Cross-Layer Design

Post date: Oct 28, 2012 3:41:50 PM

跨層協定設計（Cross-Layer Design，CLD）

傳統的開放系統連結（Open System Interconnection，OSI）分層協定已經使用了很長的一段時間。在OSI中，每一層的功能定義清楚，可以減少網路實作的複雜性並且提高彈性。在OSI分層結構模型，每一層的協定是獨立設計的，分層架構不允許相鄰層之間的直接溝通。相鄰層之間的通信必須遵循預先定義的介面，並且透過程序的呼叫與回應。

雖然OSI分層協定在有線網路中運作良好，然而對於下一代的無線網路和行動通信系統，傳統的分層網路設計無法滿使用者在性能和效率方面的需求，而這些挑戰是來自於行動無線網路的本質問題，例如無線通道的高錯誤率與時變傳輸問題、不同應用程式的動態資源需求等問題[ 1 ]。

因此在分層結構的協定模型基礎上，開始有許多的研究採用不同的角度提出新的解決方案，這些方法拋棄了分層架構不允許相鄰層之間的直接溝通的限制，可以依照系統需求在不同協定層之間傳遞或共享訊息，因此被稱為跨層設計（Cross-Layer Design，CLD）[ 2 ][ 3 ]。

（一）國內外發展現況

跨層設計仍然是一個熱門的研究議題，積極利用不同協定層之間的依賴和互動以獲得性能的提升。目前已有許多針對跨層設計的文獻回顧，詳細分類並歸納學者違反傳統分層架構的設計動機。在無線環境下，這些問題包括無線傳輸產生的一些獨特問題，如無線連結的機會式通訊（Opportunistic Communications）和無線媒介的新形態通訊調變方式（Modalities）等[ 4 ]。在跨層設計的基礎上，網路節點可以與其他節點合作協調，或從不同層協定收集更多的資訊，以提高通訊的品質。跨層設計可以說是一種新型態的無線通訊協定設計與實作模式。

跨層設計的一個重要面向是跨層互動（Interaction）的管理，以保證系統的運行。這類跨層實體（Entity），即函式、程式或協定，可能位於協定層內或協定層之外。內部實體可能是一個在不同協定層間（Inter-Layer）的實體，用以協調各協定層的操作，也可以是協定層內（Intra-Layer）的實體，用以與其它協定層溝通。而外部實體可集中於一個特定的網路節點運作，也可以分佈在多個網路節點上作資訊分享[ 5 ]。

跨層設計中的另一個重要問題是信令（Signaling）機制。[ 5 ]進行了不同類型的跨層信令機制及協定的研究調查。信令交換的方式有提示（Hint）和通知（Notification）。提示是從更高的層向下層發送訊息，而從下層觸發事件以通知有更高層有關的運作狀態（即通道狀態或網路狀態）稱為通知。此外，跨層信令可以通過幾種方式實作：

1、標頭選項（Header Options）；

2、延伸標頭（Additional Header）；

3、本機檔案（Local Profiles）；

4、網路服務（Network Service）。

在標頭實作跨層信令，可以利用如IP、TCP等的頻內（In-Band）協定或是如ICMP、RTCP等的頻外（Out-Of-Band）協定。在本機檔案的部分，則可以使用LID（Layer-Independent Descriptor）代表一個參數的集合。而網路服務則可以透過無線通道介面（WCI）和如可擴展標記語言（XML）等抽象格式進行實作。

已有許多文獻針對跨層設計不同的解決方案進行分類及討論。例如在[ 4 ]中指出，跨層設計主要的方法有以下四種︰

1、建立新的介面（Creation of new interfaces）；

2、合併相鄰層（Merging of adjacent layers）；

3、不建立新介面的結合設計（Design coupling without new interfaces）；

4、垂直整合跨層（Vertical calibration across layers）。

在建立新的介面的方法上，協定層與協定層之間的互動方法有三種模式：向上（Upward）、向下（Downward）、往返（Back and Forth）。向上的模式是一種自下而上（Bottom-Up）的方法，這是由於更高一層的協定在運行時可能需要較低層協定的參數。換句話說，下層協定通知更高層協定有關網路狀態的資訊。現有的跨層方法大多數是基於這種模式。在另一方面，向下的模式是一個自上而下（Top-Down）的方法，更高層的協定將通過新的介面在運行時進行參數的設定。因此下層協定可以得到更高層協定的提示，並採取更適當的行動。往返的模式，結合自下而上的方法和自上而下的方法。高層與下層的協定可以透過新的介面進行更密切地合作。

在第二種方法中，合併相鄰層，由兩個或兩個以上的相鄰層組成一個超層（Super Layer），用於實現跨層的功能。超層能夠提供相同的介面給其它的協定層，它也可以用於創建新的介面。對於第三種方法，不建立新介面的結合設計，一些協定層在設計時需要牢記對其它層的功能，結合層將彼此高度相關。因此，系統的體系結構將更為複雜，在應用一些設計更動時需要在同一時間修改相關層協定。最後，垂直整合跨層的想法是找到最佳參數集以運用於不同層協定。實作垂直整合跨層可以使用靜態或動態的方式。對於靜態方法，在不同層協定的參數，必須在設計時選擇。而動態的方式，將在運行時進行參數的選擇和調整。不幸的是，動態的方法非常複雜，而且會帶來顯著的額外成本問題。

大多數跨層協定設計的方法，在目前的文獻中可以分別對應至上述的基本類別之一。此外，考量到跨層互動的實作方法，這些方法可歸納為三類︰

1、層與層之間的直接溝通（Direct communication between layers）；

2、跨層共享資料庫（A shared database across the layers）；

3、完全新的抽象（Completely new abstractions）。

在層與層之間的直接溝通，一個協定層的變數或參數，可以直接被其他層協定透過新創建的介面或垂直整合模式進行使用。可以透過多種方法使不同層的協定直接互相溝通，例如協定標頭可以用來包含跨層資訊、可以定義新的封包格式和協定以進行跨層交換資訊、可以設計額外的內部跨層實體以協調跨層資訊。在第二類中，一個共享資料庫將作為不同層協定溝通的媒介。通過共享資料庫的方法，可以實現新的介面或垂直整合模式。最後一類，分層的想法徹底被打破並且重新設計的新的運行機制。在這類架構的靈活性是最大的，可以提供豐富的互動溝通。然而，系統的複雜性也非常高。這種做法幾乎重新設計一個完整的系統。實作這種新的架構將需要進行系統核心的修改。

一些更詳細的跨層設計議題可以參考[ 4 ]，文中作者認為實體層所扮演的角色在跨層設計是一個重要的問題。文中也提供了一些開放性挑戰議題給跨層設計的新研究人員，包含了跨層共存的問題、環境條件和不同跨層模型之間的選擇與考量、對於其它層協定的影響、以及跨層設計標準化模型的可能性等等。

另外在評估跨層設計解決方案上，在效能和架構設計之間的權衡，需要從基礎層面上來考量。效能被認為是短期的，而架構設計是長期的。因此，一個特別的跨層設計可能會得到傳輸量或效能的改善，但缺乏長遠的考量。然而，要評估一個跨層設計在整體架構上的貢獻度是非常困難的。[ 6 ]進行了兩次模擬研究而得到結論，不必要的跨層互動可能導致系統整體性能上的不良後果。它強調，肆無忌憚的跨層設計可能導致複雜的架構設計，扼殺進一步的創新，是難以維持長期的運作。由於無線行動網路將會有越來越多的使用者，良好的體系結構的重要性是必須牢記的。在從事跨層設計時，應評估由[ 6 ]提出的注意事項。

[ 6 ]亦研究了跨層設計的議題和它的分類，並強調構建良好的體系結構的重要性。模組化系統可以提供系統的抽象，使得設計者很容易理解整個系統。它也可以加快發展的設計和實作。設計者可以專注於一個特定的子系統，並保證整個系統的正常運行。一個好的架構設計可以使系統易於維護，並導致更長的生命週期。基於電子資訊傳輸，[ 6 ]也展示了基於一個分層的協定來運行無線網路是一種合理的做法。他們認為一個分層的架構可以實現在一個網路容量限制內的最佳化效能。他們還聲稱，所有的跨層設計只能改善至多一個常數因素的傳輸量，而不能導致任何無上限的改善（詳見[ 6 ]和[ 7 ]），因此對於跨層設計上的考量仍須要十分謹慎。

（二）關鍵研究課題

根據目前研究文獻的分類，關於跨層協定設計的研究可以分為以下四個關鍵研究領域︰

(1) 安全性（Security）研究︰

跨層設計對於無線行動通信提高性能和效率的改善是有效的。另一方面，跨層設計也有助於提高網路的安全性。在跨層資訊和互動的幫助下，可以降低安全機制的過載，並提高安全效率。舉例來說，不同的協定層有著不同的加密方法，若每一個協定層獨自進行著自己的加密方法，將會造成不必要且重複的加密動作，這意謂著將造成更多的電力消耗、處理資源的浪費、以及網路效能的降低。因此可以透過跨層協定設計來協助判斷哪一個協定層應當負責加密的工作。檢視現有的文獻，根據它們的方法和應用，這些跨層安全性改善方法可分為四類[ 3 ]：

1、安全協定（Security Protocol）；

2、安全政策（Security Policy）；

3、金鑰管理（Key Management）；

4、入侵偵測（Intrusion Detection）。

除此之外，更有文獻指出跨層設計也被用於創造新形態的攻擊方式，例如針對影音串流的封包丟棄攻擊[ 8 ]與針對感知無線電的跨層式攻擊[ 9 ]，面對這些新型態的攻擊亦需要透過跨層設計的方式來進行攻擊的辨識與防禦。

(2) 服務品質（QoS）研究︰

到目前為止，已經有許多涉及不同協定層的QoS解決方案，例如RTP和TCP接收來自應用層的QoS資訊，以及由IETF發展的整合式服務（IntServ）和差異式服務（DiffServ）架構都支援IP QoS。根據OSI參考模型，這些解決方案都不支援跨層溝通，QoS的需求無法在協定層之間傳遞。然而，在時變的無線環境中，需要從實體層、鏈結層至應用層的協定狀態資訊，以改善的QoS（例如即時資料流）。在非相鄰的協定層之間的QoS資訊提供，需要跨層設計。因此，必須發展QoS的協調機制，達成QoS資訊的溝通和協調，以跨越多個協定層提供更佳的服務品質。

(3) 行動通訊（Mobility）研究︰

行動通訊使無線終端可以支援由一個服務區域至另一個服務區域間的無線電存取點換手（Handover）功能。換手的達成方式有兩種類型，水平換手（Horizontal Handover）意謂著行動裝置在相同技術的存取點間移動，而垂直換手（Vertical Handover）則是處理行動裝置在不同技術的存取點間移動。在這兩種換手類型，上層協定必須要能夠減輕換手所造成的影響，因此移動性相關的技術必須支援換手通知，這將有利於達成無縫換手的目的。為此，在設計換手機制時可以透過跨層設計，讓上層協定得到下層無線傳輸協定的狀態相關資訊。

(4) 無線連結適應性（Adaptation）研究︰

無線連結適應性是在解決無線環境特有的影響，即通道衰減（Channel Fading）、位元錯誤率（BER）變異、及傳輸延遲等。這些屬性可以造成性能上的影響，以無線連結的一個經典問題為例，TCP發送方可能誤判一個網路封包的錯誤，認為是發生網路壅塞的情形。目前已有許多跨層設計的解決方法用來識別較低層發生封包遺失的原因，例如TCP睡眠協定會判斷封包遺失與通道衰減有關，在這類情況下，資料鏈結層的自動回覆請求（ARQ）機制將會嘗試重傳。顯而易見的，TCP與ARQ同時重傳遺漏的封包將會造成無線資源使用上的影響，為了避免這類效能上的影響，可以採用跨層設計的方式來達成TCP與ARQ協定間的協調工作。

參考文獻

[ 1 ] G. Carneiro, J. Ruela, and M. Ricardo, “Cross-Layer Design in 4G Wireless Terminals,” IEEE Wireless Communications, 11(2), pp. 7–13, 2004.

[ 2 ] H.-C. Chao, C.-Y. Chang, C.-Y. Chen, and K.-D. Chang, "Survey of Cross-Layer Optimization Techniques for Wireless Networks," Chapter 21 of the 'Fourth-Generation Wireless Networks: Applications and Innovations', IGI Global (edited by S. Adibi, A. Mobasher, and T. Tofigh), pp. 453-468, 2009.

[ 3 ] H. F. Rashvand and Y. Kavian, "Using Cross-Layer Techniques for Communication Systems,” IGI Global, 2012.

[ 4 ] V. Srivastava, and M. Motani, “Cross-Layer Design: A Survey and the Road Ahead,” IEEE Communications Magazine, 43(12), pp. 112-119, 2005.

[ 5 ] F. Foukalas, V. Gazis, and N. Alonistioti, “Cross-Layer Design Proposals for Wireless Mobile Networks: A Survey and Taxonomy,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 10(1), pp. 70-85, 2008.

[ 6 ] V. Kawadia, and P. R. Kumar, “A Cautionary Perspective on Cross-Layer Design,” IEEE Wireless Communications, 12(1), pp. 3-11, 2005.

[ 7 ] L.-L. Xie, and P. R. Kumar, “A Network Information Theory for Wireless Communication: Scaling Laws and Optimal Operation,” IEEE Trans. Info. Theory, 50(5), pp. 748–67, 2004.

[ 8 ] M. Shao, S. Zhu, G. Cao, T.L. Porta, and P. Mohapatra, “A cross-layer dropping attack in video streaming over ad hoc networks,” In Proc., the 4th international conference on Security and privacy in communication netowrks (SecureComm ’08), No. 25, 2008.

[ 9 ] W. Wang, Y. Sun, H. Li, and Z. Han, “Cross-Layer Attack and Defense in Cognitive Radio Networks,” In Proc., 2010 IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2010), pp. 1-6, 2010.