0 引言
無線Ad Hoc網絡，又稱移動自組織網絡，是不依賴于任何固定基礎設施的移動節點的動態聯合體。它具有無需基礎設施支持、高度動態、移動通信等優點，因而得到了廣泛的應用(如軍事應用、緊急救助、災難援助、醫療應用、電子商務等)。隨著無線網絡技術的迅速發展，人們需要移動Ad Hoc網絡支持多種多媒體應用，例如VoIP、視頻會議、實時協作等。
在上述應用中，通常都要求語音圖像等應用信息能實時準確傳送，文件下載等應用則要求有較好的帶寬和較低的丟失率。因此，人們迫切需要移動Ad Hoc網絡具備良好的Qos機制。但是，由于移動Ad Hoc網絡所具有的節點對等性、動態性和能量有限性等特點，互聯網QoS控制機制在移動Ad Hoc網絡上往往無法使用，而且在移動Ad Hoc網絡上要提供Qos控制支持則更為困難。
1 跨層設計的背景
目前，對無線Ad Hoc網絡的研究主要的仍然是采用傳統的Internet分層協議體系結構，在該體系的指導下，在網絡的不同層展開了大量的研究。但是，這些研究基本上都忽略了網絡設計的整體需求和各層功能之間的相關性。協議棧的每一層都是獨立設計和工作的，只在層與層之間有靜態的、與網絡各層的限制和應用無關的接口。分層結構極大程度地簡化了網絡設計，并導致了因特網中健壯的、可升級的協議，然而這種嚴格的分層設計方法缺乏靈活性，不能很好地適應無線AdHoc網絡的特點。在實際的網絡通信過程中，層與層之間的信息難以共享，也增加了大量難以控制的鏈路開銷、信息冗余以及對等層間的通信開銷。對于有線網絡來說，為了應對這些開銷以及網絡其它層的動態變化，設計大都是通過過度的冗余設計網絡每一層來處理的。然而，無線Ad Hoc網絡的能量和帶寬等資源嚴重受限，因為對等層通信要消耗大量的帶寬和能量資源，所以，分層結構的這種設計方式進一步加劇了無線Ad Hoc網絡帶寬資源和能量資源的限制，使得網絡性能惡化。
無線Ad Hoc網絡的能量效率、QoS支持、安全和可擴展性問題都涉及網絡協議棧的各個層次，需要多個協議層共同配合得以優化。在實際的網絡優化過程中，各個層次的獨立優化不一定會帶來整個系統的性能優化，尤其是當能量受到限制、或是應用程序帶寬需要很大、或者延遲受到嚴格的限制的時候。為了達到這些要求，需要具有自適應性和協議棧多層優化的跨層協議設計，因而就出現了無線Ad Hoc，同時在網絡中出現了支持跨層交互和實施性能優化的跨層設計方法。近年來，在無線Ad Hoc網絡中，應用跨層設計的思想受到了越來越多的關注。
2 跨層設計原理
跨層設計思想是相對于OSI模型而言的，目前并沒有明確的定義。其總體目標是通過提高協議間在本地端的交互，來降低遠程通信，節省帶寬以達到優化網絡性能的目的，但同時也必須考慮跨層所需付出的代價，包括設計、生產和維護。嚴格的分層能保證各層間可控制的交互，開發和維護任何一層與其他層都是相對獨立的。在跨層設計的時候，應當保持模塊結構的優點，盡量和已有的成熟標準兼容，少或不修改傳統層次中的核心功能；不僅需要考慮靜態跨層優化設計，還要考慮動態優化跨層自適應。
在無線Ad Hoc網絡設計中，將整個分層協議棧整體進行跨層設計過于復雜，也難以實現，科學有效的做法是根據無線Ad Hoc網絡需要，應用QoS的約束條件，策略地選擇若干層次進行跨層設計。
跨層設計意味著移動通信系統協議棧內的每個層都能夠與其他層進行信息交互，從而使得各層都能夠利用其它層的信息來控制自身的工作過程。一個層既能與上層交互信息，也能與下層交互信息。處于不同設備的不同層之間也能夠進行信息交互。進行信息交互的層包括應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層及物理層。就目前的研究情況而言，跨層設計機制主要包括兩類：一類是由上層到下層的機制；另一類是由下層到上層的機制。
由上層到下層的機制將信息由上層傳遞到下層。例如應用層可將其相關信息(傳輸時延或分組丟失率)傳遞到鏈路層，使得鏈路層能夠調整其糾錯機制。或者應用層的優先級信息被傳遞到傳輸控制協議(TCP)層，從而使其接收窗口能夠得到調整，以獲得相應的優先級。
由下層到上層的機制將信息由下層傳遞到上層。例如TCP層的分組丟失率被傳遞到應用層，使得應用層能夠調整其發送速率。或者物理層將信道衰落信息傳遞到鏈路層，從而使鏈路層能夠根據信道條件調整數據的發送方式。
在分層設計方式中，很多時候，多個層往往可能需要做重復的計算和無謂的交互來得到一些其他層次很容易得到的信息，以至于浪費較長的時間。跨層設計與優化的優勢在于通過使用層間交互，不同的層次可以及時共享本地信息，以減少處理和通信開銷，優化系統整體性能。與傳統的分層結構相比，跨層協議棧的層間交互要復雜些，各層需要了解其他層的行為并需要更多的專用接口，因而會降低通用性。但是，跨層設計方法的好處是：各層協議和功能模塊的協同有助于消除冗余功能；采用消息驅動的控制方法，任意層之間可以交互信息；針對特定的場合進行集成設計和優化可以較好地匹配應用需求和網絡條件。考慮到無線信道有限的帶寬資源、信道的時變特性以及節點自身的局限性，跨層設計方法的優勢所帶來的好處遠遠大于層間交互帶來的協議設計復雜的缺點。
圖1所示是Internet協議和Ad Hoc跨層等兩種網絡體系結構的設計原則圖。其中固定Internet的網絡拓撲是準靜態的，相鄰路由器之間的鏈路帶寬充足，網絡的瓶頸是路由器的處理能力和存儲容量。因此，Internet的網絡協議往往通過使用較多鏈路帶寬來減少路由器的處理和存儲資源的耗費，即強調相鄰路由器對等實體之間的水平通信，以盡量減少路由器內協議棧各層間的垂直通信(如圖1(a)所示)。Ad Hoc網絡中的鏈路帶寬和主機能量非常稀少，并且能量主要消耗在發送和接收分組上，而主機處理能力和存儲空間相對較高。為了節省帶寬和能量，在Ad Hoc網絡中應該盡量減少節點間水平方向的通信。跨層設計方法正是這種設計原則的一種具體體現，它通過增加協議棧各層之間的垂直交互來減少協議層對等實體之間的水平通信(如圖1(b)所示)，協議棧中各層協議在邏輯上是耦合的，因而減少了不必要的水平通信所造成的資源浪費。
3 跨層設計方法的特點
通過對傳統的分層體系結構的研究，可以確定現有層間通信方法的一些主要缺點。
首先，通過協議棧的信號傳播方法效率不高(例如ICMP方式)。一層一層傳播的方法只是僅僅遵循了數據傳輸的模式。因此，中間層必須被涉及到，即使消息源層和目的層才是事實上的目標。這將導致不必要的處理和傳播時延。傳統的層間通信必須相鄰，逐層傳播的方法僅僅遵循數據傳輸的模式。因此，會導致不必要的處理和傳播時延。
其次，信號的信息格式，即對上行和下行的動態信號來說不夠靈活，也對各個節點內外的不同信號來說不夠優化，而且，所需要的信號格式應該是更豐富的信今方式，而不是簡單的跨層暗示(Cross-layer hints)和通知(notifications)。
因此，本文給出了一種跨層設計的方法，希望使其成為一種高效率、靈活和包容性好的機制。它具有如下特性：
3．1 不相鄰層間的直接信令傳輸
跨層設計方法的基本思想是打破層排序的制約，但保留層結構(layering structure)。舉例來說，激活應用層和網絡層之間的直接通信，而不需通過中間層(傳輸層)。雖然這種方法對原有的分層協議棧來說并不是不能使用，但它僅僅作為異常情況出現，而不是設計為一般處理應有的功能。又如GSM中，第三層實體RRM(Radio Resource Management)直接訪問物理層。網絡層和應用層之間的一個專門的API被定義在一個軟件模擬器GloMoSim中。同樣的法則也可應用在基于軟件的真實世界的應用中。顯然，這一機制也應用在相鄰層間的信號傳播中。這一特性的概念如圖2所示。下面是對協議棧傳播時延的簡單分析：
對于消息一層一層傳播的方法，兩層間的上行(或反過來)傳播時延，其第一層(源層，不一定是物理層)和第n層(目的層，本情況中1
與逐層傳遞相比，不相鄰層間的直接信令傳輸的傳播時延只有前者的1／(n-1)。層數越多，它就越有意義。只有當n=2(相鄰層間傳播信號)時，兩者才沒有區別。
3．2 消息格式
對內部消息傳播，沒有必要使用標準協議，它通常都很繁瑣和低效，特別是對網絡中差錯控制的傳播。內部信號傳輸使用ICMP消息，除了大IP報文頭(對IPv4來說20字節)，一個普通的ICMP報文頭本身是8字節，所需的校驗字段為2字節，占了25％。因此，縮減額外的報文頭和將字段最小化可以將內部消息格式簡單化。雖然報文頭壓縮技術正在發展，但這仍然是另一個領域的問題。從本質上來說，交互消息只需要目的地址、事件類型、事件內容等三個字段。其中，目的地址包括目的層和目的協議或應用程序；事件類型用于標志一個參數；事件內容主要是參數值。
如果為目的地址和事件類型各分配一個字節并假設事件內容字段占2字節，整個消息大小為4字節。類似的，檢查一個IPv4封裝的、有8字節報文頭和2字節內容的ICMP消息，整個消息大小為30字節，是“輕量”消息的7．5倍。引入一個可選字段Next Event，消息也可以用累計的方式傳播。
對于外部消息，ICMP可以用于一般消息，而TCP／IP報文頭則可用于較短的通告
3．3 消息控制協議
消息控制協議的目的是期望可以用一種優化和組織得當的方法來保證密集的消息，同時通過不同的層，從而達到高效率并避免沖突。可以以ICMP中的消息產生和讀取的機制為基礎。一般，每當層中有參數發生重大變化，這個層將產生一個帶有layer-specific參數的消息。在協議里，函數調用用來設置和取得參數，系統調用則用來讀取消息。特別的，層間實際互操作依賴于任務并且在協議中有詳細描述。\
本文所提出的跨層設計方法是一種框架，能使用在不同的應用場景。真正的優化不僅要求跨層設計，還要求有跨層適應性。傳統網絡具有一定的適應能力，例如許多通信系統使用信號處理方法來適應信道環境的變化，通過調整路由表來適應業務負載的變化。然而，這樣的調整是隔絕在特定層中的。跨層適應性將允許所有網絡功能在不同功能之間傳送信息并適應，以便滿足QoS需求變化、網絡負載變化和信道條件變化的要求。不難理解，跨層設計要求網絡各層的靜態優化，而適應性則要求跨層動態優化。
4 設計過程
在某個特定管理任務的應用領域利用跨層設計方法時，要遵循一個特定的設計程序。本文用一個例子來說明在使用跨層設計方法時所經過的程序，這個例子使用一個自適應的多層無線Qos的協議棧，圖3所示是跨層QoS自適應協議棧模型。該模型的基本思想是在實時和非實時應用和其下的層之間，通過交互和響應可控制的QoS參數來實現自適應應用和協議。
首先要確定每一層對此任務特定的貢獻。現存的層特定機制或協議使得這些貢獻之間是相互獨立的，可以從中選擇合適的，如有必要，也可增加一些服務，并將其引入協議棧。例如將IntServ或Diffserv引入網絡層，用作基于IP的QoS管理。為了控制誤比特率，可以引入前向糾錯FEC和可選擇的ARQ到鏈路層中。傳輸層中的TCP／RTP可以處理延遲抖動以及和錯誤相關的參數(如包丟失率)等等。
第二是設計出各層中需要跨層的信息。一個跨層的信息可以是其他層有興趣的一個參數，也可以是需要向其感興趣的層顯示的結果、行為、功能、動作。前者是可選的環境度量，比如無線系統中經常會用到的信噪比和接收信號強度等。現以IP級的數據交換為例來說明這個問題：在整個交換過程中，傳輸層需要調整自己的行為，比如，TCP可以被通知時間上的掛起，從而避免重發。又比如，通過鏈路層到傳輸層的聯合差錯控制來控制誤碼率。類似的，鏈路層和網絡層也可以在幀和包的級別上分別控制限制延遲的傳輸，因此，聯合延遲控制也是可能的。傳輸層負責報告與差錯有關的參數和應用層的延遲抖動，網絡層報告延遲的限制，所有參數都編碼成固定的消息格式。
第三，是用所有交互的信息確定層之間如何交互來完成任務。在這個為適應QoS改編的例子中，一個應用需要用所有相關層的可控制參數和相應的值(或值域)來描述其QoS的要求。一般的，一個實時服務可以忍受較高的包丟失率或誤碼率，但是，要保證延遲和抖動足夠小。而非實時的業務通常有著相反的需求。各層可以報告應用參數的任何重大變化，它們將隨著變化相應地做出改變。而且，最下層發出的測量報告，加上其他參數，將對上下文有關的應用有好處。一個應用甚至可以為了成本、能量和節約資源等目的，而與相關的層就某個參數進行協商，直至最小或需求得到滿足。在接收到一個這樣的請求時，相關層將相應地改變它的行為(如停止一個可選的控制機制)。這個行為調整可以看做是協議調整，因此，在這種情況下，應用和相關層之間的調整是互惠的。
特別需要說明的是，對于一個復雜的任務，可能需要一個該任務特有的協調模塊來用一種聯合的方式完全調用各層的服務，或者為了使用方便，需要用集合方式管理相關的信息。在這種情況下，可以在應用層中設置一個模塊來收集接收到的參數，之后，感興趣的應用就可以訪問這個模塊取得想要的參數，這樣，重復傳送信號就可以避免了。使用上面的方法甚至可以得到一個基于IP的支持移動的協議棧，從而用一種綜合的方式處理QoS、無線電資源、能量等管理問題。
5 結語
現有QoS各層的控制策略相互獨立，局部優化性和多層重復相似控制策略的冗余性限制了無線自組織網絡的性能。隨著無線Ad Hoc網絡技術的發展，跨層設計越來越受到人們的重視。跨層設計是無線Ad Hoc網絡的重要研究課題，通過跨層設計能較好地克服無線Ad Hoc網絡無中心控制節點、網絡拓撲快速變化、節點資源和網絡帶寬受限等問題所帶來的影響，同時能夠更好地滿足無線環境內更高數據速率的要求，使實現端到端的QoS成為可能。
