（计算机应用技术专业论文）ad+hoc网络路由协议的研究(1).pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘要 摘要 无线a dh o c 网络，是二十世纪七十年代以来兴起的一种特殊的无线 移动网络，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。 无线a dh o c 网络具有自组织性，多跳以及网络拓扑动态变化等特点， 网络的特殊性使得传统网络的技术无法直接在a dh o c 网络使用，这就需 要为a dh o c 网络设计许多协议和技术，比如信道接入技术、安全技术、 路由技术等。本文主要着眼于a dh o c 网络的路由技术，将路由技术中的 路由度量作为研究方向进行探讨。本论文的主要工作包括如下几个部分： 一、介绍本课题的研究背景、现状以及工作的创新点。 二、概述a dh o c 网络的发展史、分类、特点、网络结构和关键技术 等。 三、分析当前a dh o e 网络的路由技术，并对相关的网络协议进行了 比较。 四、引入一个新的路由度量方案，该方案采用路径最短和稳定性相结 合的混合度量方式来选择路由，然后在d s r 协议的基础上进行了扩展设 计。 五、通过仿真，将分组平均投递率、控制包开销和平均端到端延时作 为统计参数对新方案在多种情况下进行了性能的比较。 仿真结果表明，没有一种单一的选路度量在所有情况下都具有理想的 结果，混合度量可以兼顾所选路径的稳定性和最短性，在可以容忍小量端 到端延时的情况下成为路径选择的最佳方案。 关键字：a dh o e 网，自组织性，多跳，拓扑动态变化，路由度量， 混合度量 鞍山科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r kh a sb e e nah o ti s s u eo fm o b i l en e t w o r ks i n c e 19 7 0 s i tc a nb ea p p l i e dt on o to n l yr e s c u e ，m e e t i n g ，b a t t l e f i e l d ，e x p e d i t i o na n d m o n i t o r i n gd is t a n t o rd a n a g e r o u so b j e c t s ，b u ta l s ot e m i n a ln e t w o r ke x t e n t b e c a u s ei ts t r u c t sn e t w o r kf l e x i b l y ，q u i c k l ya n dh a sn os p a c e - t i m el i m i t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ko w n ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa ss e l f - o r g a n i z a t i o n ， m u l t i h o pa n daf r e q u e n t l y c h a n g e dt o p o l o g y t h eu n i q u e n e s so fw i r e l e s sa d h o cn e t w o r km a k e si ti m p o s s o b l et oa d o p tt h et e c h n o l o g i e su t i l i z e di n t r a d i t i o n a ln e t w o r k s s os o m en e wp r o t o c o l sa n dt e c h n o l o g i e sn e e dt o b e d e v e l o p e ds p e c i a l l yf o ra dh o cn e t w o r k so nc h a n n e la c c e s s ，n e t w o r ks e c u r i t y a n dr o u t i n g t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h er o u t i n gp r o t o c o l sa n da l g o r i t h m sf o r a dh o cn e t w o r ka n dc h o s e st h er o u t em e t r i ca sm a i nr e s e a r c hp o i n t t h e p a p e ri n c l u d e sf i v em a j o ra s p e c t s t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d sa n dp r o s p e c t so f r e s e a r c h ，i n n o v a t i o no ft h i sp a p e r t h es e c o n dp a r tg i v e sas u m m a r yo fa dh o cn e t w o r k ，i n c l u d i n g i t s h i s t o r y ，c a t e g o r i e s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r ea n dk e y t e c h n o l o g i e s t h et h i r dp a r tf i r s t l yi n t r o d u c e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h e r o u t i n gp r o t o c o l sf o ra dh o cn e t w o r k t h e ns o m ec u r r e n tr o u t i n gp r o t o c o l s a r ec o m p a r e df r o mf e a t u r e sa n dp e r f o r m a n c e t h ef o u r t h p a r tp u t s f o r w a r dan e wr o u t em e r l ea p p r o a c hn a m e d m i x e d m e r i c ，w h i c hb a s e so nt h es h o r t e s t p a t h - m e r i ca n ds t a b l e s t p a t h m e r l e a tl a s t ，b a s e do nd s r ，t h ep a p e rg i v e sam o d e lw h i c hu t i l i z e st h em i x e d m e r l e t h el a s tp a r tc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo fn e wa p p r o a c hw i t ht h eo l do n e f r o ma v e r a g ed e l i v e r i n gr a t e ，c o n t r o l p a c k e to v e r h e a da n da v e r a g ee n d _ t o e n d d e l a yo i ls i m u l a t i o np l a t f o r m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tn os i n g l er o u t em e r l ei st h o u g h to fa s t h eb e s tw a yi n a n yc o n d i t i o n s t h em i x e d m e r i cw h i c ht a k e si n t oa c c o u n t b o t hs h o r t e s t - p a t ha n ds t a b l e s t p a t hm a yb er e g a r d e da st h eb e s tw a yt os e l e c t r o u t e si nt h ee v e n tt h a tal i t t l ee n d t o e n dd e l a yi s n tc a r e d f 1 k e y w o r d s ：a dh o en e t w o r k ，s e l f - o r g a n i z a t i o n ，m u l i _ h o p s ， f r e q u e n t l y c h a n g e dt o p o l o g y ，r o u t em e t i c ， m i x e d m e r i c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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 包含为获得鞍山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了谢意。 签名：差逾坞日期：塑三：如 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鲞型磐导师签名：蕴兰! 巨 日期：堡旦生苎k 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 背景 第1 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， 移动通信技术得到了飞速发展和普及，蜂窝移动通信系统、无线局域网 ( i e e e 8 0 2 1 1 和h i p e r l a n ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 、家庭无线网( h o m e r f ) 等移动通信新技术也纷纷涌现，这些技术的出现，极大的方便了人们的生 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 式一般分为两类，一类是集中控制的，即有中心的，这一类无线网的运行 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，其 依赖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 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，不可能有这 种预先部署的固定设施可以利用，比如，战场上部队快速展开和推进、发 生地震或水灾后的营救、野外科学考察、临时会议等，在这种情况下，就 需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，这也形成了另一类无线 通信网络技术，即a dh o c 网络通信技术。由于组网快速、灵活，使用方 便，目前a dh o c 网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正 在得到越来越广泛的应用，已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方 向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。 a dh o c 网络是一个多跳的l 临时性的自组织网，节点之间是通过多跳数 据转发机制进行数据交换的，需要路由协议进行分组转发决策。无线信道 变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等也会引起网络拓扑结构的动 态变化。a d h o c 网络路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结 构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并 根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性，它是移动节点互相通信的 基础，因此成为当前a dh o c 网络的研究热点。 1 2 研究方向及现状 a dh o c 网络的研究目前主要集中在以下几个方面 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 1 ) 提出新的路由协议 a dh o c 网路由面临的主要挑战是：传统的保存在结点中的分布式路由 数据库如何适应网络拓扑结构可能会随时变化； 2 ) 带宽受限、容量时变 由于拓扑变化导致每个节点转发的非自身作为目的节点的业务量随 时间而变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变特征； 3 ) 动力受限 由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力，因此， 在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标； 4 ) 安全隐患 a d h o c 网络采用的无线信道、有线电源、分布式控制技术以及拓扑结 构动态变化带来新的安全问题。 目前，m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k 移动a dh o c 网) 工作组的一 个主要任务是研究a dh o c 网络的路由协议。根据路由的驱动方式可以把 路由选择协议分为两类：一类是表驱动路由选择协议，另一类是源驱动按 需路由选择协议。表驱动路由选择协议的原理是：网络中每个节点都维护 一个到其他节点并相对稳定的最新路由表，通过在网络内广播路由更新信 息来反映网络拓扑的变化，不同路由选择协议所需要的路由表的种类、数 量及更新路由的使用的方法不同。表驱动的路由协议包括：距离向量路由 协议( d s d v ，d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o rr o u t i n g ) 、分群网关 交换路由协议( c g s r ，c l u s t e r h e a dg a t e w a ys w i t c hr o u t i n g ) 、无线路由协 议( w r p ，w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。源驱动按需路由选择算法的出发点 是：只有节点需要路由时，才建立路由，通信过程才维持路由，通信完毕 就不再维持路由。一般地，按需路由都包括2 个过程：路由发现过程、路 由维护过程。各个算法不同之处也体现在2 个过程中。主要的源驱动按需 动态路由协议有：动态源路由d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、a dh o c 网 络按需距离矢量路由协议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 r o u t i n g ) 、临时排序路由选择算法t o r a ( t e m p o r a r y o r d e r e dr o u t i n g a l g o r i t h m ) 等，从目前研究情况看，按需源驱动路由是未来的发展方向， 因为它能更好的适应网络拓扑的变化。但是这两种方法都存在着缺点，如 在网络拓扑快速改变快时，源节点需要频繁的路由发现，从而导致大量的 控制包开销，占用大量的带宽资源，于是许多研究者就提出基于稳定路由 的选择机制，然而这种策略趋向于用长的、稳定的路径取代短的、不稳定 鞍山科技大学硕士论文第一章绪论 的路径，导致更长的路径和更多的中间节点数，这意味着更少的数据开销 和更频繁的路由发现扩散。针对这些问题，我们提出了一个混合路由度量 方案，路由选择兼顾路径最短性和稳定性，仿真结果证明新方案能有效的 降低控制包开销，提高分组投递率，在端到端延时上，比最短性选路策略 有所减少，比稳定性算路方案则有少量增加。 1 3 文章组织结构 第1 章概述本论文的研究背景、动机和研究方向及现状。 第2 章对a dh o c 网络作了概述，包括a dh o c 的发展、分类、特点、 网络结构和关键技术等。 第3 章分析当前a dh o c 网络的路由技术，并对相关的网络协议进行 了比较。 第4 章引入了一个新的路由度量方案，采用路径最短和稳定性相结合 的方式来选择路由，并在d s r 的基础上进行了扩展设计。 第5 章通过仿真，将分组平均投递率、控制包开销和平均端到端延时 作为统计参数同d s r 路由协议进行了性能的比较。 鞍山科技大学硕士论文 第2 章a d h o c 网综述 第2 章a dh o c 网综述 移动计算设备和移动通信设备( 如膝上电脑、p d a 、移动电话) 为今 天的信息社会带来了革命性的变化，使我们正从个人计算时代转向无处不 在的计算时代。a dh o e 网络由于其不需要固定的基础设施和集中式管理， 在战场、突发事件( 如地震、爆炸) 等灾难情况、电子会议教室等需要临 时快速配置网络的场景中有着巨大的应用前景，a dh o c 网络技术的研究是 4 g 无线通信技术的一个重要组成部分。 2 1a dh o e 网络的发展历史 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 2 , 3 1 ，对分组 无线网的研究源于军事通信的需要。早在1 9 7 2 年，美国的d a r p a 就启动 了分组无线网项目p r n e t l 2 i ，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据 通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高残存性白适应网络 s u r a n ( s u r v i v a la d a p t i v en e t w o r k s ) 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。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动了全球移动 信息系统g l o m o ( g l o b l em o b i l ei n f o r m a t i o ns 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 标准委员会采用了“a dh 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，a dh o c 网络就此诞生。1 e t f 将 a dh o c 网络称为m a n e t 。 2 2a dh o c 网络的分类及特点 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装最的移动终端组成的一个多跳 临时性自治系统。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的 网络拓扑，这种拓扑可以独立工作，也可以与i n t e r n e t 或蜂窝无线网络连 接。在后一种情况中，a dh o c 网络通常是以末端子网( 树桩网络) 的形式 接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，m a n e t 一般不适用于作为中 间承载网络，它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信息进出，而不 让其他信息穿越本网络，从而大大减少了与现有i n t e r n e t 互操作的路由了1 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 销。a dh o c 网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机， 终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路 由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在a dh o c 网络中，节点问的路由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终端的无线传输 范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往通过多个中间节点的转发来 实现通信，所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设旌的网 络或对等网络。a dh o c 网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以 看作是一种特殊的移动计算机通信网络。图2 1 给出了a dh o c 网络的一 种典型的物理结构和逻辑结构，在逻辑图中，终端a 和g 无法直接通信， 但a 和g 可以通过路径a b e g 进行通信。 ! ，j 蘸蓬篓瀵：j 鬟 | ! 黪 戮； ；| 瀵鬻 鬣曩繁2 甏j ； 2 2 1a dh o c 网络的分类 图2 1 典型的a dh o c 网络 根据节点是否移动，可以将无线a dh o c 网络分为无线传感器网络和 移动a dh o c 网络1 4 1 。 无线传感器网络由许许多多个功能相同或不同的无线传感节点组成。 每个传感器节点由数据采集模块( 传感器、a d 转换器) 、数据处理和控 制模块( 微处理器、存储器) 、通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电 池、d c d c 能量转换器) 等组成【5 1 ( 如图2 2 所示) 。节点在网络中可以 充当数据采集者、数据中转站或簇节点( c l u s t e r h e a dn o d e ) 等角色。作为 数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据( 如温度、湿度等) 通过 通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站( b a s es t a t i o n ) 或汇节点 ( s i n kn o d e ) ；作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或 汇节点：作为簇头节点，节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，经数 据融合后，发送到基站或汇节点。 i 传感器il 微处理器l h hl 无线收发器 a d 转换器l 存储器i r 1 数据采集模块 数据处理控 通信模块 制模块 彳f彳广彳广 回匝囹 供电模块 幽2 - 2 传感器网络节点结构 传感器网络具有广阔的应用领域和市场价值前景。无线传感器网络通 过感知、收集、分析、处理各种信息，包括r f 、温度、湿度、气压、化 学、生物等，进而通过融合处理信息，实现站场防御和侦查、安全监视、 环境监控、医疗诊断、农作物监视、珍稀动物监护、货物跟踪等，尤其是 在条件恶劣的战地环境下，这种传感器网络有着独特的优势。比如，这种 网络的快速部署、自组织能力、容错抗摧毁等特性能够实现军事指挥调度、 移动计算和通信、监视侦查、目标定位等功能。 移动a dh o c 网络就是通常意义上的a dh o c 网。 2 2 2a dh o e 网络的特点 1 ) 拓扑结构动态变化。网络拓扑结构是从网络角度看的物理网络的逻辑 视图。在a dh o c 网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式 移动，并且可以随时关闭电台，加上无线发送装置的多种多样、发送 功率的变化、无线信道的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响， 移动终端问通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变 化的方式和速度都难以预测。这些变化主要体现在节点和链路的数量 及分布的变化。而对于传统网络，网络的拓扑结构较为稳定。 2 ) 带宽有限、容量可变的链路。无线链路的容量明显低于有线链路容量。 考虑多接入、多径衰减、噪声和信号于扰等因素后，无线通信实际的 吞吐量远远低于它的最大传输速率，以至于在网络中出现拥塞成为一 6 鞍山科技大学硕士论文 第2 章a d h o c 网综述 种正常情况，而不是意外。 3 1 节点能量有限移动节点依靠电池来提供能量。对于这些节点而言，最 重要的系统优化设计准则应该是节省能量的消耗。 4 ) 多跳路由由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的，当要 与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。与普通 网络中的多跳不同，a dh o c 网络中的多跳路由是由普通节点共同完成 的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。反过来，如果可 以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低，从而达到节省电能延长 电池工作时间的目的。在a dh o c 网络中，节点的覆盖范围有限，一方 面，较短的传输距离使路由的更新跟不上移动所带来的拓扑结构的变 化，但是另一方面，过多的中继有可能使路由变得很脆弱。因此，需 要对网络的拓扑进行控制，选取适合应用环境的节点发射功率。 5 ) 移动终端的便携性移动终端具有携带方便、轻便灵巧等优点，但也存 在固有缺陷，如能源受限、内存较小、c p u 处理能力较低和成本较高 等，从而给应用的设计开发和推广带来一定难度，同时显示屏等外设 功能尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务。 6 ) 分布式控制a dh o c 网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能，不 需要网络中心控制点，用户终端之间地位是平等的，网络路由协议通 常采用分稚式控制方式，因而比采用集中式控制的网络具有更强的鲁 棒性和抗毁性。在常规通信网络中，存在基站、网控中心或路由器这 样一类的集中控制设备，用户终端与它们所处的地位是不对等的。 7 ) 安全性差a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信 道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动 入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等链路层的网络攻击；节点在敌意环 境( 如战场) 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；网络的拓扑和成员经常改变，节点间的信任关系经常变 化，没有值得信任的第三方的认证。因此信道加密、抗干扰、用户认 证、密钥管理、访问控制和其他安全措施都需要特别考虑。 8 ) 存在单向的无线信道在采用无线通信的自组网环境中，由于各个无线 终端发射功率的不同以及地形环境的影响可能产生单向信道，如图2 3 所示，两个移动终端a ，b 中，a 由于发射功率较大，所以能够到达b ， 而反之则行不通，即存在一条a - ) b 的单向信道。 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 图2 - 3 单向信道 9 ) 生存时间短a dh o c 网络通常是由于某个特定原因而临时创建的，多 用于战场、救灾等特殊场合，使用结束后，网络环境将会自动消失， 所以a dh o c 网的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 2 2 3a dh o e 网与其他网络的比较 1 与常规移动通信网络的比较，主要表现在以下几方面【4 】： 1 1 现有网络通信基础设旌支持 对于常规移动通信网络，比如g s m 、c d m a 等，现有的网络通信基 础设施是指基站、基站控制器、接受发送、移动交换机和相关的连 接中继线路等，这些设施的构建及其正常工作需要耗费相当多人力和 物力，相应的建设周期也较长。a dh o c 网络的一个主要应用特点就 是，不需要现有通信网络的支持，独立形成通信环境，网络的构成周 期根据底层采用的无线通信技术而有所不同，快的可以在数秒内完 成，慢的也可以在几个小时内完成。与常规网络相比，要相差几个数 量级，所以网络的快速部署是对a dh o c 的个重要要求。 2 ) 基站支持 采用基站支持是现有常规移动通信网络采用的普通方式，对应的通信 模式是用户通信终端与基站交互，用户通信终端之间不能直接通信， 因此，常规通信网络的职能主要集中在移动交换机和基站中，而通信 终端更多的是提供人机接口：而a dh o c 网不需要基站支持，每个移 动终端地位是对等的，独立进行分组转发的决策，终端之间的关系是 协同的，参与a dh o c 的每个终端需要承担为其它终端进行分组转发 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 的义务，所以控制方式是分布式的。 3 ) 交换机制 对于常规移动通信网络，信息交换机制通常采用电路交换，包括建立 电路、传输信息及拆除电路3 个阶段。a dh o c 网是计算机网络的一 种类型，所以通常采用分组交换。 4 ) 业务类型 常规移动通信网络的通信业务以话音业务为主，目前逐渐出现数据通 信业务；a dh o c 网以数据通信业务为主。 5 ) 网络拓扑结构的改变 对于常规移动通信网来说，尽管也会由于设备或链路出现故障，导致 网络结构出现变化，但总体来讲，网络结构比较稳定。而在a dh o e 网环境下，动态变化的网络拓扑结构是它的一个重要特征。 2 与传统的固定网络的比较 在固定网络中主机的位置基本不变，因此其路由技术与a dh o c 网络 截然不同。在固定网络环境中，网络结构一般较复杂，因此需要采用自治 域的概念实现分级的路由体系。而在a dh o c 网络中，网络的规模相对较 小，网络的拓扑结构也比较简单，但必须考虑网络拓扑结构的快速变化特 性。固定网络路由技术中所提出的r i p ( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l ，路由 信息协议) 、o s p f ( o p e n s h o r t e s tp a t hf i r s t ，开放式最短路径优先) 、： b g p ( b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l ，边界网关协议) 等协议对a dh o c 网络的应 用环境均不适应。 3 与无线局域网、红外线网络的比较 总的来说，无线局域网、红外线网络都是一定形式的自组网。除此之 外，他们之间存在如下主要区别： 1 ) 单跳网络与多跳网络 从网络层来看，无线局域网、红外线网络是一个单跳网络，不存在路 由问题。而自组网则是一个多跳的网络，网络中每个节点至少要充当 一个单播的路由器。 2 ) 通信模式不同 由于红外线网络，通信模式通常是移动终端通过一个无线访问点( 类 似于基站和h u b 的功能) 与其它终端通信，移动终端之间不直接进行 通信，移动终端对固定网络的访问也是通过接入点进行。无线局域网 也有a dh o c 应用模式，但是与这里所定义的a dh o c 网也不同，这是 鞍山科技大学硕士论文第2 章a dh o c 网综述 因为前者仍然是一个单跳网络。a dh o e 网的通信模式是移动终端之间 的对等通信。 2 3a dh o e 网络的体系结构 由于a dh o c 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 dh o e 网络的体系结构6 ，7 1 和设计方法应充分考虑 网络的动态自组特性和特殊的应用环境。 2 3 1 节点结构 a dh o c 网络的节点同时具有移动终端和路由器的功能，因此节点通常 包括主机、路由器和电台三部分。其中主机部分( 外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；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) 提供无线传输功能。从物理结构上分，节点可以分为以下几 类( 图2 - 4 ) ：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，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( o v e r l a p ) 网络，还可以作为网关节点来互联多个a dh o c 网络以及接入其它网络。 图2 4a dh o c 网络：棒点物理结构 斟 鞍山科技大学硕士论文 第2 章a d h o c 网综述 2 3 2 网络拓扑 由于节点可以移动，特别是在战场环境中，中心控制节点易被发现和 易摧毁，使得a dh o c 网络不适合采用集中式控制结构，因此，a dh o c 网 络一般有两种结构：平面结构和分级结构。 平面结构如图2 5 所示，其中所有节点地位平等，所以可以称为对等 式结构。 f ， 、 ) 簇- 簇头 簇成员 r 网关 图2 5 平面结构 图2 - 6 单频分级机构 多；c 璺) ；彻 ( 蔓) t 兹) 图2 - 7 多频分级结构 平面结构的优点： 1 1 平面网络比较简单，无需任何的维护过程； 2 1 源节点与目的节点之间可存在多条路径而实现负荷分担，各节点间 地位对等； 3 ) 不存在瓶颈而较健壮，相对安全。 平面结构最大缺点是网络规模受限，因为每个节点需要知道到达其它 所有节点的路由信息，当网络规模加大时路由维护的开销指数增长而消耗 掉有限的带宽。 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， 簇头形成高一级网络，高一级网络又可分簇形成更高一级网络。簇中簇头 和簇成员动态变化，节点仍是自动组网，由簇头节点负责簇间数据转发。 分级结构根据硬件的不同配置又可分为单频分级和多频分级两种，分别如 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 图2 - 6 、图2 7 所示。 单频分级网络只有一个通信频率，所有节点使用同一频率，簇头之问 通信需要网关节点支持，网关节点同属于两个簇；多频分级网络中，低级 节点通信范围小，高级节点通信范围大，如两级网络中，簇成员节点用一 个频率通信，簇头节点用一个频率与簇成员通信，用另一个频率保持簇头 之间通信。 分级机构的优点： 1 ) 分级结构有较好的可扩展性； 2 1 分级结构使路由信息局部化，减少了路由协议的开销，提高了系统 的吞吐量； 3 ) 分级结构中节点的定位要比平面结构简单得多，因为分级结构中， 簇头节点知道簇成员的位置，只要查询簇头就可以得到节点的位置 信息，而不必像平面结构中要全网查询； 4 ) 分级机构可通过移动性管理来实现序列寻址，由簇头充当位置管理 服务器，简单实现节点定位和寻址。 2 3 3 协议栈 根据a dh o c 网络的特征，参照o s i 的7 层协议栈模型和t c p i p 的体 系结构，可以将a dh o c 网络的协议栈f 5j 划分为5 层，如图2 8 所示。物理 层完成无线信号编码译码、发送和接收等工作；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，所以数据链路层又分为m a c ( 媒 体接入控制) 层和l l c ( 逻辑链路控制) 层；网络层是a dh o c 技术的重 点，也是它与其它现有网络的主要区别所在，网络层的单目标路由协议维 护路由表，使其与当前的a dh o c 网络拓扑结构一致，多目标路由协议提 供群组通信的底层支持，网际互联支持a dh o c 网络中与其它现有网络互 联，q o s 服务，路由安全提供对路出协议的安全保障；传输层主要完成端 到端通信的建立，目前般的思路是对现有的t c p i p 进行改造，使之适 应无线环境：a dh o c 的高层主要包括建立在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。 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 应j 玛层 传输层 网络层 链蹄层 物理层 、 图2 - 8 a dh o c 协议栈 2 4a dh o e 网的关键技术与发展前景 2 4 1a dh o e 网的关键技术 在a d h o e 网络中，用户( 移动节点) 同样需要传统网络的连接性和业 务传输的基本要求得到满足。没有基础设施和中央的管理是a d h o c 网络最 主要的优点，也是最主要的缺点，它们给a dh o c 组网带来了巨大的挑战。 有关a dh o c 网络的技术很多，全球的研究人员在这方面作了大量的研究， 综合而言，主要体现如下几个方面1 4 , 5 1 ： 1 1 路由协议 开发良好的路由协议是建立a d h o e 网络的首要问题，同时也是主要的 研究热点和难点。传统的距离向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 d h o c 网络。理想的a d h o c 网络的路由协议应该具有以 下性能：分布式运行、无环路、按需运行、考虑安全性、高效地利用电池 能量、支持单向链路、维护多条路由，有关路由协议详细介绍见第3 章。 2 ) 服务质量q o s 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、分组丢失率等。显 然，为了提供q o s 保证，首要的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( 如带宽、路由器中的缓存空间等) 。提供q o s 路 由可以将这些任务结合在一起，这样q o s 保证转换为q o s 路由问题。 3 ) 媒体接入控制( m a c ) 协议 无线a dh o c 网络中m a c 协议主要为i e e e 8 0 2 1 1 标准中的c s m a c a 协 议和h i p e r l a n 2 协议。对于a dh o c 网络，i e e e 8 0 2 1 1 标准采用分布式的d c f 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 接入模式，m a c 层协议为c s m a c a ， 节点问的数据传输过程为r t s c t s + 数据+ 确认。h i p e r l a n 2 是由欧洲 标准化组织e t s i 开发的高速无线接入项目的一部分，能够携带多媒体数据 和支持服务质量保证。h i p e r l a n 2 将移动终端组织到由某个终端确定的蜂 窝内，这个终端被称为接入点或中央控制器。h i p e r l a n 2 网络采用直接模 式时可以用于a dh o c 网络的组网。和i e e e 8 0 2 1l 的区别在于采用 h i p e r l a n 2 标准的a dh o c 网络的媒体接入控制仍然需要由中央控制器负责 管理。因此，在没有中央控制器参与的情况下，任何两个移动终端并不能 直接进行通信。i e e e8 0 2 ii 和h i p e r l a n 2 兼容，但扩展性更好，而且有实 际产品问世，如l u c e n tw a v e l a ni e e e8 0 2 1 1p c 卡，而到目前为止，还没 有见到h i p e r l a n 2 的产品。因此目前对a dh o c 网络的研究常常是采用 i e e e 8 0 2 1 1 标准。 i e e e 8 0 2 1 lm a c 层协议在多跳网络中存在一些问题：仍然没有解决隐 藏节点和暴露节点问题；i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 协议的载波监听( 和干扰) 的范 围通常大于通信范围，加剧了隐藏节点和暴露节点的问题；二进制后退算 法，对刚发送成功的节点有利，对发送失败的节点不利，使各节点问存在 明显的不公平：没有考虑a dh o c 网络能量消费的问题。 4 ) 能量消耗问题 能量消费( 功率控制) 问题涉及到无线网络中的各层。节点能量消费 可以分为通信费用和计算费用两部分。前者是指无线网络接口消费的能 量。在a d h o c 网络中，移动节点可以位于发射、接收和空闲( 旁路) 三种 模式，其中发射模式的功率消费最大，空闲模式的功率消费最小，缺省 模式为空闲模式。后者指协议处理方面消费的能量。通常在这两者之间存 在一个折衷，降低通信费用的技术可能增加计算费用，反之亦然。 在目的端能正确接收分组的前提下，减少节点的能量消费可以延长节 点和网络的寿命；减少对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量：减少数据 被窃听的可能性，提高了通信的安全性。 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。在物理层可以调整节点的发射功率来减少网络的能量消费， m a c 层的主要措施为减少数据发送的冲突，避免重传和进入睡眠状态。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。 5 1 安全问题 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 a dh o c 网络存在以下的安全性问题：无线链路使a dh o c 网络容易受到 链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在 敌方环境( 如战场) 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( 而不仅仅是外部节点) 的攻击，采用分布式的网络体系结构可以 提高a d h o c 网络的生存能力；a d h o c 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 c 网络没有值得信任的第三 方的证书的帮助，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 网络包含成百上千个节点，需要采用具有扩展性的安全机制。 6 ) 网络互联技术 在很多场合下，a dh o c 网络要与其它网络互联。比如在军事应用中， 采用a dh o c 网络技术的战斗网要接入更高级的战场通信系统，在有的情况 下，a d h o c 网络还要作为末端子网接入因特网。由于a d h o e 网络包含了不 同的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行相应的转换工作。 2 4 2a dh o e 网的发展前景 无线a dh o c 网是一种新颖的移动计算机网络的类型，它既可以作为一 种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式， 其自身的独特性将赋予其具有巨大的发展前景，其应用范围可以覆盖工 业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种行业和场合，下面做一个 简单的介绍。 1 ) 移动办公 a dh o c 网络可以支持微型计算机、笔记本电脑、掌上电脑、个人数字 助理( p d a ) 以及其它信息设备间的数据交换，而这些设备已经成为人们 不可缺少的办公工具。在人们移动性日益扩大的现代社会中，a dh o c 网络 是实现移动办公的一条可行的道路。移动办公可以扩展人们的活动范围， 给工作带来很多便利。例如，人们在办公的时候往往需要和同伴交换信息， 在室外临时环境中，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，而不用受到设 备连接线的束缚。目前，移动办公还只能在一个比较小的范围内，如建筑 物或校园内实现，离真正意义上的移动办公还有一定的距离。 2 ) 智能家庭网络 智能家庭网络为家庭信息设备互联提供了基础结构，家庭信息设备可 鞍山科技大学硕士论文第2 章a d h o c 网综述 以组成家庭区域网，并接入i n t e r n e t 。这些设备若不采用无线方式互联，所 有这些设备一般都需要通过p c 或笔记本电脑的端口连接起来，在使用的过 程中，特别是在家庭的不同房间之间移动的时候很不方便。而通过无线方 式互联组网，就可以使这类设备摆脱传输线的束缚，允许设备在家中的不 同房间之间自由移动。家庭信息设备分散在家庭各处，彼此之间都具有一 定的独立性，适合组成自组网