（计算机应用技术专业论文）基于dsr协议的ad+hoc网络可靠路由研究.pdf

中文摘要 无线通信技术和计算机网络技术的发展为无线a dh o c 网络的发展奠定了基 础。由于具有不需要集中式网络管理和基础设施的显著特点，无线a dh o e 网络 在近年来受到越来越多的关注。各种无线a dh o c 网络路由协议的提出及相关的 性能分析评价也成为学术界的研究热点。无线a dh o c 网络拓扑结构的频繁变化 以及无线信道的不稳定，使得如何提高路由可靠性成为无线a dh o c 网络路由协 议研究的主要目标之一。 在众多无线a dh o c 网络路由协议中，动态源路由d s r ( d y n a m i cs o u r c e r o u t i n g ) 协议是其中具有代表性的。但它却不能提供可靠的路由保障，其最主 要的问题就是频繁的路由失效导致的网络性能降低。本文中所实现的r e b d s r ( r o u t e - l i f e t i m ee s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 协议是一种以d s r 协 议为基础，通过链路剩余生命期预测来提高路由可靠性的新型a dh o c 路由协议。 r e b d s r 在原d s r 中增加了无线链路状态预测。改进的路由发现，主动式路由 维护三个模块。无线链路状态预测算法根据接收功率对链路的剩余生命期进行预 测。新的路由发现算法根据路径上各条链路的剩余生命期信息确定路由生命期， 路由选择算法使用路由生命期、路由跳数两者作为选择参数。主动式路由维护算 法根据链路剩余生命期的预测结果判断链路是否已处于危险状态并相应地发送 警告信息提前进行路由维护。同时在砌m d s r 中还增加了路由缓存管理，以减 轻d s r 中较为严重的过时路由问题。 我们在n s 2 下进行了一些仿真实验，仿真结果表明：1 ) 在网络中载和重载 情况下，r e b d s r 协议的整体性能要优于d s r 协议；2 ) 在节点运动频繁的网络 中，r e b d s r 协议的性能优势体现更为明显。可以说，r e b d s r 协议是一种较 为有效的可靠路由协议。 关键字：无线a d h o c 网络 d s ri u 强d s r 路由可靠性路由生命期 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ti nc o m p u t e ra n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 西e s ， m o b i l ew i r e l e s sn e t w o r k sr r ei ni n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a du s e ，t h ew i r e l e s sa dh o e n e t w o r k sh a v eb e e nr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nd u et ot h e i rc h a r a c t e r so f h a v i n gn oi n f r a s t r u c t u r e v a r i o u sr o u t i n gp r o t o c o l st h a ta r et a i l o r e dt ow i r e l e s sa dh e c n e t w o r k sh a v eb e e np u tu pi nr e c e n ty e a r sb yr e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l d a n dt h e r e l a t e da n a l y s e so fp e r f o r m a n c eo fr o u t i n gp r o t o c o la r eb e i n gd o n ef r o md i f f e r e n t a s p e c t s s i n c en o d e si nt h ew i r e l e 女sa dh o en e t w o r k sm o v ef r e e l ya n di n s t a b i l i t yo f w i r e l e s sc h a n n e l ，h o wt oi m p r o v et h er o u t er e l i a b i l i t yb e c o m e so n eo ft h ec e n t r a l c h a l l e n g e si ns u c hn e t w o r k s a m o n gw i r e l e s sa dh o er o u t i n gp r o t o c o l s o n en a m e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ( d s r ) p r o p o s e db yc a m e g i em e l l o nu n i v e r s i t yi sar e p r e s e n t a t i v ep r o t o c 0 1 b u td s r c a nn o tp r o v i d er e l i a b l er o u t i n g ，a n dt h em a i np r o b l e mo fi ti st h ep e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n c a u s e db y f r e q u e n t r o u t eb r o k e n t oo v e r c o m qt h ep r o b l e m ， r o u t e l i f e t i m ee s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ( r e b d s r ) ，b a s e do nd s r i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r r e b d s rn s e ss e v e r a ln e wm e c h a n i s m st h a ta r eb a s e do na n e s t i m a t i o no f l i n k - l i f e t i m et oi m p r o y et h er o u t er e l i a b i l i t y i tc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ： l i n ks t a t ee s t i m a t i o n , i m p r o v e dr o u t ed i s c o v e r ya n da c t i v er o u t em a i n t e n a n c e t h e l i n ks t a t ee s t i m a t i o nm o d u l e sc a np r e d i c tt h er e s i d u a l l i f e t i m eo fal i n kb a s e do n r e c e i v ep o w e r d u r i n gt h er o u t ed i s c o v e r y , t h er o u t e - l i f e t i m ei se q u a lt ot h em i n i m u m l i f e t i m eo ft h el i n k st h a tc o n s t r u c tt h er o u t e ，a n dt h er o u t es e l e c t i o nd e p e n d so nn o t o n l y t h er o u t e h o p s b u ta l s ot h ep r e d i c t e d r o u t e l i f e t i m e d u r i n gt h er o u t e m a i n t e n a n c e 。r e b d s rc a l lt a k em a i n t e n a n c ea c t i o n sb a s e do nt h ep r e d i c t e d l i n k - l i f e t i m eb e f o r et h e o l dr o u t ei sa c t u a l l yb r o k e n b e s i d e s ，w eu s en e wr o u t ec a c h e m a n a g e m e n t t oa l l e v i a t et h ei n f l u e n c eo f s t a l er o u t ei nd s r al o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eu n d e rn s 2 t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti u 狙d s rh a st w oi n t e r e s t i n gf e a t u r e s ：( 1 ) i nt h em i d d l e - l o a d a n dh e a w - l o a ds i t u a t i o n s r e b d s rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fd s r p r o t o c o l s i g n i f i c a n t l y ( 2 ) i nt h em o r ec h a l l e n g i n gs i t u a t i o n so fh i 曲m o b i l i t y , r e b d s ri s m o r ea d a p t a b l e w ec a ns a yr e b d s ri sa ne f f i c i e n ta n dr e l i a b l ep r o t o c o li nw i r e l e s s a dh o en e t w o r k s k e yw o r d s ：a dh o c ，d s r ，r e b d s r ，r o u t er e l i a b i l i t y , r o u t el i f e t i m e 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，也不包含为获得墨凄盘堂或其他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： 签字日期：加y 年1 月l 学日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完金了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘茎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： 新躲；蕾螃 签字日期：知心年f 月l 拿日 签字日期：加兰年1 月f 譬日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 无线a dh o e 网络 第一章绪论 a dh o e 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 ) 【l 】。早在1 9 7 2 年，美国d a r p a 就启动了分组无线网项目p r n e t ，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 铬项目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 ) 2 】，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 a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目 3 】，旨在对能够满足军 事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成 立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会【4 】采用了“a dh o e 网络词来描述这 种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，a d h o e 网络就此诞生。m t f 也将a d h o e 网络称为m a n e t ( 移动a dh o e 网络) 【5 。 a dh o e 的意思是 f o rt h i s ”引申为“如rt h i sp u r p o s eo n l y ，即“为某种目的设置 的，特别的”意思，即a d h o e 网络是一种有特殊用途的网络。a d h o e 网络是由 组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统【6 】，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，这种网络可以独立工作， 也可以与i n t e m e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，a d h o e 网络通常是以 末端子网( 树状网络) 的形式接入现有网络。在a dh o e 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 e 网络中由于无线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要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它叉 被称为无线多跳、自组织网络。a dh o e 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类型的移动计算机通信网络。 1 ，1 2 无线a dh o e 网络路由 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 d h o e 网络m 层路由的标准化工作。a dh o e 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的动态变化。新协议一般以广播或组播方式 第一章绪论 建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，一般普遍得到认可的代表性成果有 d s r c 7 1 、a o d v 引、d s d v t g 、t o r a l 2 9 】和z r p 0 9 1 等，并且对这些协议进行了性 能评价和分析工作，如 3 0 1 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，目前，路由协议的研究仍然是a dh o c 网络成 果最集中的部分。 1 1 3 无线a dh o e 网络中的服务质量问题 a d h o c 网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制； 另一方面作为i n t e m e t 在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到 i n t e m e t 的无缝的接入机制。当前i n t e r n e t 已经可以在一定程度上保证综合业务传 输的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。近年来随着多媒体应用的普及和对a dh o e 网络商业应用需求，在a dh o c 网络上传输多媒体也逐渐提上日程，并且希望能 像固定的有线网络一样为不同业务提供一定的q o s 保证。但是与固定的有线网 络不同，在a dh o e 网络中提供服务质量保证将面临许多不同于有线网络的新问 题和挑战，解决q o s 问题显得更为困难。而路由协议作为a dh o c 网络中的重要 组成部分，对于提供服务质量保证起着至关重要的作用。有线网络中q o s 路由 主要研究在源节点和目的节点的找一条满足资源要求的路径，但在a dh o e 网络 中节点的移动性导致频繁的路由失效，为在a d h o e 网络中提供q o s 必须尽力减 少路由失败给传输质量带来的影响。而目前的a dh o e 网络各种路由协议并不能 很好的达到这个要求，因此目前a dh o e 网络路由协议距离实际应用的要求还存 在一定的距离。 1 2 选题动机 从以上的分析可以看出。减少a dh o e 网络中路由失效次数，提高路由协议 可靠性，是提供q o s 支持的重要保障，具有很高的研究价值。而目前的a dh o c 网络中有关可靠路由的协议和算法还不成熟，因此。对提高a dh o e 网络路由的 可靠性和路由协议性能的研究显得十分必要。本论文正是针对以上的这些问题提 出了一种解决方法。 1 3 论文的主要工作 通过对动态源路由( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，d s r ) 协议进行扩展，我们 在a dh o e 网络中实现了一种新韵按需可靠路由协议r e b d s r ( r o u t e - l i f e t i m e e s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。r e b d s r 的基本思想是对链路状态进 2 塑二至堕鲨 建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，一般普遍得到认可的代表性成果有 d s r 叽a o d v i s l 、d s d v t 9 l 、t o r a t z ”和投p 【3 9 1 等，并且对这些协议进行了性 能评价和分析工作，如 3 0 】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，目前，路由协议的研究仍然是a d h o e 网络成 果最集中的部分。 1 1 3 无线a dh o e 网络中的服务质量问题 a d h o e 网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制； 另一方面作为i n t e m e t 在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到 l a t e m e t 的无缝的接八机制。当前t n t e r n e t 已经可以在一定程度上保证综合业务传 输的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。近年来随着多媒体应用的普及和对a dh o c 网络商业应用需求，在a dh o e 网络上传输多媒体也逐渐提上日程，并且希望能 像固定的有线网络一样为不同业务提供一定的q o s 保证。但是与固定的有线网 络不同在a dh o e 网络中提供服务质量保证将面临许多不同于有线网络的新问 题和挑战，解决q o s 问题显得更为困难。而路由协议作为a d h o e 网络中的重要 组成部分，对于提供服务质量保证起着至关重要的作用。有线网络中q o s 路由 主要研究在源节点和目的节点的找一条满足资源要求的路径，但在a dh o e 网络 中节点的移动性导致频繁的路由失效，为在a d h o e 网络中提供q o s 必须尽力减 少路由失败给传输质量带来的影响。而目前的a dh o e 网络各种路由协议并不能 很好的达到这个要求，因此目前a dh o e 网络路由协议距离实际应用的要求还存 在一定的距离。 1 2 选题动机 从以上的分析可以看出，减少a dh o e 网络中路由失效次数，提高路由协议 可靠性，是提供q o s 支持的重要保障，具有很高的研究价值。而目前的a dh o e 网络中有关可靠路由的协议和算法还不成熟。因此，对提高a dh o e 网络路由的 可靠性和路由协议性能的研究显得十分必要。本论文正是针对以上的这些问题提 出了一种解决方法。 1 ，3 论文的主要工作 通过对动态源路由( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，d s r ) 协议进行扩展，我们 在a dh o e 网络中实现了，一种新的按需可靠路由协议r e b d s r ( r o u t e 1 i f e t i m e e s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。r e b d s r 的基本思想是对链路状态进 e s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。r e b d s r 的基本思想是对链路状态进 第一章绪论 建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，一般普遍得到认可的代表性成果有 d s r c 7 1 、a o d v 引、d s d v t g 、t o r a l 2 9 】和z r p 0 9 1 等，并且对这些协议进行了性 能评价和分析工作，如 3 0 1 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，目前，路由协议的研究仍然是a dh o c 网络成 果最集中的部分。 1 1 3 无线a dh o e 网络中的服务质量问题 a d h o c 网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制； 另一方面作为i n t e m e t 在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到 i n t e m e t 的无缝的接入机制。当前i n t e r n e t 已经可以在一定程度上保证综合业务传 输的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。近年来随着多媒体应用的普及和对a dh o e 网络商业应用需求，在a dh o c 网络上传输多媒体也逐渐提上日程，并且希望能 像固定的有线网络一样为不同业务提供一定的q o s 保证。但是与固定的有线网 络不同，在a dh o e 网络中提供服务质量保证将面临许多不同于有线网络的新问 题和挑战，解决q o s 问题显得更为困难。而路由协议作为a dh o c 网络中的重要 组成部分，对于提供服务质量保证起着至关重要的作用。有线网络中q o s 路由 主要研究在源节点和目的节点的找一条满足资源要求的路径，但在a dh o e 网络 中节点的移动性导致频繁的路由失效，为在a d h o e 网络中提供q o s 必须尽力减 少路由失败给传输质量带来的影响。而目前的a dh o e 网络各种路由协议并不能 很好的达到这个要求，因此目前a dh o e 网络路由协议距离实际应用的要求还存 在一定的距离。 1 2 选题动机 从以上的分析可以看出。减少a dh o e 网络中路由失效次数，提高路由协议 可靠性，是提供q o s 支持的重要保障，具有很高的研究价值。而目前的a dh o c 网络中有关可靠路由的协议和算法还不成熟，因此。对提高a dh o e 网络路由的 可靠性和路由协议性能的研究显得十分必要。本论文正是针对以上的这些问题提 出了一种解决方法。 1 3 论文的主要工作 通过对动态源路由( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ，d s r ) 协议进行扩展，我们 在a dh o e 网络中实现了一种新韵按需可靠路由协议r e b d s r ( r o u t e - l i f e t i m e e s t i m a t i o nb a s e dd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。r e b d s r 的基本思想是对链路状态进 2 第一章绪论 行分析，得到链路生命期的预测，利用这些信息进行路由选择、主动式路由维护 以及路由缓存管理，以达到提高路由协议对网络拓扑变化的适应能力和路由可靠 性的目的。该协议主要可以分为三个模块：链路状态分析模块、路由发现模块、 以及路由维护模块。本论文的主要工作如下： 1 本文以链路剩余生命期作为链路状态，给出了一种基于接收功率的无线 链路状态预测算法。 2 提出了一种改进的路由发现方案。新的路由发现算法根据路径上各条链 路的剩余生命期信息确定路由生命期；而路由选择机制同时使用路由生命期、路 由跳数两个参数进行路由选择。 3 提出了一个新的基于d s r 协议的主动式路由维护算法。该算法利用链路 状态预测结果判断链路是否已处于危险状态并相应地发送警告信息。仿真结果表 明，上述的主动式路由维护算法可以在很大程度上降低由于路由失效造成的不利 影响。 4 在n s 中实现了r e b d s r 协议，进行了相应的仿真实验。并与d s r 协 议进行了性能比较。 1 4 论文结构 论文第二章介绍了相关的a dh o c 网络路由背景知识，包括a dh o c 网络的特 点、架构及其应用前景，同时还介绍了几种典型的a dh o c 网络路由协议。第三 章中对我们提出的r e b d s r 协议做了详细地阐述，介绍了其主要机制及协议的 具体算法。第四章中介绍了r e b d s r 协议的仿真实现、仿真实验结果以及性能 分析。第五章中对全文进行了总结并提出现存的问题和今后研究的展望。 第二章无线a dh o e 网络路由协议概述 2 1 引言 第二章无线a dh o c 网络路由协议概述 常见的移动网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络 中。移动终端之间的通信必须借助于基站和( 或) 移动交换机的转接完成；在无 线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。与此同时，蓝牙 ( b l u c t o o t h ) 【l 】、家庭无线网( h o m e r f ) 【2 】等移动通信新技术也纷纷涌现。这 些移动网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础 设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。但在某些特殊环境或紧急情况下， 有中心的移动通信技术并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进、发生地 震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等。因此在以上场合中迫切需要一种不 依赖基础设施能够快速和灵活配置的移动通信网络技术，a dh o c 网络就是为满 足这种特殊应用需求而产生的。 2 2a d - h o c 网络的介绍 2 2 1a d - h o c 网络的结构 a d h o c 无线网络的拓扑结构可分为两种：对等式平面结构和分级结构。在 对等式平面结构中，所有网络节点地位平等。 而在分级结构的a d h o c 无线网络拓扑结构中，整个网络是以簇为子网组成， 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。每一个簇中的簇头和簇成员是动态变化、自动组网。分级 结构根据硬件的不同配置，又可以分为单频分级结构和多频分级结构。单频分级 结构使用单一频率通信，所有节点使用同一频率；而在多频分级结构中，若存在 两级网络，则低级网络通信范围小，高级网络通信范围大，簇成员用一个频率通 信，簇头节点用一个频率与簇成员通信，用另一个频率来维持与簇头之间的通信。 对等式平面结构和分级结构使用时各存在优缺点：对等式平面结构网络结构 简单，各节点地位平等，源节点与目的节点通信时存在多条路径，不存在网络瓶 颈，而且网络相对比较安全，但最大的缺点是网络规模受到限制，当网络规模扩 大时路由维护的开销指数增长而消耗掉有限的带宽；分级结构网络规模不受限 制，可扩充性好，而且由于分簇，路由开销相对小一些，虽然分级结构中需要复 杂的簇头选择算法，但由于分级网络结构具有较高的系统吞吐量，节点定位简单， 4 第二章无线a d h o c 网络路由协议概述 目前a d h o e 无线网络正逐渐呈现分级化的趋势，许多网络路由算法都是基于分 级结构网络模式提出的。 历二二 、p _ ，_ 7 一一一一 图2 - 1a d h o e 网络的平面结构 图2 - 2 a d h o e 网络的分级结构 2 2 2a d - h o c 网络的特点 与其它传统通信网络相比，a d l i o c 网络具有以下显著特点： 1 ) 无中心和自组织性：a d h o c 网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位 平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其 它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的 分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很 好。 2 ) 自动配置：自动配置是a d h o c 网络的基本特征，节点必须检测其它节点以 及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正 常工作，这涉及到连接i n t e r n e t 的网关节点的更换，簇头的更新等。在网络形成 阶段，节点可以就网络拓扑进行协商( 星形、环形、点到点、点到多点、平面和 分级) ，这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。 3 ) 动态变化的网络拓扑：a d h o c 网络中，移动终端能够以任意速度和任意方 式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、 发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动 终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度 都难以预测。 e 第二章无线a d h o e 网络路由协议概述 4 ) 受限的无线传输带宽：a dh o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段， 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。 此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等 多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。 5 ) 移动终端的局限性：a dh o e 网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧 等好处，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、c p u 性能较低等， 从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功 能较复杂的业务。 6 ) 安全性较差：a dh o e 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”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全措施都需要特 别考虑。 7 ) 网络的可扩展性不强：在目前i n t e m e t 环境下，可以采用子网、无级域间路 由( c d r ) 和变长子网掩码( v l s m ) 等技术，增强了i n t e r a c t 的可扩展性。但 是动态变化的拓扑结构使得具有不同予网地址的移动终端可能同时处于一个a d h o e 网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在a dh o e 网络环境中。 8 ) 多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其 覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。此外，a dh o e 网络中 的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完 成的。 9 ) 存在单向的无线信道：a dh o e 网络采用无线信道通信，由于地形环境或发 射功率等因素影响可能产生单向无线信道。 1 0 ) 特殊的信道共享方式：传统的共享广播式信道是一跳共享的。而在a dh o e 网络中，广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听 到。 1 1 ) 供电问题突出：考虑到成本和易于携带，节点不能配备太多数量的发送接 收器，并且节点一般依靠电池供电。因此如何节省节点电源、延长工作时间是个 突出问题。 2 2 3a d - h o c 网络的应用 a dh o e 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 6 第= 章无线a d h o e 网络路由协议概述 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： 1 ) 军事应用：军事应用是a dh o e 网络技术的主要应用领域。美军的近期数字 电台n t d r 和无线互联网控制器【1 4 】等通信装备都使用了a dh o e 网络技术。 2 ) 传感器网络：传感器网络【1 5 】是a dh o e 网络技术应用的另一大领域。分散 的传感器通过a dh o e 网络技术组成个网络，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。 3 ) 紧急和突发场合： 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 e 网络来保障通信指挥的顺利进行。 4 ) 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 dh o e 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 e 无线网络还可阻用于在 自动高速公路系统( a h s ) 中协调和控制车辆【1 6 ，对工业处理过程进行远程控 制等。 5 ) 其它应用：考虑到a d h o c 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【1 7 】，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1 嘲 1 8 1 等。 图2 - 3 a d h o e 网络的应用 第二章无线a dh o e 网络路由协议概述 将移动a dh o e 网络作为中继，以扩大第2 代及第3 代移动通信系统的覆盖 范围和提高在网络或链路发生故障时系统的健壮性是自组织网络技术的又一重 要应用，目前己建立了一种称为a - - g s m 的实验系统。另外，互联网工程任务 组( m t v ) 也已经成立了专门的研究小组m _ 心m t 工作组负责移动a d h o e 网 络在互联网上的应用、相关协议的标准化工作。 2 2 4a d h o c 网络设计的挑战 在看到a d h o e 网络优良特性的同时还应注意到设计和应用该网络面临的诸 多困难。随时变化的链路特性和网络拓扑、节点的移动性、受限的链路带宽和节 点能量、恶劣的无线环境和安全性都是我们必须面对的问题。因此，必须仔细考 虑节点的硬件设计( 小型化、智能化和节能化) 和协议栈的各个层次。在物理层， 要解决衰落、多径干扰、功率控制等无线通信经常遇到的问题。在数据链路层， 要解决多跳共享的广播信道的有效接入问题。网络层需要特殊的路由协议来维护 网络动态变化的拓扑信息。在传输层，要解决无线环境下传输层的效率问题。应 用层要具有定的自适应流量控制功能。并且还要考虑协议栈各个层次的紧密协 作，以适应网络条件和应用需求的变化。此外，网络的自组织特性、无中心控制、 易配置性和可编程性等特征都对协议的设计提出了新的特殊的要求。也就是说， a dh o e 网络的设计需要综合考虑资源效率、能量保护、信道接入、路由和资源分 配等问题并进行合理的折衷。 2 3a d - h o c 网络路由介绍 我们知道现在的无线通信网都是有固定基础设施的，因此在移动过程中其 分组路由的实现相对比较容易。而在自组织网络中，当节点移动时不再存在本地 代理或外部代理帮助其实现路由分组。网络中不再存在缺省的路由。网络中的每 个节点都要求具有独立查寻路由并转发分组的能力。因此传统路由算法无法直接 应用到自组织网络中，需要为其专门设计研究新的路由算法。 我们先来看看传统的路由算法。传统的路由算法有两类，一类是距离矢量路 由算法，另一类是链路状态算法： 距离矢量路由算法的特点是： 周期性地与所有物理相邻的节点交换可达性消息； 当有多条可达路径时选择一个最短的。 链路状态算法的特点是： 周期性地向网中所有的路由器通知当前所有物理链路的状态； 第二章无线a d h o c 网络路由协议概述 每个路由器都得到一张完整的网络拓扑圈。 传统路由算法在有基础设施的网络中运行得很好，但是在自组网中却存在如 下的问题： 网络拓扑变化太快，传统算法将会给网络造成很大控制负荷； 限制了移动自组织网络的性能： 周期性的路由刷新加大了移动节点的能量消耗，固定网的睡眠模式 无法应用于自组织网络中； 路由消息的交换大大减少有效系统带宽； 2 3 1a dh o e 网络路由协议的设计要求 a dh o c 网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量 高效率通信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的 基于因特网的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于a d h o c 网络的 路由协议，根据前文对a d h o c 网络结构和特点的阐述，设计的路由协议必须满 足以下条件： ( 1 ) 必须能适应网络拓扑结构动态变化随时更新路由以保证两点间的通信。特别 是能够在原有路由失效前迅速切换到能稳定传输的路由上，以避免路由失效 引起的服务质量严重降级。 ( 2 ) 必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能减少路由维护的开销。 ( 3 ) 限制多跳通信的中间转接次数，一般不要超过3 次。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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性。 2 3 2a d h o c 网络的路由分类 根据a dh o c 无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种a dh o c 网络路由 协议。i e t f 的m a n e t 工作小组目前正专注于a d h o c 网络路由协议的研究，提出 了许多协议草案，如d s r ，a o d v ，z r p 等路由协议；另外，专业研究人员也发 表了大量关于a dh o c 网络路由协议的相关文章，提出了许多关于a dh o c 的网络 路由协议，如d s d v ，w r p 等。根据路由触发原理，目前的路由协议大致可以分 为表驱动路由协议、按需驱动路由协议和混合式路由协议 1 9 ，2 0 1 3 种。 表驱动路由协议( t a b l e d r i v e nr o u t i n g ) 表驱动路由协议又称先验式( p r o a e t i v e ) 路由协议，每个节点维护一张包含 到达节点的路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路 由表可以准确地反映网络的拓扑结构；源节点一旦要发送报文，可以立即获得到 9 第二章无线a dh o c 网络路由协议概述 达目的节点的路由，这类的路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应 a dh o c 无线网络要求，如通过修改路由信息协议( r i p ) 得到的目的节点序列距离 矢量协议( d s d v ) 。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需要大量的路由 控制报文，协议的开销较大。常用的先验式路由协议有 d s d v t 3 0 l ( 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 r ) 、c g s r t 孔 ( c l u s t e r h e a dg a t e w a y s w i t c hr o u t i n g ) 和w r p 【j 副( w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o d 等。 按需驱动路由协议( o n - d e m a n dr o u t i n g ) 按需路由协议又称反应式( r e a c t i v e ) 路由协议。与表驱动路由协议不同，按 需驱动协议只有当源节点需要时才寻找路径。当源节点需要一条通往目的节点的 路径时，它在网络中发起一次路由发现过程( ar o w ed i s c o v e r yp r o c e s s ) 。当找 到一条路径后或者所有可能的路径都被检查过后，路由发现过程结束。路径一经 建立，它就被某个路由维护程序所维护，直至目的节点无法经由任何路径到达或 者该路径不再被需要。节点不需要维护及时准确的路由信息。与表驱动路由协议 相比，反应式路由协议的开销小，但是数据报传送的时延较大，不适合于实时性 的应用。常用的反应式路由协议有a o d v | 3 3 l ( a d h o c o n - d e m a n d d i s t a n c e v e c t o r r o u t i n g ) 、d s r p 引( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、t o r a 2 9 ( t e m p o r a l l y - o r d e r e d r o u t i n ga l g o r i t h m ) 、a b r 3 4 】( a s s o e i a t i v i t y - b a s e dr o u t i n g ) 和s s r t 3 5 1 ( s i n g l e s t a b i l i t y r o u t i n g ) 等。 混合式路由协议 a dh o c 无线网络中单纯采用先验式或反应式路由协议都不能完全解决路由 问题，因此，许多学者提出了结合先验式和