（信号与信息处理专业论文）移动代理在移动ad+hoc网络中的应用研究.pdf

南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 摘要 移动a dh o c 网络由一组自主的无线节点相互合作形成。与传统的蜂窝网络相 比移动a dh o c 网络没有基站，所有移动节点分布式运行，每个节点兼具路由器 和主机两种功能。移动代理是一个能在异构网络中自主迁移并与其它代理或者资 源交互的程序，本质上是代理技术和分布式计算技术的结台。由于移动代理的移 动性( m o b i l i t y ) 和自主性( a u t o n o m y ) ，因此移动代理和移动a dh o c 网络具有 天然的共性，故可将移动代理技术和思想应用到移动a dh o e 网络中。 本文探讨了移动代理在a dh o c 网中的具体应用，即应用于按需路由协议中。 首先提出了基于移动代理的a o d v 路由协议。大量仿真结果表明，新的协议路由 请求发起的次数减少，平均端到端时延降低，提高了移动a dh o c 网络的q o s 。 移动代理应用于移动a dh o e 网络，以动制动，用动态的方法解决了动态网络的 路由问题，是提高移动a dh o c 网络性能的有效途径。 移动a dh o c 网络是一个能量受限的系统，大多数移动节点均是由有限电能 的电池支持的，因此能量保护一直是移动自组网体系结构设计和各层协议设计的 基本要素之一。本文在基于能量的移动a dh o c 路由协议基础上，给出种基于 移动代理的能量保护路由策略( 该策略综合考虑了能量保护和时延问题) ，并进 行了初步的仿真实验。 最后，对本文的工作进行了总结，并指出后续工作的重点是跨层设计和移动 代理安全问题。 关键词：移动a dh o c 网络移动代理路由协议能量保护 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r ki sas p e c i a ln e t w o r ko fm o b i l eh o s t sw h i c ha r e w i r e l e s sc o n n e c t e da n da u t o n o m o u sw i t h o u ta n yc e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m m o b i l i t ya n da u t o n o m yi st h em a i nc h a r a c t e r so fm o b i l ea g e n t ，t h em o b i l e a g e n ta n dm o b il ea dh o cn e t w o r kh a v et h es a m en a t u r e s ow ec a ni n t r o d u c e t h em o b il ea g e n ti n t om o b i l ea dh o cn e t w o r k c u r r e n tr o u t i n gp r o t o c o l sf o rm o b i l ea dh o cn e t w o r k sa r eb r o a d l y c a t e g o r i z e di n t ot w oc l a s s e s ：t a b l e d r i v e na n do nd e m a n d b o t ho ft h e m s u f f e rf r o mc e r t a i ni n h e r e n ts h o r t c o m i n g s t h i sp a p e rp r o p o s e sam o b i l e a g e n tb a s e da o d vr o u t i n gp r o t o c o l ，i nw h i c ht h em o b i l ea g e n tc a nc a r r y r o u t i n gi n f o r m a t i o n s i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h en u m b e ro fr o u t e r e q u e s tm e s s a g ea n de n d t o e n dd e l a yc a nb er e d u c e d ，a tt h es a m eti m e ， r e t w o r kl o a d d o e sn o tc l e a r l yi n c r e a s e b e c a u s em o b i l ea db o cn e t w o r kh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i m i t e d e n e r g y ，i ti sn e c e s s a r yt op e r f o r ma n di n d e p t hs t u d yo nm o b i l ea dh o c n e t w o r ka n dd e v e l o pt h es p e c i f i cp r o t o c o l sa n da l g o r i t h m sw i t hc o n s e r v i n g t h ee n e r g y a ni m p r o v e da o d vb a s e do nm o b i l ea g e n t si sp r o p o s e do nt h e p o i n to fe n e r g ys a v i n g k e y w o r d s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k ，m o b i l ea g e n t s ， r o u t i n gp r o t o c o l e n e r g ys a v i n g i i 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家8 6 3 高新技术研究发展计划项目：“网络体系新架构一可 编程自组织移动网络关键技术研究”( n o 2 0 0 2 a a l 2 1 0 6 8 ) 。本课题作为其子项 目，从智能代理的一般工作机理和特征出发，研究移动代理在分布式移动a dh o c 网络环境下的结构、工作模型、控制方式和远程编程技术。然后结合移动a dh o c 网络应用环境，建立基于移动代理的可编程网络的网络模型和节点模型，分析相 关技术和体系结构对系统性能的影响，并在分析和仿真基础上提出优化方案，解 决可编程a dt l o c 网络的拓扑发现和动态选路问题。这是一项基础性理论研究， 将为整个项目提供理论依据和分析结果。在此基础上，结合面向网络的s p 技术， 研究可编程网络技术与盲信号处理技术相结合应用于自组织无线移动网的网络 演进，以此作为学科前沿技术与市场热点应用技术的最佳结合，进行电信网与计 算机网融合的基础性前瞻研究，力求达到当前国际先进水平。 1 2 课题研究背景 移动a dh o c 网络是具有自组织性的无线多跳网络。网络中的每一个移动节 点都兼有主机和路由器两种功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地 位平等，采用分布式控制方式。因此，其网络层的路由协议不同于传统蜂窝网络， 需要重点研究。代理( a g e n t ) 和多代理( m u l t i a g e n t ) 系统是当今计算机科学 技术领域和网络通信领域十分活跃的前沿研究方向之一。代理的研究离不开网络 环境，移动代理更是与生俱来的与网络紧密的结合在一起。 本课题在查阅了大量的国内外相关资料，深入研究了移动代理的特点和优势 后，分析了移动a dh o c 网络路由协议的优缺点，创造性的提出了一种基于移动 代理的动态路由解决方案。其中在移动代理的实现方式和路由算法的实现过程方 面提出了一些自己的看法，并通过在仿真软件n s 中进行仿真和数据统计，验证 了这种思路的可行性。 本课题的主要目的是探讨移动代理技术在移动a dh o c 网络路由算法中的应 l 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 用。目前这项研究工作还处于刚起步阶段，国内外可以借鉴的资料和成功的系统 比较少，我们现有的工作只是我们在这方面迈出的第一步。我们初步提出了算法 的雏形，并将移动代理嵌入到仿真软件n s 中，但是会存在一些不足之处。在日 后的工作中，我们将认真听取各方面的意见，使我们的工作得到进一步深入。 1 3 论文内容和结构安排 本文第二章介绍了移动a dh o c 网络的概念、研究现状以及研究中的关键问 题。详细介绍了a db o c 网中常见的路由协议，并对其特点进行了比较。 第三章介绍了移动代理的基本概念和目前的应用，指出其和移动a dh o c 网 具有天然共性，可以将移动代理应用于移动a dh o c 网络。 第四章描述移动代理在a d h o c 网中的具体应用，即应用于按需路由协议中。 我们提出了基于移动代理的a o d v 路由协议。大量仿真结果表明，新的协议路由 发起的次数减少，平均端到端时延降低，提高了移动a dh o c 网络的o o s 。 第五章在基于能量的移动a dh o c 路由协议基础上，提出了基于移动代理的 节能路由策略。 第六章提出了后续工作中的难点、目标及下一步的工作。指出下一步工作的 重点是移动代理应用于跨层设计以及移动代理的安全问题。 2 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 第二章移动a dh o c 网络介绍 2 1 移动a dh o c 网络简述 2 1 1 移动a dh o c 网络研究现状 a dh o c 网络“3 的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 网络和1 9 7 3 年d a r p a 开 始研究的分组无线网络。i e e e 在开发i e e e8 0 2 1 l 标准时，将分组的网络称为 a dh o c 网络。a dh o c 来源于拉丁语，字面上的意思是“为特定的目的或场合的” 或“仅为这种情况的”。当时分组无线电网络已经用于大规模的军事和救援行动 中，采用新的名字，i e e e 希望a dh o c 网络成为为特定目的而临时组建并短期存 在的网络。需要指出的是，i e e e8 0 2 1 l 标准定义的a dh o c 网络为仅由那些通 过无线媒质能够相互进行直接通信的站点组成的网络，即独立的基本服务集 ( i b s s ) 。i b s s 没有接入点，为单跳a dh o c 网络，但是目前研究的a dh o c 网络 通常是多跳的。1 9 9 7 年i e t f 成立了移动a dh o c 网络m a n e t ( m o b i l ea dh o c n e t w o r k ) 工作组。3 ，专门负责有数百个节点的移动a dh o c 网络的路由算法的研 究和开发，并研制相应的标准。m a n e t 工作组成绩斐然，已经制定了十几个 i n t e r n e l 草案标准。 根据节点是否移动，可以将无线a dh o c 网络分为移动a dh o c 网络和无线传 感器网络。在移动a dh o c 网络中，各个无线节点可以自由移动。事实上，很多 文献常常把无线a dh o c 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个区域。传感器负责收集区域内的声音、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，或具有更大的发送范围，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。 移动a dt t o c 网络是一种自治的无线多跳网络( 见图2 1 ) 。整个网络没有固 定的基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以任意方 式动态地保持与其它节点的联系。在这种环境中。由于终端的无线覆盖范围的有 限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一 个节点都可以说同时是一个路由器和终端，它们要能完成发现和维持到其它节点 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 路由的功能。典型例子有交互式的讲演，可以共享信息的商业会议，战场上的信 息中继，以及紧急通信需要。 ，。d i 口，队黑台 d c ( - ) 物理同瞎结构c b ) 埋辑同瞎结构 图2 1 移动a dh o c 网络结构示意图 在原有的网络构架技术中，移动无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和 无线局域网。蜂窝移动通信网络移动终端接入固定网络是基于基站的中心接入方 式。而无线局域网则要通过接入点( a p ) 完成终端接入固定网络。可以看出这两 种网络都是单跳网络。a dh o c 技术所标称的是一种有别于中心接入和单跳的特 征，强调多跳和无中心接入。在移动a dh o c 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， 对接收到的信息不是自己的分组需要进行分组转发。在任一个时刻，a dh o c 网 络中由一些带有无线收发装置的移动节点间都可以通过无线信道连接形成一个 任意网状的拓扑结构。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。因此，移动a dh o c 网络可以在没有或不便使用现有的网络基础设施的情况 下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。 2 1 2 移动a dh o c 网特点 移动a dh o c 网络是一种无中心的网络，与传统的蜂窝移动通信系统不同。 因此基于h l r m s c v l r 的移动性管理和路由模式无法直接在移动a dh o c 中使用， 由基站控制的信道接入方式也不能直接应用于移动a dh o c 网络。无中心的结构 需要网络中的节点通过运行分布式算法( 信道接入、路由等) 来协调它们的行为。 4 苫 盛。 耳壶 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 移动a dh o c 网络具有以下特点： ( 1 ) 网络的自组织性。移动a d h o c 网络可以在任何时刻任何地方构建，而 不需要现有的信息基础网络设施的支持，形成一个自由移动的通信网络。 ( 2 ) 动态网络的拓扑结构。从网络的网络层来看，移动a dh o c 网络中，移 动用户可以以任意速度和任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变 化、无线信道间的相互干扰因素、地形因素等的影响，节点间通过无线信道形成 的网络拓扑结构随时都会发生变化。 图2 2 典型的移动a dh o c 网络拓扑图 ( 3 ) 有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使移动a dh o c 网络的 网络带宽相对有线方式要低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰 落、碰撞、阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。 ( 4 ) 移动终端的有限性。移动a dh o c 网络中的移动用户终端内存小、c p u 处理能力低、所带电源有限使得移动a dh o c 网络的设计更加困难。 ( 5 ) 网络的分布式。移动a dh o c 网络中的移动节点都兼有独立路由和主机 功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方 式，增强了网络健壮性。 ( 6 ) 网络的可扩展性不强。由于采用t c p i p 协议中的子网技术使得 i n t e r n e t 具有网络的可扩展性，而移动a dt t o c 网络动态变化的拓扑结构使得子 网技术所带来的网络可扩展性不能得到应用。 ( 7 ) 单向无线信道的存在。对于常规路由协议而言，通常认为底层的信道 是双向的。但是在采用无线通信的自组网络环境中，可能存在单向信道。这可能 是由于地理位置或节点发射功率等因素造成的。如图2 3 所示，两个移动终端a 、 b ，a 由于发射功率较大所以能够到达b ，而反之不行，即存在一条a b 的单向 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 信道。因此，常规路由协议计算出的路由不能准确反映自组网的拓扑结构，也无 法有效利用单向信道。对于需要逐跳进行确认的数据分组也由于单向信道的存在 而无法实施。 图2 3 单向信道示例 ( 8 ) 生存时间短。组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束 后，网络环境将会自动消失。移动a dh o c 网络的生存时间相对于固定网络而言 是短暂的。 另外，多跳特性是移动a dh o c 网络最为显著的特点。因为节点无线通信距 离有限，移动a dh o c 网络中的节点不一定都在其它所有节点的直接通信范围之 内。当节点并非直接可达时，需要中间节点的转发才能实现通信。就是说从源节 点到达目的节点是多跳的，网络中的每个节点都要有转发报文的能力。所以要有 适当的路由协议来维护路由。 安全性是移动a dh o c 网络面临的一个难题。移动a dh o c 网络使用无线通信 技术，容易被监听和干扰。而且移动a dh o c 网络一般被使用在特殊场合( 军事、 救灾等) ，安全问题更加突出。 总之，移动a dh o c 网络使用无线通信技术，具有无线通信系统信道质量低、 带宽有限、节点通信距离有限等特点。在设计适用于a dh o c 网络的协议时，要 充分考虑这些特点。 2 1 3 移动a dh o c 网结构 a dh o c 网络的结构( 如图2 4 ) 可以分为平面结构和分级结构。平面结构中， 所有节点的地位平等，所以又可称为对等式结构：而分级结构中，网络被划分为 簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成高一级的网络，在高一 6 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 级的网络中，又可以分为簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构 中，簇头节点负责簇间数据的转发，比如当簇1 中的节点a 要与簇2 中的节点b 通信时，节点a 先把数据发给簇l 的簇头；簇1 的簇头分析发现在簇2 中，把数 据转发给簇2 的簇头( 可能要经过其它簇头的转发) ；簇2 的簇头收到数据后，发 现b 是自己簇的成员，把数据发送给b 。 平面结构 图2 4 平面结构和分层结构 根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频 分级只有一个通信频率，要有网关接点来支持，簇头和网关形成了高一级的网络， 称为虚拟骨干。而在多频分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级的节点 的通信范围较小，而高级的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。 平面结构的网络比较简单，无需任何的结构维护过程。源站和目的站之间不 存在很多路径，可以使用多条路径实现负荷分担，也可以为不同的业务类型选择 适当的路径。网络中所有节点是对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。平 面结构中节点的覆盖范围比较小，相对比较安全。平面结构的最大缺点是网络规 模受限。在平面结构中，每个节点都要知道到达其它所有节点的路由。由于节 点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制信息。网络规模越大， 路出维护的丌销就越大。当网络的规模增加到某个程度时，所有的带宽都可能会 给路由协议消耗掉，所以平面式结构网络的可扩充性较差。 分级结构的最大优点是可扩充性好，网络规模不受限制，必要时可以通过增 加簇的个数或级数来提高网络的容量。分级结构中，簇内成员的功能较简单，基 本上不需要维护路由，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。簇头节点复杂 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 一些，它要维护好到达其它簇头的路由，还要知道所有节点与簇的隶属关系。但 总的来说，在相同网络规模的条件下路由开销要比平面结构的要小。如果簇内通 信的信息量占较大的比例时，各簇可以互不干扰的进行通信，系统的吞吐量显然 要比平面结构的要高。但是分级结构也有它的缺点。首先，维护分级结构需要较 复杂的簇头选择算法，簇头选择算法需要仔细设计。其次，信息都要经过簇头寻 路，不一定能使用最佳路由。比如在不同的簇中，但互为邻居的节点，在平面结 构中可以直接通信，但分簇后，要通过两个簇的簇头转交。 移动a dh o c 网络是一种临时自治的分布式系统，终端具有无中心接入和多 跳等特征。这些特性使得移动a dt t o c 网络涉及到o s l 分层模型中的每一个层面。 物理层完成无线信号编码译码、发送和接收等工作；数据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，所以数据链路层又分为m a c ( 媒质接入控制) 层和l l c ( 逻辑链路控制) 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。i p v 4 协议、i p v 6 协议或其他网络层协议提供网络层数 据服务。多目标路由协议提供群组通信的支持。网际互联支持a dh o c 网络与其 它现有网络互联，q o s 支持提供可保证的q o s 服务，路由安全提供对路由协议的 安全保障；传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般的思路是对有线网中的 t c p u b p 进行改造，使之适应无线环境：a d h o c 的高层主要包括的是建立在a d t o c 之上的无线应用以及接入移动通信核心网的各种业务。 2 2 移动a dh o c 网研究中的关键问题 与传统的有线和蜂窝网络相比，移动h 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，整个网络分布式运行。然而，传统网络中对连接性 和业务传输的基本需求，在a dh o c 中也同样需要得到满足。目前关于a dh o c 网 络研究中的主要难点问题是路由协议、服务质量、姒c 协议、能量消费、节点移 动性管理、安全性问题，分别描述如下： ( 1 ) 路由协议 开发良好的路由协议是建立a dh o e 网络的首要问题，同时也是主要的研究 热点和难点。传统的距离向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。移动a dh o c 网络的特殊性决定了它的路由协议设计跟传 皇 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 统固定网络的路由协议设计有着很大的不同。在移动a dh o c 网络中每个移动 节点兼各路由器和主机两种功能。作为主机，移动节点需要运行面向用户的应用 程序；作为路由器，它需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表来参与 数据分组转发工作和路由维护工作。考虑到移动a dh o c 网络中节点是移动的， 网络的拓扑结构不断变化，传统的用于因特网的路由协议( 如r i p 、o s p f 等) “1 无法适应a dh o c 网络的实际需要，同时由于移动节点的计算能力和存储容量较 低并且能源受限，要求路由协议尽量简单，这又增加了移动a dh o c 网络中路由 协议设计的难度。 ( 2 ) o o s 服务质量 q o s 是指当源端向目的端发送分组流时，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、分组丢失率等。显然，为了提供 q o s 保证，首要的任务就是在源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足q 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 ( 如带宽、路由器中的缓存空间等) 。提供o o s 路由可以将这些任务结合在一起， 这样q o s 保证转换为q o s 路由问题。q o s 路由依赖于当前网络状态信息的获得。 在基于局部状态信息的q o s 路由算法中，源节点和中间路由器向外发送具有一 定的节点识别能力，并包含q o s 信息的探测分组( p r o b ep a c k e t ) 来寻找一条满 足q o s 需求的可行路由。基于不精确的全局状态信息的路由技术采用基于票的 ( t i c k e tb a s e d ) 探测分组来寻找可行路由。每个从源端到目的端的分组至少携 带一张票来搜索可行路径。探测分组携带的票数越大，找到满足q o s 要求的路由 的可能性越小。 ( 3 ) 媒体接入控制( m a c ) 协议 无线a dh o e 网络中m a c 协议。1 主要为i e e e8 0 2 1 l 标准中的c s m a c a 协 议和h i p e r l a n 2 协议。对于a dh o c 网络，i e e e 8 0 2 1 l 标准采用分布式的 d c f ( d is t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 接入模式，m a c 层协议为c s 姒c a ， 节点间的数据传输过程为r t s c t s + 数据+ 确认。h i p e r l a n 2 是由欧洲标准 化组织e t s i 开发的高速无线接入项目的部分，能够携带多媒体数据和支持服 务质量保证。h i p e r l a n 2 将移动终端组织到由某个终端确定的蜂窝内，这个终 端被称为接入点或中央控制器。h i p e r l a n 2 网络采用直接模式时可以用于a d 9 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 h o c 网络的组网。和i e e e 8 0 2 1l 的区别在于，采用h i p e r l a n 2 标准a dh o c 网络的媒体接入控制仍然需要由中央控制器负责管理。因此，在没有中央控制器 参与的情况下，任何两个移动终端并不能直接进行通信。i e e e8 0 2 1l 和 h i p e r l a n 2 兼容，但扩展性更好，而且有实际产品问世，如l u c e n tw a v e l a ni e e e 8 0 2 1 1p c 卡，而到目前为止，还没有见到h i p e r l a n 2 的产品。因此目前对 a dh o c 网络的研究常常是采用i e e e8 0 2 1 1 标准。i e e e8 0 2 1l m a c 层协议在 多跳网络中存在些问题：仍然没有解决隐藏节点和暴露节点问题：i e e e8 0 2 1 l 的m a c 协议的载波监听( 和干扰) 的范围通常大于通信范围，加剧了隐藏节点和 暴露节点的问题”3 ；二进制后退算法，对刚发送成功的节点有利，对发送失败的 节点不利，使各节点间存在明显的不公平；没有考虑a dh o c 网络能量消费的问 题。 ( 4 ) 能量消耗和功率控制 a dh o c 网络面临的另一个问题是各移动节点的能量消耗比较大，而电池的 能量供应又非常有限。能量消费问题涉及到无线网络中的各层。节点能量消费可 以分为通信费用和计算费用两部分。前者是指无线网络接口消费的能量。在a d h o c 网络中，移动节点可以位于发射、接收和空闲( 旁路) 三种模式，其中发射 模式的功率消费最大，空闲模式的功率消费最小，缺省模式为空闲模式。后者指 协议处理方面消费的能量。通常在这两者之间存在一个折衷，降低通信费用的技 术可能增加计算费用，反之亦然。在目的端可以f 确接收分组的前提下，减少节 点的能量消费可以延长节点和网络的寿命；减少了对邻居节点的于扰，提高网 络的吞畦量：减少了数据被窃听的可能性，提高了通信的安全性。硬件层次的技 术，例如低功率的c p l 、显示器和能量有效的算法等都可以应用。在物理层可以 调整节点的发射功率来减少网络的能量消费。m a c 层的主要措施为减少数据发送 的冲突，避免重传，和使进入睡眠状态。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。虽然从理论上说，在进行功率控制的 同时也可降低节点的能量消耗，但从实际应用上来看，目前主要方法是通过动态 关闭无关节点的无线网卡来节省能量消耗。 ( 5 ) 安全性问题 a dh o c 网络存在以下的安全性问题“1 ：无线链路使a dh o c 网络容易受到链 i o 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在敌方环境 ( 如战场) 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( 而不仅仅 是外部节点) 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 力：a dh o c 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 i p 相比，a dh o c 网络没有值得信任的第三方证书的帮助，在节点间建立信任关 系成为a dh o c 网络安全的中心问题；a dh o e 网络包含成百上千个节点，需要 采用具有扩展性的安全机制。 a dh o c 网络面临的安全性威胁来自无线信道和网络。无线信道容易被窃听 和干扰，无中心和无组织的网络组织形式容易受到攻击。a dh o c 网络的独特性 使得我们在设计安全策略和实现安全目标时，需要面临以下诸多挑战。第一就是 使用无线信道使a dh o c 网络很容易受到诸如被动窃听、主动入侵、伪造身份和 拒绝服务等各种方式的攻击。窃听可以使敌方获取保密信息。而主动攻击可能使 敌方删除信息、插入错误信息、修改信息或者冒充某一节点，从而破坏了可用性、 完整性、安全认证和抗抵赖性。第二，由于节点的能量有限，并且c p u 的计算能 力较低，无法实现复杂的加密算法，这增加了被窃密的可能性。第三，由于节点 的移动性，a dh o c 网络的拓扑结构和成员处于动态的变化中。节点之间的信任 关系也在不断变化。因此只具有静态配置的安全方案在a dh o c 网络中是不可行 的。 研究者已经在媒质接入问题、路由问题、组播路由问题、q o s 问题、安全问 题、传输层问题等方面发布了相关的研究成果。在众多的难题中，a dh o c 网络 的路由问题尤其关键，本文也将重点研究路由和节能这两个方面。下面详细介绍 一下目前a dh o c 网络路由协议方面的研究成果。 2 3 移动a dh o e 网路由协议介绍 移动a dh o e 网络中节点是移动的，网络的拓扑结构不断变化，传统的基于 因特网的路由协议无法适应拓扑快速变化的需要，所以要设计适用移动a dh o c 网络的路由协议。 移动a dh o e 网络路由协议的设计目标是快速、准确、高效、可扩展性好。 快速指的是查找路由的时间要尽量短，减小引入的额外时延。准确指路由协议要 南京邮电学院2 0 0 5 届硬士研究生毕业论文 能够适应网络拓扑结构的变化，提供准确的路由信息。高效的含义比较复杂。其 一指要能提供最佳路由；其二指维护路由的控制消息应尽量少，以降低路由协议 的开销：其三指路由协议应能根据网络的拥塞状况和业务的类型选择路由，避免 拥塞并提供q o s 保证。可扩展性指路由协议要能够适应网络规模增长的需要。 现有路由协议大致可分为先应式( p r o a c t i v e ) 和反应式( r e a c t i v e ) 两种“。 先应式路由协议又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由协议，是一种基于表格的路 由协议。在这种路由协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些表格包含到达 网络中其它所有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网 络中发送更新消息。收到更新消息的节点更新自己的表格，以维护一致的、及时 的、准确的路由信息。不同的先应式路由协议的区别在于拓扑更新消息在网络中 传播的方式和需要存储的表格类型不同。先应式路由协议不断地检测网络拓扑和 链路质量的变化，根据变化更新路由表。所以路由表可以准确地反映网络的拓扑 结构。源点一旦要发送报文，可以立即得到到达目的地的路由。 图2 6 先应式路由协议举例 图2 6 是现有的部分先应式路由协议9 。d s d v ( d e s t i n a t i o n s e q u e n c e d d is t a n c e v e c t o r ) 路由协议是一种无环路距离向量路由协议，它是传统的 b e l l m a n f o r d 路由协议的改进。c g s r ( c l u s t e rg a t e w a ys w i t c hr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 是d s d v 的扩充版，它用于单频两级网络。w r p ( w i r e l e s sr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 也是一种距离向量路由协议，每个节点包含距离表、路由表、链路权 值表和消息重传表四张表。g s r ( g l o b a ls t a t er o u t i n g ) 是一种链路状态路由 协议。每个节点存储邻居列表、拓扑表、下跳表和距离表四张表格。f s r ( f i s h e y e s t a t er o u t i n g ) 对g s r 进行了改进。f s r 的更新消息只包含附近节点的信息， 显著地减小了更新消息的大小。h s r ( h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g ) 是一种 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 用于分级网络的路由协议。高级的节点保存它所有子孙节点的位置信息。根据从 最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址。序列地址指 示了节点的位置，可以简单地使用序列地址进行寻址。网络还配备了位置管理服 务器来实现物理地址到逻辑序列地址的映射。z h l s “”( z o n e b a s e dh i e r a r c h i c a l l i n ks t a t e ) 路由协议是一种基于区域的路由协议。网络被分割成不重叠的区域， 区域与簇不同，它没有首领。并定义了两级拓扑：节点级和区域级。节点级拓扑 指一个区域内的节点的物理连接。区域级拓扑指各个区域如何互相连接。网络中 存在两种链路状态报文：节点链路状态报文和区域链路状态报文。节点链路状态 报文包含节点的邻居信息，只在区域内传播。区域链路状态报文包含区域间的链 路状态，在全网中传播。通过分区可以减少路由控制报文的个数。 先应式路由协议( 表驱动路由协议) 采用周期性的路由分组广播来交换路由 信息。每个节点维护去往全网所有节点的路由。表驱动路由协议的优点是当节点 需要发送一个去往其他节点的数据分组时，只要路由存在，发送分组的延时就很 小。缺点是表驱动路由协议需要通过连续地检测链路质量，时刻维护准确的网络 拓扑和路由信息，这使得需要大量的控制报文和其它代价( 如带宽、电源、c p u 资源等) ，才能使路由表能够跟上当前网络拓扑结构的变化，但动态变化的拓扑 结构又可能使高价得来的路由表中内容变成无效信息，路由协议始终处于不收敛 状态。目前，这种类型的无线a dh o c 网络路由协议已提出了几种机制，用以改 善这些方面的性能。 图2 7 反应式路由协议举例 图2 7 是现有的部分反应式路由协议。a o d v ( a dh o c0 n d e m a n dd i s t a n c e v e c t o rr o u t i n g ) 是d s d v 的改进型，通过随选路由来降低d s d v 中控制报文的 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 数目，从而提高系统效率。为了查找到达目的节点的路由，源节点广播一个路由 请求消息。它的邻居收到广播消息后再次广播，直到请求消息到达目的节点或到 达知道到目的节点路由的中间节点。目的节点或知道路由的中间节点沿原来的路 径向源节点返回路由响应消息。源节点收到响应后，它就可以得知到达目的节点 的路由。a o d v 还包括路由维护部分，实现当路径上的中间节点移动时对缓存中 路由的修改和删除。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 0 1 ) 是一种源点选 路路由协议。t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 是一个有效的、 可扩展性好的反应式路由协议。它可以找到从源节点到目的节点的多条路由。a b r ( a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g ) 中路由的选择是以节点间的连接稳定性作为 度量依据的。s s r ( s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g ) 中路由的选择是以节点间的信 号强度作为度量依据的。c b r p ( c l u s t e rb a s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 被用于单频 两级网络中。c b r p 也使用源点选路，路由查找使用与d s d v 类似的请求一回应 方式。为了减少报文丢失率，引入了中间节点本地修复机制。 反应式路由协议( 按需路由协议) 是根据发送节点的需要，按需进行路出发 现过程，网络拓扑结构和路由表内容也是按需建立的，所以其内容可能仅仅是整 个网络拓扑结构信息的部分。按需路由的优点是不需要周期性的广播路由信 息，当需要时才查找相应的路由，节省了路由维护的开销。特别是当网络负荷不 是很重时，节省的开销更加可观。缺点是在发送数据分组时，因没有去往目的节 点的路由，要临时启动路由发现过程来寻找路由，所以数据分组需要等待一定时 间的延时，并且由于路由发现过程通常采用全网泛洪机制进行搜索，这在一定程 度上也抵消了按需机制带来的好处。 单纯采用先应式或反应式路由协议都不能完全解决问题。单纯的先应式路由 协议需要大量的控制报文，并且大量的控制报文是无为的。原因是由于a dh o c 网 络的高度动态性，很多的路由信息都没有被用到。维护这些没有用到的路由信息 的正确性而使用的控制报文当然是无为的。造成这种现象的根本原因是：网络拓 扑的变化一般只具有局部意义。而先应式路由协议却把这种只具有局部意义的信 息扩散到全网。这是先应式路由协议设计上的最大缺陷。解决的办法要么是限制 拓扑变化信息传播的范围，要么是不传播拓扑变化信息。反应式路由协议就是不 传播拓扑变化信息的典型。但为每个报文查找路由显然是不合理的，特别是当连 1 4 南京邮电学院2 0 9 5 届硕士研究生毕业论文 续向某个目的节点发送多个报文时。所以引入了将找到的路由缓存的机制。为了 维护缓存路由的准确性，当拓扑发生变化时，要通知各节点修改缓存中的路由信 息。这采用了部分先应式路由协议持续维护网络拓扑的思想。由此可见，使用既 有先应式特点又有反应式特点的混合式路由协议是路由协议发展的必然方向。在 局部范围内使用先应式路由协议，以缩小路由控制消息传播的范围。当目标节点 较远时，通过查找发现路由。这样既可以减少路由协议的开销，时延特性也得到 了改善。 不管是采用先应式还是反应式路由协议，a dh o c 网络中的路由协议都应该 尽可能的实现以下的功能： ( 1 ) 能感知网络拓扑结构的变化。a dh o c 路由协议要能够检测到网络拓扑 的动态变化。因为a dh o c 网络需要进行多跳通信，所以路由协议必须确保路径 中的链路具有很强的连接性。a dh o c 网络中的节点必须知道它的周围环境和可 以与它直接进行通信的节点。 ( 2 ) 维护网络拓扑的连接。因为每个移动主机都可以随时改变位置，所以网 络拓扑是频繁变化的。这样，a dh o c 路由协议为了维持节点之间的链路具有较 强的连接性，它必须动态更新链路状态和对自己重新配置。如果采用中心控制的 路由算法，为把节点链路状态的改变传送到所有的节点，就会消耗过多的时间和 精力，显然是不适合的。所以要采用一种全分布式的路由算法。 ( 3 ) 高度自适应的路由。相对于有线网络里的静态节点，a dh o c 网络要求 一个高度自适应的路由机制，来处理快速的拓扑变化。而传统的路由协议，如距 离矢量和链路状态算法，要求在指定路由器间交换大量路由信息，因此在a dh o c 网络罩都不能有效地工作。 2 4 移动a dh o c 网的应用 与蜂窝网络相比，a dh o c 网络具有不可比拟的优点。首先，不需要固定的 基础设施( 如基站) ，a dh o c 网络可以随时地建立和拆除。可以在没有其它通信 设施，或者由于保密、费用、安全性等原因使一些设施不能被使用的情况下使用。 其次，a dh o c 网络不受固定拓扑结构的限制，具有很强的容错性和鲁棒性。这 些优良特性使得a dh o c 网络具有广阔的应用前景。 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 军事行动和地震、水灾或偏远地区的救援行动是a dh o c 网络的传统应用领 域。a dh o c 也可以作为无线接入网，提供迅速的组网能力。在本地范围内，笔 记本和掌上电脑可以采用r i dh o e 的方式在会议中发布和共享信息。h dh o c 网络 这种快速，简单组网能力使得它适用于l 临时场合的通信，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。此外，传感器网络可以用于战地情 报搜集、环境污染监测、地震和海啸的早期预报、生产车间监控等许多领域。 a dt t o c 网络的另一个应用是分层自组网络。分层自组网可以分为两层：一 层是接入层，一层是终端层。接入层是由多个h p ( 接入点) 构成的，这些a p 既 可以作为网络接入点，也可以作为用户，并且这些a p 的位置是可以随意移动的， 这一层就构成一个无线自组网，a p 之间的通信采用相互转发来实现，即多跳通 信。终端层是由移动终端用户组成，它们也构成一个自组网，相互之间的通信也 可采用多跳转发，并且可以通过a p 与其它微小区用户通信或接入网络。 1 6 南京邮电学院2 0 0 5 届硕士研究生毕业论文 第三章移动代理基本原理及应用 移动代理是当今计算机科学技术领域、信息工程领域和网络通信领域十分活 跃的前沿方向之一。它是代理技术的一种，但又不同于其它静态代理，通过在网 络中漫游来完成任务，是传统的c l i e n t s e r v e r 分布计算的扩展方式。它能简化 复杂的分布计算任务，使其更加容易实现。 本章从介绍代理技术开始，对移动代理进行一些简单的说明。 3 1 代理技术 代理技术的诞生和发展足人工智能( a i ) 和网络技术发展的必然结果。代理 是驻留于环境中的实体，它可以解释从环境中获得的反映环境中所发生事件的数 据，并执行对环境产生影响的行为。一般我们把具有智能行为和交互特征的分布 式实体都称为代理。代理技术是分布对象技术和