（计算机应用技术专业论文）跨层的AODV局部连通性研究及算法优化.pdf

摘要 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 专业名称：计算机应用技术 申请人姓名：潘逵 导师姓名：许骏教授 移动自组织网络( m o b i l ea dh o en e t w o r k , m a n e t ) 是一种无需依赖于任何 事先布设的固定基础设施，而仅依靠网络内部各节点之间的协作，就能够完成节 点间通信的网络。与传统网络不同的是，m a n e t 网络无中心、移动性、高度灵 活、易于部署等特点，可以很好的应用于战场无线通信指挥环境、灾后营救和艰 苦环境中，使得m a n e t 网络应用前景越来越被看好。 m a n e t 网络具有无中心，多跳，动态拓扑，链路带宽受限等特点，使得传 统的固定网络路由协议( 如r i p 、o s p f 等) 不能直接应用于m a n e t 网络，而 需要设计新的协议。目前针对m a n e t 网络设计的路由协议主要有两类：表驱动 路由协议和按需路由协议。在按需路由协议中，仅当有数据待发送，而路由表中 没有该路由时，才激活路由查找过程，向全网广播路由请求分组。这类协议可以 有效减少路由开销，提高网络吞吐量，但数据发送的延迟较大。a o d v ( a dh o e o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ) 就是一种典型的按需路由算法。在a o d v 中，只有当 节点需要进行通信时才开始寻找路由，而在无需进行通信时节点就无需考虑路由 的发现和维护问题。此外，a o d v 为了减少端到端时延，设计了局部连通性维 护机制，即h e l l o 消息机制，每秒发送一个一跳r r e p 分组，进行一跳范围内的 邻居路由维护。但h e l l o 消息发送增加了a o d v 协议的控制开销，同时拓扑的 变化使得a o d v 的自适应性不是很好。 本文针对h e l l o 消息机制，首先介绍了m a n e t 网络路由协议a o d v 的算 法原理，分析了a o d v 路由建立、维护过程以及h e l l o 消息机制，接着从提高 协议效率、降低协议开销、减少端到端时延方面考虑，融入跨层设计思想，提出 了a o d v 路由协议的改进方案：第一是将a o d v 的h e l l o 功能模块调整到m a c 层，减小了h e l l o 消息的大小和层间延迟；第二是利用r t s 与c t s 帧，减少h e l l o 消息的发送数量；第三是统计m a c 数据帧单位时间内发送数量动态调整h e l l o 消息的发送频率，进一步减少控制消息的发送量，第四是根据网络拓扑变化情况 动态调整邻居节点表和路由表的生存期字段，提高a o d v 协议的自适应性。基 于以上四点思想，提出了s c l a o d v 和d c l a o d v 路由算法。最后使用n s 2 仿真软件，实现了a o d v 路由协议和s c l a o d v 、d c l a o d v 路由协议，并对 三种协议进行了比较，仿真结果显示与a o d v 路由协议比较，s c l a o d v 和 d c l a o d v 路由协议在分组传递率和协议开销方面有1 5 左右的提高。 关键字：移动自组网；a o d v 协议；跨层设计；局部连通性；仿真 i i ar e s e a r c hin ga n do p timiz a tio nofar e s e a r c ha n ou p tiii m e c h a nis m sm ain t ainin gl o c aic o n n e c tivit y b a s e do nc r o s s _ 。l a y e ra o d v m a j o r ：c o m p u t e rs c i e n c ea p p l i c a t i o n n a m e ：p a nk u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx u j u n m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t ) i ss e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k st h a tc a nb e o r g a n i z e da n y w h e r ea n da ta n yt i m ew i t h o u tt h ea i do fa n ye s t a b l i s h e di n f r a s t r u c t u r e a n dc e n t r a l i z e da d m i n i s t r a t i o n m a n e ti sl o c o m o t i v e ，h i g h l yf l e x i b l e ，e a s yt ob u i l d a n dd o e s n tn e e da n yi n f r a s t r u c t u r en e t w o r kt os u p p o r t s u c hn e t w o r k sa r eu s e f u li n m i l i t a r ya n do t h e rt a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h eb a t t l e f i e l d ，e m e r g e n c y r e s c u eo r e x p l o r a t i o nm i s s i o n sa f t e re a r t h q u a k ea n df l o o d ，w h e r ec e l l u l a ri n f r a s t r u c t u r e i s u n a v a i l a b l eo ru n u s a b l e i ti sc a l lb ep r e d i c t e dt h a tm a n e tw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ef u t u r e m a n e tt o p o l o g yi sc h a n g e df r e q u e n t l yb yn o d e sm o v e m e n t t h eb a n d w i d t h a n de n e r g yi sl i m i t e d t h er o u t ei sm u l t i h o p ，s ot h et r a d i t i o n a lr o u t i n gm e t h o d sc a n n o tb ea p p l i e dt om a n e t t os o l v et h e s ep r o b l e m sm a n e t sr o u t i n gm e t h o d s s h o u l db ed e s i g n e da g a i n c u r r e n t l ym a n e t sr o u t i n gp r o t o c o li sd i v i d e di n t o ： t a b l e d r i v e nr o u t i n gp r o t o c o la n do n - d e m a n dr o u t i n gp r o t o c 0 1 i no n d e m a n dr o u t i n g p r o t o c o l ，w h e nn o d en e e ds e n dd a t ab u th a s n tr o u t ei nn o d e sr o u t i n gt a b l e ，p r o t o c o l w i l lb es t a r t e dt ol o o kf o rr o u t i n gi n f o r m a t i o n o n - d e m a n dr o u t i n gp r o t o c o lc a n r e d u c ep r o t o c o lo v e r l o a de f f e c t i v e l y , r a i s en e t w o r k st h r o u g h p u t ，b u tt h ed e l a yo fd a t a s e n d i n go u tg r e a t l yc o m p a r et o t a b l e d r i v e nr o u t i n gp r o t o c 0 1 a o d v ( a dh o e i i i o n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r ) i sak i n do ft y p i c a lo n - d e m a n dr o u t i n gp r o t o c 0 1 a o d v r o u t i n gp r o c e s sw i l lb es t a r t e dt ol o o kf o rr o u t i n gi n f o r m a t i o no n l yw h e nt h en o d e s t a r tt oc o m m u n i c a t e a n di td on o tn e e dt om a i n t e n a n c ea n dl o o kf o rr o u t ea to t h e r t i m e i na d d i t i o n ，t h ea o d vc o n t a i n st h em e c h a n i s m sm a i n t a i n i n gl o c a lc o n n e c t i v i t y f o rt h ed e l a yf r o mo n en o d et oo t h e rn o d e ，n a m e dt h eh e l l om e c h a n i s m ，n o d es e n d o n eh e l l op a c k e te a c hs e c o n dt om a i n t a i nn e i g h b o rr o u t i n gt a b l e b u th e l l op a c k e t s i n c r e a s er o u t i n go v e r l o a d w h e nt o p o l o g yc h a n g i n g ，a o d v sa d a p t a b i l i t yf a i li n t h ep a p e rf i r s to u t l i n e st h ef e a t u r e so fm a n e tn e t w o r k ，a p p l i c a t i o na n dt h e c u r r e n th o ts p o t so fo u rr e s e a r c h t h e ni ti n t r o d u c e sa o d vp r i n c i p l eo fb u i l d i n ga n d m a i n t a i n i n gp r o c e s s i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa o d vr o u t i n gp r o t o c o l ， i tp r o p o s e sl o c a lc o n n e c t i v i t ym e c h a n i s m ，c o m b i n i n gt oc r o s s - l a y e rd e s i g na n dt h e t h o u g h to fd y n a m i cc o n f i g u r i n gp a r a m e t e r , w ea p p l i e dl o c a lc o n n e c t i v i t ym e c h a n i s m t oa o d v r o u t i n g p r o t o c o la n dp r e s e n t e dt w o n o v e lr o u t i n gp r o t o c o l s ：s c l a o d va n d d c l a o d v l o c a lc o n n e c t i v i t ym e c h a n i s mc o n t a i n st h r e ep o i n t s t h ef i r s to n ei s m o v i n gh e l l op a c k e t sf r o mn e t w o r kl a y e rt om a cl a y e r t h es e c o n do n e i st r a c k i n g r t sa n dc t sp a c k e t si nm a cl a y e ri no r d e rt or e d u c et h eu s eo fh e l l om e s s a g e t h e l a s to n ei st h a tw ed y n a m i c a l l ya d j u s tt h eh e l l om e s s a g es e n df r e q u e n c ya n dt h e u p d a t ep e r i o do fn e i g h b o rr o u t i n gt a b l e s t h e s e m e a s u r e sc a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fa o d vr o u t i n gp r o t o c o le f f i c i e n t l y a n dt h e r e s u l to fs i m u l a t i o n s h o w st h a tc o m p a r i n gw i t ha o d vp r o t o c o l ，s c l a o d va n dd c l a o d vp r o t o c o l r e d u c e sr o u t i n go v e r h e a da n di m p r o v e sp r o t o c o l se f f i c i e n c ya n di n c r e a s e sa v e r a g e d e l a ya n dp a c k e td e l i v e r yr a t ee t c k e yw o r d s ：m a n e t ；a o d v ；c r o s s l a y e rd e s i g n ；l o c a lc o n n e c t i v i t y ；s i m u l a t i o n i v 华南师范大学学位论文原创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。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研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：簖逐 日期：俨多月弓日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、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华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 翩虢砘漩 日期 日 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 1 绪论 1 1 m a n e t 网络发展与研究现状 2 0 世纪9 0 年代末期，在无线通信领域出现了一种新的网络技术m a n e t 网络，并从军事通信开始迅速发展，渗透到相关的各民用通信领域。m a n e t 1 2 】 网络是由一组带有无线收发装置的移动设备，通过无线电方式相互通信，组成的 一个多跳的临时性自治系统。与传统网络不同的是，在m a n e t 网络中，各移动 设备的地位平等，随机运动，而且移动设备既作为主机又作为路由器。此外 m a n e t 网不需要固定基站支持，具有移动性，无线性，动态拓扑，对等性，多 跳性，自组织，带宽、能量、安全性受限等特征【3 】。m a n e t 网络的特征决定了 它可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活方便的通信，这种技术拓宽了移动 通信的应用领域，具有光明的前景。特别是在军事应用领域，或在发生了地震、 火灾、水灾等重大灾难后固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作的地 区，或当处于偏远或野外地区无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时，就需 要使用m a n e t 网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络 技术。m a n e t 网络具有单独组网能力和自组织的特点，是上述这些场合通信的 最佳选择。 现在，m a n e t 网已成为无线局域网的一个补充被应用于日常生活，并且 m a n e t 网可与个域网相结合，为短距离范围内设备之间提供无线连接。随着无 线通信技术的发展，m a n e t 网将会得到更广泛的应用。但由于m a n e t 网络的 特殊性，使得传统固定网络和移动通信网中的各种协议和技术无法被直接使用。 因此，需要为l k , f a n e t 网络设计专门的协议和算法，还要对m a n e t 网络的应 用、组网、管理等进行研究。 目前，国际上在m a n e t 网络方面研究较为活跃的几个研究机构有： i n t e m e t 工程任务组i e t f ，i e t f 于1 9 9 7 年成立了专门的移动工作组m a n e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k ) 。其主要任务是针对m a n e t 网络开发基于i p 协议的路 由机制并解决与网络层相关的技术问题。1 9 9 9 年1 月，r f c 2 5 0 1 详细给出了 m a n e t 的应用场景、特征和性能要求。i e t f 在2 0 0 0 年下半年公布了一系列的 m a n e t 路由草案。 i e e e 通信分会在2 0 0 0 年底成立了专门的m a n e t 技术分委员会。 加州大学洛杉矶分校m a r i og e r l a 教授所领导的“无线自适应移动性实验室 ( t h ew i r e l e s s a d a p t i v em o b i l i t yl a b ) 。研究方向包括a dh o e 网络路由协议、多播 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 协议、多跳网络的服务质量( q o s ) ，m a c 协议、功率控制、蓝牙网络等。 康奈尔大学z y g m u n tj h a s s 教授所领导的“无线网络实验室”( w i r e l e s s n e t w o r k sl a b o r a t o r y ) 。研究方向包括a dh o e 网络重构、m a c 协议、路由协议、 网络安全等。 伊利诺基大学u r b a n a - c h a m p a i 分校n i t i nv a i d a y a 教授所领导的a dh o e 网络 研究小组。研究方向包括a dh o e 网络的定向m a c 协议、定向路由协议、网络 调度等。 其他比较活跃的机构还包括美国d a r p a 研究协会，美国朗讯通信公司和贝 尔实验室。我国的m a n e t 网络基础理论研究起步较晚，国内学者所发表的相关 研究成果较少。2 0 0 0 年后才开始有少量成果发表。 m a n e t 网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在m a n e t 网络中， 一方面使用计算机网络的分组交换机制；另一方面，通信的主机一般是便携式计 算机、个人数字助理( p d a ) 等移动终端设备。 m a n e t 网络可应用于从小型网络到大型网络，静态网络到动态网络多种场 合，导致网络协议的设计是成为一个复杂的问题，需要分布式算法来确定网络的 拓扑、链路状况和路由。因为路由的选择受到链路质量、传输路径的无效、衰落 和拓扑变化等多种因素的影响，静态网络使用的最短路径算法不能直接应用予 m a n e t 网络。学者们针对m a n e t 网络提出了两类路由协议：先验式路由协议 ( p r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 和反应式路由协议( r e a c t i v er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。先验式路 由协议又称为表驱动路由协议( t a b l e d r i v e nr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ，它的主要特点是 每个移动节点间隔一定时间就会发送一个控制报文，包含了路径相关信息，各个 移动节点依据监听到的信息更新自己的路由表项，这类路由协议的传输时延较小 但协议开销较大。反应式路由协议又称为按需路由协议( o n d e m a n dr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) ，它的特定是移动节点在需要发送分组却又找不到到达目的地的路由 时，才会发起路由请求发现过程来获得相应的路由。这种路由协议优点是协议开 销较小，移动节点的能量消耗也较少。a dh o eo 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 o d v ) 【4 】就是典型的反应式路由协议，也是目前最为成熟，应用最广的a dh o c 路由协议。 1 2m a n e t 网络研究热点 自上世纪九十年代以来，m a n e t 网络的研究在世界范围内迅速发展，已经 从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。许多标准化组织 和研究机构对m a n e t 网络做了各方面的研究。我们总结国内外研究现状， m a n e t 网络的研究成果主要集中在以下几个方面【5 】： ( 1 ) 提出新的路由协议。路由协议作为m a n e t 网络的重要组成部分，一直 2 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 都是研究热点。m a n e t 路由面临的主要挑战是：传统的保存在节点中的分布式 路由表如何适应动态变化的网络拓扑。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。虽然目前研究者己经提出多种m a n e t 网络的路由协 议，但基本的、具有原创性的也不过几种。如o l s r 6 。， 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 e 。v e c t o r ) 7 1 ，d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 8 1 ， 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 ) 引，a o d v 和z r p ( z o n er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 1 叫 等。这其中有主动路由协议，如d s d v ，也有按需路由协议，如d s l la o d v 。 路由协议的创新研究主要集中在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 e 网络成果最集中的部分。不过，从应用角 度来看，这些协议离实际应用还有一定的距离。 ( 2 ) 提出基于m a n e t 网络的媒体接入控制( m a c ) 协议【l 卜乃j 。主要是解决隐 藏、暴露终端问题，具有代表性的算法是：载波侦听冲突避免m a c a 协议，即 r t s c t s a c k 方案；控制信道和数据信道分裂的双信道方案：基于定向天线的 m a c 协议；以及一些改进类的m a c 协议。有一些研究侧重于将i e e e8 0 2 1 1 的 m a c 协议移植到m a n e t 网络中。 ( 3 ) a dh o c 网络与蜂窝网的互连互通u 4 j 。国内某科研机构研究并提出了一种 i c a r ( i m e m e t c e l l u l a ra n da dh o cr e l a y ) 系统，提供蜂窝小区内信号的补盲。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。 ( 4 ) 基于a dh o c 网络的多播组播协谢15 1 ，t c p 协谢16 1 、地址分配、功率控 制、安全性问题、分布式算法，服务质量q o s 等方面有一些研究成果，但各部 分的数量相对较少。 m a n e t 网络作为一种新的无线移动通信网络类型，它既可以作为一种独立 的网络运行，也可以作为当前固定设施网络的一种补充形式。m a n e t 网络自身 的独特性，赋予其巨大的发展前景，必然会成为研究热点，随着现代无线通信技 术的发展而迅速发展。 1 3 目的和任务 在m a n e t 网络中，随着节点移动，无线信道的信号衰减、干扰，网络拓扑 结构在不断变化。同时，单向信道以及无线传输信道较窄等因素也使得m a n e t 网络路由问题比固定网络要复杂得多。如何快速准确地选择到达目的节点的路由 是m a n e t 网络的一个重要和核心的问题。 为了满足不断提高的无线通信业务的要求，本文主要对以下方面进行了研 究。 1 、对m a n e t 网络进行研究，了解m a n e t 网络的定义、特点、主要功能。 对当前路由协议面临的技术问题和需要达到的主要目标进行了研究。 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 2 、对a o d v 路由协议的控制报文格式和工作流程进行了重点分析。 3 、针对a o d v 路由协议存在的一些问题进行优化设计，跳高协议的性能。 4 、用n s 2 网络模拟软件对m a n e t 网络进行模拟，构建不同节点，不同场 景的模拟平台，对a o d v 及其改进路由协议进行模拟，得出摸拟数据和结论。 1 4 本文的结构 目前m a n e t 网络路由协议仍是m a n e t 网络的研究热点之一，本文针对 现有的m a n e t 网络路由协议做了详尽的分析，在n s 2 仿真软件上完整实现了 a o d v 路由协议。并针对现有a o d v 路由协议的端到端延时较大的问题，提出 了改进路由协议s c l a o d v 和d c l a o d v ，并与a o d v 协议进行了仿真比较。 本论文的各章节具体介绍了以下内容： 第一章为绪论，主要介绍了课题背景、目的、任务和论文结构。 第二章主要介绍了m a n e t 网络的概念、特点、研究热点、应用场合以及本 项目研究中用到的物理层和数据链路层承载8 0 2 1 1 协议。 第三章介绍了a o d v 路由协议算法，阐述a o d v 路由协议的消息格式，路 由发现和维护机制。 第四章针对a o d v 协议存在的问题，综述目前关于局部连通性的文章，提 出了三个算法优化策略。 第五章利用三个优化策略实现了两种基于a o d v 的改进协议- - s c l a o d v 和d c l a o d v ，并对改进算法进行描述。 第六章简单介绍了网络仿真软件n s 2 ，并在n s 2 上测试比较了三种协议性 能，给出了实验数据和结论。 文章的最后是对本文所做工作的全面总结、致谢以及本文所引用的参考文 献。 4 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 网络及其关键技术 m a n e t 网络是由具有无线收发装置的移动节点构成的自组织网络，是本文 的研究基础。本章比较详细地介绍了m a n e t 网络的概念，网络特点和应用前景。 2 1m a n e t 网络产生 m a n e t 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 网络和1 9 7 3 年美国国防 部高级研究计划局( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ，d a r p a ) 开始研究 的分组无线电网络。该网络技术的研究起初是为满足军事应用的需要。a l o h a 网络协议支持单跳结构的分布式信道接入。 1 9 7 3 年，美国d a r p a 启动了分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ，p r n e t ) 项 目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。该项目完成之后，d a p r a 又在1 9 8 3 年启动了抗毁无线网络( s u r a n ，s u r v i v a b l er a d i on e t w o r k ) 项目，主要 解决p r n e t 项目的遗留问题，研究开发能够适应战场快速变化环境下的自适应 网络算法。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 e i n f o r m m i o ns y s t e m s ) 项目，对能够满足军事应用需要的、可快速铺设、高抗毁性 的移动信息系统进行全面深入的研究，目标是解决移动、多跳和多媒体问题。 成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o e 网络 来描 述这种特殊的自组织、对等的、多跳无线通信网络，a dh o e 网络就此诞生。 互联网工程任务组i e t f 在1 9 9 7 年6 月成立了m a n e t 工作组，将a dh o c 网络称为移动a dh o c 网络，它专门负责对具有数百个节点的m a n e t 网络的路 由算法的进行研究，并制定了相应的标准。 2 2m a n e t 网络特点 m a n e t 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。移动终端带有路由功能，可以通过无线连接成任意的网络拓扑， 这种网络可以独立工作，也可以与i m e m e t 连接或蜂窝无线网络连接。 由于移动a dh o e 网络是一种移动、多跳、自组织系统，因此它具有不同于 传统网络的一些特点【1 7 】： 1 、无中心和自组织性 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 a dh o c 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，既是一个对等式网络，各节点通过分层的网络路由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。一个节点的故障不会影响整个网 络的运行，与有中心的网络相比，具有很强的抗毁性。无中心和自组织性特点使 得m a n e t 网络可以实现快速自动组网。 2 、动态变化的网络拓扑 移动节点能够以任意的速度和路线移动，可以随时关闭网络设备，另外无线 发送装置的天线类型的多样性、发送功率的变化、无线信道间的干扰、地形和天 气等综合因素的影响，移动节点间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变 化，而且变化的结果难以预测。而传统有线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，即需要经过多跳。与普通网络的多 跳不同，m a n e t 网络中多跳路由是由节点共同完成的，而不是由专门的路由设 备完成的。 4 、无线带宽的有限性 m a n e t 网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所提供的网 络带宽要比有线信道低得多，而且无线信道的质量也较差。考虑信道冲突、信号 衰减、噪声和信道间干扰等因素，移动节点获得的实际带宽远小于理论上的最大 带宽，并且会随着时间动态变化。 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，如能量受限， 内存较小、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间是一个 热点问题。 6 、安全性差 m a n e t 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、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m a n e t 网络由于自身节点充当路由器，不存在命名服务器和目录服 务器等网络设施，也不存在网络边界等概念，使得m a n e t 网络中安全问题更复 杂，传统网络中许多安全策略和机制不适用于m a n e t 网络。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。 7 、网络扩展的有限性 6 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 在目前互联网环境下，可以采用子网、无级域问路由( c i d r ) 和变长子网掩码 ( v l s m ) 等技术，增强了互联网的可扩展性。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m a n e t 网络中，因而子网技术所带 来的可扩展性无法应用于m a n e t 网络环境。 8 、网络生存的周期短 m a n e t 网络主要应用于短期、临时性的通信环境，相对于有线通讯网络， 它的存在时间一般比较短。 2 3m a n e t 网络体系结构 一回b a 沁2 9 9 回 7 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 - - - - 一- - 一一- 一一应用层 表示层 ，_- ，- 会话层 ， ，- 、 i 。一- 1 7 i 。j 。 传输层 一一一。一一_ 一一- 一一一- ：、 网络层 数据链路层 物理层 图2 2m a n e t 网络的体系结构 m a n e t 网络结构一般有两种：平面结构和分级结构【3 】。 在平面结构中( 图2 3 ) ，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 平面结构的网络比较简单，原则上不存在瓶颈问题。它的缺点是可扩展性差：每 一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由。因此，节点之间交换控制信息比 较多，再加上维护动态变化的路由信息，使网络需要大量的控制信息。所以这种 结构适合用于小规模的网络。 在分级结构中( 图2 - 4 ) ，网络被划分为一个个的簇( 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。簇头节点负责簇间数据 的转发。簇头可以预定、制定也可以由节点使用选举算法产生。簇内的簇成员功 能比较简单，一般仅有到簇头的路由，它们之间不需要维护复杂的路由，并且两 个不同簇的成员只能通过簇头才能进行通信，这就减少了网络总控制信息，适合 大规模的网络。但在分级结构中簇头会成为网络的数据瓶颈和能量瓶颈。此外， 簇头变化时需要重新运行簇头选择算法，维护簇头之间的路由，这就需要合适的 分簇算法。 8 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 图2 - 3 平面结构 簇头簇头簇头 图2 4 分级结构 2 4i e e e8 0 2 1 l m a c 协议 传统的有线局域网在某些场合会受到布线困难的限制，并且无法支持移动设 备。由于这些问题的出现和应用要求，1 9 9 0 年7 月，i e e e 8 0 2 委员会成立了 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网工作委员会，负责制定无线局域网物理层和m a c 层的协 议标准。 从媒体访问角度来看，i e e e8 0 2 1 1 支持两种网络构架形式：有接入点的网 络结构和自组织网络结构。其中有接入点的网络结构中各个节点通过a p 节点进 行信息传输，本节重点讨论无中心控制自组织网络环境下的m a c 协议。 在m a n e t 网络中，节点采用分布式协调功能d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ) 的m a c 协议进行信道竞争与访问，其中d c f 是基于载波监听多址接 9 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 入碰撞避免( c a r r i e r - s e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 协 议，它有两种形式【2 2 】：物理层的物理载波监听和m a c 层的虚拟载波监听。物理 监听通过分析所有收到的数据包和其他信源的信号强度来检测附近节点的存在。 虚拟载波监听利用请求发送分组( r e q u e s tt os e n d ，r t s ) 和允许发送分组( c l e a rt o s e n d ，c t s ) 以及数据包中携带的网络矢量信息来通知其他节点避免碰撞。网络矢 量信息表示的是：在当前帧发送完成后，要发送的下一个数据帧或控制帧需要占 用的时间。每个节点根据它收到的网络矢量信息调整自己的网络分配向量 烈a v ) ，这个向量指示了信道忙的时间，这个时间后节点继续判断网络是否处于 空闲状态。两种监听模式只要有一种发现网络忙，则标记网络为忙。 在d c f 方式下，节点可以使用以下的两种方式访问信道：基本访问方式和 r t s c t s 方式。基本访问方式是指：如果节点通过载波监听或者功率检测，检 测到信道是空闲的，那么就发送数据包。接收方一旦接收到正确的数据包，就回 送一个确认信息似c k ) 。如果发送节点在指定的时间内没有收到确认信息，就进 入退避状态，在一个随机延迟后再进行重传。为了解决多跳环境下的隐终端问题， i e e e8 0 2 1 1 标准还提供了r t s c t s 方式的信道访问方式，其具体过程如图2 - 5 所示。 j l f ：；s l一是j l ： r t s数据竞争窗口 发送节点 d i f s ；i f ss i了s c t s a c k 竞争窗口 接收节点 n a v ( d a t a ) n a v ( c t s ) ) i f !， n a v ( r t s ) 竞争窗口 其他节点 图2 5m a c 层竞争过程 ( 1 ) 节点有数据要发送，且此时信道空闲，则进入( 3 ) 。 ( 2 ) 如果此时信道忙，节点标记“退避 ，进入( 3 ) 。 ( 3 ) 节点监听信道状态，如果信道在一个d i f s ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n i n t e r - f r a m es p a c e ) 时间内保持空闲。此时判断节点是否标记“退避”，是 则进入( 4 ) ；否则发送r t s 后进入( 5 ) 。 ( 4 ) 在退避期间，每检测到一个时隙的信道空闲，退避值减一；遇到信道忙， 1 0 跨层的a o d v 局部连通性研究及算法优化 则停止自减，直到信道空闲后继续。当退避值自减为零时，发送r t s 进入( 5 ) 。 ( 5 ) 所有收到r t s 的节点根据其中携带的信息调整各自的网络距离矢量 n 斟o ( 6 ) 目的节点在收到r t s 之后监听媒体一个s i f s ( s h o r ti n t e r - f r a m es p a c e ) 时 间，如果信道空闲则发送相应的c t s 。 ( 7 ) 所有收到c t s 的节点根据其中携带的信息调整各自的n a v 。 ( 8 ) 源节点收到c t s 后认为信道占用成功，过一个s i f s 就开始发送数据分组。 ( 9 ) 目的节点在成功接收数据包之后，过一个s i f s 发送a c k 表示确认。 ( 1 0 ) 源节点收到a c k 后，确认发送成功，否则重新开始信道的访问。 上面只是一般的过程，如果节点已经发送了r t s 分组或者数据分组，但没 有收到c t s 分组或者a c k 分组，那么节点就要进行退避。在退避过程中，节点 首先产生一个退避时间，其值等于若干个时隙，均匀分布在 0 ，c 硼上，c w 为当 前竞争窗口。只有在节点监听到信道空闲d i f s 时间后，节点根据信道空闲时间 递减退避时间，而在信道忙时停止递减退避时间。如果避退值为零，则可以开始 发送r t s ，继续通信。 c w 是竞争窗口的参数，其最大值为c w m a x ，在协议初始化阶段c w 设置 为最小值c w m i n 。在协议过程中每次发送数据失败时，c w 值增加一倍，直至 为c w m a x 。一旦传输成功，c w 恢复到最小值c w m i n 。 2 5 路由协议 2 5 1m a n e t 网络路由协议面临的问题及设计需求 m a n e t 网络路由协议是目前无线网络研究中的热点问题之一，i e t f 特别 成立了m a n e t ( m o b i l ea dh o en e t w o r k s ) 工作组来研究无线a dh o e 网络中的 路由协议。路由协议作为自组网体系结构中不可或缺的部分