基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS實時控制技術(shù)研究

鄭志凌　杜飛明　楊幸

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)業(yè)務(wù)需求的增加，物聯(lián)網(wǎng)終端不僅要求能隨時、隨地接入網(wǎng)絡(luò)，而且需要保障相關(guān)業(yè)務(wù)正常運行所必須的QoS，該文在分析了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用情況，研究了QoS的控制技術(shù)和分組調(diào)度算法，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS服務(wù)模型以及實時控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；QoS；實時控制

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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 物聯(lián)網(wǎng)概況

物聯(lián)網(wǎng)的概念可以從狹義和廣義兩個層次來理解，狹義的物聯(lián)網(wǎng)主要指利用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備（射頻識別、紅外感應(yīng)、GPS、激光掃描等），通過對實物智能化、信息化的識別、跟進和監(jiān)管，實現(xiàn)人與物便捷連接的網(wǎng)絡(luò)方式。廣義的物聯(lián)網(wǎng)主要是指信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，其內(nèi)容突破了傳統(tǒng)的人與物之間的聯(lián)系而轉(zhuǎn)向更加復(fù)雜、應(yīng)用更加廣泛的人、物、環(huán)境三方面，通過對信息技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)模式的創(chuàng)新研發(fā)和改進，在人、物、環(huán)境之間建立更加高效、科學(xué)、智能的交互式聯(lián)系，其產(chǎn)生、發(fā)展和日漸普及可以更好的實現(xiàn)人與物、物與物在任何時間、地點的聯(lián)系，將人們引領(lǐng)入全新的物聯(lián)網(wǎng)時代。

物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)其功能的復(fù)雜程度和各個組件的聯(lián)系方式，通常分為三層和五層結(jié)構(gòu)。

1）三層結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)模型

主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中，感知層主要由各種傳感器、RFID標(biāo)簽、讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端組成，負責(zé)信息的收集和簡單處理，是互聯(lián)網(wǎng)進行物體識別、情景感知的信息來源，形象的說其作用類似于人體的神經(jīng)末梢。同時，它還可以在保障系統(tǒng)以最小的成本發(fā)揮最大的效率的基礎(chǔ)上，提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的科技含量和智能程度，并能很好的處理可再生資源。

網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人體的神經(jīng)中樞，負責(zé)感知層獲取的信息的傳遞和深入處理，現(xiàn)階段如何更好的使用網(wǎng)絡(luò)以促進物聯(lián)網(wǎng)的完善是物聯(lián)網(wǎng)研究的重點和難點。這主要是由于該層存在著各種形式的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，例如不同地址的個人網(wǎng)絡(luò)、有線及無線網(wǎng)絡(luò)，還有很多功能和用途各異的云計算平臺等分布其間，進而之間產(chǎn)生了以此為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)寬帶使用和分配問題，而一旦分配不合理會導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)上的各種應(yīng)用和業(yè)務(wù)無法順利開展。

應(yīng)用層是溝通虛擬物聯(lián)網(wǎng)和真實用戶的橋梁，類似于手機上的各種應(yīng)用軟件，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)功能、項目和價值。

2）五層結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)模型

在三層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上的進一步深入完善，加入了接入層和支撐層。

在感知層、網(wǎng)絡(luò)層中間插入接入層，來完善物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備、不同網(wǎng)絡(luò)的進入物聯(lián)網(wǎng)的途徑和方式。以最為常見的寬帶有線網(wǎng)絡(luò)來說，通過對其接入方式的設(shè)置，可以促進寬帶有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)效率和質(zhì)量。

支撐層即業(yè)務(wù)層，可以通過對網(wǎng)絡(luò)資源的識別、各種信息的管理和使用，實現(xiàn)信息的共享、傳輸?shù)炔僮?，并提供包括云計算為主要依托的存貯、計算虛擬化等內(nèi)容為主的統(tǒng)一的接口和虛擬化支撐，進而促進物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的各功能、服務(wù)和價值的真正實現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中也存在一些不足，主要表現(xiàn)在信息交互行為中的傳輸和處理效率等方面，這就需要借鑒其他類型網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)如何在有限網(wǎng)絡(luò)寬帶資源的情況下實現(xiàn)動態(tài)資源配置，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，促進物聯(lián)網(wǎng)使用價值的最大發(fā)揮。

2 QoS服務(wù)模型

QoS（Quality of Service）即服務(wù)質(zhì)量，可以從不同的角度并通過其可靠性、實時性和公平性等主要指標(biāo)來衡量QoS。通常包括業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量主要是指由一系列相互影響和制約的業(yè)務(wù)要求組成的集合；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量主要是針對網(wǎng)絡(luò)使用中出現(xiàn)的延遲、資源阻塞等不良現(xiàn)象而產(chǎn)生的一系列應(yīng)用技術(shù)，可以很好的保護主流業(yè)務(wù)免受這些不良現(xiàn)象及不安全因素的危害，旨在保障網(wǎng)絡(luò)運行的安全和高效。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的實施有利于拓寬并保障傳輸網(wǎng)絡(luò)寬帶，促進數(shù)據(jù)包的處理，更好的控制傳送時延，保障網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實時性和高質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)進行服務(wù)質(zhì)量控制主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)資源不合理應(yīng)用的情況，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的控制和實施需要依托具體的業(yè)務(wù)，否則就失去了現(xiàn)實意義。但是，對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的控制必然會引起非保障業(yè)務(wù)范圍內(nèi)的其他業(yè)務(wù)使用網(wǎng)絡(luò)的局限，這就要求在對不同業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量實時性控制時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要而進行。

保障QoS需要借助一定的具體模型，主要有以下三種：

1）盡力而為服務(wù)模型，該模型應(yīng)用范圍十分廣泛，且操作和運行機制最為簡潔、單一，主要利用FIFO隊列實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各種所需報文的發(fā)送和傳輸，最顯著的缺點在于無法很好的保證網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的時延性，且比較不可靠，當(dāng)前主要應(yīng)用于郵件等中。

2）綜合服務(wù)模型，相比較于第一種服務(wù)模型，該應(yīng)用模型的優(yōu)勢在于能夠通過最細粒度化的服務(wù)質(zhì)量區(qū)分完成對所有業(yè)務(wù)運行所需網(wǎng)絡(luò)資源的區(qū)分和管理，進而最大限度的保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于每項業(yè)務(wù)的質(zhì)量，而這種效果的實現(xiàn)主要依靠資源預(yù)留協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)各個設(shè)備上的來往的每個運行流的監(jiān)視和調(diào)控。但該模式的局限性在于既無法承受很大的資源或數(shù)據(jù)的存貯、處理，也無法進行更加靈活自如的拓展來適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體系的運行。

3）區(qū)分服務(wù)模型，該服務(wù)應(yīng)用模型可以提供功能更加完善、項目更加豐富的服務(wù)來滿足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下更多業(yè)務(wù)對QoS的各種不同的要求，且可以避免了綜合服務(wù)模型為了更好的保障業(yè)務(wù)運行而對資源進行預(yù)留的步驟，操作簡單，可拓展性也比較好，已經(jīng)成為服務(wù)質(zhì)量的主要應(yīng)用模型。

QoS的實現(xiàn)具有很鮮明的層次感，首先，要區(qū)分不同的業(yè)務(wù)。只有先認清各種業(yè)務(wù)才能更好的安排其在網(wǎng)絡(luò)運行中需要的各種資源和條件，進而成為服務(wù)質(zhì)量實施的第一步，其實現(xiàn)主要利用流分類來判斷和明確各種業(yè)務(wù)性質(zhì)；其次，要挑選出目標(biāo)業(yè)務(wù)，并進行特殊的設(shè)置和處理，同時，應(yīng)當(dāng)在保障目標(biāo)業(yè)務(wù)實現(xiàn)的同時，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)整體運行和承載力。最后，有針對性的處理網(wǎng)絡(luò)運行中的各種問題，即進入網(wǎng)絡(luò)的報文在流量監(jiān)管下，有序的流出各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，當(dāng)不能有序的流出時，需要對其整形。此時，主要有擁塞和更加擁塞兩種情況，前者可以通過常用的擁塞管理加以解決，而后者主要通過預(yù)防措施來避免和控制，這樣可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)QoS的實時性控制。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS實時控制技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)元素以互相傳遞業(yè)務(wù)流時都受到一定的規(guī)定系數(shù)的限制和約束，主要為業(yè)務(wù)寬帶、派對延期、端口吞吐量、業(yè)務(wù)丟包率等，且不同的業(yè)務(wù)主要為視頻、IP電話、郵件、文件傳輸?shù)葘Ψ?wù)質(zhì)量有不同的要求，有的更加注重可靠傳輸進而可以接受較大的排隊延時，但有的更加重點在于保障業(yè)務(wù)傳輸?shù)膶崟r性，對分組丟棄等要求相對寬松。因此，設(shè)定好QoS參數(shù)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，讓業(yè)務(wù)流得到公平的QoS，最大努力實現(xiàn)實時性的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，使得基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS實時控制技術(shù)顯得十分必要。

分組調(diào)度算法可以很好的實現(xiàn)。分組調(diào)度算法按照更加公平和保障質(zhì)量的原則，既可以保障物聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)資源的公平、有序使用，更能保障各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源使用的實時性服務(wù)質(zhì)量，并盡量滿足相對服務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)和盡力而為業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。

通過對物聯(lián)網(wǎng)各業(yè)務(wù)傳輸時延和排隊時延的時延性能的控制，保障實時性服務(wù)質(zhì)量，并保障業(yè)務(wù)及重要目標(biāo)業(yè)務(wù)端到端時延和服務(wù)質(zhì)量；同時，分組調(diào)度算法按照更加公平和保障質(zhì)量的原則；同時，分組調(diào)度算法利用核心路由器可以進行對物聯(lián)網(wǎng)中各業(yè)務(wù)及所需資源進行更加完善的調(diào)整，也避免了新業(yè)務(wù)進入及接受請求被忽略或者漏掉，明顯減少業(yè)務(wù)端到端的時延，確保物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的實時性，如圖1所示。

在分析各種QoS應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，本文將區(qū)分服務(wù)模型作為基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS實時控制技術(shù)研究基礎(chǔ)，通過寬帶代理和接納機制，進行流量整形和運行策略的實時調(diào)控和實現(xiàn)，并設(shè)計在三個層次上的管理及控制物聯(lián)網(wǎng)QoS的實時控制機制，三個層次具體表現(xiàn)為：①數(shù)據(jù)層，負責(zé)流量整形、業(yè)務(wù)分類、分組調(diào)度；②控制層，負責(zé)接納控制、寬帶代理；③管理層，主要負責(zé)策略實時調(diào)控。其中，流量整形、業(yè)務(wù)分類、業(yè)務(wù)標(biāo)記、隊列管理和分組調(diào)度均由邊緣路由器負責(zé)。

該模型的業(yè)務(wù)標(biāo)記分組主要按照以下原則進行：①快速轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，快速轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)即業(yè)務(wù)以最低的時延完成數(shù)據(jù)和信息的傳輸，主要依靠一系列操作命令實現(xiàn)；②保證轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，即在一定的時延和誤碼率范圍內(nèi)，保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可以進行傳輸和發(fā)送；③盡力而為業(yè)務(wù)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)特點，對視頻圖像信息不保證明確的服務(wù)質(zhì)量，而是盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)。

因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的QoS實時控制技術(shù)應(yīng)用的實施步驟是：

第一，根據(jù)設(shè)備尤其是邊緣路由器的流量規(guī)范合理的設(shè)置各項業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用流量。

第二，在數(shù)據(jù)層完成業(yè)務(wù)的分類及分組調(diào)度。將進入數(shù)據(jù)層的各項業(yè)務(wù)利用流分類判斷其不同的屬性，并將相同屬性的業(yè)務(wù)歸類在統(tǒng)一隊列中，然后，利用分組調(diào)度算法及其分組調(diào)度策略完成業(yè)務(wù)的隊列劃分和轉(zhuǎn)發(fā)。

第三，在控制層在控制層上實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)及其所需網(wǎng)絡(luò)資源的合理調(diào)配和管理。

QoS實時控制技術(shù)在了解整體網(wǎng)絡(luò)資源運行情況和策略，掌握資源管理信息的基礎(chǔ)上，依靠接納控制器批準(zhǔn)能夠承載和滿足其要求的網(wǎng)絡(luò)接納業(yè)務(wù)，相應(yīng)的拒絕其不能承載和滿足的業(yè)務(wù)，針對具體業(yè)務(wù)應(yīng)用來為物聯(lián)網(wǎng)提供實時、可靠和穩(wěn)定的QoS保障。

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