（计算机应用技术专业论文）移动自组网的路由技术研究.pdf

移动鑫缀嘲黔潞由技术研究 摘要 移动囱组网有利于现存的任何潮终 它是由移动主杭依霖无线连接丽成 的 临时的 独立的局域网 网络中没有控制中心 也没有鼋用路由器 每 个节点既怒终端又是路出器 删络中的数据分绢经过多跳爿能到达目标节点 夔着移动巍组翻姨军事斑瘸转向民譬应雳 在移动自组网上的应用越来越广 泛 由于网络中的节点能够任意移动 路由随时都有丢失的司 能 从而导致 路由具有不i j 靠 不稳定的特性 特别是多媒体技术应用到移动自组网后 热重了路由不稳定 币可靠性 给路由技术研究裁来了雯夫黔难度 西此 路由投术成为研究网络的荚链 首先 本文提h 一种多选跳路由算法 m n h 这是 n 个改进的单径路 出算法 多媒体环境下 网络分组丢失的主要躁因是拥塞 如粱适时地将键 路数据转移到其它路径上 剐麓够减轻吞吐量绝翱的程度 降低分组丢失率 m n h 算法以按需驱动和平面型路出结构为算法出发点 利用网络仟意节点 a l o n g 够充当路由器的特点 当f 游节点进入饱和状态时 将数据分组引入其 它备份节患转发 适列撼缓解了网络吞吐量锈秘瓣状况 通过对算法的司行 性分析以及仿真试验 表明i v i n t i 能够缓解网络吞吐最饱和 提高路由的可 靠度 其次 本文提出 静快速叨捩多径路 鞋协议 q s r p 它采用多径路 l 结构 以使握高路由静恢复麓力 簿低数据包的学均传输时延 q s r p 的主 要措施是在主路由节点中备份多条切换路由 旦主路由失效 q s r p 能够 在断点处将分组迅速切换到其它路由上继续传输 同时 如果一条切换路嘲 断开 备份豹其它切软黪由 仍然麓谚继续转发分组 通过对协议的性麓仿 真试验表明 q s r p 协议在数据传输过程中有较低的传输时延 较少的控制 开销和较高的包接收牢 再次 本文提 睡 个负载平畿路由协议 r p b l b 在分析了路由襁会 型 节点移动速度和分组队列长度曼种影响多径路由的因素之后 根菰分布 式理论和信息熵概念 提出了负载平衡路山选择模型及负载加权分配模型 并在路出结构上既提高路幽的恢复能力又保持负载平衡 因此 r p b l b 能够 呤尔滨l 秘人学博士等 位论文 降低传输时延 减少发生两络吞畦蠢缝和的概率 贾畜效的提商路出可嚣性 文中对r p b l b 与q s r p 进行了性能比较与分析 由于r p b l b 考虑了多因素 对路由的影响 因此r p b l b 比q s r p 性能又有挺商 最后 扶深证黢务覆量角度出发 本文提出 个q o s 鼹由协议 移动 自组网舀适应多路径动态资源预粼路由协议 a m d r s v p 它采用中间节点 按下游节点瓶颈带宽传输数据的机制 使数据流自适应链路的带宽变化 保 证嬲终对应用程序黝服务要求 它使锺资源颈留方式 但是却一改传统网络 的资源预留容易引怒狲j 塞的弊潺 剥层多径路由并行传输多媒体流 降低每 条路由的q o s 带宽臻求 让并行路由带宽总和满足多媒体流的带宽要求 使 数据流不集中在一条路由上 既提高低带宽路由的使用率 又避免拥塞发生 关踺词 移动自组网 路由协泌 路由算法 多路由技术 负载平衡 服务质量路由 移动白组网的路由技术研究 a b s t r a c t d i f f e r e n t i a t i n gf r o mo t h e re x i s t i n gn e t w o r k s m o b i l ea dh o cn e t w o r kc o n s i s t s o fm o b i l eh o s t s w h i c hc o n n e c t sb yw i r e l e s st of o r mat e m p o r a r y i n d e p e n d e n t l o c a ln e t w o r k w i t h o u ti n f r a s t r u c t u r ea n ds p e c i a lr o u t e r e v e r yn o d ei nm o b i l ea d h o cn e t w o r ki sat e r m i n a la sw e l la sar o u t e r m u l t i p l eh o p sa r en e e d e dw h i l ed a t a i st r a n s m i t t e df r o mas o u r c en o d et oad e s t i n a t i o nn o d e w i t hd e v e l o p m e n to f m o b i l ea dh o cn e t w o r k sc h a n g i n gf r o mm i l i t a r yt c i v i l i a nu s e m o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n sa r ej o i n t e di n t om o b i l ea dh o cn e t w o r k s r o u t e rl o s i n gm a k e st h e r o u t i n gu n r e l i a b l ea n di n s t a b l e e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n d u et ot h ei n t e r m e d i a t en o d e sm o v i n go u t s i d en e t w o l k t h er e s o l v eo ft h e s e d i f f i c u l t i e sb e c o m e st h ek e yo fn e t w o r k s t u d y i nt h i sd i s s e r t a t i o n am u l t i p l en e x th o pr o u t i n ga l g o r i t h mi sf i r s tp r o p o s e d w h i c hi m p r o v e ss i n g l ep a t hr o u t i n ga l g o r i t h m u n d e rm u l t i m e d i ae n v i r o n m e n t t h em a i nr e a s o no fp a c k e t sl o s si nm o b i l ea dh o cn e t w o r ki sd u et ot h ec o n g e s t i o n t h e p r o b l e mm a yb er e s o l v e dt h r o u g ht r a n s f e r r i n gs o m ed a t af r o mt h ec o n g e s t i o n p a t h t oo t h e ri d l ep a t h w i t ht h eo n d e m a n dw a ya n df l a t r o u t i n gs t r u c t u r e a l g o r i t h mm n hi n t r o d u c e sd a t ap a c k e t si n t ob a c k u pr o u t i n gw h e nm a i nr o u t i n g t h r o u g h p u tg o e si n t os a t u r a t i o np o i n t f e a s i b i l i t ya n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h e a l g o r i t h ms h o w st h a tm n hc a nr e v i v et h r o u g h p u ti n t ok n e ep o i n ta n di n c r e a s e r e l i a b i l i t yo f r o u t i n g s e c o n d aq u i c ks w i t c h i n gr o u t i n gp r o t o c o l q s r p i sp r o p o s e di ta d o p t s m u l t i p a t hr o u t i n gs t r u c t u r ef o ri n c r e a s i n gp e r f o r m a n c eo fr o u t i n gr e s u m p t i o na sa r o u t i n g l o s sa n dd e c r e a s i n ga v e r a g et r a n s m i s s i o nd e l a yt i m eo fp a c k e t t h e m e t h o do fq s a pi sb a s e do nt h ec o n c e p tt h a tt h em a i nr o u t i n gn o d e sh o l dm a n y s p a r er o u t i n g s w h e nt h em a i nr o u t i n gl o s e s p a c k e t sa r es w i t c h e di n t oas w i t c h i n g r o u t i n gf o rf o r w a r d i n g w h i l ei f t h es w i t c h i n gr o u t i n gl o s e s t h eo t h e r sc a l li n s t e a d o fi tt ot r a n s m i s s i o no fp a c k e t s s i m u l a t i o nf o rq s r ps h o w st h a tt h e r ei sal o w e r t r a n s m i s s i o nd e l a y f e w e ro fc o n t r o l l i n go v e r h e a da n dh i g hr a t eo fp a c k e t s 嗡尔滨l 程大学蹲士学位论文 r e c e i v e d t h u d ar o u t i n gp r o t o c o lb a s e d0 nl o a db a l a n c i n g r p b l b i sp r o p o s e di n t h ed i s s e r t a t i o n a f t e ra n a l y z i n g3i n f l u e n c ef a c t o r so nr o u t i n gp e r f o r m a n c e t w o m o d e l sf o rr o u t i n gs e l e c t i o ni s p r e s e n t e di nr p b l b o n ei s b a s e do nl o a d b a l a n c e t h eo t h e ri so nl o a dw e i g h i n g i no r d e rt od e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo f n e t w o r ks a t u m f i o n a n di n c r e a s e r e l i a b i l i t y o fr o u t i n g r p b l b e m p l o y s n o n c o u p l er o u t i n gs t r u c n l r ef o rt r a n s m i s s i o nd a t ai np a r a l l e l a n dd o e sc o u p l e r o u t i n gs t r u c t u r et or e s u m er o u t i n g c o m p a r i n ga ma n a l y z i n gt h eq s r pw i t h r p b bi ns i m u l a t i o n t h ei a t t e rh a sab e t t e rp e r f o r m a n c et h a nq s r r f i n a l l y t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sa na d a p t i v em u l t i p a t hd y n a m i cr e s o u r c e r e s e r v a t i o nr o u t i n gp r o t o c o l a m d r s v p i ta d c i p t e sam e c h m f i s i mt h a tm e d i a t e n o d e st r a n s m i td a t aw i t hab o t o l e n e c kb a n d w i d t ho fi t sd o w n s t r e a mn o d e t h e p o p u s eo ft h em e c h a n i s i mi s f o ra d a p t i v ef l o w sc h a n g i n g i na d d i t i o nt o i t e m p l o y e sm u l t i p a t hr s v pi n s t e a do fs i n g l ep a t hr s v pt oa v o i dc o n g e s t i o n e m e r g e n gi nt h ei n t e m e tt h r o u g hs u n lo fm u l t i p a t hb a n d w i d t hi sl a r g e ro re q u a lt o r e s e r v a t i o nb a n d w i d t h s i m u l a t i o nf o ra m d r s v ps h o w s 也斑t h ep r o t o c o lh o l d sa b e t t e rp e r f o r m a n c eo fq o sr o u t i n g k e y w o r d s m a n e t r o u t i n gp r o t o c o l r o u t i n ga l g o r i t h m m u l t i p a t hr o u t i n g l o a db a l m a c i n g q o sr o u t i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导 下 由作者奔赴人独立完成的 有关观点 方法 数据和 文献的引用一再文中指出 并与参考文献相对应 出文中 已注明引用的内容外 本论文卅i 包含任何其他个人或集体 已经公开发表的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体 均已在文中能够以明确方式标明 本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 盥 日期 o 1 5 年 r 月 沙日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 移动自组网越来越受到人们的关注 有人称它为第4 代网络 不同于现 存的任何网络 无控制中心 多跳路由是它的最基本特征 这个特征给研究 移动自组网带来极大挑战 目前对移动自组网的研究还刚刚开始 包括网络 的管理机制 网络的拓扑结构 自适应网络动态变化的路由技术 网络的q o s 服务 网络安全 与其它网络的无缝连接等方面都处于研究阶段 其中 路 南技术是解决移动自组网问题的关键 1 1 1 移动自组网定义 移动自组网英文名为m o b i l e a dh o cn e t w o r k 也称m a n e t 网络 其中 a dh o c 一词来源于拉丁语 是 特别地 专门地 的意思 移动自组网所标 称的正是这种无线特定的网络结构 它强调的是多跳 自组织 无中心的概 念 网络中的节点是自由移动的 所以 国内一般把基于m o b i l ea dh o c 技 术的网络译为移动自组网 或者自组网 或者多跳网络等 i r l 移动自组网技术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事领域 它是在美国国 防部 d a r p a 资助研究的 战场环境中的无线分组数据网 p r n e t l 3 1 p a c k e t r a d i on e t w o r k i n g 项目中产生的一一种新型网络构架技术 d a r p a 当时所提 出的网络是一种服务于军方的无线分组网络 实现基于该种网络的无线数据 通信 1 9 8 3 年和1 9 9 4 年 d a r p a 又分别资助了自适应高抗毁性网络 4 5 1 s u r a n s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k 和全球移动信息系统 6 t g l o m o g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s 两个项目的研究 以便能够建立某些特殊 环境或紧急情况下的无线通信网络 移动自组网就是吸取了p r n e t s u r a n 以及g l o m o 等项目的组网思想 从而产生的一种新型的网络构架技术 1 9 9 1 年 i e t f i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e 将移动自组网技术正式转为民用 并命名为m a n e t m o b i l ea dh o cn e t w o r k s 7 1 本文主要研究移动自组网 的路由技术 通过路由算法和协议解决网络的可升级性 路由容错性等 豫尔滨 群天学博士学谯论文 到目前为止 还没有统一一的关于移动自组网的定义 但是所有定义离不 开其核心内容 其中之 是 移动融编网是由移动主机通过无线连接而组成 豹临时欧 独立的藏域阏 s 1 迄有的定义为 移动鑫组网是e l 一些移动主瓤 形成的临时的局域网 没育任何中央锊理或基站的支持翻 目前广泛认同的 移动自组网的定义是 1o j 移动自组网魑由一组移动节点所组成的自治系统 其中的每个节点可以自由移动 节点可以出一个配罄了多个无线通信设备的 潞出嚣秘蓉于主极组成 移动自缀阏u 蠡丁以独立运行 篷可以邋j i 弼关节点与 固定网络连接 在这种情况下 移动自组网被视为终端子网 图1 1 和图 1 2 分别描绘了移动自缀网在民用已的物理结构图和逻辑结构圈 图1 1 物理模型 f i g 1 1 p h y s i c a lm o d e l l 1 2 网络技术特德 图1 2 逻辑模型 f i g 1 2 l o g i c a lm o d e l 移动岛组网继承和发扬了无线分组数据网的思想 强调在一个广阔的区 域上实现多鼷无线通镑 基于这季孛多躐的无线信遵特点 m a n e t 蕊嚆蕾诸 如媒体接入 寻址 路由 网络初贻化和控制等难题 但是m a n e t 所倡导 的系统自组织 s e l f o r g a n i z i n g 特性使得网络系统缀建灵活 抗毁性强 在 经一时刻 移动自组嘲中一些带有无线收发装爨的移动节点都可以通过无线 信道连接形成一个任意躐状的拓亨卜结构 在这耱环境中 由于终瑞无线通信 覆盖范围的有限性 两个无法直接通信的用户终端可以借助其它终端的分组 转发进行数据通信 它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下 第l 牵缝论 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 移动自组网 可以在独立的环境下运行 也可以通过网关连接到现有的网络基础设施i 搬i n t e r n e t 或者蜂窝核心嬲 在瓣 秘情况中 移动鲁组嗣通常是以一个终 端予网的方式进入现有的i n t e r n e t 网络 它只允许自治系统内部节点的信息 进出 而不会让其它信息穿越自治系统 在移动囊缀网中 节点兼有妻枫和路出器鼹静作用 方西 节点作为 主租运行榻关敬协同应爝程序 贯一方瑟 节点作为路由器需要运行褶关的 路由协议 进行路由发现 路由维护等常见的路由操作 对接收到的目标不 是自己的分组需要进行分组转发 出此可以看f i j 与其它通傣网络相比 移 动自缀网共有以下特征 1 网络自组性 移动自组网可以在任何时刻任何地方构建 丽不需要现有的信息基础网 络没施的支持 形戏 个自由移动蛉遥信网络 黼络透过分布式控制交组织 成一个簸对翰 独立豹局域鼷 2 动态网络的拓扑结构 从嘲络的网络层来蠢 移动终端可以以任意的速度祁任意方式移动 加 上无线发送装置发送功率的变化 无线信道阗豹耱互于抗 圭蠹形变讫等嚣索 的影响 节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构处于动态变化之中 3 有限的无线传输带宽 无线信道本身黪物理特性使移动岛缀瓣的嗣络带宽媚对裔线方式要窜的 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 嗓声于 扰等因素 使实际带宽恩窄 4 移动终端熊力的有限性 移动鑫缀羽中静穆凌耀户终端爨有内存小 c p u 处理能力低 瘊带魄源 有限局限性 加深了对移动自组网技术研究的难度 5 安全性差 移动鑫缀网是一个无线通信黼终 数据信惑嚣趣容易被臻昕 侵 攻 击 影响通信安全 6 网络的分布式 移动舀缉网中的移动节点都燕京独立路由翱主杌功能 不存在类似子鍪 嗡自 蒺 翻鼙大学博士学位论文 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 7 网络的可扩展性不强 移动鸯缀躅动态变纯的褥扑结构使得i n t e m e t 的予网技术掰带来匏网络 可扩展性不能得到应用 8 单离无线偿道的存在 当网络中两个终端用户的发射功率不同时 存在单向无线信道问题 发 射功率强斡一方收不刘弱方信号 9 生存时间短 缀网通常蔗由予蒸个特定原因两嗡对创建的 使用结泵簸 掰络环境将 会自动消失 移动自组网的生存时间相对于固定网络是短暂的 1 1 3 移动翻组网的优势 1 易于快速展开 灵活机动 移动自组网的这种随机性和无中央控制中心特性 使得嘲络能够随机地 搭建在任何地方 不受任 霹地理 地域 基础设备以及工作环境等条髂的限 制 而且易予整喇移动 灵活性高 2 鲁棒憷强 不依赖于基站 这 点特别适台予军事 因为不需要基站支持 两个以上节点就自 够自 缀织成网络 抗毁性强 3 建网开销低 因为不零要基础设施 妻l 不需要攒建基站 两个以上移动终端节点就能 够组删 组网容易 因此 无论是价格还是时闻 都确开销低见效快的优点 1 1 4 移动自组网的体系结构 本节就5 个层次的网络体系结构逐层介绍 并就这几个屡匿 分析移动 自组网的技术特点 分层参考模型如图1 2 所示 4 第l 章绪论 应j e j 层 佟输爱 网络层 分缀转发和路由 逻辑链路控制 l l c 媒体接入控制 m a c 物理鼷 无线信遵 图1 2 层参考模型 f i g t 2l a y e rr e f e r e n c em o d e l 物璃鼷完成无线信号的编码译粥 发送帮接收等工辛 数据链路层控铡 对共享无线信道进行访问以及对逻辑链路进行控制 所以数据链路层又分为 m a c 媒体接入控制 层和l l c 逻辑链路控制 层 网络屡是移动自组网 援术的囊点 也是与其它网络区别的主要所在 传统露络的i p v 4 协议 t p v 6 协议或箕它网络层协议提供网络髹数据服务 丽在移动自组嗣中 网络鼷的 单目标路由协议维护路由表 使其与当前的移动自组网拓扑结构一致 多目 标路由协议提供群组遴信的底层支持 网际互联支持移动自鳃n 中与其它瑗 有网络夏联 q o s 支持联务质量保涯 路由安全掇供对路由协议浆安全保障 传输层主要完成端剐端通信的建立 目前 般的思路是对有线网中的 t c p u d p 进行改造 使之适应无线环境 移动自组网的应用层主要包括建圣 在移动巍维之上的无线应用以及接入移动通信孩心阐的各静簸务 1 移动自组网的物理层 基于接收发送主骤功能的物理层首先要考虑的是通信信号的传送媒体 一般薅言 移动鑫缎潮都是基于无线通信 耪毽屡所露稽豹蓠要问题藏跫无 线频段的逸择 购买以及分配 嗣前大家一致采用的都是基于2 4 g h z 的 i s m i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l 免费频段以降低成本 其次 物理层必须就 各秘无线通信机制做幽选择 从而完成性能优良的收发信功能 到髫前为i 兰t 哈尔滨工程人学博士学位论文 移动自组网物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标 准 其中包括i e e e8 0 2 1 1 系列 蓝牙 b l u e t o o t h h i p e r l a n 等标准所定 义的物理层 2 移动自组网的数据链路层 数据链路层解决的主要问题包括媒体接入控制和数据的传送 同步 纠 错以及流量控制等 移动自组网数据链路层又分为m a c 和l l c 层 在一般 情况下 研究者们关注的主要的是m a c 层 因为m a c 决定了数据链路层的 绝大部分功能 从夏威夷大学的a l o h a 项目组提出单跳的无线网络中进行 分组数据的广播是可行的这一结论以来 针对媒体共享的问题 已经有 a l o h a 时隙a l o h a c s m a 载波侦听多路访问 以及i e e e 8 0 2 t l t 所采用的c s m a c d 等解决竞争带来的冲突问题 m a c 层主要就是由这些媒 体接入方案充当 出于a l o h a 时隙a l o h a c s m a 都存在媒体冲突 终端暴露以及终端隐藏等严重的问题 所以 后来就有带冲突检测和冲突避 免的c s m a 媒体接入方案的提出 被用在了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网方案中 但是 研究又发现 基于无线移动自组网环境的c s m a c a 仍然存在着一些 问题 于是 一些学者又提出了各种相应的改进形式作为m a c 层的解决方 案 包括针对基于c s m a c a m 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 的 改进 其中有基于网络吞吐量的m a c 层协议 实现移动终端的低能量消耗 降低信道冲突 提高成功传送率等 3 移动自组网的网络层 常规的路由协议 如距离矢量路由协议和链路状态的路由协议 是为有 线网络而设计的 它们的拓扑结构是固定的 不会出现大的网络结构变化 移动自组网结构则是动态变化的 常规路由协议在拓扑结构变化时 就会花 很大的代价重构路由 而且协议状态始终处于不收敛状态 另外 还有以下几种因素使移动自组网不能采用常规路由协议 1 自组 网终端节点的无线信道可能存在单向信道 2 无线信道的广播特性使得常规 路由在路由选择过程中产生许多冗余链路 3 常规路由要周期性地更新路由 信息 这样会消耗大量的网络带宽 4 常规路由的更新报文将消耗大量的主 机能源 5 某些常规路由防议需要的复杂计算使得c p u 始终处于很高的负 第1 章绪论 载下 给有限的主机能源带来更大的压力 4 移动自组网传输层 到目前为止 移动自组网的传输层还是在i n t e r t n e t 网络层的基础上 对 t c p u d p 协议进行修改 以适应无线环境 完成传输层的功能 传统的t c p 济议使无线移动自组网丢弃一些不该丢弃的数据 因为有些分组丢失是路由 失效造成 而非拥塞所致 但是t c p 将所有的分组丢失都归因于拥塞 并启 动拥塞控制和避免机制 导致端到端吞吐量无谓的降低 为此 已经有多个 t c p 改进方案提出 比如t c ps a c k 和t c p a s a c k 等等 对u d p 的改进 与t c p 相似 5 移动自组网的应用层 移动自组网的应用层指定的是各种类型的业务 在实际实施的时候 可 以采用各种应用层协议和标准 比如w a p 协议 w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 等 基于移动自组网技术的网络所承载的业务同其它各种类型网络一样 主 要是传统的业务和人们给予厚望的 无线宽带数掘业务 根据移动自组网的 特性 在承载同类型业务时 要考虑更多的实际问题 克服更多的困难 在 解决各种困难的时候 应用层也是问题解决的一个层面 1 1 5 移动自组网关键技术 1 路由技术 移动自组网中的路由选择问题比传统网络的难度更大 主要有以下两方 面的原因 2 第 传统的解决方案 如在i n t e r n e t 和蜂窝网中的一些方案 都是假定网络拓扑结构是相对稳定的 而移动自组网的拓扑是不断变化的 第二 传统的路由方案依赖于保存在某些网络节点或特定管理节点中的分布 式路由数据库 而对于移动自组网 节点不可能永久存储路由信息 而且它 们存储的信息也并不是一直真实可靠的 1 3 2 无线t c p 鉴于t c p i p 已经成为事实上的i n t e r n e t 标准协议栈 作为i n t e r n e t 扩展 的移动自组网也必将采用它 1 4 15 因此 分析t c p 在移动自组网中的性能 并研究如何使其适应移动自组网的环境就变得尤为重要 哈尔滨 j 一程火学博十学位论文 由于无线链路的错误突发与信道时变以及节点的移动与频繁切换的等原 因 因此引起突发性的分组丢失 因此 降低了t c p 的性能 移动自组网中 的分组丢失主要由无线差错和节点移动共同所致 而传统的t c p 将所有的分 组丢失都看作网络发生拥塞而重传丢失分组和启动拥塞控制机制进行网络的 恢复 如 降低传输窗口的大小 减少发送分组的数目 激活s l o w s t a r t 算法 限制窗口增大到原来水平的速率 采用二进制指数后退策略 重新设 置重传定时器等 这些措施都无谓地压制传输 进一步降低了网络性能 因 此 在移动自组网中不能直接采用传统的t c p 协议 必须采取某种机制来区 分分组丢失的原因 并采取相应的快速恢复机制 目前 t c p 支持蜂窝无线 环境的改进机制主要有链路层机制和分段机制 l6 两种 这两种机制对提高移 动自组网中t c p 的性能都有较大意义 但是还不够完善 3 功率管理 功率管理一直是无线网络中比较难以解决的问题f l 在移动自组网中更 是如此 在这类网络中主要考虑两方面的问题 第一 无线网络的发射功率越小 传输范围越小 信道受到的干扰也越 小 功率越大 传输范围越大 受到的干扰也越大 为了使网络吞吐量最大 必须按照一定的方案调整移动节点的功率 以便在传输范围和干扰之间进行 折衷 第二 既然移动节点通常都是以电池为能源的 所以减少它们的电池消 耗是非常重要的 一种方案是当节点无需收发和转发信息时 就将其转入睡 眠或空闲状态 目前还有一些学者 f 在考虑最小能最消耗的路由选择i l 划和组 播 方案 4 安全管理 安全管理对许多网络都是一个非常重要的问题 在移动自组网中更是如 此 在移动自组网中实现保密性 完整性 服务有效性以及鉴权和认证等安 全需求将面临极大的挑战 这是因为节点的移动性给鉴权中心的确定和密钥 管理带来很大困难 目前基于看家狗 w t c h d o g 的方案和防侵害硬件都在研 究之中 2 0 2 l l 第1 章绪论 1 1 6 研究目的和意义 在未来移动通信中 移动自组网发挥重要作用 无论是d n 家庭局域网 还是大到高度数字化战场 移动自组网都起着举足轻重的作用 然而 由于 移动自组网研究起步晚 加上网络的特殊性 因此网络的各层协议都还不成 熟 特别是作为网络关键之一的路由技术 更为突出 另外 随着商业应用 的悄然进入 q o s 服务也成为移动自组网新的课题 本文研究的目的就是探 讨关键问题之一的路由协议以及q o s 路由保证 以下就移动自组网的军事价 值 民用价值 科技价值 社会效益和经济效益分别进行说明 军事价值 从某种意义上晓 未来战争就是高科技的战争 自动战场 将是其主要形式 在自动战场上 移动自组网将起到无可替代的作用 海 陆 空三军的配合 侦察系统与指挥部间的通信 指挥部与作战前沿的联系 作战单元 士兵 战车 作战分队等 间的联络和配合 均需要功能强大的 通信系统支持 通信内容不再局限于传统的语音信号 还有数据 图像和视 频等多种信息 因此 传统的通信系统不再能适应未来高科技战争的需要 必须研究新的 功能强大的 能支持多媒体通信的 高移动性 高可靠性通 信网络 民用价值 尽管移动自组网最初是为军事目的而被提出来的 但由于其 自身的特点 移动自组网在民用领域同样有着巨大的应用价值 未来的个人 通信技术目标是无论何时 何地都能与任何人进行通信 移动自组网能够快 速部署 方便地建立网络 因此国民生活的很多领域都有移动白组网的用武 之地 从普通的应用 如 会议 合作和分布式计算等 到灾难 如 火灾 洪水和地震等 恢复 执法行动 如 拥塞控制 搜索和救援等 科学研究 无通信基础设施地区的组网 野外考察 勘探等 提供无法从公共网络得到 的特殊服务和计算机协同工作 c s c w 等等 移动自组网都可以提供相应 的解决方案 科技价值 与传统的有线固定网络和单跳 如蜂窝型 无线网络相比 支持多媒体传输的移动自组网在许多方面都面临挑战 这些因素包括 主机 的移动性 可变的网络拓扑结构 多信道 多跳传输 信道噪声 时变带宽 高误码率 近邻干扰 传输时延约束和无中心控制等 因此 从技术层面看 哈尔滨t 程大学博士学位论文 移动自组删比传统的有线固定网络和单跳无线网络要复杂得多 这些技术都 是目前国际上网络通信领域研究的热门课题 它们的解决将推动网络通信技 术的发展 社会效益和经济效益 移动自组网可用于需要动态组建临时网络的各种 场合 为缺少网络通信条件的地区提供快捷的网络服务 为用户提供多样性 的 方便的服务 为科学研究和科学探险 如 沙漠 极地考察 提供通信 服务 为未来高科技战争中的自动战场提供强大的通信网络等等 可见 本 项目的研究可以产生良好的社会效益 由于移动自组网的用途广泛 具有很 大的市场潜力 移动自组网技术的成熟将带动一系列相关产业的发展 并产 生巨大的经济效益 1 2 移动自组网路由技术 1 2 1 自组网路由协议面临的问题 移动自组网除了具有移动蜂窝网络未完全解决的问题 如带宽优化 高 效的能源控制 传输质量增强等之外 还包含自身匝待解决的问题 如路由 问题 动态网络配罱问题 设备发现 拓扑维护等等 在众多的研究课题中 路由技术尤为关键 它是移动节点通信的基础 路由协议的作用就是在自组织网络环境中 建立各节点的路由 同时 通过 监控网络拓扑结构的变化 更新和维护路由 与以往的有固定基站转发的无 线通信单跳路由技术不同 移动自组网路由必须通过网内节点多跳转发机制 进行数据交换 它要受网络拓扑结构快速变化 网内资源有限 终端设备性 能受限的约束 要求路由协议必须保证较强的分布式 提供稳定的路由 有 良好的可扩展性 支持能源控制 保证q o s 路由以及保证路由安全等 为此 i e t f 成立了m a n e t 工作组集中从事移动自组网路由协议及其性能评定的研 究 2 2 2 3 现已发布了一些路由草案 2 4 i e t f 下一步还将就如何实现多播路由 以及q o s 等问题展丌讨论 25 2 在研究移动白组网路由技术的过程中 发现自组网路由于受到多因素影 响 问题较复杂 具体讲 1 由于终端节点自由移动 网络拓扑结构不断 变化 导致路由失效 当路由失效时 网络如何尽快恢复或重构路由 并保 第1 章绪论 证激活流不被丢弃 2 重构导致能量消耗 如何减少消耗 是当前路由协 议重点解决的问题之 3 重构过程中需要控制信息 这些控制信息将与 其它数据信息竞争网络资源 包括网络带宽 节点c p u 占用 存储空间以及 剩余电能等 因此 降低控制信息量是衡量路由协议性能的一个尺度 2 8 4 时间因素非常重要 因为节点是移动的 中间操作应力争在有限的时问内完 成 5 由于移动自组网业务不断拓展 特别是多媒体业务的进入 使网络 负载急剧增加 路由节点负荷增加 网络负载容易失衡 使原本性能就不强 的移动终端变得更弱 网络拥塞 传输延迟等随之增加 因此 如何控制拥 塞 降低时延 提高吞吐量及网络可升级性 2 适应多媒体流的发展成为研 究热点之一 6 多媒体进入后的q o s q u a l i t y o f s e r v i c e 保证也是亟待解 决的路由问题1 3 0 j 而且 通常情况下 q o s 路由协议总是使用那些资源比较 丰富的节点 它降低网络的可升级性 解决q o s 路由协议环境下网络升级问 题成为研究热点 7 随着移动白组网规模不断扩大 无线传输的弱点必须 受到极大重视 安全路由将成为路由研究的又一个重要课题i j l l 目前 国内在移动自组网方面的研究刚刚起步不久 国外的研究也还处 于仿真和实验 试验床 t e s t b e d 阶段 尽管已经有一些移动自组网商业产 品出现 但是这些产品还不成熟 只能提供比较简单的数据传输 距移动自 组网的最终应用目标还有相当的距离 1 2 2 对路由协议评价标准 以下几个参数能够评价路由协议性能 通常情况下 用3 个参数评价路 由协议 1 端到端延迟 反映协议的信道访问效率 因为在基于竞争机制的链路层 信道访问的 代价是很高的 2 控制开销 表示协议传送数据时所花控制负荷的位效率 需要说明的是控制负荷不 仅包括路由控制分组中的位 还包括数据分组头部的位 换句话说 任何不 属于数据 净负荷 的东西都是控制负荷 3 成功传递率 哈尔滨工秽人学博十学位论文 这是成功到达目标的位数和全部发送位数的比率 是网络内传送数据的 位效率 它也暗含路由丢包程度 同时 还必须考虑测量协议性能的组网环境 需要考虑的网络基本参数 包括 1 网络规模 以节点数来衡量 2 网络连通性 节点的平均度数 即节点的平均邻居数 3 拓扑变化速率 网络拓扑结构的变化速率 4 链路容量 用b i t s s e c o n d 表示的链路有效速率 5 单向链路的比例 当存在单向链路时 协议运行的效率情况 6 流形态 考察协议自适应非均匀或突发流量形态的能力 7 移动性 m o b i l i t y 测试协议对网络的动态适应性 8 睡眠节点的比率和频率 当网络中节点出现睡眠和唤醒情形时 协 议的性能表现 以上的这些内容可以用来帮助衡量特定的自组网路出协议的性能 以及 适合在哪些应用环境 1 2 3 路由技术的研究现状 移动自组网的路由选择问题比传统固定网络更具挑战性 主要因为有以 下几种因素 主机的移动性 网络拓扑结构的可变性 传输的多跳性 无线 信道的不可靠性 远近效应 多径衰落 信道噪声和干扰等 带宽的贫乏性 和时变性等 由于对移动自组网研究起步比较晚 到目前为止 对网络层的 路由协议还没有一个标准出台 路由协议还处于研究中 一些研究人员已经 提出了许多基于各种不同策略的路由协议 根据不同的路由策略 将移动自 组网路由协议分为以下四种两两相对的类型及其它杂类型 并根据不同类型 介绍一些i e t f 正致力于改进的典型的路由协议 1 表驱动类型 p r o a c t i v e 和按需选择类型 r e a c t i v e 表驱动 t a b l ed r i v e n 路出协议也称为主动式或先验式 p r o a c t i v e 路由 协议 其原理是每个节点维护一张路由表 源节点一旦需要发送报文 可以 立即获得到达目的节点的路由 当网络拓扑发生变化时 更新路由表 并把 第1 章绪论 这个更新消息传遍整个网络 按需 o n d e m a n d 路由协议又称为随选型路由协议或者反应式路由协 议 是专门针对m a n e t 环境提出来的 与表驱动路由协议相反 浚类协议 并不事先生成路由 仅在源节点需要时才建立路由 因此 路由表信息是按 需建立的 它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分 按需路出建立 般包 括两个阶段 路由发现和路由维护 该类型中各路由协议的差别表现在发现 路由的过程 取得和维护信息的方法 传输数据的方式 3 2 j 目前常用的表驱动路由协议主要有d s d v 1 f s r l 3 4 1 和o l s r f 3 5 1 等 按 需路由协议主要包括a o d v 3 6 1 d s r l 37 1 t o r a 3 8 1 和s s a i 3 9 1 等协议 d s d v d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r 是典型的表驱动路由协议 d s d v 协议中的每一个节点都保存着一个路由表 凡是有可能与之连接的节 点都记录在表中 并且连同到这个节点的跳数也一并记录在其中 每一条记 录都有一个相应的序列号 用来标记所记录路径的更新情况 有效避免使用 过时路径 防止可能产生的环路路由 其缺点是每一个节点都必须维护一个 全网的路由信息表 因此 在网络规模比较大的情况下 所需要的更新信息 量巨大 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 协议在建立路由的 方式上对d s d v 进行了改进 在路由过程中 中间节点不需维护路由信息或 参与路由表交换 在路出发现阶段 当节点需要发送信息而又没有目的节点 的有效路由时 启动一个路由发现过程 向网络广播一个r r e q r o u t er e q u e s t 分组 a o d v 允许中间节点响应r r e q 发现路由后 中间节点或目的节点以 草播的方式向源节点发送一个r r e p r o u t er e p l y 分组 心印沿着刚建立的逆 向路径传输 因此 a o d v 不支持单向链路 在路f i 维护阶段 当源节点得 到链路中断消息后重启路由发现过程 a o d v 的显著特点是引入了组播路由