（通信与信息系统专业论文）ad+hoc网络性能改善的研究.pdf

摘要 随着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普 及和发展，新技术不断涌现。蜂窝移动通信系统在短短十几年间就完成了从第一 代到第二代和第二代半的跨越，并正在向第三代系统演迸。 无线a d h o e 网络是一种无中心的自组织无线多跳网络，在无线信道中，高误 码率限制了其传输性能，通常用前向纠错来降低信道中的高误码率，传统的端到 端的自适应前向纠错在一定程度上降低了丢包率，但并不能灵活地适应网络内部 的链路差异。主动网的概念为自适应前向纠错改善无线信道性能提供了一种能够 每跳执行配置的新思路。利用主动网技术来实现无线网络中的自适应前向纠错， 不止在网络的对端完成对数据的编解码、查错、纠错等功能，在网络的中间节点 也实现这些功能，并根据当前链路状况对数据的差错编码等级做出更改，使网络 传输的效率能够在不同情况下得到最大限度的满足，改善a dh o e 网络的传输性能。 本文提出了两种基于主动网的自适应前向纠错算法。两种算法均利用主动节 点的计算功能来监测无线链路上的误包率，并根据误包率的高低来转换前向纠错 的纠错编码等级，既能使附加的冗余信息有效地降低无线链路上的误包率，又能 保持一定的带宽利用率。基于主动网的自适应前向纠错方案首先选择在主动执行 环境a n t s 之上利用j a v a 语言进行了代码实现，并且利用g i l b e r t 误码模型进行了 仿真实验和性能分析。然后使用n s 2 仿真软件，搭建a dh o e 网络仿真环境，仿真 两种算法。实验和仿真结果均表明，两种算法均能有效改善无线网络中的丢包问 题和传输延时，且各有侧重。 随着新型无线网络设备系统的出现，a dh o e 网络部署环境发生了巨大变化， 出现了具有稀疏特性的a dh o e 网络。稀疏a dh o e 网络的应用环境越来越多的被 研究者发现并拓展开来，其它应用领域的研究者也越来越多的考虑将稀疏a dh o e 网络系统和技术引入本领域。本文描述了稀疏a dh o e 网络的应用背景和技术架构， 分析了三种比较典型的稀疏a dh o e 路由协议( e p i d e m i c 路由协议、p r o p h e t 路 由协议和m e s s a g e f e r r y i n g 路由协议) 。在稀疏a d h o e 网络中，传输延时是衡量路 由协议性能的一个重要参数，如何对这参数进行优化，是设计稀疏a dh o e 网络路 由协议的重点和难点。 本文提出了m f b r 算法，使用多个摆渡节点作为数据通信的中继节点，f e r r y 节点既各自独立，又相互合作，这样既可以减少网络信息的传输延时，又可以提 高网络的稳定性和安全性。仿真结果表明，m f b r 路由算法能够有效降低稀疏a d h o e 网络的平均延时，提高网络的性能。 关键词：a d h o c 网络，主动网，自适应前向纠错，稀疏a d h o c 网络，m e s s a g e f e r r y i n g 路由协议 a b 科m n a b s t r a c t d u et or e c e n ti n c r e a s eo ft h ed e m a n df o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t h et e c h n o l o g yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n du s e dw i l d l y c e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a sa ne x a m p l e , h a sf i n i s h e di t se v o l u t i o nf r o mt h ef i r s t g e n e m a t i o nt ot h es e c o n da n ds e c o n da n dah a l fg e n e r a t i o n ，a n di t i sn o wm a t c h i n g f o r w a r dt oi t st h i r dg e n e r a t i o ns y s t e m w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sa na c e n t r i cw i r e l e s sn e t w o r kw i t hc h a r a c t e r so f s e l f - o r g a n i z e da n dm u l t i - h o p g e n e r a l l ys p e a k i n g , w i r e l e s sc h a n n e li sc h a r a c t e r i z e db y t h eh j 【g hb i te r r o rr a t e ，w h i c hg r e a t l yl i m i t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r k i n at r a d i t i o n a ls o l u t i o n , a n a d a p t i v e e n d - t o e n df o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 畔0 t e c h n o l o g yi su s e dt or e d u c et h el o s sp r o b a b i f i t yo fp a c k e t sa n dt h u si m p r o v et h e p e r f o r m a n c e ，b u tt h i ss t i l lc a nn o ta d a p tt h el i n kd i v e r s i t yw i t h i nt h en e t w o r ke f f i c i e n t l y h o w e v e r ，t h ec o n c e p to fa c t i v en e t w o r ki n , e d u c e san e wm e t h o dt oi m p l e m e n tt h e a d a p t i v ef e e i nah o p - b y - h o pw a y , w h i c hi ss u p p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f w i r e l e s sl i n kg r e a t l y w h e ni m p l e m e n tt h ef e et e c h n o l o g yi nah o p - b y - h o pw a y , t h e w o r ko fc o d i n ga n dd e c o d i n g , e l f o rd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o nc a nb ed o n ei nt h e i n t e r m e d i a t en o d e s ，a sw e l la st h es o u r c ea n dd e s t i n a t i o nn o d e s f u r t h u rm o r e ，t h e i n t e r m e d i a t en o d e sc o u l dc h a n g et h ef e el e v e la c c o r d i n gt ot l l e i rl o c a ll i n kc o n d i t i o n , w h i c hc a nm a x i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r ki nd i f f e r e n tl i n kc o n d i t i o n s w ep r o p o s et w oa d a p t i v ef e ea l g o r i t h m sb a s e do nt h ec o n c e p to fa c t i v en e t w o r k b o t ho ft h et w oa l g o r i t h m sw o u l dm o n i t o rt h ep a c k e te r r o rr a t e ( p e r ) o ft h ew i r e l e s s l i n k s ，u s i n gc o m p u t a t i o nf u n c t i o no f a c t i v en o d e s ，a n da d j u s tt h ef e cl e v e la c c o r d i n gt o t h ed e t e c t e dp e rl e v e l t h u sw ec a ni n c r e a s et h ee f f i d e n c yo ft h eu t i l i z a t i o no f b a n d w i d t hw h i l ek e e pt h ep e ri nal o ws i t u a t i o n o u ra c t i v en e t w o r kb a s e da d a p t i v e f e ca l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e df i r s ti nt h ee x e c u t i o ne n v i r o n m e n ta n t su s i n gj a v a c o d i n g , a n dw es i m u l a t et h e mu n d e rt h eg i l b e r tb i te r r o rm o d e l t h e nw et r a n s f e rt h e s i m u l a t i o nt ot h en s 2 p l a t f o r m ，t oi m p l e m e n tt h e mi na na d h o ew i r e l e s sn e t w o r k t h e r e s u l t ss h o wt h a tb o t ho fo u rt w oa l g o r i t h m sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h el o s sp r o b a b i l i t y a b s t r a c t a n dt r a n s p o r td e l a y w i t hn e ww i r e l e s sn e t w o r kd e v i c e s s y s t e m sc o m ei n t oe x i s t e n c e ，t h ed e p l o y m e n t o fa dh o en e t w o r kh a sc h a n g e ag r e a t l y s p a r s ea dh o en e t w o r kh a sr e c e i v e dm o r ea n d m o f ea t t e n t i o n ，e v e rr e s e a r c h e r sf r o md i f f e r e n tf i e l d sa r et r y i n gt oi n t r o d u c et h es p a r s e a dh o en e t w o r kt e c h n o l o g yi n t ot h e i ro w nf i e l d s i nt h i sp a p e rw ea l s od e s c r i b et h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt e c h n o l o g ya r c h i t e c t u r eo ft h es p a r s ea dh o en e t w o r kw e w i l la n a l y z et h r e et y p i c a ls p a r s ea dh o c r o u t i n gp r o t o c o l s ( e p i d e m i c , p r o p h e ta n d m e s s a g ef e r r y i n g ) i ns p a r s ea dh o e o u rg o a li st od e c r e a s et h et r a n s p o r td e l a y , w h i c h i ss u p p o s e dt ob eak e yp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h er o u t i n gp r o t o c o l sh e r e w ea l s op r o p o s em f b r ( m e s s a g ef e r r yb a s e dr o u t i n g ) a l g o r i t h m ，i nw h i c h s e v e r a li n d e p e n d e n ta n d c o o p e r a t i n gf e r r yn o d e s a c ta sr e l a yn o d e st od e c r e a s et r a n s p o r t d e l a ya n di n c r e a s en e t w o r ks t a b i l i t ya n ds e c u r i t ya c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t , m f b rr o u t i n ga l g o r i t h mc o u l de f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ea v e r a g ed e l a yo fs p a r s ea dh o e n e t w o r k , t h u si m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a dh o en e t w o r k ，a c t i v en e t w o r k ，f e c , s p a r s ea dh o er o u t i n gp r o t o c o l ， m e s s a g ef e r r yr o u t i n gp r o t o c o l i v 简略字表 a a a n t s k 瓣 a n 简略字表 a c t i v ea p p l i c a t i o n a c t i v en e t w o r kt r a n s f e rs y s t e m a c t i v en e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c o l a c t i v en e t w o r k a o d v a dh o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a p i a r q b e r c r c e e e “f e c f e c f 1 m f h a f e c m f m f b r n m f n o d e o s p e r a p p l i c a t i o np r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b i te r r o rr a t e c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t f u l la d a p t i v ef e c f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f e r r yi n i t i a t e dm e s s a g ef e r r y i n g h o p - b y h o pa d a p t i v ef e c m e s s a g ef e r r y i n g m e s s a g ef e r r y i n gb a s e dr o u t i n g n o d ei n i t i a t e dm e s s a g e f e r r y i n g n o d eo p e r a t i n gs y s t e m p a c k e te r r o rr a t e v 主动应用程序 主动网络传输系统 主动网封装协议 主动式网络 a dh o c 网络按需距离 矢量协议 应用编程接口 自动重传请求 误码率 循环冗余码 执行环境 完全自适应前向纠错 前向纠错 摆渡节点初始化协议 逐跳自适应前向纠错 摆渡信息协议 基于摆渡信息路由协议 普通节点初始化协议 主动节点执行环境 误包率 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，论文中不包含其它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： 垫堕盘日期：2 。唧年厂月加日 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：塞坠整导师签名： 日期：j 叼年岁月w 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 网络技术的飞速发展正强烈影响并深刻改变着人们生活的方方面面，人们利 用网络和亲人、同事、工作伙伴联系；利用网络获取资讯；不同地方的人们利用 网络共同地工作。网络给人类文明来了巨大的飞跃，全人类再也不是被分割在地 球的各个角落，而是被有机的联合起来，就算你在天涯海角，也照样可以通过网 络找到你所需要的东西。 过去的网络主要是有线网络在过去的几十年间，有线网络给人类的交流和 通讯带来了极大的便利，人类文明得到巨大的飞跃。随着人们对随时随地的自由 通讯的渴望，近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。当代的便携计算机或者 个人助理都配有无线接口，通过无线网络人们满足了自由通讯的梦。但目前的无 线通信大多需要有线基础设施( 如基站) 的支持才能实现，对于一些特殊的应用 场合，这种架构方式并不能胜任，比如，战场上部队的快速部署和推进，地震或 水灾等大型灾害后的营救，野外科考作业，以及临时性组织的大型会议等。这些 场合的通信不能依赖于任何预先部署的网络设施( 或者预先部署的设施已经因灾 害损毁而失去效用) ，而是需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术。因此。 一种新的网络技术a dh o c 网络技术应运而生。a dh o e 网络不需要有线基站的 支持，移动主机在网络中不停地移动，从而使网络拓扑结构动态改变，而又能保 持组网实现通信，所以它可以很快地被部署，并且被应用于民用临时通讯，军事 战场通讯。 从另一个角度看，传统网络的功能单一而封闭，对网络内部节点的功能开发 很少，服务只能在端系统实现，随着i n t e r n c t 的普及和网络技术的迅速发展，网络 用户的需求日益增多，传统的网络体系结构已经无法满足人们对网络应用越来越 高的要求，不断出现的各种新型业务和应用由于受到标准化和兼容性的制约，得 不到网络及时和有效的支持。主动网技术的出现为解决这些问题提供了一种新思 路。主动网络是一种区别于传统网络被动传输数据的全新网络计算模型，它的网 络基础结构能够编程，即网络节点能够执行数据的计算功能，允许用户向网络节 电子科技大学硕士学位论文 点插入定制的程序以便修改、存储或重定向网络中的数据流。主动网络在口或其 他标准化的层次上获得更大的灵活性，极大地改善了现有网络提供网络服务的能 力，适应新应用的能力和对异常事件的反应能力。 1 2a dh o e 网络及其特点 随着无线通信技术的发展，在蜂窝无线通信这种基于单跳( s i n g l eh o p ) 的模 型之外，还出现了另一种基于多跳( m u l t i h o p ) 模型的无线通信技术，又称为a d h o e 网络。a dh o e 网络的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，由d a r p a 资助，其后，又在1 9 8 3 年和1 9 9 4 年进行了抗毁可适应网络s u r a n ( s u r v i v a b l e a d a p t i v en e t w o r k ) 和全球移动信息系统g l o m o ( g l o b a li n f o r m a t i s y s t e m ) 项目 的研究。 a dh o e 网络是无线网络的另一种组织方法。在a dh o c 网络中，没有专用的 固定基站，网络中所有的节点都是一个移动的节点，所有节点作为同等实体相互 连接，都参与路由的发现和维护过程，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，而且具有报文转发能 力。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c h o p ) 才能到达目的地，这是a dh o e 与其它移动通信网络的最根 本区别。a dh o e 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 pw i r e l e s sn e t w o r k ) 、 自组织网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 或无固定设施的网络( i n f i r a s t r u c t u r e l e s s n e t w o r k ) 。 由于a dh o c 网络能够自我组织、快速部署，不需要任何的有线主干网，也不 需要任何的集中控制，所以，建立在它上面的应用是越来越多。在a dh o e 网络中， 节点问的通信是依靠其他节点以多跳的方式来转发传递的，所以，a dh o c 网络能 够适应由于节点移动性和传播条件改变所造成的拓扑的动态变化。因此，a dh o c 网络比较适用于战场，抢险、受灾地区、边远地区和勘探等临时场合的通信。 无线通信和终端技术的不断发展，a dh o c 网络在民用环境下也得到了发展， 如需要在没有有线基础设旖的地区迸行临时通信时，可以很方便地通过搭建a d h o c 网络实现。 2 第一章绪论 a dh o e 网络不同于一般军用网络，也不同于民用互联网，它支持多种业务， 具有很高的灵活性，同时具各抗毁性、安全性、移动性等特点。a dh o e 网络主要 功能如下： 满足地震、水灾或偏远地区救援行动的通信需求； 实现指挥控制数据的无缝交换； 提供战场态势感知数据的传播； 满足部队动中通的需求： 可与其它通信系统互连而达到战术级至战略级的完全互通； 具有网络初始化及管理功能。 a dh o c 网络的主要特点利1 l ： 1 ) 多跳：“多跳”的意思是跳数大于1 。所谓“跳数”就是指路径的中间节点 的个数，经过一个节点就是1 跳。由于节点的通信距离有限，a dh o e 网络 在寻找路由和传输数据的过程中分组通常都要经过多个节点进行中继才 能到达目的地，因此，它是一个多跳的网络，类似于i n t c m e t 而有别于蜂 窝网、无线局域网等单跳网络。多跳的特点给工作在同频共享时分复用无 线信道的a dh o c 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：动态变化的网络拓扑是a dh o c 网络的一个显著特点。由于用 户终端的随机移动、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的互相干 扰以及地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑 结构随时都有可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预溺的。 3 ) 网络的自组性：a dh o c 网络是一种具有自组织、自配置、自管理功能的网 络，它可以在任何时间、任何地点不依赖现有网络基础设施，通过节点之 间的自我组织，快速、灵活地构建一个移动通信网络。 分布式控制：a dh o e 网络中用户终端的地位平等，不存在中心控制点，网 络路由协议通常采用分布式控制方式，因此它比采用集中式控制的网络具 有更强的健壮性和抗毁性。 5 ) 有限的无线传输带宽：无线信道的物理特性决定了a dh o e 网络所能提供 电子科技大学硕士学位论文 的网络带宽相对有线信道要低很多，即使在技术要求相当高的i e e e 8 0 2 1 1 a 标准中，最高速率也只能达到5 4 m b p s 。 回信道容量不稳定：网络节点竞争同频共享时分复用无线信道所带来的碰 撞、干扰、信号衰减等因素以及“隐藏终端”、“暴露终端”的存在，不仅 使节点可得到的有效信息传输带宽远小于传输信道的最大带宽，而目也导 致了无线链路容量的动态变化，从而造成了信道容量的不稳定。 乃单向信道的存在：单向信道是指存在单向链路的信道。由于各个无线终端 发射功率的不同以及地形环境的影响，a d h o e 网络中可能产生单向链路， 使相邻两节点只能进行单向通信。单向信道为a dh o e 网络带来三个严重 影响：认知单向性、路山单向性和目的节点不可达。 移动终端的自主性：a d h o e 网络中的移动终端具有自主性，能够运行而向 用户的应用程序以提供用户使用网络的人机接口。 移动终端资源的局限性：a dh o e 网络中的移动终端( 如笔记本电脑、手持 终端等) 具有灵巧、轻便、移动性好等优点，但它们的一些固有特性，如 采用电池之类可耗尽能源提供电源、内存较小、c p u 性能较低等，影响了 网络的寿命和性能。 l o ) 可扩展性：a dh o e 网络节点个数不多，网络规模无法跟拥有成千上万个节 点的i n t e m e t 相比；而且由于受到多跳属性和网络传输能力等因素影响， 节点数目增加与端到端时延增加、分组传送成功率下降的矛盾很难解决， 这些因素严重影响了a dh o e 网络的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 。 1 1 ) 有限的网络安全：a d h o e 网络工作在无线共享广播信道，与有线网络相比， 存在更加严重的安全性问题。在设计网络时，需要仔细考虑窃听、欺骗和 拒绝服务攻击等。 1 2 ) 较短的生存时间：a d h o e 网络多用于战场、救灾等特殊场合，通常是由于 某个特定原因而临时构建的，使用结束后，网络环境将会自动消失。因此， 相对于固定网络而言，a dh o c 网络的生存时间较为短暂。 在上述特点中，a d h o e 网络最本质的特点是“多跳”和“动态拓扑”，这两个 特点能够把a dh o e 网络同i n t e m e t 、蜂窝网和无线局域网等其它网络明显区分开 来。 4 第一章绪论 1 3 主动网技术及其特点 主动两( a a i v en e t w o r k ) 的概念最早是在1 9 9 4 年到1 9 9 5 年d a r f a 组织在 讨论关于未来网络发展方向中提出的1 2 l 。主动网是指在网络中间节点提供直到应用 层的计算处理能力的网络编程接口。用户可以通过向网络中注入可执行代码来动 态地对网络编程。这些可执行代码由网络中的数据包携带，通过在网络中间节点 运行来改变网络节点的状态和行为。 一般来说，主动网络从以下两方面体现它的“主动性”。首先，网络中的节点 能够在用户数据上执行计算操作；其次，网络中的节点能够由具体用户根据具体 要求来实现主动程序的定制。例如，对于一段视频多播会话，可以根据不同节点 的带宽资源由主动节点决定相应的视频压缩算法，当接收端的接收带宽有限时， 位于接收端上级的主动路由器就根据相应的信息选择使用高压缩比的压缩算法。 主动网具有以下三个特点1 3 l ： 1 ) 可编程性，这是主动网最大的特点。它在传统网络功能( 存储，转发) 的 基础上增加了计算功能，这种功能可以应用在很多方面，如新协议的开发， 可靠组播传输，自纠错网络等。 笏移动性，主动网络能够传送携带可执行代码的主动式数据包，主动式数据 包能在不同的平台上流动，流经的节点可以执行主动式数据包中的程序， 这种主动式数据包的实质就是具有移动特性的智能代理。 3 ) 可扩展性，主动式网络具有灵活扩展功能的能力，从而加速网络更新的步 伐，从传统的面向供应商驱动的网络服务向面向用户驱动的网络服务转 变。 主动网的优势在于其提供的灵活的网络应用编程接口，能够为终端应用提供 更为有效的网络服务【4 】。主动网可以应用在很多领域，用于提高现有网络的性能以 及加快新的网络技术的应用，使得新业务的配置比传统模式大大加快。主动网技 术也为新型应用的产生创造了条件。 国内外关于主动网技术的应用研究主要集中在主动多播、主动拥塞控制、网 络管理、主动路由等几个方向。但是近年随着主动网技术与传统网络的发展、网 络用户需求的多样化发展，网络研究出现了一些新的热点，这同样也是主动网技 术新的研究重点，例如实时多媒体在网络中的传输【5 】，基于策略的网络管理模式【6 】， 5 电子科技大学硕士学位论文 基于q o s 的路由策略【7 】等等。 1 4 本文的研究思路、主要贡献及内容安排 a dh o e 网络是一种无中心的自组织无线多跳网络 s l ，在无线信道中，高误码 率限制了其传输性能，通常用f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 来降低信道中的高 b e r ( b i te r r o rr a t e ) ，f e c 通过发送冗余信息进行错误恢复，纠正越高的b e r 需 要越多的冗余信息。采用纠错能力低的编码在遇到高b e r 时不能产生显著改善， 采用纠错能力高的编码在低b e r 情况下又浪费带宽，更合理的做法是使用动态的 自适应f e c 来适应b e r 的变化。传统的端到端的自适应f e c 在一定程度上降低 了丢包率，但并不能灵活地适应网络内部的链路差异。主动网的概念为自适应f e c 改善无线信道性能提供了一种能够每跳执行配置的新思路。利用主动网技术来实 现无线网络中的白适应f e c ，不止在网络的对端完成对数据的编解码、查错、纠 错等功能，在网络的中间节点也能实现这些功能，并根据当前链路状况对数据的 差错编码等级做出更改，使网络传输的效率能够在不同情况下得到最大限度的满 足，改善a dh o c 网络的传输性能。 随着新型无线网络设备系统的出现，a dh o c 网络部署环境发生了巨大变化， 出现了具有稀疏特性的a dh o c 网络。对于传统的a dh o e 网络，一般假定从源端 到目的端总是存在通路，即移动网络中节点的无线通信范围足够大，这样在绝大 部分时间内，网络中的任何一个节点都至少和另一个节点连通( 彼此在对方的无 线通信范围之内) ，从而保证现有a d f i o c 路由协议( d s r 、a o d v 、t o r a 等) 能 够有效运作，在一定程度上实现数据的实时、固定比特率传输。然而，随着新型 无线网络设备系统的出现( 比如，普通蓝牙b l u e t o o t h 网络的覆盖距离只有加一 1 0 0 米，很多无线传感器网络的节点传输半径也比传统无线设备小得多) 和a dh 0 c 网络部署环境的变化( 比如，将a dh o e 网络部署到更广阔的野外、战场、科考、 救灾环境中) ，上述普遍覆盖条件已经很难得到满足。鉴于这种新出现的a dh o e 网络中节点分布的稀疏性，我们将其称作稀疏a dh o c 网络( s p a r s em o b i l e a d h o c n e t w o r k s l 9 1 ，或者称作p a r t i a l l yc o n n e c t e d a d - i o c n e t w o r k s l l 0 1 、i n t e r m i t t e n t l y c o n n e c t e da d h o cn e t w o r k s l l l l ) 。 就目前而言，稀疏a dh o e 网络的研究处于起步阶段，其技术标准和规范还在 起草中，一些研究组织和项目开始建立起来，比如：i e t f 下属的i r t f 和d a r p a 6 第一章绪论 联合建立的i p n r g 1 2 1 ( i n t e r p l a n e t a r yi n t e r a c tr e s e a r c hg r o u p ) ，由i r t f 资助建立 的d t n r g l b ( d e l a yt o l e r a n tn e t w o r k i n gr e s e a r c hg r o u p ) 等等。而目前在国内， 稀疏a dh o c 网络的研究基本上还是空白。目前研究得较多的三种稀疏a dl t o c 网 络路由协议，分别是e p i d e m i c 、p r o p h e t 、m e s s a g ef e r r y i n g 。本文重点研究了 m e s s a g ef e r r y i n g 路由协议，并对其进行了改进，提出一种新的路由协议。 本文的主要贡献及创新点； 1 ) 文章在基于主动网的a dh o e 网络上，对自适应翦向纠错机巷9 进行了改进， 不仅能在端节点对数据进行编解码、查错、纠错等，在网络的中间节点也 能实现这些功能，并根据当前链路状况对数据的差错编码等级做出更改， 且根据实际情况判断是否进行编解码； 参与主动网实验平台的搭建工作以及相关测试验收工作，在主动实验网上 实现各种前向纠错算法，比较其性能： 3 1 使用n s 2 仿真工具搭建了主动网的通用仿真模型，仿真三种自适应前向 纠错算法； 钔提出了稀疏a dh o e 网络的路由协议m f b r 算法； 毋使用n s 2 搭建了稀疏a dh o c 网络的模型，在模型里实现了m f 协议和 m f b r 协议，通过仿真，比较了这两种协议算法的平均传输延时。 本文一共分为六章，各章安排如下： 第一章绪论，分别叙述了a dh o c 网络和主动网的体系结构，特点及其现状， 分析了基于主动网的a dh o e 网络的性能改善前景，接着阐述了稀疏a dh o c 网络 的研究背景，现状和主要任务，最后列举了本文的研究工作及成果。 第二章对主动网的体系结构、实现方法进行了较为详细的阐述，并且简要介 绍了近年主动网应用研究的热点和发展方向。 第三章对传统网络中自适应f e c 的一些研究思路进行了比较和分析，提出了 两种在主动网上实现自适应f e c 的算法。搭建主动网实验平台，详细阐述了 h a - f e c 和f a - f e c 两种算法的设计实现，对实验结果进行了分析比较。接着使用 n s 2 仿真软件搭建了a dh o c 网络环境，仿真两种基于主动网的自适应f e c 算法， 并对仿真结果进行了分析。 7 电子科技大学硕士学位论文 第四章阐述了稀疏a dh o e 网络的主要特性，列举了几种典型的稀疏a dh o e 网络，分析了三种典型的稀疏a d h o e 网络的路由协议，提出了新的路由算法m f b r 协议。 第五章介绍了m f 协议的两种实现方式，详细描述了m f b r 路由算法，使用 n s 2 仿真软件搭建仿真平台，并对仿真结果进行了分析。 第六章，对全文做出总结，得出结论，并对下一步工作进行展望。 8 第二章主动网技术 第二章主动网技术 主动网是一种新兴的网络技术，它既是对现有网络技术的革新又是对传统网 络技术的继承和发展。主动网的概念为自适应前向纠错改善无线信道性能提供了 一种能够每跳执行配置的新思路。 2 1 主动网的概念 主动网的概念首先是d a r p a 于1 9 9 4 年和1 9 9 5 年在讨论网络系统的未来发展 方向时提出的。其中一份提案中指出；未来网络系统应该是“运行时刻可扩展的”， 网络体系结构应该动态地支持对网络服务的不同程度的控制，网络报文本身是被 一种语言描述的，可以成为网络服务的“剪裁”资源，为了传送数据和网络管理的需 要，网络体系结构必须具备足够灵活的能力。这就是主动网最初的概念。 主动网络是一种可编程的分组交换网络，用户可以直接向网络节点插入用户 定制的程序来配置或扩展网络的功能，也可以通过在报文分组中包含可执行的程 序代码段，这些程序代码段由网络节点激活执行来修改或扩展网络的基础配置。 这种报文分组被称为主动包( a c t i v ep a c k e t ) ，以区别于传统的数据包。主动网的潜 在优点是快速动态定制、配置网络中新的业务，提高网络的性能，使网络系统更 具有灵活性、可扩展性。 源主动常规主动宿 图2 - 1 主动网对数据的传输与处理 9 电子科技大学硕士学位论文 在主动网中，主动节点( 路由节点) 对用户而言是开放的。主动网通过提供 通用的网络可编程接口，允许几乎所有的网络用户按照各自的应用要求针对网络 节点，甚至直接针对报文进行可编程并嵌入可执行的代码。主动网的目的是提供 一个平台，在此平台基础上可以方便快速地开发和运行新的业务以及试验新的网 络体系结构。其主动性体现在两个方面：一是路由器能够主动地对通过的包进行 计算；二是用户可以向网络中插入客户化的程序。 这与传统网络的设计思路完全不同。在传统网络中，路由节点对用户来说是 透明的，网关充当终端用户的代理，网关之间经过的路由器通过某种路由规则进 行包转发。在终端用户之间传送包的过程中，终端用户并没有意识到路由节点的 存在。 主动网可以解决网络供应商所提供的业务与用户的需求之间的矛盾。由于网 络供应商在其专用平台上安装的新软件必须与其前面的产品兼容，所以在某类业 务得到用户的广泛认可之前，专用平台往往不支持它们。而这类业务的广泛采用 又依赖于它们是否被广为认可，主动网可以大大加快网络革新的步伐。在主动网 络上，新的网络业务的推出不再需要漫长的标准化过程，只要用户有需求，就可 以开发新的业务，并马上投入使用。 在d a r p a 的资助下，国外科研机构自1 9 9 7 年起对主动网技术开始了大规模 的研究。美国麻省理工学院的a n t s 1 4 】是其中比较成功的一个例子。从1 9 9 8 年起 国外研究机构纷纷开始了对主动网应用服务以及采用主动网技术提高网络服务质 量的研究。现在已经有专门的主动网技术研究会议，如o p e n a r c h 会议和i w a n 等。 一般来说，主动网络应具备以下特点： 1 1 可编程性( p r o g r a m m a b i l i t y ) ； 移动性( m o b i l i t y ) ； 3 ) 可扩展性( e x t e n s i b i l i t y ) ； 钔可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) t 5 、安全保密性( s a f e t ya n ds e c u r i t y ) 。 在这些特点中，安全性是基础，互操作性是前提，可编程性是手段，可扩展 性是目的。 第二章主动网技术 2 2 主动网体系结构 主动网由一组主动节点构成，主动节点由路由器升级而成。n 蛾主动网研 究项目所提出的主动网节点体系结构，对主动节点中数据包的基本处理流程进行 了描述。在这一体系结构中主动网可以提供多个共存的具备不同功能和性能特征 的网络应用编程接口( n e t w o r k a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，n a p i ) ，传统网 络所提供的n a p i 是固定不变的，这限制了用户利用网络应用编程所能够获得的对 网络资源的访问。在主动网体系结构中，主动网为用户提供的是一种可编程的网 络应用编程接口( p r o g r a m m a b l en a p i ，p n a p i ) ，网络节点具备了动态构建，更新 以及扩展各种n a p i 的能力。 主动应用 执行环境 节点操作系统 图2 - 2 主动节点的体系结构及功能模块 在主动网中，每个主动节点包含一个节点操作系统( n o d e o p e r a t i n g s y s t e m ， n o d e o s ) ，个或多个执行环境( e x e c u t m ne n v i r o n m e n t ，e e ) ，一个或多个主动 网应用( a c t i v ea p p l i c a t i o n ，a a ) 【埘。其中n o d c o s 类似于传统的操作系统，在 节点上运行对它还负责节点资源的分配和管理，典型的资源包括共享内存、信道、 带宽和路由表。而每个执行环境e e 实现了一个虚拟机，运行在n o d e o s 上，为主 动代码提供了一个解释运行环境，用于解释和执行通过它的包。此外主动网中必 须要有携带