Ad Hoc網絡信息分發技術研究

【摘要】針對Ad Hoc網絡特點，提出基于發布訂閱機制實現信息高效分發的方案和架構，并結合網絡資源受限等因素，提出了高效利用網絡資源的QoS控制和多點遞送等關鍵技術解決方案。通過仿真分析，該方案可以大幅提升Ad Hoc網絡資源利用率。

【關鍵詞】發布訂閱信息分發網絡資源QoS多點遞送

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1006-1010(2014)-08-0057-04

Research on Information Distribution Technology of Ad Hoc Network

LI Yong

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

[Abstract] According to characteristics of Ad Hoc network, an efficient information distribution solution based on publish-subscribe mechanism is proposed in this paper. In the light of limited networks resources, the key technologies, QoS control to efficiently utilize network resources and multi-point delivery schemes are presented. Simulation results show that, the proposed schemes can highly increase utilization of network resources.

[Key words]publish-subscribe mechanisminformation distributionnetwork resourcesQoS multi-point delivery

1 引言

隨著信息技術的快速發展，信息共享[1]的需求越來越多，這也使得業務系統對通信網絡帶寬需要急劇增加。如果不能針對不同用戶、不用業務進行識別并控制，以及進行信息的區別處理和遞送，網絡將陷入癱瘓。

本文針對Ad Hoc網絡中網絡資源少、帶寬受限等特點，提出一種基于發布訂閱機制實現信息實時分發的方案，給出了具體實施的信息分發網絡架構[2]，并從信息分發時的業務更高效利用網絡資源的角度提出了關鍵技術解決方法，保障了Ad Hoc網絡業務的服務質量。

2 基于發布訂閱的信息分發架構

與傳統的通信方式不同，采用基于發布訂閱的信息分發通信方式，發送方和訂閱方會從時間上、控制上、空間上進行隔離，節點只需發布其需要發布的信息、訂閱其需要的信息即可，不需要了解對方的身份信息，也不需要維護發送方和訂閱方端到端的通信鏈路，信息分發服務設備可依據訂閱用戶當前在線情況和網絡資源情況等，根據策略對業務進行存儲、壓縮和格式變換等，調整推送的業務屬性。

在Ad Hoc網中，服務器的布設需采用分布式的，服務器間通過分布式同步方式進行信息的同步。對于信息發布者和信息訂閱者，由于節點間完全不耦合，不需要直接交互，信息分發服務設備可以集中進行編解碼轉換、格式調整處理等，減少在每個節點都布設媒體轉換設備，從而減少布設網絡所需設備的費用；另外，還可以分別對節點進行加密和控制，提高了網絡的安全性。典型的分布式基于發布訂閱的信息分發架構[3]如圖1所示：

圖1基于發布訂閱的信息分發架構

3 信息分發關鍵技術研究

3.1信息分發QoS控制

為了保障信息分發通信的高效可靠進行，信息分發服務設備可依據訂閱用戶的屬性、訂閱的主題和當前網絡資源情況，根據策略提供盡力而為地與之相符的QoS服務質量[4]。

根據信息分發內容、等級，可為信息提供宏觀（全網）和微觀（單節點）這兩種不同的QoS控制保障。首先需要進行QoS策略匹配，如圖2所示：

圖2信息分發QoS匹配過程

匹配過程如下：

（1）訂閱內容和訂閱者身份匹配：根據訂閱者QoS優先等級和訂閱內容優先等級進行匹配，判斷是否運行訂閱此屬性的業務；

（2）訂閱內容和時間保鮮匹配：訂閱內容是否已過期、訂閱者從離線到發現入網、歷史信息是否推送等；

（3）業務屬性和用戶屬性、網絡資源匹配：根據業務屬性和用戶屬性判斷當前業務推送時是否需要進行媒體格式轉換（圖片、視頻、音頻等），網絡資源和業務屬性匹配主要是看當前網絡帶寬、媒體轉換資源是否滿足要求，包括根據網絡資源池多徑計算、路徑選擇等；

（4）節點QoS匹配：主要完成應用QoS到網絡QoS映射，網絡中具體微觀節點的區分轉發。

在業務和網絡資源匹配時，為了最大限度利用網絡資源[5]，需通過多徑算法計算出源到目的訂閱者可達路徑，然后根據媒體變換后的業務屬性要求選擇合適路徑[6]，算法過程如下：

（1）遍歷網絡資源池中節點，列出各節點的邊，互為鄰居即為邊；

（2）進行約束條件限定，去除所有不滿足約束條件的邊；

（3）從起始點進行所連接邊的下一跳擴展，在分叉的節點進行地址記錄表擴展，直到結束；

（4）進行環路消除和剪枝，去除出現過的邊和不存在鄰居的邊；

（5）把所有路徑記錄在地址記錄表中；

（6）進行策略匹配，從路徑表中選擇合適路徑，路徑輸出。

3.2基于單播的多點信息遞送

基于發布訂閱的信息分發系統具有異步、多點通信的特點，向信息分發服務設備訂閱同一個事件的也許有多個用戶，由于Ad Hoc網絡資源受限，如果對每個節點分別進行信息遞送，則同一事件將分為多條業務流，會占用較多帶寬，而Ad Hoc網絡中不適合運行較復雜且需時時維護的組播路由協議，本文針對無線網絡信息分發的特殊應用提出基于單播的多點信息遞送。

基于單播的多點信息遞送基本思路是利用單播報文完成組播的功能。由信息分發服務設備根據訂閱用戶指定用戶列表，當推送業務報文時，由信息分發服務設備在報頭后列出各訂閱用戶的地址列表。網絡上的每個節點收到此報文后，將逐個分析用戶列表中的地址，對每個地址按單播路由的原理選擇相應的路由出口下一跳，完成對地址選路后，將根據出口及下一跳節點的情況重新構建新報文，把新報文發給下一跳節點，直到報文到達最終接收用戶。

基于單播的多點信息遞送方式是把傳統的多目的地尋址與有源組播樹的方式結合起來，由信源確定目的組播組成員的信息，源節點設備根據組成員的位置以及單播路由表來構造組播樹，但該樹不需要專門的組播路由協議的支持，因而避免了信息分發系統節點運行組播路由協議對無線網絡帶寬的消耗，既簡單又高效。

4 仿真及分析

在Ad Hoc網絡中，由于用戶關系的限定，大多數業務是從信息服務設備流出的，這可能會造成信息服務設備附近的部分網絡節點會因為網絡資源不足而擁塞，但其它節點可能會非常空閑，導致業務能力要求和網絡資源能力嚴重不匹配。

endprint

以圖3仿真場景的網絡拓撲為例，所有鏈路帶寬為64kbps，通過仿真試驗情況對比通用情況下與經過QoS控制和多點遞送優化后的R1的輸入路徑的鏈路吞吐量情況（其中R為圖3中Router的簡稱，即路由器節點）。仿真1：A和C節點間的多種業務的信息分發；仿真2：由A向B、C、D三個節點進行同一種業務的信息分發。

圖3仿真場景圖

仿真1：如圖3所示，通過A向B發送業務，A節點逐漸增加業務，每條業務都為32kbps。圖4表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖5表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖4仿真1正常情況R1流量

圖5仿真1優化后R1流量

仿真2：如圖3所示，通過A向B、C和D進行同種業務的信息分發，業務帶寬為32kbps。圖6表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖7表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖6仿真2正常情況R1流量

從仿真1的情況可以看出，網絡未優化時，網絡從A到B采用最佳路由，此時使用一條鏈路，鏈路最大帶寬為64kbps，從R1輸入的流量受到鏈路帶寬限制，此時從A點來講，網絡最大容量為64kbps；而采用優化后的網絡，節點會通過多徑算法給每條業務計算合適路徑，可最大限度地使用網絡資源。從仿真2的情況可以看出，節點進行同種業務的信息分發，優化后的網絡占用較少的網絡資源，這是由于優化后的節點A對B、C、D進行數據分發時，節點A首先把報文組裝成多目組播報文，然后再進行發送，極大地節省了網絡帶寬。

由上述仿真試驗結果情況可以看出，采用優化后的網絡節點，信息傳送不再僅依賴于最佳路由，網絡會根據策略算法選擇其它合適路徑進行業務傳送，同一種業務進行多點信息分發時，經多目組播優化后，信息分發時消耗的網絡資源大大減少，既提高了信息分發成功率，又降低了業務對帶寬資源的消耗。這些優化在Ad Hoc網絡中顯得尤為重要。

5 結束語

隨著信息柵格技術的快速發展，網絡中基于信息分發的業務越來越廣泛，Ad Hoc無線網絡以較少的網絡資源承載各種不同的業務，需要從應用、傳輸、網絡、鏈路和物理等各層進行保證。本文從網絡的角度提出了解決方法，該方法可顯著降低業務分發開銷，提高網絡資源利用率和信息分發成功率。

參考文獻：

[1] Network Centric Warfare．Department of Defense Report to Congres[R]. 2001.

[2] 李英. 美軍國防部體系結構框架的發展及其與GIG體系結構關系研究[J].指揮自動化, 2006(3).

[3] Foster I, Kesselman C, Tuecke S. The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations[J]. Supercomputer Applications, 2001,15(3): 1-24.

[4] 夏瑋瑋,沈連豐. 異構網絡融合中的QoS與通信容量研究[J]. 中興通訊技術, 2008(3): 5-8.

[5] 趙新勝,尤肖虎. 未來移動通信系統中的無線資源管理[J]. 寬帶世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁蘇湘,金永生,王彥麗. 網絡資源分配中的接納控制技術[J]. 吉林大學學報: 信息科學版, 2008(6): 609-614.★

作者簡介

李勇：工程師，學士畢業于哈爾濱工業大學通信工程專業，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信系統和網絡設計。

endprint

以圖3仿真場景的網絡拓撲為例，所有鏈路帶寬為64kbps，通過仿真試驗情況對比通用情況下與經過QoS控制和多點遞送優化后的R1的輸入路徑的鏈路吞吐量情況（其中R為圖3中Router的簡稱，即路由器節點）。仿真1：A和C節點間的多種業務的信息分發；仿真2：由A向B、C、D三個節點進行同一種業務的信息分發。

圖3仿真場景圖

仿真1：如圖3所示，通過A向B發送業務，A節點逐漸增加業務，每條業務都為32kbps。圖4表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖5表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖4仿真1正常情況R1流量

圖5仿真1優化后R1流量

仿真2：如圖3所示，通過A向B、C和D進行同種業務的信息分發，業務帶寬為32kbps。圖6表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖7表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖6仿真2正常情況R1流量

從仿真1的情況可以看出，網絡未優化時，網絡從A到B采用最佳路由，此時使用一條鏈路，鏈路最大帶寬為64kbps，從R1輸入的流量受到鏈路帶寬限制，此時從A點來講，網絡最大容量為64kbps；而采用優化后的網絡，節點會通過多徑算法給每條業務計算合適路徑，可最大限度地使用網絡資源。從仿真2的情況可以看出，節點進行同種業務的信息分發，優化后的網絡占用較少的網絡資源，這是由于優化后的節點A對B、C、D進行數據分發時，節點A首先把報文組裝成多目組播報文，然后再進行發送，極大地節省了網絡帶寬。

由上述仿真試驗結果情況可以看出，采用優化后的網絡節點，信息傳送不再僅依賴于最佳路由，網絡會根據策略算法選擇其它合適路徑進行業務傳送，同一種業務進行多點信息分發時，經多目組播優化后，信息分發時消耗的網絡資源大大減少，既提高了信息分發成功率，又降低了業務對帶寬資源的消耗。這些優化在Ad Hoc網絡中顯得尤為重要。

5 結束語

隨著信息柵格技術的快速發展，網絡中基于信息分發的業務越來越廣泛，Ad Hoc無線網絡以較少的網絡資源承載各種不同的業務，需要從應用、傳輸、網絡、鏈路和物理等各層進行保證。本文從網絡的角度提出了解決方法，該方法可顯著降低業務分發開銷，提高網絡資源利用率和信息分發成功率。

參考文獻：

[1] Network Centric Warfare．Department of Defense Report to Congres[R]. 2001.

[2] 李英. 美軍國防部體系結構框架的發展及其與GIG體系結構關系研究[J].指揮自動化, 2006(3).

[3] Foster I, Kesselman C, Tuecke S. The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations[J]. Supercomputer Applications, 2001,15(3): 1-24.

[4] 夏瑋瑋,沈連豐. 異構網絡融合中的QoS與通信容量研究[J]. 中興通訊技術, 2008(3): 5-8.

[5] 趙新勝,尤肖虎. 未來移動通信系統中的無線資源管理[J]. 寬帶世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁蘇湘,金永生,王彥麗. 網絡資源分配中的接納控制技術[J]. 吉林大學學報: 信息科學版, 2008(6): 609-614.★

作者簡介

李勇：工程師，學士畢業于哈爾濱工業大學通信工程專業，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信系統和網絡設計。

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以圖3仿真場景的網絡拓撲為例，所有鏈路帶寬為64kbps，通過仿真試驗情況對比通用情況下與經過QoS控制和多點遞送優化后的R1的輸入路徑的鏈路吞吐量情況（其中R為圖3中Router的簡稱，即路由器節點）。仿真1：A和C節點間的多種業務的信息分發；仿真2：由A向B、C、D三個節點進行同一種業務的信息分發。

圖3仿真場景圖

仿真1：如圖3所示，通過A向B發送業務，A節點逐漸增加業務，每條業務都為32kbps。圖4表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖5表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖4仿真1正常情況R1流量

圖5仿真1優化后R1流量

仿真2：如圖3所示，通過A向B、C和D進行同種業務的信息分發，業務帶寬為32kbps。圖6表示正常情況下進行信息分發時R1輸入鏈路的流量，圖7表示優化后的R1輸入鏈路的流量。

圖6仿真2正常情況R1流量

從仿真1的情況可以看出，網絡未優化時，網絡從A到B采用最佳路由，此時使用一條鏈路，鏈路最大帶寬為64kbps，從R1輸入的流量受到鏈路帶寬限制，此時從A點來講，網絡最大容量為64kbps；而采用優化后的網絡，節點會通過多徑算法給每條業務計算合適路徑，可最大限度地使用網絡資源。從仿真2的情況可以看出，節點進行同種業務的信息分發，優化后的網絡占用較少的網絡資源，這是由于優化后的節點A對B、C、D進行數據分發時，節點A首先把報文組裝成多目組播報文，然后再進行發送，極大地節省了網絡帶寬。

由上述仿真試驗結果情況可以看出，采用優化后的網絡節點，信息傳送不再僅依賴于最佳路由，網絡會根據策略算法選擇其它合適路徑進行業務傳送，同一種業務進行多點信息分發時，經多目組播優化后，信息分發時消耗的網絡資源大大減少，既提高了信息分發成功率，又降低了業務對帶寬資源的消耗。這些優化在Ad Hoc網絡中顯得尤為重要。

5 結束語

隨著信息柵格技術的快速發展，網絡中基于信息分發的業務越來越廣泛，Ad Hoc無線網絡以較少的網絡資源承載各種不同的業務，需要從應用、傳輸、網絡、鏈路和物理等各層進行保證。本文從網絡的角度提出了解決方法，該方法可顯著降低業務分發開銷，提高網絡資源利用率和信息分發成功率。

參考文獻：

[1] Network Centric Warfare．Department of Defense Report to Congres[R]. 2001.

[2] 李英. 美軍國防部體系結構框架的發展及其與GIG體系結構關系研究[J].指揮自動化, 2006(3).

[3] Foster I, Kesselman C, Tuecke S. The Anatomy of the Grid: Enabling Scalable Virtual Organizations[J]. Supercomputer Applications, 2001,15(3): 1-24.

[4] 夏瑋瑋,沈連豐. 異構網絡融合中的QoS與通信容量研究[J]. 中興通訊技術, 2008(3): 5-8.

[5] 趙新勝,尤肖虎. 未來移動通信系統中的無線資源管理[J]. 寬帶世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁蘇湘,金永生,王彥麗. 網絡資源分配中的接納控制技術[J]. 吉林大學學報: 信息科學版, 2008(6): 609-614.★

作者簡介

李勇：工程師，學士畢業于哈爾濱工業大學通信工程專業，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為通信系統和網絡設計。

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