跨層設計簡介 (Cross Layer Design)

Figure 2-3 顯示出一個傳統的無線行動網路的架構。在此架構之下，標準的網路 堆疊協定 (e.g. TCP/IP［18］) 會被實作在各個點上 (e.g. Base station、Access Point、Mobile Device) ，以此保證該系統可以在目前已發展成熟的網路上使用。

Figure 2-3 傳統的無線行動網路架構

參考 Figure 2-4 傳統的協定堆疊是以階層 (layer) 的方式設計和實作的，藉著 分層可以清楚地將各層需要實作的功能抽象分離出來。因此各層間不需互相知道 其它層的狀態，只要把自己該層的事情作好就行了。

Figure 2-4 TCP/IP protocol stack

但在 ［19］中有提到依據分層所設計的協定堆疊在無線行動網路的環境下運 作起來是沒有效率的，這起因於無線網路連結的不穩定性及行動裝置天生就沒辦 法搭載太多的資源。

在過去已經有許多想要藉由跨層回饋 (Cross Layer Feedback) 來增進目前協

跨層回饋的機制是指在協定堆疊中每個不同的協定層間可以互相的互動，以 下舉出幾個例子。

z TCP 層可將封包遺失的資訊告知 Application 層，這樣 Application 就可以 根據這些資訊來調整自己發送封包的速率。

z Link/MAC 層可以調整 Physical 控制的 power 大小來控制 bit-error rate。

z Link 層重傳封包的次數可以當作是目前 Channel 的狀況的測量，TCP 層可 以藉著該資訊調整 retransmission timer。

z Application 層也可以藉著 Link 層得知目前 Link 的好壞來調整封包發送 速度率。

在 ［22］篇文章中提到在目前現有在使用的協定堆疊以及網路架構都沒有納 入多重介面的特性作為考量，在該篇文章之中也提及，在進行垂直換手的時候 (Vertical Handoff) ，由於不同網路接取技術的特性相差很多，因此會對系統效能 造成很大的傷害。由於如此，該篇文章認為應該存在著跨層 (Cross-Layer) 的通 知機制，使得驅動程式的事件可以傳達至協定堆疊內的各層，如 Figure 2-5。

Figure 2-5 顯示了許多資訊可以在協定堆疊內的不同層中傳遞，如Security、QoS、

Mobility及Wireless link adaptation。

Figure 2-5 跨層設計概念示意圖 ［22］

行動漫遊機制時通常會遇到一個嚴重的問題，就是行動管理程式缺乏底層網 路的資訊，而不能做有效的行動管理。而在異質網路間換手時會產生嚴重延遲，

以至於不能提供良好的服務品質。然而這類行動管理程式通常是使用者空間的應 用程式，傳統上，介面管理程式會週期性的發出系統呼叫，以取得底層介面的資 訊 (例如網路介面的種類、頻寬或連線狀況)。但是，由於網路介面的狀態改變 可能不會如此的頻繁，因此頻繁的發出系統呼叫可能會造成系統多餘的負荷。此 外，在需要快速換手的情況下，行動管理程式必須對網路介面的狀態改變做出迅 速的反應，而在傳統的狀況下，網路介面狀態更新的頻率取決於程式發出系統呼 叫的頻率，發出系統呼叫的頻率愈高，就愈容易得到即時的資訊，當然對系統的 負荷也就愈大。

因此本論文導入了跨層網路設計的概念，能提供底層網路資訊給使用者空間 的行動管理程式或其它應用程式，並透過我們設計的事件觸發機制，讓相關程式 能夠快速地被告知底層網路的改變，並做出適當的反應，進而提供良好的服務品 質。