CN101247327A

CN101247327A - 利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法

Info

Publication number: CN101247327A
Application number: CNA2007101910678A
Authority: CN
Inventors: 王海; 牛大伟; 谭世英
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: CN101247327B

Abstract

利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法，它克服了传统的网络节点竞争信道资源的机制，使一些重要业务和高优先级业务能够在转发时具有较高的可靠性。在Ad hoc网络中引入一种动态的资源预留方法及按需分配的信道接入控制协议，以实现动态的分配网络资源，从而最大限度地实现为不同上层业务提供不同资源的目标，同时在网络负荷较低和较高时均保持很高的网络传输效率。该方法可以动态实时的识别和区分不同性质的业务流，从而进行有针对的预留资源，从而提供了信道的利用率，具有较强的实用价值。

Description

利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法

技术领域

本发明涉及一种无线自组织网络(Ad hoc)中的资源预留技术，它以运行中的无线自组织网络节点对实时数据流的检测结果为依据，对高优级、大数据量的业务预约专有资源，对于低优先级较小数据量的业务采用竞争发送，从而实现无线自组织网络中的负荷均摊，更有效和合理地利用了无线信道中稀缺的带宽资源。

背景技术

Ad hoc网络源自上个世纪七十年代，当时美国的军方研究机构(DefenseAdvanced Research Project Agency)提出了多跳无线分组网络PRNET(multi-hopmulti-access packet radio network)的概念。该网络的核心功能即是无线终端所产生的数据可以通过无线基站或移动转发器(repeater)经过多跳转发而传送至目的终端。PRNET中的网络转发器可以具有移动特性，并且无需安装固定基站设备，所以PRNET具有网络架设较快、能够实现动中通和残存性较好的特点。到了90年代之后，由于集成电路和材料工艺技术的进步，移动转发器的功能大大增强并且已经可以集成到数据终端之中。这样PRNET中的网络结点便不再区分终端设备和路由器设备，所有的移动结点既是终端又是路由器，网络系统和拓扑维护能够实现完全的动态自组织。IEEE802.11委员会将这种网络取名为Ad hoc网络，并着手研究与其相关的技术和推广其应用。随后，IETF也成立了移动Ad hoc网络工作组，主要研究Ad hoc网络中的路由协议，并且进行一些标准化工作。

从Ad hoc网络的发展可以看出：移动Ad hoc网络中不存在固定的设施，各结点地位平等，每个结点既是终端又是路由器，并且各个结点相对独立地移动，对于一跳可达的收发结点，可以直接通信，对于不在一跳范围内的结点，其数据可以通过其他结点转发，直到到达目的地。可以将Ad hoc网络看成是移动的计算机网络。

Ad hoc网络以其方便灵活的特点在军用和民用市场上得到越来越多的应用。而伴随着应用的多样化，Ad hoc网络必须能够作为一个统一的平台同时承载各种不同类型的综合业务。这其中的宽带实时业务(如高清晰的视频会议等等)所占的比重越来越多。然而，Ad hoc网络是基于无线信道组网的，无线信道具有带宽资源稀缺、非导向型传输及信道特性随时间和环境变化大等特点。因此，如何在Ad hoc网络中有效管理及分配稀缺的信道资源成为一个难点问题。目前，在基于IP的分组网体系结构中主要依靠各种信道接入控制协议来控制各个节点对于信道资源的占有。目前主流的信道接入控制协议主要分为基于竞争的和基于固定分配的两种形式。其中基于竞争的信道接入控制协议主要是以CSMA(载波监听多点接入协议)协议族为代表的一系列协议，该协议族的特点是：当网络节点中有数据要向信道中发送时先经过一段时间的监听信道，如果没有别的节点发送，则将数据马上发送到信道上，如果此时监听到信道上有数据存在，则经过一段时间回退后再发送数据到信道上。由于这种信道接入控制协议存在各个节点间的竞争，所以可以把这种信道接入控制协议称之为基于竞争的信道接入控制。当前Ad hoc网络中的信道接入控制协议(如：IEEE802.11x)大多也是借鉴这种基于竞争的信道机制来控制节点对于信道资源的占有。这种信道接入控制协议其特点是在网络流量较低时，单结点数据发送时延短，而在网络流量较高时，会出现大量的碰撞分组，从而导致整个网络的效率降低，甚至完全不可用。CSMA/CD的理论吞吐量仅能达到线路带宽的37％。而基于固定接入的信道接入控制协议目前主要以TDMA(时分复用)和FDMA(频分复用)为主，这类协议的特点是为网络中的每个节点固定分配一段资源(一段频带或者一段固定时隙)。以TDMA为例，当某个节点有数据需要发送时，则等到分配给自己的那部分时隙到来时，将数据发送至信道上。由于这种协议将资源固定分配给每个节点，从而避免了各节点由竞争所带来的数据碰撞和冲突。此种信道接入控制协议在网络流量较高时能够达到较高的吞吐量，在所有节点都有数据持续发送的条件下理论吞吐量可达100％。但是，固定分配资源的策略又不适合应用于网络流量较低的场合，在网络流量不高的情况下，各发送结点又必须等待属于自己的时隙到达后方能发送数据，从而引入了不必要的延迟，降低了网络开销，导致资源的浪费。本申请所提出的基于Ad hoc网络的动态的资源预留方法可以很好地融合固定信道分配协议和竞争信道接入协议的优点，借鉴有线网的IP交换长流预约机制，动态地为长流预约资源，建立专用MAC通道(例如TDMA的专用时隙)，而将剩余资源拿出来作为竞争使用。采用这一机制，既可以实现在网络低负荷条件下的低分组时延，又可实现在网络高负荷条件下的高吞吐量(理论上限亦可达100％)，特别适合低速无线自组织网络如基于电台的民用抢险、救生Ad Hoc网络和军用Ad Hoc网络等，可以大大提高网络传输效率，具有很高的应用潜力和推广价值。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法，即在Ad hoc网络中引入一种动态的资源预留方法及按需分配的信道接入控制协议，以实现动态的分配网络资源，从而最大限度地实现为不同上层业务提供不同资源的目标，同时在网络负荷较低和较高时均保持很高的网络传输效率。

技术方案：为了解决背景技术中所提到的上述矛盾，本发明提出一种基于数据流检测的动态资源预留方法AFRM(Ad hoc Flow Reservation Method)。这里所谓的数据流即是指一对特定源节点和目的节点之间的一次完整地业务交互所产生及传送的一系列完整的数据包。例如：一台用户机从网络中的某台服务器上复制一份文件到本地磁盘，那么这次复制操作所产生并在两台机器之间传送的一系列数据包的集合即称为一个数据流。根据网络节点数量的不同和网络用户的业务种类，全网同时可能有不同数量的数据流并存，各个数据流的数据量和持续时间大小不一。我们可以根据近期内统计的数据流的数据量和持续时间来判断数据流对信道资源(本发明只考虑带宽资源，其他资源的情况可以类推)的需求量，其方案如下(以数据流i为例)：

1)、在网络架设之初，根据网络中截取的网络流量情况，结合本结点的时隙数量进行分析，设置合理的K₁，K₂、α和t参数值，对各个节点进行配置，其中K₁为流量上门限值、K₂为流量下门限值、α为阻尼函数、t为采样周期(即流量统计周期)。

2)、每个节点设备加电运行之后，会在本机内存中初始化一个记录表，记录表中的每个表项存放的是：当前流经本节点的数据流，包括其他节点产生被本节点转发或者直接由本节点上层软件产生的业务；每个数据流最近t时间内产生的数据包的个数以及上次统计所计算的阻尼函数值

3)、接收数据包，并判断其是否与长流表中的某个长流匹配，若无匹配表项则继续，否则跳到步骤6，

4)、创建新的表项，表项中包含的是本数据包所在的数据流标识并将其数据包个数字段初始化为1，即f_ik＝1；其中，该能数据流标识够唯一标识该数据流的所有关于源地址、目的地址、源端口、目的端口的必要属性，

5)、按照竞争方式转发该数据包，并跳到步骤7，

6)、更新统计值f_ik＝f_ik+1，并且按照表项中预约的资源转发该数据包，

7)、是否到达了统计时刻，即周期t的整数时间，如果到达则继续，否则跳回步骤3，

8)、对于各数据流i逐一计算阻尼函数，计算方法如下：

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} = α \times f_{ik} + (1 - α) \times {\overset{&OverBar;}{p}}_{k - 1}, 0 \leq α \leq 1

其中f_ik为((k-1)*t，k*t)时间段内接收到的流i的所有数据包个数；

9)、若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} > K_{1}

且之前并未对流i预约资源，则对其预留资源；若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} < K_{2}

则撤销为流i预约的资源；

10)、返回步骤3。

长流预约中各参数K₁、K₂、α和t的设置遵循以下标准：

网络中可预约资源越多，则K₁越小反之越大；网络中可竞争资源越多则K₂越大反之越小；网络用户对流量的实时性越关心则α越大，反之越小；网络流量越大则t越小，反之越大。

有益效果：本发明通过在Ad hoc网络中，动态地判断、检测和标识长流来达到区分网络业务流的资源需求的目的，从而实现根据业务流的性质动态地为长流预约信道资源，使其能够无竞争地转发。这种方法使得当网络信道的负载极大时，不至于将高优先级业务堵死，从而能够最大限度地利用信道资源。当网络负载很轻时，可以通过自适应的调整长流门限值(即K₁、K₂、α和t等参数)，使得大部分流都被划分非长流，如此则可以采用竞争的信道接入控制方式来发送数据，从而达到降低时延和高效利用信道资源的目的。而当网络负载较大时，又可以适当调整门限值，使网络资源尽量留给长流业务，在极端情况下，100％的时隙都被划分为专用时隙，供长流使用，此时网络利用率可达100％，其代价是一定程度上降低了网络的公平性。设置阻尼函数的目的是尽量为持续长流分配资源，避免突发流量触发长流预约机制。如果可预约的资源较多或者网络提供者不关心流量是持续流还是突发流，则可将α门限设置为1，此时判决门限仅与流量的瞬时峰值、谷值有关，而与流的持续特征无关。

附图说明

图1是网络中数据流的转发示意图。图中有：第一节点1、第二节点2、第三节点3、第四节点4，长流用黑色方块表示，短流用白色方块表示；

图2是竞争与预约信道资源的对比示意图。

图3是利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法的流程图。

具体实施方式

1、设定流量门限K₁(上门限)和K₂(下门限)，采样间隔t秒以及阻尼因子α；

2、节点以t为周期，记录最近t时间内收到的数据包个数f_ik，f_ik为((k-1)*t，k*t)时间段内接收到的流i的所有数据包个数；

3、计算数据流i的阻尼函数，计算方法如下：

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} = α \times f_{ik} + (1 - α) \times {\overset{&OverBar;}{p}}_{k - 1}, 0 \leq α \leq 1

该阻尼函数相当于滤除了采样点之间的高频变化分量，体现了不同采样点之间的相关度，越大则代表采样点之间的相关度越大，流量越稳定，反之相关度越小，流量抖动则越大。

4、若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} > K_{1}

且之前并未对流i预约资源，则对其预留资源；若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} < K_{2}

则撤销为流i预约的资源；

5、当节点接收到属于流i的数据包之后，更新统计值f_ik以备统计之用并且查看节点保存的数据流表，若流i为长流则利用其预约的资源转发该数据包，否则按照竞争方式转发之。

6、根据网络的流量条件及特点，节点将自适应调整各参数如K₁、K₂、t和α等参数。

本发明的具体实施方式为：

1)、在网络架设之初，根据网络即将应用的场景(如从网络中截取的网络流量情况，结合本结点的时隙数量进行分析，设置合理的K₁，K₂、α和t参数值)，对各个节点进行配置，其中K₁、K₂、α和t与技术方案中所述的物理含义一致。

2)、每个节点设备加电运行之后，会在本机内存中初始化一个记录表，记录表中的每个表项存放的是：当前流经本节点的数据流(包括其他节点产生被本节点转发或者直接由本节点上层软件产生的业务)；每个数据流最近t时间内产生的数据包的个数以及上次统计所计算的阻尼函数值

3)、接收数据包，并判断其是否与长流表中的某个长流匹配，若无匹配表项则继续，若有(设该数据包与第i个长流匹配)则跳到步骤6。

4)、创建新的表项，表项中包含的是本数据包所在的数据流标识(能够唯一标识该数据流的所有必要属性如：源地址、目的地址、源端口、目的端口等)并将其数据包个数字段初始化为1，即f_ik＝1。

5)、按照竞争方式转发该数据包，并跳到步骤7。

6)、更新统计值f_ik＝f_ik+1，并且按照表项中预约的资源转发该数据包。

7)、是否到达了统计时刻(即周期t的整数时间)，如果到达则继续，否则跳回步骤3。

8)、对于各数据流i逐一计算阻尼函数，计算方法如下：

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} = α \times f_{ik} + (1 - α) \times {\overset{&OverBar;}{p}}_{k - 1}, 0 \leq α \leq 1

9)、若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} {> K}_{1}

且之前并未对流i预约资源，则对其预留资源；若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} < K_{2}

则撤销为流i预约的资源；

10)、返回步骤3。

长流预约中各参数K₁、K₂、α和t的设置遵循以下标准：网络中可预约资源越多，则K₁越小反之越大；网络中可竞争资源越多则K₂越大反之越小；网络用户对流量的实时性越关心则α越大，反之越小；网络流量越大则t越小，反之越大。

Claims

1、一种利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法，其特征在于该方法为：

1)、在网络架设之初，根据网络中截取的网络流量情况，结合本结点的时隙数量进行分析，设置合理的K₁，K₂、α和t参数值，对各个节点进行配置，其中K₁流量上门限值、K₂为流量下门限值、α为阻尼函数、t为采样周期即流量统计周期，

5)、按照竞争方式转发该数据包，并跳到步骤7，

8)、对于各数据流i逐一计算阻尼函数，计算方法如下：

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} = α \times f_{ik} + (1 - α) \times {\overset{&OverBar;}{p}}_{k - 1}, 0 \leq α \leq 1

9)、若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} > K_{1}

且之前并未对流i预约资源，则对其预留资源；若

{\overset{&OverBar;}{p}}_{k} < K_{2}

则撤销为流i预约的资源；

10)、返回步骤3。

2、根据权利要求1所述的利用长流检测实现无线自组织网络的动态资源预留的方法，其特征在于长流预约中各参数K₁、K₂、α和t的设置遵循以下标准：网络中可预约资源越多，则K₁越小反之越大；网络中可竞争资源越多则K₂越大反之越小；网络用户对流量的实时性越关心则α越大，反之越小；网络流量越大则t越小，反之越大。