基于物联网的QoS实时控制技术研究

郑志凌　杜飞明　杨幸

摘要：随着物联网技术的发展和相关业务需求的增加，物联网终端不仅要求能随时、随地接入网络，而且需要保障相关业务正常运行所必须的QoS，该文在分析了物联网的应用情况，研究了QoS的控制技术和分组调度算法，提出了基于物联网的QoS服务模型以及实时控制技术。

关键词：物联网；QoS；实时控制

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）13-0072-02

Abstract： With the increasing development of Internet of Things（IOT） technology and related business needs， the terminations of IOT not only required anytime and anywhere to access the network， but also need to safeguard the necessary normal operation of relevant QoS on daily business， this article analyzes the case studies of the QoS application of IOT in control technology and packet scheduling algorithm， and propose based on QoS service model of IOT and real-time control technology.

Key words： internet of things； quality of service； real-time control

1 物联网概况

物联网的概念可以从狭义和广义两个层次来理解，狭义的物联网主要指利用物联网应用技术和设备（射频识别、红外感应、GPS、激光扫描等），通过对实物智能化、信息化的识别、跟进和监管，实现人与物便捷连接的网络方式。广义的物联网主要是指信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，其内容突破了传统的人与物之间的联系而转向更加复杂、应用更加广泛的人、物、环境三方面，通过对信息技术和应用服务模式的创新研发和改进，在人、物、环境之间建立更加高效、科学、智能的交互式联系，其产生、发展和日渐普及可以更好的实现人与物、物与物在任何时间、地点的联系，将人们引领入全新的物联网时代。

物联网根据其功能的复杂程度和各个组件的联系方式，通常分为三层和五层结构。

1）三层结构的物联网模型

主要包括感知层、网络层和应用层，其中，感知层主要由各种传感器、RFID标签、读写器、摄像头、GPS等感知终端组成，负责信息的收集和简单处理，是互联网进行物体识别、情景感知的信息来源，形象的说其作用类似于人体的神经末梢。同时，它还可以在保障系统以最小的成本发挥最大的效率的基础上，提高物联网应用的科技含量和智能程度，并能很好的处理可再生资源。

网络层相当于人体的神经中枢，负责感知层获取的信息的传递和深入处理，现阶段如何更好的使用网络以促进物联网的完善是物联网研究的重点和难点。这主要是由于该层存在着各种形式的应用网络，例如不同地址的个人网络、有线及无线网络，还有很多功能和用途各异的云计算平台等分布其间，进而之间产生了以此为基础的物联网宽带使用和分配问题，而一旦分配不合理会导致物联网上的各种应用和业务无法顺利开展。

应用层是沟通虚拟物联网和真实用户的桥梁，类似于手机上的各种应用软件，体现了物联网的服务功能、项目和价值。

2）五层结构的物联网模型

在三层结构模型的基础上的进一步深入完善，加入了接入层和支撑层。

在感知层、网络层中间插入接入层，来完善物联网应用设备、不同网络的进入物联网的途径和方式。以最为常见的宽带有线网络来说，通过对其接入方式的设置，可以促进宽带有线网络环境下的物联网效率和质量。

支撑层即业务层，可以通过对网络资源的识别、各种信息的管理和使用，实现信息的共享、传输等操作，并提供包括云计算为主要依托的存贮、计算虚拟化等内容为主的统一的接口和虚拟化支撑，进而促进物联网应用层的各功能、服务和价值的真正实现。

物联网在发展过程中也存在一些不足，主要表现在信息交互行为中的传输和处理效率等方面，这就需要借鉴其他类型网络传输系统如何在有限网络宽带资源的情况下实现动态资源配置，提高网络资源利用率，促进物联网使用价值的最大发挥。

2 QoS服务模型

QoS（Quality of Service）即服务质量，可以从不同的角度并通过其可靠性、实时性和公平性等主要指标来衡量QoS。通常包括业务服务质量和网络服务质量。业务服务质量主要是指由一系列相互影响和制约的业务要求组成的集合；网络服务质量主要是针对网络使用中出现的延迟、资源阻塞等不良现象而产生的一系列应用技术，可以很好的保护主流业务免受这些不良现象及不安全因素的危害，旨在保障网络运行的安全和高效。

网络服务质量的实施有利于拓宽并保障传输网络宽带，促进数据包的处理，更好的控制传送时延，保障网络应用的实时性和高质量。网络进行服务质量控制主要应用于网络资源不合理应用的情况，对网络服务质量的控制和实施需要依托具体的业务，否则就失去了现实意义。但是，对网络服务质量的控制必然会引起非保障业务范围内的其他业务使用网络的局限，这就要求在对不同业务的物联网服务质量实时性控制时，应当根据业务需要而进行。

保障QoS需要借助一定的具体模型，主要有以下三种：

1）尽力而为服务模型，该模型应用范围十分广泛，且操作和运行机制最为简洁、单一，主要利用FIFO队列实现网络中各种所需报文的发送和传输，最显著的缺点在于无法很好的保证网络应用的时延性，且比较不可靠，当前主要应用于邮件等中。

2）综合服务模型，相比较于第一种服务模型，该应用模型的优势在于能够通过最细粒度化的服务质量区分完成对所有业务运行所需网络资源的区分和管理，进而最大限度的保障网络服务于每项业务的质量，而这种效果的实现主要依靠资源预留协议对网络各个设备上的来往的每个运行流的监视和调控。但该模式的局限性在于既无法承受很大的资源或数据的存贮、处理，也无法进行更加灵活自如的拓展来适应互联网环境下的复杂网络应用体系的运行。

3）区分服务模型，该服务应用模型可以提供功能更加完善、项目更加丰富的服务来满足网络环境下更多业务对QoS的各种不同的要求，且可以避免了综合服务模型为了更好的保障业务运行而对资源进行预留的步骤，操作简单，可拓展性也比较好，已经成为服务质量的主要应用模型。

QoS的实现具有很鲜明的层次感，首先，要区分不同的业务。只有先认清各种业务才能更好的安排其在网络运行中需要的各种资源和条件，进而成为服务质量实施的第一步，其实现主要利用流分类来判断和明确各种业务性质；其次，要挑选出目标业务，并进行特殊的设置和处理，同时，应当在保障目标业务实现的同时，综合考虑网络整体运行和承载力。最后，有针对性的处理网络运行中的各种问题，即进入网络的报文在流量监管下，有序的流出各个网络节点，当不能有序的流出时，需要对其整形。此时，主要有拥塞和更加拥塞两种情况，前者可以通过常用的拥塞管理加以解决，而后者主要通过预防措施来避免和控制，这样可以实现对网络QoS的实时性控制。

3 基于物联网的QoS实时控制技术

在网络中网络元素以互相传递业务流时都受到一定的规定系数的限制和约束，主要为业务宽带、派对延期、端口吞吐量、业务丢包率等，且不同的业务主要为视频、IP电话、邮件、文件传输等对服务质量有不同的要求，有的更加注重可靠传输进而可以接受较大的排队延时，但有的更加重点在于保障业务传输的实时性，对分组丢弃等要求相对宽松。因此，设定好QoS参数来优化网络资源，让业务流得到公平的QoS，最大努力实现实时性的物联网业务，使得基于物联网的QoS实时控制技术显得十分必要。

分组调度算法可以很好的实现。分组调度算法按照更加公平和保障质量的原则，既可以保障物联网不同业务对网络资源的公平、有序使用，更能保障各业务网络资源使用的实时性服务质量，并尽量满足相对服务质量业务和尽力而为业务服务质量。

通过对物联网各业务传输时延和排队时延的时延性能的控制，保障实时性服务质量，并保障业务及重要目标业务端到端时延和服务质量；同时，分组调度算法按照更加公平和保障质量的原则；同时，分组调度算法利用核心路由器可以进行对物联网中各业务及所需资源进行更加完善的调整，也避免了新业务进入及接受请求被忽略或者漏掉，明显减少业务端到端的时延，确保物联网服务质量的实时性，如图1所示。

在分析各种QoS应用模型的基础上，本文将区分服务模型作为基于物联网的QoS实时控制技术研究基础，通过宽带代理和接纳机制，进行流量整形和运行策略的实时调控和实现，并设计在三个层次上的管理及控制物联网QoS的实时控制机制，三个层次具体表现为：①数据层，负责流量整形、业务分类、分组调度；②控制层，负责接纳控制、宽带代理；③管理层，主要负责策略实时调控。其中，流量整形、业务分类、业务标记、队列管理和分组调度均由边缘路由器负责。

该模型的业务标记分组主要按照以下原则进行：①快速转发业务，快速转发业务即业务以最低的时延完成数据和信息的传输，主要依靠一系列操作命令实现；②保证转发业务，即在一定的时延和误码率范围内，保障业务数据可以进行传输和发送；③尽力而为业务，根据物联网业务特点，对视频图像信息不保证明确的服务质量，而是尽力而为的转发。

因此，基于物联网的QoS实时控制技术应用的实施步骤是：

第一，根据设备尤其是边缘路由器的流量规范合理的设置各项业务的网络应用流量。

第二，在数据层完成业务的分类及分组调度。将进入数据层的各项业务利用流分类判断其不同的属性，并将相同属性的业务归类在统一队列中，然后，利用分组调度算法及其分组调度策略完成业务的队列划分和转发。

第三，在控制层在控制层上实现不同业务及其所需网络资源的合理调配和管理。

QoS实时控制技术在了解整体网络资源运行情况和策略，掌握资源管理信息的基础上，依靠接纳控制器批准能够承载和满足其要求的网络接纳业务，相应的拒绝其不能承载和满足的业务，针对具体业务应用来为物联网提供实时、可靠和稳定的QoS保障。

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