（计算机应用技术专业论文）移动ad+hoc中基于aodv路由协议的优化研究.pdf

摘要 摘要 移动a dh o c 网络( m a n e t ) 是由一组带无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的 临时性自治系统。由于它不依赖同定的基础通信设施，没有中心控制节点，抗毁性强， 因此适用于许多网络布线存在困难的环境。基于这些特殊优势，移动a dh o c 网络在军 事领域中发挥着重要作用，在民用领域也有着很好的应用前景。移动a dh o c 网络的拓 扑动态性，使得传统路由协议在该环境下无法正常运行。因此，对该环境下路由协议的 研究成为a dh o c 网络中研究的主要课题。a o d v 路由协议是专为移动a dh o c 网络设计 的一种按需路山协议，它是迄今为止少数几个通过i e t f 批准成为r f c 文档的移动 a dh o c 网络路山协议之一。该协议很可能在未来移动a dh o c 网络的应用巾占据重要地 位。 本文详细了解了移动a d h o c 网络的特点，深入分析了a o d v 路由协议的机制，并 研究了a o d v 路由协议优化的相关研究成果，在此基础上针对a o d v 路由协议提出了 一种优化方案e r a o d v 路由协议。 e r a o d v 路由协议是针对a o d v 路由协议最小跳路由的不稳定性，以及节点的能 量问题进行的优化。e r a o d v 路由协议通过在路由发现时设置可用链路时间约束，并 使节点感知自身能量来提高协议的路径稳定性，改善网络的性能。通过网络模拟器( n s 2 ) 仿真后的性能分析，验证了优化后的a o d v 路由协议在减少链路断裂、提高分组到达 率、延缓网络分裂时问等方面有明显改善。 本文采用n s 2 仿真工具搭建移动a dh o c 网络的仿真平台，在此平台的基础上，通 过仿真比较传统的a o d v 路由协议和优化后的a o d v 路由协议( e r a o d v 路由协议) 的网络性能，验证了e r a o d v 路由协议的可行性。 关键词：移动a dh o c 网络，a o d v 路由协议，优化，e r a o d v 路由协议，n s 2 a b s t r a c t t h em o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) i sa m u l t i h o pt e m p o r a r ya u t o n o m o u ss y s t e mo f m o b i l en o d e se q u i p p e dw i t hw i r e l e s st r a n s c e i v e r s b e c a u s ei td o e s n 。td e p e n do nf i x e dn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e ，a n di td o e s n th a v ec e n t r a lc o n t r o l l i n gn o d ea sw e l la sb eg o o di nr e s i s t i n g d e s t r u c t i o n s ，i ti sa p p l i c a b l et om a n ys i t u a t i o n st h a th a v ed i f f i c u l t i e si nw i r i n gn e t w o r k s b a s e do nt h e s es p e c i a la d v a n t a g e s ，m a n e tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ， a n di ta l s oh a sag o o dp r o s p e c ti nc i v i la p p l i c a t i o n s b e c a u s eo f c o n s t a n t l yc h a n g i n gt o p o l o g y , w h i c hi m p o s e sn e wd e m a n d so nt h er o u t i n gp r o t o c o l ，m a n e tc a n t a d o p tt r a d i t i o n a l p r o t o c o l 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 c o m e st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c hi n a dh o cn e t w o r k a o d vr o u t i n gp r o t o c o li sa no n d e m a n d r o u t i n gp r o t o c o l w h i c hi s s p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rm a n e t i t 。so n eo ft h ef e wm a n e tr o u t i n gp r o t o c o l st h a th a v e b e e na u t h o r i z e dt ob er f ct e x t sb yi e t f s oa o d v r o u t i n gp r o t o c o lw i l lp r o b a b l yp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nf u t u r em a n e ta p p l i c a t i o n s b a s e do nd e t a i l e d l yu n d e r s t a n d i n gt h em a n e tc h a r a c t e r i s t i c s ，d e e p l ya n a l y z i n gt h e m e c h a n i s mo fa o d va n dt h o r o u g h l ys t u d y i n gt h ee x i s t i n gr e l a t e dr e s e a r c h e sa b o u tt h e o p t i m i z a t i o nt oa o d vr o u t i n gp r o t o c o l ，t h ee r - a o d vr o u t i n gp r o t o c o li sp r o p o s e di nt h i s p a p e rw h i c hi sa no p t i m i z a t i o nt oa o d vr o u t i n gp r o t o c 0 1 a i m i n ga ti m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea g a i n s tl i m i t a t i o n so ft h ei n s t a b i l i t yo ft h e m i n i m u m - h o pc o u n tr o u t i n gp a t ha n dt h en o d e s e n e r g yp r o b l e mo fa o d vr o u t i n gp r o t o c o l ， e r - a o d v r o u t i n gp r o t o c o li m p r o v e st h er o u t i n gp a t hs t a b i l i t ya n dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c e b ys e t t i n gu pl i n ka v a i l a b l et i m ec o n s t r a i n ti nt h er o u t i n gd i s c o v e r yp r o c e s sa n dm a k i n g n o d e s a w a r eo ft h e i re n e r g y r e s u l t so b t a i n e db yn e t w o r ks i m u l a t i o n ( n s 2 ) s h o wt h a tt h e o p t i m i z e da o d vs c h e m ep e r f o r m se f f e c t i v e l yi nt e r m so fs u c c e s s f u l l yp a c k e td e l i v e r yr a t i o ， t h en u m b e ro fb r o k e nl i n ka n dt h et i m eo fn e t w o r kd i v i d e d i nm i sp a p e qt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo fm a n e tw a ss e tu pw i t hn s 2s i m u l a t i o n t o o l s b a s e do nt h i sp l a t f o r m ，t h ef e a s i b i l i t yo fe r a o d v r o u t i n gp r o t o c o lw a sv a l i d a t e db y c o m p a r i n gt h en e t w o r kc a p a b i l i t yo ft r a d i t i o n a la o d vr o u t i n gp r o t o c o la n do p t i m i z a t i o n a l a o d v r o u t i n gp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k ，a o d vr o u t i n gp r o t o c o l ，o p t i m i z a t i o n ，e r a o d v r o u t i n gp r o t o c o l ，ns 2 n 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。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 本人为获得江南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： 是丽主 e l 期： 弦艰? 、2 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，允许论文被查阅扣借阏，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有荚数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 堑龌红。日 期：碰主：z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动a dh o c 网络概述 移动a dh o c 网络【l 】又称为自组网，是一组带有无线收发装置的移动节点组成的一 个无线移动通信网络。它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用 自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不再彼此的通信范围内时，可以借助其他中 问节点中继来实现多跳通信。中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的 分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网。 一早坪 凰 c 乞旦小翟 图1 1 多跳移动a dh o c 网络 f i g 1 1t h ei i i u lti h o pm o b il ea d h o cn o t w o r k 图1 1 给出了一个自组网的示意图。其中的终端a 和终端e 无法直接通信，但是终 端a 的数据可以通过路径a b c d e 多跳到达终端e ，从而完成通信。 1 1 1 移动a dh o e 网络的发展背景 随着信息技术的不断发展，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 【2 1 和h i p e r l a n 3 1 ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ) t 4 1 、家庭无线网等 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一般分为两类：一类是有基站的， 它需要依赖预先部署的网络基础设施；另一类是无基站的，它用在那些不可能有预先部 署的固定设施的特殊场合，是一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，即移动a d h o c 网络通信技术。 移动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 ) t 5 】【6 1 。早在1 9 7 2 年，美 国的d a p r a 就启动了分组无线网p r n e t1 5 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 年启动了高残存性自适应网络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 ) 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 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 e8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络 一词来描 述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，a dh o c 网络就此诞生。i e t f 将a dh o c 江南人学硕十学位论文 网络称为m a n e t ( 移动a dh o c 网络) ，在这晕两个词可以等同。 9 0 年代中期，随着一些技术的公开，a dh o c 网络开始成为移动通信领域一个公丌 的研究热点。目前a dh o e 网络尚未达到完全实用阶段，大部分工作仍处在仿真和实验 阶段，仿真规模在数百至数千结点，实验规模在几十个结点左右。 目前，许多国外大学及研究机构正在进行无线a dh o c 网络关键技术的研究，如美 国的斯坦福大学移动计算研究小组、加州大学伯克利分校无线研究中心、德克萨斯的无 线移动与网络研究中心、瑞士的联邦工学院等。国内的许多大学也正在对无线a dh o c 网络的q o s 体系结构、m a c 机制、路由协议、安全i h j 题等关键技术进行研究，如清 华大学、东南大学、北京邮电大学、电子科技大学、西安电子科技大学等。 根据节点是否移动，可将无线a dh o c 网络分为移动a dh o c 网络和传感器网络。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，很多文献常常把无线a d h o e 网络等同于移动a dh o c 网络。在传感器网络中，各个无线节点静态地随机分布于某 一区域。传感器网络负责搜集区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，将它们发送 到网关节点。网关具有更大的处理能力，能够进一步处理信息，或有更大的发送范围， 可以将信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。 1 1 2 移动a dh o e 网络的特点 与其它传统通信网络相比，移动a dh o c 网络具有以下几个特点： ( 1 ) 多跳网 由于无线通信距离受限，a dh o c 网内节点问的通信往往需要借助其他：1 了点中继转发 才能实现，这样就形成了多跳通信路径。 ( 2 ) 网络的动态拓扑 a dh o c 网络中的节点之间的相互连通性构成了网络的拓扑结构。由于网内的节点可 以以比较随意的速度和方式移动，加上发射功率的变化，以及无线信道的干扰大小频繁 等因素，节点问通过无线通信形成的网络拓扑结构可能随时发生变化，而且变化的方式 和速度都足难以预测的。 ( 3 ) 分布式控制 移动a dh o e 网络没有预发的基础设施，也没有预设的中心控制节点，所以只能采 用分布式控制的方式来完成。 ( 4 ) 对等性 在移动a dh o c 网络中，一般每个节点都相同，无主从之分，所以，每个节点应当 能够支持逻辑上的自发自收，也就是节点之问的来去双向链路都相同。 ( 5 ) 临时性 当几个a dh o c 网络的节点聚集到一起时，它们就会临时性地组成一个无线通信网 络，无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。 ( 6 ) 自组织性 移动a dh o c 网络不依赖于基站等基础设施的支持，可以在仟何时刻、任何地点构 成网络，以实现移动节点的信息交互。 2 第一章绪论 ( 7 ) 链路带宽受限 移动a dh o c 网络采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传输技术相比，具 有较低的传输带宽。 ( 8 ) 信道的单向性 移动a dh o c 网络的一对节点之间可能存在单向信道。 ( 9 ) 能量受限 移动a dh o c 网络内的移动节点一般需要依靠能量有限的电池提供能量。 ( 1 0 ) 有限的安全性 移动a dh o c 网络由于采用分布式控制、无中心、临时组织等原因，它比一般的无 线网络更易受到安全方面的威胁。 由于移动a dh o c 网络的无r f l 心、自组织、可快速展丌、可移动等特点，所以自移 动a dh o c 网络提出之卜j 起，己在很多场合受到越来越多的重视。 1 1 3 移动h dh o c 网络的应用 移动a dh o c 网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占据一席之地提供了 有利的依据。总的来说，它的应用可以归纳为以下几类： ( 1 ) 军事应用 它是移动a dh o c 网络技术的主要应用领域。移动a dh o c 网络技术是数字化战场通 信的酋选技术，并己经成为战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台n t d r 和无线 互联网控制器等通信装备都利用了移动a dh o c 网络技术。 ( 2 ) 传感器网络 传感器的发射功率很小，大量地理分散的传感器通过移动a dh o c 网络技术组成网 络，可实现传感器之间以及与控制中心之旺l j 自勺通信。这种网络有非常广阔的应用前景。 ( 3 ) 紧急和突发场合 在发生了地震、洪水、火灾或遭受其它灾难后，固定的通信网络设施很可能无法正 常工作。而移动a dh o c 网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持。 ( 4 ) 偏远野外地区 偏远或野外地区的通信通常无法依赖固定的网络设施进行。移动a dh o c 网络技术 具有单独组网能力和自组织性，是这些场合实现通信的最佳选择。 ( 5 ) 临时场合 一些临时场合的通信，如会议、庆典、展览会等，均可以使用移动a dh o c 网络， 可以免去布线和部署网络设备的工作并且快速简单的组网。 ( 6 ) 个人通信 移动a dh o c 网络技术可以用于个人域网络( p a n ) 来实现p d a 、手机、掌上电脑等个 人通信设备之问的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用 ( m p 2 p ) 。 ( 7 ) 商业应用 使用移动a dh o c 网络技术可组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系 三i 江南入学预十学位论文 统和无线设备网络，开展移动和可携带计算等。 ( 8 ) 其它应用 移动a dh o c 网络的应用领域还需要我们进一步去挖掘，如它可以扩展现有蜂窝移 动通信系统的通信模式和覆盖范圈，实现地铁和隧道等场翕的无线覆盖，实现汽车和飞 机等交通工具之间的通信，用于辅助教学和构建未来的移动无线城域网和白组i 织广域网 等。 1 2 移动a dh o e 网络体系结构与各层研究热点 根据移动a dh o c 网络的特点，参照o s i 的标准七层漭议栈模型，可以将移动a d h o c 网络的协议栈划分为五层 7 1 8 1 9 1 。各协议层的名称与功能概述如图1 2 所示。与有 线嬲络栩拢，移动a dh o e 网络的工作环境有诸多不同，因此所选技术也有较大差异， 这主要体现在协议栈的低三层。下面就简单介绍一下移动a dh o c 网络协议栈各层的功 能、设计考虑以及研究现状。 应用层应用服务 传输层传输服务 湖络层分组转发和路由 链路层链路控制信道接入 物理层无线信道 图1 2 移动a dh o c 网络协议栈 fig 1 2t h e p r o t o c o ls t a c ko f a dh o cn e t w o r k 一、物理层 移动a dh o c 网络物理层主要提供无线传输能力、完成无线信号编码译码、发送和 接收工作。物理层的设计匿标是以鞠对较低的能量消耗，克服无线媒体的传输损伤，以 获得较大的链路容量。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，包括i e e e8 0 2 。1 1 系列、蓝牙( b l u e t o o t h ) 和h i p e r l a n 等标准所定义的物理层。 物理层当前研究的重点之一是软件无线电 1 0 l 。它可以把多波段天线、射频变换、 宽带数模变换( d a c ) 、中频处理、模数变换( a d c ) 、基带处理和信号处理等组合在一起， 灵活地进行软件处理，形成可编程的、模块化的无线电系统。其磊标是在全波段内根据 环境灵活设置参数，在多个频段上进行通信。 另癸一个研究重点是超宽带无线电技术【l l 】。它应用于无线局域溺和无线个人局域 网，可提供低功耗、超宽带及相对简捷的通信技术。超宽带技术解决了困扰无线技术多 年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低裁 获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点，尤其适用于室内等密集多径 场所的高速无线接入和军事通信应用。 二、数据链潞层 移动a dh o e 网络数据链路层实现对共享无线信道的访问和对逻辑链路的控制，完 成包括会质接入控制，数掇的传送、同步、绷错以及流量控制等功麓。数据链路层又分 4 第一章绪论 为介质接入控制层( m a c 层) 和逻辑链路控制层( l l c 层) 。其中，m a c 子层主要描述和 实施无线移动节点对无线信道的多址接入，为上层提供快速、可靠的分组传送支持，实 现了数据链路层的绝大部分功能。由于多个节点竞争信道时，会发生信号冲突，参与冲 突的所有信号都会遭到破坏，造成网络吞吐量下降，因此解决信号碰撞问题是m a c 协 议需要解决的主要问题。l l c 子层负责完成连接控制、分群等与信道无关的控制功能， 以屏蔽底层不同的m a c 方法，向网络层提供统一的服务，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。 由于移动a dh o c 网络是多跳的，单纯使用载波侦听多路访问协议c s m a 会产生隐 藏终端( h i d d e nt e r m i n a l ) 和暴露终 端( e x p o s e dt e r m i n a l ) i h 题。隐藏终端是指在接收节点的 通信范罔内而在发送节点通信范围外的终端；而暴露终端是指在发送节点的通信范围之 内而在接收节点通信范围之外的终端【坦】。隐藏终端和暴露终端是多跳无线网络的固有 问题，因此m a c 层要尽量解决好这两个问题。i e e e8 0 2 1 l 通常采用c s m a c a 协议和 r t s c t s 来规范多点无线终端对介质的访问机制0 3 】。其他的一些m a c 协议，如m a c a m a c a w , d b t m a 等，也可一定程度上缓解a dh o c 网络环境下节点竞争信道的i u j 题。 但在单信道条件下，使用控制分组的方法是无法彻底解决以上问题的。为此必须采用双 信道的方法【7 1 ，即利用数据信道收发数据，利用控制信道收发控制信号。这样控制分组 就不会与数据分组发生冲突，再通过适当的控制机制，就可完全消除隐藏终端和暴露终 端的影响。 三、网络层 移动a dh o e 网络网络层是移动a dh o e 网络协议栈各层的重点，也是它最具特色的 一层，目日订大量的研究上作都集中在这一层。 移动a dh o e 网络网络层的一个主要任务是研究a dh o e 网络的路由协议，但移动 a dh o e 网络巾的路由选择问题比传统网络更加富有挑战性，这主要有以下几点原因【1 4 】： 第一，移动a dh o e 网络节点的随机移动性和无线链路的不确定性，使得网络拓扑不断 变化，路由协议应能适应这种变化；第二，移动终端的计算能力和存储容量较低，电源 供应受限，因此路由协议应尽量简单实用；第三，无线信道本身所能提供的带宽相对较 低，再加上竞争共享无线信道带来的信号冲突、哀减及干扰等多种因素的影响，移动终 端可得到的有效带宽将远小于理论上的最大带宽，因而路由协议也应尽量节省带宽资 源。 一个高效的移动a dh o e 网络路由协议应当满足以下要求【1 5 】：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。目前，国内外研究者己基于不同角度提出了多种针对a dh o c 的路由 协议，其中一部分己提交i e t f 成为r f c 草案，以供其他a dh o c 研究者讨论和测试。 四、传输层 移动a dh o e 网络传输层的主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与 通信子网相隔离，并根据网络层的特性高效地利用网络资源。当移动a dh o c 网络需要 接入因特网等外部网络时，尤其需要传输层协议的支持。 5 江南大学硕士学位论文 在有线网中，传输层主要懈决网络拥塞问题。它认为传输层的性能下降足由于局部 链路不可靠引起的，所以就在局部链路解决可靠性传送问题，这样就对传输层隐藏了链 路的特性。而在移动a dh o c 网络中，传输层的主要问题是链路的不稳定，因此在策略 上应有所不同。蓉将传统的t c p 协议应用于移动a dh o c 网络会导致分组丢失报严重， 这是由于无线链路的突发错误与时变信道、节点的移动与频繁的切换将引起突发性分组 丢失，传统的t c p 协议会将所有的分组丢失都归因予绷塞并启动捌塞控制嚣制，例如： 减小传输窗口，激活s l o w s t a r t 算法，采用二进制指数后退策略来重新设置重传定时器。 但这些措施将可能导致端到端的吞吐量无谓降低，从而造成网络性能的下降。 移动a dh o c 网络的传输层协汉应采用端到端的解决方法，即造传输层了解链路的 情况，区分分组丢失是由于网络搠塞、无线链路差错，还是幽于移动切换造成的，并采 取相应的快速恢复移啸l 。主要技术包括选择性确认( s e l e c t i v ea c k n o w l e d g e m e n t s ) 莉l 显式 的丢失通知l ( e x p l i c i tl o s sn o t i f i c a t i o n ) 。目前，移动a dh o c 网络的传输层通常都是借箍 有线网络中传输层的方法，对t c p u d p 进行修改，使其适应无线环境，以完成传输层 的功能。已经有多个t c p 改进方案被提出，如t c ps a c k 和t c p a s a c k 等。 五、应用层 移动a dh o c 网络应羽层提供断向用户的各种应用羰务。在实际实施过程中，可以 采用传统有线网的各利一应用层协议和标准，如w a p 协议等。但移动a dh o c 网络自身的 特性使得其在承载与有线鼹同类型的业务时，要考虑更多的闷题，克服更多的溺难。 1 3 移动h dh o e 网络的关键技术 移动a dh o c 网络涉及的技术徽多，全球艉研究入员在这方面丌展了大量的研究。 综合而言，主要体现如下几个方面： ( 1 ) 物理层自适应技术 由于能量的限制，移动a dh o c 网络的链路层设计面临许多新的挑战。链路层设汁 的目标就是在柏对小的能量条件下，使得数搬速率接近最基本的信道容量。如何充分利 用有限的带宽、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 小化能量的消耗，延长能量受限网络的寿命，将是链路自适应技术要解决的问题。解决 的方法主姿有采用自适应编码、自适应谪制、帧长翻适应、囱适应功率棒制、自适应瓷 源分配和自适应链路调整等技术。 ( 2 ) 信遂接入技术 ： 信道接入技术是移动a dh o c 网络协议的基础。它控制着节点如何接入无线信道， 对移动a dh o c 蚓络的性能起着决定性的作用。移动a dh o c 网络中没有类似撼站的控制 实体，它的信道是多跳共享的广播信道( 一个站点发送，只有邻居节点可以听刘) ，此外， 移动a dh o c 网络还存在独特的隐藏终端和暴露终端的问题，这些问题都需要专门设计 的信道接入技术l + 能解决。 ( 3 ) 路由协议 路由协议是移动a dh o c 网络的重要组成部分。要实现多跳路由，必须要有路由协 6 第章绪论 议魄支持。i e t f 成立的m a n e t 工件组主要负责a dh o e 网络l p 层路由的标准化工作。 ( 4 ) 服务质最保证 随着应用的4 断扩展，移动a dh o c 网络中传输话音、图像等多媒体消息。多媒体 消息对带宽、时延、时延抖动等提出了很高的要求，这就需要提供一定的服务质量保证。 移动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。 ( 5 ) 广播翻多播 山于移动a dh 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。 ( 6 ) 安全| j 题 安全性是移动a dh o c + 网络面临的一个大难题，由于移动a dh o c 网络使用的无线通 信技术，容易被监听和干扰。加上移动a dh o e 网络一般被用在特殊场合( 军事、救灾等) ， 安全问题更加突出。因此需要研究适用于移动a dh o c 网络的安全体系结构的安全技术。 ( 7 ) 网络管理 网络管理包括移动a dh o c 网络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服务管理 等。要有童鲢应的帆制解决节点定位、地址国配置等阀题。 ( 8 ) 传输层服务 移动a dh o c 网络巾，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造报文冲突和丢 失，这将严重影响t c p 的性能。嚣此，移动a dh o c 网络中要对传输层服务( 眈如t c p ) 进行修改，以满足数据传输的需要。 ( 9 ) 网络互联技术 在诩：多场合下，移动a dh o e 网络要和其它网络互联，并且它有时候还要作为末端 予网接入因特网。由于移动a dh o e 网络使用了不同的路出协泌和传输层服务，在网络 互联时需要进 r 褶戍的转换工作。 1 4 国内外的研究动态和发展趋势 总结国外研究现状，a dh o c 网络成果主要在以下几个方面：( 1 ) 提出新的路由执 议。a dh o c 路由丽临的主要挑战是：传统的保存在结点中的分布式路由数据库如何适 应网络拓扑的动态变化。新协议一般以广播或组播方式建立网络路出，核心是减少广播 风暴。豳自 f ，一般普遍得到认可的代表性成果有d s d v 3 们、d s r t 37 1 、a o d v 4 2 】等。源 头性的创新性研究主要集中在2 0 0 1 年以前，后续的成果多为这些协议的改进，冒前， 路由协议的研究仍然是a dh o e 网络成果最集中的部分。不过，从实现的难度来看，这 些协议离适用性还有一定的距离。( 2 ) 提嬲基于a dh o c 网终的媒体接入控制( m a c ) 协议。主要是解决隐藏终端和暴露终端问题，影响比较大的有m a c a 协议，即 r t s c t s a c k 方案，控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的m a c 协议，以及一些改进类的m a c 协议。有一些研究则是侧重予将i e e e8 0 2 1l 的m a c 协 议移植到a dh o c 网络巾。基于定向天线的m a c 协议在理沦上性能较为优越，但在技 术上实现的难度较大。( 3 ) a dh o e 瓣络与蜂窝网的互连互通。( 4 ) 基于a dh o e 网络的 7 江南人学硕十学位论文 多播- 幺 1 播协议、t c p 协议、地址分配、功率( 节能) 控制、安全性l u j 题、分布式算法、 q o s 等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少。( 5 ) 在实验和应用网络的构建 上，最近比较值得注意的是，一些学者诈在研究片j 监牙节点组建a dh o c 网络。就蓝牙 本身的技术来说，蓝牙可以组成微微网( p i c o n e t ) ，微微网通过桥节点( b r i d g e ) 互连， 可以形成多跳的a dh o c 网络，也称为蓝牙散射网( s c a t t e m e t ) 。蓝牙规范尚未对蓝牙微 微网之问的通信和基于蓝牙的a dh o c 网络的形成等内容做出具体描述，这是个丌放 的问题，目前已有一些文献针对基于蓝牙的a dh o c 网络的形成提出了各利一不i 司的阱议 或方案。 我国从0 4 年开始进入大范围研究移动a dh o c 网络的阶段，研究方向有以下几利t ： 路由协议，m a c ( 媒体接入控制) ，q o s ，传输协议改进( 主要是t c p ) ，安全( 路由安 全、密钥管理) 。研究路由协议和m a c 的文章居多，因为这也是移动a dh o c 网络的难 点所在。 1 5 课题来源及研究意义 从移动a dh o c 网络f 1 前的研究情况看，网络层是协议栈各层的研究重点，而路由 协议又是网络层研究的焦点【7 】【1 6 】1 1 7 】。各类路由协议中，按需路由协议足未来的发展方 向【7 】【1 乒18 1 。囚为按需路由更能满足移动a dh o c 网络对路由协议提出的特殊要求。迄今 已被提出的各种m a n e t 路由协议中，a o d v 路由协议是唯一通过i e t f 批准成为r f c 文档的移动a dh o c 网络按需控制路由协议【i9 】( 另外两种成为r f c 文档的协议为o l s r 和t b r t f ，都为表驱动型路由协议) ，它具有理想的移动a dh o c 网络路由协议所应具 有的大部分性能特点。如1 2 0 ；通过使用序列号来避免出现路由环路；支持中间节点应 答，能使源节点快速获得路由；报文头不需携带路径，提高了带宽利用率；节点只存储 需要的路由，减少了内存需求；能快速响应活跃路径上的断链：具有良好的可扩展性等。 因此a o d v 路山卧议很可能在未来移动a dh o c 网络的应用中占据重要地位。 一直以来，a o d v 路由协议都以其优良的特性和代码的易实现性受到国内外网络及 无线通信研究者们的广泛关注，成为这些研究者进行m a n e t 路由协议优化和功能扩展 研究普遍采用的路由协议，由此产生了大量的研究成果 2 1 - 3 1 。但a o d v 路由协议仍然 存在着一些局限，如a o d v 路由协议采用最短路由，研究【3 2 】1 3 3 1 表明：最短路山具有不 稳定性、节点的能量问题【3 4 】等，而且其他协议的某些优点也可被利用以进一步提高 a o d v 路由协议的效率，这些都为a o d v 路由协议的研究提供了大量的可优化空间。 1 6 论文组织 论文全文共分为五章： 第一章绪沦。这一章主要概述了移动a dh o c 网络。包括移动a dh o c 网络的背景、 特点以及移动a dh o c 网络的体系结构与各层研究热点，还有移动a dh o c 网络的关键技 术，国内外的研究动态和发展趋势，并阐述了课题的来源以及研究的意义。 第二章a o d v 路由协议，详细研究了a o d v 路由协议，首先简单概述了移动a dh o c 8 第一章绪论 网络巾的嚣种路出挑汉，然后详细介绍了a o d v 路内按议的机制，包括a o d v 路由搬 议的算法原理、路由表结构、控制分组格式以及a o d v 路由算法的基本操作。 第三章a o d v 路由协议的优化研究。对a o d v 路由协议进行了优化研究，首先介 绍了协议自身的优化以及当前的优化成果，在已有研究成果的基磁；上，根据仍然存在的 局限，对a o d v 路由协议进行了优化，提出了e r a o d v 路由协议。 第巡章n s 仿真及性能分析。首先介绍了仿真的意义，阐述了n s 2 网络仿真的一般 过程，然后使用网络模拟器n s 2 对a o d v 路由协议和e r a o d v 路嘲协议进行不同条 件下的仿真，并对仿真结果进行性能分毒厅。 最焉是总结与展望，对全文进行了总结并提出了进一步研究的思路。 9 江南入学硕士学位论文 第二章a o d v 路由协议 2 。l 移动a dh o c 网络路由协议概述 在移动a dh o e 网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。如何迅速准确 地选择到达目的节点的路电( 即网络的路由选择闯题) ，是移动a dh o c 网络的一个重要 和核心的问题。 自2 0 世纪7 0 年代美军d a r p a 资助的分组无线嬲络项恳开展以来，国内秘的y t ：多 研究人员从不同的角度提出了一系列的移动a dh o c 网络路内协 义。这些协议必须处理 好移动a dh o c 网络的典型局限，包括能量消损、低带宽、高误码率等。根据发现路由 的驱动模式的不同，可将这些路由协议分为表驱动辫由协汶( t a b l ed r i v e np r o t o c o l s ) 和 按需路由协议( s o u r c e i n i t i a t e do n ，d e m a n dp r o t o c o l s ) ，如图2 。l 所示： a dh o c 网络路由协议 裁丁表驱动的路由协议 卜 d s d vw r p 毒 c g s r 基于按需的路由协议 厂丁了1 a o d vd s rl m ra b r 毒毒 t o r as s r 图2 - 1a dh o e 网络路由协议的分类 f i g 2 1 t h ec a t e g o r i e so fr o u t i n gp r o t o c o l si na d h o cn e t w o r k 表驱动路由协汶又称为主动式( 或先验式) 的路由携议( p r o a c t i v ep r o t o c o l s ) 。孩 路由协议试图维护网络中从各个节点到所有其余节点的最新路由信息，所有路山信息保 持一致。每个节点都维护一张或几张到嘲终中其他萤点的路幽信息表。曩前常见的有 c e ，p e r k i n s 在1 9 9 4 年提出的d s d v 路由协议【3 6 】等。这类路由协议通常是通过修改常规 的i n t e m e t 路由协议以适应移动a dh o c 网络环境，如d s d v 协汉是在r i p 协议的基础 上，通过弓| 入序列号机制解决了“路由环路”和“汁数到无穷”的问题；通过采用“时 问驱动”和“事件驱动”机制更新路山信息，尽量减少路由等控制信息对无线信道的占 用，以提离系统效率。 在主动式路由协议中，由于每个节点需要实时地维护路由信息，这样在网络规模较 大、拓扑变化较快的环境中，大量的拓扑更新消息会占用过多的信道资源，使得系统效 率下降。 为此，1 9 9 6 年卡耐基梅隆大学的d a v i db j o h n s o n 在d s r 协议【3 7 】中提出了一神新 的路由选择原则：按需路由协议。按需路由协议又称为反应式路幽协议( r e a c t i v e 1 0 第二章a o d v 路由协议 p r o t o c o l s ) 。它是一利- 被动式的路由协议，与主动式路由协议相比，在这类协议中，节点 平时并不实时地维护网络路由，只有在节点有数据需要发送时，从激活路由发现机制寻 找到达目的地的路由。路山发现过程如图2 2 所示。当节点l 有数据要向节点8 发送且 无路由时，节点l 启动路由发现过程： 1 ) 节点1 向邻居节点( 节点2 、3 、4 ) 发送路由请求消息； 2 ) 中间接点转发路山请求消息直至目的节点8 ； 3 ) 目的节点选择合适的路山返回路由响应消息，该消息中携带了从节点l 到节点 8 的完整路由。 路由请求消息 路由虑答消息 图2 - 2 按需路由协议的路由发现过程 f i g 2 2r o u ti n gd is c o v e r yp r o c e s so f o n d e m a n dr o u ti n gp r o t o c o l 根据国际上目自订研究的结果1 3 8 - 4 1 1 可知，在各利- 不同的情况下比较时，如数据源数、 节点的移动性、自组织网络模型以及网络负载等，基于按需方式的路由算法要比基于表 驱动方式的路山算法在性能上有着明显的优势。另外，在负载较重的情况下，按需式的 路山胁议中a o d v 协议的性能最为理想。 2 2a o d v 路由协议原理 a o d v 路由协议【4 2 】是一种按需的改进的距离向量路由协议，具有按需路由协议的 特点即在a o d v 路由协议中，网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组， 而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由：同时具有距离向量路由协议 的一些特点，即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由，而无需掌握全网拓扑结 构。 a o d v 路由协议中有三种类型的消息控制帧：路由请求r r e q ，路由应答r r e p 和 路由错误r