（通信与信息系统专业论文）分级ad+hoc网络中基于mipv6的移动性管理研究.pdf

中文摘要 摘要 a dh o c 网络在使用上有很多优点，如可以快速部署，具有自组织功能，非 常适合于军用战术环境和民用应急通信。由于自组网的特殊组织形式，固定网 络和有中心无线网络的很多协议都无法直接被它采用，因而需要设计专门适用 于a dh o c 网络的协议。其中，移动性管理协议是a dh o e 网络设计、研究的主 要技术难点。在进行移动性管理的设计时，考虑到a dh o c 网络的自身特点和诸 多限制。本论文主要研究基于m i p v 6 的a dh o c 网络关键技术与算法，期望将移 动i p v 6 的移动性管理协议移植到a dh o c 网络中，在实现标准的移动i p v 6 移动 性管理协议功能基础上尽量减小协议的开销，使网络保持连续、高效、稳定的 运行。 另一方面，无线和移动又是息息相关的，新近提出的与i p v 6 紧密结合的移 动i p v 6 协议已成为未来支持节点移动的基础解决方案以及下一代网络业务承载 的核心技术。本文基于m i p v 6 算法，提出了在分级a dh o e 网络中基于m i p v 6 的移动性管理协议，将m i p v 6 和a dh o e 网络的特点结合起来，设计针对多跳 网络环境下的移动性检测和移动节点的绑定机制。同时，为了进一步减小协议 的开销，引入了多点中继节点机制和移动锚点机制，通过减少转发节点的数量 以减小网络的负载，增加网络的稳定性和适应性。 本文在详细阐述和分析了a dh o c 网络中基于m i p v 6 的移动性管理协议的各 种关键技术及规则后，介绍了该协议的系统建模和仿真的整体框架，以及各个 模块实现的功能和工作流程。通过对该协议系统的仿真，从移动节点的切换时 延、平均协议分组发送开销、平均协议分组的处理开销、数据分组成功递交率 等性能的仿真数据和曲线上，分别验证了该系统中的几项关键技术和算法。从 仿真结果可以看出，该系统较好的解决在a dh o c 这样一个多跳网络环境中的基 于m i p v 6 的移动性检测以及移动节点的绑定操作。同时，较之基于普通机制的 协议，基于多点中继节点和基于移动锚点的协议在协议开销性能上也有显著的 改善。 关键词：a dh o c ，m a n e t ，分级，多跳，移动性管理，m i p v 6 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hs e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sf a s td e p l o y m e n ta n ds e l f - o r g a n i z a t i o n ，m o b i l e a dh o en e t w o r k s ( m a n e t s ) a r es u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n si n v o l v e di nt a c t i c a l b a t t l e f i e l da n dc i v i l i a ne m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , d u et ot h e i rs p e c i a l f o r mo fo r g a n i z a t i o n , m a n yp r o t o c o l su s e di nn e t w o r k sw i t hp r e - c o n f i g u r e da n d c e n t r a l - c o n t r o l l e di n f r a s t r u c t u r e ，c a n n o tb ed i r e c t l y a p p l i e dt o m o b i l ea d h o c n e t w o r k s t h u sp r o t o c o l sn e e dt ob ec a r e f u l l yd e s i g n e df o rt h i sk i n do fn e t w o r k s a m o n gt h e m ，m o b i l i t ym a n a g e m e n ta l g o r i t h m sa r et h em a i nd i f f i c u l t i e so fd e s i g n a n dr e s e a r c ho na dh o cn e t w o r k s w h e nd e s i g nt h em o b i l i t ym a n a g e m e n tf o r m a n e t s ，t h es p e c i a lc h a r a c t e r sa n ds e v e r a ll i m i t a t i o n so fm a n e t ss h o u l db e c o n s i d e r e d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h ek e yt e c h n i q u e sa n da l g o r i t h m s i n v o l v e di nm o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l so fm a n e t sb a s e do nm i p v 6 ，e x p e c t i n g t ot r a n s p l a n tt h es t a n d a r dm i p v 6p r o t o c o l si n t ot h em a n e t s o nt h ef o u n d a t i o no f i m p l e m e n t i n gt h ef u n c t i o no ft h es t a n d a r dm i p v 6 ，o v e r h e a dp r o b l e m ss h o u l db e i m p r o v e di nt h em a n e t s ，m a k i n gt h en e t w o r ku n i n t e r r u p t e d ，s t a b l ea n de f f i c i e n t o nt h eo t h e rs i d e ，w i r e l e s sa n dm o b i l i t ya r ec l o s e l yb o u n d e du p t h em i p v 6 p r o t o c o ls u g g e s t e df l e s h l yw h i c hi st i g h tc o u p l e dw i t ht h ei p v 6h a sa l r e a d yb e c o m e t h eb a s i cr e s o l v e n tf o rt h es u p p o r t i n go ft h en o d em o b i l i t yi nt h ef u t u r ea n dt h ek e y t e c h n i q u ef o rt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s b a s e do nt h em i p v 6a l g o r i t h m ，t h i s d i s s e r t a t i o np r o p o s e st h em o b i l i t ym a n a g e m e n tb a s e do nm i p v 6i nt h eh i e r a r c h i c a l a dh o cn e t w o r k s ，w h i c hc o m b i n e st h ea l g o r i t h mo fm i p v 6w i t ht h ec h a r a c t e ro ft h e m a n e t s ，i no r d e rt op r o v i d et h em e c h a n i s mf o rt h em o b i l i t yd e t e c t i o na n db i n d i n g i nt h em u l t i h o pn e t w o r ke n v i r o n m e n t m e a n w h i l e ，t of u r t h e ri m p r o v et h eo v e r h e a d p r o b l e mo fa l g o r i t h m ，m p rm e c h a n i s ma n dm a p m e c h a n i s ma r ei n t r o d u c e d ，b y a b s t r a c t m e a n so fr e d u c i n gt h en u m b e ro fn o d e sw h i c ht r a n s m i tp a c k e t s t h i sc a ni m p r o v e s t a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft h en e t w o r ka sw e l l t h i st h e s i se l u c i d a t e sa n da n a l y s e st h ek e yt e c h n i q u e sa n dr u l e so ft h em o b i l i t y m a n a g e m e n tb a s e do nm i p v 6i nt h eh i e r a r c h i c a la dh o en e t w o r k s ，a n di n t r o d u c e si t s s i m u l a t i o nm o d e l i n go ft h ei n t e g r a t e ds y s t e mi n f r a s t r u c t u r ea n de a c hf u n c t i o n m o d u l e s t h r o u g ht h es y s t e m a t i cs i m u l a t i o ni n t h ep e r f o r m a n c eo fs w i t c ht i m ed e l a y , a v e r a g ep r o t o c o lo v e r h e a d ，p a c k e td e l i v e r yr a t e ，a n de r e ，t h ek e yt e c h n i q u e sa n d a l g o r i t h m sa let e s t i f i e da n dc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rp r a c t i c a ls y s t e md e s i g na n d a p p l i c a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l 吐t h es y s t e mc a l li m p l e m e n tm o b i l i t y d e t e c t i o na n db i n d i n gb a s e do nm m v 6nt h eh i e r a r c h i c a la dh o en e t w o r k sa st h e m u l t i h o pn e t w o r ke n v i r o n m e n t m e a n w h i l e , c o m p a r e dt oas i m p l em e c h a n i s m , t h e m e c h a n i s mb a s e do nm p ra n dm a pc a n r e m a r k a b l yi m p r o v et h eo v e r h e a dp r o b l e m k e y w o r d s ：a dh o e ，m a n e t , h i e r a r c h i c a l ，m u l t i - h o p ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ， m i p v 6 i u 图表目录 图表目录 图2 1a dh o e 网络的平面结构6 图2 2a dh o c 网络的分级结构6 图2 3a d h o e 网络中路由协议的分类。7 图2 _ 4 移动性管理的协议参考模型1 0 图2 5 移动性管理的网络参考模型及其功能实体。1 1 图2 - 6 蜂窝移动通信系统的功能分层模型1 2 表2 - 1m 口的移动性管理技术要点1 3 图3 1 基于m i i l 的移动性管理1 7 图3 - 2 移动性检测报文格式1 9 表3 1 移动性检测报文和可能包含在报文中的选项2 0 图3 3 路由器通告报文2 0 图3 _ 4 邻居请求报文格式2 l 图3 5 邻居通告报文格式。2 1 图3 - 6 源目标链路层地址选项格式2 2 图3 7 前缀信息选项格式2 2 图3 8 路由器通告的工作原理2 4 图3 - 9 切换时邻居发现的工作原理2 4 图3 1 0 收到移动性检测报文的处理流程示意图2 6 图3 1li p v 6 数据包结构2 8 图3 1 2i p v 4 和i p v 6 报头2 9 图3 1 3 逐跳选项扩展报头格式2 9 图3 1 4 临时缺省路由选项2 9 图3 1 5 第二类路由扩展报头格式3 0 图3 1 6 目的地选项扩展报头格式3 0 图3 1 7 家乡地址选项格式一31 图3 18 移动扩展报头格式31 图3 1 9 绑定更新选项格式3l 图3 - 2 0 绑定确认选项格式3 2 图3 2 1 家乡绑定工作原理3 3 图3 2 2 绑定更新列表3 3 图表目录 图3 2 3 绑定高速缓存。3 4 图3 2 4 临时缺省路由表3 5 图3 2 5 切换时临时缺省路由的原理3 6 图3 - 2 6 家乡绑定操作的流程图3 7 图3 2 7 移动节点发送数据包往对端节点3 8 图3 2 8 对端节点发送数据包发往移动节点3 9 图3 2 9 家乡代理隧道转发流程图4 0 图3 3 0 对端节点就会使用优化路由方式发送数据包发往移动节点4 1 图3 3l 对端绑定工作原理4 2 图3 3 2 对端绑定操作的流程图4 4 图3 3 3 无选择性洪泛和选择性洪泛4 6 图3 3 4 邻居的两跳邻居节点和m p r 4 6 图3 。3 5o l s r 协议分组基本格式4 8 图3 3 6h e l l o 分组的格式4 9 图3 3 7 邻居侦听原理5 0 图3 3 8l i n ks e t 结构51 图3 3 9n e i g h b o rs e t 结构。5 2 图3 - 4 02 - h o pn e i g h b o rs e t 结构。5 2 图3 _ 4 lm p rs e l e c t o rs e t 结构5 3 图3 - 4 2 节点m 的m p r 计算过程5 4 图3 _ 4 3 路由器通告的工作原理5 5 图3 - 4 4e d g es e t 结构5 6 图3 4 5 基于m p r 机制收到移动性检测报文的处理流程示意图5 7 图3 - 4 6 在m a p 机制下对端节点发送数据包发往移动节点一j 6 1 图3 4 7m a p 隧道转发流程图6 2 图3 - 4 8 双方都是移动节点的情况6 3 图3 _ 4 9 基于m a p 机制的对端绑定工作原理6 4 图4 1o p n e t 建模方法示意图6 9 图4 2 网络模型示意图7 0 图4 3 一级网络节点的节点模型示意图。7 l 图4 _ 4 二级网络节点的节点模型示意图。7 2 图4 5 产生持续数据流的应用层模块的过程模型7 3 图4 _ 6 产生随机流的应用层模块的过程模型7 4 图4 - 7 网络接口模块的处理流程图。7 5 v 图表目录 图4 - 8 移动i p v 6 模块的状态转换示意图7 6 表4 1 移动p v 6 模块( m i p v 6 ) 状态转移表7 6 图4 9 有来自应用层的分组到来的处理流程图8 2 图4 1 0 有来自链路层的分组到来的处理流程图8 3 图4 1 l 前缀列表表项超时中断到来的操作流程图8 4 图5 1 网络场景图。8 7 图5 2 移动速度为0 5 和l 米秒时的切换时延8 9 图5 3 移动速度为3 和5 米眇时的切换时延8 9 图5 _ 4 移动速度为8 和l o 米秒时的切换时延9 0 图5 5 网络规模为3 0 个节点时的场景9 2 图5 6 网络规模为4 0 个节点时的场景9 2 图5 ，7 网络规模为5 0 个节点时的场景9 3 图5 8 网络规模为3 0 个节点时的r a 分组开销9 4 图5 - 9 网络规模为4 0 个节点时的r a 分组开销9 5 图5 1 0 网络规模为5 0 个节点时的r a 分组开销9 5 图5 1 l 网络场景图9 7 图5 1 2 网络中节点产生的与接收到的数据分组个数9 9 图5 。1 3 网络中绑定报文的开销9 9 图5 1 4 数据分组的成功投递率一1 0 0 i x 缩略词表 缩略词表 在论文中用到的主要英文缩写及其全称列表如下： m a n e t m i p v 6 r a n s n a b u b a o l s r m p r h m i p v 6 n l 廿 m o b i l ea dh o e n e t w o r k无线自组网 m o b i l ei pv e r s i o n6 移动i p v 6 r o u t e ra d v e r t i s e 路由器通告 n e i g h b o rs o l i c i t a t i o n邻居请求 n e i g h b o ra c k n o w l e d g e m e n t 邻居应答 b i n du p d a t e b i n d a c k 绑定更新 绑定确认 o p t i m u ml i n ks t a t er o u t i n g优化的链路状态路由协议 m u l t i - p o i n tr e l a y s多点中继节点 h i e r a r c h i c a lm o b i l ei p v 6分级移动i p v 6 m o b i l i t ya n c h o rp o i n t 移动锚点 x 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。据我所知，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 为获得电子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 确的说明并表示谢意。 签名- 圣乏堑日期彬年嵋伸 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：二圣篷导师签名： e l 期：矽彳 劢 ， 汐 第一章绪论 1 1 研究背景和课题意义 第一章绪论 随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的需求越来越强。近年来，无 线网络在支持移动性方面的发展非常迅速。无线通信网络按照其组网控制方式 一般分为两类。一类是集中控制式的，即有中心的。这一类无线网络的运行要 依赖预先部署的网络基础设施。典型例子有蜂窝无线系统、无线局域网等。另 一类是无基础设施的移动网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k s ) ，即无线自组网 ( w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ) 叫2 1 ，也称为多跳无线网( m u l t i - h o pw 1 r e l e s sn e t w o r k ) ， 是一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳、临时性无中心 的网络，整个网络没有固定的基础设施，网络中的每个终端可以自由移动、自 由加入和退出网络，各网络节点地位相等。另一方面，无线和移动又是息息相 关的，新近提出的与i p v 6 紧密结合的移动i p v 6 协议【3 】已成为未来支持节点移动 的基础解决方案以及下一代网络业务承载的核心技术。 由于a dh o c 网络的特殊组织形式，固定网络和有中心无线网络( 如蜂窝网等) 的很多协议都无法直接被它采用，因而需要专门设计适应a dh o c 网络特点的协 议。而移动i p v 6 协议由于其单跳接入限制而无法使用到a d h o c 网络中，因此， 要将移动i p v 6 协议移植到a dh o c 网络中存在很多的问题，这些问题目前没有 合适的解决方法。 在进行移动性管理协议的设计时，需要考虑a dh o c 网络的移动性、能量受 限和多跳接入等特征。考虑到a dh o c 网络的自身特点和诸多限制，期望在维持 移动口v 6 移动性管理功能得到保证的前提下，对网络进行优化，减轻a dh o c 网络的瓶颈及开销问题，使网络保持连续、高效、稳定的运行，优化网络的综 合性能。因此本文将对a dh o c 网络中基于移动i p v 6 的移动性管理技术介绍以 及对其关键技术进行研究。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 主要工作 由于在跳数和路由协议方面的限制，a dh o c 网络中的节点在子网内移动时 会引起路由协议进行路由发现和路由维护，而跨子网的移动会涉及到更换地址 以及重新建立路由的过程，这些过程都会花费很长的时间。而用于固网的标准 移动i p v 6 协议本身的协议开销相对于在a dh o e 网络中也较大。因此，本论文 的主要研究目的就是将移动口v 6 的移动性管理协议移植到a dh o c 网络中，在 实现标准的移动i p v 6 移动性管理协议功能基础上，尽量减小协议的开销，使网 络保持连续、高效、稳定的运行。 本论文围绕a dh o c 网络中的移动性检测和移动节点绑定等问题开展对移动 性管理协议的理论设计和方法研究。本论文主要对以下方面进行了研究： 1 ) 研究现有的a dh o c 网络移动性管理技术的主要实现思想，面临的主要 技术困难，以及其所能够实现的功能及效果。 2 ) 着重对网络层的移动性管理技术的研究。利用网络中移动节点和家乡代 理节点之间建立的绑定屏蔽地址改变对上层应用的影响，利用网络中移动节点 和对端节点之间建立的绑定优化分组转发的路径。 3 ) a dh o c 网络中基于m i p v 6 的移动性管理技术的研究。在a dh o c 网络中 引入基于m 口v 6 的移动性管理协议，在多跳网络的环境中，建立移动性检测和 移动节点的绑定机制，以适应节点的跨网络的移动和漫游。同时，根据绑定交 互过程中在沿途建立的临时路由表，进行快速切换。另外，结合分级a dh o c 网 络的路由协议和层次结构，提出基于m p r 的移动性检测机制和基于m a p 的移 动节点绑定机制。 4 ) 利用o p n e t 网络仿真软件对本文提出的算法进行仿真，搭建a dh o c 网络仿真平台，在这个平台基础上对基于m p v 6 的移动性管理协议及算法进行 仿真，得出仿真数据，通过分析仿真数据，显示该算法对于多跳网络环境的适 应以及全网的性能优化的效果。 2 第一章绪论 1 3 论文组织 论文接下来的内容如下安排： 第二章介绍a dh o c 网络中的移动性管理技术，其中包括a dh o c 网络的概 述，体系结构和以及目前应用于此种网络的路由技术，最后介绍了现有的各个 层次的移动性管理技术。 第三章详细介绍了网络层的分级a d h o c 网络中基于m i p v 6 移动性管理协议 的设计思想、算法及规则，以及些具体问题的改进方案。 第四章详细介绍分级a d h o c 网络中基于m i p v 6 移动性管理协议的仿真系统 模型。 第五章给出了对应于第三章中各算法、协议的仿真结果图和讨论分析。 第六章是结束语。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章a dh o c 中的移动性管理技术研究 当前，无线网络技术发展迅速，根据是否具有基础设施可以把无线移动网 络分为两大类：一类是具有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) ，典型的 例子是蜂窝系统，在这样的系统中只有移动交换机具有路由选择和交换功能， 移动节点不具备路由选择功能；另一类是没有基础设施的网络 ( i n f r a s t r u c t u r e 1 e s sn e t w o r k s ) ，a dh o c 网络就属于此类网络，移动节点具有路 由选择功能。 2 1a dh o c 网络概述 “a dh o c 网络 是一种特定的无线网络结构，强调的是多跳( m u l t i h o p ) 、 自组织、无中心的概念，所以国内一般把基于a dh o c 技术的网络译为“自组网 ， 或者“多跳网络”等等。 a dh o e 网络就是由一组自主的无线节点或终端相互合作而成，不需要固定 基础设施、并采用分布式管理的网络，是一种自创造、自组织和自管理的网络。 它将移动通信和计算机网络结合在一起：一方面，网络的信息交换采用了计算 机网络中的分组交换机制；另一方面，用户终端是可以移动的便携式终端。与 传统的蜂窝网相比，无线a dh o c 网络没有基站，所有节点分布式运行，既作为 终端，又具有路由功能。网络既可以单独运行，也可以通过网关接入有线骨干 网络。根据节点是否移动，可以分为移动a dh o e 网络和传感器网络。在移动 a dh o e 网络中，节点都可以自由移动。事实上，大多数文献中将a dh o c 网络等 同于移动a d h o c 网络。 随着人们对a dh o c 网络研究兴趣的增长，到2 0 世纪9 0 年代，一些标准化 组织开始探讨a dh o c 网络的相关标准，i e t f 的m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 工作组诞生，主要致力于a dh o c 网络路由协议的标准化工作。到2 0 世纪9 0 年 代中后期，形成了一些物理层、m a c 子层和网络层的标准及草案。如i e e e 8 0 2 1 1 系列标准以及i e t f 关于a dh o c 网络的系列路由标准及草案。这些标准和草案 4 第二章a dh o e 中的移动性管理技术研究 正在进一步发展和完善。 根据前面的叙述，a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，与固定网络和 普通移动网络相比，a dh o e 网络具有以下特剧4 】： 1 ) 分布式控制：a dh o e 网络中的移动节点兼备主机和路由功能，不存在一 个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，节点可以随时加入和离开 网络。网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的健壮性和抗毁 性，任何节点发生故障都不会影响整个网络的运行。 2 ) 网络自主性：a dh o c 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是网络 的部署或展开无需依赖于任何预设的基础设施。节点通过分层协议和分布式算 法协调各自的行为，它们可以快速、自动地组成一个独立的网络。 3 ) 动态拓扑：a dh o e 网络是一个动态的网络。a dh o c 网络中的节点可以 随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 此外，无线传播条件的不确定性，也导致了网络拓扑以不可预测的方式任意和 快速地改变。 4 ) 带宽限制和变化的链路容量：a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通 信手段，相对于有线信道，其容量较低。并且由于多路访问、多径衰落、噪声 和信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽还要小于理论上的最大带宽 值。 5 ) 能量限制节点：某些移动节点依靠电池提供所需的能量，减少功耗是网 络协议设计需要考虑的一个非常重要的因素。 6 ) 多跳路由：当节点要与其信号覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中 间节点进行分组的多跳转发。与固定网络的多跳不同，a dh o e 网络中的多跳路 由是由普通的网络节点完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 7 ) 有限的安全性：因为a dh o c 网络采用无线信道、有限电源、分布式控 制等技术，所以它会比有线网络更易受到安全性的威胁。这些安全性的攻击包 括窃听、电子欺骗、拒绝服务等。 上述特点表明，a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与 普通移动通信网络和固定网络有着显著的区别。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 2a dh o c 网络的体系结构 a d h o e 网络一般有两种结构：平面结构( 图2 1 ) 和分级结构( 图2 2 ) 例。 在平面结构中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。分级结构 中，网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头节点负责簇 间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由节点使用算法自动选举产生。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，并再次形成更高 一级的网络，直至最高级。 图2 1 a d h o e 网络的平面结构 图2 - 2 a d h o c 网络的分级结构 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，整个网络健壮性较好。平面结构的缺点是可扩充性差，每一个节点都需 要知道到达其他所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控 制消息。 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，因而具有很好的可扩充性。由 于簇头节点可以随时选举产生，所以分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构 6 第二章a dh o c 中的移动性管理技术研究 的缺点是：由于维护分级结构需要节点执行簇头选举算法，簇头节点可能会成 为网络的瓶颈。 可见，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，应该采用分级结构。美军战术互联网中的近期数字电台组网技术就 是采用的双频分级结构。 2 3a dh o c 网络的路由技术 a dh o c 网络中没有固定的基础设施，网内每一个节点都可作为路由器，向 其它节点转发数据分组。这就要求a dh o e 网络的路由协议必须能快速有效地找 到节点问路由。a dh o c 路由协议必须实现以下功斛8 】： 1 ) 能感知网络拓扑结构的变化； 2 ) 能维护网络拓扑的连接； 3 ) 具有高度自适应性。 对于目前已经提出的a dh o c 网络的路由协议 6 】【刀，大致可以将其分为可以 分为平面路由( 主要是主动路由协议和按需路由协议) 、分级结构和地理定位辅 助路由三种，如图2 3 所示。 a dh o c n 络 路由协议 非地理定位 辅助路由 平面路由 按需路由如：d s r 、a o d v 主动路由如：d s d v 、o l s r 分级路由如：h s r 、h o l s r 、l a n l l a l ( 地理定位 如：l a r 、d r e a m 、 辅助路由 g e o c a s t 、g p s r 图2 - 3 a dh o c 网络中路由协议的分类 7 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1 平面路由 平面路由是指网络的逻辑结构是平面结构，网络的所有节点是平等的，不 用区别一般节点和特殊节点，是完全分布式的路由协议。平面路由主要有主动 路由和按需要路由两种。 主动路由【9 】【1 0 1 协议又称为表驱动( t a b l e - d r i v e a ) 路由协议、先验式路由协 议。在这类路由协议中，每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信息的路 由表。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点发送路由更新消息，收到路由 更新消息的节点将更新自己的路由表，以保证路由信息的致性、及时性和准 确性。因此，路由表可以准确地反映网络的拓扑结构，源节点一旦要发送数据 分组，就可以立即获得到达目的节点的路由。先验式路由协议的时延较小，但 路由协议的开销较大。 按需路由协议【l l 】【1 2 1 又称反应式路由协议、源启动按需路由协议 ( s o u r c c - i n i t i a t e ao n d e m a n dd r i v e n ) 。是一种当需要发送数据分组时才查找路 由的路由算法。在这类路由协议中，节点不需要维护即时准确的路由信息，当 向目的节点发送数据分组时，源节点才开始路由发现操作以找到相应的路由。 与主动路由协议相比，按需路由协议的开销较小，但是数据分组传送的时延较 大。 2 3 2 分级路由 分级路由【1 3 】【1 4 1 是把网络节点按照某种算法划分为不同级别的集群，每个集 群内的节点平等，不同集群的节点具有不同的功能，这种结构具有很好的可扩 展性，适合大规模的移动a dh o c 网络，但是由于人为的把节点划分为一般节点 和特殊节点，特殊节点在网络路由计算中有着重要作用，特殊节点一旦毁坏， 将会对网络性能造成严重影响，所以这样的路由抗毁性比平面路由差。 2 3 3 地理定位辅助路由 将定位信息应用于移动a dh o c 网络， 资料表明地理地位信息能够提高路由性能， 8 可以实现定位路由【1 5 】【1 6 1 。现有研究 但是由于存在时延，使用这样的地 第二章a dh o e 中的移动性管理技术研究 位信息是不精确的。 以上三类路由协议由于在路由算法机制和实现上的不同，对网络性能的影 响也不尽相同。各种不同的路由协议有各自的优缺点，也适合于不同的网络场 景。例如，平面路由具有很好的抗毁性，但是扩展性差。分级路由则恰好相反， 地理定位辅助路由引入了节点地理位置，所以增加了路由准确性。在移动a d h o e 网络的研究中发现，单一的路由协议始终无法获得比较全面的优越性能， 所以在以后的研究中，将多种路由协议的算法机制结合起来，互相补充，取长 补短，应该比单一的路由协议更有吸引力。 2 4 移动性管理技术 未来无线通信系统的两个最重要的研究问题就是宽带和无缝漫游。未来移 动通信系统的移动性管理主要向采用多种自适应管理的终端、网络以及应用的 无缝集成的方向发展，其最重要的特征之一是朝着全口核心网和非对称接入的 体系发展。而移动性管理是无缝接入无线网络和服务的最重要的难题之一，是 自动支持移动终端漫游而不中断通信的基础技术【1 7 】。 所谓移动性管理是在移动节点的标识( 节点名) 及其地址( 节点相对网络 结构的位置) 间提供时变影射【1 4 1 ，是一种支持漫游用户到达一个新的服务区去 接受服务的基本技术，这些网络可以是：i n t e r a c t 、a dh o c 、p c s 或者其混合的 任何形式，其主要功能是在整个服务网络内有效支持用户、设备和服务的无缝 漫游【1 7 】。移动性管理有两个主要的研究方面：位置管理和切换管理。位置管理 是用户未发起业务即未附着的情况下进行的定位和位置更新，而切换管理是用 户处于通信状态下进行的连接保持或路由更新行为。未来的移动通信系统要涉 及多种网络的全球互连和互操作，支持实时和多媒体业务，移动性管理更加复 杂。 2 4 1 移动性管理参考模型 移动性管理协议参考模型包括三个平面：传送平面( 数据平面) 、控制平面 9 电子科技大学硕士学位论文 和管理平面，如图2 4 所示。传送平面从协议层次上分，涉及物理层、链路层、 网络层、传输层和应用层。控制平面从功能上分，包括：安全机制、位置管理、 切换控制和互操作控制。而管理平面从功能上分，包括配置管理、故障管理、 性能管理、账务管理和安全管科1 8 2 0 1 。 传1 送x v - j 面e 图2 4 移动性管理的协议参考模型 移动性管理的网络参考模型及其功能实体如图2 5 所示。根据移动目标( 用 户) 的归属，将通信网分成一个家乡网络和多个外地网络。不同的移动性管理 技术还可能将家乡网络、外地网络进一步划分成位置区( l a ) 和寻呼区( p a ) 。 移动性管理设计的功能实体有四类：移动性管理服务器( 含数据库) 、网络服务 接入点( 简称接入点) 、域移动控制器和相应的移动性管理协议。 1 0 第二章a dh o e 中的移动性管理技术研究 图2 - 5 移动性管理的网络参考模型及其功能实体 本文研究的就是网络层的移动性管理协议，包括移动性检测和移动节点的 绑定机制，前者用于判断节点是位于家乡网络还是外地网络，后者用于维护节 点在外地网络的通信。 2 4 2 各层的移动性管理技术 本节介绍移动性管理技术对应于模型中的传送平面，各层的移动性管理技 术各不相同，下面简要介绍各层的移动性管理技术，需要解释的是本文主要研 究的是网络层的移动性管理协议。 2 4 2 1 链路层移动性管理技术 链路层的移动性管理技术包括：w p a n 、w l a n 、w m a n ( 这里将w m a n 中的i e e e 8 0 2 1 6 d 归入到简单的链路层移动性管理技术，因为其没有位置管理 和切换控制等功能，而i e e e 8 0 2 1 6 e 即移动w i m a x ，实质上是一种移动通信系 统技术) 和w w a n ( 即电信网的移动接入技术