（运筹学与控制论专业论文）移动ad+hoc网络路由协议研究及其ns2仿真.pdf

摘要 无线移动a d h o c 网络是以分组无线网技术为基础的互联的无线电台、 计算机硬件和软件的集合，这种网络具有网络中的所有移动终端地位平 等、自组织、无需事先布置任何网络设旌或中心控制节点、动态变化的拓 扑结构和带宽与能源受限等特点。因此主要用于满足军用移动通信和应急 通信的需求。 由于移动a dh o c 网络的自组织性，多跳以及网络拓扑动态变化等特 点，使得传统有线网络的技术无法直接在a dh o c 网络上使用，这就需要 为a dh o c 网络设计许多新的协议和技术，比如信道接入技术、安全技术、 路由技术等。本文主要着眼于a dh o c 网络的路由技术，将路由技术中的 先应式表驱动路由技术作为研究目标。 文章首先介绍了无线移动a dh o c 网络的基本知识，包括定义、发展 历史、应用、体系结构以及关键技术和研究重点等。其次，对移动a d h o c 网络的路由技术进行了分析，介绍了几种典型的路由协议，并阐述了理想 的路由协议的特征。接着，通过分析比较几种常见的网络仿真软件，选择 了具有开放源代码的n s 一2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv 2 ) 作为移动a dh o c 网络的 仿真工具，并描述了仿真的具体过程。在此基础上，针对四个典型的路由 协议( d s d v 、d s r 、a o d v 、o l s r ) 在不同的移动场景下对网络进行了 仿真研究分析。然后，重点研究了其中的一种最优链路状态协议( o l s r ) 的具体实现过程。通过分析指出了该协议对m p r ( m u l t i p o i n t r e l a y s ) 集合选 择算法会导致该集合可能存在过多的冗余节点的不足之处，提出了一种改 进的o l s r 路由协议，通过对原m p r 集合中节点的再次排序判断，除去 了冗余节点。仿真结果表明：经过改进的o l s r 在t c 分组的发送数目、 节点接受t c 分组总数目、分组转发率、平均端到端延迟都得到了显著的 改善，从而减少了t c 分组的洪泛，提高了网络性能。最后，对论文进行 了总结，并对未来工作作了展望。 关键字：最优链路状态协议，无线移动自组网，路由协议，网络 仿真，n s 2 a b s t r a c t w i r e l e s sm o b i l ea dh o cn e t w o r ki st h ea g g r e g a t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei n c l u d i n gw i r e l e s st r a n s m i t t e r r e c e i v e r sa n dc o m p u t e r sb a s e do nt h e w i r e l e s sp a c k e t sn e t w o r k i ti ss od u et ot h a ta 1 1m o b i l et e r m i n a l si nt h e n e t w o r ka r ee q u a la n ds e l f - o r g a n i z e d ，t h e r ei sn on e e dt o p r e d e p l o ya n y i n f r a s t r u c t u r eo rc e n t r a l i z e d a d m i n i s t r a t i o n ，t h et o p o l o g yi sd y n a m i c a l l y c h a n g i n g ，t h eb a n d w i d t ha n de n e r g ya r ea l s ol i m i t e d ，e t c s oi t sa b u n d a n t u s e si nm i l i t a r yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n do t h e rc o n d i t i o n si ne m e r g e n c y b e c a u s eo f m o b i l ea dh o c n e t w o r k s s e l f - o r g a n i z i n g ，m u f t i h o p ， t o p o l o g yd y n a m i c c h a n g e d ，t h i sp a r t i c u l a r i t ym a d ei ti m p o s s i b l et h a t t h e t e c h n o l o g yo ft r a d i t i o n a lw i r en e t w o r k sw e r ed i r e c t l yu s e di na dh o cn e t w o r k s ， f o rt h i sr e a s o n ，m a n yn e wp r o t o c o l sa n dt e c h n o l o g i e sa r er e q u i r e df o ra dh o c n e t w o r k s ，s u c ha sc h a n n e lc o n n e c t i o nt e c h n o l o g y , s a f e t ya n dr o u t et e c h n o l o g y a n ds oo n t h i sp a p e rf o c u s e so na dh o cn e t w o r k sr o u t et e c h n o l o g y , d i s c u s s e s p r e - a c t i v et a b l ed r i v e na m o n gr o u t et e c h n o l o g ya sr e s e a r c hd i r e c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a tt h ev e r yb e g i n n i n g ，i n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o n ，o r i g i n ， h i s t o r y ，a p p l i c a t i o n s ，s y s t e ms t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g yo ft h em o b i l ea d h o cn e t w o r k t h e n ，a n a l y z ei t s r o u t i n gp r o t o c o la n di n t r o d u c et h et y p i c a l p r o t o c 0 1 c o m p a r e da n da n a l y z e dw i t hs o m eo t h e rc u r r e n t l yp o p u l a rn e t w o r k s i m u l a t o r ，t h eo p e n s o u r c en s 一2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv 2 ) i sc h o s e nb yt h i s d i s s e r t a t i o na sat 0 0 1 a f t e r d e s c r i b i n g t h e p r o c e s so fs i m u l a t i o n ，t h i s d i s s e r t a t i o nd o e ss i m u l a t i o n so nf o u rr o u t i n gp r o t o c o l s ( d s d v ，d s r ，a o dv ， o l s r ) b yd i f f e r e n tm o b i l es c e n e s t h i r d l y , ad e t a i l e da n a l y s i si sm a d ei n o l s rp r o t o c 0 1 f r o ma n a l y s i s ，r e v e a l i n gt h es h o r t c o m i n go fm p r s e l e c t i n g t h a ti tm a yr e s u l t si ns om a n y r e d u n d a n c yn o d ep o s s i b l yi nm p rs e t t h e na n i m p r o v e do l s r ，w h i c hd e l e t et h er e d u n d a n c yn o d ei nm p rs e tb ys o r t i n ga n d j u d g i n ga g a i n ，i sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e do l s r h a s g o o dp e r f o r m a n c e o nt h en u m b e ro fs e n dt cp a c k e t s ，r e c e i v e dt c p a c k e t s n u m b e rb ya l ln o d e s p a c k e td e l i v e r yf r a c t i o na n da v e r a g ee n d t o e n d d e l a y s ot h ei m p r o v e do l s rr e d u c et h et cp a c k e t s f l o o d i n g a n di m p r o v e t h en e tw o r k s p e r f o r m a n c e a tl a s t ，s u m m a r i z e st h i sp a p e r ，a tt h es a m e t i m e ， s u g g e s t i o n sf o rr e s e a r c ha r eg i v e n k e yw o r d s ：o l s r ，a dh o c ，r o u t i n gp r o t o c o l ，n e t w o r ks i m u l a t i o n ， n s 2 i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：幺建。日期：丝竖型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：幺鸳囊导师签名：曼生! 坌篁坠日期：砭型 1 1 研究背景 第一章绪论 目前能够提供个人无线数据通讯的技术已有很多，比较有代表性的有 蜂窝式数字移动通信系统( g s m c d m a ) ，无线局域网( w l a n ) 和低轨卫星 通信系统。 在蜂窝式数字移动通信系统的覆盖范围内，用户通过预先布设的基站 ( b t s ) 接入网络，用户之间的通信必须通过蜂窝移动通信网完成，用户在 基站之间的切换要通过基站控制a ( b s c ) 实现，如果用户要进行网络内部 的漫游，还需要m s c v l r ，h l r 等更多的设备参与。所有上面提及的设 备均需要在用户开始通信之前布设完成。 无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) 目前主要用于办公室，家庭等较小 范围的场所为用户提供接入有线网络的服务。通常w l a n 的接入访问点 ( a c c e s sp o i n t ，a p ) 通过有线接口和局域网连接，通过无线信道连接用户。 用户通过a p 进行相互之间的通信和访问有线网络。 低轨卫星通信系统需要预先发射数十颗覆盖全球的卫星为用户提供 按入服务，用户通过卫星以及相应的地面设施实现相互之间的通信和对外 部网络的访问。 以上几种现有的个人无线数据通讯技术，其应用场合、使用成本、能 够提供的最大速率各有不同，但是它们有一些共同的特点。首先，这些网 络在能够使用之前必须布设一定的基础设施( i n f r a s t r u c t u r e ) 。无论是基站的 建设、a p 的布设，还是卫星的发射，都不是一蹴而就的，而在某些情况 下，人们需要“立即”能够联网。所以这些网络不能满足“随时联网”的 需求。其次，这些网络都是通过一定的设备为用户提供无线接入，这就决 定了网络的覆盖范围一定是有限的，这也不能满足人们“随地联网”的要 求。 相对于上述的成熟的网络，另一种类型的网络能够更好地满足人们随 时随地联网的要求，这就是移动a dh o c 网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ， m a n e t ) ，也称为移动自组网。这种网络不需要借助已有的网络设施，有 通信需求的移动用户通过一定的协议和算法协调，自己组建一个独立的网 络实现数据通信。 辽宁科技大学硕士论文 移动自组网的无中心、自组织、多跳路由、独立组网、节点可自由移 动等特点，弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，这使得它在很多特殊场合 的通信应用中有独特的优势。特别是在军事领域中，战场通信系统需要满 足灵活、高抗毁性、高可靠性、可大规模组网等特殊的要求，a d h o c 网络 正好可以满足这些需求。从短期来看，军事应用仍然是a dh o e 网络技术 研究的重点。同时a dh o e 网络也可以作为一种补充手段被广泛的应用到 民用通信领域。例如在个人通信领域，a dh o e 可以实现p d a 、手机、掌 上电脑等个人电子通讯设备之间的通讯。在商业领域，a d h o c 可以组建家 庭无线网络系统，进行移动计算和可携带办公等。另外如地震、水灾等紧 急场合和偏远野外作业，也需要用到a dh o c 网络。因此a dh o c 网络具有 广泛的应用前景，从事a dh o c 网络研究对于增强国家的军事实力和提高 本国的综合科技实力都有着重大的意义，而且在不远的将来还会产生相当 的经济效益。 因此，与扩频通信技术一样，源于军事领域研究的移动自组网，必将 对科技进步具有重大促进作用。同时，随着移动自组网络研究的发展和相 关产品的成熟，移动自组网必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的 应用领域，因而具有广泛的研究与发展前景，给民用产品的开发也带来了 巨大的经济和社会效益。而路由协议作为影响网络性能的一个重要因素， 是确保移动自组网络正确运行的关键，目前的协议还存在很多的不足，对 该领域进行深入而广泛的研究将会为移动自组网的应用提供重要的科学 依据，从而使a dh o c 网络的技术进一步走向成熟。 1 2 当前国内外研究现状 目前对a dh o e 网络的研究工作主要集中在美国。1 9 9 7 年，i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ) 成立了一个专门研究m a n e t 的工作组，负责a dh o c 网 络路由协议标准化的工作【。另外一些研究方面较为活跃的研究机构和学 术会议也对m a n e t 的发展起了推动作用。结合国内外研究现状，移动a d h o c 网络的成果主要在以下几个方面： ( 1 ) 无线信道资源问题：即媒体接入控制( m a c ) 协议。m a c 协议的好 坏直接影响到网络吞吐量、时延等性能指标。在m a c 协议设计首先要解 决隐藏终端和暴露终端问题，其次是信道资源的公平接入问题，以保证网 络中各种业务的服务质量、降低功耗等。目前比较成熟的协议有m a c a l 2 、 第一章绪论 f a m a 3 】等，这些协议都是基于随机竞争接入机制的，节点在需要发起业 务时以竞争方式获得信道的使用权，在无业务时处于侦听状态，这种方式 对突发数据业务能提供较好的支持，但对实时业务的支持较为困难。 ( 2 ) 路由技术问题：从功能上讲，路由协议是通信网络中的一套将业务 数据从源节点指引到目的节点的机制。路由协议的设计在满足应用需求的 同时，尽量降低网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络的吞吐 量5 】 6 7 1 。其中应用要求一般包括时延、时延抖动、丢包率等诸多因素。 目前普遍认可的具有代表性的协议有：d s d v 8 1 、d s r 9 1 、a o d v 1 引、o l s r 1 1 】 等，这些路由协议都有自己的独特之处和应用场合。由于移动自组网拓扑 结构的动态变化、无线传播带宽有限、移动节点能力有限、分布式控制方 式、安全性差等问题，使得路由协议的设计相对复杂，目前路由协议的研 究仍然是移动自组网成果最集中的部分，不过这些协议离实用性还有一定 的差距。本文的主要内容也是路由技术。 ( 3 ) 自组网安全性问题：由于自组网自身的特殊性，使其容易受到假冒、 窃听、篡改等攻击；移动节点在漫游中可能被俘获，使自组网还会面临来 自内部节点的攻击，节点的信任关系也随之变化。传统的安全机制不再适 用于自组网。目前的研究主要从安全体系结构、安全模型、安全路由、认 证协议、密钥管理、和入侵检测等方面进行分析，已经提出的一些解决方 案包括：安全路由协议s r p 1 2 】、异步分布式密钥管理模型【13 1 、s a o d v 安 全路由协议【1 4 j 等等，但总体还不是很成熟，存在很多困难和挑战。 ( 4 ) 自组网与蜂窝移动通信系统互联：利用自组网的特点可以有效解决 蜂窝系统的一些难点问题。首先，可以弥补蜂窝系统中存在的覆盖缺陷； 其次，自组网的动态中继转发功能可以有效的调整热点区域的流量，实现 流量的动态分配，提高服务能力和质量；第三，在引入自组网之后，在蜂 窝系统中引入了一种新的通信方式一一“局域网”方式。目前，国内外已 就该方面的问题展开了一些研究，主要包括：o d m a 、a g s m 、s o p r a n o 等。该方向已经称为移动通信领域的热点问题之一。 ( 5 ) 自组网与传感器网络：传感器网由具有感知能力、计算能力、和通 信能力的大量微型传感器节点组成，能够处理收集到的探测数据，并以无 线传输方式发送到基地台。从通信角度而言，它们都采用无固定基础设施 的多跳、分布式控制的无线通信方式、每个节点都有转发能力。但是自组 网的技术还不能直接应用到传感器网络中去，国内的研究还刚刚起步，相 信不久的将来会有巨大的应用前景。 辽宁科技大学硕士论文 ( 6 ) 蓝牙a dh o c 网络与超宽带a dh o c 网络：这些网络都是基于移动 a dh o c 网络刚刚兴起的网络，利用蓝牙和超宽带技术可以很好的解决自组 网的一些问题，但同时也带来了一些新的问题【”】，需要去解决。 1 3 本文所做的工作 本论文反映的主要研究工作如下： ( 1 ) 对a dh o c 网络定义、特点、应用、体系结构及面临的主要问题进 行了介绍。 ( 2 ) 对a dh o c 网络当前主流的路由技术进行了较深入的学习和研究， 对各种协议的基本原理、路由特点都做了详细的阐述，并对它们做了深入 的比较和分析。 f 3 ) 对n s 2 仿真软件进行了深入的学习和研究，介绍了n s 2 的基本情 况和内部结构，着重叙述了利用n s 2 仿真a dh o c 路由协议的基本过程， 仿真场景参数的设置与仿真脚本，并对典型的a dh o e 网络路由协议进行 仿真分析。 ( 4 ) 对o l s r 协议进行了较深入的学习和研究，较为全面地归纳出 o l s r 路由技术的基本原理、路由过程和特征。通过分析，揭示了o l s r 路由协议在m p r 集合选择上的不足，进而提出一种改进的o l s r 路由协 议，并在n s 2 上实现了仿真，通过对仿真结果的分析证明了改进的o l s r 协议的优越性。 1 4 论文章节安排 全文共分为七章，具体安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了论文的研究背景及当前国内外研究的现 状，最后给出了本文所要做的工作。 第二章介绍了无线a d h o e 网络的基础知识，并指出了a d h o e 网络的 研究重点。 第三章研究了无线a dh o e 网络的路由技术，对典型的路由技术进行 了详细的阐述，并给出了理想的a dh o c 网络路由协议的特征。 第四章介绍了无线a dh o c 网络的仿真软件的分类，详细阐述了n s 2 的基本情况和内部结构，并给出了n s 2 的仿真方法和一般的过程，最后对 典型的路由协议进行了仿真分析。 4 第一章绪论 第五章详细介绍了o l s r 路由协议，给出了协议的描述和具体的实现 过程。 第六章讨论了o l s r 路由协议存在的不足，即在选择m p r 集合时， 会导致该集合存在一些冗余的节点，因此提出了一种改进的o l s r 路由协 议，并在n s 2 上进行了仿真分析，结果表明改进的o l s r 路由协议确实比 标准的o s l r 路由协议的性能有所提高。 第二章无线a dh o e 网络基础 2 1a dh o c 网络概述 无线a dh o c 网络是一种特殊的无线移动通信网络。无线a dh o c 网络 中所有节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。 网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发功 能。当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，它们可以通过 中间节点转发报文进行通信。有时节点间的通信可能要经过多个中间节点 的转发，即报文要经过多跳( h o p ) 才能到达目的地，这是a dh o c 网络与其 它移动通信网络的最根本的区别。无线a dh o c 网络的节点通过分层的网 络协议和分布式算法相互协调，实现网络的自动组织和运行。因此它又被 称为多跳无线网m u l t i h o p w i r e l e s s n e t w o r k ) 、自组织网络f s e l f - o r g a n i z e d n e t w o r k ) 或无固定设施的网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k ) 。 2 1 1a dh o c 网络的定义 “a d h o c ”网络一词源于拉丁语，其含义为：“f o r t h es p e c i f i cp u r p o s e o n l y ”，翻译为中文的意思是“特别的、临时的”。由于翻译后的名字很难 描述该网络的特点，为了避免引起歧义，我们仍然使用“a d h o c ”一词来 称呼这种特殊的无线网络。 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳 的临时性自治系统。网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，可以通 过无线连接构成任意的网络拓扑。这种网络可以独立工作，也可以以末端 子网的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，a d h o c 网络异步性 不适于作为中间承载网络。它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信 息进出，而不让其它信息穿越本网络，从而大大减少了与现有i n t e r n e t 互 操作的路由开销。 在a dh o c 网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为 主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相 应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在 a dh o c 网络中，节点间的路由通常由多跳( h o p ) 组成。由于终端的无线传 输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往会通过多个中间节点的转 辽宁科技大学硕士论文 发来实现通信。所以它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的 网络或对等网络。a d h o c 网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可 以看作是一种特殊的移动计算机通信网络。图】一1 给出了a dh o c 网络的 一种典型的物理网络结构，图中终端a 和l 无法直接通信，但a 和i 可以 通过路径a b g i 进行通信。 图2 1 典型的a dh o e 网络结构 2 1 2a de i o e 网络的起源与发展历史 移动a dh o c 网络这一术语相对较新，但是其基本思想并不是新鲜事 物，到目前为止，己经有3 0 多年的发展历史了。这种思想最早可以追溯 到1 9 6 8 年的a l o h a 网络。a l o h a 网络的研究目标是为了将夏威夷的教 育设备连接在一起。a l o h a 采用固定基站和分布式信道访问管理，为之 后分布式信道访问技术的研究和开发提供了基础。a l o h a 协议是单跳协 议，不支持路由功能。 受到a l o h a 网络和早期固定分组交换网络开发成功的鼓舞，d a r p a 在1 9 7 3 年开始研究分组无线网络f p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p r n e t ) 1 6 h 1 7 】。 p r n e t 的研究目标是为了将数据分组交换技术引入到无线环境中，开发军 用无线数据分组网络。p r n e t 是多跳网络，提供集中式和分布式的操作管 理机制。正是由于p r n e t 的研制成功，才使人们认识到多跳技术能够提 高网络容量。p r e n t 采用分布式体系结构，由广播电台组成，中心控制成 分达到最低程度：它综合了a l o h a 和c s m a 两种信道访问协议，支持动 态共享广播电台信道；采用多跳存储转发路由技术克服广播电台覆盖范围 小的问题，能够在广阔地理区域内有效地进行多用户通信。p r n e t 的成功 证明了移动a dh o c 网络思想的可能性。 2 0 世纪8 0 年代，p r n e t 的可行性得到了验证，但美国国防部高级研 第二章无线a db o c 网络基础 究计划署( d a r p a ) 认为在开始全面开发无线移动自组织网络技术之前仍有 几个重要的关键技术问题有待解决。例如：最初无线通信装置和控制器体 积大、功率有限、时间受限；虽然组网算法己在小规模上得到验证，但还 不能支持大规模网路；网络抗电子干扰能力也需要进一步加强。为了解决 这些问题，d a r p a 发起了可生存无线网络( s u r a n ) 的研究计划。这一研 究计划的成果之一是研制出了低成本的分组无线电电台( l p r ) ，一种数字 控制的直接序列扩频无线电台，研究人员在此基础上，用开发出了系列 改进的组网协议，如一种基于动态分群的网络拓扑分层方案，该方案不会 受网络规模大小的限制。 1 9 9 4 年，d a r p a 启动了全球移动信息系统( o l o m o ) 计划，研究范围几 乎覆盖了无线通信的所有相关领域，其中之一是解决移动a dh o c 网络的 m 3 ( 移动( m o b i l e ) 、多跳( m u l t i h o p ) 、多媒体( m u l t i m e d i a ) ) 问题。设计了几 种网络，例如，w i n g 、m m w n 等等。 尽管移动a dh o c 网络在军事方面有着时间久远的传统，但是对商用 移动a dh o e 网络的开发也已经有若干年的历史。在1 9 9 7 年6 月成立了 i n t e r n e t 工程任务组( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 的m a n e t 工作 组( 简称i e t fm a n e t 工作组) ，这极大的推动了商用移动a dh o c 网络的 开发和研究。 当前，i e t fm a n e t 工作组正在致力于移动a dh o c 网络协议的标准 化工作，但目前移动a dh o c 网络尚未达到完全实用的阶段，大部分工作 仍处在仿真和实验阶段，仿真规模在数百至数千节点，时延规模在几十个 节点左右。随着人们的关注，移动a dh o c 网络已成为移动通信领域的一 个研究热点。 2 2a dh o c 网络的特点与应用 移动a dh o c 网络节点配备有无线发射机、无线接收机、天线f 可能是 全向的( 广播) 、高定向的( 点对点) 、易于操控，或者某些组合) 。在一给定 时刻，根据节点的位置及其发射机和接收机的覆盖区域、同频道干扰程度， 按照随机、多跳方式或者“a dh o c ”方式，实现节点之间的无线连接。由 于节点移动或者调整发射功率和接收参数会使a dh o c 拓扑随着时间的推 移而变化。 从前面的描述中可以得到，移动a dh o c 网络至少具有以下共同特性 辽宁科技大学硕士论文 和要求酬： ( 1 ) 独立组网：a dh o c 网络具有独立组网的能力，即网络布设无需依 赖于任何预先架设的网络设施。节点开机后就可以快速、自动地组成一个 独立的网络。 ( 2 ) 无中心：a dh o c 网络采用无中心的结构、所有节点的地位平等， 组成一个对等式网络，其中的节点可以随时加入和离开网络，任意节点的 故障不会影响到整个网络的运行。与有中心网络相比，a dh o c 网络具有很 强的抗毁性。 ( 3 ) 自组织：a dh o c 网络没有严格的控制中心，所有节点通过分层的 网络协议和分布式算法协调各自的行为。无中心和自组织特点使得a d h o c 网络可以实现快速自动组网。 ( 4 ) 多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的。 当要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经 过多跳。与普通网络中的多跳不同，a d h o c 网络中的多跳路由是由普通节 点共同协调完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。反过来， 如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低，从而达到省电、延长 电池工作时间的目的。 ( 5 ) 动态拓扑：a dh o c 网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移 动模式移动，并且可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种 多样、发送功率的变化、无线信道问的互相干扰、地形和天气等综合影响， 移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的 方式和速度都难以预测。在网络拓扑图中，这些变化主要体现为节点和链 路的数量及分布的变化。因此需要开发专门的路由协议，以适应这种动态 拓扑网络的需要。 ( 6 ) 特殊的无线信道特征：a dh o c 网络采用无线传输技术，由于无线 信道本身的特性，它所能提过的网络带宽相对于有限信道要低得多，并且 无线信道的质量较差。考虑到竞争共享信道产生的冲突、信号衰减、噪音 和信道之间干扰等因素，移动终端获得的实际带宽远远小于理论上的最大 带宽，并且会随着时间动态地发生变化。在a dh o c 网络中，节点的发送 功率受限，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到，而此范围之 外的其它节点察觉不到。这一特征一方面提高了信道的空间复用度，另一 方面使得报文的冲突与节点所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率 等因素舍得a dh o c 网络中可能存在单向无线信道。 1 0 第二章无线a dh o c 网络基础 ( 7 ) 移动终端的局限性：移动终端具有携带方便、轻便灵巧等特点，但 也存在其固有的缺陷，如能源受限、内存较小、c p u 处理能力较低和成本 较高等，从而给设计开发和应用推广带来一定难度，同时显示屏等外设的 功能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务。考虑到成本和易于携带， 移动节点不能配备太多数量的发送接收器，并且节点一般依靠电池供电。 因此如何高校地实用节点的电能和延长节点的工作时间是一个十分突出 的问题。 ( 8 ) 安全性差：a dh o e 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无 线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃昕、主动 入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。另外，a d h o c 网络由节点自 身充当路由器，不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在我 能够罗便捷的概念。这就使得a dh o c 网络中的安全问题非常复杂，传统 网络中的安全策略和机制将不再实用。因此，信道加密、抗干扰、用户认 证、密钥管理、访问控制和其它安全措施都需要特别考虑。 针对以上的特性，a dh o c 网络有如下的应用： ( 1 ) 军事应用：军事应用是a dh o c 网络技术的主要应用领域。因其特 有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字化战场 通信的首选技术，并已经称为战术互联网的核心技术。为了满足信息站和 数字化战场的需要，美军研制了大量无线自组织网络设备，用于单兵、车 载、指挥所等不同的场合。美军的近期数字电台n t d r 和无线互联网控制 器等通信装备都利用了a dh o c 网络技术。 ( 2 ) 传感网络：传感网络是a dh o e 网络技术应用的另一个领域。传感 器的发射功率很小，大量地理分散的传感器通过a dh o c 网络技术组成网 络，可以实现传感器之间以及与控制中心之间的通信。传感器网络中，节 点不仅能够协作转发来实现通信，还可以检测本地环境的变化，手机和处 理相关的传感信息，这种网络具有非常广泛的应用前景。 ( 3 ) 紧急和突发场合：在发生了地震、洪水、火灾或遭受其它灾难后， 固定的通信网络设施很可能无法正常工作。而a dh o c 网络能够在这些恶 劣和特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有重要意义。此外 当警察或消防员紧急执行任务，而常规通信网络又无法保障时，可以通过 a dh o c 网络来保障通信指挥的顺利进行。 ( 4 ) 偏远野外地区：偏远或野外地区的通信通常无法依赖固定或预设的 网络设施进行。a d h o c 网络技术具有单独组网能力和自组织性，是这些场 辽宁科技大学硕士论文 合实现通信的最佳选择。 f 5 ) r t 缶时场合：a dh o c 网络的快速、简单组网能力使得它适用于f 临时 场合的通信，比如会议、庆典、展览会等，并可以免去不限和部署网络设 备的工作。 ( 6 ) 个人通信：a dh o c 网络技术可以用于个人域网络( p a n ) 来实现 p d a 、手机、掌上电脑等个人通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室 和讨论组等崭新的移动对等应用( p 2 p ) 。考虑到电磁波的辐射问题，个人域 网络通信设备的无线发射功率应该很小，这种情况下a dh o e 网络的多跳 通信特点将再次展现它的独特优势。 ( 7 ) 商业应用：使用a dh o e 网络技术来组建家庭无线网络、无线数据 网络、移动医疗监护系统和无线设备网络，开展移动和可携带计算等。 2 3a dh o e 网络的体系结构 体系结构对于网络协议和个功能模块的设计起着至关重要的作用，并 且在很大程度上决定网络的规划和整体性能。 由于a dh o c 网络的独特性，传统的体系结构和现存的大量协议在a d h o e 网络中不在适用。a dh o e 网络的体系结构【l 州和设计方法应充分考虑 网络的动态自组织特性和特殊的应用环境。 ( 1 ) 节点结构 a dh o e 网络的节点同时具有移动终端和路由器的功能，因此节点通常 包括主机、路由器和电台三部分。其中主机完成移动终端的功能，包括人 机接口、数据处理等：路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信 息，完成报文的转发功能；电台部分提供无线传输功能。从物理结构上分， 节点可以分为一下几类( 图2 - 2 ) ：单主机单电台、单主机多电台、多主机单 电台和多主机多电台。手持机一般采用单主机单电台的结构，复杂的车载 可能包括通信车内的多个主机，它可以采用多主机单多电台结构，以实现 多个主机共享一个或多个电台。多电台使节点具有更大的灵活性和自适应 能力，不仅可以使用多个电台来构建叠加网络，还可以作为网络节点来互 联多个a dh o e 网络的节点同时具有移动终端和路由器的功能以及接入其 它网络【2 0 】1 2 。 ( 2 ) 网络拓扑 由于节点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控 1 2 第二章无线 dh o c 嘲络基础 制节点易被发现和易遭摧毁，使得a dh o c 网络不适合采用集中式控制结 构，因此，a dh o c 网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。 单主机多电台多主机多电台 图2 - 2 a d h o e 网络节点的几种物理结构 平面结构( 拓扑图) 如图2 3 所示，其中所有节点的地位平等，所以又 可以称为对等式结构。 、 1 5 图2 3 平面结构 在分级结构中，网络被划分为簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇头 ( c l u s t e r h e a d e r ) 和多个簇成员( c l u s t e r m e m b e r ) ，组成。这些簇头形成了高一 级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直 至最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇之间数据的转发，它可以预先 指定，也可以由节点使用算法选举产生。 根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以分为单频率分级和多频 率分级两种。这里的频率应理解为信道。信道可以采用各种多址技术，如 f d m a 、t d m a 、c d m a 等。 上目了爿工箧一廿自 尊 、 辽宁科技大学硕士论文 单频分级网络如图2 4 所示，其中所有节点使用同一个频率通信。为 了实现簇头之间的通信，要有网关节点的支持。簇头和网关形成了高一级 的网络，称为虚拟骨干。 ：一、) 簇簇头簇成员 网关 图2 4 单频分级 而在多频率分级网络中( 图2 5 ) ，不同级采用不同的通信频率。低级节 点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于 多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在图2 - 5 所示 的两级网络中，簇头节点有两个频率。频率1 用于簇头与簇成员的通信。 而频率2 用于簇头之间的通信。分级网络的每个节点都可以成为簇头，所 以需要适当的簇头选举算法 2 ”，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。 频率1 一频率2 图2 - 5 多级分频结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不 存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个节点都需要知道 到达其它所有节点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制 消息。文献 2 3 认为，当平面结构网络的规模增加到某个程度时，所有的 第二章无线a dh o c 网络基础 带宽都可能会被路由协议消耗掉。 在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路 由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。因此具有很好的可扩 充性，网络规模不受限制。可以简单地通过增加簇的个数和网络的级数来 增加网络的规模。簇头节点要维护到达其它簇头的路由信息，它还要知道 网络中所有节点与簇的所属关系。由于簇头节点可以随时选举产生，分级 结构也具有很强的抗毁性。分级结构也有它的缺点。首先，维护分级结构 需要节点执行簇头选举算法。其次，簇间的信息都要经过簇头寻路，不一 定能使用最佳路由。比如在不同簇中但互为邻居的节点，在平面结构中可 以直接通信，但分簇后要通过两个簇的簇头转交。最后，簇头节点可能会 成为网络的瓶颈。 总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构：而当网络的 规模增大时，应采用分级结构。美军在其战术互联网中使用近期数字电台 n t d r ( n e a r t e r md i g i t a lr a d i o ) 组网时采用的就是如图2 5 所示的双频分 级结构 2 4 1 。 ( 3 ) 协议栈 根据a df l o c 网络的特征，参照o s i 经典7 层协议栈模型和t c p i p 模 型的体系结构，可以将a dh o c 网络的协议栈分为5 层，如图2 6 所示。 考虑到t c p i p 协议已经称为事实的网络互联标准，a dh o c 网络的体 系结构应基于t c p i p 体系结构( 美军近期数字 电台明确采用t c p i p 体系结构) ，并需要根据 a dh o c 网络的特点进行必要的简化、修改和扩 充。例如必须修改路由协议以适应网络拓扑动 态变化；修改t c p 来提高其在无线传输环境下 的性能。此外，还要考虑与有线骨干网的无缝 连接，兼顾网络的效率和抗毁性。 ( 4 ) a dh o c 网络的跨层设计 应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 图2 - 6 传统分层协议栈 当前在协议栈的各层对能量约束、应用需求和网络动态性等方面开展 了许多研究，如链路层的天线和编码技术、m a c 层的功率控制和调度算 法、网络层的q o s 路由、应用层的自适应机制等。但是这些研究是孤立的， 忽略了整体的网络设计要求和相关性。考虑到应用的特性和各种资源的限 制，为了获得较高的系统性能和能量效率，需要设计和配置与应用相关的 协议体系结构。 辽宁科技大学硕士论文 、跨层协议栈的设计策略是综合地对每层进行设计，利用它们之间的相 关性力图将各层协议集成到一个综合的分级框架中。这些相关性涉及到各 层的自适应性、通用的系统约束( 移动性、带宽和能量) 以及应用的需求。 此外上层协议应尽量避免执行下层协议已实现的功能来减少开销。例如， 如果链路层进行了拓扑检验，那么网络层不必执行相同的任务。而在严格 的分层设计方法中，虽然上层也可以利用相邻下层的信息，但是它们之间 交换的信息较少，并不能跨越多个层进行交互；另外这种放过也很少考虑 具体的应用和网络的约束条件。 在这种自适应跨层协议栈中，主要层次功能为： ( 1 ) 链路层可以调节数据率、发送功率、和编码来满足上层应用的需 求； ( 2 ) m a c 层可以基于无线信道情况、时延约束和分组的优先级