（通信与信息系统专业论文）ad+hoc网络层协议的设计与仿真.pdf

y 摘要 a d h o c 是一种不依赖于固定设施的、自 组织的无线网 络， 其组网方便、 快捷， 不受时间和空间限 制，既可应用于救援、 会议、 战场、 探险、 远距离或危险 环境中的目 标监控等场合， 还可用于末端网 络的扩展。 a d h o c 网络的主要特点是无线传输、动态拓扑、多跳连接、信道共享和带宽受限。对于 它的网络层需要完成邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联功能，是a d h o c 网络构建的关键， 相对于传统网络受a d h o c 网络特点的制约最多，因此需要很好的设计。并且由于a d h o c 网络通常 采用跨层次设计，所以网 络层的功能要比 一般有线、 无线网络要复杂。 a d h o c 网络层协议应该适应不断 变化的自 组织特点， 包括传统的单播、 组播路由 协议来完成路由 的建立、维护与删除， 记录网络拓扑结构，保证数据包的正确产生、发送和接收。同时还需要完成一 部分传统的传输层协议的内 容，比 如拥塞控制、 重传控制、 按序交付等， 确保路由协议的鲁棒性和可 重建性。 现有提出的网络层协议主要是单播路由 协议， 适应面太窄， 而且没有和数据链路层、传输层等各 层综合考虑，不能应用于实际网络。 本论文在实际应用的约束条件下，设计了一种新的网络层协议， 包括路由 协议， 相 应的 数据包传 输协 议， i p 地址 分配协议，以 及节点在特殊情况 ( 比 如开机、关 机) 下对网络层的处理并在最后对其进行仿真。 本文的主要安排如下; 第一章介绍a d h o c 网络引论， 包括它的定义、特点、应用、体系结构和关键技术。 第二章介绍a d h o c 网 络的数据链路层、i p 地址分配、单播路由协议、组播路由协议、传输层需 要实现的 功能、面对的 主要问 题、 现有的协议及其相关的比 较， 分析这些协议的优缺点。 第三章详细讲述了所设计的a d h o c 网 络层协议的具体方案，包括设计的约束条件、路由 协议设 计方案、数据包传输设计方案、开关机的设计方案和 i p地址配置方案。每一个方案中包含多个小方 案，实现网络层协议的具体功能。并提供了相应的处理流程。 第四章则是对第三章提出的网络层协议方案进行仿真， 包括对仿真工具的介绍、 仿真的各个层次 的建立和编程以 及仿真的结果， 并将该协议和现有的部分主流协议进行比 较。 【 关健词】 a d h o c 网络、网络层协议、 路由、数据包传输、i p 地址配置、o p n e t abs tract a n a d h o c n e t w o r k i s a c o l l e c t i o n o f w i r e l e s s m o b i l e h o s t s f o r m i n g a t e m p o r a r y n e t w o r k w i t h o u t t h e a i d o f a n y c e n t r a l i z e d a d m i n i s t r a t i o n o r s t a n d a r d s u p p o rt s e r v i c e s . i n s u c h a n e n v i ro n m e n t , i t m a y b e n e c e s s a r y f o r o n e m o b i l e h o s t t o e n l i s t t h e a i d o f o t h e r s i n f o r w a r d i n g a p a c k e t t o i t s d e s t i n a t i o n , d u e t o t h e l i m it e d p r o p a g a t i o n r a n g e o f e a c h m o b i l e h o s t s w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n . s o m e p r e v i o u s a tt e m p t s h a v e b e e n m a d e t o u s e c o n v e n t i o n a l r o u t i n g p r o t o c o l f o r r o u t i n g i n a d h o c n e t w o r k s , t r e a t i n g e a c h m o b i l e h o s t a s a r o u t e r . a n d t h e s e a t t e m p t s o n l y c o n s i d e r r o u t i n g p r o t o c o l b y i t s e l f , n o t t a k i n g a c c o u n t o f p a c k e t s t r a n s m i s s i o n , n o r m a k i n g t h e s e a tt e m p t s u n d e r t h e n e t w o r k s r e s t r i c t i o n . s o t h e s e t h e o r e t i c a l a tt e m p t s c a n t b e a p p l i e d t o p r a c t i c a l a d h o c n e t w o r k . t h e d i s s e rt a t i o n p r o p o s e s a n e w o n - d e m a n d ro u t i n g p r o t o c o l f o r t h i s w i re l e s s , m o b i l e , m u l t ih o p n e t w o r k . it a l s o p re s e n t s r e l a t i v e p a c k e t fr a m e a n d p a c k e t t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l . t h e t w o p r o t o c o l s e v e n h a v e s o m e o t h e r f u n c t i o n s , s u c h a s a c k n o w l e d g e m e n t p o l i c y . t h e d e s ig n o f t h i s d i s s e r ta t i o n i s u n d e r p h y s i c a l r e s t r i c t i o n , wh i c h i s i n t r o d u c e d i n s e c t i o n 3 . 1 . t h e d i s s e r t a t i o n i s o r g a n i z e d a s f o l l o w s : c h a p t e r 1 p re s e n t s e v e ry a t t r i b u t e o f a d h o c n e t w o r k , a n d s e t f o rt h i t s a p p l i c a t i o n . c h a p t e r 2 e x p a t i a t e s o n t h e n e t w o r k p r o t o c o l o f a d h o c , i n c l u d i n g p r o t o c o l s i n e x i s t e n c e a n d t h e i r c o mp a r a ti v e p e r f o r ma n c e c h a p t e r 3 e x p o u n d s t h e d e s i g n o f a d h o c n e t w o r k p r o t o c o l , i n v o l v i n g t h e p r o t o c o l s c o n t e n t , r e l a t i v e p a c k e t fr a m e , p a c k e t t r a n s m i s s i o n p r o t o c o l , i p a d d re s s a s s i g n m e n t p r o t o c o l a n d s o m e p o l i c i e s . c h a p t e r 4 in t ro d u c e s a s i m u l a t i o n t o o l i t a l s o i l l u s t r a t e s t h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n . a n d b u i l d s a m o d e l o f t h e d e s i g n re f e r r e d i n c h a p t e r 3 k e y w o r d s a d h o c n e t w o r k , n e t w o r k p ro t o c o l , ro u t i n g , p a c k e t t r a n s m i s s i o n , i p a d d r e s s a l l o c a t i o n , o p n e t 浙江大学硕士论文 1 a d h o c 网 络引论 1 . 1 a d h o c 网络概述 a d h o c是一种不依赖于固定设施的、自 组织的无线网 络， 其组网 方便、快捷，不受时 间和空间限制， 既可 应用于 救援、 会议、 战场、 探险、 远距离 或危险环境中的目 标监控等场 合，还可用于末端网络的扩展。 1 . 1 . 1 a d h o c 网络的产生背景 随着信息技术的发展， 人们对移动通信的需求越来越强。 近年来， 移动通信技术得到了 飞速发展和普及。蜂窝移动通信系统、无线局域p9 ( i e e e 8 0 2 . 1 1 【 日 和h i p e r l a n 2 1 ) , 蓝牙技术 ( b l u e t o o t h 3 1 ) 、家庭无线网 ( h o m e r f 4 1 ) 等移动通信新技术纷纷涌现。这 些技术的出 现，极大方便了 人们的生活，同 时也推动了无线通信技术的发展。 无线通信网 络按照其组网控制方式分为 两类: 一类是集中式控制， 无线网络的运行要依 赖预先部署的网 络基础设施。 典型的 例子有: 蜂窝移动通信系统， 依靠基站和移动交换中心 等基础设 施的 支持; 基于 接入点( a c c e s s p o i n t ) 和有 线骨千网 模式工作的无 线局域网。 另 一 类是能够临时快速自 动组网的移动通信技术。 也就是a d h o c 网络 通信技术， 能够应用于战 场上部队的快速展开 和推进、发生地震或水灾后的 营救、 野外科学考察、临时会议等场合。 a d h o c 一词来源于拉丁语， 意思是 “ 专用的、特定的” 。 a d h o c 网络通常也可以 称为 “ 移动专用网络” ( m a n e t , m o b i l e a d h o c n e t w o r k s ) , “ 无固定设施网 ， 、 “ 自 组织网” “ 对等网 络” 或 “ 移动分布式多跳无线网络” 等等。 在本论文中，用 “ a d h o c ”来描述这 种移动分组式网络。由 于组网快速、 灵活。 使用方便，目 前得到越来 越广泛的 应用，已经成 为移动通信技术发展的一个重要方向， 在未来的通信技术中占 有重要地位。 1 . 1 . 2 a d h o c 网络的 发展历史 a d h o c 网 络的 前身 是 分 组 无 线网( p a c k e t r a d io n e t w o r k ) 5 ,6 1 。 早 在1 9 7 2 年， 是由 美 国国 防部远 景研究 规划 局( d a r p a ) 启 动了 分组无线网 项目p r n e t 【 月， 研究在 战场环境下 利用分组无线网进行数据通信。在 1 9 8 3年 d a r p a启动了高残存性自 适应网络 s u r a n ( s u r v iv a b l e a d a p t i v e n e t w o r k ) 项目 ， 研 究 如 何 将p r n e t 的 研究 成果 加以 扩展， 以 支 持更 大 规模的网 络。在 1 9 9 4年， d a r p a又启动了全球 移动信息系统 g lo m o ( g l o b a l m o b il e in f o r m a t i o n s y s t e m s ) 项目 ，旨 在 对能 够 满 足军事 应 用 需要的 、 高 抗 毁性的 移 动 信息 系 统 进 行全面深入的 研究。 成立于1 9 9 1 年的i e e e 8 0 2 . 1 1 标准妥员会采用了“ a d h o c 网络” 一词 来描述这种特殊的自 组织对等式多跳移动通信网络。 另外一个具有影响力的研究分支是因特 网工程任务组 ( i e t f )， 成立了 专门的m a n e t工作组 【 7 1。 a d h o 。 的设计思路也由 传 统的单一技术体系过渡到荃于i p 的多技术体系， 从而使a d h o 。 具有开放性、 适应性和灵活 性，提高了开发的速度。 1 . 1 . 3 a d h o c 网络的定义 辑辽大学旗士论文 1a dh o c 网络引论 1 1a d h o c 嚼络概述 a dh o e 是一种不依赖于固定设施的、自组织的无线网络，其组网方便、快捷，不擞时 间承 空间限制，既可应用于救援、会议、娥场、探险、远距将绒危险环境中的目标监控簿场 合，还霹翔予表蟋疆终瓣犷袋。 1 1 1a dh 0 e 网络的产嫩背景 随着髂息技术的发展，人哲捞 移动通信的需求越来越强。近年来，穆动通信技术得到了 飞速发震秘饕及。蜂窝移动遴信系统、蠢线麓域瓣( i e e e 8 0 2 。ll 【1 】嚣 h i p e r l a n 【2 】) 、 蓝牙技术( b l u e t o o t h 【31 ) 、家庭无线尉( h o m e r f 【4 】) 等移动通信新技术纷纷涌现。这 些技术的出现，极大方便了人们的生活，同时也推动了嚣线通信技术的发展。 无线遥信嬲络按照其缀羽控割方式分为两类：一类悬燕中式控制，兹线潮络的运行戮裱 赣瑟宠部髫豹掰络基磴设藏。典型的铡予蠢；蜂窝移动遥催系统，莜靠蘩站耪移动交揍中心 等基础设施的支持；基于撩入点( a c c e s s p o i n t ) 和有线骨干网模式工作的光线局域网。嬲 类是能够临时快速自动组嘲的移动通信投术，也就是a d h o e 网络通信技术，能够应用于战 场上邦默鲍快速展开和推进、发生地震或水灾螽露营救、搿多 科学考察、蜷酵会议莓场赍。 “a dh o c ”一诲来源予经丁语，意露怒“专用静、赘定静”。a dh o e 网络逶鬻龟霹馘 称为“移动专用网络”( m a n e t ，m o b i l e a d h o e n e t w o r k s ) 、“无固定设施网”、“自组织网”、 “对等网络”或“移动分布斌多跳无线网络”等等。在本论文中，用“a dh o c ”来描述这 转移动分缝式嬲络。由予鳃粼快速、灵活，使用方便，锺翦褥到越来越广泛的应用，邑缆成 为移动递毽技术发展祷一个鼙要方肉。在来来懿逶信控零中占有重要戆像。 1 1 2a dh 网络的发鼹历史 a dh o c 耀络豹翦隽是分组茺线圈( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 【5 菇玉早掇1 9 7 2 年，是啦美 国犀防部远豢研究蕊黼蜀( d a r p a ) 癌动了分缝无线鼹顼瓣p r n e t 5 1 ，研究在战场嚣壤下 利用分组光线网进行数据通信。在1 9 8 3 颦d a r p a 扁渤了高残存性自适应网络s u r a n ( s u r v i v a b l e 棚a p t i r en e t w o r k ) 项目，研究虫口何将p r n e t 的研究成果加以扩展，以支持蔗犬 援横静羁绦。在1 9 9 4 年，d a r p a 又襄鹤了全球移动镄惑系统g l o m o ( g l o b a lm o b i l e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 顼霹，良在对能够满避军事应用器蘩耱、高抗敷悭憋移动信惠系统进 行全面深入的研究。成立于1 9 9 1 年的i e e e 8 0 2 1 l 标准豢员会采用了“a dh o e 网络”调 来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动邋信网络。另外一个具有影响力的研究分支是因特 嬲工程任务缎( t e t f ) ，戏纛了专门静m a n e t 王终组 7 1 。a dh o e 的设诗思路也巍传 统的单一技术体系过渡到基予i p 的多技术俸系，瓢而使a dh o e 其有开放性、适应性和烫灌 性。提高了歼发的速度。 1 1 3 a dh o e 惩终鹑定义 辩进大学碗士论文 a dh o e 网络是一组带商无线收发裟鬣的移动终端组成的一个临时1 睫自治系统可以通 过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与i n t e m e t 或蜂窝无线网 络连接。在矮秘情提中，a dh o c 网络邀常楚以末端予嗍的形式接入现有嘲络。考惑到带 宽和功率鲍隈剿，a dh o e 觳不适台传为中闻承载网络，其允许深和赣静缝是隧貉内部节 点的信息进如，而不让其他信息穿越本网络，从而大大减少了与现存i n t e r n e t 互操作的路由 开销。a dh o e 网络中，每个移动终端兼镐路由器、主机和天线三种功能：作为主机，终端 藤要运行爱国羯户貔应用獠蓐； ；为路壶嚣，终糍需要运行勰寝斡路由狯汉，撮据路自繁嬉 和路由表参姆分组转发和瓣由维护工律；作为天线，受赍发送和接收鼗攒。在a dh o e 喇络 中，由于终端的无线传输范围有限。两个既法直接通信的终端节点往往溆过多个中间节点的 转发来实现通信。a dh o e 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 殊豹移动谤簿撬逶售甄络。黼l l ( 曲中绘出了a dh o c 嬲缮瓣一季孛典黧瓣物理霹终缝擒， 其中的直线连接表示两个繁点可班通信，德所有的天线均是无向天线，豳1 1 ( b ) 避戴逻 辑结构。 餮l - 1 典鳘匏a d 珏o c 瓣薅翦物理结稼鞠遴鞲缠章棼 1 1 4a dh o c 嘲络的特点 与其他搀绫缒透信网络鞠比，a d h o e 黼络具有以下鼹藩的特点【8 p 】： 移魂终龋：移动终端矮予携带、轻巧爰便，僵也裔簸有歃隆，毙魏髓深受限、c p u 处理能力低和成本较高，从i 盯给应用和开发带来难度同时最示屏等外设的功能和尺寸受黻， 不利于开展功能复杂的业务。 秃孛0 秘名级织性：a dh o e 弼络采鲻无中心结构，鼹络中没有绝对麴控裁中心，瓒 有节点豹壤使平等，备节赢遴过分瑟鲍丽终诲议积分布式冀法傍调镀l 鞋= 瓣行为。节点可敷缒 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，具有很简的鲁棒性。j 旺中 心和自组织特点使得a d h o e 网络可以实现快速自动组网。 动态拓努：移动a dh o c 网络中节点躺任意移动、壤漶耗尽关枫袋损毁、节点蝴连 d 激茳大学碾士论文 接链路由于信号干扰或传输条件变化变得不可用等都会造成网络拓扑的动态变化。在网络拓 莽图中，这些变 乇主要体现在节点郓键潞韵鼗登及分撩的交忧。 多跳通信：受穆动a d h o e 网终镶号传鞍落围，l 、的限制，妇慕耀标节点不凌技起带点 的传输瓤围之内捌必须进行多端通信，借助其他节点进行中继转发。与普通网络中的雾跳不 同，a dh o e 网络中的多跳路由怒由普通节点构成的，而不是由专用的路由设器完成。这一 方霭疆离了蓿道秘重丽壤，另一方面使得报文魏、舜突与节点位嚣穗关。 繁宽受限、键路器量动态交纯：光线链黠昭察攮比育线褰挺低，蛀多接入、多径衰落、 信号干扰及噪声又使无线链路的容壤随时间而动态变化，链路的有效褥吐量比斑中接口的最 大棱输容爨小得多。 节点功耗受阪：移动节煮怒依赖电池正常操作的，与其他无线网络不同，a dh o e 网 络戆节点餮充当萁链节点麴鼹由器，繁杰缝量载簿将套改变羁绣撼羚，遘瑟改凌鼹终憔麓及 网络寿命，因而实现节点的低功耗非常煎要。 有限的安全性积服务震量：由于a dh o e 踺络缺乏噬定的艇终纂础设施避舒用户鉴投 靼认证，潮此其安垒惶很难保证。多跳网络、动态拓扑及动态链路容激使服务旗餐的僳证变 缮魂缓溜难，基嚣丈多数a d h o e 瓣缮都廷提供b o s t c f f o r t 缀务。另静，a d h o e 苇点蠡鸯竞 当路由嚣，不存在命名服务器和掰录服务器等网络设施。也不存在“网络边际”的概念，因 此鼹要特剐考虑僖道加密、抗干扰、髑户谈证、密钥繁理、访润携铡秘其她安全媸藤。 1 1 。5a di i o c 麓络瓣披露 a dh o c 网络的许多优良特性为它在军用和名用通信领域出馏席之地提供了有刹的依 握。蓖强艇终豹霆缝绞投握供了壤侩劳蠡抉速聱溪耀终躯露能。其次，多虢煮孛趣繁点瓣转 发特性可以在不降低刚络覆盖范懑的条件下减少每个终淌的发辩功率。再次，献共事凭线穰 道翡轰瘦看，a dh o c 潮络降诋7 信号 串突的凡攀，撼离了信遴稠翔举。瓢用户魏角旋看， 低功率的蠢线电波产生的电磁辐射较少。另外网络的鲁棒性和抗毁性满足了某然特定成用的 需浆。蕊熬寒谨，它戆袭惩可豉麴霸为强下凡类【9 套 移动会议：在塞外临时环境中，工作团体的所有成员可以邋过a dh o e 方式组成一个校 对翘络来协同完成一磺大麴任务，藏协麓完成菜个计算任务。在斑内办公环境中，办公入员 携带的包含a dh o e 收发器的p d a 可以通过无线方式自动从台斌机上f 载电子邮件，更新 互佟强糕褒等。 家庭联网：邋过移动联网的方式把办公室昀办公环壤延伸到家崴。必要时梅家庭办公。 或者利翊我们随身携带静个人无线a dh o e 设备与装备了a dh o e 收发器的家藏电器通信， 自动完成汗锁、开灯、打开娱乐设备、调节空调昝操作。 紧急服务：毒予停毫域其谴灾害蹬璃，阐络纂雅设施遭虱破坏时，缀建一个a dh o c 两 络帮动紧惑救援人茨完成必要於邂信工稼。 传惑器网络：最近，人们开始燕j 主大凝分布的传感器协调 二作阔题。传感瓣可以z 作在 危险的环境( 如化学有害物质泄漏现场) 通过在传感器上装备位鼹指示器、a dh o c 收发器 等，将棱艨器所在筑弱的信息传送剩熊陵现场敬乡 ，避免救援入臻进入现场，收集和辩踟事 故穰怠。 5 浙江大学硕士论文 接链路由于 信号 干扰或传 输条件变化变得不可用等都会造成网络拓扑的动态变化。 在网络拓 扑图中。这些变化主要体现在节点 和链路的数量及分布的变化。 多跳通信: 受移动a d h o c 网络信号传输范围小的限制， 如果目 标节点 不在发起节点 的传输范围之内则必须进行多跳通信， 借助其他节点进行中继转发。 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 普通节点构成的， 而不是由 专用的路由 设备完成。这一 方面提高了 信道的重用度，另一方面使得报文的冲突与节点位置相关。 。 带宽受限、 链路容量动态变化: 无线链路的容量比有线容量低， 且多接入、 多径衰落、 信号千扰及噪声又使 无线链路的 容擞随时间而动态变化， 链路的有效吞吐量比空中接口的最 大传输容量小得多。 节点功耗受限:移动节点是依赖电 池正常操作的，与其他无线网络不同， a d h o c 网 络的节点要充当其他节点的路由 器， 节点能量耗尽将会改变网络拓扑， 进而改变网 络性能及 网络寿命，因而实现节点的低功耗非常熏要。 。 有限的安全性和服务质量:由 于a d h o c 网 络缺乏固定的网络荃础设 施进行用户鉴权 和认证， 因此其安全性很难保证。 多跳网络、 动态拓扑及动态链路容量使服务质量的保证变 得也很困难，目 前大多数a d h o 。 网络都只提供b e s t - e f f o r t 服务。 另外， a d h “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 “ 网 络边际” 的概念， 因 此需要特别考虑信道加密、 抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制和其他安全措施。 1 . 1 . 5 a d h o c 网络的应用 a d h o c 网 络的 许多 优良 特性为它在 军用 和名 用通 信领域占 据一席之地 提供了有利的 依 据。 首先网 络的自 组织性提供了 廉价并且快速部署网 络的 可能。 其次， 多跳和中间节点的 转 发特性可以 在不降低网络覆盖范围的 条件一 减少每个终端的发射功率。 再次， 从共享无线信 道的角度看， a d h o c 网络降 低了 信号冲突的 几率，提高了 信道利用率。 从用户的角度看， 低功率的 无线电 波产生的电 磁辐射较少。 另外网 络的 替棒性和抗毁性满足了某些特定应用的 需求。总的 来说，它的 应用可以 归纳为以 下几类 【 4 1 : 移动会议: 在窒外临 时环境中， 工作团体的所有成员可以通过a d h o c 方式组成一个临 时网络来协同完成一项大的任务， 或协同 完成某个计算任务。 在室内办公 环境中， 办公人员 携带的包含a d h o c 收发器的p d a可以 通过无线方式自 动从台 式机上下载电子邮件，更新 工作日 程表等。 家庭联网: 通过移动联网的 方式把办公室的办公环境延伸到家庭，必要时在家庭办公。 或者利用我们随身携带的个人无线a d h o c 设备与装备了a d h o c 收发器的家庭电器通信， 自 动完成开锁、开灯、 打开娱乐设备、调节空调等操作。 紧急服务:由于停电 或其他灾害出 现，网络荃础设施遭到破坏时，组建一个a d h o c 网 络帮助紧急救援人员完成必要的 通信工作。 传感器网络: 最近， 人们开始关注大量分布的传感器协调工作问题。 传感器可以工作在 危险的 环境 如化学有害 物 质泄 漏现场 ， 通过 在传 感器上装备位置指示器、 a d h o c收 发器 等， 将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外。 避免救援人员进入现场， 收集和辨别事 故信息。 浙江大学硕士论文 个人域网络: 通过a d h o c 网络把个人通信、娱乐、办公等设各联网，这些设备可以 或 不需要与因 特网 相连， 但在执行用户的某项活动时肯定需要彼此通信， 在这种情况下， 移动 性不是主要问题。 军事无线通信: 在现代化战场上， 各种军事车辆之间、 士兵之间、 士兵与军事车辆之间 都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥，协调作战。这样的通信网络是一种典型的 a d h o c 网络。 据报道，在最近的伊拉克战争中，移动a d h o c 网 络得到有效的 应用。 其他商业应用:如未来装备a d h o c 收发设备的机场预约和登机系统可以自 动地与乘客 携带的个人无线a d h o c 设备通信，完成目 前的换登机牌等手续。如商场内商品r e 标签， 廉价的r f 标签可以通过无线接口由a d h o 。 设备动态刷新。顾客若携带手持无线设备可以 很容易地找到某种商品和价格。这种设备已由n c r公司生产。 1 .2 a d h o 。 网络的体系结构 网 络的各层及其协议的 集合， 称为网 络的体系结构， 也就是网络及其各部件所应完成的 功能的具 体定义。 由 于a d h o 。 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 c 网 络中不再适用。 a d h o c 网络的体系结构 【 1 0 , 1 1 7 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. 2 . 1 节点 结构 a d h o c 网络的 节点 不仅具有移动 终端的 功能， 还要完成路由器的 功能。 因此，网 络节 点 通常包括主机、 路由器 和电台 三部分。 其中 主 机部分沙 卜 置计算 机或嵌 入式计算 机) 完成移 动终端的功能， 包括人机接口、 数据处理等; 而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( 无线接口 ) 提供无线信息传 输功能1 1 2 7。 从 物 理结构上分， 如图1 - 2 所示， 节点可以 被分为以 下儿类: 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结构， 复杂的车载台可能包括通 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， 还可以作为网关节点来互联多个a d h o c 网络。 路 由 器 燕 斗翌州 主 机 主 机 1 主 机 鞋 机 1 4 台 多 主 腆铃 图 1 - 2 a d h o c 网络节点的几种物理结构 多 主 祖 多 电 台 浙江大学硕士论文 1 . 2 .2 网 络拓扑 拓扑可变的网络包含四种基本结构:中 心式控制结构、 分层中心式控制结构、 完全分布 式控制结构和分层分布式控制结构 【 1 2 1。 前两种属于集中式控制结构， 普通节点设备比 较简单， 而中 心控制节点设备较复杂， 有 较强的处理能力， 负贵选择路由 和实施流量控制。 由于a d h o c 网络中 节点的能力通常相同， 并且中 心控制节点易被发现和易遭摧毁， 使得a d h o c 网 络不适合采用集中式控制结构， 特 别是在战场环境中。 完全分布式网 络结构又称为平面结构， 如图1 - 3 ( a ) 所示。 在这种网络结构中， 所有节 点在网络控制、 路由 选择和流量管理上是平等的， 原则上不存在瓶颈， 网络比较健壮。 源站 和目 的站之间一般存在多条路径， 可以较好地实现负载平衡和选择最优的路由。 另外， 平面 结构中节点的覆盖范围比 较小， 相对较安全。 但在用户很多. 特别是在移动的情况下， 存在 处理能力弱， 控制开销大， 路由 经常中 断等缺点， 并且无法实施集中式的网络管理和控制功 能，因此它主要用于中小型网络。 分层分布式控制结构又称分级结构， 借鉴了 全分布式和分层中心式的优点。 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， 由 簇头节点负责 簇间 业务的转发。 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， 因 此大大减少了网 络中控制信息的 数量: 并且具有良 好的可扩充 功能， 网络的规模不受控制; 簇头节点可以随时选举产生， 因此分级结构也具有很强的抗毁 性。 假设一个簇中的 平均节点 数为n , 网 络分级 数为m， 那么， 网 络中的总 节点 容量为n , 使用平 面结 构. 节点需 要维 护。( n勺条 记录， 而 使用分级结 构， 则 只需要维护o (n x m 条记录。并且只有处于 最高簇的节点需 要维护 o ( n x m条记录数。 在分级结构中， 簇头节 点可以预先指定， 也可以由节点使用选举算法产生。 根据不同的硬件配置， 分级结构又可以 分为单频分级和多频分级两种结构。 如图1 - 3 ( b ) 所示， 单频分级网 络只有一个通信频率， 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 拟骨干网. 而在多频率分级网 络中， 不同级采用不同的 通信频率。 低级的节点的通信范围较小， 而 高级的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， 使用不同的频 率来实现不同级的通信。在图 卜 3 ( c ) 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。目 前在军事系统中， 规模较大的 a d h o c网络常采用分簇结构， 而且簇的划分和管理通常与作战单位相对应，不同簇的节点 之间 通信必须借助于 簇间网关节点的 转发完成。 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 m d i g it a l r a d io ) 组网 时 采 用 的就是如图 1 - 3 ( c ) 所示的双频分级结构，每个簇由一部n t d r充当簇头，簇内成员都在 簇头的 无线电中 继范围内， 并且同属一个战斗单位组织。 分级结构也有它的 缺点:需要簇头选择算法和簇维护机制: 簇头节点的任务相对较重， 可能成为网络的瓶颈: 簇间的路由不一定能使用最佳路由。 这些问题都是在设计分簇网络结 构时需要特别考虑的问 题。 浙江大学硕士论文 撅. 摘头 网关.簇成况 乎面用约 名 的结构 ( b ) 甲级分级结构 a w 皿a泛 孩甲 1一组甲2 : 旅.幼 成份. 摘 头 亡 。 舰绷分级用络防构 图1 - 3 人 d h o c 网 络的 几种基本结构 1 . 2 . 3 a d h o c 协议栈 根据a d h o c 网络的 特征，参照o s i 的经典7 层协议栈模型和t c p / i p 的体系结构， 可 以将a d h o c 网络的协议栈划分为5 层，如图1 - 4 所示。 考虑到t c p / i p 协议称为事实的网络互联标准， a d h o 。 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) ， 井需要根据自 身特点进行必要的简化、 修改和扩充。 例如， 现有路由 协议和组网方式都必须做重大修改， 无线网络中的t c p 机制和 性能也需重新评估， 考虑与有线骨干网的无缝连接， 兼顾网络的效率与 抗毁性等。 应 用 层 j 日 传输层 口 网络层 口 足跪层 口 物 理 层 、口 在协议 找中， 各层的 功能 描述如下【 1 2 1:图1 -4 a d h 。体 系 结 构 物理层:功能包括信道的区分和选择、无线信号的检测、调制1 解调等。由于多径传播 带来的多径衰落、 码间传绕， 以及无线传输的空间广播特征带来的节点间的相互午扰， 使得 a d h o c 网 络传输链路的每带宽容量低，因 此物理层的设计目 标是以 相对低的能量消耗，克 服无线媒体的 传输损伤， 获得较大的链路容量。 为达到上述目 的， 必须采用某些技术， 比 如 调制解调、信道编码、多天线、自 适应功率控制、自 适应干 扰抵消、自 适应速率控制等。 数据链 路层; m a c 子 层控制移 动节点对共享无线信道的 访问， 它包 括两个部分， 一 是 信道的划分， 即如何把频谱划分不同的 信道; 二是信道分配， 如何把信道分配给不同的用户。 可以采用随机竞争机制( c s m a , i e e e 8 0 2 . 1 1 或ma c a ) , 基于信道划分的 接入机制( t d m a , f d m a , c d m a或s d m a )、 轮转机制 ( 轮询或令牌环) 或动态调度机制。 在a d h o c r络 中， 必须克服暴露终端和隐 藏终端问 题。 逻辑链路控制子层负责向网络提供同 一的服务， 屏 蔽 底层不同的m a c方法。 具体包括数据流的复用、 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: 需要完成邻居发 现、 分组路由、 拥塞控制和网络互联功能。 邻居发现用于收集 网络拓扑信息。 路由协议的作用是发现和维护去往目的 节点的 路由， 将网 络层分组从源节点 浙江大学硕士论文 发 送到目 的 节点以 实 现节点之间 的 通信。 路由 协议包括 单播路由 和多播路由 协议， 此外还可 以采用虚电路方式来支持实时分组的传输。 传输层: 向 应用层提供可靠的 端到端服务， 使上层与通信子网( 下三层的细节) 相隔离， 并根据网 络层的特性来高效地利用网 络资 源， 特别是当a d h 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。目 前a d h o 。 网 络的传输层还是基于传统有线网络中 的传输层协议， 包括传输控制协议 t c p ) 和用户数据报协议 u d p ) 以 及适用于无线环境 的其他特定的传输层协议。 应用层协议: 提供面向 用户的各种应用服务， 包括具有严格时延和丢失率限 制的实时应 用 ( 紧急控制信息) 、 基于r t p / r t c p 的自 适应 应 用 ( 音频 和视 频) 和没有任何服务 质量 保障的 数 据 报 业务， 此 外还 可以 采 用各 种 应用 层协 议 和 标 准， 如w a p ( w i r e le s s a p p l ic a t io n p r o t o c o l )。 可选功能: 包括功率控制机制、 分簇算法、 信令协议、 移动管理和位置定位、 服务发现、 地址自 动配置和安全策略等。 这些可选功能 模块在协议栈中的具体的位置取决于各功能模块 的作用以 及与 上下层协议的 关系。 例如功率控制机制可以工作在物理层之上为 链路层提供服 务: 信令协议一 般在网 络层之上工作为传输层提供服务; 而分簇算法可以工作在链路层之上 为网 络层提供服务。 此外，为了优化系统性能 应采用跨层的协议栈设计方法。 考虑到a d h o c 网络中的能 量极其宝贵，各个层也 应采用相应的能量保护机制。需要注意的是该协议栈是一个通用a d h o c 网络协议栈， 对于具体的应用场合， 该协议栈可以简化， 去掉不必要的功能模块或添加 新的模块，并根据系统和应用要求 一作进一步的 细化。 1 . 3 a d h o c 网络的关键技术 由于a d h o c 网 络的特殊性， 传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术 无法被直接使用， 需要为a d h o c 网 络设计专门的 协议和技术。 a d h o c 网络设计的技术很多， 但主要体现在以 下几个方面 【 1 3 , 1 4 1 ; 物理层自 适应技术:由 于能量的限 制，自 适应网络的链路层设计面临许多新的挑战。 由于多 径衰落引起的 幅度与相位的扰动、 延迟扩展引起的 码间串扰、 来自 其他节点信号的干 扰等因素， 使得无线信道的单 位带宽容量相对较小。 自 组织网 络链路层设计的目 标是在相对 小的能量条件下， 使得数据速率接近最基本的信道容量。 如何充分利用有限带宽、 能量资源 基于应用的特点和对q o s的要求， 最大化网 络的吞吐量， 最小化能量的a耗， 延长能量首 先网 络的寿命， 是链路自 适应技术要解决的问 题。 解决的 方法主要有自 适应编码、自 适应调 制、帧长自 适应、自 适应功率控斜、自 适应资源分配、自 适应链路调核技术。 . 信道接入技术: 是a d h o c 网 络协议的基础， 控制着节点如何接入无线信道， 对a d h o c 网络的性能 起着决定的作用。 a d h o c 的 无线信道不是普通网 络的共享广播信道、点对点的 无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道， 它是多跳共享的多点信道。 一个节 点发送信息时， 邻居节点 ( 也只有邻居节点) 可以 收到。 此外， a d h o c 有独特的暴露终端 和隐藏终端问题，需要专ff 7 设计的信道接入技术才能解决. ， 路由 协议:是a d h o c 网 络的重要组成部分， 要实现多跳路由，必须有路由 协议的支 浙江大学硕士论文 持。i e t f 成立的m a n e t 工作组目 前就主要负责人 d h o c 网 络i p 层路由的 标准化土作。 服务质量保证:随着应用的拓展，需要在a d h o 。 中传输话音、图像等多 媒体业务。 多媒体业务对带宽、 时延、 时延抖动等都提出了 很高的要求。 这就需要提供一定的服务质量 保证。 在a d h o c 中服务质量保证是个系统性的问题， 不同 层都要提供相应的 机制。比 如应 用层要提供自 适应信源编码和压缩技术，网络层要提供 q o s 路由， 链路层要提供资源预留 策略r s v p . 广播和多播:由于a d h o c 网络的特殊性， 广播和多播问 题也变得非常复杂， 它们需 要链路层和网络层的支持。 而且由于a d h o 。 网络是特殊的多跳共享的多点信道，对于 组播 问题将很难解决。 。 安全问题: a d h o c 网 络的 特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因 此，需要 研究适用于a d h o c 网络的安全体系结构和安全技术。 和q o s 一样， 安全问 题也是系统性的 问 题，不同 层都要提供相应的 机制。 。 网 络管理:范围 较广， 包括a d h o c 网 络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服 务管理等。要有相应的 机制解决节点定 位、地址自 配置等问题。 . 传输层服务:在a d h o c 网络中， 无线信道的衰落、 干扰、节点移动等因素会造成报 文冲突和丢失， 这将严重影响t c p 的性能 因此， 在a d h o c 网络中耍对传输层业务 进行修 改 ( 比如t c p ) ,以满足数据传输的需要。 网络互联技术: 在很多场合下， a d h o c 网 络要和其他网 络互联。比 如在军事应用中 采用a d h o c 网 络技术的 战斗网 要接入更高级的 战场 通信系统。 有的时候， a d h o c