Ad Hoc网络信息分发技术研究

【摘要】针对Ad Hoc网络特点，提出基于发布订阅机制实现信息高效分发的方案和架构，并结合网络资源受限等因素，提出了高效利用网络资源的QoS控制和多点递送等关键技术解决方案。通过仿真分析，该方案可以大幅提升Ad Hoc网络资源利用率。

【关键词】发布订阅信息分发网络资源QoS多点递送

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：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

随着信息技术的快速发展，信息共享[1]的需求越来越多，这也使得业务系统对通信网络带宽需要急剧增加。如果不能针对不同用户、不用业务进行识别并控制，以及进行信息的区别处理和递送，网络将陷入瘫痪。

本文针对Ad Hoc网络中网络资源少、带宽受限等特点，提出一种基于发布订阅机制实现信息实时分发的方案，给出了具体实施的信息分发网络架构[2]，并从信息分发时的业务更高效利用网络资源的角度提出了关键技术解决方法，保障了Ad Hoc网络业务的服务质量。

2 基于发布订阅的信息分发架构

与传统的通信方式不同，采用基于发布订阅的信息分发通信方式，发送方和订阅方会从时间上、控制上、空间上进行隔离，节点只需发布其需要发布的信息、订阅其需要的信息即可，不需要了解对方的身份信息，也不需要维护发送方和订阅方端到端的通信链路，信息分发服务设备可依据订阅用户当前在线情况和网络资源情况等，根据策略对业务进行存储、压缩和格式变换等，调整推送的业务属性。

在Ad Hoc网中，服务器的布设需采用分布式的，服务器间通过分布式同步方式进行信息的同步。对于信息发布者和信息订阅者，由于节点间完全不耦合，不需要直接交互，信息分发服务设备可以集中进行编解码转换、格式调整处理等，减少在每个节点都布设媒体转换设备，从而减少布设网络所需设备的费用；另外，还可以分别对节点进行加密和控制，提高了网络的安全性。典型的分布式基于发布订阅的信息分发架构[3]如图1所示：

图1基于发布订阅的信息分发架构

3 信息分发关键技术研究

3.1信息分发QoS控制

为了保障信息分发通信的高效可靠进行，信息分发服务设备可依据订阅用户的属性、订阅的主题和当前网络资源情况，根据策略提供尽力而为地与之相符的QoS服务质量[4]。

根据信息分发内容、等级，可为信息提供宏观（全网）和微观（单节点）这两种不同的QoS控制保障。首先需要进行QoS策略匹配，如图2所示：

图2信息分发QoS匹配过程

匹配过程如下：

（1）订阅内容和订阅者身份匹配：根据订阅者QoS优先等级和订阅内容优先等级进行匹配，判断是否运行订阅此属性的业务；

（2）订阅内容和时间保鲜匹配：订阅内容是否已过期、订阅者从离线到发现入网、历史信息是否推送等；

（3）业务属性和用户属性、网络资源匹配：根据业务属性和用户属性判断当前业务推送时是否需要进行媒体格式转换（图片、视频、音频等），网络资源和业务属性匹配主要是看当前网络带宽、媒体转换资源是否满足要求，包括根据网络资源池多径计算、路径选择等；

（4）节点QoS匹配：主要完成应用QoS到网络QoS映射，网络中具体微观节点的区分转发。

在业务和网络资源匹配时，为了最大限度利用网络资源[5]，需通过多径算法计算出源到目的订阅者可达路径，然后根据媒体变换后的业务属性要求选择合适路径[6]，算法过程如下：

（1）遍历网络资源池中节点，列出各节点的边，互为邻居即为边；

（2）进行约束条件限定，去除所有不满足约束条件的边；

（3）从起始点进行所连接边的下一跳扩展，在分叉的节点进行地址记录表扩展，直到结束；

（4）进行环路消除和剪枝，去除出现过的边和不存在邻居的边；

（5）把所有路径记录在地址记录表中；

（6）进行策略匹配，从路径表中选择合适路径，路径输出。

3.2基于单播的多点信息递送

基于发布订阅的信息分发系统具有异步、多点通信的特点，向信息分发服务设备订阅同一个事件的也许有多个用户，由于Ad Hoc网络资源受限，如果对每个节点分别进行信息递送，则同一事件将分为多条业务流，会占用较多带宽，而Ad Hoc网络中不适合运行较复杂且需时时维护的组播路由协议，本文针对无线网络信息分发的特殊应用提出基于单播的多点信息递送。

基于单播的多点信息递送基本思路是利用单播报文完成组播的功能。由信息分发服务设备根据订阅用户指定用户列表，当推送业务报文时，由信息分发服务设备在报头后列出各订阅用户的地址列表。网络上的每个节点收到此报文后，将逐个分析用户列表中的地址，对每个地址按单播路由的原理选择相应的路由出口下一跳，完成对地址选路后，将根据出口及下一跳节点的情况重新构建新报文，把新报文发给下一跳节点，直到报文到达最终接收用户。

基于单播的多点信息递送方式是把传统的多目的地寻址与有源组播树的方式结合起来，由信源确定目的组播组成员的信息，源节点设备根据组成员的位置以及单播路由表来构造组播树，但该树不需要专门的组播路由协议的支持，因而避免了信息分发系统节点运行组播路由协议对无线网络带宽的消耗，既简单又高效。

4 仿真及分析

在Ad Hoc网络中，由于用户关系的限定，大多数业务是从信息服务设备流出的，这可能会造成信息服务设备附近的部分网络节点会因为网络资源不足而拥塞，但其它节点可能会非常空闲，导致业务能力要求和网络资源能力严重不匹配。

endprint

以图3仿真场景的网络拓扑为例，所有链路带宽为64kbps，通过仿真试验情况对比通用情况下与经过QoS控制和多点递送优化后的R1的输入路径的链路吞吐量情况（其中R为图3中Router的简称，即路由器节点）。仿真1：A和C节点间的多种业务的信息分发；仿真2：由A向B、C、D三个节点进行同一种业务的信息分发。

图3仿真场景图

仿真1：如图3所示，通过A向B发送业务，A节点逐渐增加业务，每条业务都为32kbps。图4表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图5表示优化后的R1输入链路的流量。

图4仿真1正常情况R1流量

图5仿真1优化后R1流量

仿真2：如图3所示，通过A向B、C和D进行同种业务的信息分发，业务带宽为32kbps。图6表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图7表示优化后的R1输入链路的流量。

图6仿真2正常情况R1流量

从仿真1的情况可以看出，网络未优化时，网络从A到B采用最佳路由，此时使用一条链路，链路最大带宽为64kbps，从R1输入的流量受到链路带宽限制，此时从A点来讲，网络最大容量为64kbps；而采用优化后的网络，节点会通过多径算法给每条业务计算合适路径，可最大限度地使用网络资源。从仿真2的情况可以看出，节点进行同种业务的信息分发，优化后的网络占用较少的网络资源，这是由于优化后的节点A对B、C、D进行数据分发时，节点A首先把报文组装成多目组播报文，然后再进行发送，极大地节省了网络带宽。

由上述仿真试验结果情况可以看出，采用优化后的网络节点，信息传送不再仅依赖于最佳路由，网络会根据策略算法选择其它合适路径进行业务传送，同一种业务进行多点信息分发时，经多目组播优化后，信息分发时消耗的网络资源大大减少，既提高了信息分发成功率，又降低了业务对带宽资源的消耗。这些优化在Ad Hoc网络中显得尤为重要。

5 结束语

随着信息栅格技术的快速发展，网络中基于信息分发的业务越来越广泛，Ad Hoc无线网络以较少的网络资源承载各种不同的业务，需要从应用、传输、网络、链路和物理等各层进行保证。本文从网络的角度提出了解决方法，该方法可显著降低业务分发开销，提高网络资源利用率和信息分发成功率。

参考文献：

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

[2] 李英. 美军国防部体系结构框架的发展及其与GIG体系结构关系研究[J].指挥自动化, 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] 夏玮玮,沈连丰. 异构网络融合中的QoS与通信容量研究[J]. 中兴通讯技术, 2008(3): 5-8.

[5] 赵新胜,尤肖虎. 未来移动通信系统中的无线资源管理[J]. 宽带世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁苏湘,金永生,王彦丽. 网络资源分配中的接纳控制技术[J]. 吉林大学学报: 信息科学版, 2008(6): 609-614.★

作者简介

李勇：工程师，学士毕业于哈尔滨工业大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为通信系统和网络设计。

endprint

以图3仿真场景的网络拓扑为例，所有链路带宽为64kbps，通过仿真试验情况对比通用情况下与经过QoS控制和多点递送优化后的R1的输入路径的链路吞吐量情况（其中R为图3中Router的简称，即路由器节点）。仿真1：A和C节点间的多种业务的信息分发；仿真2：由A向B、C、D三个节点进行同一种业务的信息分发。

图3仿真场景图

仿真1：如图3所示，通过A向B发送业务，A节点逐渐增加业务，每条业务都为32kbps。图4表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图5表示优化后的R1输入链路的流量。

图4仿真1正常情况R1流量

图5仿真1优化后R1流量

仿真2：如图3所示，通过A向B、C和D进行同种业务的信息分发，业务带宽为32kbps。图6表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图7表示优化后的R1输入链路的流量。

图6仿真2正常情况R1流量

从仿真1的情况可以看出，网络未优化时，网络从A到B采用最佳路由，此时使用一条链路，链路最大带宽为64kbps，从R1输入的流量受到链路带宽限制，此时从A点来讲，网络最大容量为64kbps；而采用优化后的网络，节点会通过多径算法给每条业务计算合适路径，可最大限度地使用网络资源。从仿真2的情况可以看出，节点进行同种业务的信息分发，优化后的网络占用较少的网络资源，这是由于优化后的节点A对B、C、D进行数据分发时，节点A首先把报文组装成多目组播报文，然后再进行发送，极大地节省了网络带宽。

由上述仿真试验结果情况可以看出，采用优化后的网络节点，信息传送不再仅依赖于最佳路由，网络会根据策略算法选择其它合适路径进行业务传送，同一种业务进行多点信息分发时，经多目组播优化后，信息分发时消耗的网络资源大大减少，既提高了信息分发成功率，又降低了业务对带宽资源的消耗。这些优化在Ad Hoc网络中显得尤为重要。

5 结束语

随着信息栅格技术的快速发展，网络中基于信息分发的业务越来越广泛，Ad Hoc无线网络以较少的网络资源承载各种不同的业务，需要从应用、传输、网络、链路和物理等各层进行保证。本文从网络的角度提出了解决方法，该方法可显著降低业务分发开销，提高网络资源利用率和信息分发成功率。

参考文献：

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

[2] 李英. 美军国防部体系结构框架的发展及其与GIG体系结构关系研究[J].指挥自动化, 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] 夏玮玮,沈连丰. 异构网络融合中的QoS与通信容量研究[J]. 中兴通讯技术, 2008(3): 5-8.

[5] 赵新胜,尤肖虎. 未来移动通信系统中的无线资源管理[J]. 宽带世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁苏湘,金永生,王彦丽. 网络资源分配中的接纳控制技术[J]. 吉林大学学报: 信息科学版, 2008(6): 609-614.★

作者简介

李勇：工程师，学士毕业于哈尔滨工业大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为通信系统和网络设计。

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以图3仿真场景的网络拓扑为例，所有链路带宽为64kbps，通过仿真试验情况对比通用情况下与经过QoS控制和多点递送优化后的R1的输入路径的链路吞吐量情况（其中R为图3中Router的简称，即路由器节点）。仿真1：A和C节点间的多种业务的信息分发；仿真2：由A向B、C、D三个节点进行同一种业务的信息分发。

图3仿真场景图

仿真1：如图3所示，通过A向B发送业务，A节点逐渐增加业务，每条业务都为32kbps。图4表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图5表示优化后的R1输入链路的流量。

图4仿真1正常情况R1流量

图5仿真1优化后R1流量

仿真2：如图3所示，通过A向B、C和D进行同种业务的信息分发，业务带宽为32kbps。图6表示正常情况下进行信息分发时R1输入链路的流量，图7表示优化后的R1输入链路的流量。

图6仿真2正常情况R1流量

从仿真1的情况可以看出，网络未优化时，网络从A到B采用最佳路由，此时使用一条链路，链路最大带宽为64kbps，从R1输入的流量受到链路带宽限制，此时从A点来讲，网络最大容量为64kbps；而采用优化后的网络，节点会通过多径算法给每条业务计算合适路径，可最大限度地使用网络资源。从仿真2的情况可以看出，节点进行同种业务的信息分发，优化后的网络占用较少的网络资源，这是由于优化后的节点A对B、C、D进行数据分发时，节点A首先把报文组装成多目组播报文，然后再进行发送，极大地节省了网络带宽。

由上述仿真试验结果情况可以看出，采用优化后的网络节点，信息传送不再仅依赖于最佳路由，网络会根据策略算法选择其它合适路径进行业务传送，同一种业务进行多点信息分发时，经多目组播优化后，信息分发时消耗的网络资源大大减少，既提高了信息分发成功率，又降低了业务对带宽资源的消耗。这些优化在Ad Hoc网络中显得尤为重要。

5 结束语

随着信息栅格技术的快速发展，网络中基于信息分发的业务越来越广泛，Ad Hoc无线网络以较少的网络资源承载各种不同的业务，需要从应用、传输、网络、链路和物理等各层进行保证。本文从网络的角度提出了解决方法，该方法可显著降低业务分发开销，提高网络资源利用率和信息分发成功率。

参考文献：

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

[2] 李英. 美军国防部体系结构框架的发展及其与GIG体系结构关系研究[J].指挥自动化, 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] 夏玮玮,沈连丰. 异构网络融合中的QoS与通信容量研究[J]. 中兴通讯技术, 2008(3): 5-8.

[5] 赵新胜,尤肖虎. 未来移动通信系统中的无线资源管理[J]. 宽带世界, 2003(1): 63-65.

[6]翁苏湘,金永生,王彦丽. 网络资源分配中的接纳控制技术[J]. 吉林大学学报: 信息科学版, 2008(6): 609-614.★

作者简介

李勇：工程师，学士毕业于哈尔滨工业大学通信工程专业，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为通信系统和网络设计。

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