CN1750515B - 具备服务质量能力的移动自组织网络设备 - Google Patents

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Abstract

ad-hoc路由器在一组网络设备中实现了分散式IP路由网络，并且能提供针对语音、视频和数据应用的服务质量。Ad-hoc路由器被分为接收、控制/管理处理、IP数据路径/路由、随机函数发生器、调度器和传输块。IP数据路径/路由块除标准数据路径路由功能之外还就每个分组提供标签，该标签唯一地标识网络中的分组的源设备。调度器维护多个QoS队列，然后利用WFQ调度器将该多个QoS队列移出队列，这可以基于标准技术或是简单化的低成本实现。随机函数发生器使用标签将分组发送到队列，以便由该标签指示的来自源设备的所有分组进入同一队列。为了更安全，随机函数发生器使用被周期性重新计算的随机映射函数。

Description

具备服务质量能力的移动自组织网络设备
技术领域
本发明涉及通信网络，并且特别涉及具备QoS能力的移动ad-hoc(自组织)网络设备。
背景技术
在ad-hoc网络领域中存在大量的工业研究和开发。术语“ad-hoc”(或者“自发的(spontaneous)”)应用于不需要系统管理就能在线(on-the-fly)形成及变形的网络。由于在网络中不需要固定的基站、电缆或者路由器，因此ad-hoc网络实质上是无基础设施的网络。例如，Ad-hoc网络技术可以允许人们来到会议室，并使周红外线传输或者射频(RF)无线信号以使他们的笔记本电脑或者PDA(个人数字助理)与其他与会者连接到具有共享数据和打印资源的本地网络。在另一个应用中，用户的ad-hoc设备可以和家庭无线设备进行通信，以进行开门、开灯和启动家庭音频和视频设备单元、调整加热和制冷设置等等。
Ad-hoc网络可以是移动的、独立的，或/和与例如广域网或因特网的其它网络联网。移动ad-hoc网络是通过无线链路连接的、移动路由器的自配置网络。移动ad-hoc设备能够检测其它ad-hoc设备的存在，与其它设备建立通信链路，并且传送例如分组化的数字数据的信息。由于设备是任意移动的，因此网络拓扑也快速且无法预测地改变，以便设备在时间上(信息可能在某些节点是过时的但在其它节点是当前的)和空间上(节点仅知道其邻近节点中的网络拓扑)都经常有不同的网络观察(view)。
由于缺少固定的基础设施，节点在其移动，加入或者离开网络时必须自组织并且重新配置。所有节点可能具有同样的功能并且在网络中没有任何自然的层次或中央控制器；许多网络控制功能在节点之间被分配。节点通常由电池供电并且具有有限的通信和计算能力。系统的带宽通常也是有限的。两个节点之间的距离通常超过无线传输范围，并且传输在到达目的地之前必须由其它节点来中继(多跳(multihop)技术)。
移动ad hoc网络中的服务质量(QoS)路由引起了关注。为了提供QoS，协议不仅需要找到路由而且还要沿着路由获得资源。由于网络有限的共享带宽，并且缺少能够解决和控制这些有限资源的中央控制器，节点因而必须互相协商以管理QoS路由所需的资源。这由于频繁改变拓扑而变得更加复杂。由于这些限制，与最佳努力(best effort)路由相比更需要QoS路由。
由于商家发现无线通信能提供增强的生产力以及提高的移动性，因此期望将来显著增加无线LAN的使用。移动ad-hoc网络的新应用将继续出现并且成为通信结构的重要部分。部分地由于其在设备中的逐渐增加的使用，一个非常重要的无线网络协议是IEEE 802.11，所述设备例如是掌上型电脑、个人数字助理(PDA)、膝上型电脑和因特网移动电话。因特网工程工作小组(IETF)的移动ad-hoc网络(MANET)工作组积极地评估并且标准化路由，包括多播和协议。
虽然802.11提供了无线数据传送的可靠方式，但是802.11标准不支持其MAC层中QoS业务传送。存在802.11e工作小组(TGe，Task Group e)联合提议以支持QoS增强。支持具有包括优先级、数据速率、延迟范围和抖动范围的QoS参数值的虚拟流。该提议使用具有预约请求过程序以请求新的带宽分配的点协调器(PC，point coordinator)功能。使用了几个新的数据和管理帧。包括新的确认策略、直接站对站传送、基本服务集合(BSS，basic service set)重叠管理和动态无线中继器功能。然而，这个提议需要修改现有的802.11标准，并且可能不支持合法的802.11设备或者不被合法的802.11设备支持。
现有技术以路由和信令问题为中心，而不是数据路径问题。在移动ad-hoc网络中不存在对于QoS问题的已知解决方案，并且由于移动网络的使用增加而需要解决这个问题。本发明涉及一种低成本的移动ad-hoc网络设备，其在通信范围内、在一组移动设备中提供分数式IP路由网络，并且能提供用于语音、视频和数据应用的QoS。基础技术也能被应用于低成本简单设备的大规模固定IP网络。
发明内容
本发明的目的是提供具备服务质量(QoS)能力的移动ad-hoc网络设备，该设备能完全或者部分地减轻现有技术移动ad-hoc网络设备的缺陷。
本发明另一个目的是提供一种低成本移动ad-hoc网络设备，其能够在通信范围内、在一组移动设备中实现分散式IP路由网络，并且能提供用于语音、视频和数据应用的QoS。基础技术也可以被应用于低成本简单设备的大规模固定IP网络。
因此，本发明提供一种具备QoS能力的设备，用于ad-hoc网络上的连接、在网络数据路径级别实现QOS，该设备包括：用于当对每个PDU加标签时计算针对每个PDU的下一跳(hop)的装置；用于将标签映射到各个源设备的装置；用于根据各个源设备调度PDU的传输并且利用调度模型确定PDU的传输顺序的装置；和用于控制及管理具备QoS能力的设备的操作以在源设备之间实现网路带宽的公平分配的处理装置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在ad-hoc网络的网络路由器处对协议数据单元(PDU)安全地提供基于服务质量(QoS)的调度的方法。该方法包括下列步骤：a)当对每个PDU加标签时计算针对每个PDU的下一跳；b)将所述标签映射到各个源设备；c)根据所述各个源设备对所述PDU进行排队，并且利用调度模型来确定所述PDU的传输顺序；和d)控制来自网络路由器的PDU的传输以在所述源设备之间实现网络带宽的公平分配。
此外，本发明提供一种用于在通信网络中对来自源设备的分组数据流提供基于服务质量(QoS)的调度的系统，该系统包括：多个队列，每个队列对应于某个QoS级别并且用于相应地对分组进行排队；用于调度被排队的分组的加权公平队列(WFQ)调度器(scheduler)；用于基于每个分组来产生标签并对分组加标签的装置，其中，每个标签唯一地标识源设备；用于根据用于每个标签的各个随机函数来将标签映射到队列的装置；和用于根据所述映射来将分组发送到队列的装置。
有利地，由于在所有设备之间所分配的公平性，因此根据本发明的解决方案有足够的回弹力来阻挡恶意的设备。由于队列结构，滥用网络的单个设备将通过其邻近设备而被控制带宽。滥用的节点不知道邻近设备的随机函数，并因此不能预先计算目的队列从而滥用网络。
同样，这个解决方案在网络数据路径级别提供QoS；因此其没有遭受恶意的或有故障的设备，由于设计或者故障的原因，所述设备没有正确地参与路由和管理功能。
此外，即使在每个节点或多个节点离开网络或者周期性地产生故障的情况下，这个解决方案也有足够的回弹力来经受快速改变的网络。这对于军用移动通信是很重要的，这是因为许多设备可能被破坏并且网络必须尽可能久地保持可操作。这对于低功率移动无线来说是很重要的，这是因为节点为了节约电池消耗量可能进入和离开网络。
所述解决方案的另一个优点在于逻辑上相当简单并能够在单个低功率集成电路上被实现。
附图说明
如同附图中所说明的，根据下面对优选实施例的具体描述，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得明显，其中：
图1a示出了移动ad-hoc网络的例子；
图1b示出了现有技术移动ad-hoc路由器；和
图2说明了根据本发明的实施例的具备QoS能力的移动ad-hoc路由器。
具体实施方式
图1a说明了建立在移动设备D1-D4之间的移动ad-hoc网络的例子。在这个例子中，设备D1-D4是移动ad-hoc路由器，其能够使用某种分组路由方法来自动识别其它兼容的ad-hoc无线设备的存在并与其进行通信。加入网络的每个附加设备也能发送和接收信号。尽管在这种类型的网络中维持秩序看上去十分困难，但是用于在每个设备发送业务的算法是容易地可用的。例如，一个机制是选出一个设备作为网络的基站或者主站，而其它设备作为“从站”。在ad-hoc网络结构中的另一个算法是对所有其它节点使用广播和扩散方法来建立网络中所有节点的身份。
虽然图1a示出的设备是移动的且通过无线链路1-4进行通信，但是有线设备也可以与ad-hoc网络(未示出)临时连接。通常，ad-hoc网络能利用固定接入点(AP)与陆上线路或者无线/蜂窝网络进行通信。通过实现与其它网络的有线/无线节点进行通信，这种类型的结构扩展了提供给用户的服务。例如，图1示出了基站50，其利用无线LAN 100来连接移动ad-hoc网络，以使得移动设备D1-D4能够与所述LAN的用户进行通信或者接入到因特网。如果服务区域交叠，则在无线LAN之间可能发生切换。这种结构与蜂窝网络使用的结构很相似。应当指出，基站50对于ad-hoc网络的操作而言不是必需的。
图1b说明了用在当前ad-hoc网络中的设备的框图，称为设备D1。每个设备包括收发信机装置以使用户能够接收和发送信号。例如，如果设备D1是移动路由器则接收机11可以是无线接收机，或者如果设备D1是有线路由器则接收器11是有线接收机。类似地，所述收发信机包括无线或者有线发射机19。接收机11利用标准技术来收集和解码来自有线或者无线接口的数据。同样，发射机19收集和编码数据用于在有线或者无线接口上进行传输。
路由器10提供移动ad-hoc网络的标准IP数据路径和路由功能。IP数据路径/路由13提供例如分组下一跳计算的功能性，并且控制/管理处理14提供路由查询表信息的信令及维护。
例如，本地应用单元12可以由模拟到数字语音功能、TCP/UDP和较高的应用和/或视频数字化来组成。
如上面所指出的，用于无线局域网(WLAN)并且用在移动ad-hoc网络中的IEEE标准802.11(1999)不支持MAC层中的QoS业务传送。也就是说，关于多媒体通信特别需要不同的服务质量QoS。为了提供QoS业务传送，应该根据其特性来正确控制传输路由。图2说明了根据本发明的实施例的具备QoS能力的移动ad-hoc路由器。
图2的具备QoS能力的移动ad-hoc网络设备40包括无线/有线接收机11和无线/有线发射机19，其具有与图1B的设备D1相似的功能性。同样，设备40包括用于实现模拟到数字语音功能的本地应用单元12、TCP/UDP和较高的应用和/或视频数字化。
这里用30表示的路由部分包括IP数据路径/路由20、控制/管理处理单元28、随机函数发生器22和调度器31。
IP数据路径和路由功能20除了其计算每个分组的标签以外还提供移动ad-hoc网络的标准IP数据路径和路由功能，所述标签唯一地标识网络中的分组的源设备。这通过标签产生器21来示出。随机函数发生器22使用这些标签来将分组从所述设备发送到多个队列Q1-QN的队列Qi，以便来自源设备的所有分组如标签所指示的那样进入同一队列26...27。
然后，为了更加安全，随机函数发生器22以不被源设备检测到的方式将分组发送到适当的队列。为此，采用了在通电时计算随机映射函数的映射函数块24。此外，当设备工作时，如定时器23所示，所述随机函数发生器周期性地重新计算该函数。
随后，利用WFQ调度器16将队列26、27移出队列，其可以如以前那样基于标准技术。可选地，简化的低成本实现可以被用于调度器16。
如以前那样，所述控制/管理处理28是移动ad-hoc网络所需要的标准单元，用于路由和设备管理。在图2所示的本发明的实施例中，为单元28提供这样的能力：通过标签来监控和改变随机函数发生器函数25从而控制被分配给不同的服务类别的带宽量。这通常由带宽分配器单元29示出，该带宽分配器单元从标签产生块21接收标签并相应地修改随机函数发生器函数25。
总而言之，根据本发明的设备40结合使用标签产生器21、随机函数发生器22、队列26、27和调度器31来实现整个网络的QoS。这种机制为每个节点提供了公平访问网络资源的能力，而不能滥用网络，这是由于源节点不能预先确定其在每个节点将从哪个队列而被服务。可以通过应用和管理层来实现节点QoS，所述应用和管理层控制哪个分组去往哪个队列，以及如何就每个服务类别对WFQ调度器进行加权。

Claims (12)

1.一种用于通过自组织网络进行连接以在网络数据路径级别实现服务质量的具备服务质量能力的设备，该设备包括：
用于当对每个协议数据单元加标签时计算针对每个协议数据单元的下一跳的装置，
用于将所述标签映射到各个源设备的装置，
用于根据所述各个源设备来调度所述协议数据单元的传输并且利用调度模型来确定该协议数据单元的传输顺序的装置，和
用于控制和管理所述具备服务质量能力的设备的操作以在所述源设备之间实现网络带宽的公平分配的处理装置，
其中，用于调度的所述装置包括：
多个服务质量队列，一个特定的队列只包括从同一源设备到达所述具备服务质量能力的设备的协议数据单元，和
用于利用调度模型来确定所述协议数据单元的传输顺序以针对每个源设备实现指定的服务质量的调度器，
并且，用于映射的所述装置包括：
用于计算随机映射函数以禁止恶意源设备滥用网络的随机函数发生器；和
用于将所述标签映射到所述各个源设备的映射函数块。
2.根据权利要求1的具备服务质量能力的设备，其中，所述用于计算的装置包括：
用于基于各个目的设备的地址针对每个协议数据单元标识输出端口的路由装置；
用于为每个协议数据单元产生标签的标签产生器，该标签唯一地标识产生每个协议数据单元的所述各个源设备。
3.根据权利要求1的具备服务质量能力的设备，其中，所述调度模型基于加权公平队列方案。
4.根据权利要求1的具备服务质量能力的设备，其中，所述用于映射的装置还包括定时器，该定时器用于在预设的时间间隔上触发所述随机映射函数的改变。
5.根据权利要求1的具备服务质量能力的设备，还包括收发信机，该收发信机用于接收来自所述各个源设备的协议数据单元，并且将所述协议数据单元传输到所述自组织网络中的目的设备。
6.根据权利要求5的具备服务质量能力的设备，其中，所述收发信机是无线收发信机。
7.根据权利要求1的具备服务质量能力的设备，其中，所述自组织网络是移动自组织网络。
8.一种用于在自组织网络的网络路由器处对协议数据单元安全地提供基于服务质量的调度的方法，该方法包括下列步骤：
a)当对每个协议数据单元加标签时计算针对每个协议数据单元的下一跳，
b)将所述标签映射到各个源设备，
c)根据所述各个源设备对所述协议数据单元进行排队，并且利用调度模型来确定该协议数据单元的传输顺序，并且
d)控制来自网络的所述协议数据单元的传输，以在所述源设备之间实现网络带宽的公平分配，
其中，步骤c)包括：
提供多个服务质量队列，一个特定的队列只包括从同一源设备到达所述具备服务质量能力的设备的协议数据单元，和
利用调度模型来确定所述协议数据单元的传输顺序以针对每个源设备实现指定的服务质量，
并且，步骤b)包括：
计算随机映射函数以禁止恶意源设备滥用网络，和
将所述标签映射到所述各个源设备。
9.根据权利要求8的方法，其中，步骤a)包括：
基于各个目的设备的地址，针对每个协议数据单元在输出端口上进行标识；
为每个协议数据单元产生标签，该标签唯一地标识产生每个协议数据单元的所述各个源设备。
10.根据权利要求8的方法，其中，所述调度模型基于加公平队列方案。
11.根据权利要求8的方法，其中，步骤b)还包括在预设的时间间隔上触发所述随机映射函数的改变。
12.一种用于在自组织网络中对来自源设备的分组数据流提供基于服务质量的调度的系统，该系统包括：
多个队列，每个队列都对应于某个服务质量级别并且用于相应地对分组进行排队；
用于调度被排队的分组的加权公平队列调度器；
用于基于每个分组产生标签并且对分组加标签的装置，其中，每个标签唯一地标识源设备；
用于根据针对每个标签的各个随机函数来将标签映射到队列的装置；和
用于根据所述映射来向队列发送分组的装置。
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