移动ad-hoc网络PPT课件.ppt

第7章移动Adhoc网络 1 主要内容 7 1概述7 2移动AdHoc网络的MAC层7 3移动AdHoc网络的网络层7 4移动AdHoc网络的IP地址分配技术7 5移动AdHoc网络的功率控制7 6移动AdHoc网络的QoS问题7 7移动AdHoc网络的安全问题7 8移动AdHoc网络的应用 2 问题回顾 1 ad hoc的含义 属于哪类无线网络 返回 2 ad hoc的工作频率 返回 3 RIP路由协议的路由表主要包括哪几项 返回 4 给出一个基于距离向量算法的路由协议和一个基于链路状态算法的路由协议 返回 5 DSDV协议的路由表与RIP的路由表有何区别 返回 6 按需驱动的基本含义 返回 7 层次路由与平面路由的基本区别 返回 3 7 1概述 问题1 7 1 1移动AdHoc网络的需求背景我们正在从个人计算机时代 即一个人一个计算装置 过渡到随遇计算时代 UbiquitousAge 此时 提供所需要的连接和网络服务就成为一种挑战 4 涉及的问题 移动问题不需要基础设施支持的问题动态自组织组网问题网络必须能够快速展开的问题 5 解决方案 研究人员提出了不需要基础设施支持的移动AdHoc解决方案移动AdHoc网络是复杂的分布式网络系统 是自组织 自愈网络由无线移动节点组成无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性 AdHoc 网络拓扑 从而允许人们和装置在没有预先存在的通信基础设施 如灾后重建环境 的环境中进行无缝地互连互通 6 7 1 2分组无线网络发展简述 7 7 1 3移动AdHoc网络的定义 移动AdHoc网络由一组无线移动节点组成 是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的 能够迅速展开使用的网络体系 所需人工干预最少 是没有任何中心实体 自组织 自愈的网络各个网络节点相互协作 通过无线链路进行通信 交换信息 实现信息和服务的共享网络节点能够动态地 随意地 频繁地进入和离开网络 而常常不需要事先示警或通知 而且不会破坏网络中其他节点的通信 8 多跳AdHoc通信的一个例子 9 单跳AdHoc通信的 个例子 10 多跳网络好于单跳网络的原因 问题2 1 增强了网络的扩展性 2 减少了干扰 3 提高了整个网络的吞吐量 4 降低了应用所关心的时延 5 降低了数据传输中的能量消耗 11 7 2移动AdHoc网络的MAC层 在移动AdHoc网络中 节点移动 无线信道脆弱 缺乏中心协调机制是在设计MAC协议时必须仔细考虑的问题 12 7 2 1AdHocMAC协议分类 竞争协议 ContentionProtocol 分配协议 AllocationProtocol 竞争协议和分配协议的组合协议 也称混合协议 HybridProtocol 13 7 2 2竞争类MAC协议 1 ALOHA协议 最早 时隙 p持续 2 载波侦听多址访问协议 CSMA 3 基于控制分组握手的访问控制协议 1 多址访问与碰撞回避 MACA 协议 2 MACAW协议 减少RTS分组 ACK分组的碰撞 3 FAMA协议 RTS CTS获取信道 数据无碰撞 2倍最大时延 4 IEEE802 11MAC协议 5 MACA BI协议 邀请 RTR 相邻节点及其传输特性列表 14 竞争类MAC协议 续 4 忙音类多址访问协议 1 忙音多址访问协议 BTMA 2 双忙音多址访问协议 DBTMA 3 接收机初始化忙音多址访问协议RI BTMA 4 无线碰撞检测协议WCD 15 7 2 3分配类协议 静态分配协议使用集中式传输时间安排算法 该算法事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间安排动态分配协议使用分布式传输时间安排算法 该算法按需地计算传输时间安排 16 分配类协议 1 时分多址访问协议 TDMA 静态 动态 X跳邻域 2 五步预留协议 FPRP 单信道 基于TDMA的无冲突广播 传输时间安排 3 跳频预留多址访问协议 HRMA 利用极慢速跳频扩频的时隙化属性 RTS CTS成功交换预留一个跳频频率 17 7 2 4混合类协议 1 混合时分多址访问协议 HTDMA 竞争时间安排 4个时间片 用户信息时间安排 一跳预留 2 TDMA和CSMA的混合协议 已分时隙 未分时隙 3 ADAPT协议 已分时隙 未分时隙 优先级时段 竞争时段和发送时段 18 7 3移动AdHoc网络的网络层MANET路由面临的问题 19 常规路由协议是否可用 20 MANET对路由协议的需求 21 MANET路由协议分类 问题4 根据网络节点获取路由信息的方法来对移动AdHoc网络的路由算法进行分类表驱动类路由协议 又称主动式路由协议 源节点初始化按需驱动类路由协议 又称反应式路由协议 根据网络节点使用的 用于计算优先路由的信息类型来对路由算法进行分类链路状态算法距离矢量算法 22 MANET路由协议分类 平面路由无需建立具有特殊cluster头功能节点的层次结构不划分区域以及所谓的区内 外不同路由所有的节点在路由机制中地位平等 寻址方式是平面的层次路由节点功能不同寻址方式是分层进行的地理信息辅助路由利用地理信息进行路由选择 23 24 表驱动 Table driven 路由 先应式路由机制传统的分布式最短路径路由协议链路状态或者距离向量所有节点连续更新 可达 信息每个节点维护到网络中所有节点的路由所有路由都已经存在并且随时可用路由请求的延迟低路由开销大 OLSR TBRPF 25 DV协议能够适应MANET DV的固有缺点无法发现路由回路 无穷计算 问题DSDV Destination sequenceddistancevector 没有全局拓扑视图主动先应式路由每个节点维护到所有已知目的地的路由信息路由信息必须定期更新即使网络拓扑没有变化也有通信开销维护的路由可能从来不用 26 DistanceVectorRoutingProblem Thecount to infinityproblem 27 DSDV协议特点 保持了DV算法的简单性确保无路由回路新的路由表带有目标序列号对于拓扑变化能快速反应当路由表发生重大变化时立即启动routeadvertisement 28 DSDV路由表 问题3 Sequencenumber由目标节点确定 用来保证不出现路由回环Installtime该表项创建时间 用来删除表中过时路由信息 Stabledata用来缓解路由波动 29 路由通告 向每个邻居通告自己的路由信息目标地址metric 到目标的跳计数目的地的序号设置序号的规则每次通告递增自己的目标序号 只用偶数值 如果一个节点不再可达 timeout 则将该节点的序号递增1 奇数值 并置metric 30 路由选择 将收到的路由更新信息与自己的路由表比较 选择目标序号大的路由 这样能确保使用的总是来自目的地的最新路由信息 如果目标序号相同 则选择具有较好metric值的路由 31 DSDV实例 问题5 32 33 对拓扑变化的响应 立即通告有关新路由 链路中断 metric变化的信息立即传播给邻居完全 增量更新FullUpdate发送自己路由表的全部路由信息incrementalUpdate仅发送路由表中有变化的表项 使得可用一个分组完成更新 34 增加一个新节点 35 36 路由环路与无穷计算 37 立即通告 38 DSDV总结 优点非常简单 几乎与DV算法一致 通过目的地赋予的序号值来防止出现路由回环不存在路由发现带来的延迟缺点不能有节点睡眠开销可能白费多数路由信息从不使用 39 按需 On demand 路由 问题6 在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由控制信息采用泛洪 flooding 方式路由请求延迟高路由开销低两种实现技术源路由 报文头携带完整的路由信息 hop hop路由DSR AODV 40 按需操作的优点 路由发现和维护都是按需进行的不需要周期性地通告路由不需要感测链路状态不需要邻居检测不依赖于任何底层协议 41 动态源路由协议 DynamicSourceRoutingprotocol DSR 基于源路由概念的按需自适应路由协议允许节点动态发现到任何目的地sourceroute中间节点不必存储转发分组所需的路由信息采用Cache存放路由信息允许网络完全自我组织和自我配置因其简单而有效成为首选协议网络开销较小存在陈旧路由 42 DSR协议组成 Routediscovery机制由需要发送数据给目标节点D的源节点S使用该过程只在S需要发送数据并且不知道到D的路由时才启动Routemaintenance机制S在给D发送数据时要能检测出由于网络拓扑动态变化导致源路由中断的情况当前的源路由不能用时S切换到另一条已知的路由或者重新发起routediscovery寻找新路由 43 DSR的多路径思想 多路径获得的途径作为routediscovery的响应 偷听 到其他路由控制包和数据包中的路由信息为任何目的地缓存多条路由多路径的作用如果正在使用的一条路径中断 节点可立即切换到另一条缓存的路由多条路由的缓存可避免每次路由中断后执行routediscovery 44 DSR的单向链路支持能力 DSR支持单向链路和非对称路由天线不同传播模式不同干扰源不同DSR支持不同类型无线网络的互联有的节点使用短程无线电有的节点使用长途无线电DSR将所有节点都看成MANET网络中的一个节点DSR路由可集成到标准Internet路由中DSR路由可集成到MobileIP路由中 45 路由发现 1 4 源节点A将路由请求 RREQ 消息局部广播发送Routediscovery的发起者ARoutediscovery的目标ERequestidList 初始为空 用来记录路由发现包经过的节点 所有位于A无线传输范围内的节点都将收到该路由请求包 ROUTEREQUEST 46 路由发现 2 4 如果目标节点E收到该请求包 给请求源A回答一个RREP消息List 拷贝自RREQ路由请求源收到RREP消息后在本地RouteCache中缓存路由信息 47 路由发现 3 4 重复请求包的检测如果中间节点收到了来自同一个源 A 请求id相同的请求包如果中间节点收到的请求包中路由记录已经包含本节点则中间节点丢弃该请求包中间节点对于未处理过的请求包将自己的地址填入请求包的list位置将该请求包作为本地广播分组发送给邻居 48 路由发现 4 4 无穷迭代的路由发现过程如果目标端在routecache中没有找到去往路由请求源的路由信息 并且网络存在单向链路则需要发起新一轮routediscovery过程DSR规定目标端 E 可使用RREQ消息中记录的路由作为返回的RREP的源路由DSR规定目标端在发起逆向返回到源端的新一轮routediscovery时 在RREQ中 捎带 RREP消息 49 路由维护 路由的维护每个节点确保使用源路由发送 转发的数据分组被路由中的下一跳接收如果没有收到下一跳的确认则不断重发 至最大重试次数 如何确保数据报被逐跳转发 链路级的确认 IEEE802 11 被动确认 B侦听C向D转发 要求DSR软件返回确认 50 路由维护 如果数据分组被重发了最大次数仍然没有收到下一跳的确认 则节点 C 要向分组的源端发送ROUTEERROR消息 并指明中断的链路分组的源端 A 将该路由从路由缓存中删除如果源端路由缓存中存在另一条到目标的路由则重发此分组否则 重新开始routediscovery过程 51 DSR协议优点 节点不需要周期性地发送路由广播分组无须维持到全网所有节点的路由信息节省了电池能量和网络带宽 尤其是当没有节点要发送数据时 网络中没有通信开销仅需要维护路径上节点之间的路由能完全地消除路由环路能同时提供多条路由可用于单向信道中间节点的应答使源节点快速获得路由 52 DSR协议缺点 会引起过时路由问题每个分组都需要携带完整的路由信息造成开销增大降低了网络带宽的利用率不适合网络直径大的自组网网络可扩展性不强 53 分级体系 问题6 分级体系一些节点组成一个cluster或者zone这些cluster或者zone组成较大的super cluster或者super zoneCluster和zone的不同cluster内所有节点都与clusterhead直接通信 cluster内节点间的通信一般是两跳zone的大小没有限制 zone内节点的通信可多跳 54 分级路由协议概念 无线分级路由的基本思想把节点划分为不同的cluster zone 并对内外节点指定不同功能设计目的减少参与路由计算的节点数 降低交换路由信息的通信开销 缩短路由表的长度和维护开销通过分区策略产生较为稳定的子网 减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响 55 56 分级路由协议的优缺点 优点拓扑结构细节通过节点的层层聚合被隐藏起来 大大降低大型网络的存储要求路由信息分层传播 需要在全局传播的路由信息较少有限的链路状态维护按需建立路由缺点分级路由协议的移动管理比较复杂某些节点 clusterhead gateway 比其他节点承担更多的通信和计算负载 57 7 4移动AdHoc网络的IP地址分配技术 在IP网络中 移动装置的IP地址分配是最重要的网络配置参数之一一个移动装置在没有分得一个空闲IP地址及其相应子网掩码地址之前无法参与网络中的单目标通信地址分配是面向MANET网络实际应用的第一步 58 动态分配方法 1 冲突检测分配法 试验 错误策略 2 无冲突分配法 动态配置与分布协议 二分地址池 3 最大努力分配法 分布式动态主机配置协议 全网地址池 59 7 5移动AdHoc网络的功率控制 可达性 Accessibility 和便携性 Portability 在移动AdHoc网络中是一对矛盾的综合体功率管理是无线通信领域中最富挑战性的一个问题 60 7 5 1功率消耗源 与通信有关的功率消耗源与计算有关的功率消耗源 61 与通信有关的功率消耗源 在移动AdHoc网络中 通信涉及源节点 中间节点 以及目的节点对收发信机的使用一部典型的移动电台可能存在三种工作方式 发射 接收 备用发射方式功耗最大 备用方式功耗最小在能量资源有限条件下的协议开发目标是 对于一个给定通信任务 收发信机的使用最优化 62 与计算有关的功率消耗源 主要集中在协议处理方面 包括CPU和主存储器的使用 以及在极小程度上使用磁盘或者其他组件数据压缩技术 用于减小分组的大小 因而减少能量的使用 由于增加了计算而可能增加功耗需要对计算成本和通信成本进行综合 平衡考虑 63 7 5 2功率控制 移动AdHoc网络的功率控制就是每个节点按照分布式方式为每个分组选择发射功率因为功率等级的选择将从根本上影响移动AdHoc网络许多方面的操作 所以功率控制是一个复杂的问题 1 发射功率等级决定接收节点接收信号的质量 2 发射功率等级决定发射的传输距离 3 发射功率等级决定干扰其他接收节点的量级 64 不利因素 1 功率控制影响物理层 2 由于传输距离影响路由算法 所以功率控制影响网络层 3 由于干扰产生碰撞 所以功率控制影响传输层 65 功率控制对系统总体性能具有多方面的影响 1 由于媒介跟传输范围内其他节点数量有关 所以功率等级决定媒介访问控制的性能 2 功率等级选择影响网络连接 因此影响分组的交付能力 3 功率等级影响网络吞吐量 4 功率控制影响媒介的竞争 转发跳数量 因此影响端到端时延 5 发射功率影响能量消耗的重要性能指标 66 如何进行功率控制 如果在OSI协议栈的很多协议设计中采用固定功率等级 那么功率等级的变化将引起故障发射功率控制是一个交叉层设计问题 影响协议栈的各个层次 影响吞吐量 时延 能量消耗等几个关键性能的测量 67 7 5 3通用节能途径 1 尽力减少分组重传 2 收发信机的高效使用 3 设置优先级 根据节点供电能力调度分组发送 4 节点能耗的控制与管理 5 暂停组成单元的操作 68 7 6移动AdHoc网络的QoS问题 在移动AdHoc网络上运行多媒体应用 正在成为普适计算和普适通信环境中的一个完整部分 如视频电话和按需多媒体将多媒体应用和移动AdHoc网络综合在一起的一个重要的认可准则就是提供端到端的服务质量QoS 如访问多媒体数据的高成功率 以及数据恢复时的有限制的端到端时延和满意的吞吐量 69 7 6 1服务质量参数 服务质量通常定义为把分组流从源节点传输到目的节点的时候网络必须满足的一个服务要求集合例如 时延 带宽 分组丢失概率 时延变化 抖动 等等功率消耗和服务覆盖范围是另外两个QoS属性 这两个属性对移动AdHoc网络很特别 70 7 6 2移动AdHoc网络提供QoS支持所面临的问题与困难