（信息与通信工程专业论文）ad+hoc中基于mac层的交换技术.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的 临时性的自治系统。网络中的移动终端既是通信终端，又具有路由器的功能，并 且可以自由移动，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。数据以多跳的方式传 送，网络无需固定基础设施的支持。 与传统的有线网络和蜂窝网络相比，a dh o c 网络没有基础设施，每个节点 都可能随时进入和离开网络，整个网络分布式进行。由于拓扑结构的动态变化、 没有中心节点控制、带宽受限、能量有限等原因，使得a dh o c 网络存在许多问 题。本文对a dh o e 网络中的路由协议、分簇算法等关键技术进行了比较系统的 研究，并取得了一些创新性的研究成果。本文的主要工作包括： 1 分簇算法是a dh o e 网络中的关键技术和研究热点。在大规模移动的a d h o c 网络中，分簇算法可以改善网络系统性能。本文提出了一种新的基于多跳的 分簇算法。提出的算法可以产生比较小的簇数目，其中簇的规模比较大，从而更 好的支持大规模的a dh o e 网络。提出的算法可以利用路由信息来调整簇拓扑， 从而减少簇维护控制开销，并延长簇头的生存时间。分簇算法的目的是获得可扩 展性和高效地路由。仿真结果显示提出的算法在成簇数目和连接率方面具有较好 的性能。 2 路由协议是a dh o c 网络的重要组成部分，是数据通信的首要问题。与传 统网络相比，a dh o e 网络路由协议的设计更具挑战性，因此成为一直以来研究 的热点。本文提出一种新的基于m a c 标签交换的路由协议。提出的协议让m a c 帧头携带完整的一个路由段，从而让数据传输的中闻转发过程主要在m a c 层进 行，而不要求网络层的参与。这样在转发过程中节省了网络层的路由查找时间和 层间的封装、解封装处理时间，从而可以减小传输时延，同时也减小了数据传输 转发过程中对网卡和主机的资源需求。仿真结果显示，和经典a dh o e 路由协议 a o d v 和d s r 相比，提出的路由协议在性能上有较大改进。 3 本文以采用三星$ 3 c 2 4 4 0 芯片的a r m 开发板和北京华大的u s b 无线网卡 为硬件平台，基于l i n u x 操作系统实现了提出的路由协议的基本功能。本文提出 的路由协议属于按需路由协议，由于在l i n u x 内核和应用层中实现a dt t o c 按需 路由协议的复杂度都比较高，因此本文选择将路由协议放在l i n u x 操作系统的驱 浙江大学硕士学位论文 摘要 动层中实现的。在驱动层中的实现方案的复杂度比较低，实现结果显示实现方案 是比较有效率的。 关键词：h ah o c 网络，分簇算法，路由协议，网络仿真 i i i 浙江大学硕上学位论文 a b s w a c t a b s t r a c t a dh o cn e t w o r ki sam u l t i - h o pt e m p o r a r ya u t o n o m o u ss y s t e mc o m p o s e db ya g r o u po fm o b i l et e r m i n a ln o d e sw i t haw i r e l e s st r a n s c e i v e r e a c hm o b i l et e r m i n a l s a c t sa sac o m m u n i c a t i o nt e r m i n a la n da sar o u t e r , a n dc a nm o v ef r e e l y s om e yc a n c o n s t i t u t ea r b i t r a r yn e t w o r kt o p o l o g yt h r o u g hw i r e l e s sc o n n e c t i o n d a t ap a c k e ti s t r a n s m i t t e d b yw a yo fm u l t i h o p ，w h i l e t h en e t w o r kw o r k sw i t h o u tf i x e d i n f r a s t r u c t u r e c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw i r e dn e t w o r k sa n dc e l l u l a rn e t w o r k s ，a dh o c n e t w o r k sd o n th a v ei n f r a s t r u c t u r ea n de a c hn o d em a ye n t e ra n dl e a v et h en e t w o r ka t a n yt i m e ，t h ee n t i r en e t w o r kw o r k sd i s t r i b u t e l y d u et ot h ed y n a m i cc h a n g eo f t o p o l o g y ，n o c e n t r a ln o d ec o n t r o l ，l i m i t e db a n d w i d t h ，l i m i t e de n e r g ya n do t h e r r e a s o n s ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m si na dh o cn e t w o r k s t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l y s t u d y sr o u t i n gp r o t o c o l s ，c l u s t e r i n ga l g o r i t h m sa n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e si na dh o c n e t w o r k s ，a n da c h i e v e ss o m ei n n o v a t i v er e s e a r c hr e s u l t s t h i sp a p e r sw o r ki n c l u d e s ： 1 c l u s t e r i n ga l g o r i t h mi sak e yt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c hc e n t r a li na dh o e n e t w o r k i nl a r g e - s c a l em a n e t ( m o b i l ea hh o cn e t w o r k ) ，c l u s t e r i n ga l g o r i t h m sc a n i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，w ep r o p o s ean e w m u l t i - h o pb a s e da l g o r i t h m t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ng e n e r a t ear e l a t i v e l ys m a l l n u m b e ro fc l u s t e r s ，w h i l et h es i z eo fc l u s t e ri s r e l a t i v e l yl a r g e ，s o a st os u p p o r t l a r g e - s c a l ea dh o cn e t w o r k s t h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a nu s et h e r o u t i n g i n f o r m a t i o nt oa d j u s tt h ec l u s t e rt o p o l o g y ，s oa st or e d u c et h ec o n t r o lo v e r h e a do f c l u s t e ra n de x t e n dt h es u r v i v a lt i m eo fc l u s t e rh e a d t h ep u r p o s eo fc l u s t e r i n g a l g o r i t h mi st oo b t a i ns c a l a b i l i t ya n de f f i c i e n tr o u t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ei nt h en u m b e ro fc l u s t e r sa n dt h e c o n n e c t i o nr a t e 2 a dh o cn e t w o r kr o u t i n ga l g o r i t h mi sa ni m p o r t a n tp a r to fa dh o cn e t w o r k ，i s t h ep r i m a r yp r o b l e mo fd a t ac o m m u n i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s ， t h ed e s i g no fr o u t i n ga l g o r i t h mi na dh o cn e t w o r ki sm o r ec h a l l e n g i n g ，t h e r e f o r e ，i t b e c o m e st h er e s e a r c hh o t s p o t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm a cl a y e rb a s e dl a b e l i v 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t s w i t c h i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h ep r o p o s e dp r o t o c o lu t i l i z e st h eh e a d e ro fm a c f r a m e t oc a l t ya c o m p l e t er o u t es e g m e n t ，s ot h a tt h ep r o c e s so fi n t e r m e d i a t ef o r w a r d i n go f d a t at r a n s m i s s i o ni sm a i n l yi nt h em a c l a y e r ，w i t h o u tr e q u i r i n gt h ei n v o l v e m e n to f t h en e t w o r kl a y e r i nt h i sw a y , t h ep r o c e s so ff o r w a r d i n gr e d u c e st h er o u t et a b l e s e a r c h i n gt i m ei nt h en e t w o r kl a y e ra n dt h ep r o c e s s i n gt i m eo fp a c k a g ed e c a p s u l a t i o n a n de n c a p s u l a t i o n ，c o n s e q u e n t l yr e d u c e st h et r a n s m i s s i o nd e l a y a l s o ，i tr e d u c e st h e r e s o u r c er e q u i r e m e n t so fn e t w o r ki n t e r f a c ec a r da n dh o s td u r i n gt h ei n t e r m e d i a t e f o r w a r d i n go fd a t at r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ha o d v a n dd s rp r o t o c o l ，t h ep r o p o s e dr o u t i n gp r o t o c o lh a sg r e a ti m p r o v e m e n ti nt h e p e r f o r m a n c e 3 t h i sp a p e rp r e s e n t sai m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o p o s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 t h e i m p l e m e n t a t i o nu s e sl i n u xa ss o f t w a r ep l a t f o r ma n du s e sa r md e v e l o p m e n tb o a r d w i t hs a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0c h i pa n du s bw i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c ec a r da sh a r d w a r e p l a t f o r m t h ei m p l e m e n t a t i o na c h i e v e st h eb a s i cf u n c t i o n so ft h ep r o p o s e dr o u t i n g p r o t o c 0 1 t h ep r o p o s e dr o u t i n gp r o t o c o li nt h i sp a p e rb e l o n g st o t h eo n - d e m a n d r o u t i n gp r o t o c o lw h i l et h ek e m e lo fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e md o e sn o ts u p p o r tt h e o n d e m a n dr o u t i n gp r o t o c 0 1 s ot h er o u t i n gp r o t o c o li n t h i sp a p e ri si m p l e m e n t e di n t h ed r i v e rl a y e ro fl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：a dh o cn e t w o r k ，c l u s t e r i n gp r o t o c o l ，r o u t i n gp r o t o c o l ，n e t w o r k s i m u l a t i o n v 浙江人学硕士学位论文作者简历及在学期间所取得的研究成果 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得滥姿盘鲎或其他教育机构的学位或 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谢意。 学位论文作者签名：王链词q 签字日期： 2o ，口年月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘茔 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 十 传刚 n 导师签名： 签字日期：1 0io 年多月7 口 签字口期：2 口，口年j 月 罗日 浙江大学硕上学位论文致谢 致谢 7 、- y q 值此论文完成之际，谨向所有关心、指导和帮助我的老师、家人、同学和所 有朋友表示衷心的感谢! 回顾论文的完成过程及三年的硕士研究生学习生活，我一直得到导师徐元欣 副教授的悉心指导。导师渊博的知识、严谨的治学态度、对问题敏锐的洞察力、 开阔的视野、高尚的人格，这些都是我研究生期间得到的最为宝贵的精神财富， 必将使我终身受益。从生活到学习，导师都给了我无微不至的关怀，在此学业完 成之际，谨向导师表示深深的敬意和由衷的感谢。他不仅使我在学业上学有所成， 而且使我懂得了对待生活、工作的态度。 感谢陈晓东、董玲、彭曦、翁维茜、张骋、朱帅等师兄师姐，他们的广博知 识让我敬佩，感谢他们在学术以及其他方方面面对我的帮助和鼓励。 感谢王洋、刁世斌、麻敏觉、刘云峰、梁书成、于强、章翠枝等我的实验室 同学，两年来一直和他们融洽地合作，使我得到了更大的进步，那些和你们一起 奋斗的日子令人难忘。 感谢王星、陈琴琴、金煦、付涛、李雪娇、郭洪志等同学在项目研究期间给 予的无数帮助，感谢所有的实验室的同学! 借此机会，向所有给我授课的老师、余燕萍老师、以及各位师兄师姐、师弟 师妹们表示谢意。 最后，我还要感谢我的家人，正是由于他们的鼎力支持、鼓励及耐心，才使 我能够安心并顺利完成学业，在此对家人深表感谢，他们永远是我前进道路上最 大的支持和最坚强的后盾1 2 0 10 年1 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文绪论 第一章 本章简要介绍a dh o e 网络的历史背景， 时给出本文的主要研究工作和内容安排。 绪论 提出本论文的研究目的和意义，同 1 1研究背景 随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对通信的需求越来越多，对通信的要求也 越来越高，现有的有线网络已经不能完全满足人们对随时随地自由通信的需求。 人们希望在任何时候、任何地方、与任何人都能及时地通信，这促进了无线网络 技术的发展。目前存在的无线网络主要是基于固定基础设施的网络，例如典型的 无线局域网( w l a n ) 。然而w l a n 还无法满足人们希望的随时随地及时通信的要求。 a dh o e 网络作为一种无固定基础设施的无线网络，因其自组织自管理、组网速 度快、无固定基础设施要求、节点可以任意移动等特点，近年来成为研究的热点 和未来的发展趋势n 5 4 2 1 。 a dh o c 网络是一种没有预定基础设施支撑的自组织可重构的多跳无线网 络。在a dh o c 网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务的模式是随节点的移动 而动态变化的。a dh o c 网络可以快速地为民用和军事应用建立通信平台。a da o c 网络应用需求最初在军事领域，现在在民用和其它专用市场的应用也很广，主要 包括以下几个方面：移动会议、家庭网、紧急服务、传感器网络、个人域网络、 蜂窝移动通信系统的多跳增强h 柏。 a dh o c 网络无需固定的网络基础设施，由无线移动节点自动形成网络，网 络中的节点如果不能互相覆盖，就需要通过中间节点的多跳转发，从而整个网络 采用多跳转发的组网方式来进行通信。路由协议用来建立从源节点到目的节点的 可达路径。a dh o c 网络的动态拓扑结构、有限的能源、可能存在的单向网络链 路、有限的带宽等特点，使得路由协议的设计非常具有挑战性。鉴于路由协议的 重要性，该领域一直是a dh o c 网络最为活跃的研究领域d h 钔。传统的距离矢量路 由协议n 们和链路状态路由协议n 刀直接用于网络拓扑动态变化的a dh o c 网络，存 在以下严重问题n ：路由不能收敛、出现路由环路、有限的带宽资源和有限的节 点电池能量大部分都被路由控制消息所消耗。在此基础上，适应网络拓扑的动态 变化、减小路由控制开销的按需路由协议n3 1 成为a dh o c 网络路由研究的重点。 浙江人学硕士学位论文绪论 a dh o c 网络的拓扑结构可分为平面结构和分层结构，相应地可以将a dh o e 网络路由协议分为平面结构的路由协议和分层结构的路由协议。分层结构的路由 协议又可以称为分簇式路由协议。基于分簇的路由协议通过分簇网络结构可以减 少由于簇内拓扑变化对路由算法的影响和路由发现过程中的控制开销。到目前为 止，很多人对路由协议依赖的分簇算法进行了大量的研究，并取得了一些成果， 但依然存在一些不足。 1 2 研究内容和本文所作的工作 在有线网络中，路由技术就是关键技术之一。在a dh o c 网络中，由于网络 节点可移动性，节点随时可以随时离开网络，网络拓扑结构也因此不断改变，因 此网络拓扑更具有动态性，相应的路由或交换协议也需要适应这种动态变化的情 况。另外能源供应对a dh o c 网络来说应该是最大的挑战，由于能源供应有限， 因此网络中的节点需要从方方面面考虑节能，路由或交换协议作为协议层模型中 必需的一个功能，自然也需要考虑能耗问题；同时a dh o c 网络中的某些应用对 网络中的传递时延有一定要求。本论文将综合考虑以上两方面的因素，从减少占 用n i c 资源和主机资源的角度，提出一种基于m a c 层的交换方法。提出的交换方 法需要m a c 层的支持，所以本论文还对m a c 进行了相应的研究，使m a c 层能更好 的支持提出的交换方法。 在有线网络中，网络的规模可以通过增加路由器级别或者增大网络带宽来 扩展。而在a dh o c 网络中，网络的带宽是有限的，每个节点既是主机又是路由 器，无法通过增加路由器级别的方式来扩展路由n 8 2 町n 1 1 。而且相关论文证明在动 态的大规模a dh o c 网络中，平面结构的路由协议性能比较差n0 1 h 。所以在a dh o c 网络中需要进行分簇，以扩展网络的规模，同时也方便网络的管理。本论文提出 了一种基于多跳的分簇算法。提出的分簇算法中，簇头间跳数较大，每个簇的节 点数量比较大。 基于m a c 层的交换方法的路由协议利用m a c 帧头来携带路由，能够携带的 路由长度是受限的，该路由协议能够支持的网络规模也是受限的，因此需要提出 分簇算法来扩展基于m a c 层的交换方法的路由协议。 为此本论文将主要研究： 2 浙江大学硕士学位论文绪论 ( i ) 研究在m a c 层实现低能耗和低时延的交换技术和相应的协议。a dh o e 网络具有独立组网、无中心、多跳路由、动态拓扑、能源有限、带宽受限、安全 性差等特点，这些特点使得a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方 面都与普通的移动通信网络有着显著的差别。要实现数据的多跳转发，必须要有 路由或交换协议的支持，因此路由和交换技术一直是a dh o c 网络中的研究热点。 如果在a dh o e 网络中承载多媒体应用，则对时延有较高的要求。而有效的路由 和交换技术对于降低时延、能源消耗、其他资源的占用非常关键，如何很好地解 决这些问题目前还是a dh o c 网络中的技术难点之一因此本论文着眼于低能耗 和低时延，研究在m a c 层实现交换的技术。 为此，在保持原有的i e e e8 0 2 1 1m a c 层帧结构基本不变的前提下，充分 利用m a c 帧头的4 个地址段携带数据转发路径信息，这样实现数据包在m a c 层进 行交换，而不需要每次都将数据包从m a c 层递交给网络层，经过路由寻找，然后 再将数据包传递给m a c 层，从而大大降低节点的处理时延，减少占用处理机资源， 降低能源消耗。为了更好地在m a c 层实现数据交换，需要使用长度较短的标签， 因此还需要研究标签表示方法，标签的分配方法，以及标签与m a c 地址、i p 地 址的映射方法。 ( 2 ) 研究与m a c 层交换技术对应的网络分层结构。由于m a c 帧结构中的4 个地址段还是有限的，不分层的平面式网络结构会存在无法携带路径上所有节点 的地址信息的情况，因此所以需对网络进行分层，分段携带路径信息，如何合理 安排网络分层结构就非常必要。本论文研究分层结构中分簇的方法，簇的规模， 簇头节点的数量和位置。 ( 3 ) 研究与上述m a c 层交换技术适配的网络层协议。交给m a c 层的交换路 径需要由网络层完成寻找，所以为了配合m a c 层的交换，还需要研究路径寻找的 方法，路径找到以后需要交给m a c 层。在网络层协议中主要解决路径寻找和如何 与m a c 层适配的问题。 1 3 本文的组织结构 本文所做的工作有四个方面： 1 对现有的m a c 协议、分簇算法和路由协议进行了研究。这部分包括对a d 3 浙江大学硕士学位论文绪论 h o c 网络的基本概念、特点和体系结构的学习，对8 0 2 1 1 协议，几种典型的路 由协议和分簇算法进行了深入学习。 2 提出了一种新的分簇算法一一a dh o c 网络中基于多跳的分簇算法。这种 分簇算法生成的网络中簇头间的距离较大，从而可以生成比较少的簇，并能更好 的支持大规模的网络。同时通过路由信息来调整拓扑结构，从而延长簇头的生存 时间和减少簇的维护开销。 3 提出了一种新的路由协议一一基于m a c 层标签交换的路由协议。这种路由 协议用8 h i t s 的标签来标识节点，通过m a c 帧的地址域来携带标签路由，从而让 数据包的传输过程仅通过的中间节点的m a c ，而不用通过i p 层。理论分析和仿 真结果表明，相对于经典的按需路由协议a o d v 和d s r ，这种路由协议大大提升 了网络各方面的性能。 4 研究了在l i n u x 平台上如何实现a di t o c 网络中的按需路由协议的问题。 设计了一套实现本文提出的路由协议的基本功能的方案。并介绍了开发的基本问 题。 本文的主要内容安排如下： 1 第二章主要是对a dh o c 网络进行了介绍，首先介绍了a dh o c 网络的基 本概念和特点；然后阐述了a dh o c 网络的路由协议的基本内容以及分类和典型 算法，并对不同类型的算法进行了相应的分析和比较。 2 第三章首先概述了a dh o c 网络中的分簇算法以及分类和典型算法，然后 提出了一种新的分簇算法。介绍新算法的原理和工作机制，对提出的分簇算法进 行了仿真实现。 3 第四章提出了一种新的路由算法。介绍新算法的原理和工作机制，对提 出的算法进行了仿真实现，同时结合a o d v 、d s r 进行了性能的对比分析。 4 第五章提出了硬件实现路由协议的方案，并对硬件部分和开发流程做了 介绍，最后介绍了在驱动程序实现路由协议过程中遇到的问题。 4 浙江火学硕士学位论文a dh o e 网络和路由协议 第二章 a dh o e 网络和路由协议 本章介绍了a dh o c 网络的基本概念和特点，然后阐述了a dh o c 网络的路由 协议的基本内容以及分类和典型算法。 2 1a dh o c 网络概述 “a dh o c ”一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地”的意思。“a dh o c 技术”是指一种特殊的无线移动网络构架技术，强调多跳、自组织、无中心的概 念，所以基于a dh o c 技术的移动a dh o c 网络也被称为“多跳无线网( m u l t i h o p w i r e l e s sn e t w o r k ) ”、“无线自组网( w i r e l e s ss e l f o r g a n i z e dn e t w o r k ) 、“分 组无线网( p r n ，p a c k e tr a d i on e t w o r k ) ”、“无基础设施网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s s n e t w o r k 尸等等n l u 4 2 1 。 2 1 1 a dh o c 网络的定义 a dh o e 网络是一种特殊的新型无线移动网络，它把移动通信和计算机网络 结合在一起，能够快速部署，运行时不依赖基站等固定通信设施，网络节点是可 以移动的便携式通信终端，网络中的信息交换采用计算机网络的分组交换机制。 目前关于a dh o e 网络的定义不统一，常见的两种定义如下： ( 1 ) a dh o c 网络是由和主机结合在一起的移动路由器通过无线链路联结而 成的、以随机图的形式出现的自治系统。移动路由器能够自由运动并以任意方式 进行组织，因此，网络的拓扑会以不可预测的方式迅速变化。 ( 2 ) a dh o c 网络由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临 时性自治系统。在这种环境中，由于节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直 接通信的移动节点可以借助其它节点进行分组转发实现数据通信。 从上述两个定义可以看出，a dh o c 网络的定义包括了无线通信、移动节点、 自治系统等基本要素。 2 1 2a dh o c 网络的体系结构 由于所特有的移动性、自组织性等性质，a dh o c 网络的体系结构与传统网 络的体系结构有所不同。 ( 1 ) a dh o c 网络的节点结构 浙江大学硕上学位论文 a dh o c 网络和路由协议 a dh o e 网络的节点不仅需要作为终端完成应用层的业务，还要作为网络路 由器中继转发其它节点的分组，因此，节点是主机、路由器和无线收发设备的组 合体，通常包括主机、路由器、电台三部分。其中主机部分由外置计算机或者嵌 入式计算机组成，主要完成数据处理等移动终端的功能；路由器部分负责网络拓 扑结构的维护、路由信息的维护、分组的转发；电台部分作为无线接口，负责收 发数据包。在物理结构上，根据电台和主机的关系，如图2 - 1 所示，节点可以分 为四类：单主机单电台，单主机多电台，多主机单电台，多主机多电台。手持设 备一般是单主机单电台结构；复杂的车载台由于带有多个主机，可能采用多主机 单电台或多主机多电台的结构。 单主机单电台单主机多电台多主机单电台 图2 1 a dh o c 网络的节点结构 ( 2 ) a dh o c 网络的网络结构 ，。1 一 面赢 多主机多电台 a dh o c 网络的网络结构酷5 1 可以划分为两类：平面结构( 见图2 - 2 ) 和分层 机构( 见图2 - 3 ) 。 、0 、 l i 蛩2 - 2a dh o c 网络的平面结构 6 0 釜 下点 无线链路 盎南 ， 口 釜鹫殂掣囡南塞 浙江大学硕士学位论文 a dh o e 网络和路由协议 ( a ) 单信道分层结构 ，- p ，一。- - ， 、 器j 、卜。i 嘭二7 r 一、 ， l 高层：一 口 0 口 o 簇头 簇成员 网关 簇 信道1 信道2 簇 簇头 簇成员 ( b ) 多信道分层结构 图2 - 3a dh o c 网络的分层结构 在平面结构中，网络中的所有节点处于相同的平等地位，不存在任何的等 级和层次差异，所以也被称为对等式结构或者完全分布式结构。在a dt t o c 网络 中，平面结构的网络相对比较简单，无需进行任何结构的维护工作；在数据通信 中，通过源节点与目的节点之间存在的多条路由，不仅可以均衡负载，而且还可 以针对不同的业务，提供不同的路由；网络节点的地位平等，不易产生瓶颈效应， 因此具有较好的健壮性；同时网络中节点的覆盖范围相对较小，因此相对较安全。 然而，平面结构网络的最大缺点在于网络规模受限，因为每个节点都必须保持到 达所有节点的路由，随着节点的加入和离开，以及节点自身的移动性，需要大量 的控制消息来维护网络的动态变化，因此网络规模越大，网络拓扑的维护开销就 越大n 们1 1 。平面结构网络的可扩展性不强。 在分层结构网络中，由于节点间存在等级差异，因此也可以称为分级网络。 网络一般以簇的形式存在，所谓簇，就是具有某种关联的网络节点组成的集合。 浙江大学硕士学位论文a dh o c 网络和路由协议 在簇内，通常有一个根据一定规则生成的、被称为簇头的节点，用于管理簇；除 了簇头节点外，簇内的其它节点可以被称为成员节点，簇头节点与成员节点相比， 具有较高的等级。多个簇的簇头节点形成高一级的网络，在高一级的网络中，又 可以再分簇，形成更高一级的网络。在a dh o c 网络的分层结构中，根据通信信 道的不同，可以划分为单信道分层结构和多信道分层结构。单信道分层结构中只 有一个无线通信信道，所有节点使用同一个信道通信；而在多信道分层结构中， 不同层采用不同的无线信道，其中低层节点的通信范围小，而高层节点的覆盖范 围较大。高层的节点同时处于多个层中，使用不同的信道来实现不同层的通信。 分层结构的网络和平面结构的网络相比，网络的可扩展性好，可以通过增 加簇的个数或层次来提高网络的容量h5 1 。分层结构使路由信息局部化，簇内节点 无须知道其它簇的拓扑结构，从而减小了路由控制报文的开销。尽管簇头节点较 为复杂，负担比较重，但是总体而言，当网络规模较大时，分层结构网络产生的 路由开销比平面结构网络小得多。 ( 3 ) a dh o c 网络的分层模型 t c p i p 体系结构模型和a dh o c 网络的层次模型对比，如图2 - 4 所示。 图2 4a dh o c 网络的体系结构图 物理层完成无线信号的编解码、调制解调、加解密，发送和接收等任务， 浙江大学硕士学位论文 a dh o e 网络和路由协议 并决定采用哪种移动模型、无线信道传输模型和无线扩频技术；链路层的m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，媒体接入控制) 子层控制移动节点对共享无线信道 的访问，它可以采用随机竞争机制、基于信道划分的接入机制、轮转机制或动态 调度机制；链路层的l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 子层负责数 据流的复用、数据帧的检测、分组的转发确认、优先级排队、差错控制和流量 控制等；网络层可以使用i p v 4 、i p v 6 协议或者其他网络层协议来提供网络层数 据服务，并且需要完成邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连等功能；传输 层用于向应用层提供可靠地端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并根据网络 层的特性来高效地利用网络资源，特别当a dh o c 网络需要接入i n t e r n e t 等外部 网络时，尤其需要传输层协议的支持；应用层协议用于提供面向用户的各种应用 服务。节能机制、安全机制和q o s 保证机制涉及到网络的各个层面。a da o c 网 络中还包括分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、服务发现等功能。 2 1 3a dh o e 网络的主要特点 表2 - 1 h oh 0 c 网络与现有无线网络的主要区别 现有无线网络 a dh o c 网络 无线网络结构有中心，单跳无中心，多跳 拓扑结构固定动态建立、动态变化 有无基础设施支持 有无 安全性和服务质量 较好较差 配置速度慢 快 生存时间 长短 路由选择和维护 容易困难 网络健壮性 低高 研究重点物理层和链路层 协议的所有层 中继设备基站和有线骨干网无线节点和无线骨干网 基站有多部收发信机，全双无线节点通常只有一部 中继节点的特点工方式通信，有专用硬件，收发信机，半双工方式工 易于实现全网同步作，不易实现全网同步 9 浙江人学硕士学位论文 a dh o c 网络和路由协议 由基站集中负责，无线节点由无线节点本身负责， 无线节点的控制管理必须先与基站通信，再通过通常采用分布式方式 基站与目的节点通信 与普通的移动网络和固定网络相比，h dh o c 网络具有表2 - 1 所示特点，归 纳如下： 1 多跳：由于节点的发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的。当节点 要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。这种多跳转 发是由普通节点( 而不是专门的路由设备) 完成的。使用多跳路由，节点的发射 功率可以很低，从而达到节省电池、延长电池工作的目的。同时，多跳的特点给 工作在同频共享时分复用信道的a dh o e 网络带来了“隐藏终端”，“暴露终端” 等问题，对网络性能造成严重影响。 2 动态拓扑：动态变化是h dh o c 网络的一个显著特点。移动终端可以以任 意的速度和任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道 间的相互干扰因素、地形因素等的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结 构随时都会发生变化。 3 网络的自组性：h dh o c 网络可以在任何时刻、任何地方构建不需要现有 的基础网络设施的支持，通过节点间的自我组织，形成一个自由移动的通信网络。 4 网络的分布式：a dl t o c 网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能， 不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式，增 强了网络健壮性。 5 有限的无线传输带宽：无线信道本身的物理特性使h dh o c 网络的网络带 宽相对有线方式要低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰 撞、阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。 6 移动终端的局限性：h dh o c 网络中的移动用户终端内存小c p u 处理能 力低，所带电源有限，影响了网络的寿命和性能。 7 可扩展性不强：由于采用t c p i p 协议中的子网技术使得i n t e r n e t 具有网 络的可扩展性，而h dh o e 网络动态变化的拓扑结构使得子网技术所带来的网络 可扩展性不能得到应用。同时，由于受到多跳属性和网络传输带宽的限制，节点 数目的增加与端到端时延增加、分组传递率下降间的矛盾严重影响了a dh o c 网 1 0 浙江人学硕士学位论文 a dh o c 网络和路由协议 络的可扩展性。 8 单向无线信道的存在：在采用无线信道的自组网环境中，由于各个无线终 端发射功率不同以及地形环境的影响可能产生单向信道。 9 安全性差：a dl t o c 网络是一种无线方式的分布式结构，所以更加容易被窃 听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。而且，传统网络中的许多安全策略和机制将 不再适用。 10 较短的生存时间- a dh o e 网络多用于战场、救灾等特殊场合，通常是由 于特定原因而临时构建的，使用后网络环境自行消失。因此，对比固定网络而言， a dh o c 网络生存时间较为短暂。 a dh o e 网络的最本质的特点是“多跳、动态拓扑”，这是与i n t e r n e t 、蜂 窝网和无线局域网等网络的明显区别。 2 1 4a dh o e 网络的关键技术 a dh o e 网络的无中心、自组织、多跳路由等特点使得它面临传统i n t e r n e t 及无线网络所没有的技术挑战： ( 1 ) 信道接入控制 m a c 层提供共享媒介访问控制功能。a dh o c 网络的无线信道不同于普通网 络的点对点信道、以太网中的共享广播信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的 点对多点无线共享信道，它是多跳共享的无线广播信道。这种信道一方面具有空 间复用特性，充分利用该特性可以提高信道利用率，另一方面存在隐藏终端和暴 露终端问题k 们，引发分组冲突，致使信道利用率下降。多节点共享一个信道，有 时会造成某些节点比另外一些节点使用资源多得多的现象，造成信道使用的不公 平性。因此在解决多个节点公平地接入共享信道的基础上，尽量提高信道利用率 是a dh o c 网络信道接入控制协议的基本要求。同时，a da o c 网络节点利用电池 供电，节省电池能量就是延长节点生命期，节能也是信道接入控制协议不可忽视 的问题。而a dh o e 网络的无中心组网、多跳共享信道、拓扑动态变化等特点使 得上述目标难以实现。如何在分布式模式下设计高效、公平、节能的m a c 协议成 为m a c 层研究的重点。 ( 2 ) 路由 路由是网络层的重要功能。a dh o c 网络采用多跳转发方式。路由协议用来 浙江大学硕士学位论文a dh o c 网络和路由协议 建立从源节点到目的节点之间的可达路径，是数据通信的前提。网络拓扑频繁又 不可预测的变化给路由协议带来了前所未有的困难和挑战。鉴于路由协议的重要 性，路由协议一直是a dh o c 网络中最为活跃的研究领域。传统的距离矢量和链 路状态路由协议如果直接用于网络拓扑高度动态变化的a dh o c 网络，存在以下 严重问题：路由不能收敛、路由环路、大量路由控制消息消耗有限带宽资源和节 点有限电池能量。针对a dh o c 网络特点，路由协议设计的主要要求包括：能够 适应网络拓扑动态变化、尽可能减小路由控制开销、路由计算简单、对硬件资源 要求低、具有可扩展性等。 ( 3 ) 可靠传输 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。t c p 是一 种面向连接的可靠传输层协议，提供基本拥塞控制以确保可靠的数据包发送。t c p 最初是针对有线网络设计的，由于有线网络链路可靠性高，传统t c p 认为丢包是 由网络拥塞所导致。在a dh o c 网络中，无线链路高误码率和节点移动会导致丢 包，多路径路由和节点移动切换会导致乱序。如果不加改进地把传统t c p 应用于 a dh o c 网络，它会把非拥塞乱序和包丢失也当作是网络拥塞标志，从而错误地 进入拥塞控制，这将导致严重的性能问题。 ( 4 ) 节能 a di - i o c 网络的节点通常采用电池供电。降低能量消耗，对增加节点使用时 间、延长网络生命期具有重要意义。节能问题涉及网络各层：硬件层次包括采用 低功耗c p u 、低功耗硬盘、低功耗显示部件等。物理层调整节点发射功率，在维 护链路连通性基础上尽量以最低功耗发送和接收数据。m a c 层可