（通信与信息系统专业论文）无线ad+hoc网络路由协议研究(1).pdf

摘要 a df l o c 网络是一种工作在无固定设施环境下的自组织的无线移动网络。路由 协议是关系到a dh o c 网络能否运行的关键因素，本文对a dh o c 网络中路由协议 的研究和优化为其应用提供了科学依据。 本文首先介绍了无线a dh o c 的研究方向和发展，研究了现有的a dh o c 路由协 议，分别介绍了两类路由协议，表驱动路由协议和按需驱动路由协议，对这些协 议的内容、特点和优缺点进行了说明、分析和评价。然后使用网络仿真器n s 一2 对 代表了a dh o c 的两类协议的四种典型路由协议进行了仿真，包括a o d v ，d s r ，d s d v 和t o r a 。给出了在不同的移动和流量场景下，这四种a dh o c 典型路由协议的仿真 结果 本文在分析a dh o e 网络路由协议d s r 与a o d v 工作过程的基础上，针对存在 的问题提出了一种新的路由协议，并对新的协议进行了性能仿真。仿真结果表明 这种新的协议有效的减少了路由开销，性能得到了提高。 关键字：a dh o c 路由协议n s - 2 网络仿真 a b s t r a c t am o b i l ea dh o cn e t w o r k0 l a n e di sas p e c i a lw i r e l e s sn e t w o r kt h a ti s s e l f - o r g a n i z e db ym o b i l en o d e sc o m m u n i c a t i n gw i t hd i s t r i b u t e dp r o t o c o l s t h er o u t i n g i 篇o t o c o l sc o i i c 宅i bt h ek e yf a c t o rw h e t h e ra dh o c n e t w o r kc o u l dr u n t h er e s e a r c ha n d o p t i m i z a t i o no ft h er o u t ep r o t o c o l si na dh o cn e t w o r ki nt h i st h e s i so f f e rs c i e n t i f i c b a s i sf o ri t sa p p l i c a t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c he m p h a s e sf o ra dh o cm o b i l e n e t w o r k w ei n t r o d u c en o to n l yt h ec o n t e n t so ft h er o u t i n gp r o t o c o l s ，b u ta l s ot h em e r i t s a n dd r a w b a c k s r e s e a r c ho fr o u t i n gp r o t o c o l sb e ：o m e st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e s e a r c hf o ra dh o c t h i st h e s i sp r e s e n t sas i m u l a f i o ns t i l d yo fo n - d e m a n dp r o t o c o l s c o m p a r e dw i t ht h em o r et r a d i t i o n a lp r o a c t i v ep r o t o c o l so n a c o n l l n o np l a f f o r ma c r o s sa r a n g eo ft r a f f i ca n dm o b i l i t ys c e n a r i o s t h i ss i m u l a t i o nc o v e r sar a n g eo fd e s i g n c h o i c e s ：a o d v , d s & d s d v , t o r a b a s e do na n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r o g r e s so fd s ra n da o d v , t h i st h e s i se v a l u a t e s t h e s e r o u t i n gp r o t o c o l s a n dp r o p o s e ss o m eo p t i m i z e ds c h e m at oa c h i e v eb e t t e r p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e m e n tc o u l dr e d u c et h e r o u t i n go v e r h e a d k e yw o r d ：a dh o er o u t i n g p r o t o c o ln s - 2n e t w o r ks i m u l a t i o n 创新性声明 本人声叫所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作段取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致渊中所罗列的内容以外，论文甲才、 含有其他人已经发表或撰写的研究成果；也不包含为获得西安电子利技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材糊。与我一同工作的同志列本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丛叁垫r 期2 祈，、乍 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校玫读学位期涮论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后使用本授权书。 本人签名 导师签名 丛鱼红尘h 期呈型z 堑 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了a dh o c 网络的起源、发展，提出了本文的研究目的和意义， 同时给出本文的主要研究工作和内容安排 1 1 研究背景和意义 信息技术的产生，网络的高速发展，实施信息化战略已成为世界发展的主题。 移动通信技术的广泛普及与应用，伴随着蜂窝移动通信系统，无线局域网( e e 8 0 2 1 1 和h i p e rl a n ) ，蓝牙技术( b l u e t o o t h ) ，家庭无线网( h o m eg r ) 等移动通 信新技术地纷纷涌现，可以更好地实现移动通信业务的可靠传输，满足人们多样 的通信需求。 无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制的，即 有中心的。这类无线网络的运行依赖预先部署的网络基础设施。典型的例子有： 依靠基站和移动交换中心等基础设施支持的蜂窝移动通信系统；基于接入点 ( a c c e s sp o i n t ) 和有线骨干网模式工作的无线局域网。但对于某些特殊场合，如 战场上部队快速展开和推进、发生地震和水灾后的快速营救、野外科学考察、偏 远地区i i 缶时会议等，不可能有这种预先部署的固定设施。因此，需要一种能够临 时、快速、自动组网的移动通信技术，即形成了a dh o c 网络通信技术。 a dh o c 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目标、 事件或局势而不为其他的”的意思，这里提出的“a dh o c 网络技术”所标称的就 是一种无线特定的网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念，又被称为 多跳网络( m u l t i - h o pn e t w o r k ) 或自组织网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 等等。 a dh o c 网络技术早在2 0 多年前就开始研究，且研究的重点主要放在国防项 目上，诸如抗毁的、自适应的网络研究计划( s u r a n ) 、低开销分组无线网络研 究计划( l c r ) 。其最初的项目支持是美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 和美 国陆军以及海军研究办公室( o n r ) 。现在，美国政府资助的这方面计划仍在继 续进行。 a dh o c 技术就是吸取了p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 1 1 1 、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 ) 1 2 j 以及g l o m o ( g l o b em o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 3 j 等项目的组 网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术a dh o c 网络是移动通信和计算机 网络的交叉：一方面，网络的信息采用了计算机网络中的分组交换机制，而不是 2 无线a d h o c 网络路由协议研究 电话交换网中的电路交换机制；另一方面，用户终端是便携式的，比如笔记本电 脑、p d a 、掌上型电脑、车载台等，并配置有相应的无线收发设备，并且用户可 以随意移动或处于静止状态。a dh o c 技术所标称的是一种有别于中心接入和单跳 的特征，强调多跳和无中心接入，移动终端不仅具有主机的功能，还具有路由器 的功能。 a dh o e 网络作为移动网络的一种特殊形式，由于它不需要固定的基站，各节 点均可以自由移动，且能实现动态的链接，加上其具有生存性极强，且创建与移 动极为方便的特点，弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着 不可替代的作用。可广泛应用于国防战备、灾难援助等无法得到有线网络支持或 某些只是临时需要通信但建立有线网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强 的后备网络。因此，a dh o c 网络的研究对科技进步具有重大促进作用。同时，随 着a dh o c 网络研究的发展和相关产品的成熟，a dh o e 网络必将越来越受到人们 的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与发展前景。而路由 协议作为影响网络的一个重要因素，是确保a dh o c 网络运行的关键。 a dh o e 网络路由协议的研究，作为a dh o e 网络研究领域的热点之一，一直 受到广泛的关注。其路由选择问题比传统网络的相关问题更加富有挑战性，主要 有以下两个方面的原因；其一，传统的解决方案( 比如在i n t e m e t 和蜂窝网络中 的一些方案) 都是假定网络拓扑结构是相对稳定的，而a dh o c 的拓扑结构是不 断变化的；其二，传统的路由解决方案依赖于保存在某些网络节点或者特定管理 节点的分布式路由数据库中的数据，而对a dh o c 网络，节点不可能永久保存路 由信息，而且它们存储的信息不一定是真实可靠的。目前有关a dh o c 网络的路 由协议都在研究之中，国内国外都没有任何的标准路由协议，许多问题还有待于 解决。本文深入研究这些问题，并试图对现有的部分路由协议的性能作定量、定 性分析。 1 2研究内容和本文所做的工作 由于a dh o c 网络具有不同于其他网络的特点，研究适合这种网络的路由协议 是当今a dh o c 网络中急需解决的问题。本文的主要研究目标是研究基于a dh o e 网络环境下的路由协议，并对其进行优化。 目前，许多为a dh o c 网络设计的路由协议被提出了很多，但有关这些不同 的路由协议之间的性能的全面比较还不多，只有c a r n e g i em e l l o n 大学( c m u ) 【4 1 于1 9 9 8 年使用同样的衡量参数对不同的路由协议作了比较全面的仿真和分析，但 是到现在已经时隔8 年之久，之间有关路有a dh o c 网络的路由协议有了比较大 的变化，新的路由协议不断被提出，旧的路由协议也在不断被改进。因此本文的 第一章绪论 3 目的之一就是通过仿真的方法从理论上分析部分现有的a dh o c 网络路由协议的 性能，为不同场合不同需要推荐不同的路由协议。 本文所作的工作分为两个方面： 1 对现有路由协议的研究这一部分包括了一些基本概念的介绍和典型路由 协议仿真，包括a dh o c 网络的概念、特点、体系结构，a dh o c 网络路由协议的 分类和设计，现有路由协议简介等。同时归纳了原有网络的路由协议不再适应本 网络的原因及a dh o c 网络面临的主要问题及研究现状。典型路由协议的仿真包括 对两种类型路由协议的仿真，分别是表驱动路由协议( d s d v ) 和按需驱动路由协议 ( d s r ，a o d v ，t o r a ) ，选取了路由开销、分组投递率、平均端到端时延三个性能评 估参数。仿真结果包括协议本身在各种不同场景下的比较及四种协议之问的纵向 比较，并对仿真结果进行了分析。 2 提出一种新的路由协议。在新协议中，每个节点要保存其下下跳节点，当 某节点发现它的下一跳节点发生了故障，它先查找自己的缓存路由，如果缓存路 由中无到达目的节点的路由，则在本地广播寻找该节点保存的下下跳的节点，这 样就可以缩小本地广播的范围。避免本地节点重新广播到达目的节点的路由，同 时避免节点向源节点发送r r e r 。仿真结果表明新的算法在路由开销、分组端到端 时延和传递率方面都有较大的改善。 1 3 本文的组织结构 全文包含六章，本文的组织结构如下： 第一章绪论，主要介绍研究的背景和意义 第二章a d h o c 网络概述，介绍了a d h o e 鄹络的起源、基本概念和特点：然后 阐述了a dh o c 网络的分层模型和网络结构，并简要介绍了a dh o c 网络的关键技 术、应用和发展 第三章详细介绍了a dh o c 网络路由协议的特性和分类，研究了各种现有的路 由协议。 第四章介绍了n s 一2 仿真平台，并对现有a dh o c 网络的四种典型路由协议进 行了比较、仿真，得出了仿真结果，并进行了分析。 第五章提出一种新的路由协议，介绍新算法的原理，并对其做了性能分析和 仿真，得出结论 第六章总结与展望，总结全文并展望了今后的研究工作。 第二章无线a d h o c 网络概述 5 第二章无线a dh o c 网络概述 基于文章全局的需要，本章首先介绍了a dh o c 网络的概念、特点、层次结 构；然后说明了a d h o c 网络面临的主要问题及研究现状；最后说明了a d h o c 网 络的各种应用。 2 1无线a dh o c 网络基本概念和特点 2 1 1a dh o c 技术起源 a dh o c 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l d h a 网络和1 9 7 2 年d a r p a 开 始研究的无线分组数据网p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目。1 9 7 2 年，美国 国防部d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t a g e n c y ) 就启动了无线分组数 据网p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目，研究无线分组网在战场环境下数据通 信中的应用。项目完成后，d a r p a 又在1 9 8 3 年启动抗毁自适应性网络s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的成果加以扩展，以 支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。 1 9 9 4 年，d a 砌) a 又启动全球移动信息系统g l o m o ( g l o b em o b i l ei n f o r m a t i o n s y s t e m s ) 项目。在无线分组网已有成果的基础上对能够满足军事应用、可快速展 开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今1 9 9 1 年成 立的i e e e8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络”一词来描述这种特殊的对等 式无线移动网络 1 9 9 7 年m 邗_ 成立了移动a dh o c 网络m a n e t ( m o b i l ea dh o c n e t w o r k ) 工作 组，专门负责具有数百个节点的移动自组织网络的路由算法的研究和开发，并制 定相应的标准到目前为止，m a n e t i 作组的工作成绩斐然，已经制定了十几个 i n t e m e t 草案标准。在移动a dh o c 网络中，各个无线节点都可以自由移动。事实上， 很多文献常常把a d h o c 网络等同于移动a d h o c 网络或移动自组织网络。为了方便 起，这里规定文中所提到的a dh o c 网络和自组织网，均为移动a dh o c 网络。 2 1 2 无线a dh o c 网络的基本概念和特点 a dh o c 网络是指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 临时性无中心的自治系统，这样的系统可以在任何时刻、任何地点快速地构起建 一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支持，网络中的每个终 6 无线a dh o c 网络路由协议研究 端可以自由移动，地位相等。 a dh o c 网络是移动通信网络和计算机网络的交叉。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，而不是电话交换网中的电路交换机制；另 一方面，节点是可以移动的便携式终端，如笔记本电脑、p d a 、掌上型计算机、 车载机等，并配置有相应的无线收发设备，并且用户可以随意移动或者处于静止 状态。在a dh o c 网络中每个节点不仅能移动，而且都兼有路由器和主机的双重 功能。一方厦，节点作为主机运行各种面向用户的终端应用程序；另一方面，节 点作为路由器需要运行相关的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的转发 和路由维护工作。在部分通信网络遭到破坏后，这种分布式控制和无中心的网络 结构能维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性。这种网络的典型例子 为无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 图2 i ( a ) 、( b ) 分别为具 有 基础设施的无线网络和没有基础设施的无线a dh o c 网络结构，后者就是无线a d h o c 网络。 。一一鬈 、氐、罗一 ? 囊 l | j j7 秽 7 ，一毫 ! 咚 、罩 珏 霉 ( a ) 具有基础设旌的无线网络( b ) 无线a dh o c 网络 图2 1 无线网络结构 作为一种无中心分布式控制网络，a dh o c 网络是一种自治的无线多跳网络， 整个网络没有固定的基础设施，可以在不利或者不便利用现有网络基础设施的情 况下，提供一种通信支持环境，拓宽了移动网络的应用场合。a dh o c 网络中没有 固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其他节 点地联系。在这种环境中，由于节点地无线覆盖范围有限性，两个无法直接进行 通信的节点可以借助其他节点进行分组转发。每个节点都可以说是一个路由器， 他们要能完成发现和维持到其他节点的路由功能。 与其他通信网络相比，基于a dh o c 技术的a dh o c 网络具有以下特点： 1 网络的自组性。a dh o c 网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需 要现有的信息基础网络设旌的支持，形成一个自由移动的通信网络。 第二章无线a d h o c 网络概述 7 2 动态网络的拓扑结构从网络的网络层来看，a dh o c 网络中，移动 用户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 有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使a 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。 4 移动终端的有限性。a d h o c 网络中的移动用户终端内存小、c p u 处 理能力低、所带电源有限使得a dh o c 网络的设计更加困难。 5 安全性差。a dh 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。 6 网络的分布式。a dh 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，增强了网络健壮性一 7 网络的可扩展性不强。由于采用t 珊口协议中的子网技术使得 i n t e m e t 具有网络的可扩展性，而a 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。 8 单向无线信道的存在。 9 生存时间短。组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束 后，网络环境将会自动消失a dh o c 网络的生存时间相对于固定网 络而言是短暂的。 2 2无线a dh o c 网络网络协议分层模型和网络结构 2 2 1 无线a dh o c 网络的分层模型 与有线网络相比，无线a dh o c 网络的工作环境有诸多不同，因此所选技术 也有较大差异，主要体现在网络的底三层，即物理层、数据链路层和网络层，其 中网络层差异最大。下面根据无线a dh o c 网络的特点，参照o s l 7 t 5 1 层模型，从 底三层上来介绍无线a dh o c 网络的技术特点其协议堆栈如图2 2 示。 最底层是一组低功率、高能力、能在移动中工作的物理传输设备，提供无线 传输能力、完成无线信号编码译码、发送和接受等工作，以支持移动组网。数据 链路层控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路的控制，提供可靠的无线通信 的逻辑链路层，以支持有效的介质访问。网络层是a dh o c 网络技术的重点，也 8 无线a d h o c 网络路由协议研究 是它与其他现有网络的主要区别所在，支持网络工作的传输协议、移动组网算法 和动态路由协议传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般是对有线网络中 的t c p u d p 进行改造，使之适应无线环境：a dh o c 网络的高层主要包括的是建 立在a dh o c 之上的无线应用以及接入移动通信核心网的各种业务。 应用服务应用层 传输服务传输层 分组转发和路由网络层 链路控制，信道接入链路层 无线信道 物理层 图2 2 无线a d h o c 网络协议栈 下面分别介绍这几层的功能： 1 a d h o c 物理层 在实际的应用中，由于绝大部分a dh o c 网络都是基于无线通信，a dh o c 网 络的物理层的设计主要面临的问题就是无线频段的选择、购买以及分配。目前大 家一致采用的都是基于2 4 g i - l z 的i s m 频段，因为这个频段是免费的。其次，物 理层必须就各种无线通信机制作出选择，从而完成性能优良的收发信功能。物理 层的设备可以使用多频段、多模式天线传输方式。 到目前为止，a d h o c 物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网 的各种标准，其中包括i e e e8 0 2 1 1 1 6 1 系列、 蚜( b l u e t o o t h ) 1 7 1 、h i p e r l a n i s l 等标 准所定义的物理层。 2 a d h o c 数据链路层 链路层解决的主要问题包括介质介入控制，以及数据的传送、同步、纠错以 及流量控制等。基于此，无线传输访问控制层又可以分为m a c 和l l c 层，m a c 决定了数据链路层的绝大部分功能。 在多跳无线网络中，对传输介质的访问是基于共享型的，隐藏终端和暴露终 端是多跳无线网络的固有问题，因此需要在m a c 层解决这两个问题。通常采用 c s m a c a ( 载波侦听多点接入避免碰撞) 和r t s c t s 协议( 请求发送允许发送) 来 规范多点无线终端对介质的访问机制。 3 a d h o c 网络层 一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下要求：分布式运行方式； 提供无环路路由；按需进行协议操作；具有可靠的安全性；提供设备“休眠”操 作和对单向信道的支持等。 对一个a dh o c 网络层路由协议进行定量衡量比较的指标应该包括：端到端 平均时延、分组的平均递交率、路由协议开销和路由请求时间等 正是由于a dh o c 网络层路由协议对于a dh o c 网络的重要性，它便成为了研 第二章无线a d h o c 网络概述 9 究的一个热点，也是本文的主要讨论方向 4 a d h o c 传输层 到目前为止，a dh o c 网络的传输层还是借鉴有线网络中传输层的方式，把 t c p u d p 基于无线环境进行修改，以适应无线环境，完成传输层的工作。 传统的t c p 会使无线a dh o c 网络分组丢失很严重，这是因为无线差错和节 点移动性而使t c p 将所有的分组丢失都归因于拥塞并启动拥塞控制和避免算法， 所以若在无线a dh o c 网路中直接采用传统的t c p 协议将可能导致端到端的吞吐 量无谓的降低。所以，必须针对传统的t c p 进行改进。到目前为止，已经有多个 t c p 改进方案提出，比如t c ps a c k 和t c p a s a c k 等等。 针对u d p 的改进于t c p 相似 5 a d h o c 应用层 a dh o c 网络的应用层指定的是各种各样类型的业务。在实际的实施的时候， 可以采用各种各样的应用层协议和标准。 基于a dh o c 技术的网络所承载的业务同其他各种类型网络一样，主要是传 统的业务和人们给予厚望的“无线宽带数据业务”a d h o c 网络自身的特性使得 网络在承载同类型业务时，要考虑更多的实际问题，克服更多的困难。 2 2 2 无线a dh o e 网络技术的网络结构 a dh o c 网络一般有两种结构：平面结构( 见图2 3 ) 和分级结构( 见图2 4 和图 2 5 ) 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。而分级 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，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，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇头节点负 责簇间数据的转发比如当簇1 中的节点a 要与簇2 中的节点b 通信时，节点a 先把数据发送给簇1 的簇头：簇1 的簇头分析发现b 不在本簇中，便通过路由协议 查找b 所在的簇2 ，然后把数据转发给簇2 的簇头( 可能要经过其它簇头的转发) ： 簇2 的簇头收到数据后，发现b 是自己簇的成员，把数据发送给b 。 图2 3 平面结构 无线a dh o e 网络路由协议研究 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。单频 率分级网络( 图2 4 ) 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( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头和网关 形成了高一级的网络，称为虚拟骨干而在多频率分级网络中( 图2 5 ) ，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，用不同的频率实现不同级的通 信。在图2 5 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平面结构的网络比较简单，无需任何 的结构维护过程源站和目的站之阃一般存在多条路径，可以使用多条路径实现负 荷分担，也可以为不同的业务类型选择适当的路径。网络中所有节点是对等的， 原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。 ( ：) 簇_ 簇头簇成员网关 图2 4 单级分频 频率1 一频率2 c _ d 簇簇头 簇成员 图2 j 多级分频 平面结构中节点的覆盖范围比较小，相对较安全平面结构的最大缺点是网 第二章无线a d h o c 网络概述 1 1 络规模受限。在平面结构中，每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由 由于节点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。网络规 模越大，路由维护的开销就越大当网络的规模增加到某个程度时，所有的带宽 都可能会被路由协议消耗掉。所以平面式结构网络的可扩充性较差。分级结构的 最大优点是可扩充性好，网络规模不受限制。必要时可以通过增加簇的个数或级 数来提高网络的容量。 分级结构中，簇内成员的功能比较简单，基本上不需要维护路由，这大大减少了 网络中路由控制信息的数量。簇头节点复杂一些，它要维护好到达其它簇头的路 由，还要知道所有节点与簇的所属关系。但总的来说，在相同网络规模的条件下 路由开销要比平面结构的小如果簇内通信的信息量占较大比例时，各簇可以互 不干扰地进行通信，系统的吞吐量显然比平面结构的要高。但是分级结构也有它 的缺点首先，维护分级结构需要较复杂的簇头选择算法，簇头选择算法需要仔 细设计其次，簇问的信息都要经过簇头寻路，不一定能使用最佳路由比如在 不同簇中但互为邻居的节点，在平面结构中可以直接通信，但分簇后要通过两个 簇的簇头转交。 2 3无线a dh o c 网络的关键技术 与传统的有线和蜂窝网络相比，无线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。然而，传统网络中对连接性 和业务传输的基本要求，在无线a dh o c 网络中也同样需要得到满足目前关于 无线a dh o c 网络研究中的主要难点问题为m a c 协议、路由协议、功率控制、服 务质量、安全问题、网络互联和网络资源管理等。 a dh o c 网络采用无线信道、有线电源、分布式控制等方式，容易受到多径干扰、 敌方干扰、环境噪声等各种网络攻击。网络存在被窃听和被入侵等多种泄密隐患， 必须采用加密措施来保证数据传输的安全。除了在传输上采用扩频和跳频技术之 外，有些设备还采用了自适应、突发传输、跳波束处理的干扰技术数据本身也 必须采用加密技术，以及接入认证和多级保密等。 1 路由协议 开发良好的路由协议建立a dh o c 网络的首要问题，同时也是主要的研究热 点和难点。传统的距离矢量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构高度动态变 化的a dh o c 网络。开发一种能有效地找到节点间路由的动态路由协议就成为无 线a dh o c 网络设计的关键它应具有以下功能：能感知网络拓扑结构的变化、 维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由下面是几种典型的路由协议： d s d v l 9 1 ( d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e d d i s t a n c ev e c t o r ，目的序列距离矢量协议) 、 无线a dh o c 网络路由协议研究 t o r a ! l o l ( t e m p o r a t l y o r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ，临时预定路由算法1 、 d s r 1 1 】【1 2 1 ”i ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，动态源路由协议) 、a o d v l 3 4 i ( a dh o c o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ，a dh o c 按需距离矢量协议) 2 m a c 协议 在a dh o c 网络中，由于节点的通信范围受限，终端可以随机移动，会产生 隐蔽终端和暴露终端等问题，使c s m a 9 1 不能直接应用于a dh o c 网络。因此必须 设计新的m a c 协议，以获得较高的信道利用率、较低的时延和终端公平接入。 i e e e8 0 2 1 1m a c 协议在多跳网络中碰到一些问题：仍然没有解决隐藏终端 和暴露终端等问题；载波监听范围通常大于通信范围，加剧隐藏节点和暴露节点 的问题；二进制退避算法对刚发送成功的节点有利，对发送失败的节点不利，使 各个节点间存在明显的不公平；并且没有考虑a dh o c 网络能量消耗的问题。 3 功率控制 一般的无线系统是干扰受限的系统，无论在传统蜂窝还是无线a dh o c 网络 中，一般都需要功率控制。由于无线a dh o c 网络是一个多跳网络，其功率控制 要比传统蜂窝网络复杂得多。 功率控制问题涉及到无线网络的各个层。在一个多跳、承载数据业务的网络 中进行闭环功率控制可能会很困难，因此大部分系统采用开环功率控制。而硬件 层次的技术，如低功率的c p u 、显示器和能量有效的算法等都得到了应用。在物 理层技术可以调整节点的发射功率，来减少网络的能量消耗；m a c 层的主要措 施是为减少数据发送的冲突，避免重传，使其进入休眠状态；在网络层，采用功 率控制路由算法，而不是以最短跳数和最小延迟作为路由度量。 4 服务质量o o s ! 1 4 j q o s 是指当源端向目的端发送分组流时，网络向用户保证提供一组满足预先 定义的服务性能约束，如端到端的延迟、带宽和分组丢失率等。显然，为了提供 o o s 保证，首要任务就是在源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足q o s 要求 的路由；其次，对于特定的流，一旦路由被选择后，必须为该流预留必要的资源。 提供q o s 路由可以将这些任务结合在一起，这样q o s 保证转换o o s 路由问题。 目前保障q o s 一般采用两种策略：一是采用保守的方法通过提供足够的网络 资源来避免资源竞争；二是采用对特定分组进行标记，并提供不同优先级别的方 法来确保某些特定业务的q o s ，如i e t f 提出的综合服务模型和区分服务模型。 但这些模型都没有考虑无线移动的网络环境，而且现有的大部分无线网络中提供 的o o s 保障的机制都给基于有基础设施支持的单跳蜂窝模型，无法直接应用于 a dh o c 网络中。在移动a dh o c 网络中，无线信道的特性较差，存在大量背景噪 声和冲击噪声，所能提供的网络带宽比有线信道窄，并且网络容易遭受敌意破坏 和干扰，这就要求a dh o c 网络设计新的o o s 保障机制。 第二章无线a d h o c 网络概述 5 安全问题 a dh o e 网络存在以下的安全性问题：无线链路使a dh o c 网络容易收到链路 层的攻击，包括被窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在敌方环境漫游 时缺乏物理保护，使网络容易受到已经泄密的内部节点的攻击，采用分布式的网 络体系结构可以提高a dh o e 网络的生存能力；a dh o e 网络的拓扑和成员经常改 变，节点间的信任关系经常变化，与移动i p 相比，a dh o e 网路没有值得信任的 第三方证书的帮助，在节点间建立信任关系成为a dh o e 网络安全的中心问题； a dh o c 网络包括成百上千个节点，需要采用具有扩展性的安全机制。 目前提出的安全策略有：基于密码的认证协议，它与传统的密码认证不同的 地方是，密钥和密码的产生是由多台机器决定，而不是集中由一台机器产生，并 且还提供了一种完善的密码更新机制；“复活鸭子”的安全模式，它主要针对传感 网络里，传感器与控制者之间可能存在的不安全问题，提出传感器在“死亡”之 前，只受其拥有着的控制；异步的分布式密钥管理提出密钥管理服务由多个节点 来管理，而不是由单个节点来管理。 6 网络互连问题 移动a dh o e 网络通常是以一个“独立”的通信网络形式存在，即网络不与 其它网络相连，所有通信都是在网络内部的各个节点之间进行的但在i e e e 8 0 2 1 1 最初提出移动a dh o e 网络的概念时，它是对有线网络的补充。移动a dh o e 网络可以通过某些固定设备，访问有线网络的资源。实际上，很多时候，移动a d h o e 网络也不是孤立的，它还存在以下需求：位于不同移动a dh o e 网络的节点之 间的通信。如果两个网络相距较远，不能直接通信，则可以通过有线网络将其连 接起来；移动a d h o e 网络中的节点可能需要访问有线网络中的资源，例如i n t e m e t 上的w w w 服务、f f p 服务等。显然，在这些情况下，都需要移动a dh o e 网络 具有与其它网络互连互通的能力 7 能量消耗问题 能量消费问题涉及到无线网络中的各个层次。节点能量消耗可以分为通信消 耗和计算消耗两部分在移动a dh o e 网络中，移动节点可能位于发射、接收和 空闲三种状态。其中，发射状态的功率消耗最大，空闲状态的功率消耗最小，缺 省状态为空闲状态。 在接收方能正确接收分组的前提下，应尽量减少节点的能量消耗，这样的优点有： 延长节点电源的使用寿命；减少对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量；在安全 方面，可以减少数据被窃听的可能性。要节约能量，可以在物理层调整节点的发 射功率；在m a c 层设法减少数据发送的冲突，避免重传，如无数据发送时，让 节点进入睡眠状态；在网络层，则可采用功率控制路由算法，而不是以最短跳数 和最小延迟作为度量路由优点的标准。 1 4 无线a dh o c 网络路由协议研究 2 4无线a dh o c 网络的应用和发展 2 41 无线a dh o c 网络的应用 由于a dh o e 网络的特殊性，其应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。 它适合于无法或不便预先铺设网络设施或需要快速自动组网的场合。其应用领域 主要有以下几类： 1 军事应用：军事应用是a d h o c 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架 设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，是数字化战场通信的首选技术。在 近年来得到迅速发展的美军战术互联网中，a dh o c 网络是它的核心技术。 2 传感器网络：对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。考虑 到体积和节能等因素，传感器的功率不可能很大。使用a dh o c 网络实现多跳通 信是非常实用的解决办法。 3 紧急和临时场合：在发生地震、水灾或遭受了其他灾难性打击后，固定的通信 网络设施都可能无法正常工作；处于边远或野外地区时，无法依赖固定或预设的 网络设施进行通信，a dh o c 网络的独立组网和自组织特点是这些场合通信的最佳 选择。 4 个人通信：个人局域网p a n ( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 是a d h o e 网络技术的另一 应用领域。用于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并 可以构建虚拟的教室和讨论组等崭新的移动对等的应用。考虑到辐射问题，个人 局域网通信设备的无线发射功率应当尽量的小，蓝牙的超m ( s c a t t e m e t ) 技术就是 一个典型的例子 5 与移动通信系统的结合：a dh o e 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利 用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小区的业 务、提高小区边缘的数据速率等。 实际应用中，a dh o c 网络除了可以单独组网实现局部范围的通信外，还可以 作为末端组网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与a dh o c 网络以外 的主机进行通信。因此，a dh o e 网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之 一。a dh o c 网络正处在迅速发展中，与之相关的各种新的协议也在不断出现，各 种协议和技术都有一定的优缺点，或者只适用于某种特定的环境，并且还有许多 问题亟待解决。相信在不久的将来，即时移动网络将会得到广泛的应用，到那时， 通过与其他现有的网络如有线、无线、卫星网络相结合，就可以真正实现随时随 地传送信息。 第二章无线a d h o c 网络简介 2 4 2 无线a dh o c 网络的发展和现状 无线a dh o e 网络作为一种新颖的移动计算机网络，将以其独特的特点开创 出新的移动计算模式，其今后的发展趋势有以下几个方面： 军事通信作为a dh o e 网络的主要应用形式，仍将在相当长的时间内保持重 要的地位。这是因为，在当今各个国家的军队建设高度地重视高技术、高科技在 军事作战中的应用为此，投入了大量的人力、物力和经费进行研究，这也包括 了军事通信指挥系统的建设 正如t c p i p 在当今i n t e r n e t 上的流行，a dh o e 网络在军事领域上获得的成功 经验和技术成果也必将在民用领域上得到体现。目前，移动计算机正逐渐开始走 进用户的视野，各种具备移动通信能力的手持式终端大量出现，底层通信技术和 相应标准也层出不穷，相应的移动应用也逐渐被人们所发现和熟悉，这些无疑都 将为a dh o e 网络应用起到积极的推动作用 不过，目前a dh o e 网络没有相应的标准，只有涉及路由协议的相关草案 标准的制定对于a dh o e 网络的推广使用有重要的作用。有了标准，来自不同厂 商的移动终端之间才有互联组网的基础，开放性的产品之间才有竞争力，才有大 量生产的可能，从而降低其成本和价格，这里说的标准主要涉及从物理层到网络 层。 a dh o e 网络正处在迅速发展中，与之相关的各种新的协议也在不断出现，各 种协议和技术都有一定的优缺点，或者只适用于某种特定的环境，并且还有许多 问题亟待解决。相信在不久的将来，即时移动网络将会得到广泛的应用，到那时， 通过与其他现有的网络如有线、无线、卫星网络相