确定将要在给定时刻应用的服务质量标准；
b)向至少一些网络节点发送将要应用的服务质量标准，所述服务质量标准包括用于计算服务质量标准的模块，并且将它们插入到路由协议的控制分组中；以及
c)根据接收的将要应用的瞬间服务质量标准更新节点的路由表。
因此，该方法将服务质量标准动态地应用到路由协议，所述服务质量标准最佳地匹配了环境限制(节点数量、密度、移动程度，等)和/或网络状态(可用资源和/或应用的运行)。
通过动态地应用在给定时刻是最恰当的服务质量标准，这里描述的机制有效地处理了ad hoc网络的固有动态特性。
为此目的，在步骤a)中有两个选项。在第一个中，像在自我管理的网络中一样，每个节点分析与其近邻的交换，并自己决定选择的标准。第二个选项使用网络管理器，该网络管理器监督每个节点的资源和/或在网络上运行的应用所请求的资源的状态。它决定并应用管理合适的服务质量标准所必需的模块。
在步骤b)中，将要应用的服务质量标准被插入到路由协议的控制消息。这样，任何新的将要应用的服务质量标准经由一般的控制消息在网络上传播，每个节点中的标准管理器提取与该标准有关的数据。这避免在服务质量标准的每次改变时必须重写路由协议。
在步骤c)中，能根据直接从路由协议的路径计算模块或从协议外部的路径计算模块接收的服务质量标准，来计算路径和更新路由表。当使用协议外部的模块时，该方法进一步包括动态地部署-例如下载-路径计算模块。该模块因此被称作可改编程序的。
以上描述的方法步骤在至少一个网络节点上，在软件指令的控制下通过电子数据处理设备执行。因此，本发明还涉及计算机程序或软件模块，其适于由数据介质存储或发送并且包括用于通过电子数据处理设备执行该方法的软件指令。数据介质可以是例如CD-ROM、软盘或硬盘的硬件存储介质，或者是诸如电、光或无线电信号的传输介质。
本发明还在于在ad hoc网络中动态地管理服务质量标准的系统，该网络包括用于传送数据分组的路由节点，该系统特征在于，其进一步包括网络管理器和装置，所述网络管理器基于网络上可用的服务质量和基于一个或多个应用所需要的服务质量，确定和计算将要在给定时刻应用的服务质量标准，所述装置把将要应用的服务质量标准广播到网络的节点，每一个节点包括标准管理器，所述标准管理器用于根据接收的将要应用的服务质量标准更新节点的路由表。
因此，本发明的系统包括用于监督(监控)网络的装置，以便于在所有时间都具有其状态的相干概貌，也就是可用资源和正在运行的应用所需要的资源。通过借助于路由协议的控制信息使得网络节点周期地交换关于服务质量标准的信息，从该数据确定将要应用的服务质量标准并将该服务质量标准部署在路由协议中，将要考虑的标准就是插到该消息中的。
网络管理器可以被集成到一个或多个网络节点或者在特定移动或电缆终端中实施，所述特定移动或电缆终端可以使用到网络的连接。
路径计算模块能根据广播的服务质量标准计算路由，所述路径计算模块专用于路由协议或者由外部可改编程序路径计算模块外部管理，所述可改编程序路径计算模块在具有相同服务质量需求的应用之间共享或者在应用中被外部化(externalized)，以致每个应用在给定其服务质量限制时能够选择最合适的路径。
本发明还在于一种适于形成ad hoc网络中的节点的移动或固定终端，其特征在于其包括用于根据将要应用的瞬间服务质量标准更新所述节点的路由表的标准管理器。这样的终端还可以包括周期地考虑服务质量标准的任何变化的装置，所述服务质量标准是根据发生在网络和应用中的事件确定的。
附图说明
借助于下面结合附图以非限制性举例方式给出的特定实施例的描述，本发明的其他特性和优势将显露出来，在附图中：
图1是显示OLSR先应式路由协议的组成部分；
图2示出根据本发明的构架的一个版本；
图3示出ad hoc网络拓扑的一个例子，该例子用于检测本发明的方法。
具体实施方式
本发明旨在使得服务质量标准的管理对于ad hoc网络路由协议外部化并且任何类型的服务质量标准都能被确定、广播和考虑。为此目的，本发明提出了这样的技术解决方案，该解决方案使用两个主要部件，一个在网络级(网络管理器)，另一个在节点级(标准管理器)，连同路由协议的控制分组的扩展。
本发明使用并适配(即扩展)先应式路由协议，特别是OLSR协议，该协议是最有名的先应式路由协议。OLSR协议在IETF(因特网任务工程组)的MANET(代表移动ad hoc网络)工作组的请求注解RFC3626中被定义和描述；特别地，参见2003年10月T.Clausen等人的网络工作组文件“Optimized Link State Routing Protocol(OLSR)”。
为了实现在路由协议中部署和应用任意类型的服务质量标准而不必在每次标准改变时重新定义该协议，本发明提出再使用路由协议的现有消息而不是定义新消息。使用的消息优选地是在网络节点之间周期交换的消息，例如OLSR协议的TC(拓扑控制)控制消息。不过，新消息也能用于传输机服务质量标准。
因此，根据本发明，一般的控制消息用于传输任何服务质量标准连同处理函数，所述处理函数在每个节点中构造网络拓扑图；图的每个元素用<源地址，目的地址，标准1，标准2，...，标准N>形式的n-元组来表示。该拓扑随后用于路由计算的目的。借助于这样的消息，所有的服务质量标准都广播给网络的节点。
在每个节点上，根据本发明的标准管理器连接到路由协议。更具体地，如图2所示，节点100包括第一层110，该层对应于路由协议110的层，其使用路由表1121和路径计算模块或算法1122(这在现有技术中是公知的)。路由表1121在每个节点中由路径计算模块1122本地维护(即更新)。路由表给出了分组或帧必须发送到的地址，以便于所述分组或帧根据定义的服务质量标准到达它们的目的地。
根据本发明，标准管理器111添加到层110并且向路由协议112发送将要在网络中应用的标准(或标准的组合)。然后，利用算法基于该标准进行路径计算，所述算法在图中搜索路径，例如Dijkstra的算法，在所述算法中，与边缘相关的值(被称为权重)由选择的标准的值给出。
标准管理器是分配给所有网络节点的部件。在节点中，它必须实施由标准管理器选定的服务质量标准。为此目的，标准管理器安装在层120中，部件121必须将服务质量标准插入路径计算过程。标准管理器111还向路由协议112表明外部路径计算模块131的存在。这样，路由协议能向外部路径计算模块传递包含标准的网络拓扑视图，专用于外部模块的路径计算应用到所述标准。
这样的传递能直接或者经由特定部件实现，这在以下专利申请中作了详细描述，该申请的申请号为FR 03 12869，(翻译的)题为“Method ofnotifying changes of state of resources of a network to at leastone application，computer program and change of state notificationsystem for implementing the method”。两种模式是可能的：
·在推模式(push mode)中，路由协议周期地向有关模块发送拓扑视图；
·拉模式(pull mode)专门用于有关模块主动发起时，以便于向它们传递拓扑数据。
标准管理器使用这些服务质量标准部件，所述部件能被动态地部署，或者当每个节点进入网络时部署给它，以适配瞬间的标准值以适应紧邻(immediate vicinity)。
本发明的系统还包括用于确定服务质量标准的装置，出于路由的目的节点必须考虑所述服务质量标准。网络管理器200是可以被集成到一个或多个网络节点或者在特定移动或电缆终端中实施的实体，所述特定移动或电缆终端可以使用到网络的连接。
如图2所示，网络管理器200包括服务质量标准确定模块210，该模块210连接到监督模块220，监督模块220监督与出现的事件(节点消失/出现、带宽容量增大/减小、能量等)有关的网络资源的状态以及正在运行的应用所需要的资源的状态。为此目的，任何新的应用必须向网络管理器注册，指定其服务质量需求(例如基于IP的话音应用指定250ms的最大时延)。管理器因此具有所有应用需求的概貌。关于网络状态的信息借助于安装在每个节点(即每个用户终端)中的探测器反馈给模块220。能在监督模块中提供信息交换规则库以使它能够处理反馈给它的事件。
确定模块210集成了这样的逻辑，该逻辑用于根据由监督模块220指示的网络资源和/或应用的需求确定将要在网络中应用的标准。当从监督模块接收到新通知时，调用确定模块并且确定将要部署的服务质量标准。
关于服务质量标准的决定一旦作出，就被网络管理器广播到网络的所有节点的标准管理器，以便让它们实施。然而，定义交换协议用于向标准管理器发送来自网络管理器的配置指令。该交换经由可靠的原子传输机制实现。该协议包括下列函数：
·DeployQoSMetric(标准)：该函数在网络上部署给定的服务质量(QoS)标准，即控制分组计算和插入模块。
·SuppressQoSMetric(标准)：调用该函数意味着讨论中的标准不再被考虑。
·DeployPath(模块)：该函数激活外部路径计算模块。
·Suppress Path(模块)：该函数去激活先前激活的外部路径计算模块。
为了不使网络运行退化，假定ad hoc网络是具有随时间变化的资源的网络，极限阈值(最小能量级、最大负载级等)能在网络节点中设置。
在一个实施例中，能经由路径计算模块131外部地管理路由过程，所述路径计算模块131被动态地部署于层130中。在这样的环境下，现有路由协议112使用路径计算模块131代替其内部模块1122。路由协议112向模块131发送拓扑图，所述拓扑图已经用每个节点上由标准计算模块132提供的服务质量标准进行了充实。必须修改应用以考虑新模块，所述新模块可以专用于每个应用或者可以由多个应用共享。当共享时，该模块对于应用来说是透明的，因为计算标准的结果注回应用正与之通信的路由协议。无论该模块是否被共享，该新的路由计算对初始路由协议不施加或只施加非常少的修改。此外，该外部模块能在任何时间被改编程序，使其在标准管理器发起时能动态地结合新的标准。这实现了服务质量和路径计算标准的外部管理。这样能在应用级使用服务质量标准对路由拓扑进行管理，这样它们能应用代表了它们的最佳给定服务质量需求的路径计算模式。
图2部件之间的交互借助于想象的例子首先在下面进行描述。接着描述示出本发明的一个可能使用的第二个例子。
交互的说明
通过举例方式考虑在某区域内没有基础设施自然产生的ad hoc网络。由于疏忽，包括在路由协议130中的拓扑发现协议不包括特定的服务质量标准。如果网络中的节点被需要连续比特率(CBR)业务量特性的基于IP的话音(VoIP)应用征用(solicite)，则新标准必须在节点和特定路径计算之间进行交换，该标准以所述特定路径计算为基础建立以针对VoIP应用定义最优化的路径。第一步在网络中选择最接近于应用所必许的可用标准。该标准可以是抖动标准，例如时延标准或缺省(by default)路程段数量。该决定对于节点是本地的，所述节点将该决定传播给其他节点(依据自我管理网络的公知原则)，或者该决定是由网络管理器200作出的全局决定，网络管理器200将其经由如上所述的特定控制消息发送到节点。然后，与选定标准相关的外部化的计算模块131在每个节点中被激活或者可能地从网络管理器进行动态部署，所述选定标准例如时延标准。选定标准(这里是时延标准)然后也被路由协议添加到在节点之间交换的控制消息中，以发现和维护该拓扑。当VoIP应用设法建立呼叫时，它调用专用于选定标准的外部化的路径计算模块，所述选定标准这里是时延标准。该模块可以出现在所有节点上或被动态地部署。它从路由协议发现具有时延标准的拓扑图(关于该标准的信息在每个节点上由标准计算模块计算并且由路由协议控制分组传输)。此外，其他应用使用缺省路径计算模块，即路程段的数量。然后，VoIP应用访问适用于其时延限制的路由，而其他应用具有可能较短但是也可以是负载更重的路径。这对于例如数据交换应用来说不是什么问题。
使用范例
本发明的使用特定范例参照图3进行说明，该图显示了ad hoc网络拓扑的例子，该拓扑具有这样的配置：该配置揭示了基于固定标准的当前解决方案的限制，并且就动态适配以改变网络环境中的服务质量状况揭示了本发明的优点。图3中示出的网络包括由两种类型的七个终端形成的七个节点：形成第一路由R1的三个高性能终端(个人计算机(PC))TH1、TH2和TH3，以及四个低性能终端(个人数字助理(PDA))Ts、TF1、TF2、TD，其中TF1、TF2在源节点和目的地节点之间形成第二路由R2，所述源节点和目的地节点分别由终端Ts和TD形成。
所有节点使用11Mb/s 802.11b无线接口。如果使用时延标准，则三个PC构成的路由R1用于传送更佳，而如果基于带宽标准则两个PDA构成的路由R2用于传送更佳。
这一特定例子考虑涉及两种不同类型业务的两个应用，每种业务具有不同需求：第一应用(例如文件传输、http，等)使用着重于带宽的传输控制协议(TCP)，第二应用使用更加实时的用户数据报协议(UDP)，对其而言重要的是时延(例如多媒体传输)。
该测试网络的标准“交换”规则由以下算法来定义：
Start
      If(Event＝Deterioration of
      low_capacity_node resources)then metric＝
      Reliable nodes.
      Else(other events)
      If(no conflict between applications)then
      metric＝default metric of applications.
      /*same metric for all application*/
      Else metric＝delay./*preferred metric*/
      End
根据网络管理器中定义的规则，使用该数据选择将要在网络中应用的标准。取决于该决定，数据经由路由R1(时延标准)或者路由R2(带宽标准)被传送。
下表示出根据本发明方法的工作情况。更具体地，它根据发生在网络中的事件定义了将要在网络中应用的标准：
  时间(秒)  事件   选择和使用的标准
  T0  应用1的开始(优先：带宽)   带宽(路由2)
  T1  PDA的CPU资源的消耗   可靠节点(路由1)
  T2  应用2的开始(优先：时延)   时延(路由1)
  T3  应用1的结束   时延(路由1)
  T4  应用2的结束   可靠节点(路由1)
给出以上结果的情况下，很显然地，根据应用所需，在ad hoc网络中应用的标准的选择对于应用所呈现的服务质量有主要影响。
对于结果，注意应用带宽标准在带宽级获得良好的性能，对增长非常明显的时延有损害。这对于需要高带宽的应用是有益的，尽管对时延敏感的应用被置于不利地位。相反的现象也适于时延标准：时延减少了，但是带宽比用带宽标准获得的要小。
然而，本发明在对标准的应用方面获得了最佳的折衷，在给定环境限制的情况下，所述标准是对应用的需要的最佳瞬间响应。
该例子中获得的结果证明了服务质量标准的动态管理的功效。与钢性的、固定的标准方法不同，服务质量标准的动态管理提供了足够的灵活性来最优化地处理网络中定义的服务质量策略。

Claims (13)

1.一种动态适配服务质量标准用于在ad hoc网络中传送的方法，所述ad hoc网络包括多个路由节点(100)，该方法根据给定时刻的所述网络的拓扑，使得所述节点之间的数据分组的传送最优化，所述方法包括以下步骤：
a)基于所述网络上可用的服务质量和/或基于一个或多个应用所需要的服务质量，确定将要在给定时刻应用的服务质量标准；
b)向至少一些网络节点发送将要应用的所述服务质量标准；以及
c)根据接收的将要应用的瞬间服务质量标准，更新所述节点的路由表(1121)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在a)中，可改编程序的网络管理器(200)基于在给定时刻将要应用的所述服务质量标准监督每个节点(100)的资源的状态以及监督正在所述网络上运行的应用所需要的资源的状态。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤b)中，将要应用的所述服务质量标准被插入到路由协议的控制消息。
4.根据权利要求1至3任一项的方法，其特征在于，还包括通过给定应用管理的模块或者通过被多个应用共享的可改编程序模块(131)，对所述服务质量标准和路径计算进行外部管理的步骤。
5.一种计算机程序，包括用于实施根据权利要求1至4任一项的方法的指令。
6.一种存储介质，用于存储根据权利要求5的计算机程序。
7.一种在ad hoc网络中动态地管理服务质量标准的系统，所述网络包括用于传送数据分组的路由节点(100)，该系统特征在于，其进一步包括网络管理器(200)和装置，所述网络管理器(200)基于所述网络上可用的服务质量和基于一个或多个应用所需要的服务质量，确定和计算将要在给定时刻应用的服务质量标准，所述装置把所述将要应用的服务质量标准广播到所述网络的节点，每一个节点包括标准管理器(111)，所述标准管理器(111)用于根据接收的所述将要应用的服务质量标准更新所述节点的路由表(1121)。
8.根据权利要求7的系统，其特征在于所述网络管理器包括用于监督每个节点的资源的状态和正在所述网络上运行的应用所需要的资源的状态的装置(220)。
9.根据权利要求7或8的系统，其特征在于，其包括用于计算所述服务质量标准并且将所述服务质量标准插入到所述路由协议的控制消息中的装置。
10.根据权利要求7至9任一项的系统，其特征在于，所述网络管理器(200)被集成到所述网络的一个或多个节点或者所述系统进一步包括移动或电缆终端，所述移动或电缆终端连接到所述网络并与所述网络管理器结合。
11.根据权利要求7至10任一项的系统，其特征在于，其进一步包括用于向网络节点发送可改编程序路径计算模块和服务质量标准管理软件模块(131，132)的装置。
12.根据权利要求7至10任一项的系统，其特征在于，其进一步包括用所述应用中的服务质量标准管理路由拓扑的装置，以便于在给定需要的服务质量的情况下它们能应用最优的路径计算。
13.一种适于形成ad hoc网络中的节点(100)的移动或固定终端，其特征在于包括标准管理器(111)，用于根据所述网络中传送的服务质量标准更新所述节点的路由表(1121)。
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