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AdHoc网络及路由技术简介 1 AdHoc 3 1 2 4 2 AdHoc网络简介 AdHoc网络定义Adhoc网是一种多跳 structurelessNetwork 或自组织网 Self or ganizingNetwork 整个网络没有固定的基础设施 每个节点都是移动的 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系 在这种网络中 由于终端无线覆盖取值范围的有限性 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 每一个节点同时是一个路由器 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能 由于Adhoc网络是一种工作在无定结构环境下的自组织的无线移动网络 它适用于军事或是一些战固略应用场合 例如 战场上部队快速展开和推进 发生地震或水灾后的的 无中心的 自组织无线网络 又称为多跳网 Multi hopNetwork 无基础设施网 Infra营救等 在没有网络基础设施的情况下 Adhoc网络可以快速组网 其节点可以移动 网络中的每个节点既充当主机又充当路由器 由于Adhoc网络具有组网快捷 灵活 且不受有线网络约束等优点而具有广泛的应用前景 3 AdHoc网络简介 AdHoc网络的特点1 网络的独立性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 任何地点不需要硬件基础网络设施的支持 快速构建起一个移动通信网络 它的建立不依赖于现有的网络通信设施 具有一定的独立性 AdHoc网络的这种特点很适合灾难救助 偏远地区通信等应用 2 动态变化的网络拓扑结构在AdHoc网络中 移动主机可以在网中随意移动 主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失 主机之间的关系不断发生变化 在自组网中 主机可能同时还是路由器 因此 移动会使网络拓扑结构不断发生变化 而且变化的方式和速度都是不可预测的 对于常规网络而言 网络拓扑结构则相对较为稳定 3 有限的无线通信带宽AdHoc网络中没有有线基础设施的支持 因此 主机之间的通信均通过无线传输来完成 由于无线信道本身的物理特性 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多 除此以外 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞 信号衰减 噪音干扰等多种因素 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值 4 AdHoc网络简介 4 有限的主机能源在AdHoc网络中 主机均是一些移动设备 如PDA 便携计算机或掌上电脑 由于主机可能处在不停的移动状态下 主机的能源主要由电池提供 因此AdHoc网络有能源有限的特点 5 网络的分布式特性在AdHoc网络中没有中心控制节点 主机通过分布式协议互联 一旦网络的某个或某些节点发生故障 其余的节点仍然能够正常工作 6 生存周期短AdHoc网络主要用于临时的通信需求 相对与有线网络 它的生存时间一般比较短 7 有限的物理安全移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击 易于遭受窃听 欺骗和拒绝服务等攻击 现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击 不过AdHoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性 5 AdHoc路由协议 AdHoc网络路由协议分类根据发现路由的驱动模式的不同 分为表驱动路由协议 按需路由协议 混合式路由协议 根据网络拓扑结构的差异 分为平面结构的路由协议和分簇路由协议 注 简单介绍一下表驱动路由协议和按需路由协议 6 表驱动 tabledriven 的路由协议通过不断的检测网络拓扑和链路的变化情况动态的更新路由表 在这种路由协议中 每个节点都维护一张或多张表格 这些表格包含到达网络中他节点的路由信息 当检测到网络的拓扑结构发生变化的时候 节点在网络中发送更新的信息 收到更新信息的节点更新自己表格 AdHoc路由协议 7 AdHoc路由协议 按需路由协议只在网络中的节点需要通信的时候才查找路由 在这类路由协议中 每个节点并不保存及时准确的路由信息 只有当源节点要向目标节点发送数据的时候 源节点才向网络中发起路由查找的过程 找到相应的路由之后开始发送数据 由于按需式路由减少了维护路由表的开销 在AdHoc网络中得到了大量使用 8 混合路由协议结合了表驱动与按需路由协议的优点 局部范围内使用表驱动路由协议以维护比较准确的路由信息 而在查找距离较远的路由信息时使用按需路由以减少全局的路由协议开销 主要代表性协议是ZRP协议 9 AdHoc路由协议 10 DSR路由协议介绍 DSR路由协议动态源路由协议 DynamicSourceRouting DSR 是在移动自组网 MANET 中使用的一种路由协议 它工作在TCP IP协议族的网际层 DSR是一个专门为多跳无线AdHoc网络设计的简单且高效的路由协议 所有的路由都是由DSR路由协议动态地 自动地确定和维护 它提供快速反应式服务 以便帮助确保数据分组的成功交付 即使在节点移动或者其他网络状况变化的条件下也是如此 DSR路由协议有两个主要机制组成 路由寻找 RouteDiscovery 机制和路由维护 RouteMaintenance 机制 路由寻找机制在源节点需要给目的节点发送一个分组并且还不知道到达目的节点的路由的时候使用 当源节点正在使用一条到达目的节点的源路由的时候 源节点使用路由维护机制可以检测出因为拓扑变化不能使用的路由 当路由维护指出一条源路由已经中断而不再起作用的时候 为了将随后的数据分组传输到目的节点 源节点能够尽力使用一条偶然获知的到达目的节点的路由 或者重新调用路由寻找机制找到一条新路由 11 DSR路由协议介绍 在DSR路由协议中 路由寻找机制和路由维护机制均是完全按需操作 不需要某个网络层次的某种周期分组 如DSR不需要任何周期性的路由广播分组 链路状态探测分组 DSR路由协议的的所有状态都是 软状态 因为任何状态的丢失都不会影响DSR路由协议的正确操作 因为所有状态都是按需建立 所有状态在丢失之后如果仍然需要的话则能够很容易得到迅速恢复 DSR路由协议的路由寻找机制和路由维护机制的操作使得单向链 一条链路只能沿一个方向发送数据 和不对称路由 任意一对主机HA HB 路由对称性是指从主机HA到主机HB的路由是否与从主机HB到主机HA的路由经过相同但次序正好相反的转发实体 DSR路由协议的完整版本直接使用 源路由 节点使用路由缓冲器存储节点所知的源路由 当发现新路由时 更新缓冲器内的条目 节点所发送的每个数据分组均在其分组头中携带其将要通过的一个完整的 按序排列的路由信息 12 DSR路由协议介绍 13 DSR路由协议介绍 DSR协议操作路由发现当一个节点欲发送数据到目的节点时 它首先查询路由缓冲器是否有到达目的节点的路由 如果有 则按此路由发送数据 如果没有 源节点就开始启动路由发现程序 路由发现过程中使用洪泛路由 FloodingRonuting 路由发现的具体处理过程 当节点S需要向节点D发送数据 但不知道节点D的路由 于是节点S就开始路由发现过程 源节点S洪泛 路由请求 分组RouteRequest RREQ 每个请求分组通过序列号和源节点S标识唯一确定 14 路由请求源节点向邻居节点广播路由请求消息 RREQ 和源节点地址 中间节点接收到RREQ后 将自己的地址附在路由记录 记录从源节点到目的节点路由的中间节点 中 DSR路由协议介绍 15 中间节点处理中间节点维护 源节点地址 请求ID 序列对列表 重复RREQ检测如果接收到的RREQ消息中的 源节点地址 请求ID 存在于本节点的序列对列表中 而且路由记录中包含本节点的地址 则证明检测到重复 此中间节点需要丢弃该RREQ消息 DSR路由协议介绍 16 路由应答目的节点收到RREQ消息后给源节点返回路由应答消息 RREPRouteReply 并且拷贝RREQ中的路由记录 源节点收到RREP后在本地路由缓存中缓存路由信息 当链路是双向时 1 目的节点一收到RREQ分组就发送RREP分组 2 RREP分组中包含有RREQ分组中从源节点S到目的节点D的路由记录 前向路 3 RREP分组按RREQ分组的路由记录进行反向传送当链路是单向时 目的节点执行和源节点相同的路由发现过程 不同的是目的节点的RREQ分组捎带传送RREP分组 DSR路由协议介绍 17 DSR路由协议介绍 总结 收到 路由请求 的分组的节点 若满足 1 该节点不是目的节点D 2 请求分组头部的源路由序列中不包含该节点 3 该节点没有接收过同样的路由请求分组 4 节点的路由表中没有目的节点D的路由信息 节点将自己的地址附加到 路由请求 分组头部的路由记录中 并将该分组转发给所有的相邻节点 18 DSR路由协议介绍 若RREQ分组在最近收到的 历史RREQ列表 中存在 或路由记录中包含本节点 此节点讲删除该 路由请求 分组 防止循环处理和出现路由环路 若节点不是目的节点D 节点路由表中记录有到目的节点D的路由信息 节点将发送 路由应答 RREP分组给节点S 应答中包含S到D的路由 若该节点就是目的节点D 则发送RREP分组给源节点S 节点S获得路由后 使得源路由进行数据通信 19 DSR路由维护如果数据分组被重发了最大次数仍然没收到下一跳的确认 则节点想源端发送路由错误 RouterError 消息 并且指明中断的链路 源端将该路由从路由缓存表中删除 如果远端路由缓存中存在另一条到达目的节点的路由则使用该路由重发分组 否则重新开始路由发现过程 20 DSR路由缓存当源节点S收到RREP分组后 就将RREP分组中从源节点S到目的节点D的路由信息进行缓存 当源节点向目的节点发送数据分组时 此路由信息就包含在每个分组的头部 所有的中间节点利用源路由信息进行分组转发每个节点通过缓存它通过任何方式获得的新路由转发RREP 获得本节点到RREP记录中所有节点的路由转发RREQ 获得本节点到RREQ路由记录中所有节点的路由转发数据分组 获得本节点到数据分组节点列表中所有节点的路由 21 DSR路由协议介绍 中间节点使用缓存的到达目的节点的路由相应RREQ RREP中的路由记录 RREQ中的路由记录 缓存的到达目的节点的路由 错误的路由缓存网络拓扑结构的变化使得缓存的路由失效影响和感染其他节点使得该路由缓存的路由将不再可用当节点根据路由缓存响应RREP时 其他监听到RREP节点会更改自己的路由缓存 从而感染错误的路由缓存设置缓存路由的有效期 过期即删除 22 RREP风暴节点广播到目的节点的RREQ 当其邻居节点的路由缓存中都有到目的节点的路由时 每个结点都试图以自己缓存的路由响应时 RREP风暴浪费网络带宽 并且加剧局部网络冲突 DSR路由协议介绍 23 预防RREP风暴每个节点延时D发送RREPD H h 1 r 其中H是每条链路的传播时延 h是每个节点自己返回的路径长度 及到目的节点的跳数 r是0或者1 D与节点到目的节点的跳数成正比 使得节点到目的节点路径最短的RREP最先发送 节点将接口设置成混杂模式 监听是否有比自己更短的到达目的节点的路径 如果有则不发送本节点的RREP DSR路由协议介绍 24 DSR路由协议介绍 DSR协议的优点 1 采用源路由机制 避免了路由环路 2 它是一种按需路由协议 只有当两个节点进行通信时 才缓路由记录 因此相对主动路由来说减小了路由维护的开销 3 通过采用路由缓存技术 减少路由请求信息对信道的占用缺点1 随着路径跳数的增加 分组头长度线性增加 开销大 2 路由请求分组RREQ采用洪泛向全网扩散 导致网络负荷大 3 来自邻居节点的RREQ分组在某个节点可能会发生碰撞 解决办法是在发送RREQ分组时引入随机时延 4 当源节点发送路由请求分组RREQ时 可能会受到多个节点缓存的到达目的节点的路由信息引起竞争 解决方法若某节点听到起他节点发出的RREQ分组中路由信息的路由信息含有较少跳数 此节点停止发送 25 DSR路由协议介绍 26 DSR路由协议介绍 27 DSR路由协议介绍 28 DSR路由协议介绍 29 DSR路由协议介绍 30 DSR路由协议介绍 31 DSR路由协议介绍 32 AdHoc网络的应用意义 1 大规模独立Adhoc网络大规模的独立Adhoc网络包括成百上千个节点 有研究者曾建议应用大规模的Adhoc网络形成无线城域网 甚至广域网 替代现有的有线通信网络 目前看来 这种想法不太切合实际的情况 缺乏潜在的商业价值 仅可以作为一种方案用来进行科学研究 因为Adhoc适用于在某些特定的场合用非常少的数据传输非常重要的信息 例如在战场传达命令和在高速公路上通知其他车辆关于交通堵塞的情况等 大规模的Adhoc网络不适合传输大量的信息 因为大规模的Adhoc网络会产生高风险 高成本 低效率等问题 33 AdHoc网络的应用意义 1 安全问题无线信道暴露在外部环境中 很容易被窃听和干扰 受到主动入侵 伪造身份以及拒绝服务等攻击 另外 无中心无组织的网络结构也很容易受到攻击 由于没有任何集中控制的基础设施 要想采用密钥分发中心或信任证书权威机构提供密钥和数字证书帮助结点相互认证是非常困难的 在安全路由领域 未来研究中最重要的是跟踪和消除行为失效节点 跟踪和消除这些现有路由的一部分失效节点可以预防网络隔离问题 这些问题在无线Adhoc这种没有中心控制职能的网络中非常重要 因为在无线Adhoc网中个体节点作为路由器 在它们的无线覆盖范围内转发信息包 如果一个节点受损或失效 经过这个节点的路由就会受到威胁