（电工理论与新技术专业论文）ad+hoc网络组播协议的改进与仿真.pdf

a b s t r a c t w 1 t hr e c e n td e v e l o p m e n ti nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e dc o m p u t e r t e c h n o l o g y , t h ea dh o cn e t w o r ki sm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a du s e da n da p p l i e dd u e t 0i t sv e r ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e m u l t i c a s ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea dh o en e t w o r k ，s oh o wt od e s i g na ne f f i c i e n tm u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c o lt h a ti sa p p l i e dt op r o v i d eh i g h q u a l i t yc o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n g t h ei n t e m a t i o n a lf o c u so fa t t e n t i o n t h e p a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p t i o na n dk n o w l e d g eo ft h ea dh o en e t w o r k , a n di n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g y ( m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) w ea n a l y z e st h e c l a s s i f i c a t i o no ft h es p e c i f i cr o u t i n gp r o t o c o l si nt h ea dh o en e t w o r k ，e s p e c i a l l yt h e p e r f o r m a n c eo fo n - d e m a n dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l ( o d m r p ) ，a n dp r e s e n t st w o i m p r o v e m e n t sf o ri t sw e a kp o i n t ，t h eo n et h a ti sa m e n d e di sn a m e do d m r p - m b a s e do nap r o b a b i l i t ym o d e lo fn o d e ，an e wa dh o em u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o li s p r o p o s e d n i sn o v e lo n - d e m a n dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o lc a na d j u s tt h ep e r i o do f f l o o du s et h ep r e d i c t i o no fr o u t i n gs t a t e o nt h eb a s i so ft h ep r o b a b i l i t ym o d e lo fn o d e ， m a r k o vm o d e li se s t a b l i s h e dt op r e d i c tt h es t a t eo fa dh o cn e t w o r ks ot h a tt h et i m eo f f l o o da n di n f o r m a t i o nm a i n t a i n i n gt h er o u t i n go fm u l t i c a s ti sr e d u c e d n ec o e f f i c i e n t o fp e r f o r m a n c eo fc h a n n e lo fn e t w o r ki si m p r o v e d b e c a u s eo fn o n l i n e a r i t yo f w i r e l e s ss i g n a l ，t h ep o w e ro fn o d et r a n s m i t t i n gt h es i g n a li so p t i m i z e du s i n gt h e p r o b a b i l i t ym o d e lo fn o d ea n d t h el i m i t e de n e r g yi su s e de f f e c t i v e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e0 d m i 心mr e d u c e st h ei n v a l i di n f o r m a t i o nu s e d t om a i n t a i nr o u t i n ga n dc o n t r o l st i l ep o w 盯n fn n d et os a v et h el i m i t e de n e r g y 1 1 h e o d m r p - mi m p r o v e st h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o na n di ss u i t a b l ef o ra dh o e n e t w o r k k e yw o r d s ：a d h o e ，m u l t i c a s t ，o d m r p , o d m r p m ，m a r k o vm o d e l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一向工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 r， 6 月，6 日 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注态堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：及p 吖年6 月，f 日 导师签名： 私霉 签字日期：2 p ? 了年石月，彩i l l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 a dh o c 网络研究的背景和意义 在互联网技术高速发展和普及的今天，网络已经渗透到生活的方方面面，人 们对网络的依赖性越来越强。在i n t e m e t 环境下，支持主机移动性的协议是移动 i p ( m o b i l ei p ) 。移动节点可以通过连接到存在外地代理( f o r e i g na g e n t ) l 拘固定有线 网络、无线链路或拨号线路等各种方式接入i n t e m e t 在m o b i l ei p 协议中，为支 持节点移动性引入了地址管理机制，但是在i u t e r n e t 骨干网中，仍然采用原有路 由协议进行p 数据分组的逐跳转发( h o p b y - h o pf o r w a r d i n g ) 。蜂窝移动通信网 络和无线局域网、m o b i l ei p 协议都属于现有网络基础设施的范畴，它们的共同 点就是都需要基站、访问服务或外地代理等中心控制设备。然而，在某些特殊环 境或紧急情况下，如在战场或抢险现场上，对移动通信有一个共同的要求，即动 态的、可以快速部属的、不依赖或很少依赖现有的有线网络、不需要固定基础设 施。这就是移动自组网a dh o e 网络。 a dh o c 网络强调的是多跳和无中心控制设备的特征，这也是主要区别也现 有中心接入和单跳的特征的无线网络的地方。移动终端不但具有主机的功能，运 行应用程序，同时还具有路由器的功能，运行路由发现及维护程序。在这种网络 中，其网络拓扑是在动态的变化之中的，因此在路由发现以后不是一成不变的， 数据是从一个节点“ 萝l i ( h o p ) 到另一个节点，直到最终到达目的地。i n t e m e t 就 是一种典型的“多跳( m u l t i h o p ) ”网络的实例，不过i n t e m e t 网络是有线网络， 而a dh o c 网络是无线网络，更加强调了其移动性和自组织性。 a dh o c 网络不需要固定基础设备的支持，其通过移动主机自由的组网实现 通信。a dh o c 网络这种优秀的网络思想的出现，满足了人们的在任意环境下的 自由通信的需求，是网络技术发展的趋向，同时也为军事通信、灾难救助和临时 通信等特殊环境的网络通信提供了有效的解决方案。 由于其良好的特性和广泛的应用前景，自2 0 世纪9 0 年代中期以后，随着一 些关键技术从军用部门的公开，在国i 内) i - 学术理论界，a dh o e 网络已经成为通 信和网络领域一个研究的热点课题，在国内对a dh o c 网络的研究，属于初期阶 段，尤其是在a dh o e 网络组播技术的研究更是处于起步阶段，因此，对a dh o e 网络的研究有着极其重要的学术意义和现实意义。 第一章绪论 1 2 论文的主要工作和创新点 a dh o c 网络技术的实现中存在着很多的关键技术有待研究解决，其中路由 协议技术更是关键中的关键。在网络中数据的转发方式一般可以分为三种：单播、 广播和组播。其中组播被认为是最高效的一种，而单播和广播可以看作是组播的 特殊形式。组播的主要优点可以总结为： 1 ) 高效的多目标传送。当一个发送者向多个节点传送相同信息时，组播使数 据传输量减少j 也不必给每j 个节点都传送数据，这样也相应的减少了节点能量 的损耗； 2 ) 接收节点由一个组地址来标识，接收者可以随时参加和退出组，非常灵活。 a dh o c 组播协议在国内的研究处于开始阶段，有效的新协议未见提出，主 要研究方向是针对原有协议进行改进和完善，使得其能够适应不同条件和环境下 的需求。本文就是在比较了目前比较流行的组播协议的基础上，选出性能比较优 秀的o d m r p 协议作为改造对象，讨论了其优点和缺点，并在充分发挥其优点的 前提下，针对其缺点进行改进，主要运用概率论的思想，将a dh o c 网络抽象为 特殊的m a r k o v 过程模型，并利用生灭过程理论来分析整个网络的路由状况，根 据现有的数据对网络下一时刻的运行情况进行预测，动态的调整发送路由维护信 息的广播周期，从而大大的降低了泛洪出现的次数，节省了有限的网络带宽，也 降低了节点能量的损耗。 由于移动节点大多数都是用电池作为能源供给的，因而如何有效的利用有限 的能源也是a dh o c 网络一直以来研究的问题，遗憾的是现有的组播路由协议一 般都没有考虑到如何优化能源利用问题，本文中给出了一种基于概率的位置预测 算法，在a dh o c 网络中每个节点都在不断的运动的情况下，可以根据接受到的 信号强度来确定传输数据所需要的最小功率，节省了宝贵的能源。 本文主要做的工作，充分阐述了a dh o c 网络的相关原理和知识，主要在路 由方面进行了深入的研究，对现有的a dh o c 网络的组播协议进行了分析评价， 从中选出性能较好的o d m r p 协议，并针对其缺点进行了改进，然后对改进的组 播路由算法进行了计算机仿真实验，根据所得结果对改进后的协议的性能做了评 价，表明改进的有效性。最后是对本文的总结和未来研究工作的展望。 主要创新点： 构建了移动节点的概率模型，并在此基础上构建了a dh o c 网络的 m a r k o v 模型： 以a dh o c 网络的m a r k o v 模型为基础对路由维护周期进行了优化； 以移动节点的概率模型为基础对节点的发送功率进行了优化。 第一章绪论 1 3 论文的内容和结构安排 第一章：绪论，介绍本论文的研究背景和现实意义、论文所做的工作和 创新点以及论文的框架结构； 第二章：a dh o e 网络基础，主要介绍a dh o e 网络的基础知识，探讨了 a dh o c 网络的起源发展、相关概念术语、网络模型以及网络路由协议的 结构，并对a d h o e 网络的关键技术加以分析； 第三章：a dh o e 网络的的组播路由技术，对a dh o c 网络的路由技术进 行了介绍分析，着重研究了组播路由技术，对现有的组播路由协议进行 了仿真实验和性能评价，并选定性能比较优秀o d m r p 协议进行改造； 第四章：详细分析了o d m r p 的工作机制；构建了移动节点的概率运动 预测模型，用m a r k o v 模型对路由的有效性进行了预估，提出了路由维 护周期的优化算法和节点的功率优化算法，为区别原o d m r p 协议，称 改进后的组播协议为o d m r p m 协议； 第五章：介绍相关的计算机仿真工具，对o d m r p m 协议进行了计算机 仿真，更具仿真结果分析了改进后的协议的性能： 第六章：本文总结与研究展望。 第二章a d h o c 网络基础 第二章a dh o c 网络基础 “a dh o c 一词来源于拉丁语，表示“特别的，专门的，临时的为某一即将 发生的特定目标、事件或局势而不为其它的 。这里所说的“a dh o c 网络”是指 一种无线的特定网络结构，强调了多跳、自组织、无中心的概念。英文解释为 m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 或w m a n e t ( w i r e l e s sm o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 则更分别强调了该网络的移动和无线移动特性，相应的m a n e t 和w m a n e t 分 别译为移动自组网和无线移动自组网。国内一般直接称为“a dh o c 网络”，或者 译为“自组网 。 2 1a dh o c 网络的起源及发展 a dh o c 技术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事领域，它是在美国国防部 d a r p a ( t h ed 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 t sa g e n c y ) 资助研究的“战场环境 中的无线分组数据网( p r n e t ) ”项目中产生的一种新型的网络构架技术。d a r p a 当时所提出的网络是一种服务于军方的无线分组网络，实现基于该种网络的数据 通信。其后，d a r p a 又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁可适应性网络 ( 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 ) 和全球移动信息系统( g i o m o ，g l o b a l m o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 两个项目的研究，以便能够建立在某些特殊环境或紧 急情况下应用的无线通信网络。a dh o c 技术就是吸取了p r n e t ，s u r a n 以及 g l o m o 等项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。 随着移动通信和移动终端技术的高速发展，a dh o c 技术不仅仅在军事应用 和研究领域中得到了充分的发展，由于其优越的组网思想，也在民用移动通信中 得到了应用，尤其是在一些特殊的工作环境中，比如所在的工作场地没有可以利 用的基站设备或者由于特殊因素的限制( 投入、安全、政策等) 不能使用己有的网 络通信基础设施，或者用户之间的信息交流以及协同工作( c o o p e r a t i v ew o r k ) 只是 暂时的，并且需要完成通信网络的立即部署，那么a dh o c 技术就可以很好的满 足用户对移动数据通信的需求。 基于a dh o c 技术的a dh o c 网络是一种临时自治的分布式系统，其终端具有 无中心接入和多跳等特征。这些特性使得a dh o c 技术涉及到了o s l 分层模型中 的每一个层面。现在对a dh o e 技术的研究已经在媒质接入问题、路由问题、组 播路由问题、电能管理问题、q o s 问题、安全问题、传输问题等方面发布了很多 4 第二章a d h o c 网络基础 相关的研究成果。在众多的研究课题中，a dh o e 网络的路由问题尤其关键，i e t f 成立了m a n e t 工作组集中从事a dh o e 阿络单播路由协议及其性能评定的相关 研究，现己发布了一些路由草案【1 翔，i e t f 下一步还将就如何实现组播路由以及 q o s 等问题展开讨论。 2 2a dh o e 网络的定义及特点 自二十世纪七十年代无线网络出现以来，在计算机产业中越来越受重视。在 最近的十年中，随着移动通信的发展，无线网络与移动技术相结合，更是令其大 受欢迎。 2 2 1 无线移动网络分类 无线移动网络可以分为两大类。第一类是有基础设施的网络，其依赖于有固 定的有线网关网络。这种网络中有线和无线部分的接口为“基站”，也就是通常 说的有基站的移动网络，例如现在的手机使用的g s m 网络( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，网络中的移动单元直接与其基站的通讯半径之内的最近 的基站进行连接和通讯。当移动单元离开某一基站通讯范围时，需要原基站与新 基站之间进行转接，从而一大单元可以不受影响的进行通讯。另一类的无线移动 网络是没有基础设施的网络，称为无线自组织网络，也就是通常说a dh o e 网络， 这类网络没有固定的路由器；所有的节点都是可以移动，并且可以动态地自由连 接。每个节点都具有路由功能，这些在下一节详细介绍。 2 2 2a dh o c 网络定义 a dh o e 网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时 性的自治系统引。在任一时刻，节点间通过无线信道连接形成一个任意网状拓扑 结构。节点可以任意移动，可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。a dh o e 网 络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如 i n t e m e t 。在后面这种情况，a dh o e 网络通常是以个末端网络的方式连接进入 现有网络，它只允许产生于或目的地是自治系统内部节点的信息进出，而不会让 其他信息穿越自治系统。 在a d h o e 网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主 机运行相关的协同应用程序：另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协 议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分 5 第二章a d h 0 c 网络基础 组需要进行分组转发。因为a dh o c 网络是。个多跳的无线移动网络，两个要交 换信息的主机可能不能直接进行通信。图21 描述了卟由三个主机( 从左至右分 别是p d a 、移动p c 和蜂窝电话) 组成的简单的自治网：主机c 不在主机a 的无 线覆盖范围之内( 用环绕主机a 的圆环表示) ，同时主机a 也不在主机c 的无线 覆盖范围以内。如果主机a 和c 之问需要交换信息，就需要主机b 为它们转发 分组，因为主机b 在主机a 和c 的无线覆盖范围之内。 2 2 3a dh o e 网络特点 圈2 - l a d h o e 网络示意圄 、 ， a dh o e 网络的特点主要是区别于现有的一些传统网络而言的。 首先，传统的固定网络【4 屿a dh o e 网络相比较，主机位置基本不变，网络 拓扑结构基本固定，因此，其路由技术和a d h o c 网络完全不同。传统固阿由于 规模较大和网络拓扑结构复杂通常采用分级路由的方式。而a d h o c 网络规模和 网络拓扑结构复杂度都远不如传统固网但其网络拓扑结构是变化的，这是a d h o e 网络和传统固网的昂大区别。 其次与近年来兴起的无线局域n t 5 i 相比，无线局域网由无线接入访问点a p ( a c c e s sp o i n t ) 和移动节点w s ( w i r e l e s ss t a t i o n ) 组成的无线网络。其中，无线接入 访问点a p 直接接 现有固定网络，而配各有无线网卡的移动节点w s 通过a p 连接到现有固定网络。该技术还用于无线网桥，显然，无线局域网和普通局域网 在网络层来说都是单跳网络，不同的是在第一、二层应用的技术，其移动节点不 存在寻路问题。而多跳性却是a dh o e 网络的特点之一。 最后，蜂窝移动通信网络【”采用小区( c d l ) 制。整个网络一般按照物理位置分 成几个小区，每个小区拥有一个( 或多个) 固定基站，移动终端和固定基站通信， 一、矿，： 一八剖一 x 曼7 ，飞3 第二章a d h o c 网络基础 而移动终端之间不能直接通信。当移动终端从一个小区移动到另一个小区时，两 个固定基站采用小区切换( s w i t c h ) 技术保持原有网络通信。基站接入移动交换机， 而移动交换机负责路由和交换功能，同时充当网关，通过有线方式接入固定网络 ( 如公用交换电话网、综合业务数字网、公用数据网等) 。 通过以上比较我们得出a dh o g 网络和常见的有线固定网络以及无线局域网 相比，具有以下特点： 1 ) 网络的自组性：a dh o g 网络可以在任何时刻任何地点同时产生多个这 样的网络环境支持移动协同计算，而不需要现有无线网络环境下常用的 基站支持。由此协同用户可以不受时间和地点限制进行协同工作。 2 ) 动态的拓扑结构：由于网络中的节点可以以任意速度和任意方式移动， 加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形 等综合因素影响下，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时 发生变化而且变化的方式和速度都是不可预测的。 3 ) 分布式控制网络：a dh o g 网络中的节点都具备独立路由功能，不存在 一个集中的网络中心控制点采用了分布式控制方式，从而具有很强的鲁 棒性和抗毁性。这种特性在军事应用中尤为重要。 4 ) 多跳性：在a d h o g 网络中两个点的通信通常都是多跳的。a dh o g 网络 中的移动节点不可能都以单跳的方式直接与其他节点通信，相距较远的 节点之间需要经过多跳数据转发机制进行数据交换，即需要由中间节点 进行转发。 5 ) 资源稀缺：主要是带宽和能源。由于无线信道本身的物理特性，它所能 提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此之外，考虑到竞争共享 无线信道产生碰撞、信号衰减i 噪音干扰、信道间干扰等因素，节点可 得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。这个特点造成的直接后 果就是网络拥塞成为a dh o g 网络中经常出现的情况，而这在有线网络 中是一种较少出现的情况。通常a dh o g 网络的主机都是依靠电池等可 耗尽能源提供主机的电源。由此，在进行系统设计时必须考虑到如何有 效节省能源。 6 1 生存时间短：a dh o g 网络通常是由于某个特定原因而临时性创建的， 使用结束后网络环境将会自动消失。a dh o g 网络的生存时间相对于固 定网络而言是短暂的。 7 ) 安全性差：a dh o g 网络由于是一种无线移动网络，更加容易受到窃听、 伪造、拒绝服务等各种网络攻击，这在军事应用中必须高度重视。 8 1 网络的可扩展性不强：在目前i n t c r n c t 环境下，由于采用了t c p i p 协议 7 第二章a d h o c 网络基础 中的子网技术，从而使得目前的i n t e r a c t 具有很强的网络可扩展性。而 动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动节点可以同时处于 一个a dh o c 网络中，因而子网技术所带来的可扩展性，无法应用在a d h o c 网络环境中。 9 ) 存在单向的无线信道a d h o e 网络采用了无线信道通信，由于地形环境 或发送功率等因素影响可能产生单向无线信道。 2 3a dh o e 网络模型 与有线网络相比，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3 层，即物理层、链路层和网络层，其中网络层 的差异最大。下面根据移动自组网的特点，参照o s l 7 层模型，从各个层面来分 析a d h o c 网络的技术特点，并就各个层次的构成来逐一介绍。其协议栈结构如 图2 2 所示。 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 2 。3 。1 物理层 图2 - 2 a d h o e 网络协议 物理层是a dh o e 网络的最底层，是一组低功率、高能力、能在运动中工作 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、发送和接收等工 作，以支持移动式组网。 就现在而言，a dh o c 网络都是基于无线通信。a dh o e 网络物理层可以选择 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 系列、 蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h i p e rl a n 等标准所定义的物理层。 8 第二章a d h o c 网络基础 2 3 2 链路层 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，提供可行的无线 通信的逻辑链路层，以支持有效的介质访问。 a dh o c 网络数据链路层又分为m a c 和l l c 层。在一般情况下，我们所关 注的主要是m a c 层，因为m a c 决定了数据链路层的绝大部分功能。m a c 层采 用i e e e 8 0 2 1 lm a c 层规范f t 。8 0 2 1 l 规定了一些至关重要的技术机制： 1 ) c s m a c a 协议 我们知道总线型局域网在m a c 层的标准协议是c s m a c d 引，即载波 侦听多路存取冲突检测( c a r r i c rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o n ) 。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此 8 0 2 1 1 全新定义了种新的协议，即载波侦听多路存取冲突避免c s m c a ( w i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 。一方面，载波侦听查看介质是否空闲；另一方面， 冲突避免通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质 被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此为了系统更加稳固，8 0 2 1 1 还提供 了带确认帧a c k 的c s m a c a 。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听 失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于m a c 层的a c k 此时能够 提供快速的恢复能力。 2 ) r t s c t s 协议 r t s c t s 协谢8 1 即请求发送允许发送协议，相当于一种握手协议，主 要用来解决“隐藏终端问题 。“隐藏终端”( h i d d e ns t a t i o n s ) 是指：基站a 向基站b 发送信息，基站c 未侦测到a 也向b 发送，故a 和c 同时将信 号发送至b ，引起信号冲突，最终导致发送至b 的信号都丢失了。“隐藏终 端多发生在人型单元中( 一般在室外环境) ，这将带来效率损失，并且需 要错误恢复机制。当需要传送大容量文件时，尤其需要杜绝“隐藏终端 现象的发生。8 0 2 1 1 提供了如下解决方案：在参数配置中，若使用r t s c t s 协议，同时设置传送上限字节数，一旦待传送的数据大于此上限值时，即 启动r t s c t s 握手协议：首先，a 向b 发送r t s 信号，表明a 要向b 发 送若干数据，b 收到r t s 后，向所有基站发出c t s 信号，表明已准备就绪， a 可以发送，其余基站暂时“按兵不动”，然后，a 向b 发送数据，最后， b 接收完数据后，即向所有基站广播a c k 确认帧，这样，所有基站又重新 可以平等侦听、竞争信道了。 9 第二章a d h o c 网络基础 2 3 3 网络层 网络层是a dh o c 技术的重点，也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。 a dh o c 网络的结构则是动态变化的，那么常规路由在拓扑结构变化时，就 会花很大的代价重新路由，而且协议状态将始终处于不收敛状态【9 】。 另外，a dh o c 网络不能采用常规路由协议还主要由于以下因素： 1 ) a dh o c 网络中主机间的无线信道可能存在单向信道。 2 ) 无线信道的广播特性使得常规路由的网络选路过程中产生许多冗余链路。 3 ) 常规路由的周期性广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。 4 ) 常规路由协议周期性的路由更新报文会消耗大量的主机能源。 5 ) 此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得c p u 始终处于很高的负载 下，这也同样消耗了大量的能源。这将对有限的主机能源带来更多的压力。 一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下特性要求：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 操作特性；对单向信道的支持等。 从总体上说，目前所提出的各种路由协议基本上可以归纳为三种思路，第一 种思路把路由协议分为三类：基于路由表驱动( t a b l ed r i v e n ) 的路由协议，按需驱 动( o n d e m a n dd r i v e n ) 的路由协议，还有一种是两种模式的混合形式【1 0 1 ；第二种 思路平面结构路由和层次结构路由。这是从逻辑结构方面考虑进行的划分。平面 结构中，节点地位平等，维护的信息量相同。层次结构路由中，网络结构按级分 层，分为骨干网和子网，这样维护的工作就统一由骨干网承担；还有一种思路 是基于q o s 的路由。 2 3 4 传输层 传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般是对有线网中的t c p u d 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 e 之上的无线 应用以及接入移动通信核心的各种业务。 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 网络中采用传统的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。 1 0 第二章a d h o c 网络基础 2 3 5 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。在实际的实施时，可 以采用各种各样的应用层协议和标准，比如w a p ( 无线应用协议) 协议等。 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 。可前面也提到，a dh 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。在解决各种困难的时候，应用层也是解决问题的一个很好的层面。 2 4a dh o e 网络的应用环境 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。首先，网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能。其次， 多跳和中间节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每个终端 的发射范围，从而降低设计天线和相关发射接收部件的难度，也降低了设备的 功耗，从而为移动终端的小型化、低功耗提供了可能。从共享无线信道的角度来 看，a dh o e 网络降低了信号冲突的几率，提高了信道利用率。从对使用者的保 护来看，高功率的无线电波产生的电磁辐射对用户的身体健康也有影响。另外， 网络的鲁棒性、抗毁性满足了某些特定应用需求。它的应用场合可以归纳为以下 几类： 军事应用：军事应用是a dh 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，它是数字化战场通信的首选技术， 并已经成为战术互联网的核心技术。为了满足信息战和数字化战场的需要，美军 研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、。指挥所等不同的场合，并 大量装备部队。美军的近期数字电台n t d r 和无线互联网控制器【9 】等通信装备都 使用了a d h o e 网络技术。 传感器网络：传感器网络【l o 】是a dh o c 网络技术应用的另一大领域。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，并且传感器的发射功率很 小。分散的传感器通过a dh o e 网络技术组成一个网络，可以实现传感器之间和 与控制中心之间的通信。这种网络具有非常广阔的应用前景。 紧急和突发场合：在发生了地震、水灾、火灾或遭受其它灾难后，固定的通 信网络设施都可能无法正常工作。此时a dh o e 网络能够在这些恶劣和特殊的环 境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有重要意义。此外当刑警或消防队员紧 急执行任务时，可以通过a dh o c 网络来保障通信指挥的顺利进行。 第二章a d h o c 网络基础 偏远野外地区：当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 网络技术具有单独组网能力和自组织特点，是这些场合通信 的最佳选择。 临时场合：a dh o e 网络的快速、简单组网能力使得它可以用于临时场合的 通信。比如会议、庆典、展览等场合，可以免去布线和部署网络设备的工作。 动态场合和分布式系统：通过无线连接远端的设备、传感节点和激励器，a d h o c 网络可以方便地用于分布式控制，特别适合于调度和协调远端设备的工作， 减少分布式控制系统的维护和重配置成本。a dh o c 无线网络还可以用于在自动 高速公路系统( a h s ) 中协调和控制车辆，对工业处理过程进行远程控制等。 个人通信：个人局域网( p ：a n ) 是a dh o c 网络技术的又一应用领域，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 教室和讨论组等崭新的移动对等应用( m p 2 p ) 。考虑到电磁波的辐射问题，个人 局域网通信设备的无线发射功率应尽量小，这样a dh o c 网络的多跳通信能力将 再次展现它的独特优势。 商业应用：组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和无线设 备网络，开展移动和携带式计算机以及无所不在的通信业务等。 其它应用：考虑到a dh o e 网络具有很多优良特性，它的应用领域还有很多， 这需要我们进一步去挖掘。比如它可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范 围，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，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自组织广域网等。 另外，它还被认为可以作为下一代移动通信系统( 3 g ) 的末端系统，用来解决 接入网的瓶颈问题。所以它的商用化有相当大的市场前景。 2 5a dh o e 网络的关键技术 a dh o c 网络对网络路由的设计提出了新的问题和挑战，主要包括： 1 ) 信道共享方式的特殊性 通信网络中贡献方式一般有3 种：点对点、点对多和多点共享。如图 2 3 所示，点对点是两个节点可以共享一个信道；点对多是有中心控制的无 线信道；多点共享是指多个终端共享一个广播信道。 1 2 第二章a d h o c 网络基础 t 卜：一：飞i ( a ) 点对点 ( b ) 点对多 图2 - 3 信道共享方式 蠢g 、蠢i i i i 亍 7 7：，： 4t c = 苎= 写享= = 皇= = 莩= = 蠹墨 国0 ( c ) 多点共享 a dh o c 网络的无线信道是一个共享的广播信道，。而不仅仅是共享信道。因 为当一个节点发送报文时，只有在其覆盖范围内的节点才能接受，覆盖范 围外的节点没有任何通信的存在，使得发送节点覆盖外的节点不受发送节 点的影响。a dh o c 网络的这种共享信道成为共享广播信道。 2 ) 网络拓扑的动态性 a dh o c 网络中的设备大多数处于移动状态，网络拓扑的是动态变化的。 由于常规的路由协议需要很长的时间才能达到算法的收敛状态，而拓扑已 经变化，从而使得主机花费很高的代价得到的路由信息不是最优的。所以 在a dh o c 网络中，路由算法应该是快速的收敛性能，减少路由查找开销， 提高路由发现的性能和效率。同时路由协议能够跟踪和感知节点的移动造 成的链路变化，动态维护路由。 3 ) 无线带宽的有限性 a dh o c 网络使用的是无线传输技术作为底层通信手段，与有线信道相 比，带宽窄信道质量差，对协议的设计提出了新的挑战。在有限的带宽内， a dh o c 网络协议设计的原则是要尽量减少节点之间的信息量，降低控制信 息带来的附加开销。 4 ) 节能问题 由于很多a d h o c 网络中的主机可以是掌上机或者其它使用电池供电的 通信设备，所以路由协议应尽可能的节省电力，协议应该能分散负载，否 则节点的关机可能造成隔离的拓扑结构( p a r t i t i o n e dt o p o l o g y ) ，引起路径失 效。大部分协议都没有考虑这点，但最近有文章已经开始注意这个问题 t i 】。 5 ) 网络管理和安全 在当今极不安全的网络中安全性是任何协议中都很重要的部分，特别是 对于这种更加脆弱的无线网络。但在提出的绝大部分无线网络路由协议中 - ，0 麝 - n 第二章a d h o e 网络基础 这点却是很少涉及，但安全性是一个比较具有挑战性的课题，所以它已经 成为近年来研究的重点。与传统的无线网不同无线a dh o e 网作为一种新型 的无线移动网络不依赖于任何固定设施，而是通过移动节点间的相互协作， 保持网络互联设计，这种网络面临的一个主要挑战就是它易受到安全攻击， 比如受到窃听伪造拒绝服务等。攻击在无线a dh o e 网中没有基站或中心节 点，所有节点都是移动的，节点间通过无线信道相连，节点自身既为主机 又充当路由器，同时也没有命名服务目录服务等网络功能，这些都使得传 统网络中的安全机制不再适用于a dh o e 网，所以应提出专门针对无线a d h o c 网的安全机制。目前提出的安全策略有基于口令的认证协议，它与传 统的口令认证不同的地方是密钥和口令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口令更新机制，异步的分 布式密钥管理，它提出密钥管理服务是由多个节点( 一个集合) 来管理而不是 单个节点来管理。 6 1 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 和m u l t i c a s t i n g 支持 q o s 就是提供满足应用要求的稳定可预测的数据传输服务，有很多特 征可以标定q o s ，如：冲突要求、带宽要求、最小传输时延时、延变动等 组播也是为了满足越来越多的应用要求，如( v i d e oc o n f e r c n c i n g ) 等需要多 方参加的通信。现在已经有一定数量文献 1 2 , 1 3 , 1 4 】提供了对组播和q o s 的支 持。m u l t i - p a t h 的支持在文献【1 2 】中提到了基于q o s 的m u l t i p a t h 路由方法， 为了满足应用对带宽的需求，源点到目标节点之间可以建立多条路径，本 质上基于广播的路由发现方法都可以提供多条路径，如a o d v 中源节点( 或 者i n t e r m e d i a t eh o p ) 可以记住多个下跳，从而形成一个有向无环的d a g 图 ( d i r e c t e d a c y c l i cg r a p h ) ，这点有点和t o r a 相似。由于d s r 本身也是使 用广播进行路由发现所以它也可以支持m u l t i - p a t h 。 1 4 第二章a d h o c 网络基础 2 6 本章小结 本章着重介绍了a dh o c 网络相关的基础知识以及相关术语，比较详细的阐 述了a dh o e 网络技术的起源与发展历史，a dh o e 网络的定义、特点和分类情况， 给出了a d h o c 网络的网络模型，对现有模型所使用协议进行了剖析，从以上分 析可以看到a dh o c 网络是一个不同于传统网络的新型网络技术，其应用范围很 广，应用前景也十分看好，有十分重要的研究价值。 在最后小节里对a dh o c 网络的关键技术进行了分析归纳，a dh o c 网络最关 键的技术也就是路由技术，关于a dh o e 网络的路由技术在下一章里会有更详细 的陈述。 第三章a dh o e 网络的组播协议 第三章a dh o c 网络的组播协议 在上一章中介绍了a dh o e 网络的基础知识，可以了解到a dh o e 网络不需要 基础设施的支持。由于建立a dh o e 网络快捷、灵活，不受有线网络约束，它可 以广泛应用于灾难救助、偏远地区等无法得到有线网络支持、或只是临时需要通 信的环