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第六讲AdHoc网络 1 内容构成 一 AdHoc网络的概念和特征二 AdHoc的网络结构三 移动AdHoc网络MAC协议四 路由协议五 关键技术六 最后是问题讨论附 QoS 2 一 AdHoc网络的概念和特征 Adhoc一词来源于拉丁语 是特别或专门的意思 这里提出的Adhoc网络所指的就是一种特定的无线网络结构 强调的是多跳 自组织 无中心的概念 因特网任务工作组 IETF InternetEngineeringTaskForce 于1996年成立了MANET MobileAdhocNETworks 工作组 比较正规的表述为 无线Adhoc网络是指一组无线移动节点组成的多跳的临时性的无基础设施支持的无中心网络 在Adhoc网络中 节点具有报文转发能力 节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发 即经过多跳 MultiHop 这是Adhoc网络与其他移动网络的最根本区别 3 AdHoc网络的概念和特征 它也被称为多跳无线网 MultiHopWirelessNetwork 自组织网络 Self OrganizedNetwork 或无基础设施的网络 InfrastructurelessNetwork Adhoc网络的特点 1 无中心 Adhoc网络没有严格的控制中心 所有节点的地位平等 即是一个对等式网络 节点可以随时加入和离开网络 任何节点的故障不会影响整个网络的运行 具有很强的抗毁性 4 AdHoc网络的概念和特征 2 自组织 Adhoc网络相对常规通信网络而言 最大的区别就是可以在任何时刻 任何地点不需要现有信息基础网络设施 包括有线和无线网络 的支持 快速构建起一个移动通信网络 这也是个人通信的一种体现形式 3 多跳路由 当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时 需要中间节点的多跳转发 与固定网络的多跳不同 Adhoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的 而不是由专用的路由设备 如路由器 完成 网络中的每一个网络节点扮演着多个角色 它们可以是服务器 终端 也可以是路由器 5 AdHoc网络的概念和特征 4 动态变化的网络拓扑结构 拓扑结构中代表移动终端顶点的增加或消失 代表无线信道的有向边的增加和消失 网络拓扑结构的分割和合并等等 5 移动终端的局限性 Adhoc网络中 用户终端通常以PDA 个人数字助理 掌上型电脑或手持式电脑为主要形式 相对于台式机而言 在带来移动性 灵巧 轻便等好处的同时 其固有的特性 例如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源 车载终端的电源相对而言较有保障 内存较小 CPU性能较低等 给Adhoc网络环境下的网络协议和应用程序设计开发带来一定的难度 6 AdHoc网络的概念和特征 6 存在单向的无线信道 Adhoc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 在常规网络中 节点间通常基于双向的有线或无线信道进行通信 这些单向信道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 7 有限的无线传输带宽 Adhoc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 除此之外 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞 信号衰减 噪音干扰 信道间干扰等多种因素 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值 7 AdHoc网络的概念和特征 8 安全性差 Adhoc网络是一种特殊的无线网络 由于采用无线信道 有限电源 分布式控制等技术和方式 所以更加容易受到被动窃听 主动入侵 拒绝服务 剥夺 睡眠 终端无法进入睡眠模式 伪造等各种网络攻击 9 网络的可扩展性不强 在目前Internet环境下 由于采用了子网 subnet 等技术 从而使得目前的Internet具有较强的网络可扩展性 但是动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个Adhoc网络中 因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在Adhoc网络环境中 8 二 AdHoc网络的结构 1 结点结构Adhoc网络中的结点不仅要具备普通移动终端的功能 还要具有报文转发能力 即要具备路由器的功能 因此 就完成的功能而言可以将结点分为主机 路由器和电台三部分 主机 完成普通移动终端的功能 包括人机接口 数据处理等应用软件 路由器 负责维护网络的拓扑结构和路由信息 完成报文的转发功能 电台部分 为信息传输提供无线信道支持 9 AdHoc网络的结构 物理结构上分 结点可以如图所示被分为以下几类 单主机单电台 单主机多电台 多主机单电台和多主机多电台 手持机一般采用图中的单主机单电台的简单结构 作为复杂的车载台 一个结点可能包括通信车内的多个主机 这可以采用图中的复杂结构 以实现多个主机共享一个或多个电台 多电台不仅可以用来构建叠加的网络 还可用作网关结点来互联多个Adhoc网络 10 AdHoc网络的结构 2 网络结构Adhoc网络一般有两种结构 平面结构和分级结构 传感器网络采用类似结构 由此看到 他们在某些概念上很难区分或者有交叉之处 a 平面结构 11 AdHoc网络的结构 b 单频分级结构 12 AdHoc网络的结构 c 多频分级结构 13 AdHoc网络的结构 在平面结构中 所有结点的地位平等 所以又可以称为对等式结构 原则上不存在瓶胫 所以比较健壮它的缺点是可扩充性差 每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由 维护这些动态变化的路由信急需要大量的控制信息 在分级结构中 簇头结点负责簇间数据的转发 簇头可以预先指定 也可以由结点使用算法选举产生 分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种 单频率分级网络 图b 中 所有结点使用同一个频率通信 为了实现簇头之间的通信 要有网关结点 同时属于两个簇的结点 的支持 14 AdHoc网络的结构 而在多频率分级网络中 图c 不同级采用不同的通信频率 低级结点的通信范围较小 而高级结点要覆盖较大的范围 高级的结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 在分级结构的网络中 簇成员的功能比较简的一 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 因此具有很好的可扩充性 由于簇头结点可以随时选举产生 分级结构也具有很强的抗毁性 分级结构的缺点是 维护分级结构需要结点执行簇头选举算法 簇头结点可能会成为网络的瓶胫 15 AdHoc网络的结构 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 美军在其战术互联网中使用近期数字电台NTDR NearTermDigitalRadio组网时采用的就是如图c所示的双频分级结构 16 三 移动AdHoc网络MAC协议 1 AdHocMAC协议面临的问题传统的蜂窝网络中存在中心控制的基站 由基站保持全网同步 调度节点接入信道 而AdHoc网络是一种多跳移动网络 很难保持全网同步 这与单跳的蜂窝网络有着本质的不同 因此 传统的基于同步的 单跳的 静态的MAC协议 协议数据包组成 并不能直接搬到AdHoc网络中来 这些都使得AdHoc网络中MAC协议的设计面临新的问题和挑战 17 移动AdHoc网络MAC协议 1 移动多跳特性由于节点的移动性和多跳性 在设计MAC协议时必须考虑隐终端和暴露终端的问题 隐终端是指在发送者的通信范围之外 而在接收者通信范围之内的节点 暴露终端是指在发送者通信范围之内 而在接收者通信范围之外的节点 一般地 隐终端的存在可能造成数据的冲突 而暴露终端的出现使得网络资源无法得到充分的利用 18 移动AdHoc网络MAC协议 2 存在单向信道绝大多数MAC协议通常认为底层的通信信道是双向的 但是在无线AdHoc网络中 由于发射功率或者地理位置等因素 可能存在单向信道 这将会对MAC协议的性能带来严重的影响 3 能量有限AdHoc网络中的设备绝大多数靠电池供电 能量不等且有限 所以如何节能也是MAC协议设计必须考虑的因素 19 移动AdHoc网络MAC协议 4 无线带宽有限AdHoc网络一般工作在ISM频带 由于无线信道本身的物理特性 它所能提供的网络带宽比有线信道要低得多 如果考虑到无线信道产生的碰撞 信号衰减 噪声干扰 用户间干扰等因素 节点的实际可用带宽远远小于理论值 5 QoS很难保证AdHoc网络的固有特性 使得要满足一定的QoS保证 是非常困难的事 这也是应该重点考虑的问题 20 移动AdHoc网络MAC协议 ISM频带 802 11a确定 第一个频带工作在2 4GHz 宽度为83MHz 第二个频带工作在5 8GHz 宽度为300MHz 分为3个频段 是一个典型的多信道环境 采用多信道MAC协议更能适应AdHoc网络环境的要求 本节主要根据这种分类方式对各种MAC协议进行介绍 21 移动AdHoc网络MAC协议 2 单信道MAC协议 回忆CSMA 1 MACAMACA MultipleAccesswithCollisionAvoidance 是一种用于单频网络的媒体接入控制协议 力求解决AdHoc网络中的隐终端和暴露终端问题 它使用RTS CTS握手机制 发送节点在发送数据前 首先向收方发送RTS信号 进行信道预留 接收节点收到RTS信号后 回送一个CTS信号 其它收到RTS或CTS信号的节点采用二进制指数退避算法 BEB 延迟数据发送 以避免冲突 此外 MACA还考虑了功率控制 22 附录 二进制退避算法 1 对每个帧 当第一次发生冲突时 设置参量为L 2 2 退避间隔取1 L个时间片中的一个随机数 1个时间片等于2a 3 当帧重复发生一次冲突时 则将参量L加倍 4 设置一个最大重传次数 则不再重传 并报告出错 23 移动AdHoc网络MAC协议 由于RTS CTS帧的长度很小 与CSMA相比 MACA减少了数据包冲突 但是 在MACA中依然存在冲突 特别是在RTS CTS帧交互期间 另外 MACA没有采用链路层确认机制 冲突后需要超时重发 由于采用BEB退避 信道接入的公平性很差 24 移动AdHoc网络MAC协议 2 MACAWMACAW MACAforWireless 协议 针对MACA的缺陷做了改进 除了使用RTS CTS握手信号外 还使用了其它控制信号 DS ACK RRTS 进一步解决暴露终端和隐终端问题 MACAW采用了一种乘法增加线性减少退避算法 MILD 代替二进制指数 BEB 退避 同时也实现了退避复制机制 使得传输到同一个目的点的节点使用统一的计数器 保证了接入的公平性 另外 它还使用了多流模型以达到平衡传输 过多的握手信号占用了大量的网络资源 开销和传输时延比MACA大 另外MACAW也不适合用多播环境 25 移动AdHoc网络MAC协议 3 MARCHMARCH MediaAccesswithReducedHandshake 协议利用了全向天线的广播特性来减少握手信号 与一般的收方驱动协议相比 MARCH协议不需要进行任何流量预测 节点一旦监听到不是发送给自己的CTS信号 就知道邻节点处将有数据要到达 通过监听CTS信号 触发一系列邀请求发送过程 进行数据包的中继传输 该协议除了第一跳传输是发方驱动的 后续的中继传输都是收方驱动的 可以看做是先请后推的过程 也可以看作是发方驱动和收方驱动的混合形式 在MARCH协议中 需要的握手信号数是路由长度的函数 路由越长 节省的握手信号数越多 26 移动AdHoc网络MAC协议 4 IEEE802 11协议IEEE802 11协议在RTS CTS控制帧基础上又增加了确认 ACK 机制 摈弃了传统的CSMA技术 采用了CSMA CA技术 在802 11协议中 DCF DistributedCoordinatedFunction 机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式 它把CSMA CA技术和确认 ACK 技术结合起来 除了使用基于RTS CTS的虚拟载波侦听机制 还可以使用帧分割技术 使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能 同样采用了二进制指数退避 所以无法保证信道接入的公平性 现有的AdHoc网络的实现大多数都是基于802 11协议的 该技术主要是针对无线局域网的 推广到多跳AdHoc网络还有许多工作要做 27 附录 CSMA CA协议的工作流程是 一个工作站希望在无线网络中传送数据 如果没有探测到网络中正在传送数据 则附加等待一段时间 再随机选择一个时间片继续探测 如果无线网路中仍旧没有活动的话 就将数据发送出去 接收端的工作站如果收到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报 如果这个ACK数据报被接收端收到 则这个数据发送过程完成 如果发送端没有收到ACK数据报 则或者发送的数据没有被完整地收到 或者ACK信号的发送失败 不管是那种现象发生 数据报都在发送端等待一段时间后被重传 28 移动AdHoc网络MAC协议 3 双信道MAC协议实践表明 单信道接入协议在网络负载比较重时效率是很低的 这是由于冲突和退避造成了信道带宽的巨大浪费 冲突主要包括控制信号之间的冲突 以及由此导致的数据信息和控制信息的冲突 对此 可以考虑采用信道分割技术 把信道分成数据信道和控制信道分别传输数据信息和控制信息 避免数据信息和控制信息之间的冲突 由于控制帧的长度很小 所以冲突发生的概率大大减少 并且可以更好地解决暴露终端问题 29 移动AdHoc网络MAC协议 DBTMA忙音多址接入协议 DBTMA 即DualBusyToneMultipleAccess DBTMA把信道分割成控制信道和数据信道 分别传输数据信息和控制信息 并且在控制信道上还增开了2个带外忙音信号 一个指示发送忙 一个指示接收忙 2个忙音在频率上是分开的 以免干扰 BTMA优于纯RTS CRS系列的MAC协议 与MACA和MACAW相比 DBTMA的效率有很大提高 由于忙音信号在通信期间一直存在 可以确保不存在用户数据帧之间的冲突 30 移动AdHoc网络MAC协议 4 多信道MAC协议目前AdHoc网络绝大多数MAC协议都是基于IEEE802 11b标准实现的 而IEEE802 11b是工作在ISM频带的单信道MAC协议 ISM频带是一个典型的多信道环境 各种扩频技术把可用带宽分割成多个信道 每个信道一个信道辨识码 如果有多个信道可以使用 而且网络规模也很大的话 可以给不同节点分配不同的信道以提高网络吞吐量 多信道的使用减少了冲突的发生 使得更多的节点可以同时传输 因而提供了更高的带宽利用率 31 四 路由协议 评价Adhoc网络的路由协议 最重要的几个评价指标在于 鲁棒性能 收敛速度 可扩展性以及能量耗用情况 其中能量耗用更是其中有待解决的问题 值得进行进一步的研究 分为单播路由协议和组播路由协议 设计移动AdHoc网络的路由算法和协议时 需要重点考虑以下问题 1 建立和维护路由状态的效率 2 算法和协议对网络拓扑变化的敏感度和主动的适应能力 3 数据转发的效率和可靠率 避免路由环路 降低重传率 避免路由状态失效导致大量的分组丢失等 32 路由协议 1 单播路由协议移动AdHoc路由协议的分类可以采用多种方法 这里将其分为以下四类 1 主动路由 类似于操作系统中的碎片整理 网络中的节点通过周期性地广播路由信息 交互路由信息得到其他节点最新的路由 大多数的传统路由采用这种机制如RIP等 为此 它需要在每个节点维护一个或多个路由表 其中包含了该节点到网络中所有其他节点的最新的路由信息 根据采用不同内容的路由表以及不同的广播策略 形成了各种不同的具体路由协议 33 路由协议 例如 DSDV路由协议DSDV Destination SequencedDistance Vector 一种表驱动路由协议 在DSDV协议中 每个节点维护一个路由表 其中记录了网络中所有其他节点以及到达这些节点的跳数 路由表中的记录由目的节点指定的顺序号标识 该顺序号隐含了时间顺序信息 以区分路由的新旧程度 防止可能产生的路由环路 它的缺点是不适应变化速度快的移动AdHoc 并且在源和目的节点之间只提供一条路由且不支持单向连接 34 路由协议 路由表采用全表更新 fulldump 和部分更新 incrementalupdate 两种方式进行更新 前者向邻居节点发送整个路由表 适用于拓扑结构快速变化的网络 而后者仅仅发送从上次更新以来度量发生变化的路由表项 适用于拓扑结构相对稳定的网络 DSDV算法收敛速度慢 需要周期性地向外发布路由信息 效率低下 35 路由协议 2 按需路由与主动路由相反 按需路由认为在动态变化的移动AdHoc环境中 没有必要维护去往其他所有节点的路由信息 它仅在需要时才进行路由发现 因此 拓扑结构和路由表内容是按需建立的 它可能仅仅是整个网络拓扑结构信息的一部分 缓解了主动路由协议由于周期性交换更新信息带来的开销和扩展性问题 节省了网络资源 按需路由一般包含两个阶段 路由发现和路由维护 当一个节点需要向某个目标节点发送数据时 首先查询其路由表 如果不存在所需的路由 就启动一个路由发现过程 通常是广播一个路由请求 RREP 分组 当合适的路由被找到后就返回一个路由请求响应 RREP 36 路由协议 当路径发现后或者所有可能的路径都查找完时路由发现这个阶段结束 接下来 它就由某种路由维护程序进行维护 直到该路由不再需要 或者通过任何路径都无法访问目标节点 这类协议的控制信息一般都比主动路由协议的小 可以在一定程度上减少路由开销 例如 DSR DynamicSourceRouting 每个节点维护一个路由缓存存储它所知道的源路由 并在学到新路由时更新路由缓存 DSR协议包含路由发现和路由维护两个部分 37 路由协议 路由发现 当源节点有数据要向目的节点发送时 它首先检查路由缓存中是否已经包含到目的端的 未过期的路由 若有 则使用该路由发送分组 否则 广播路由请求分组发起路由发现过程 路由请求分组具有源和目的节点地址以及一个惟一的标识符 每个中间节点同样检查是否有到目的端的路由 若没有则在分组记录中增加它的地址 并向邻居转发 为了限制路由请求传播的数量 节点在第一次 广播时一个分组收到多次 收到某路由请求分组 并且在分组记录中不含有它的地址时 才处理该路由请求 路由应答分组可以在两个地方产生 当目的端产生路由应答分组时 它将路由请求分组中的路由记录放入路由应答分组中 38 路由协议 当含有未过期的到目的端路由信息的中间节点收到路由请求分组时 也产生路由应答分组 此时它将路由缓存中的路由信息 以及路由请求分组中记录的路由共同放入路由应答分组中 应答节点可以采用三种方式发送路由应答分组 如果应答节点含有到源端的路由 则使用该路由直接进行发送 否则 如果网络链路是对称的 双向链路 则可以利用所发现的路由逆向发送 如果链路不对称 单向信道 则应答节点将找到的路由放入路由发现分组中 发起向源端的路由请求 39 路由协议 路由维护DSR协议采用路由错误分组和确认分组进行路由维护 当节点在数据链路层遇到传输错误时 向源端发送路由错误分组 收到路由错误分组的节点 从路由缓存中删除错误的路由 确认分组用于证实路由的正确运行 同时节点也可以通过检测到沿路由的下一跳节点转发分组来被动的获得确认 40 路由协议 3 集群路由集群路由协议中 网络由多个集群组成 节点分为两种类型 普通节点和群首节点 同一集群内的群首和普通节点共同维护本集群内部的路由 群首节点负责所在集群的拓扑信息 并与其他群集的群首节点交换拓扑信息 层次结构是一种典型的集群方式的路由 集群路由协议在区域内采用主动路由 在区域间采用按需路由这样可以达到取长补短的效果 集群路由适合大规模的移动AdHoc环境 可扩展性好 缺点是群首节点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大 并且为支持节点在不同集群之间漫游所进行的移动管理将增加协议的开销 典型的集群路由有 ZRP ZoneRoutingProtocol CBRP ClusterBasedRoutingProtocol 等 41 路由协议 4 基于GPS辅助的路由协议该类协议是在建立路由时利用GPS预测节点当前位置 使控制信息朝着目的节点方向寻找路由 限制了路由请求过程中被影响的节点数目 提高了效率 这类协议典型的有LAR LocationAidedRouting DREAM DistanceRoutingEffectAlgorithmforMobility 等 该类协议的优点是利用GPS提供的节点位置信息可以减少路由信息的泛洪范围 从而在一定程度上减少了开销 缺点是该类协议要依赖于GPS才能正常工作 限制了应用范围 并且交换节点间的位置信息也有一定的开销 42 路由协议 2 组播路由协议目前已经提出了不少移动AdHoc网络组播路由协议 协议之间主要差别在采用的转发结构形式不同 建立和维护路由的策略不同 按照协议所采用的结构的差异 将移动AdHoc网络组播路由协议可以分成无转发结构 树形转发结构 Mesh状转发结构3类 43 路由协议 1 无转发结构的组播路由协议DDM DifferentialDestinationMulticast 是典型的无转发结构的组播路由协议 DDM支持源结点对组播的分发具有完全控制能力的组播业务 因此DDM只用于单源组播业务 DDM使用源节点控制组播组的成员 源节点使用一个特殊的DDM数据头进行编码组播接收的地址 这个变长的目的节点队列放在DDM数据头中 然后使用单播路由协议转到对应的目的节点 DDM支持2种类型的操作 无状态和软状态 在无状态的模型下 节点沿着路径进行数据转发 不需要维护组播转发状态 一个中间节点接收一个DDM包仅需要查看头部数据就可以决定如何转发 44 路由协议 在软状态模型下 基于带内路由信息 每个节点根据包的信息沿着转发路径记住每个目的节点地址 最后确定转发和下一跳信息 即每个中间接点知道对每个包的下一个转发地址 在每个节点的缓冲路由信息中 协议不需要完整的目的节点队列 源结点根据接入控制策略决定成员结点并动态维护接收结点集合 定期通过查询的方式确定接收结点的活动状态 DDM可以支持成员规模较小的组 实现具有较高安全的组播数据业务 45 路由协议 2 基于Mesh转发结构的组播路由协议 3 树形转发结构的组播路由协议 46 路由协议 3 路由协议中有待进一步研究的问题 1 提供节能策略移动AdHoc拥有的巨大优势主要来源与只拥有有限电能但是可以任意移动的无线设备 研究表明短时间内通过硬件改进使电池供电能力提高30 都是很困难的 所以一个可行的解决方法是通过在协议层中制定节能策略来解决移动AdHoc中能量受限这一问题 在设计节能策略时 我们不仅要考虑节点处于接收和发送时的节能策略 而且在必要时让节点进入睡眠状态 以节省能量消耗的策略也是至关重要的 因为研究表明在无线网卡的四种状态下 即发送 transmit 接收 receive 空闲 idle 睡眠 sleep 睡眠模式的功耗要比其它三种状态小得多 因此设计基于能源的路由 保证移动AdHoc的生存时间 是目前研究的一个热点问题 47 路由协议 2 路由协议的安全性由于移动AdHoc节点间通信是通过无线信道的 因此传送的信息非常容易受到监听 重发 篡改 伪造 拒绝服务等各种攻击 移动AdHoc是多跳的无线网络 每个节点充当主机和路由两种角色 路由协议需要每个节点的参与 如果路由协议受到上述恶意攻击 整个移动AdHoc将无法正常工作 因此移动AdHoc路由协议的安全性研究将面临着更大的挑战 然而目前提出的路由协议基本上都没有考虑安全性 48 路由协议 3 提供QoS支持由于网络资源受限 拓扑结构的动态变化等 使得在移动移动AdHoc中提供QoS服务是一极具挑战性的课题 所以 为了在这样的网络上得到可接受的服务质量 我们必须在新的环境下重新审视QoS问题 49 五 关键技术 1 提出新的路由协议 Adhoc路由面临的主要挑战是 传统的保存在节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建立网络路由 核心是减少广播风暴 目前 普遍得到认可的代表性成果有DSDV WRP AODV DSR TORA和ZRP等 源头性的创新性研究主要集中在2001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Adhoc网络成果最集中的部分 不过 从实现的难度来看 这些协议离适用性还有一定的距离 50 关键技术 2 提出基于Adhoc网络的媒体接入控制 MAC 协议 主要是解决隐藏终端和暴露终端问题 影响比较大的有MACA协议 即RTS CTS ACK方案 控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议 以及一些改进类的MAC协议 有一些研究则是侧重于将IEEE802 11的MAC协议移植到Adhoc网络中 基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越 但在技术上实现的难度较大 51 关键技术 3 Adhoc网络与蜂窝网的互连互通 项目iCAR internetCellularandAdhocRealy 系统的研究 为蜂窝小区内信号补盲 该方案给出了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价 从结果看 该系统只是针对目前的2G系统 尚无法联系到基于IP方式的分组网络 4 基于Adhoc网络的多播 组播协议 TCP协议 地址分配 功率 节能 控制 安全性问题 分布式算 QoS等方面有一些研究成果 但各部分的数量相对较少 52 关键技术 5 在实验和应用网络的构建上 一些学者正在研究用蓝牙节点组建Adhoc网络 就蓝牙本身的技术来说 蓝牙可以组成微微网 piconet 微微网通过桥节点 bridge 互连可以形成多跳的Adhoc网络 也称蓝牙散射网 scatternet 蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙的Adhoc网络的形成等内容做出具体描述 这是一个开放的问题 目前已有一些文献针对基于蓝牙的Adhoc网络的形成提出了各种不同的协议或方案 53 关键技术 6 针对无线Adhoc网络中节点电源的容量限制 提出一种利用单向链路的能源节省路由算法 充分利用网络中存在的单向链路 通过让能源较多的节点承担较多传输任务的方式为数据流选择最佳路由 以延长网络的生存时间 7 无线传感器网中的目标定位算法 用以获取在无线传感器网监视下的地理区域中移动目标的位置 这能有效地减少目标定位过程中传输的消息数量 节省网络带宽 降低节点能源的消耗 从而增强了节点资源受限的无线传感器网的实用性 54 六 问题讨论 必须解决网络自私问题 QoS的定义 实现 Adhoc网络最终的归宿是和Internet互连 和有线网络 在该过程中 存在那些问题 如何解决这些问题 都是我们有待进一步研究的课题 55 服务质量QoS 概念IPQoS技术研究网络测量 56 QoS ITU2T在建议书E 800中给出QoS定义 QoS是服务性能的总效果 该效果决定了一个用户对服务的满意程度 因此在最简单的意义上 有QoS的服务就是能够满足用户的应用需求的服务 从技术角度来看 QoS是指网络系统各种性能尺度的综合 主要包括可提供的带宽 丢包率 差错率 时延和抖动 接通率等方面 具体应用不同 对QoS各项指标的要求也不同 比如 长文件传输要求传输速率高且分组丢失低 但对时延和抖动不是太敏感 而视频会议不仅要求传输速率高 而且对时延和抖动也很敏感 57 QoS 1 目前网络QoS的指标QoS的指标主要包括 可用性 吞吐量 时延 时延变化 包括抖动和漂移 和丢包率 可用性 是当用户需要时网络即能工作的时间百分比 可用性主要是设备可靠性和网络存活性相结合的结果 吞吐量 是在一定时间段内对网上流量 或带宽 的度量 根据应用和服务类型 服务水平协议 SLA 可以规定承诺信息速率 CIR 突发信息速率 BIR 和最大突发信号长度 一般讲 吞吐量越大越好 58 QoS 时延 指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间 许多服务 特别是话音和视像等实时服务都是高度不能容忍时延的 为了提供高质量话音和会议电视 网络设备必须能保证低的时延 时延变化 是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同 高频率的时延变化称作抖动 而低频率的时延变化称作漂移 某些业务类型 特别是话音和视像等实时业务是极不容忍抖动的 分组到达时间的差异将在话音或视像中造成断续 所有传送系统都有抖动 只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务质量 59 QoS 丢包率 不管是比特丢失还是分组丢失 对分组数据业务的影响比对实时业务的影响都大 在通话期间 丢失一个比特或一个分组的信息往往用户注意不到 在视像广播期间 这在屏幕上可能造成瞬间的波形干扰 即便是用传输控制协议 TCP 传送数据也能处理丢失 因为传输控制协议允许丢失的信息重发 一般而言 网络提供QoS保证的途径有 过度配置 优先级 队列 避免拥塞和传输整形等 60 QoS 1 过度配置 这是最简单的一种QoS途径 通常应用在局域网 是靠提供大量带宽来满足用户的业务需求 广域网中 由于带宽成本 过度建设这一方法目前还不可能占主导地位 2 优先级 该方法是对每个IP分组的级别进行分类 不同级别的分组在网络进行带宽分配 通过顺序 时延抖动 丢包等方面的处理时 所受到的待遇是不同的 这样可以确保诸如语音 图像等对实时性要求比较高的分组享受高的级别 从而提高其传输的质量 61 QoS 3 队列 队列和队列调度算法是在已经应用了优先级的前提下采用的一种QoS方案 队列实际上是路由器或交换机内部的一块缓冲区 用来存储带有优先级别的IP分组 队列调度算法则用来确定存储在队列中的分组的发送顺序 为优先级高的分组提供更好的服务 4 避免拥塞 TCP的拥塞控制 慢启动 加速递减和拥塞避免 拥塞控制与避免机制是QoS的另一个重要方面 拥塞控制使在网络在负载达到某一限度时降低传输流速度 但拥塞控制本身并不能保证QoS 只有与拥塞避免功能同时存在时 拥塞控制才能发挥作用 62 QoS 5 传输整形 传输整形是一种处理和修改分组长度以保证QoS的技术 例如分组分段 ATM网络提供高QoS的原因之一就是它采用了固定长度的短信元 任何信元可以被延时的上限是传输一个信元所需的时间 63 QoS 2 IPQoS技术研究当前在Internet上 研究IPQoS技术主要包括 集成服务 IntServ 区分服务 DiffServ QoS路由和MPLS 1 集成服务 IntServ 集成服务的基本思想是在传送数据之前 根据业务的QoS需求进行网络资源预留 从而为该数据流提供端到端的QoS保证 IntServ主要引入了一个重要的网络控制协议RSVP 资源预留协议 64 QoS RSVP的引入使得IP网络