（信号与信息处理专业论文）manet实验床的设计与实现.pdf

中文摘要 随着网络和通讯技术的发展，便携式无线设备越来越多的出现在 曰常应用中。无线通讯应用领域正经历着飞速的发展，a dh o c 无线移 动网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 由于其灵活性和实用性近年来受 到越来越多的关注。a dh o c 网络路由协议的提出及相关的性能分析 评价也是目前学术界的研究热点。移动a dh o c 网络实验床对a dh o c 网络路由协议的开发有着重要作用。 根据设计方法学的低代价高性能的要求，本文设计建立了一个适 用于多种实验环境，具有较强可控性的m a n e t 实验床。该实验床由无 线和有线设备共同组成，包括无线接入点，移动终端，l r p 路由器等 设备。 网络测量技术对于网络性能评价和网络协议的开发来说至关重 要。本文介绍了网络测量技术的原理、分类和工具，并着重介绍了两 种主要的网络测量方法：主动测量和被动测量。m a n e t 实验床集成了 p a t h c h a r 。i p e r f ，t c p d u m p 等网络测量工具，应用这些测量工具对无 线网络有效带宽和其他网络参数进行了测量，据此对实验床进行了性 能评价。 论文对a dh o c 网络路由协议进行了综述。介绍了网络路由协议的 分类以及a dh o c 网络的一些专用路由协议，着重介绍了a dh o e 网络 协议中具有相对较优性能的d s r 和1 0 d m r p 路由协议的机制。并将o d m r p 等单播和组播路由协议应用于实验床，通过测量对协议做出了性能评 价。在分析测量结果的基础上，对组播路由协议o d m r p 提出改进方法， 使其更适应于a dh o c 网络。 关键词： m a n e t 瓶颈带宽 自相似 实验床 主动测量 组播 网络测量 被动测量 o d m r p a b s t r a c t w i t nt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fn e t w o r ka n dt e l e c o m m u n i c a t i o n m o b i l ew i r e l e s s e q u i p m e n t s a r e w i d e l y u s e d t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sf i e l di sn o w e x p e r i e n c i n gf a s td e v e l o p m e n t ，a n dm o b i l e a dh o cn e t w o r ki sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o m p e o p l e d u et oi t s f l e x i b i l i t y a n d u t i l i t y c o n v e n i e n c e t h e p r e s e n t i n g a n d p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fa dh o cn e t w o r kp r o t o c o la r ed o n ei nr e s e a r c hf i e l d m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) t e s t b e di si m p o r t a n tf o ra dh o c n e t w o r k p r o t o c o ld e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n to fl o wc o s t a n dh i g he m c i e n c y , a m a n e tt e s t b e di s d e s i g n e d i t i ss e tu p b yw i r e l e s sa n dw i r e d e q u i p m e n t si n c l u d i n gw i r e l e s sa c c e s sp o i n t ，m o b i l et e r m i n a l ，l r p r o u t e r a n ds oo n t h e t e c h n o l o g y o fn e t w o r km e a s u r e m e n ti s v e r yi m p o r t a n t f o r n e t w o r kp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n dn e t w o r kp r o t o c o ld e v e l o p m e n t i n t h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e s ，c l a s s i f i c a t i o na n dt o o l so fn e t w o r km e a s u r e m e n t a r ei n t r o d u c e d t h e nt w om a i n t y p e so f n e t w o r km e a s u r e m e n t s t h ea c t i v e m e a s u r e m e n ta n dp a s s i v em e a s u r e m e n t ，a r ed i s c u s s e d t h em a n e t t e s t b e d i n t e g r a t e s t h en e t w o r km e a s u r e m e n tt o o l s t o g e t h e r , s u c h a s p a t h c h a r , p a t h r a t e ，i p e r f a n d t c p d u m p t om e a s u r et h eb o t t l e n e c k b a n d w i d t ha n do t h e rn e t w o r kp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n t r e s u l t ，w ee v a l u a t et h et e s t b e dp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ea d h o cn e t w o r k r o u t i n gp r o t o c o li sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h ec l a s s i f i c a t i o no fn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l sa n dt h ee x c l u s i v er o u t i n g p r o t o c o l sf o ra d h o cn e t w o r kw e r ea l s oi n t r o d u c e d t h em e c h a n i s mo f d s r ( d y n a m i c s o u r c e r o u t i n g ) a n do d m r p ( o n - d e m a n dr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) a r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l f u r t h e r m o r et h eu n i c a s ta n dm u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c o l si n c l u d i n go d m r p a r ea p p l i e do nt h em a n e tt e s t b e d b a s e do nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，s o m es u g g e s t i o n sa r em a d e t oi m p r o v e t h ee m c i e n c yo ft h eo d m r ps ot h a ti t c a nb em o r ea d a p t i v et o t h e c h a r a c t e r i s t i c so f a na d h o cn e t w o r k k e yw o r d s ：m a n e t n e t w o r kt e s t b e dn e t w o r km e a s u r e m e n t b o t t l e n e c ka c t i v e m e a s u r e m e n t p a s s i v e m e a s u r e m e n t s e l f - s i m i l a r i t y m u l t i c a s to d m r p i i 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盔姿态茎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己在沦文中 作了明确的院明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 签字f 1 期：年月日签字日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线计算机网络技术概述 i n t e r n e t 的高速普及与多媒体技术的飞速发展，使用户对带宽的要求愈来愈 高，有线接入手段无法跟上发展的速度：传统的铜线电缆已不能完全满足传输的 要求，如果添加额外的调制和压缩设备，成本又往往是用户所不愿意负担的；全 光缆网络是比较完美的解决方案，但对基础网络的要求过高，即使在发达国家也 还需要一段时间才能实现；折衷的光纤电缆混合方案( h f c ) 在很多国家并不适合， 因为光纤与电缆往往掌握在不同的部门手中，由于法规的限制及各自利益的保 护，混合使用难于实现。 而随着无线通信技术的迅速发展，以高速率、易建设、见效快为特点的无线 接入技术已经成为技术热点，并且正逐步从技术热点向应用热点转化。目前，已 有的无线接入技术有8 0 2 1 1 协议族标准的无线局域网技术，本地多点分配业 务一- - l m d s ，蓝牙，还有无线a t m 技术等。它们各有优略，分别应用于不同的场 合。 1 1 1 无线局域网技术 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无 线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通 信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e an e t w o r k ，w l a n ) 就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令 牌网络的功能。 在同一建筑物之内，无线局域网使得计算、协作无论在有线或者移动状态下 都能进行。只要在笔记本或手持式p c 上安装p cc a r d 适配器，用户就能够在办 公室内自由移动同时保持与网络的联结。将无线局域网技术应用到台式机系统， 具有传统局域网无法比拟的灵活性。桌面用户能够安放在缆线所无法到达的地 方，台式机的位置能够随时随地进行变换。 1 9 9 7 年由大量的局域网以及计算机专家审定通过了i e e e8 0 2 “标准。i e e e 8 0 2 1 1 规定了无线局域网在2 4 g h z 波段进行操作，这一波段被全球无线电法规 实体定义为扩频使用波段。而目前应用最广泛的是1 9 9 9 年修订的i e e e 8 0 2 1 l b 标准，它从根本上改变w l a n 的设计和应用现状，扩大了w l a n 的应用领域，i e e e 8 0 2 11b 采用2 4 g h z 频带和补偿编码键控( c c k ) 调制方式，c c k 来源于直接序列 第一章绪论 扩频技术。多速率机制的介质接入控制( m a c ) 确保当工作站之间距离过长或干 扰太大、信噪比低于某个门限时，传输速率能够从l i m b p s 自动降到5 5 m b p s ， 或者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和1 m b p s 。8 0 2 1 1 b 采用直接序列扩频 技术，无须直线传播。当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b s 、 2 m b s 和1 m b s 。另外，8 0 2 1 1 b 支持的使用范围在室外为3 0 0 米，在办公环境 中最长为1 0 0 米。8 0 2 1 l b 使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供 可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。现在，大多数厂商生产的w l a n 产品都 基于8 0 2 1 l b 标准。旅馆、会议中心和机场已经开始建立8 0 2 1 l b 网络，通过这 一网络可以让人们使用同一种网卡访问局域网和广域网。 2 0 0 1 年11 月1 5 日，i e e e 试验性地批准一种新技术8 0 2 1 1 9 。该技术使无线 网络传输速率可达5 4 m b p s ，是8 0 2 1 1 b 的5 倍，并且和8 0 2 1 l b 兼容。这意味 着，最终用户将能以5 4m b p s 的高速通过无线方式接入互联网，并使用今后推出 的多媒体和即时视频服务。无线局域网的新标准还考虑了q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 。可以预见，随着8 0 2 儿g 标准的推出，无线局域网的时代即将来 临。 无线网络技术和移动性相结合才可以充分显示无线网络的优越性，这一优点 也使无线网络越来越受欢迎。无线移动网络可以分为两类。第一类是有基础设施 的( i n f r a s t r u c t u r e d ) 网络，即依赖于固定有线网关的网络。这种网络中有线 与无线部分的桥接也称为“基站”。网络中的移动单元直接与其通讯半径之内的 最近基站连接与通讯。当该移动单元离开了某基站的通讯范围而进入另一基站 的通讯范围时，原基站与新基站之间要进行交接( h a n d o f f ) ，从而移动单元可以 不受妨碍地继续网络通讯。第二类无线移动网络是无基础设施的网络，通常称为 a dh o c 网络。a dh o c 移动网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 是若干无线移动节 点的集合，这些节点动态地任意移动，它们之问的链接可以随时问连续变化，网 络不依赖于建设好的基础组织，不存在集中式的网络管理。这个无基础组织的网 络中不存在固定的路由器；所有的节点都是可移动的，并且可以动态地自由连接。 每个节点都具备路由功能，负责发现并维护通往其它节点的路径。 与单跳的蜂窝网络不同，a dh o e 网络中无线节点之间通过多跳的无线连接 进行通信。并且a dh o c 网络带宽较窄，无线信道质量不稳定，网络拓扑变化频 繁，因此必须改进无线网络路由协议，使其能够快速生成新路径的同时还要节省 对a dh o c 网络资源的使用。 a dh o c 网络适用于临时组网，或布线不便的情况，例如紧急搜索救援行动： 军事活动：各种比赛赛场的临时组网；人们希望快速交流信息的会议：不适合居 住地区的数据获取；不适合布线的楼宇等。 筇一章绪论 。1 2 蓝努技术 箍牙酶载频采用在全球都可臣使用的2 4 g h zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c e m e d i c a l ) 频带，其收发信机采用跳频扩谱技术，校2 4 g h zi s m 频带上以伪随 梳方式，按1 6 0 0 魏秽的速率，在总计7 9 个频率上进行魏转( 臣2 ，4 0 1 h 为中 心频率，最多可以得到7 9 个1 m h z 带宽的信邋) 。可以有效地防止信号干扰和减 弱，也是一个重要的安全特性。 蓝牙支持点到点和点到多点魄连接，可采用无线方式把若干蕊牙设施连成微 微网( p i c o n e t ) 。蓝牙标准允许若干微微网互联成特殊分散网 ( a d h o c s c a t t e r n e t ) 。蘸牙模块竞诲产生l 念主设藏和7 套扶设施，l 台这蟮的 从设施自己又可成为另外7 台从设施的主设施，每分散网内可以有8 0 台设施。 麓牙可馥甜鸯疆弱大量豹设施串去，如移籀电话、p d a 、笔记本、台式极、大 门的访问控制、访问通行证和固定电话等。在l o m 范围内，它们可以进行无线语 音及数据信息传输，配合专用放大器，收发范围可逅达i o o m ，当蓝牙同w l a n 、 g s m ( g l o b t es y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i e a t i o n ) 、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) 等融合时，则为全连通( t o t a lc o n n e c t i v i t y ) 铺平道路。 鑫予无线弱域爨帮蘸矛图样郑镬用t8 0 2 1l b 郝镬鼹2 4 g h z 频率铸辕数据， 两种方式存在电波相关干扰问题。当二者相口最较近时，常常会发生两者数据传输 速液洚低等游题。毽是遴过对通痿怠实 亍分嚣控翻窝对调频带窝送行隈斜鼹方 法，无线局域网和蓝牙之间的干扰问题已经慕本解决。另外无线局域网和蓝牙也 已经桥接成功。程未来，二者将一同工作。 1 1 3 本地多点分配业务一- - l m d s l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n to i s t r i b u t es e r v i c e ，本地多点分配业务) 是 秘巍新的宽繁无线接入技术，在不同因家或地区，魄信管理部门分配绘l m d s 的 具体工作频段及频带宽度有所不同，其中大约有8 0 左有的国家将2 7 5 g h z 2 9 。5 g h z 定为l m d s 频段。善遂的无线褛入系统都是窄带系绞，王 睾在4 5 0 m h z 、 8 0 0 m h z 等频段针对低速的语音和数据业务。而l m d s 属于无线固定接入手段， 它的最大特点在予其宽带特性，l m d s 工律农2 4 3 8 g h z 颥段，一般在奄米波的 波段附近，可用频谱往往达到i g h z 以上。 由于该技术利用高容量点澍多点微波传输，通过毫米波进行传输，它几乎可 以撼拱任傅种类鲍业务，支持双趣话音、数据及视频图像业务，能够实现从 5 4 e b p s 到2 m b p s ，甚至高达1 5 5 m b p s 的用户横入速率，具有很高的可靠性，被称 第一章绪论 为是一种“无线光纤”技术。l m d s 系统可以提供高质量的话音服务，而且没有 时延。系统可提供标准接口，如r j ll 等；l m d $ 的数据业务可以包括低速数据 业务、中速数据业务和高速数据业务。具体速率可支持1 2 k 1 5 5 m b p s ，并支持 多种协议，包括帧中继、a t m 、t c p i p 等：并支持m p e g2 等标准。l m d s 还可支 持模拟和数字图像业务。由于l m d $ 具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提 供多种宽带交互式数据及多媒体业务，克服传统本地环路的瓶颈，满足用户对高 速数据和图像通信嗣益增长的需求，因此是解决通信网接入网问题的利器。 1 1 4 无线a t m 技术 无线a t m 技术工作频段为5 8 g h z 或5 3 g h z ，克服了2 0 g h z 以上频段受环境 和地形影响严重的缺点基站的全天候覆盖范围为5 公里，空间采用a t m 信元的 传输方式，多用户共享带宽，用户接入单元的最大带宽为2 5 m b p s 。无线a t m 局 域网是将标准a t m 技术扩展到无线传输介质的网络系统。和其他无线技术相比， 具有传输速率快和q o s 保证等优点。 a t m 是一项伸缩性很强的技术，在无线a t m 中，可以做成相同的端对端的网 络，使整个网络的系统设计得以简化。无线a t m 网络结构包括核心网络和无线接 入网络。核心网络除了继承g s m 数字公共网的网络结构外，还具有电路和分组交 换的能力。无线接入网络是核心g s m 网络的扩展，不仅包含宽带码分多址( w c d m a ) 基站和无线网络控制器，还拥有所有的宽带无线网络功能。由于无线接入网主要 通过a t m 传输链路与核心网相连，因此能更有效地控制基于分组交换中的数据业 务。在局域网中，用户通过a t m 交换，将数据以无线方式进行通信，以此方式组 网是非常灵活方便的。 1 2 网络实验床的研究和应用现状 实验床是一种基本的网络研究工具。国内外众多研究机构都建立了多种网络 实验床进行下一代网络的实验和研究。例如，c e r _ n e t 的i p v 6 实验床可以通过 隧道与外界的i p v 4 网络连通，或者和其它高校的i p v 6 实验床连通，进行i p v 6 的实验，为未来i p v 6 的实际应用提供宝贵经验；美国1 0 0 多所大学联合建立高 速网络实验床开始从事下一代互联网研究，使新一代计算机互联网络技术向更 安全、更广泛、更方便等方向发展。 尽管无线移动网络有着诸多的优越性，无线技术也已逐渐步入成熟阶段，但 是无线移动网络的进一步广泛应用仍然受到其安全性，抗干扰性等因素的限制。 作为未来网络市场的热点技术与发展方向微软、思科、郎讯等世界知名的公司 第一章绪论 都看到了未来网络发展的前景，均将无线局域网作为公司发展战略的重点之一， 投入了大量的人力、物力进行无线局域网的研究。 可是目前对具有较强实际应用价值的m a n e t 研究仍比较少，对于a dh o c 网络的路由能力，提供有针对性的q o s 保证等研究还并不深入。因此，国外许 多著名大学，如麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t et e c h n o l o g y ) ，卡耐基梅 隆大学( c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y ) 等都为m a n e t 的研究开发建立了专门的 实验室，搭建特殊的无线实验环境以进行a dh o c 协议等的丌发。卡内基梅隆大 学的m o n a r c h 工作组是最早建立无线a dh o c 实验床并且做的最出色的研究小组 之- - 舶。 m o n a r c h 工作组在现有的b s du n i x 网络协议栈上开发了无线多跳a dh o e 网络实验床。工作组使用多种网络测量工具对a dh o e 网络进行了性能测试，并 改进了一些标准测量工具使它们更适合于无线移动实验环境，在实验床调试过程 中还开发了著名的网络数据链路层测量工具m a c f i l t e r 。通过全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，由7 个移动节点组成的实验床在户外环境下进行了测 试，每个节点都应用了单播按需路由协议d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。户外 实验进行了多种移动类型的测试，包括改变移动速度、方向，网络的整体拓扑等， 从而以每个节点为中继进行路由，对d s r 的无线移动适应性做了测量分析。实 验床还使用了中央局的节点作为移动家乡代理( m o b i l eh o m ea g e m ) 进行了移 动i p 的实验，移动节点可与i n t e m e t 无缝接合。根据测量结果，工作组对d s r 的网络层确认和重传时钟进行了改进，是实验床上的协议开发的典范。最后通过 实验验证了改进后的d s r 协议更适应无线移动环境。m o n a r c h 工作组为a dh o c 网络的实际应用和其它m a n e t 实验床的建立提供了宝贵的经验。 目前在a dh o e 领域所进行的主要开发工作还有：u c l a ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i a 。l o s a n g e l e s ) m a r i og e r l a 领导的n r l ( n e t w o r k r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 工作组对a dh o c 网络的单播，多播路出协议性能等进行了仿真与测量【3 j ，同时 对a dh o c 网络的q o s 支持进行了深入的研究：u c s c ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ， s a n t ac r u z ) 开发了无线i p 路由器，无线因特网网关( w i n g s ) ，适用性、可靠 性强的安全协议以及应用于a dh o c 网络的w i n g s 。通过使用c p t ( c + + p r o t o c o l t o o l k i t ) ，将这些协议软件从模拟环境固化入嵌入式系统。还有众多知名大学如 u n i v e r s i t yc o l l e g el o n d o n l 5 】等也都在进行a dh o c 网络的开发研究工作。 尽管国内外在无线a dh o c 网络业务的测量和实验方面的研究非常活跃，这些 研究活动都将使人们对网络业务的认识得以不断深入。然而，目前我国无线移动 网络的研究与开发仍处于起步阶段，出于无线移动网络的研究需要的设备与软件 都较为昂贵，需要相当的资金资助，为开发优化无线协议、提高a dh o c 网络q o s 第一章绪论 保证所做的工作多数都停留在理论分析和软件仿真阶段。 1 3 论文的课题背景 本课题所在的研究小组是国内最早开展无线a dh o c 网络研究的单位之一， 课题组获得国家自然科学基金和天津市政府信息办的支持，并在c i s c o 与i b m 共同出资赞助下顺利展开。课题组由多个小组组成，分别研究如何在a dh o c 网 络上实现并提高单播路由协议、组播路由协议性能，如何实现无线网络的负载均 衡以及实际应用的模拟等，而所有这些都需要在相应的实验环境中去实现与验 证。同时，为了将研究成果应用于未来的实际应用，必须建立m a n e t 实验床模拟 实际无线移动环境，测量无线移动网络的各项性能，应用并改进无线a dh o c 网 络路由协议，以提高无线移动网络的性能。 尽管国外多数进行无线局域网研究开发的课题小组均建立了无线实验环境， 但是这些实验环境多针对某项具体实验目的，而不具备通用性与系统性。在总结 并采纳了众多无线实验环境建立的经验的基础上，根据无线网络设计方法学，我 们建立了一个具备较强系统化与通用性的m a n e t 实验床。该m a n e t 实验床由业务 生成器，无线基站系统，l i n u x 路由器，测量系统，还有终端系统组成，辅以仿 真软件，综合了软硬件的优点，可以进行真实无线应用环境的模拟，并与仿真结 果对比，提高实验的可靠性。这对于研究开发无线a dh o c 网络路由协议，提高 a dh o c 网络q o s 保障提供了极大的便利。 作者所做的主要工作如下： 1 根据设计方法学，设计m a n e t 实验床组成模块，包括业务生成器，无线 基站系统，l i n u x 路由器，测量系统，以及基于l i n u x 和n t 平台终端系 统。 2 实现m a n e t 实验床功能模块。包括可生成具有真实特性的自相似业务的 业务生成器，该业务生成器既可以根据用户需求生成业务，也可以根据 t r a c e 文件进行业务重放。 3 运用各种测量工具对实验床进行了性能评价。 4 在实验床上应用单播按需路由协议d s r 和多播按需路由协议o d m r p ( o n d e m a n dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 并进行相应的测量，根据 测量结果对o d m r p 提出改进意见。 第二章m a n e t 实验床的设计 第二章m a n e t 实验床的设计 2 1 m a n e t 网络及其应用环境 m o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) 是一种完全由无线连接的移动节点所构建 而成的网络，具有网络拓扑动态变化及有限频宽等特性，网络成员则可能有笔记 本电脑、p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 、移动电话等。图2 一1 分别为有基 站的传统无线蜂窝结构和没有基站的a dh o c 网络结构。 r a p p l i c a t i o n s c e n a r i o ：m e t w o r ka 佗h a e c i 啉 一一锰廷籀 ：篝蹲殍 图2 - 1 蜂窝无线网络和a dh o c 网络的比较 m o b i l ei p 主要用于处理移动节点i p 地址的管理，通过h o m ea g e n t 与 f o r e i g na g e n t 来为移动节点建立隧道机制，其路由方式与原有的固定网络并无 不同；然而，a dh o c 网络所要提供的移动是一种完全无线、可任意移动的网络 架构，不需要基站，所有节点可以任意的进行连接，每个节点同时兼具路由器的 功能，与移动i p 是完全不同的概念。 a dh o e 网络不论是军用还是民用，都有着广泛的应用价值。在军事的用途 上，由于战地环境往往非常恶劣，一些主要基础通讯设施，如基站，可能无法使 用，在这种情况下，不同单位或者部队问如果要进行通信，就必须依赖a dh o c 网络这种能够不受基础设施限制的网络。同样，在紧急救灾中，深山或是海上的 搜救移动更不能预期有任何基础设施的配合，在地形环境的限制与时间紧迫的压 力下，a dh o c 网络完全无线并且可以任意移动的特性尤为适合。 第二章m a n e t 实验床的设计 当个人通讯设备功能愈来愈强大时，一些集会的场合里如果需要大量信息的 互相交换，不论是计算机文档的传送或是应用程序的展示，如果能够暂时性的连 接成为一个网络架构，那么数据传输将更有效率，不需要有大型的投影设备也不 用点对点的连接设备( 如铺设网线) 。 因此， a dh o c 网络的研究具有重要的意义。而在a dh o c 网络的研究中， 个非常重要的领域是路由问题，因为每个节点兼具路由器的功能，这样就需要 适合a dh o c 这种特殊环境的路由协议和路由算法。传送不同类型业务也是a dh o c 网络需要解决的问题之一，在某些实时应用的场合( 如传送语音、视频图像等信 息) ，不但需要正确的路由信息，还需要提供有定保障的q o s 。 建立a dh o c 网络实验床，在其上应用无线多跳路由协议，进行协议的开发， 是一项具有挑战性的工作。 2 2m a n e t 实验床的设计 当前多数a dh o c 实验使用仿真软件来模拟无线网络环境，但是，使用仿真软 件在无线网络测量实验中受到一定程度的限制。首先，仿真软件缺乏对于突发通 信、间断性的连接、突发噪声、实际应用环境和频繁的拓扑改变等问题的考虑。 而且高效的媒体响应速度要通过一定保障的q o s 来解决，这些都需要研究无线移 动网络的实时通讯性能，仅通过仿真是无法满足实际应用的需求的。第二，仿真 的精度、对参数的控制等严格受限于设计者的专业水平。例如离散事件 ( d i s c r e t e e v e n t ) 仿真软件n s 2 和o p n e t 在协议开发中具有信号传播影响的模 型，并且在协议的开发中可以控制节点的移动，对其进行分立的研究，使实验具 有较强的可控性。然而，应用协议到实际操作系统就会产生在可控性较小的条件 下，代码改编、重写、测试和确认的问题，这些是仿真无法预测、模拟的。因此， 纯仿真软件构成的实验床存在着对实际条件考虑不周，对某些条件无法模拟的缺 点。 那么是否应该使用纯硬件来组成m a n e t 实验床呢? 纯硬件的无线网络实验床 适合网络测量的进行与简单的网络协议的开发，但是无线设备大都比较昂贵，大 规模实验环境的建立对国内高等院校来浇在经济上还是较难承受的。另外硬件设 备受到硬件供应商的限制，这些厂商通常都不提供基于操作平台的开发环境。这 些都将给进一步的研究和开发带来困难。 考虑到这些纯仿真和纯硬件实验床的局限性，在对a dh o e 网络的建立目标和 需求进行分析后我们提出了软、硬件相结合的网络实验床方案，并在c i s c o 公司和i b m 公司以及国家自然科学基金，天津市政府信息办的资助下建立了一个 第二章m a n e t 实验床的设计 适合无线a dh o c 网络协议开发和q o s 研究的实验床。通过软硬件结合的方法， 实验床的部分功能由硬件实现，这样大大降低了实验床的成本，同时提高了实验 的可靠性；实验床的软件部分则提高了系统的灵活性，为a dh o c 路由协议的丌 发带来了便利。 本着低代价高效率的方针，使用模块化的设计方法，对, m a n e t 实验床的各功 能模块进行了设计。实验床由业务生成器，无线基站系统，l i n u x 路由器，测量 系统还有终端系统五大部分组成，并辅以仿真软件进行实验设计。 该实验床的路由器是开放源代码的，便于研究与修改，而且没有版权问题； 业务生成软、硬件可以产生真实网络环境下的业务负载：测量软件可以对网络性 能参数进行实时分析，对q o s 进行监控，同时对改进的网络协议和q o s 体系结构 进行验证。 该m a n e t 实验床模型如图2 - 1 所示。 业务生成 器 ib m r s 6 0 0 0 基站系统 l u c e n t a p 1 0 0 0 测量系统 f l u k e 网络 ；贝4 置仪； p a t h c h a r 等! ；贝4 量软件o n l i n u xp c s l r p 路由器 p c sr u n m n g l i n w i t h m 瞧n 畦髓r d s w i r e l e s sa n d o r w i r e d 端系统 l i n i l eo r w i n d o w d i m t s 图2 1m a n e t 实验床组成 其中业务生成器可以产生各类网络业务，并与真实的业务的统计参数”等一 致，具体说明见下节。该业务生成器具有两个特点，它可以根据用户需求产生业 务也可以根据网络测量得到真实业务的t r a c e 文件重放，再现网络状态与问题。 本生成器工作在i b m 公司提供的r s 6 0 0 0 服务器上，该服务器具有4 g b 的内存， i o o g b 的磁盘和8 个主频1 g h z 的c p u ，性能强大，可以实时生成各类业务。 实验床的测量与协议的开发主要基于r e d h a tl i n u x 7 0 ，内核版本 2 2 1 6 - 2 2 。选择l i b u x 操作系统为主要开发平台是由于l i b u x 源代码公开”1 ， 是大家比较熟悉的操作系统，还有很重要的一点就是l i n u x 的内核支持组播路 由。因为开发a dh o c 网络的组播路由、提高其效率是建立本实验床的一个重要 目的 第二章m a n e t 实验床的设计 测量系统由硬件测量仪器与测量软件混合构成。f l u k e 的网络分析仪提供了 高时问分辨率的包( p a c k e t ) 处理能力，可以实时对网络进行分析，发现q o s 瓶颈。另一方面，我们在l i n u x 端系统上，采用了p a t h c h a r p a c k e tp a l r ， t c p d u m p 等测量工具对网络性能参数和实时业务进行测量与分析。端系统采用的 是安装了l u c e n to r i n o c os i i v e r 无线网卡4 1 的l i n u x 或w i n d o w sp c ，主要采 用l i n u x 系统，少量采用w i n d o w s 。为了有基站的网络的需要，采用l u c e n t a p 一1 0 0 0 作为有基站网络的接入服务器。 实验床的核心部分采用l i n u x ，安装多个w i r e l e s s w i r e d 网卡的l r p ( l i n u x r o u t e rp r o j e c t ) 路由器。1 。随着l i n u x 的推广，特别是l r p 的发展，可以采用 多台p c 运行l i n u x 作为路由器。根据实验的需要，l r p 可以安装不同的网卡， 数量与类型都可以改变，而且其路由协议可以很方便修改。通过l r p 路由器可以 使p c 机在无线和有线之间路由，而对于无线a dh o c 网络，用一块无线网卡配置 多个匿名( a 1 i a s e s ) i p 地址就可以实现路由的功能。本实验床还采用了g a t e d 软件，作为路由，它与实际的路由器更接近，c i s c o 、华为等公司均使用它进行 开发与实验。l r p 的有线部分使用l o o m b p s 的高速以太网卡，无线部分则使用了 l u c e n to r i n o c os i l v e r 无线网卡，该无线网卡的标称速率为1 1 m b p s 。 实验床除了这五大功能块之外，还借助了仿真软件o p n e t 。o p n e t 提供图形 界面设计工具，可以进行实验设计如设计网络模型、设定探测点( p r o b e ) ，也可 以设定业务模型( t r a f f i c m o d e l ) ，并利用所提供的业务模式作为网络系统的输 入，执行模拟运算并分析模拟结果。仿真有助于实验场景的设置，通过对比实验 和仿真结果，可以不断的改进m a n e t 实验床的性能。 2 3a dh 0 0 传输路径的控制机制一天线屏蔽法 尽管本实验床应用了仿真软件，仿真环境可以较精确的控制参数，但是在实 际环境下协议的应用与测试会有许多困难。比如无法控制的信道干扰，突发甚至 连锁性的事件，难于产生、模拟网络拓扑与节点移动模式等。另外，建立多跳网 络实验床需要几百米的距离，需要多个实验人员互相配合。协议开发者与测试人 员都希望有一个稳定，可灵活控制，可再现的多跳网络拓扑以及与实际应用类似 的动态移动实验环境。如何模拟节点移动过程中带来的信号衰减，无线信道互扰 呢? 我们采用了j a m e st k a b a 与d o u g l a sr r a i c h l e 提出的天线屏蔽方法“”， 从而可以灵活控制实验床的可调参数，控制无线传播路径，同时可以再现具体试 验条件，提高了实验床的可控性与可靠性。另外通过这种方法，协议开发人员就 可以构建并控售一个桌面的动态环境，而不需要其他人的辅助将节点分离至上百 第一二章m a n e t 实验床的设计 米，来产生各种移动拓扑。 2 3 1 使用无线网卡建立实验床的两个问题 协议的应用与测试需要使用符合实际操作条件的无线网卡，可是使用无线网 卡( n i c ) 调试会有两个主要问题。 ( 1 ) 由于无线网卡的无线信号是用来建立较长距离通信的，通常在开阔空问可以 传2 5 0 米。这样有可能在一间房间或临近房间的所有节点都在相互的直接通讯 范围内。这样就不可能产生多跳的网络拓扑结构或者是节点移动的情况。因此， 路由协议在解决这些问题上的特点就很难进行测试。 ( 2 ) 高频信号的传播影响会产生不可预测的现象。工作环境中由于无线信号多次 反射引起的多径效应会使信号强度与节点放置跟直觉并不一致。由于人的移动 以及工作在实验环境下引起的动念多径效应将产生不可预测、不可靠，而且不 可重现的测试条件。 2 3 2 解决方法 要对多个a dh o c 节点在较近的距离内进行测量而避免上述两个问题，就应 该在无线网卡的外置天线上采取措旋。尽管无线网卡通过使用高增益或者方向性 强的天线来扩大通讯范围，但是采用屏蔽的方法可以缩小通信范围。有意衰减实 验床各节点的信号级别，当每个节点的信号级别衰减到恰好超出各节点的通信范 围内时就产生了多跳网络拓扑结构。通过改变衰减增益增大或减小信号的强度 就可模拟节点移入移出各自的通信范围。对于第二个问题的解决通过人为将无线 信号导入有线传输线路而非通过天线传播，不可预测的信号传播影响几乎可以完 全排除。 ( 1 ) 缩小信号影响范围 因为笔记本配置了适于长距离通信的无线网卡，尽管将无线节点分离近百米 甚至隔开几间房间仍能可靠的进行通信。要产生多跳路由的情况就必须将无线 节点放置在屏蔽性较强建筑物的角落，或者将距离拉的足够大，但是这样做是极 不便利的。由此可见组成与控制多跳拓扑都是很困难的。 为了在小范围产生多跳的条件就要减小无线网卡的通信距离。普通的无线网 卡都有用于插外部天线的接口，以扩大卡的通信范围。但是在本实验床上我们需 要l 止无线信号以可调的方式衰减，因此使用增益很小或者根本没有增益的天线来 代替本来用于放大信号的天线。 用外部天线连接无线网卡，可以让大多数信号从外部天线发出。可内部天线 第二章m a n e t 实验床的设计 仍然会有信号的泄露，就必须将无线网卡的内部天线用锡纸等屏蔽起来防i e 信号 泄露。这样通过使用可调增益的天线同时将