QoS路由

一种路由机制

QoS路由是一种基于网络的可用资源和业务流的QoS要求来选择路径的路由机制或一种包含各种QoS参数。QoS要求可以是一维的，也可以是多维的参数，相应的QoS路由被称为单维或多维QoS参数路由。

简介

一般的网络过程由两部分组成，一个是依据某种约束参数为到达的业务分组流选择合适的路由进行数据的转发，另一个则是为了维护几点间的路由转发信息进行的信息交互。QoS路由同样也是这样的过程转发。

首先带有QoS信息的路由实施有效的控制来防止网络的过载，然后寻找满足QoS要求的路由在无线网络中实施负载均衡；可以基于现有的路由算法来构造QoS路由协议，每个节点在路由表中增加相应的QoS信息，计算最短路径的同时计算各种QoS信息，进行接纳控制；可以选择资源充足的路径行进；还可以根据不同的应用要求更加高效地分配带宽，并可以进行资源的重协商。

QoS路由的定义

IETF在RFC2386中对QoS路由进行了如下定义：QoS路由是一种能够依据网络可用资源和业务流QoS需求为依据进行路径计算的路由机制。

由IETF的上述描述可以看出，与尽力而为的路由选相比，QoS路由不仅关心网络的连通性，而且也关系路由是否能够满足业务所提出的QoS要求的网络资源的有效配置。QoS路由要从以下3个方面拓展尽力而为的路由模型：首先，为了支持多种服务类型，QoS路由需要支持IntServ模型，支持IP分组的业务类型（ToS）应用需要以及源宿结点间的多重路径计算，一些新型服务应用的路由计算可能需要不同的路由度量参数，如带宽、成本、每一跳开销、时延、可靠性等；第二，在提供“较好”服务性能路由的同时需要防止业务流频繁地从一条路由跳转到另一条“更好”的路由，避免由于路由振荡给端用户业务带来不必要的时延和抖动；第三，支持可选路由，虽然这条路径不一定是最优或者最短的路由。

QoS路由的目标

QoS路由过程也是网络针对各业务应用提出的QoS要求，通过资源和路由分的计算，选择可用路径的一个过程。选路时需要考虑的因素有：网络拓扑结构、业务的QoS参数要求、链路上的可用资源和网络管理层所规定的其他策略。

QoS路由就是要将传统的最短路径变为一条可适应具体业务流属性需求的“更好”路径，实施QoS路由的主要目标可以包括以下几点：

（1）能够动态地选择可行路径，为每一个接纳的QoS业务连接请求，找到能够满足其QoS参数需求的可行路径；

（2）优化资源配置，平衡网络负载，实现网络全局资源利用率的优化，从俄日最大化网络接受其他QoS请求的能力。

（3）与传统的路由机制相比，能够改善网络的吞吐量和网络性能的退化。

QoS路由的功能组成

QoS路由主要包括QoS路由协议和QoS路由算法两个基本内容。QoS路由协议用于完成网络节点之间收集和发布网路状态信息的功能，QoS路由算法则是根据已有的状态信息来为新的用户业务的连接请求选择一条合适路由。

为了提供QoS保证，与IntServ类似，QoS路由通常也是在用户业务流转发前需要QoS路由算法计算好相应的传送路径，从源端向宿端传播一个消息，用来通知路径上的所有节点为这个QoS业务保留相应的资源（如带宽、缓存等），而后续的用户业务数据流则是沿着这条已经预留的路径进行传播，由此可见，QoS路由也是一种具有面相连接特性的路由机制。而网络因此而产生的可用资源变化则可用资源变化可以通过则可以通过QoS路由协议通知网络中的各个结点。

QoS路由状态信息的分类和更新

QoS路由的主要内容包括QoS路由协议和QoS路由算法两部分，QoS路由协议实现测量、手机和维护网络状态信息，完成状态信息的获取和传播功能，QoS路由计算则依据网络节点维护的网络状态信息和业务流的QoS需求计算获得一条优化的可行路径。状态信息在QoS路由的这些过程中有着重要的地位和作用。

状态信息

按照网络信息所处的物理位置，可以3种状态信息：本地状态信息、全局状态信息和汇聚/局部的全局状态信息。

（1）本地状态信息：结点以及与其连接的链路所具有的状态信息称为本地状态。本地状态信息具体可能包括可能包括可用带宽、时延、抖动、分组丢失率、结点处理器占用率和链路开销等信息，这些本地状态时其他信息的基础，也是QoS路由技术的基础信息。

（2）全局状态信息：网络中全部结点的本地状态信息的组合称为全局状态。基于全局状态信息，可以比较容易设计启发式路由算法，但随着网络规模的不断扩大，玩了过全局信息数量急剧增加，虽然许多QoS路由研究都是基于全局状态信息的，但是要求一个结点保存如此大量的全局状态信息，并通过它计算可行路径，在空间和时间上几乎都是不可能的。

（3）汇聚/局部的全局状态信息：为了减少网络全局状态信息的信息量，提高可拓展性，可以将网络进行结构分层，首先将同一分层结构中的节点本地状态信息进行汇聚，再将低层网络的汇聚内部状态信息向高层传播。在此过程中，结点所获得的汇聚的全局状态，称为汇聚的全局状态信息或局部的全局状态信息。

状态信息的分类

QoS路由计算时，需要了解网路或结点的状态信息和资源情况，从而根据这些信息来计算并确定路径。常用的度量参数包括：代价、跳数、时延、时延抖动、带宽、丢包率等，这些参数可以分为加性度量参数、乘性度量参数和最小性度量参数三类。

状态信息的更新

路由算法的有效性很大程度上依赖于状态性的准确程度。网络状态的不断变化要求各节点的状态信息必须进行实时更新。但是频繁地网络状态信息。可能会带来很大开销。所以在保证信息正确的同时，还需要控制更新信息的频率。如果更新频率过高，会大量占用网络资源，使得开销过大。

通常使用的更新策略可以分为基于时间变化的基于带宽变化两类，具体划分为以下3种主要的更新策略。设计这些策略的中心思想都是在确保及时更新状态信息的同时，尽量减少网络和其他开销，以保证二者之间的平衡。

（1）周期型更新策略

周期型更新策略是基于时间变化来进行信息更新。即每隔一个固定的时间，发送一次结点状态信息。

（2）变化触发型更新策略

变化触发型更新策略是基于变化来进行信息更新。即每当网络状态发生显著变化时，发送一次几点状态信息。

（3）复合控制型更新策略

复合控制型更新策略是在变化触发型更新策略的基础上面，加入时间控制。即限制两次连续触发状态更新的最小时间间隔，设定钳制时间，来适当减少状态信息的发送频率。

典型路由协议

1．基于表驱动方式的QoS路由协议

该类协议的代表是在每个节点都维护一张或几张带有QoS信息的路由表，每当拓扑结构发生变化时每个节点都需要计算从该节点到其他节点的各个QoS信息，需要大量的计算和占用大量的存储空间并增加了网络负荷。比如像Chen于1997年提出了一种基于带宽约束的路由算法。这种QoS路由算法是在DSDV路由协议的基础上实现的。

2．按需式QoS路由协议

这类QoS路由协议是与传统的按需式路由协议类似，只是在路由发现过程中添加了QoS参数的判断以满足业务的需求。像TBD(Ticket—Based Probing)协议也采用了路由发现的并行搜索过程，为了减少这些路由请求报文的耗费，该协议采用一定的机制来限制搜索范围。比如它增加了三种QoS参数(时延、带宽、耗费)。由于网络拓扑结构经常变化，导致搜集到QoS参数也就经常变化，变得不是很准确，也就不能满足业务的要求。

存在的困难

Ad hoc网络拓扑经常变化，不同节点可能对网络有不同的认识：在时间上，有些节点的信息可能过时；在空间上，节点通常只了解周围部分网络的状态。QoS路由需要获悉大量的链路状态信息来计算可行路径并且维护易得到的路由资源，但是Ad hoc’网络中带宽是受限的并由多个节点共享，没有中心节点负责分配有限的资源，从而使得QoS路由的发现和维护非常困难。具体而言，在Ad hoc网络中实施QoS路由主要存在以下困难。

QoS路由研究存在着以下几个问题:

(1)缺乏路由，理论研究困难

当前Ad hocQoS模型框架重要有INSIGNIA模型、ASWSAN模型、iMAQ模型。INSIGNIA QoS框架模型的主要设计目标是支持自适应的服务。这些服务可对实时的语音和视频流及数据提供基本的QoS(如最小带宽等)保证，并且当资源变的可用时，允许服务升级(如提供最大带宽)在数据分组中添加标志选项将加大网络开销，实质上是以减少有效带宽的代价来换取资源的快速预留。SWAN模型是一种无状态的在Ad hoc网络中提供QoS服务的分布式控制算法。SWAN并没有对MAC层引入QoS保障机制，只是通过调整进入MAC层的尽力而为业务和实时业务的发送速率来提供QoS保障。在网络负载较重的情况下，把实时业务及时成功发送也是很困难的。iMAQ是一个交叉层结构来支持在无线移动网络上传输多媒体数据，增加了信息的处理量。

由于网络拓扑和业务特性复杂多样，协议数学描述困难。因此，多数路由研究主要是针对某个问题设计启发式算法，而不是基于某种模型从理论上推导算法特性和性能，这种情况下，为分折算法性能，需要大量仿真工作，由于缺乏理论支持，在不同的拓扑结构和业务特性下，算法性能可能差异较大，而且仿真得到的结果缺乏说服力。

(2)优化目标不同，评估标准不一致

主要的优化目标包括代价和延时等加性参数，评估标准主要有：业务接入率、阻塞率、数据丢包率、带宽利用率、节点队列长度、代价、信令开销等。由于各个研究者解决的问题不同，优化目标往往不相同，因此，评价标准也不一致。在这种情况下，不利于比较不同算法之间的优越性，因此制定出统一的路由性能评价标准对路由研究具有重要意义。

(3)接入业务的变化对网络状态影响大

Ad hoe无线网络节点具有动态移动的特点，使得动态多变的网络拓扑使得信息的收集和维护非常困难。现有的QoS路由依据用户业务对服务质量的要求进行寻路，一旦存在满足要求的路径就会将业务接入，在业务接入时，没有考虑该业务的接入对网络状态有多大的改变，因此，QoS路由是基于服务质量要求的尽力而为的路由，在这种情况下，如果业务特性变化过快，网络状态急剧变化，网络效率、阻塞率等特性都会受到很大影响，因此，在今后的研究中网络的性能变化也应该作为业务接入的一个参考。

(4)节点控制与路由过程脱离

网络为业务提供Qos服务时，节点控制和路由控制是相辅相成，缺一不可的。当数据包到达节点后，区分数据包类型，周期地监测并统计节点韵状态，更新状态数据库；当本节点的状态变化达到一定值时，触发状态信息向全网中剪达节点发送》本节点根据接收到的最新状态信息，更新状态数据痒和路由表，并进行其状态稳定性判断，调整相邻节点的输’出；根据业务数据包的QoS要求、目的地址和本节点状态数据库和路由表的内容，选择路径并进行业务调度。其中可能会存在当节点发布信息时，此时移动节点的拓扑结构可能已经发生了变化，将导致节电控制和路由过程的不一致。

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