基于物联网的智能QoS保障机制研究

2017-09-20郑志凌蒲骁旻刘霜霜

网络安全技术与应用 2017年9期

关键词：保障机制服务质量分组

◆郑志凌蒲骁旻刘霜霜

（湖南工业职业技术学院湖南 410208）

基于物联网的智能QoS保障机制研究

◆郑志凌蒲骁旻刘霜霜

（湖南工业职业技术学院湖南 410208）

随着物联网技术的不断发展，物联网相关的各种业务受到重视，物联网终端在保证能够随时随地接入网络的同时，也需要控制和保障与其正常运行息息相关的QoS，本文以此为切入点，分析了物联网QoS保障机制，提出了保障QoS的分组调度算法，研究了基于物联网的QoS服务模型和智能保障机制。

物联网；QoS；保障机制；服务模型

0 引言

物联网是以互联网为基础和核心衍生出来的网络，较小范围内的物联网是由各种识别、感应设备与互联网应用技术组成，使用信息化的识别、实物智能化以及控制监管技术，完成人和物实时连接。较大范围的物联网，就是把一切信息空间和物理空间的事物进行网络化和数字化，通过使用改进和完善的应用服务模式和信息技术，实现人、物和环境之间科学、智能、有效的交互模式。物联网作为我国五大新兴战略性产业之一，是新一代信息技术的重要组成部分，物联网涉及的领域越来越广，可寻址、可通信、可控制、泛在化与开放模式正逐渐成为物联网发展的演进目标。

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（服务质量，Quality of Service）。物联网系统的异构性、移动性、不稳定性等特性为提供可靠QoS带来困难，网络中许多协议、网络体系和实现机制需要重新考虑和设计。目前，物联网在信息的处理效率和交互行为等方面的研究还有很大空间，需要参考其他类型网络传输系统在有限网络宽带资源的条件下实现动态资源配置的方法和措施，使网络资源最大程度地被利用，实现物联网使用价值的最大化。

1 物联网QoS保障机制和分组调度算法

1.1 物联网QoS保障机制

QoS的衡量标准是各种环境下服务的公平性、可靠性以及快速响应的能力。服务质量一般涵盖了业务服务质量和网络服务质量，业务服务质量指的是将一些有关联的业务通过一定的方式组合起来，使其发挥互相制约和影响的作用；网络服务质量指的是通过一些特殊的应用技术，解决网络使用过程中的一些资源不畅和网络延时的状况，以此来排除不良因素的影响，确保网络环境的有效和安全，保障主流业务能够正常运行。有效保障网络服务质量，对于数据包的处理、控制网络传输延时以及拓宽和保障传输网络宽带等方面都起到积极的作用。一般在网络资源应用不合理的条件下，控制和保障网络服务质量会起到一定的作用，只有在具体的业务中来实现网络服务质量的控制和保障才有一定的意义。在保障和控制物联网QoS时一定会限制和约束非保障业务范围内的其他业务对于网络资源的使用，因此，需要根据业务的实际情况来完成对物联网中各种业务QoS的控制和保障。

物联网QoS保障机制的实现需要经历不同阶段，首先，要对物联网中各种业务进行区分，在区分了不同业务的情况下，才能够更加有效地调度这些业务在物联网中所需的不同条件和资源，保证良好的QoS；其次，对选择出的目标任务进行优化的处理和设置，在确保目标业务能够完成的同时，关注物联网的综合承载力和运行环境；最后，需要具体全面地处理物联网运行过程中出现的各个问题，在物联网QoS保障机制中，要求进入物联网的数据能够有秩序地流出各个网络节点，对没有按照一定的顺序流出的数据进行整形，使之能够按照顺序流出。同时，在网络拥塞的情况下通过有效的实时控制技术来进行处理，并使用预防机制来避免和控制，最终实现对于物联网QoS的实时有效控制和智能保障机制。

1.2 保障QoS的分组调度算法

物联网中的网络元素在彼此传输业务流时会受到派对延期、业务宽带、业务丢包率以及端口吞吐量等规定系数的约束和限制。各种业务对服务质量也有各自的不同需求，一些业务能够一定程度上接受排队延时的现象，因为这些业务更加关心数据和资料是否能够可靠安全地传输；而另一些业务不太关注分组丢弃的现象，它们更加关心业务资料和数据是否能够实时传输。所以，应该根据实际情况来设置QoS的参数，在优化资源的同时使得业务流能够得到更加公平和完善的服务质量，以此来实现基于物联网的智能QoS保障机制。对此，可以使用分组调度算法来保障QoS，分组调度算法遵循绝对公平和质量保证的规范，在确保物联网各种业务能够按照一定顺序来公平使用网络资源的同时，也能够保证其各项业务使用网络资源的实时性，实现基于物联网的智能QoS保障机制。

分组调度算法根据管理和控制物联网中各种业务传输时延和排队时延的时延性能来确保服务质量的实时性，确保重要业务和一般业务之间端到端的时延和服务质量。分组调度算法在严格确保服务质量的同时确保了更加公平的服务原则，能够根据实际情况来动态调整和不断完善物联网中不同的业务和这些业务所需的数据和资源，阻止遗漏和忽略接受新业务请求的现象，最大程度避免各种业务之间端到端的时延情况，以此保证物联网环境下QoS智能保障机制。保障QoS的分组调度算法如图1所示。

图1 保障QoS的分组调度算法

2 基于物联网的智能QoS保障机制

2.1 QoS保障机制的服务模型

服务模型是指一组实现端到端QoS保证的方式，实现基于物联网QoS保障机制需要依托三种服务模型： Best-Effort service（尽力而为服务模型）、Integrated service（综合服务模型）和Differentiated service（区分服务模型）。

Best-Effort服务模型是一种单一的服务模型，也是最简单的服务模型。这种模型因为操作和运行的方法非常简便而得到了广泛的应用，它使用FIFO队列来传输和发送网络中不同的报文，不足之处就是这种服务模型不能完全确保网络应用的实时性，对于一些需要及时传输的业务来说显得不太可靠，一般用在对服务延时没有太多要求的业务中。

Integrated service服务模型是一个综合服务模型，能满足多种QoS需求。它可以使用最详细和具体的服务质量来管理和区分各种业务在运行过程中所需的网络资源，以此来保证每个业务都能得到优质的服务质量。该服务模型通过资源预留协议的方式来调控和监视物联网不同终端之间来往的各种数据流，因此，这种服务模型的不足之处就是因为预留资源而导致不能大量地处理、控制相关业务的数据和资源，也不能有效地根据物联网的各项业务来扩展和延伸其服务功能。

Differentiated service服务模型是一个多服务模型，能满足不同的QoS需求。这种服务模型不需要为每个业务预留资源，区分服务实现简单，可扩展性较好，能够满足物联网环境下各种业务对于QoS的不同需求，避免了综合服务模型在保障业务正常运行过程中预留资源而出现的问题，该服务模型能够很好地被延伸和拓展，它根据各个业务的优先级来提供特定的资源和服务，主要用来为重要的业务应用提供端到端的QoS保障。

2.2 智能QoS保障机制

本文以Differentiated service服务模型为基础研究和分析基于物联网的智能QoS保障机制，根据宽带代理和接纳控制机制来实时实现并调整QoS控制和运行策略，对于物联网中QoS的保障机制，通过三个不同层次来控制和管理：在数据层实现分组调度、数据流以及业务优先级；在控制层实现宽带代理、QoS控制和接纳控制；在管理层实现调度策略、实时调整和动态控制。Differentiated service服务模型中的各项业务进行分类和分组。第一，业务的快速转发，即保证在最短时间内，通过一些特殊的操作指令来传输信息和数据；第二，业务保障转发，即在经过了一段时间延迟以后，保证误码率不增加的条件下，确保传输和发送所有的业务数据；第三，业务可靠转发，即按照物联网中各种业务的需求来最大限度地提供所需的资源和服务。

基于物联网的智能QoS保障机制需要熟悉整个网络资源的运行策略，有效掌握资源分配信息，根据可以承载和满足各项业务需求的QoS来建立服务模型，分组调度特定的资源和服务提供智能QoS保障机制。具体来说，可以从三个方面来实现智能QoS保障机制：首先，通过物联网中各种设备来动态管理和调整不同业务的数据流量，从大量物联网终端设备中采集和获得更多不同数量和种类的信息来综合调度资源，实现智能QoS保障。其次，通过物联网系统中多个物联网终端数据处理的统一调度分配和实时有效控制，在数据层对业务进行分类和分组调度，识别进入数据层的不同业务，区分它们的不同属性，把同一属性的业务放在一个队列中，使用分组调度算法和智能控制策略保障不同业务的QoS。最后，通过对大量进行数据采集的传感设备和控制设备构成的物联网终端来实现不同类型业务的智能化处理，在控制层根据实际情况有效管理各种业务数据，合理调配它们所需要的服务资源，实现数据快速、可靠地到达目的地终端，为不同的物联网设备提供相应的QoS保障机制。