（通信与信息系统专业论文）一种新的ad+hoc路由协议.pdf

摘要 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的 临时性的自治系统在这种环境中，由于节点的无线通信覆盖范围的有限性，两 个无法直接通信的移动节点可以借助其他节点进行分组转发来进行数据通信自 组网节点之间是通过多跳转发机制进行数据出传输，需要路由协议进行分组转发 决策。 目前满足移动a dh o c 网络环境的经典路由协议有a o d v 协议( a dh o c o n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 和d s r 协议fd y n a m i cs o u n c er o u t i n g ) 。这两 种协议虽然可以满足正常的应用，但是，也存在着诸多的不足，因此提出了很多 针对这两种协议的改进方法。 本文也是针对经典的d s r 和a o d v 路由协议进行了一些修改，提出了一种 新的路由协议一一“分段d s r ”协议，这种协议是基于传统的d s r 和a o d v 协 议，该协议将一次路由中的节点分成普通节点和中转节点，7 采用分段保存路由的 方法进行信息的传输。经过理论分析和仿真验证，该协议在最佳分段跳数下较大 幅度地降低了路由维护的开销，并保证了路由的稳定性 关键字：a dh o c 网络 a dh o e 网络路由协议d s ra o d v 分段路由协议 a b s t r a c t a dh o cn e t w o r ki sat e m p o r a r yd i s t r i b u t c dn e t w o r kt h a ti sf o r m e db yac o l l e c t i o n o f w i r e l e s sm o b i l en o d e sw i t h o u ta n ye x i s t i n gn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e i nt h i sc o n d i t i o n , d u et ot h ef i n i t e so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr a n g e , n o d e sw h i c hd o n tc o m m u n i c a t e d i r e c t l yc a nc o m m u n i c a t eb yu s i n go t h e rn o d et ot r a n s m i tt h ed a t ap a c k e t n o d ei na d h o cn e t w o r kt r a n s m i t sd a t ab ym u l t i - h o p ，s ow en e e dar o u t i n gp r o t o c o lt od c t e r m i n e h o wt ot r a n s m i tt h e s ed a t ap a c k e t d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o lf o rm o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) a n d 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 rr o u t i n g ) a l et w om a t u r ea n dw i d e l y a c c e p t e dr o u t i n gp r o t o c o lf o rm o b i l ea dh o cn e t w o r k s a l t h o u g ht h e s et w op r o t o c o l s a r ew i d e l ya c c e p t e db u tt h e ya l lh a v es o m el a c k s ，s ot h e r e a l em a n yi m p r o v e d m e t h o d s an o v e lr o u t i n gp r o t o c o lf o ra dh o cn e t w o r k - - d s ri ns u b s e c t i o np r o t o c o li s p r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h i sp r o t o c o li sf o u n d e do nd s ra n da o d v , i nt h a ta l lp o i n t s w h i c ha g ei na m u t i n ga r ed i v i d e di n t on o r m a lp o i n ta n dt r a n s f e r r i n gp o i n ta n dt h ed a t a i st r a n s m i t t e db yu s i n gc o n s e r v e dp a r t i a lr o u t i n g t h er e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o np m v e st h a tt h i sp r o t o c o lc a nr e d u c e st h er o u t i n gs p e n do fa dh o cn e t w o r k i nt h es a m ec o n d i t i o n k e yw o r d ：a dh o cn e t w o r k , a dh o cn e t w o r kr o u t i n g , d s r ，a o d vs u b s e c t i o n 创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不 含有其他人已经发表或撰写的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名桶、讳日期型业一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后使用本授权书。 本人签名 导师签名 塑! 疃 蝉 日期兰竺! z ! ：釜 同期皿上笪 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了本文的研究背景、研究内容和本文的组织结构。 1 1 研究背景 随着便携式计算机和掌上型电脑的日益普遍，无线通信技术的迅速发展，驱 使了网络协议的发展。通信技术的进步使得各种无线传输网络( 如蜂窝网络和卫星 网络) 甚为流行，出现了删, g s m ，p c s ，c d m a 和u m t s 等设备和服务；而应 用也对“无论何时，无论何地”的个人通信提出了迫切的要求。 新的网络和新的应用需求引起了对可及时应用的无线网络一a dh o c 网络的 设计和研究。a dh o c 网络是一种不依赖于固定基础设施的、自组织的无线网络， 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，还可用于未来蜂窝末端网络的扩展。 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 ) ，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 ，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 e n 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 ( b o lem 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l e e s 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 网络称为m a n e t ( 移动a dh o c 网络) a dh o c 网络具有无线传输、高度的动态拓扑、无中心、多跳路由等特点，这 使得许多问题变得复杂而难以实现。固定有线网络和蜂窝网络中使用的各种协议 和技术无法直接应用于a d h o c 网络。因此，白提出之日起，a d h o c 网络就引起 了各方面的巨大关注和广泛兴趣，直到现在，a dh o c 网络中还存在着许多有待解 决的问题。 本文即是在此背景下，对a dh o c 网络的网络层协议进行了研究，重点对网络 层的路由协议进行了的比较研究和一些改进 2一种新的a d h o c 路由协议 1 2研究内容和本文所作的工作 由于a dh o e 网络具有不同于其他现有网络的特点，研究适合这种网络的路由 协议是目前a d h o e 网络中急需解决的问题。本文的主要研究目标是研究基于a d h o e 网络环境下的路由协议，并对其进行优化。 本文所作的工作分为两个方面； 1 对现有路由协议的研究。本文首先介绍了有关a dh o e 网络的一些基本知 识，其中包括a dh o e 网络的概念、特点、体系结构以及a dh o e 网络路由层有关 问题，然后介绍了目前应用于a dh o e 网络的两种经典路由协议，并介绍了他们 的一些改进方法和存在的问题。 2 提出一种新的新的应用于a dh o e 网络的路由协议一一“分段d s r ”协议。 这种协议是基于传统的d s r 和a o d v 协议，新协议将一次路由中的节点分成普 通节点和中转节点，采用分段保存路由的方法进行信息的传输，有效降低了路由 维护的开销。经过理论分析和仿真验证，新协议在最佳分段跳数下较大幅度的降 低了路由维护的开销，并保证了路由的稳定性。 1 3本文的组织结构 本文主要对a dh o e 网络和a dh o e 网络的路由协议等问题进行了研究，主要 内容安排如下： 第二章a dh o e 网络概述。本章主要介绍了a dh o e 网络的提出及发展，然后 阐述了a dh o e 网络的概念、特点及网络的结构，并简要说明了a dh o e 网络面临 的主要问题及研究现状。 第三章a dh o c 网络路由协议的介绍。本章主要介绍了a dh o e 网络路由协议 的分类，重点介绍了两种经典路由协议：d s r 和a o d v 。 第四章提出一种新的路由协议，介绍“分段d s r ”协议的工作原理。 第五章对提出的协议做了性能分析和仿真，得出结论 第六章对全文进行了总结，并且展望了今后的工作。 第二章a d h o e 网络概述 3 第二章a d h o c 网络概述 本章主要介绍了a dh o e 网络的概念、特点及网络结构、体系结构和拓扑结构， 并简单介绍了a dh o c 的关键技术和它一些基本应用。 2 1a dh o c 网络结构概述 a dh o c 网络是由一组带有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。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 r n e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况 中，a dh o e 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，a dh o e 网络一般不适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 与现存i n t e r n e t 互操作的路由开销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，节点间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、无固定设施的网络或对 等网络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 殊的移动计算机通信网络。图2 1 中给出了a dh o e 网络的一种典型的物理网络结 构，图2 2 是其逻辑网络结构，图中终端a 和i 无法直接通信，但a 和i 可以通 过路径a - b g i 进行通信。 图2 1 ：a dh o e 网络的物理结构图2 2 - a dh o c 网络的逻辑结构 4 一种新的a d h o e 路由协议 2 2 a d h o c 网络特性 与其他传统通信网络相比，a dh o e 具有以下显著特点。 1 无中心和自组织性 a dh o e 网络采用无中心结构，网络中没有绝对的控制中心。所有节点的地位 平等，即是一个对等式网络，各节点通过分层的网络协议和分布式算法协调彼此 的行为。节点可以随时加入和离开网络。任意节点的故障不会影响整个网络的运 行，与有中心网络相比，具有很强的抗毁性。无中心和自组织特点使得a dh o e 可以实现快速自动组网 2 动态变化的网络拓扑 a dh o e 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天线类型多种多样、发送功率的变化、无线 信道问的互相干扰、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。在网络拓 扑图中，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有线 网络，网络的拓扑结构较为稳定。 3 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。即要经过多跳。与普通网络中的多跳 不同，a dh o e 网络中的多跳路由是由普通节点完成的，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习的。 4 无线传输 a dh o e 网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能提供的网 络带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。考虑到竞争公共无 线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等因素，移动终端获得的实 际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态变化。传统的广播式信道 是一跳共享的，而a dh o e 网络中节点的发送功率受限，广播信道是多跳共享的： 一个节点的发送，只有其中一跳相邻节点可以听到，而此范围之外的其他节点察 觉不到。这一特征一方面提高了信道的空间重用度，另一方面使得报文的冲突与 节点所处的地理位置相关。 此外，地形或发射功率等因素使得a dh o c 网络中可能存在单向无线信道。例 如，车载终端的发送功率大于手持终端，手持终端可以收到来自车载终端的信号， 而车载终端无法收到来自手持终端的信号，即存在从车载终端到手持终端的单向 第二章a d h o c 网络概述5 信道 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，如能源受艰、 内存较少，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，同时显示屏等外设的功能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务 考虑到成本和易于携带，移动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，如何高效地使用节点的电能和延长节点的工作时问是一 个十分突出的问题。 6 安全性差 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” 等网络攻击另外，a d h o e 网络由节点自身充当路由器，不存在命名服务器和目 录服务器等网络设旌，也不存在网络边界的概念。这就使得a dh o e 网络中的安 全问题非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机制将不再适用因此，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。 2 3 a d h o c 的体系结构 根据a dh o e 网络的特征，参照o s i 的经典7 层协议栈模型和t c p i p 的体系 结构，可以将a d h o e 网络的协议栈分为5 层，如图2 3 所示 1 物理层 功能包括信道的区分和选择、无线信号的监测、调制解调等由于多径传播 带来的多径衰落、码问串扰，以及无线传输的空间广播特征带来的节点间的相互 干扰，使a dh o e 网络传输链路的实际带宽容量低。 因此，物理层的设计目标是以相对低的能量消耗，克 服无线媒体的传输损失，获得较大的链路容量。 为达到上述的物理层的设计目标，必须采用的关 键技术包括调制解调、信道编码、多天线、自适应功 率控制、自适应干扰抵消、自适应速率控制等。 图2 3 ：a dh o e 网络的协议栈 2 数据链路层 m a c 子层规定了不同的用户如何共享可用的媒体资源，即控制移动节点对共 享无线信道的访问。其包括两部分，一是信道划分，即如何把频谱划分为不同的 6 一种新的a d h o c 路由协议 信道；二是信道分配，即如何把信道分配给不同的用户信道划分的方法包括频 分、时分、码分，或者这些方法的组合。在a dh o e 阿络中，必须克服无线网络 中的隐藏终端和暴露终端问题，其方法包括随机竞争机制c s m a ，i e e e 8 0 2 1 1 或m a c a 、轮转机制( 轮询或令牌环) 、动态调度机制以及以上机制的组合，且必 须克服无线网络中的隐藏终端和暴露终端问题。 逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的m a c 方法。 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。 3 网络层 主要功能包括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联等功能。 邻居发现主要用于收集网络拓扑信息路由协议的作用是发现和维护去往目 的节点的路由。路由协议可以在网络层之下或之上实现，前者实现简单，适用于 小型网络；而后者可以屏蔽底层网络细节，具有较好的可扩展性和互操作性。路 由协议包括单播路由和多播路由协议，此外还可以采用虚电路方式来支持实时分 组的传输。 4 传输层 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( 下三层的细 节) 相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源，当a dh o e 网络需要接 入i n t e r a c t 等外部网络时尤其需要传输层的协议的支持。 基于传统有线网络中的传输层协议不适合于a d h o e 网络，必须加以修正以适 应无线传输的移动网络环境。 5 应用层 主要功能是提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢失率限制 的实时应用( 紧急控制信息) 、基于r t p r t c p 的自适应应用( 音频和视频) 和没有 任何服务质量保障的数据报业务。 6 可选功能 包括功率控制和拓扑控制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、服 务发现、地址自动配置和安全策略等。这些可选功能模块在协议栈中可能出现的 位置取决于各功能模块的作用以及与上下层协议的关系。例如功率控制机制可以 工作在物理层之上为链路层提供服务；信令协议一般在网络层之上工作为传输层 和应用层提供服务；而分簇算法通常工作在链路层之上为网络层提供服务。 2 aa dh o c 的网络拓扑结构 由于节点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控制节点 第二章a d h o c 网络概述 7 易被发现和易遭摧毁，使得a dh o c 网络不适合采用集中式控制结构，因此，a d h o c 网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。 平面结构( 拓扑图) 如图2 4 所示，其中所有节点的地位平等，所以又可以称为 对等式结构 在分级结构中，网络被划分为簇( c l u s t e r ) 。每个簇由一个簇头( c l u s t e r - h e a d e r ) 和多个簇成员( c l u s t e r m e m b e r ) 组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网 络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇 头节点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用算法选举产生 根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率分 级两种。这里的频率应理解为信道。信道的区分可采用各种多址技术，如f d m a 、 t d m a 、c d m a 等。 单频分级网络如图2 5 所示，其中所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇 头之间的通信，要有网关节点( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头和网关形成 了高一级的网络，称为虚拟骨干。 ( 二二：i 簇_ 簇头簇成员两关 图2 4 ：平面结构图2 5 ：单频分级结构 多频分级网络如图2 6 所示，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范 围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，有多个 频率，用不同的频率实现不同级的通信在图所示的两级网络中，簇头节点有两 个频率。频率1 用于簇头与簇成员的通信，而频率2 用于簇头之间的通信分级 网络的每个节点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据 网络拓扑的变化重新分簇。 8 一种新的a d h o c 路由协议 频率l 一顿率2 o 簋 麓头 簇成员 图2 6 - 多频分级结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶 颈，所以比较健壮它的缺点是可扩充性差：每一个节点都需要知道到达其它节 点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制信息当平面结构网络 的规模增加到某个程度时，所有的带宽都可能会被路由协议消耗掉 在分级结构的网络中，主要有如下的优点： 第一，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了 网络中路由控制信息的数量。 第二，具有良好的可扩充性，网络规模不受限制。可以简单地通过增加簇的 个数和网络的级数来增加网络的规模。 第三，簇头节点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性 分级结构的主要缺点如下： 第一，需要簇头选择算法和簇维护机制。 第二，簇头节点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈。 第三，簇问的路由不一定是最佳路由。 这些问题都是在设计分簇网络结构时需要考虑的问题。但是从实施资源管理 和提供服务质量保障的角度出发，分级结构有较大优势，体现在下面几个方面： 第一，分级结构有较好的可扩展性。 第二，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，并且容易实现网络的局部同步。 第三，分级结构中节点的定位要比平面结构简单。在平面结构中，想知道一 个节点的位置，需要在全网中执行查询操作。而在分级结构中，簇头知道所属簇 成员的位置，只需查询相应的簇头就可以获得节点的位置信息。 第二章a d h o c 网络概述 9 第四，分级结构结合了无中心和有中心模式，可以采用两种模式的技术优势。 每个簇都有控制中心，基于有中心的t d m a , c d m a 和轮询等接入技术都可以在 分级的网络中使用，并且基于有中心控制的路由、功率控制、移动性管理和网络 管理等机制也可以移植到a dh o c 网络中 总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模 增大时，应采用分级结构。 2 5a dh o c 的关键技术 与传统的有线和蜂窝网络相比，无线a dh o c 网络没有基础设施，每个节点都 可能随时进入和离开网络，整个网络分布式进行。然而，传统网络中对连接性和 业务传输的基本要求，在无线a dh o c 网络中也同样需要得到满足。目前关于无 线a d h o c 网络研究中的主要难点问题为m a c 协议、路由协议、功率控制、服务 质量、安全问题、网络互联和网络资源管理等。 a dh o c 网络采用无线信道、有线电源、分布式控制等方式，容易受到多径干 扰、敌方干扰、环境噪声等各种网络攻击网络存在被窃听和被入侵等多种泄密 隐患，必须采用加密措施来保证数据传输的安全除了在传输上采用扩频和跳频 技术之外，有些设备还采用了自适应、突发传输、跳波束处理的干扰技术。数据 本身也必须采用加密技术，以及接入认证和多级保密等。 i 1 m a c 协议 在a dh o c 网络中，由于节点的通信范围受限，终端可以随机移动，会产生 隐蔽终端和暴露终端等问题，使c 3 m _ a 不能直接应用于a dh o c 网络。因此必须 设计新的m a c 协议，以获得较高的信道利用率、较低的时延和终端公平接入 i f _ e e8 0 2 1 1m a c 协议在多跳网络中碰到一些问题：仍然没有解决隐藏终端 和暴露终端等问题；载波监听范围通常大于通信范围，加剧隐藏节点和暴露节点 的问题；二进制退避算法对刚发送成功的节点有利，对发送失败的节点不利，使 各个节点间存在明显的不公平；并且没有考虑a dh o c 网络能量消耗的问题 z 路由协议 开发良好的路由协议建立a dh o c 网络的首要问题，同时也是主要的研究热 点和难点。传统的距离矢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 dh o c 网络。开发一种能有效地找到节点问路由的动态路由协议就成为无 线a dh o c 网络设计的关键。它应具有以下功能：能感知网络拓扑结构的变化、 维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由。下面是几种典型的路由协议： 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 ev e c t o r ，目的序列距离矢量协议) 、t o r a ( t e m p o r a l l y o r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ，l 临时预定路由算法) 、d s r ( d y n a m i c 一种新的a d h o e 路由协议 s o u r c er o u t i n g ，动态源路由协议) 、a o d v ( a dh o eo n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ， a dh o c 按需距离矢量协议) 。 3 功率控制 一般的无线系统是干扰受限的系统，无论在传统蜂窝还是无线a dh o e 网络 中，一般都需要功率控制。由于无线a dh o e 网络是一个多跳网络，其功率控制 要比传统蜂窝网络复杂得多。 功率控制闯题涉及到无线网络的各个层。在一个多跳、承载数据业务的网络 中进行闭环功率控制可能会很困难，因此大部分系统采用开环功率控制。而硬件 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 理层技术可以调整节点的发射功率，来减少网络的能量消耗；m a c 层的主要措 施是为减少数据发送的冲突，避免重传，使其进入休眠状态；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。 4 服务质量q o s q o s 是指当源端向目的端发送分组时，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、带宽和分组丢失率等。显然，为了提供o o s 保证，首要任务就是在源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足o 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。提 供q o s 路由可以将这些任务结合在一起，这样o o s 保证转换o o s 路由问题。 目前保障q o s 一般采用两种策略：一是采用保守的方法通过提供足够的网络 资源来避免资源竞争；二是采用对特定分组进行标记，并提供不同优先级别的方 法来确保某些特定业务的o o s ，如i e t f 提出的综合服务模型和区分服务模型。 但这些模型都没有考虑无线移动的网络环境，而且现有的大部分无线网络中提供 的o o s 保障的机制都给基于有基础设施支持的单跳蜂窝模型，无法直接应用于 a dh o e 网络中。在移动a dh o e 网络中，无线信道的特性较差，存在大量背景噪 声和冲击噪声，所能提供的网络带宽比有线信道窄，并且网络容易遭受敌意破坏 和干扰，这就要求a dh o e 网络设计新的o o s 保障机制。 5 安全问题 a dh o e 网络存在以下的安全性问题：无线链路使a dh o e 网络容易收到链路 层的攻击，包括被窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在敌方环境漫游 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，采用分布式的网 络体系结构可以提高a dh o e 网络的生存能力；a dh o e 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m 相比，a dh o c 网路没有值得信任的 第三方证书的帮助，在节点问建立信任关系成为a dh o c 网络安全的中心问题； a dh o e 网络包括成百上千个节点，需要采用具有扩展性的安全机制。 目前提出的安全策略有：基于密码的认证协议，它与传统的密码认证不同的 第二章a d h o c 网络概述 1 1 地方是，密钥和密码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密码更新机制；“复活鸭子”的安全模式，它主要针对传感 阿络里，传感器与控制者之间可能存在的不安全问题，提出传感器在。死亡”之 前，只受其拥有着的控制；异步的分布式密钥管理提出密钥管理服务由多个节点 来管理，而不是由单个节点来管理。 6 网络互连问题 移动a dh o c 网络通常是以一个“独立”的通信网络形式存在，即网络不与 其它网络相连，所有通信都是在网络内部的各个节点之间进行的但在i e e e 8 0 2 1 1 最初提出移动a dh o c 网络的概念时，它是对有线网络的补充。移动a dh o c 网络可以通过某些固定设备，访问有线网络的资源。实际上，很多时候，移动a d h o c 网络也不是孤立的，它还存在以下需求：位于不同移动a dh o e 网络的节点 之间的通信如果两个网络相距较远，不能直接通信，则可以通过有线网络将其 连接起来；移动a dh o e 网络中的节点可能需要访问有线网络中的资源，例如 i n t e r a c t 上的w w w 服务、f i t 服务等。显然，在这些情况下，都需要移动a dh o e 网络具有与其它网络互连互通的能力。 7 能量消耗问题 能量消费问题涉及到无线网络中的各个层次节点能量消耗可以分为通信滑 耗和计算消耗两部分在移动a dh o e 网络中，移动节点可能位于发射、接收和 空闲三种状态。其中，发射状态的功率消耗最大，空闲状态的功率消耗最小，缺 省状态为空闲状态。 在接收方能正确接收分组的前提下，应尽量减少节点的能量消耗，这样的优 点有：延长节点电源的使用寿命；减少对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量； 在安全方面，可以减少数据被窃听的可能性。要节约能量，可以在物理层调整节 点的发射功率；在m a c 层设法减少数据发送的冲突，避免重传，如无数据发送 时，让节点进入睡眠状态；在网络层，则可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度量路由优点的标准。 2 6a dh o c 的网络应用 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，网络的自组织性提供了廉价并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 端的发射功率，从而降低了天线和相关发射，接收部件的设计难度和成本，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 c 网络降低了信号冲突的几率，提高了信道利用率。从用户的角度看，低功率的无 一种新的a d h o c 路由协议 线电波产生的电磁辐射较少，对用户身体健康的影响较小。另外，网络的鲁棒性、 抗毁性满足了某些特定应用的需求。总的来说，它的应用可以归纳为以下几类： 1 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 旌、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 量无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合。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a dh o c 网络技术。 2 传感网络 传感网络是a dh o c 网络技术应用的另一领域。传感器的发射功率很小，大量 地理分散的传感器通过a dh o c 网络技术组成网络，可以实现传感器之间以及与 控制中心之间的通信传感网络中，节点不仅能够协作转发来实现通信，还可以 监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息，这种网络具有非常广阔的应 用前景。 3 紧急和突发场合 在发生了地震、洪水、水灾或遭受其他灾难后，固定的通信网络设施很可能 无法正常工作。而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， 对抢险和救灾工作具有重要意义。此外当警察或消防队员紧急执行任务，而常规 通信网络又无法保障时，可以通过a dh o c 网络来保障通信指挥的顺利进行。 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或预设的网络设施进行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 个人通信 a d h 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，个人域网络通信设备的无线发射功率应尽量 小，这种情况下a dh o c 网络的多跳通信特点将再次展现它的独特优势。 6 商业应用 使用a dh o c 网络技术来组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系 统和无线设备网络，开展移动和可携带计算等。 7 临时场合 a dh o c 网络的快速、简单组网能力使得它适用于临时场合的通信，比如会议、 庆典、展览会等，并可以免去布线和部署网络设备的工作。 8 其他应用 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 第二章a d h o e 网络概述 去挖掘。比如它可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统的通信模式和覆盖范围，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。 第三章a dh o c 网络路由协议介绍 第三章a dh o c 网络路由协议介绍 在本章中我们将介绍a dh o c 网络的路由协议；主要介绍d s r 协议和a o d v 协议的原理和寻路过程。 3 1a dh o c 网络路由协议概述 路由协议是网络层的主要功能。a dh o c 网络是一个多跳的临时性的自组织 网。自组网节点之间是通过多跳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 网络中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 路由选择算法是网络层实体的一部分，负责确定所收到的分组转发到哪一个 链路接口。路由选择算法的设计应满足如下特性：正确性、简单性、稳定性、稳 健性、最优性与公平性、高效性 3 2a dh o c 网络路由协议设计面临的主要问题 常规路由协议主要基于两种形式的路由思想：距离向量( d 、，a ，d i s t a n c 圮 v e c t o r a l g o r i t h m ) 算法和链路一状态( l s a ，l i n k s t a t e a l g o r i t h m ) 算法。但是，l s a 和d v a 都不适合在a dh o c 网络环境中运行这是因为a dh o c 网的特性为路由 协议的设计提出了新的问题和挑战，主要包括以下少几个方面： 1 动态变化的网络拓扑。结构动态变化的拓扑结构是自组网最显著的特点。 在自组网中直接运行常规路由协议，当拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费 很长的时间和较大的代价才能到达收敛状态 2 单向信道的存在。常规路由协议通常认为底层的通信信道是双向的但是 在采用无线通信的自组网环境中，由于发射功率或地理位置等因素的影响，可能 存在单向信道。它为常规路由协议带来三个严重的影响：认知的单向性、路由单 向性和汇点不可达。 3 有限的无线传输带宽。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碰撞、信号 衰减、噪声干扰、信道间干扰等多种因素，节点可得到的实际带宽远远小于理论 上的最大带宽值。 4 无线移动终端的局限性。移动终端在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同 一种新的a d h o c 路由协议 时，其固有的特性，例如采用电池一类可耗尽能源提供电源，内存较小，c p u 性 能较低等，要求路由算法简单有效，实现的程序代码短小精悍，需要考虑如何节 省能源等而常规路由协议通常基于高性能路由器作为运行的硬件平台，没有上 述的限制。 3 3a dh o c 路由协议分类 按路由发现的策略划分，可分为主动路由协议、被动路由协议和混合路由协 议。 1 主动路由协议( p r o a c t i v e ) 。主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似， 各节点通过周期性地广播信息分组，交换路由信息，主动发现路由。同时，节点 必须维护去往全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只 要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小；缺点是主动路由需要花费较大开 销，尽可能使得路由更新能够及时反映当前拓扑结构的变化然而，动态变化的 拓扑结构可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。 在自组网路由协议的研究初期，主要思想是修改有线网络的路由协议以适应 在自组网环境中运行，这类路由协议主要包括d s d v 2 i 和w r p 协议。 2 被动路由协议( r e a c t i v e ) 。被动路由协议的思想类似于局域网网桥设计中的 源路由。 与主动路由相反，被动路由认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护 去往其他所有节点的路由。它仅在源节点有分组要发但没有去往目的节点的路由 时，才“按需”进行路由发现。因此，拓扑结构和路由表内容是按需建立的，它 可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分 它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源：缺点是 发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现 引起的延时。 被动路由协议通常由路由发现和维护两个过程组成当源节点发现没有去往 目的节点的路由时，触发路由发现过程这个过程类似于有线网络中建立电路连 接的协商过程 被动路由协议也被称作按需路由协议，这类路由协议主要有d s r l 4 i 和a o d v d i 协议。 3 混合路由协议( h y b r i d ) 混合路由协议是一类混合使用主动路由和被动路 由策略的协议，即在一定的网络区域内采用主动路由的设计，区域间则采用被动 路由的设计。如z r p 7 1 协议。 下面我们将重点介绍两种应用最广的经典的按需路由协议：d s r 协议和 第三章a dh o c 网络路由协议介绍 a o d 协议。 3 4d s r 协议介绍 d s r 协议是最早采用按需路由思想的路由协议。它包括路由发现和路由维护 两个过程。它的主要特点是使用了源路由机制进行分组转发。这种机制最初是 i e e e 8 0 2 5 协议用于在网桥互连的多个令牌环网中的节点寻找路由。d s r 协议借 鉴了这种机制，并加入了按需思想而形成。 d s r 的优点是中间节点不用维护去往全网所有节点的路由信息，而且可以避 免出现路由环路。它的缺点是每个数据分组都携带了路径信息，造成协议开销较 大，而且也不适合网络直径大的自组网，网络可扩展性不强。 3 4 1 路由发现 1 r r e q 分组 当节点有分组要发，而相邻节点表和路由表中却没有目的节点路由时，“路由 请求分组”r r e q ( r o u t er e q u i r e m e n t s ) r r e q 中应该包括请求分组发送节点地址( 本节点地址) 、信源序列号、本分 组d 、信宿地址、信宿序列号、路由记录和路由跳数。 ( 1 ) 信源地址，本分组) 唯一标识一个r r f _ 尬分组；分组m 由信源给出， 从0 开始往上计 ( 2 ) 信源序列号由信源节点维护，用于表示“到信源的反向链路”的新旧。 ( 3 ) 信宿序列号表示信源可接受的“到信宿的前向路由”的新旧，等于过去接 收到的有关信宿的最大序列号。节点需要为每一个信宿维护一个信宿序列号。信