（计算机科学与技术专业论文）ad+hoc网络下基于网络编码可靠组播技术.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 a dh o e 网络是一种自组织、对等式、多跳无线移动通信系统，是未来无线网 进行数据传输的主要理想手段之一。a dh o c 网络具有带宽窄、错误突发性高、网 络拓扑不稳定等特点，其信道误码率远比有线信道要高，这些特点使得当前有线 网络上的可靠组播技术应用到a dh o e 网络中时性能发生大幅度下降，因此必须对 a dh o e 网络可靠组播问题进行研究。 主要工作有： ( 1 ) 对现有的a dh o e 可靠组播技术进行归类分析与比较，指出了现有可靠 组播技术的不足及原因。 ( 2 ) 深入研究了网络编码在a dh o e 网络数据传输中的应用，给出了一种适合 在a dh o e 网络中进行数据传输的网络编码算法，并设计实验进行验证。 ( 3 ) 提出了一种基于网络编码的可靠组播技术，该技术不需要底层组播路由 机制的支持，既不需要维护网络的拓扑信息，也不需要维护组节点信息，依靠会 话闲聊机制完成数据的分发。在网络编码基础上，可以根据节点密度对技术各个 参数进行调节，以保证不同节点密度网络数据的可靠传输。 ( 4 ) 在n s 2 上对提出的可靠组播技术进行了仿真模拟，结果显示，所提出的 技术能够很好地适应由于节点快速移动而引起的网络拓扑变化。 所做工作成为了某预研项目应用数据可靠传输的关键技术之一，为该项目的 后续发展奠定了良好的研究基础。 主题词： a dh o e 网络，可靠组播，网络编码 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a dh o en e t w o r ki sak i n do fs e l f - o r g a n i z e d ，p e e rt op e e ra n dm u l t i - h o pw i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw i l lb et h eo n eo fi d e a lm e a r l sf o rd a t at r a n s m i s s i o n i nw i r e l e s sn e t w o r ki nt h ef u t u r e b i te r r o rr a t i o ( b e r ) i nw i r e l e s sc h a n n e li sm u c h h i g h e rt h a nt h a ti nw i r e dc h a n n e lo w i n gt os e v e r a ls a l i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a n e t ，s s u c ha sl i m i t e db a n d w i d t h ，h i g h l yb r e a k t h r o u g he r r o r sa n d v a r i a t i n gt o p o l o g i e s ，a n ds o o n a l lt h e s ef a c t o r sm a k et h em u l t i c a s tr e s e a r c hi na dh o en e t w o r ke v e nm o r e i m p o r t a n ta n dc o m p l i c a t e d o u rw o r km a i n l yc a nb el i s t e da sf o l l o w s ： 1 w ec a r r yo u ta na n a l y s i so ft h ee x i s t i n ga dh o cm u l t i c a s tt e c h n o l o g i e s p o i n t o u tt h ei n a d e q u a c yo fe x i s t i n gm u l t i c a s tt e c h n o l o g i e s ，a n da n a l y z et h ep r o b l e m 2 b a s e do nt h es t u d yo fn e t w o r kc o d i n gi nt h ea dh o e n e t w o r kd a t ar e c o v e r y , w e p r e s e n tan e t w o r kc o d i n ga l g o r i t h ms u i t a b l ef o rt h ed a t ar e c o v e r yi nt h i s n e t w o r k 3 w ep r e s e n tar e l i a b l em u l t i c a s tt e c h n o l o g yb a s e do nn e t w o r kc o d i n g w h i c hi s f r e ef r o ma n yu n d e r l y i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 i td o e s n t r e q u i r eag l o b a lo ra p a r t i a lv i e wo ft h en e t w o r k a l s o ，i td o e s n t r e q u i r ei n f o r m a t i o na b o u t n e i g h b o r i n gn o d e so rg r o u pm e m b e r s i td i s s e m i n a t e sa n dr e c o v e r sd a t a 、) i ，i ma 如1 1 g o s s i p - b a s e ds c h e m e b a s e do nn e t w o r kc o d i n g i ti sa b l et oa d a p tt o v a r y i n gn o d ed e n s i t i e s ，w h i c hm a k e si td e l i v e rd a t ar e l i a b l yi nb o t hs p a r s ea n d d e n s en e t w o r k s 4 i no r d e rt ot e s t i f yt h ep e r f o r m a n c eo fo u rm e t h o d ，w ed e m o n s t r a t es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t so nn s - 2s i m u l a t o ra n dt h er e s u l t ss h o wt h a to u rm e t h o di s a d a p t a b l et on e t w o r kt o p o l o g yc h a n g e s o u rw o r ks u c c e s s f u l l ys o l v e ss o m eo fk e yp r o b l e m si 1 1 ab e f o r e h a n dr e s e a r c h p r o j e c to fr e l i a b l ea p p l i c a t i o nd a t at r a n s m i s s i o n ，l a y sas o l i dr e s e a r c hf o u n d a t i o nf o rt h e f o l l o w i n gd e v e l o p m e n to f i t k e yw o r d s ：a dh o cn e t w o r k ，r e l i a b l em u l t i c a s t ，n e t w o r kc o d i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1a dh o c 网络与现有无线网络的主要区别4 表2 1现有3 类组播可靠技术比较分析18 表3 1 节点包接收情况2 0 表3 2 报文格式及对应操作码2 5 表3 3 测试参数2 7 表3 4 试验结果2 8 表4 1节点密度与相应参数3 7 表5 1 测试参数5 l 表5 2 测试参数5 2 表5 3 测试参数一5 3 第l i l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1典型a dh o c 网络结构2 图2 1单播、组播、广播的区别1 0 图2 2 典型a r q 可靠传输技术1 l 图2 3 典型的会话闲聊技术1 4 图2 4b or o n g 等方案报文格式16 图3 1 表3 1 无线场景构造的图g 2 2 图3 2 发送方流程图2 4 图3 3原始数据报文格式2 5 图3 4 编码报文格式2 5 图3 5a c k 报文格式2 5 图3 6 试验模型2 7 图3 7 重传次数减少率与包接收率关系2 8 图4 1网络节点维护功能单元2 9 图4 2 节点数据流程图3 0 图4 3 ( a ) 数据包分发次数小于阀值的被加入到摘要信息中，且将次数加l ( b ) 加上会话摘要头部构成信息摘要3 2 图4 4网络编码的数据传输3 5 图5 1n s 体系结构3 9 图5 2n s 结合c 抖和o t c l 4 0 图5 3n s 2 单播节点和组播节点4 l 图5 4n s 2 无线节点模型4 2 图5 5 利用n s 2 进行网络模拟一般过程4 2 图5 6 数据包接收处理函数4 4 图5 7 基于网络编码可靠组播技术类定义4 5 图5 8n s 2 中定义网络参数4 7 图5 9n s 2 中定义跟踪文件4 8 图5 1 0n s 2 中移动节点配置4 8 图5 1 1n a m 动态演示5 0 图5 1 2g a w k 分析组播可靠性代码5 0 图5 1 3 节点移动速度对组播可靠性的影响一5 l 图5 1 4网络规模对组播可靠性的影响5 2 图5 1 5自适应单元对组播可靠性的影响5 3 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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。 学位论文题目： 叁垦望q 曼圆终王基王圜缝编璺鲍豆塞塑搔盐苤 学位论文作者张盏址 日期知彳年2 月簟日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 日期如呵年味月彳日 吼吖铲月7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 无线通信【l 】是指在无线终端与中心主机之问或无线终端之间采用无线连接，通 过无线方式进行通信。无线通信系统由于具有组网灵活快速、可移动、不受时间 地点限制、业务种类丰富、应用范围广等特点而得到了迅速的发展。目前的无线 通信可以实现计算机局域联网、无线接入、网间互联、图文传真、电子邮件、互 联网浏览、数据采集、遥测遥控、信息家电控制等功能，已经被认为是个人通信 的重要组成部分。按照通信双方的相对位置来分类，主要可以划分为移动通信、 固定或半固定无线通信两类。以技术实现方式上来看，移动通信可分为蜂窝移动 数据通信、无绳移动数据通信、集群移动数据通信、寻呼数据通信等。自从2 0 世 纪8 0 年代以来，移动通信系统的重要性越来越突出，这种重要性既表现在研究、 投资、收益等方面，也表现在用户数量和业务量的快速增长。移动无线通信的历 史可分为三个主要阶段： 第一个阶段为无线电波的理论预测及其存在性的证明阶段： 第二个阶段为设备和技术开发与完善阶段，尽管在此阶段无线通信的使用仅 限于极少部分人群； 第三个阶段是为移动无线通信业务大规模大众化普及应用做准备的阶段。 随着人们对移动通信要求的增强，蜂窝移动通信系统得到了迅速普及。但蜂 窝移动通信系统是集中式控制的( 有中心的) ，网络的运行要基于预先架设好的网络 设施。这两个特点使得蜂窝移动通信系统对有些特殊场合来说并不适用，比如战 场上部队的快速展开和推进，发生地震或水灾等大型灾害后的营救，野外科考， 偏远矿山作业以及临时性组织的会议等。这些场合不能依赖于任何预先架设的网 络设施，或者预先架设的网络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。为了满足此类需求而出现了对a dh o e 网络的研 究和应用【2 】【3 】【4 】。 1 1 1a dh o c 网络的概念 a dh o c 网络【5 1 是一种特殊的无线移动通信网络。它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 ) 。对分组无线网的研究源于军事通信的需要，并已经持续 近2 0 年。19 7 2 年，美 雪d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 启动了 分组无线网项目，研究其在战场环境下数据通信中的应用。分组无线网是指利用 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 无线信道构成的用于传输和交换分组数据的网络。该项目完成后，d a r p a 又在1 9 8 3 年启动了高残存性自适应网络( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) ，以扩展分组无线 网的研究成果。1 9 9 4 年，为了进行持续研究，d a r p a 启动了全球移动信息系统 ( 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 ) 项目，对能够满足军事应用需要的、可快速 展开、高抗毁性的移动信息系统进行了全面深入的研究。i e e e 8 0 2 1l 标准委员会采 用了“a dh o c 网络 一词来描述这种特殊的网络，此外i e t f 则将其称为移动a dh o e 网络( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ， d a n e t ) 。本文采用i e e e 8 0 2 1 l 标准委员会的提 法来指代此种网络。 a dh o c 网络中所有节点地位平等，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要的功能，而且具有报文转发 能力。当通信节点和目的节点不在直接的通信范围之内，它们可以通过中间节点 转发报文进行通信。有时节点问的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文 经过多跳( h o p ) 才能到达目的地，这是a dh o c 网络与其他移动通信网络最根本 的区别。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 ) 。 典型的移动a dh o c 网络结构如图1 1 所示： 图1 1 典型a d h o e 网络结构 1 1 2a dh o c 网络特点及应用领域 移动a dh o c 网络是以无线信道为传输介质的交换网络，它具有如下特点1 】： 无中心，自组织，组网迅速、灵活 移动a dh o e 网络没有中心节点，所有节点地位平等，可随时加入和离开网络。 各个节点通过网络协议和分和式算法协调各自行为，而且网络的布设不需要依靠 任何预先架立的网络设施。这些特点决定了a dh o c 网络抗毁性强，组网迅速灵活。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 多跳路由 由于节点覆盖范围有限，当与覆盖范围以外的节点通信时需要中问节点转发。 普通网络中，报文转发是由专用的路由设备完成，而移动a dh o e 网络中多跳是由 普通节点协作完成。 动态拓扑 移动a dh o e 网络中，终端节点移动速度和模式多种多样，且可以随时加入或 离开网络，再加上无线发送装置天线类型种类繁多、发送功率变化、无线信道间 相互干扰、地形和天气等各种因素影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑随 时可能发生变化，而且变化的方式与速度难以预测。在网络拓扑图中，这些变化 主要体现为节点和链路的数量及分布的变化。 特殊的无线信道特征 考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间的干扰等 因素，移动终端获得的实际带宽远远小于理论带宽，并且会随时间动态发生变化。 因此，无线信道所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，且比特误码率远 远高于有线网络。 移动终端的局限性 移动终端携带方便，轻便灵巧，但是却存在能源受限、内存较小、c p u 处理 能力较低和成本较高等缺点，给设计开发和应用带来难度。 安全性差 移动a dh o e 网络由于采用无线信道、有限的资源、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h 民 等网络攻击。 上述特点使得移动a dh o e 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与 现有的无线通信系统有显著的区别如表1 1 所示。 移动a dh o e 网络的许多优良特性，使得它在民用和军用领域占据了重要的位 置，其典型应用场合如下i 5 j ： 1 军事应用 军事应用是移动a dh o e 网络技术的主要应用领域。美军迅速发展的战术互联 网、近期数字电台和无线互联网控制器中，大量应用了移动a dh o e 网络技术，用 于单兵、车载和指挥所等不同场合。 2 传感器网络 分散的传感器通过a dh o e 网络技术组网，可实现传感器与控制中心的通信。 3 紧急、临时和动态场合 在发生了地震、水灾、火灾或遭受其他灾难打击的场合，以及荒芜人烟的野 外，固定通信设施要么被毁坏，要么根本就没有固定的通信基础设旌，这时就可 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 以利用移动a dh o e 网络技术的特点迅速组网，以提供恶劣和特殊环境下的通信支 持。 4 个人与商业应用 移动a dh o e 网络技术可以用于实现p d a 、手机、掌上电脑等个人电子通信设 备的通信，并可以构建虚拟教室、家庭无线网络、移动医疗监护系统等暂时的移 动对等应用。 表1 1a dh o e 网络与现有无线网络的主要区别 内容现有无线网络a d h o e 网络 网络结构有中心，单跳无中心，多跳 拓扑结构固定 动态建立，灵活变化 有无基础设施支持有无 安全性与服务质量较好较差 路由选择维护容易困难 网络健壮性 低两 研究重点物理层和链路层协议所有层 中继设备 基站和有线骨干网无线节点和无线骨干网 节点控制管理由基站集中负责，无线节由无线节点本身负责， 点必须先与基站通信，再通常采用分布式方式 通过基站与目的节点通信 1 2 课题的提出及研究意义 1 2 1a dh o e 网络研究的热点 无中心的a dh o c 网络在协议设计和组网方面都与现有的无线通信系统有着明 显的差异，综合而言，a dh o e 网络研究的热点有以下几个方面： ( 1 ) 信道接入技术：信道接入技术控制着节点如何接入无线信道，对a dh o e 网络的性能起着决定性的作用。a dh o e 网络的无线信道不同于普通网络的共 享广播信道、点对点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。此外，a dh o c 网络还存在独特的隐藏终端、暴露 终端和入侵终端等问题。 ( 2 ) 路由协议：路由协议是a dh o e 网络的重要组成部分。要实现无线多跳路 由，必须要有专用路由协议的支持。i e t f 成立的m a n e t 工作组目前主要负 责a dh o e 网络i p 层路由的标准化工作。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 网络体系结构：早期的a dh o c 网络主要是为数据业务设计的，没有对体 系结构做过多考虑，但是当a dh o c 网络需要提供多种业务和支持一定的服务 质量保障时，就应当考虑如何选择最为合适的体系结构，并需要对原有的协议 进行重新设计。 ( 4 ) 服务质量保证：a dh o c 网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。随着 应用的不断扩展，需要在a dh o c 网络中传输多媒体信息。多媒体信息对带宽、 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。 a dh o c 网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。 服务质量至今仍是研究的热点。 ( 5 ) 广播和组播：由于a dh o e 网络的特殊性，广播和组播问题也变得非常复 杂，它们需要链路层和网络层的支持。目前这个问题的研究已经取得了阶段性 进展。 ( 6 ) 安全问题：a dh o c 网络的特点之一就是安全性较差，易被窃听和攻击。因 此，需要研究适用于a dh o c 。网络的安全体系结构和安全技术。 ( 7 ) 网络管理：网络管理的范围较广，包括a dh o c 网络中的移动性管理、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。 ( 8 ) 传输层服务：在a dh o c 网络中，无线信道的衰弱、干扰、节点移动等因 素会造成报文的冲突和丢失，这将严重影响t c p 的性能。因此，在a dh o c 网 络中要对传输层服务( 比如t c p ) 进行修改，以满足数据传输的需要。 ( 9 )网络互联技术：在很多场合下，a dh o e 网络要与其他网络互联。在有的情 况下，a dh o e 网络还要作为末端子网接入因特网。由于a dh o c 网络采用不同 的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行转换工作。 ( 1 0 ) 能耗节省问题：能耗问题是无线通信系统特别是a dh o c 网络能否大规模 应用的核心问题之一。可以采用自动功率控制机制来调整移动节点的功率，以 便在传输范围和干扰之间进行折衷；还可以通过休眠机制、采用合适的路由算 法、使用功耗小的硬件来减少能量消耗。这一点对军事应用和a dh o c 网络尤 为重要。 1 - 2 2a dh o c 网络组播发展存在的主要问题 无中心控制、多跳等特征使得a dh o c 技术面临着许多难题【6 】，虽然目前许多 难题己经有解决方案提出，但所有技术尚不成熟。a dh o c 网络设计中的一个关键 问题就是组播的可靠传输。组播( m u l t i c a s t ) 业务是支持多方通信的高效业务模式， 其基本特点是发送节点的数据不是通过向逐个接收节点发送来传送到多方，而是 发送节点只向网络发送数据的一份实例，经由网络节点复制并发送到多个接收节 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 点。组播在传输多方通信的数据时，不仅减轻了源节点的处理负荷，也降低了网 络带宽的使用，提高了网络传输速度，尤其是在通信带宽极其受限的a dh o e 网络 中，采用组播机制对实现多方通信是非常必要的。然而在a dh o c 网络中，网络节 点的移动使得网络拓扑结构不断变化，现有的有线组播技术一般没有考虑节点移 动对性能的影响，因此这些技术应用到a dh o c 网络的时候，一般性能都有大的下 降，需要有专门的应用于a dh o e 网络的组播技术。目前a dh o e 组播技术发展需 要考虑的主要问题有： 1 多跳的问题 a dh o c 网络中的路由是多跳的，所以其无线广播的传播范围( 开阔的区域2 5 0 米) 有限。由于网络中的节点自由随机的移动，节点间建立的路径通常会断开。路 由协议是用来负责周期性的维护和重建节点间的路径并使建立路径持久一些。此 外，路由协议应完成所有上述的功能而不会产生过多的控制消息负载。控制报文 必须被有效的使用，来传递数据报文，且仅在必要时产生控制报文。减少控制报 文负载能使路由协议在带宽和能量的消耗等方面更加高效。 2 满足路由性能问题 ( 1 ) 必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路 由环路的发生，提供方便简单的网络节点定位法。 ( 2 ) 必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销。实施多 跳通信的中间转接次数也是有限的，一般不要超过3 次。 ( 3 ) 必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源。在 可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能。 3 对a dh o e 网络拓扑变化的适应。 现有的大部分组播技术，比如：m a o d v ，s d m r p ( s i m p l eb r o a d c a s ta n d m u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) 等【5 j 一般都需要网络中的节点掌握局部或者全局的拓扑信息， 依赖底层的路由机制来进行信息的传播，这些技术在节点移动速度较小，网络的 拓扑稳定的情况下可以获得很高的性能，但随着节点移动速度的增加，性能发生 大幅度的下降1 7 儿引，必须研究新的适用于a dh o e 网络的组播技术。 1 2 3 未来a dh o c 网络组播的发展和方向 在众多a dh o e 网络难题中，组播问题尤其关键。i e t f 己经成立了m a n e 工 作组，将进一步就如何实现a dh o e 组播路由以及q o s 等问题展开讨论。随着网 络通信技术的进步，通信应用范围越来越广泛，服务水平也越来越高。服务提供 商从市场角度出发急需组播技术的应用，而用户和应用开发者等待组播的广泛部 署以利用这项技术，这就造成了现在组播技术仍未广泛应用的现状。a dh o e 网络 篼6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 组播技术在发展中虽然遇到很大的困难和风险，但由于它的不可替代的特点决定 了其不断发展和应用。因此，从全局和长远利益来看，展望未来，组播技术在移 动通信中有着非常广阔的应用前景，在下一代无线网络中使用组播通信是一种必 然的趋势。 然而当前移动a dh o e 网络组播技术面临许多的挑战。为了确保组播的可靠传 输，现有的组播技术一般被设计成确定性的方法( d e t e r m i n i s t i cs o l u t i o n ) ，致力于确 保所有的组节点都能够可靠地接收到源节点发送的数据，这些技术都要求节点维 护整个或者局部的网络拓扑信息，在网络拓扑发生变化时需要占用带宽来对节点 中维护的拓扑信息进行更新。当节点移动速度增加，网络拓扑频繁时，这种带宽 的消耗变成非常的明显，甚至引起网络的拥塞，从而造成大量原始数据包的丢失。 因此现有的这些组播技术在网络拓扑相对稳定的情况下工作得很好，但是在拓扑 变化频繁的时候，性能却发生大幅度的下降，必须设计一种适应a dh o c 网络的可 靠组播技术。 1 3 课题主要工作和贡献 本文对a dh o c 网络的可靠组播技术进行研究，提出一种新的可靠组播技术， 主要工作有： 1 阅读了大量的文献，研究国内外现有的a dh o e 网络可靠组播技术，对这些技 术进行归类阐述，指出各类技术的优点和缺点。 2 介绍网络编码，对网络编码在a dh o e 网络下减少数据重传次数进行研究，并 设计了实验进行验证。 3 提出新的a dh o c 网络可靠组播技术，该技术充分利用无线节点广播特性，采 用缓冲技术缓存监听到的数据，依靠会话闲聊机制完成数据的分发，将数据的 恢复分散到网络中的各个节点，在保证可靠性的同时有效地消除了单点失效。 4 研究n s 2 仿真器，在n s 2 上对提出的可靠组播技术进行验证，研究结果表 明该技术在节点移动速度增加时能够保证高的可靠性。 1 4 论文结构 本文内容分为六章： 第一章，绪论，介绍a dh o c 网络的概念和主要特点、论文的研究背景、主 要内容。讲述课题研究的重要意义。 第二章，a dh o c 网络可靠组播技术，对比分析国内外现有的3 类可靠组播技 术，指出了现有技术的不足。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章，基于网络编码的数据传输，指出网络编码能够有效地在组播中提高 数据传输质量，减少数据重传次数。 第四章， a dh o e 网络下基于网络编码可靠组播技术的设计与实现。 第五章， a dh o e 网络下基于网络编码可靠组播技术的仿真以及性能分析。 第六章，工作总结与展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章a dh o c 网络可靠组播技术 组播是一种优化使用带宽的技术，允许数据流从一个或者多个源节点发送到 多个目的节剧9 1 。采用组播技术后，应用层仅需给一组要接收信息的计算机发送每 个数据分组的一个副本，因而组播有助于控制网络流量，减少节点的处理。在资 源有限的a dh o c 网络中，采用组播技术是个较好的选择。然而a dh o e 网络具有 带宽有限、节点移动、能源受限等特点，使得组播的可靠传输面临着挑战。 2 1 组播 组播是一种一点对多点或多点对多点的分组传输方式。源主机同时把数据发 给网络中一组主机，最理想的情况是发送方只发送每个分组一次而每条物理链路 上也最多只有一个分组通过。 2 1 1 组播工作方式 随着网络的飞速发展和普及，网络的应用同益广泛，并且产生了许多新的应 用。从简单的信息传送发展到高带宽的多媒体应用，如远程教学、远程诊断、网 络视频会议、视频点播系统和网络游戏等。传统的数据传送方式已经不能适应网 络应用发展的需要。例如，在一个网络上有3 0 0 个用户需要接收相同信息，传统 的解决方案要么把这一信息分别发送3 0 0 次，以确保需要数据的用户能够得到需 要的数据；要么采用广播的方式，在整个网络范围内传播数据。用户的数据要从 一个终端发送到另一个终端，高带宽的应用带来了网络带宽的急剧消耗和网络拥 塞问题。这些方式都浪费大量的宝贵带宽资源。采用组播技术可以很好的解决带 宽出现的网络拥塞问题。在组播网络中，即使用户的数量成倍增长，主干的带宽 不需要随之增加。因此组播成为当今网络技术中的研究热点。 组播技术源主机发出的报文以组播地址作为目的地址，在网络中，如果有其 它主机对这个组的报文感兴趣，可以申请加入这个组，从而可以接收这个组的报 文，而其它不是这个组的成员无法收到该组的报文，提高了数据传输效率，减少 了骨干网拥塞的可能。组播是目前研究最多，也是应用最广的网络连接方式。 2 1 2 组播与单播广播的区别 为了让网络中多个主机可以同时接收到相同的报文，如果采用单播的方法， 源主机必须不断产生多个相同的报文分别向不同的主机发送，当接收主机数目比 较多时，对于时延比较敏感的数据，源主机产生多个相同的报文后，再产生第二 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 个数据报文，通常是无法容忍的，并且让同一主机不停的产生相同报文会增加主 机的负担。如果采用组播技术，源主机只需要发送个报文就可以到达所有组成 员主机上。 当有多台主机想要接收相同报文时，广播采用的方式是不管主机是否对报文 感兴趣，均把报文传送到网内每个主机上，造成了带宽和资源的浪费。而组播有 一套对组成员和组之间关系的维护机制，可以明确知道在某个子网内，是否有主 机对这类报文感兴趣，如果没有，报文就不会被转发。 在图2 1 中，r 1 和r 2 是同一组的组成员，r 3 是非组成员，源s 有数据要向 r 1 和r 2 发送。在单播中，每个分组将单独向r l 和r 2 发送；在广播中，s 虽然 只发送每个分组一次，但是中间节点把收到的分组从所有接口中发送出去，r 3 也 收到来s 的数据；而在组播中，s 只发送分组一次，中间节点进行分组复制，将数 据传送r 1 和r 2 ，每条链路上最多只出现一次相同的分组，数据只在组成员节点 之间传输。 单播 组播 图2 1 单播、组播、广播的区别 广播 2 2a dh o c 网络可靠组播技术研究现状 在一些典型的a dh o e 网络应用环境中，主机按组工作以完成一个特定的任务， 例如军事上对人员、装备的指挥与控制、在交通管理、移动视频会议、视频点播 ( v i d e oo nd e m a n d ，v o d ) 和无线群体游戏等，组播( m u l t i c a s t ) 业务是支持多方通信 的高效业务模式，其基本特点是发送节点的数据不是通过向逐个接收节点发送来 传送到多方，而是发送节点只向网络发送数据的份实例，经由网络节点复制并 发送到多个接收节点。 然而a dh o c 网络通信带宽的有限性、信道质量不稳定性、网络的多跳性、网 络拓扑的动态性以及节点资源的有限性等特点使得可靠的组播技术设计面临着严 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 峻的挑战。 国内外学者已经对该领域进行了大量的研究，些可靠传输技术也被提出用 来保证数据在a dh o c 网络的可靠传输。目前常用的可靠传输技术有：基于自动请 求重传的可靠组播技术( a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s tb a s e dr e l i a b l em u l t i c a s t p r o t o c o l s ，a r q ) 、基于会话闲聊的可靠组播技术( g o s s i p b a s e dr e l i a b l em u l t i c a s t p r o t o c o l s ，g b ) 、基于向前纠错的可靠组播技术( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n b a s e d r e l i a b l em u l t i c a s tp r o t o c o l s ，f e c ) 。本节主要介绍这些现有的可靠组播技术。 2 2 1 基于自动请求重传的可靠组播技术( a r q ) a r q 方式又称判决反馈或反馈纠错。发送端将信息进行分组编码，加入多余 码元使之具有一定的检错能力。接收端接收到码组后，根据该码的编码规则进行 解码，发现有错误产生，通过发送a c k 或者n a c k 方式告诉发送端。发送端根 据这些信号，把接收端认为有错的信息再次传送，直到接收端认为正确接收为止 如图2 2 。a r q 方式可以认为是一种确定的可靠传输技术( d e t e r m i n i s t i cp r o t o c o l s ) ， 因为它致力于保证各个组节点能够完全可靠地接收到源节点发送的数据。 图2 2 典型a r q 可靠传输技术 通常在固定网络中，a r q 技术可以分为由接收节点驱动( r e c e i v e 卜i n i t i a t e d ) 和由 发送节点驱动( s e n d e r - i n i t i a t e d ) 。在由接收节点驱动的a r q 中，接收节点负责检查 接收到的数据，发现数据丢失或者接收数掘错误，发送n a c k 通知发送节点来进 行数据的重传；在由发送节点驱动的a r q 中，接收节点接收到证确数据时，向发 送节点发送a c k ，发送节点检查是否接收到所有组节点的a c k ，如果没有，则 进行数据的重传。在a dh o e 网络中，当前的可靠组播传输技术一般结合两种方式。 第11 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 其中的典型技术有：可靠组播技术( r e l i a b l em u l t i c a s ta l g o r i t h m r m a ) ；町靠 的自适应轻量级组播技术( r e l i a b l ea d a p t i v el i g h tw e i g h tm u l t i c a s tt r a n s p o r t p r o t o c o l ，r a l m ) ；可靠的自适应拥塞控制组播技术( r e l i a b l e ，a d a p t i v e ， c o n g e s t i o n c o n t r o l l e da dh o cm u l t i c a s tp r o t o c o l ，r e a c t ) 。 r m a 是由t g o p a l s a m y 等人提出的【l2 1 ，由组节点发送a c k ，源节点负责数 据恢复的可靠传输技术。发送节点要维护本身到组节点的路由信息，这主要是通 过组节点在接收到正确数据时向发送节点发送的a c k 、组节点在加入组的时候向 发送节点发送j o i n 以及节点周期性的向外广播本身信息的摘要来实现的。整个技 术分为两个阶段：数据组播阶段和数据恢复阶段。在数据分发阶段，发送节点根 据本身维护的到各个组节点的路由信息，发送数据到各个组节点，如果发送节点 在给定的时间内不能够收集到所有组节点的a c k ，则认为有组节点发生数据包的 丢失，进入数据恢复节点，重新发送数据，直到接收到所有组节点的a c k 。在接 收a c k 的过程中，发送节点不断更新本身到各个组节点的路由信息。 r m a 是基于发送节点驱动的可靠组播技术，致力于确保所有的组节点能够正 确接收到发送节点发送的数据包，可以保证数据传输的可靠性。但是一方面由于 要求所有的组节点发送a c k ，这增加了网络的负载，随着网络规模的增大，所带 来的负载增加更加明显，同时也可能引起a c k 反馈冲突( f e e d b a c ki m p l o s i o n ) ； 另一方面，由于节点需要维护各个组节点的路由信息，在节点速度增加，网络拓 扑变化比较频繁的情况下，需要不断的更新路由信息，造成节点资源的消耗，降 低了性能。 为了克服r m a 大量a c k 所带来的负载增加，t a n g k 等人提出了r a l m | 1 3 】， 该技术还增加了拥塞控制技术。当有组节点发生数据丢失进行数据重传时，降低 发送节点发送数据的速度。 发送节点维护各个组节点的路由信息，同时维护一个接收节点的列表。在开 始阶段，发送节点根据路由信息发送数据给各个组节点，组节点在发送数据丢失 时，向发送节点发送n a c k ，发送节点接收到n a c k 后，将发送该n a c k 的组节 点加入接收节点列表。在数据恢复阶段，发送节点从接收节点列表中选择一个节 点作为反馈节点，同时降低发送的速率，只有被选择为反馈的节点才能根据自己 的接收情况向发送节点发送n a c k 或者a c k 消息，当发送节点接收到反馈的a c k 消息时，将所选择的节点从接收节点列表删除，选择下一个接收节点作为反馈节 点，进行数据恢复。当接收节点列表为空时，数掘恢复阶段结束，进入正常的数 据发送阶段，逐步增加发送的速率。 r a l m 将发生数据的丢失归结于网络的捐j 塞，这种技术在节点的丢失大部分 是由于网络拥塞引起的情况下有很好的性能，同时它采取从接收列表选择反馈节 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 点的方式，抑制了网络中a c k 的数量，有效的减轻了反馈冲突。但是数据的丢失 是由于节点的移动引起的，这种拥塞的控制就显得没有必要，反而降低了带宽的 利用；同时由于节点也还需要维护路由信息，因此随着节点的移动，性能也发生 下降。 r e a c t 1 4 】是v r a j e n d r a n 等人提出的在r a l m 的基础上增加了本地恢复技术 ( l o c a lr e c o v e r ) ，该技术减少了数据恢复的延迟同时可以是发送节点的发送速率保 持比较稳定。 在r a l m 的基础上，节点需要维护一个本地恢复列表，当接收的数据发生错 误是从列表中选择一个节点进行本地恢复，只有当在本地列表中的