专利名称：一种保证无线局域网中的服务质量方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种在无线局域网中提供优先级的服务质量方法。
背景技术：
在现在大量铺设的IEEE 802.11无线局域网络中，其接入普遍使用在IEEE 802.11标准中定义的DCF(Distributed Coordinated Function，分布式协调功能)协议。文献[1]IEEE 802.11 WG，“Part 11Wireless LAN MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specification，”Aug.1999。DCF基于载波侦听多点接入和冲突避免的竞争接入方式，各终端竞争接入信道。每个终端接入信道前会监听信道，如果信道持续一段特定的空闲时间，则启动回退机制，根据竞争窗口建立一个回退计数器开始倒数计时，当计数器减到零并且回退过程中没有终端利用信道则允许此终端发送数据包，否则启动下一个等待和回退过程。该协议是一种对所有节点平等竞争的机制，没有提供对QoS(Quality of Service，服务质量)和优先级的支持，造成在用户较多时的网络延迟、抖动很大，无法保证语音等多媒体的服务质量保证。在无线接入点进行包的转发时，采用的是简单的先进先出队列，同样没有对优先级的支持。而服务质量(QoS)是指数据流通过网络时的性能，它有一套统计度量指标，包括延迟、抖动、吞吐量和丢包率等。优先级是指实现对不同需求用户的分等级对待，针对不同的需要提供不同的服务质量。
为了实现QoS和优先级支持，大多数的改进都是在MAC(MediaAccess Control，媒体访问控制)层进行的。通过调整不同等级数据发送时的参数如AIFS(Arbitrary Inter Frame Space，仲裁帧间间隔)、竞争窗口、回退系数等改变不同等级数据获得信道访问权的概率来使不同等级的数据具有不同的优先权。在正在制定中的IEEE 802.11e标准，设置了四个等级，每个等级有不同的参数。文献[2]Yang Xiao，Haizhong Li，Sunghyun Choi，“Protection and Guarantee for Voice and Video Traffic in IEEE802.11e Wireless LANs”，in Proc.IEEE INFOCOM，2004。其优点是网络利用率比较高，可以提供较好的优先级支持。但是要使用这些技术必须通过硬件厂商支持的标准，而且需要对硬件进行升级更换，成本比较高，增加了其普及应用的难度。而且IEEE 802.11e标准还没有正式通过成为标准，所以其大规模使用还需要一段时间。如果在链路层中的驱动程序层实现优先级支持就可以通过软件升级的方式实现优先级支持。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种利用优先级队列的服务质量保证方法，在无线网卡的驱动程序中设置优先级队列，为语音业务提供更高的发包优先级，利用数据业务中大量的TCP协议中的慢启动机制和数据队列中自适应平滑器限制数据业务流量，从而保证语音业务的服务质量。
本发明在无线局域网的无线接入点上运行，为无线局域网中的终端提供优先级的访问服务。本发明将在网络上传输的业务分为两种时间敏感业务和普通数据业务。时间敏感业务对时间的延迟、抖动等比较敏感，对这些参数要求比较高，比如语音、游戏、视频等。普通数据业务对时间不太敏感，比如FTP(File Transfer Protocol，文件传输协议)，HTTP(Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议)业务等。时间敏感业务的优先级高于普通数据业务。
当终端需要运行时间敏感业务时，向无线接入点提出申请，申请消息中包含该时间敏感业务会使用的端口。无线接入点会按照图4的流程，评测此时网络性能，然后判断是否要接纳该业务，如果接纳则向发出申请的无线接入点发送接受请求包，并记录此终端地址、端口号等信息。当下行的数据到达无线接入点时，按照图六的流程，本发明会对数据包进行分析，得到其地址和端口信息，然后进行匹配查询，判断是否是时间敏感业务，如果是则放入高优先级队列中，否则放入低优先级队列中。在进行下行包发送时，首先查询高优先级队列，然后查询低优先级队列，所以保证了高优先级队列的优先发送。
本发明要求维护两个数据队列高优先队列和低优先级队列。高优先级队列中保存的是时间敏感业务数据，采用EDF(Earliest DeadlineFirst，最早到期优先)策略进行维护，根据每个包对应的业务需要的速率、容许延迟计算最晚发出的时间，然后在队列中选择最早到期的包进行发送。低优先级队列中保存的是普通数据业务数据，采用FIFO(First In FirstOut，先进先出)策略进行维护。
本发明只将网络上的数据分为两种类型、两个等级，事实上，按照本发明的思路很容易将本发明提出的方法扩展到支持更多等级业务。
技术方案本发明在IEEE 802.11标准无线网卡的驱动程序中设置分类器、两级优先级队列、平滑器和调度器，为语音业务提供更高的发包优先级，利用数据业务中大量的TCP协议中的满启动机制和数据队列中自适应平滑器限制数据业务流量，从而保证语音业务的服务质量。本发明在无线局域网的无线接入点上将网络上传输的数据分为时间敏感业务和普通数据业务两个等级，结合各等级数据的特性采用不同的策略，从而为业务提供服务质量的保证。时间敏感业务具有更高的优先级可以优先发送，两个等级队列维护框图如图3所示。如图4所示，无线接入点对终端业务的申请进行处理，根据网络性能判断是否接纳。对于无线接入点对下行包的处理如图5所示，根据此包的地址、端口信息进行分类处理，送至不同的队列进行维护。在图6中展示了无线接入点进行发包处理的流程，分别对高优先级队列和低优先级队列进行查询，并用网络平滑器平滑低优先级包的输出速率。
一种无线局域网环境中服务质量保证方法，采用优先级队列的方式，对时间敏感业务提供更高的优先级从而减少其延迟，将在无线局域网上的包分为时间敏感包和普通数据包，当终端需要运行时间敏感业务时，向无线接入点提出申请，申请消息中包含该时间敏感业务会使用的端口，无线接入点接受之后记录该业务信息，并把该业务的数据包优先发送，并且用了一个平滑器来限制数据业务对网络的冲击。
在每个无线接入点设置两级优先级队列调度，对时间敏感业务数据包放入高优先级队列，采用EDF(Earliest Deadline First，最早到期优先)策略进行调度；对普通数据业务包放入低优先级队列，采用FIFO(First InFirst Out，先进先出)策略进行调度，当进行包的分发时，优先调度高优先级队列中的包。
要求每个需要使用时间敏感业务的终端需要先向无线接入点申请，得到确认包后开始使用时间敏感业务。
无线接入点利用网络平滑器对低优先级队列中的数据包进行平滑处理，无线接入点根据当前的网络性能判断是否要发送选择的低优先级队列中的数据，从而减少低优先级数据对网络性能的冲击，平滑其速率。
所述的无线局域网是IEEE 802.11无线局域网，事实上根据本发明的思路，可以扩展到其他的无线局域网。
图1是IEEE 802.11标准无线网络协议栈及本发明所在位置。
图2说明该方法适用的网络示意图。
图3是该方法的结构框图。
图4是从网卡收到包的处理流程图。
图5是从网络协议栈上层收到包的处理流程图。
图6是发包处理流程图。
具体实施例方式
图1是无线局域网协议栈及本发明所在位置，说明了本发明机制在协议栈中处于链路层中，属于无线网卡驱动部分。
图2利用优先级保证无线局域网服务质量的网络示意图。说明该方法适用的网络示意图，从图中可以看出，多个终端通过一个无线接入点连入因特网，其业务大致分为两类对时间敏感业务和纯数据业务。
图3是该方法的结构框图，由分类器将上层协议发来的包进行分类，分为时间敏感业务和纯数据业务，分别放入高优先级队列和低优先级队列中。然后调度器分别从各队列中取包发送。平滑器负责限制数据业务对网络的冲击。
图4是从网卡收到包的处理流程图。主要完成网卡从无线信道收到的包的处理过程。主要步骤如下S4.1网卡收到包，传送到该驱动程序；S4.2对收到的包进行分类处理，判断是否是对时间敏感业务流的带宽的申请帧；如果终端用户有时间敏感的业务，会根据其所需要的带宽、容许延迟向无线接入点提出申请，从而发送带宽申请帧；S4.3如果是带宽申请帧，则对当前的网络性能进行评测判断是否能够接纳该业务流；S4.4如果能够接纳，就向发出申请的终端发送接受帧，同时记录该业务流的识别信息以及参数；S4.5如果不能接纳，就向发出申请的终端发送拒绝帧；S4.6如果不是申请帧，则是需要协议栈上层进行处理的帧，送交上层进行处理；S4.7等待网卡从无线信道上接收到下一个包。
图5是从网络协议栈上层收到包的处理流程图。主要完成对从协议栈上层发下来的包的处理过程。主要步骤如下S5.1从协议栈上层收到包；S5.2根据无线接入点中登记过的业务流注册信息判断是否时间敏感业务流；S5.3如果是已经注册过的时间敏感业务就加入高优先级队列中；S5.4如果不是则将包加入低优先级队列中；S5.5等待来自协议栈上层的包。
图6是发包处理流程图。无线接入点发包处理。主要完成网卡向外发包的处理过程。主要步骤如下S6.1当从协议栈上层发送包或者网卡发送包结束的中断到达时就会触发发包流程；S6.2判断高优先级队列是否空；S6.3如果非空，则基于EDF(Earliest Deadline First，最早到期优先)策略从高优先级队列中选择一个包；S6.4如果高优先级队列空，则判断低优先级队列是否空；
S6.5如果低优先级队列非空，则根据FIFO(First In First Out，先进先出)策略从中选择一个包；S6.6将从低优先级队列中选出的包送到网络平滑器进行处理，网络平滑器根据当前网络特性判断是否要发送当前的包，如果网络性能良好就发送，否则送回到低优先级队列中；S6.7如果从高优先级选择的包或者从网络平滑器得到的包发送到网卡，进行发送；S6.8等待从协议栈上层发送包的消息或者网卡发送包完毕的消息到达。
权利要求
1.一种无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，本发明采用优先级队列的方式，对时间敏感业务提供更高的优先级从而减少其延迟，将在无线局域网上的包分为时间敏感包和普通数据包，当终端需要运行时间敏感业务时，向无线接入点提出申请，申请消息中包含该时间敏感业务会使用的端口，无线接入点接受之后记录该业务信息，并把该业务的数据包优先发送，并且用了一个平滑器来限制数据业务对网络的冲击。
2.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，在每个无线接入点设置两级优先级调度，对时间敏感业务数据包放入高优先级队列，采用EDF策略进行调度；对普通数据业务包放入低优先级队列，采用FIFO策略进行调度，当进行包的分发时，优先调度高优先级队列中的包。
3.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，要求每个需要使用时间敏感业务的终端需要先向无线接入点申请，得到确认包后开始使用时间敏感业务。
4.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，无线接入点利用网络平滑器对低优先级队列中的数据包进行平滑处理，无线接入点根据当前的网络性能判断是否要发送选择的低优先级队列中的数据，从而减少低优先级数据对网络性能的冲击，平滑其速率。
5.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，所述的无线局域网是IEEE 802.11无线局域网。
6.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，无线接入点发包处理流程如下S6.1当从协议栈上层发送包或者网卡发送包结束的中断到达时就会触发发包流程；S6.2判断高优先级队列是否空；S6.3如果非空，则基于EDF策略从高优先级队列中选择一个包；S6.4如果高优先级队列空，则判断低优先级队列是否空；S6.5如果低优先级队列非空，则根据FIFO策略从中选择一个包；S6.6将从低优先级队列中选出的包送到网络平滑器进行处理，网络平滑器根据当前网络特性判断是否要发送当前的包，如果网络性能良好就发送，否则送回到低优先级队列中；S6.7如果从高优先级选择的包或者从网络平滑器得到的包发送到网卡，进行发送；S6.8等待从协议栈上层发送包的消息或者网卡发送包完毕的消息到达。
7.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，无线接入点从网卡收到包的处理过程如下S4.1网卡收到包，传送到该驱动程序；S4.2对收到的包进行分类处理，判断是否是对时间敏感业务流的带宽的申请帧；如果终端用户有时间敏感的业务，会根据其所需要的带宽、容许延迟向无线接入点提出申请，从而发送带宽申请帧；S4.3如果是带宽申请帧，则对当前的网络性能进行评测判断是否能够接纳该业务流；S4.4如果能够接纳，就向发出申请的终端发送接受帧，同时记录该业务流的识别信息以及参数；S4.5如果不能接纳，就向发出申请的终端发送拒绝帧；S4.6如果不是申请帧，则是需要协议栈上层进行处理的帧，送交上层进行处理；S4.7等待网卡从无线信道上接收到下一个包。
8.根据权利要求1所述的无线局域网环境中服务质量保证方法，其特征在于，对来自协议栈上层包的处理过程如下S5.1从协议栈上层收到包；S5.2根据无线接入点中登记过的业务流注册信息判断是否时间敏感业务流；S5.3如果是已经注册过的时间敏感业务就加入高优先级队列中；S5.4如果不是则将包加入低优先级队列中；S5.5等待来自协议栈上层的包。
全文摘要
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种保证无线局域网中的服务质量方法，采用优先级队列的方式，对时间敏感业务提供更高的优先级从而减少其延迟，将在无线局域网上的包分为时间敏感包和普通数据包，由时延敏感业务用产向无线接入点提出申请，无线接入点接受之后无线接入点记录该业务信息，并把该业务的数据包优先发送，并且用了一个平滑器来限制数据业务对网络的冲击。当终端需要运行时间敏感业务时，向无线接入点提出申请，申请消息中包含该时间敏感业务会使用的端口。从而降低时延敏感业务的延迟、抖动和丢包率，提高这类业务的传输质量，在无线局域网上提供有保障的语音等对时间敏感业务。
文档编号H04L29/02GK1658611SQ20051005594
公开日2005年8月24日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者杨育波, 周继华, 王国辉, 方更法, 孙毅, 石晶林 申请人:中国科学院计算技术研究所