（计算机系统结构专业论文）ad+hoc+网络aodv路由协议的qos机制研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：喜7 巧年 1 7 1 t i l l ：别口年，月形同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 占璐 j 同期：砂，年，月名日 摘要 摘要 无线移动自组织网络( a dh o e 网络) 是一种带有收发装置的移动节点组成的 一个临时多跳无线移动通信网络。在信息化社会当中，a dh o c 网络无论在军用 还是在民用上都有着广泛的应用前景。随着应用深入，迫切需要在a dh o e 网络 上保证多媒体、紧急数据、实时应用的准确传输。解决该问题的关键就在于a d h o c 网络中实现服务质量( q o s ) 支持。 路由协议是网络技术的重要组成部分。迄今为止，因特网工程任务组( i e t f ) 下的m a n e t 小组一直负责a dh o e 网络的路由协议的标准化工作。形成草案的 并被国内外广泛研究的协议有d s r 和a o d v 。由于a dh o c 网络节点的移动性 和随机性，有线网络成熟的q o s 方案在a dh o c 网络上移植性不强，但是仍有可 借鉴的地方。基于此，本文选取a o d v 作为q o s 研究和改进的切入点。 本文通过对a dh o e 路由协议a o d v 及其相关q o s 支持进行研究，结合多 方面的关键技术，提出了一种基于相关节点的多路径负载均衡q o s 单播路由协 议k n - a o d v 。该协议利用a dh o e 网络的相关性，并结合t d m a 带宽计算方法 选取关节点，在关节点上实现网络流量的汇聚与分流。实验表明该协议满足了 一定的q o s 要求，在一定程度上实现了网络流量负载均衡。与原协议a o d v 相 比，由于采用了多路径分发技术，汇聚和分流调节了局部的网络流量，协议的 路由负载比有所下降，分组成功抵达率有所提高。 关键字：移动自组网，路由协议，服务质量，a o d v 协议，多路径相关，关节点 a b s t r a c t a b s t r a c t a dh o en e t w o r ki sak i n do ft e m p o r a r y , m u l t i h o p ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，w h i c hi sc o n s i s t e db ym a n yn o d e sw i t hr e c e i v i n ga n ds e n d i n gd e v i c e i nt h e i n f o n n a t i o ns o c i e t y , a dh o en e t w o r k sa r ew i d e l yu s e di nm i l i t a r yo rc i v i l i a nf i e l d s w i t ht h ei n d e p t ha p p l i c a t i o n , w eu r g e n t l yn e e dt o 既i s u i et h e a c c u r a t et r a n s m i s s i o n i na dh o cn e t w o r km u l t i m e d i a , e m e r g e n c yd a t a , r e a l - t i m ea p p l i c a t i o n t h ek e yt o s o l v et h i sp r o b l e mi st h es u p p o r to fq o si na dh o en e t w o r k s r o u t i n gp r o t o c o li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y s of a r , t h e m a n e tg r o u pu n d e rt h ei n t e r a c t e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) h a sb e e n r e s p o n s i b l ef o rt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h ea dh o en e t w o r km u t i n gp r o t o c o l s d s ra n d a o d va r et h ef o r m e dd r i f t s ，w h i c ha l ew i d e l yr e s e a r c h e d b e c a u s eo ft h em o b i l i t y a n dr a n d o m i c i t y ，t h em a t u r eq o ss c h e m e si nc a b l en e t w o r kc a n n o tb et r a n s p l a n t e dt o a dh o en e t w o r k sd i r e c t l y , b u ts t i l le a r lb er e f e r a b l e b a s e do nt h i s ，t h ep a p e rs e l e c t a o d va st h eb r e a k t h r o u g hp o i n to fq o sr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t b yr e s e a r c h i n gt h ea dh o en e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o la o d v a n dr e l a t e ds u p p o r t o fq o s ，a n dt h ec o m b i n a t i o no fm a n yk e yt e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa l o a d - b a l a n c i n gm u l t i - p a t hu n i c a s tq o sm u t i n gp r o t o c o l ，c a l l e dk n a o d v t h e p r o t o c o lu s e st h er o u t i n gr e l e v a n c et ot h ea dh o e , c o m b i n i n gw i t ht h em e t h o d s c a l c u l a t i n gt h eb a n d w i d t h ，t d m at os e l e c tt h ek e y - n o d e s ，w h i c hi su s e dt oa c h i e v e t h et r a f f i c sc o n v e r g e n c ea n ds h u n t e x p e r i m e n t ss h o wt l l a tt h ep r o t o c o lt om e e t c e r t a i nq o sr e q u i r e m e n t s ，a n da c h i e v et h et r a f f i cl o a db a l a n c i n gt oac e r t a i ne x t e n t c o m p a r e dw i t ht h ea o d v b e c a u s eo ft h et e c h n o l o g yo fm u l t i p a t hd i s t r i b u t i o na n d t h et r a f f i c s c o n v e r g e n c ea n d s h u n tw i t h a d j u s t i n gt h e f l o w o fn e t w o r k ，t h e n o r m a l i z e d1 0 a dh a sd e c r e a s e d ，a n dt h es u c c e s sr a t eo fa r r i v a lp a c k e th a si n c r e a s e d k e y w o r d s ：a dh o en e t w o r k ，r o u t i n gp r o t o c o l ，q o s ，a o d v p r o t o c o l ， k e y n o d e s ，m u l t i - p a t hd i s t r i b u t i o n 目录 目录 1 引言1 1 1 论文的选题意义和研究背景。l 1 2 国内外研究现状2 1 3论文的主要内容和创新点。3 2a dh o c 网络及q o s 支持6 2 1a dh o e 网络。6 2 1 1a dh o e 网络概述6 2 1 2a dh o e 网络协议栈体系结构7 2 2a dh o e 网络的路由协议1 0 2 2 1 现有的a d h o e 网络路由协议分类l o 2 2 2 经典的a dh o t ：网络路由协议1 2 2 3 q o s 支持。13 2 3 1q o s 的概述l3 2 3 2 有线网络的q o s 保障策略1 4 2 3 3a dh o e 网络的q o s 路由支持1 6 2 4 本章小结1 7 3 基于a o d v 协议的q o s 路由协议18 3 1 a o d v 协议18 3 2 a o d v 的相关q o s 路由协议改进2 6 3 3 本章小结2 8 4改进的l ( 1 1 a o d v 协议设计2 9 4 1k n a o d v 的基本思想矗2 9 l l l 目录 4 2k n a o d v 协议改进的关键技术2 9 4 3k n - a o d v 协议的数据结构3 3 4 4k n a o d v 的协议过程3 5 4 5 算法举例3 8 4 6 本章小结3 9 5k n a o d v 协议的n s 2 仿真。4 0 5 1n s 2 仿真软件概述4 0 5 1 1 n s - 2 仿真软件介绍4 0 5 1 2n s - 2 无线移动仿真模型介绍。4 l 5 2 路由协议的衡量指标。4 3 5 3 仿真基本环境设置4 3 5 3 1 仿真参数简介4 3 5 3 2 网络各项参数设置4 4 5 4 仿真结果及分析4 5 5 5 本章小结4 7 6 总结与展望4 8 6 1 总结。4 8 6 2 展望4 9 参考文献5 0 致谢。5 3 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果5 4 i v 表目录 表目录 表3 1r r e q 分组格式1 9 表3 2r r e p 分组格式。1 9 表3 3 比r 分组格式。2 0 表4 11 d l - a o d v 的r r e q 分组格式3 3 表4 2k n - a o d i v 的r r e p 分组格式。3 4 表4 3k n - a o d v 的r r e r 分组格式。3 4 表5 1网络参数设置表。4 4 v 图目录 图目录 图2 1 典型的a dh o c 网络结构7 图2 2a dh o e 网络的协议分层模型8 图2 3 细化的a dh o e 基于t c p i p 协议栈体系模型9 图2 4 完整的q o s 模型15 图3 1 a o d v 路由请求示意图( r r e q ) 2 1 图3 2r r e q 分组处理流程图2 2 图3 3a o d v 路由回复示意图( 1 u 也p ) 2 3 图3 4r r e p 分组处理流程图2 4 图4 1t d m a 带宽计算流程图3 0 图4 2k n - a o d v 的r r e q 分组处理流程图3 6 图4 3 初始化的网络拓扑结构。3 8 图5 1n s 2 中移动节点模型一4 2 图5 2 两种协议分组成功抵达率的比较4 6 图5 3 两种协议路由负载比的比较。4 6 v i 1 引言 1引言 1 1 论文的选题意义和研究背景 当今社会，通信和网络技术的迅速发展丰富了信息交流方式，极大地促进 了信息的全球化，深刻改变了社会的经济、政治与生活面貌。随着微电子技术 和无线通信理论的迅猛发展，无线通信网络取得了跨越式的发展，己成为全球 通信网络的重要组成部分，其中a dh o e 网络以其灵活性越来越受全球用户和研 究者的青睐。 “a dh o c ”一词来源于拉丁语，意思是“专用的，特定的。a dh o c 网络 通常也可称为为“无固定设施网 或者“自组织网【l 】。顾名思义，a dh o c 网 络是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。该 系统具有无预设、无中心、抗毁性强等特点。系统中的节点既有终端功能，兼 有路由功能，从而可以在实现数据接收处理应用的同时，对数据进行多跳转发。 由于a dh o e 网络广泛应用，越来越多的国内外研究学者涉及a dh o e 网络 的研究。大致可以分为以下几个研究切入点：物理层自适应技术；信道接入技 术；路由协议；服务质量保证；广播和多播；安全问题；网络管理；传输层服 务：网络互连技术1 2 】。而a dh o e 网络应用领域，从起初的军事通信，到随后民 用的灾后紧急救援、传感器网络、车辆通信等这些具有特殊要求的领域，迫切 需要在a dh o c 网络上保证多媒体信息、紧急数据和实时应用数据的准确、安全、 有效地传输。解决该问题的关键就是在a dh o c 网络中支持q o s 。a dh o c 网络 本身具有不同于一般网络的特点，例如，具有网络自组性、动态拓扑、有限的 和变化的网络带宽、单项信道的存在、多跳通信、终端局限性、分布式控制、 有限的网络安全1 3 】等。这些特性都使得a dh o e 网络在q o s 保证方面面临着巨 大的困难和挑战。 目前解决q o s 保证的常规思路是提供q o s 保证体系。q o s 保证体系包括 q o s 模型、q o s 路由、q o s 信令协议、q o sm a c 以及其他组件1 4 】。由此可见， 保证q o s 是一个庞大的系统工程，它需要网络结构体系中的任何组件或层次相 互合作，任何一个环节的疏漏都可能使q o s 保证功亏一篑。其中的q o s 路由机 制，因其负责找到一条具有足够资源的路径，是支持q o s 的关键。所以我们研 1 引言 究能够支持q o s 的路由协议是非常有意义的。 1 2 国内外研究现状 由于a dh o c 网络应用的广泛性，越来越多的科研团队加入到这个大课题的 研究队伍中。从a dh o c 网络目前的研究情况看，网络层是协议栈各层的研究重 点，而路由协议又是网络层的研究焦点【5 h 7 1 。a dh o c 网络路由协议的目标是在 需要通信的节点间直接或者间接建立准确高效的路由，及时传递各种信息。 考虑到a dh o c 网络本身的特殊性，传统的有线网络的协议及其相关的q o s 保障策略都不能直接照搬或移植。首先从路由协议方面考虑，由于a dh o c 网络 具有自组织性和网络拓扑动态变化的特性，r i p 引、o s p f 9 】等传统的路由协议在 a dh o c 网络中不能照搬应用。为了满足a dh o c 网络的不同需求，研究者从不 同方面提出了一些针对a dh o c 网络的路由方案，如信宿序列距离矢量路由 ( d s d v ，d e s t i n a t i o ns e q u e i l c c dd i s t a n c ev e 娥o rr o u t i n g ) 0 0 1 、动态源路由( d s r ， d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 1 l 】、 a dh o c 按需驱动矢量路由( a o d v ，a dh o co n d e m a n dr o u t i n g ) 1 2 】、临时序列路由算法( 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 g a l g o r i t h m ) 【l3 】等。这些协议或者算法已经被i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 下的m a n e t1 - 作组公布为协议草案，相关文档可以在i e t f 官网上得到。这些 算法主要是关注路由效率及控制开销的优化，而没有对业务的q o s 加以考虑。 其次，从q o s 保障方面考虑，对传统的有线网络来说，其q o s 保障问题经过多 年的研究，己经积累了相当多的经验，并提出了一些解决方法，目前主要有三 类方案：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，i n t s e r v ) 、区分服务( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，d i f i n e r y ) 、多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 。 i n t s e r v 是基于流和端到端的，通过r s v p 协议对流所需要的资源进行相应预留 以实现对q o s 的支持。d i f f s e r v 则将流聚集为类，它提供定性的q o s 支持。进 入区分服务区域的数据流首先在区域的边缘被分类、调节形成不同的类，网络 的核心节点为不同的类提供有差别的服务。m p l s 则利用硬件技术对数据分组采 用打标签、转发匹配的方式，大大提升了q o s 的性能。但这三类方案都不适合 直接移植到a dh o c 网络。 服务质量( q o s ) 指的是网络体系为保证用户节点的某种业务需求，而事先 定义的一系列业务性能限制，如：端到端时延、时延抖动、可用带宽、丢包率 2 1 引言 等。为了保证q o s ，必须具有足够的可用网络资源。其中首要的工作就是在源 节点和信宿节点之间发现一条符合要求的路由，此路由可以提供必要的资源以 满足特定业务的q o s 需求。这种用于发现满足特定业务需求的q o s 保证路由算 法称为q o s 路由算法【2 】。由于a dh o c 网络本身的特点以及局限性，q o s 保证依 然是目前研究的热点和难点之一。 目前，国内外有不少研究机构已经致力于a dh o c 网络q o s 相关的研究工作， 国外的研究机构主要有：i e t f 下的m a n e t 工作组致力于a dh o e 路由协议的 标准化工作；美国r i c e 大学m o n a r c h 项目主要研究无线移动网络的网络协议， 著名的d s r 协议就是该项目组设计的；美国加州大学洛杉矶分校m a r i og e r l a 教授领导的“无线自适用移动性实验室；麻萨诸塞州立大学电子工程学院a u r a g a n z 教授领导的“多媒体网络实验室 ，致力于m a n e t 网络及q o s 路由的研 究；马里兰大学s t a s hk t r i p a t h i 教授所领导的“移动计算与多媒体实验室”， 研究方向包括m a n e t 网络的路由协议、q o s 支持等；加州大学圣巴巴拉分校 e l i z a b e t hm b e l d i n g - r o y e r 教授所领导的“移动性管理和联网实验室 ，研究方 向包括m a n e t 网络路由协议、多播协议、地址重构、安全性、q o s 、可伸缩性 和适应性等。国内研究机构主要有：解放军理工大学通信工程学院的研究人员 ( 如黄海涛、郑少仁等) 对m a n e t 网络的路由协议、q o s 保障、功率控制和 节能技术、安全性及与i n t e r n e t 的互连进行了研究；上海交通大学的姚尹雄等人 致力于m a n e t 网络q o s 框架的研究，提出了一个基于i n s i g n i a 的q o s 框架 m a q f 。另外，上海交大、复旦大学、浙江大学、天津大学的一些博士生也致力 a dh o e 网络路由协议与q o s 的研究【l4 1 。 综合国内外研究现状，基于a dh o e 网络的q o s 解决方案无外乎以下三种思 路：一是以每个单独的结构层次作为切入点，比如m a c 层或者路由层，综合考 虑其他层次对该层次提出相应的q o s 保障策略；二是基于现有的网络体系，综 合所有层次，从多方面入手，综合保障q o s ；三是推倒或者改造现有的网络体 系结构，形成一套比较规范的q o s 保障体系。 1 3 论文的创新点和主要内容 论文针对服务质量和a dh o c 网络的路由协议进行学习和研究，特别分析了 a dh o e 网络的经典路由协议a o d v ，并且结合a o d v 的多径路由策略中的相关 3 性，提出了一种基于a o d v 的关节点按需路由协议( k n a o d v ) ；并且通过 n s 2 模拟器对改进前后的路由协议进行了仿真实验和数据比较，最后得出结论。 本文在大量阅读文献的基础上，对q o s 机制和a dh o e 网络路由协议做了深 入广泛的研究，并且提出了自己的相关改进方案，主要的创新在于： 1 分析了现有a dh o c 网络中存在的研究热点以及q o s 保障机制的难点， 深入剖析a o d v 协议及其相关q o s 保障机制协议，从中汲取可以借鉴的思想， 为进一步提出一种改进的路由协议提供了理论上的依据。 2 针对a o d v 协议的工作原理，结合相关q o s 保障思想，提出了关节点 路由协议h a o d v 的概念，并重新定义了对应的数据结构，提出了相应算法， 使l 【1 1 a o d v 更适用于数据流量较大的网络，平衡了全网络的流量负载，降低了 路由负载比，并提高了分组成功抵达率。 3 根据h a o d v 算法，利用n s 2 模拟器，建立实验环境，对理论算法进 行实验仿真，并将改进前后的a o d v 协议的实验数据加以比较。并考虑了其他 参数对网络协议性能的影响，分析了产生这种影响和变化的原因。 在论文的结构上做了以下安排： l引言。介绍了论文所研究内容的选题背景及研究意义，论文的结构安排 以及创新点。 2a dh o e 网络及q o s 支持。介绍了a dh o c 网络及q o s 路由。其中，a dh o e 网络包括a dh o c 网络的基本概念和特点、研究的难点热点问题，协议栈结构体 系，相关的路由协议的分类，经典路由协议的分析；o o s 路由包括q o s 的相关 定义概念、量化参数，有线网络q o s 的保障策略，无线网络的q o s 支持研究现 状等。 3 基于a o d v 协议的q o s 路由协议。介绍了a dh o c 网络的a o d v 路由 协议。在着重介绍了研究a dh o c 网络的a o d v ( a dh o co nd e m a n dd i s t 锄c e v e c t o r ) 协议机制，并介绍了几种基于a o d v 具有q o s 支持策略的改进协议， 并且做了简单分析。 4 改进的k n a o d v 协议设计。为本文的重点，着重描述对a o d v 协议的 改进协议l ( 1 1 a o d v ，该协议从q o s 量化参数( 带宽) 出发，结合多路径数据并 发机制，利用相关性原理选取关节点，通过增加修改分组的数据结构和设计相 关的路由算法实现协议实体。 5k 1 1 a o d v 的n s 2 仿真。主要介绍改进后的实验验证过程。利用n s 2 4 模拟器作为网络模拟工具，建立了一个实验仿真环境，对a o d v 协议和h a o d v 进行了仿真，得到了仿真数据并进行分析和比较。 6 结论与展望。对整篇论文进行了总结并提出了以后工作的发展方向。 5 2a dh o t ：网络及q o s 支持 2a d h o e 网络及q o s 支持 2 1a dh o e 网络 2 1 1a dh o e 网络概述 信息化社会，无线通信技术的飞速发展，使a dh o c 网络应运而生，与传统 的有线网络的路程一样，其也经历了由军用延伸至民用的过程。a dh o c 网络最 初应用于军事领域，它的研究起源于美国在战场环境下分组无线网数据通信项 目，该项目由d a r p t 资助，其后，又在1 9 8 3 年和1 9 9 4 年进行了高残存性自适 应网络s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v e n e t w o r k ) 和全球移动信息系统g i s ( g l o b a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 项目的研刭b j 。和平年代，a dh o c 网络在民用环境下也得 到了快速的发展，应用于没有有线基础设施的地区进行临时通信，例如2 0 0 8 年 的汶川大地震时就采用临时救急通信车，以及散发无线传感器的方式建立无线 网络，暂时缓解了重灾区有线通信中断的问题。 a dh o g 网络是无线网络的重要组成部分，与常用的g s m 和c d m a 不同， 其没有固定的预设设备，没有中心控制装置，也没有预先与传统的有线网络互 联互通。a dh o e 网络是由具有无线通信能力的移动节点组成的，各个网络节点 相互协作、通过无线链路进行通信、交换信息，实现信息的传递和服务的共享： 网络节点能够动态地、随意地、频繁地加入和离开网络，而往往不需要事先示 警或通告，而且不会破坏网络中其他节点的通信，其中每个节点既可作为通信 终端也可作为路由器使用。由于节点具有路由功能，网络拓扑结构具有多元性 和灵活性。典型的a dh o c 网络示例图如图2 1 所示。 由上可知，a dh o c 网络的许多优良特性使它在军事通信领域和民用通信领 域占据一席之地。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，多跳转发特性可以在不降低节点通信覆盖范围的条件下减少每个终端的 发射功率，从而降低天线和相关发射接受信号装置的设计难度和成本，从而为 移动终端的小型化、低功耗提供了可能性。再次，从共享无线信道的角度来说， a dh o c 网络接入控制能够降低信号冲突的概率，从而提高信道利用率。从用户 6 2a dh o c 网络及q o s 支持 角度来看，低功率的无线电波产生的电磁辐射比较小，对身体健康的影响小。 另外，网络的鲁棒性、抗毁灭性满足了某些特定应用的需要。因此，a dh o c 网 络被大规模应用在军事应用、传感器网络、紧急和临时场合、偏远和野外地区、 个人通信、商业应用、末端子网、移动终端等场创1 6 1 。 a dh o c 网络物理结构图 a dh o e 网络逻辑结构图 图2 1 典型的a db o c 网络结构 2 1 2a dh o e 网络协议栈体系结构 a dh o c 网络是无线通信网络发展壮大的一个分支，研究a dh o c 网络需要 掌握了解该网络的协议栈体系结构，借鉴有线网络的协议栈体系，可以将其分 为o s i 参考模型和t c p i p 模型两种。 o s l 参考模型演化过的a dh o c 网络的协议分层分为5 层【1 7 】。参考模型如图 2 2 所示。 由于a dh o c 网络采用的对等结构，即网络中的节点都具有相同的层次，不 涉及使用专用的路由器交换机等有线网络的设备。各层次的功能定义如下： 1 物理层：负责无线频率的选择，无线信号的检测、发送和接收、调制解 调，无线信道的加密解密，同时协商及确定a dh o c 网络中节点是采用直接序列 扩频( d s s s ) 技术或是跳频扩频( f h s s ) 技术。a dh o c 网络采免费的2 4 g h z i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm i l i t a r y ) 频段。 7 2a dh o c 网络及q o s 支持 应用层 应用层裹示层 l 传输层 会话层 传输层 网络层网络层 数据键路层数据链路层 物理层物理层 o s i 多考模型 图2 2a dh o c 网络的协议分层模型 2 数据链路层：a dh o e 网络体系结构采用了8 0 2 系列协议结构的设计思 想，将该层又分为链路控制子层和信道接入子层。链路控制子层负责完成与物 理信道无关的链路控制功能，包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的确认、 优先级排队、差错控制和流量控制等。信道接入子层负责完成控制移动节点对 无线信道的访问，为前者提供快速、可靠的帧传输支持，决定具体采用哪种信 道接入机制，成熟的接入机制包括随机竞争机制( 例如c s m a 、i e e e 8 0 2 1l 或 m a c a ) 、基于信道划分的接入机制( 例如，t d m a 、f d m a 、c d m a ) 、轮转 机制( 例如，轮询或令牌环) 、动态调度机制，以及以上机制的组合形式【4 1 。 3 网络层：o s i 参考模型规定网络层负责完成路由选择和分组转发功能。 由于信道接入、差错控制、数据检测都在底层完成，分组转发功能只是进行简 单的数据处理就转交给下一跳，重点还在路由选择。其次，a dh o c 网络采用特 殊的多条共享信道，因此与传统的有线网络有很大区别，这需要研究者在研究 时注意网络构建时节点用的是m 地址标识还是内部地址标识。 4 传输层：传输层的主要功能是向应用层提供端到端的服务，使资源子层 与通信子网隔离。但是由于a dh o c 网络面临诸多问题，传统的有线网络传输层 的协议已经不适合这种特殊的网络环境，需要加以修改。 5 应用层：该层由应用程序提供不同的应用需求和服务，这一点与传统的 有线网络是一致的。这些应用可能有着不同的q o s ( 如时延和丢包率等) 要求， 因此需要在下层协议改进和设计时，兼顾应用层的不同需求。 然而，o s i 演化模型更接近于传统有线网络的t c p i p 协议模型，这与网络 8 2a dh o c 网络及q o s 支持 的通用性要求是一致的。因此，我们根据a dh o c 网络的特点，结合t c p i p 协 议模型将a dh o c 网络协议体系的各层细化，如图2 3 所示。 应用层t 尽力两为型数据业务、高实时型数据业务 二蔓至塑二堕三蔓翌匾三二j 传输堪lt c p , u d p , r t p 百蕊- 赢忑蕊二。l 嘲络层：i p v 4 i p v 6 ，m o b i l ei p 、赂由协议、v ) c l 制、邻厝发现 ，o 一一一- 一一一一一一一一一一一一一 i 分段和麒维护 ： 一j 媛体接入控铡腰ti e e e8 0 2 i l 、8 0 乏1 5 3 ，b l u , 曲o o t h , 。 i 一一。一一一一一一一一一一。一一 ： 功率控制与拓扑生成 ： 钧理层：扩须技术、谭制解调、多天线m i m o 、定向天线 图2 3 细化的a dh o c 基于t c p i p 协议体系模型 由图2 2 和图2 3 可以看出，与传统的有线网络的分层设计具有良好的通用 性和独立性不同，由于a dh o c 网络的链路局限性、拓扑多变性等，严格的分层 设计不能灵活地进行处理数据和应用的需求，并且影响网络整体的最优性，尤 其是在能量受限和服务质量约束的网络环境中。因此，应尽可能采用基于应用 和网络特征的跨层次体系结构，在保证协议体系通用性、健壮性的同时，提高 其灵活性【3 】。由图2 3 可以看出，由于资源子网中高两层的交换信息很少，而通 信子网中的低三层相对较多，因此跨层次结构设计一般是指通信子网的跨层次 设计。目前已有的研究主要集中在m a c 协议和路由协议，其中路由协议的效率 在拓扑结构动态变化和无线带宽受限的a dh o c 网络中成为影响协议性能的一个 关键因素。 9 反馈与跨层自适应拴瓴 q o s僳障与娩馈锊理机铡 2a dh o c 网络及q o s 支持 2 2a dh o e 网络的路由协议 2 2 1 现有的a dh o e 网络路由协议分类 由上可知，由于a dh o e 网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速更新、 适应单向信道环境等这些特殊要求，现有的口路由协议，如r i p ( 路由选择信 息协议) 和o s p f ( 开放最短路径优先协议) 等基于固定设备的协议设计思想不 能满足以上要求，a dh o c 网络路由协议的设计具有很大难度。i e t f 的m a n e t 工作组重点研究a dh o c 网络中的路由协谢m 】。目前工作组已经提出了许多协议 草案，比如d s d v ( 目标序列距离路由矢量算法) 、d s r ( 动态源路由协议) 、 a o d v ( a d h o c 网络的距离矢量路由算法) 、t o r a ( i 临时顺序路由算法) 等。此 外，研究人员还发表了许多关于a dh o c 网络路由协议的学术论文，比如w r p 1 9 1 、 l a r 2 0 1 、z h l s 2 1 】等。这些路由协议根据不同的标准可以进行不同的分类，弄清 协议的分类对掌握协议的优缺点有重要意义。 从协议中节点的逻辑角度和节点在协议过程中的地位作用划分，可以分为 平面路由协议和分级路由协议。 1 平面( f l a t ) 路由协议：在平面路由协议中，网络中的所有节点在形成和 维护路由享有对等的权利和义务，即路由协议中节点的逻辑视图是平面结构， 结点的地位是平等的，不存在某些节点具有特殊用途。这类协议的优点是不存 在特殊节点，路由协议的鲁棒性较好，通信流量以及路由负载较为均衡的分布 在网络中。其缺点是缺乏可扩展性，只适用于节点规模较小的a dh o c 网络。 2 分级( h i e r a r c h i c a l ) 路由协议：分级路由协议中，网络由多个簇组成， 因而节点分为普通节点和簇头节点。处于同一簇的簇头节点和普通节点共同维 护所在簇内部的路由信息，簇头节点负责所管辖簇的拓扑信息的摘要处理，并 与其他簇头节点互换处理后的拓扑信息【l6 1 。采用分簇思想主要有两个目的：一 是通过减少参与路由计算的节点数目，缩小路由交换的范围，从而减小节点维 护路由表的大小，降低交换路由信息所需的通信开销和维护路由表所需的内存 开销，这与有线网络中层次思想的目标是一致的；二是基于某种簇形式策略， 选举形成一个较为稳定的子网络，减少拓扑结构变化对路由协议带来的冲击。 此类路由的优点是可扩展性较好，适用组建规模较大的网络；缺点是簇头节点 的选举算法的收敛性、可靠性和稳定性对协议性能影响较大。 1 0 2a dh o c 网络及q o s 支持 国内外学者的关注点都放在平面路由协议研究上，已经被i e t f 公布的协议 草案也大多数属于平面路由协议，一是因为大多数的协议只是停留在实验模拟 阶段，往往实验对象的网络规模较小；二是平面路由协议无需考虑加入额外的 算法，可以使研究者更多关注于协议算法本身的实现。 从另一个方面，按协议的工作方式( 主要是指路由发现的策略) 划分，可 将相关协议分为主动路由协议、被动路由协议和混合路由协议。 1 主动( p r o a c t i v e ) 路由协议 主动路由的路由发现策略与有线网络中r i p 路由协议类似，各节点通过周 期性地广播路由信息分组，主动交换路由信息，维护更新路由。同样的，节点 必须维护去往全网所有结点的路由。它的优点是当信源节点有发送数据分组请 求时，只需从本地维护的路由表项中查找出到信宿节点的路由信息，所需的路 由延时很小；缺点是主动路由协议路由花销开销很大，节点广播路由信息对网 络的带宽资源浪费较大；此外该类协议不能及时动态反应网络拓扑结构的变化， 存在无效路由。常见的主动式路由协议有w r p 、d s d v 、s t a r a 2 2 】等。 2 被动( r e a c t i v e ) 路由协议 被动路由协议的设计思想借鉴了有线局域网网桥设计思路。与主动路由相 反，被动路由既不需要定时地全网广播路由信息，也不需要维护全网所有节点 的路由信息，仅在信源结点有分组要发送但没有相应节点路由时，才进行路由 查找发现更新。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了宝贵的带宽 资源；缺点是数据分组因为路由发现而引起的等待时延较大。此类路由协议通 常分为路由发现和维护两个过程。当信源结点发现没有去往目的结点的路由时， 从信源节点开始触发路由发现过程，而在数据分组发送过程中节点只是保持一 种路由维护的过程，直至数据发送完毕或者路由失效而触发新的路由发现过程。 常见的被动式路由协议有a o d v 、d s r 、t o r a 。 3 混合( h y b r i d ) 路由协议 混合路由协议是一类混合使用以上两种路由发现策略的协议，从一定意义 上讲是两类路由发现策略的折中。此类协议在网络小范围内采用主动路由协议 以维护局部准确的路由消息，而在范围之外采用被动路由协议以减少路由开销。 比较著名的协议有z r p 2 3 1 、c e d a r 2 4 】等。 a dh o c 网络设计之初，考虑到网络规模小，通信数据少，学者最早关注于 主动路由协议，随着a dh o c 网络的应用深入，网络规模扩大，通信数据猛增， 2a dh o e 网络及q o s 支持 从尽可能的见地路由开销角度考虑，大多数学者关于被动式路由协议。而混合 路由协议则更多适用于超大型的a dh o c 网络。 2 2 2 经典的a dh o c 网络路由协议 a dh o c 网络从产生发展到现在，国内外学者可谓各显神通，其中不乏涌现 一些经典的路由协议，成为其他研究者竞相研究的对象： 1 d