Ad-hoc网络概述ppt课件

第3章移动自组织网络 3 1移动自组织网络概述主要内容 1 1AdHoc网络概述1 2AdHoc网络的体系结构1 3AdHoc网络的关键技术 1 1AdHoc网络概述 1 1 1AdHoc网络的产生背景1 1 2AdHoc网络的发展历史1 1 3AdHoc网络的定义1 1 4AdHoc网络的特点1 1 5AdHoc网络的应用 1 1 1AdHoc网络的产生背景 无线通信网络按照组网控制方式分为2类 1 具有预先部署的网络基础设施的移动网络 例如 蜂窝移动通信系统 无线局域网 1 1 1AdHoc网络的产生背景 续 无线局域网 WLAN 结构图 1 1 1AdHoc网络的产生背景 续 2 无基础设施的移动网络对于某些特殊场合 如 战场上部队的协同通信 地震或水灾后的营救 野外科学考察 临时会议等 在这种情况下 就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术 这就形成了另一类移动通信技术 即AdHoc网络通信技术 1 1 1AdHoc网络的产生背景 续 AdHoc 一词来源于拉丁语 意思是 专用的 特定的 AdHoc网络通常也称为 无固定设施网 自组织网 多跳网络 MANET 目前 AdHoc网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注 1 1 2AdHoc网络的历史发展 自组网最初是应用于军事领域的 1972年DARPA 美国国防部高级研究计划署 资助研究了分组无线网PRnet PacketRadioNetwork 其后 又由DARPA资助 于1993和1994年进行了高残存性自适应网络SURAN SurvivableAdaptiveNetwork 和全球移动信息系统GlOMo GlobleMobileInformationSystems 的研究 AdHoc就是吸取了上述三个项目的组网思想 从而产生的一种新型的网络构架技术 IEEE802 11委员会称之为 AdHoc网络 而IETF称之为MANET 1 1 3AdHoc网络的定义 AdHoc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 整个网络没有固定的基础设施 在自组网中 每个用户终端不仅能移动 而且 兼有路由器和主机两种功能 一方面 作为主机 终端需要运行各种面向用户的应用程序 另一方面 作为路由器 终端需要运行相应的路由协议 根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作 AdHoc网络中的信息流采用分组数据格式 传输采用包交换机制 基于TCP IP协议簇 所以说 AdHoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络 是移动计算机通信网络的一种类型 1 1 4AdHoc网络的特点 AdHoc网络的特点 1 动态变化的网络拓扑结构 2 无中心网络的自组性 3 多跳组网方式 4 有限的无线传输带宽 5 移动终端的自主性和局限性 6 安全性差 扩展性不强 7 存在单向的无线信道 1 1 4AdHoc网络的特点 续 1 动态变化的网络拓扑结构在自组网中 由于用户终端的随机移动 节点的随时开机和关机 无线发信装置发送功率的变化 无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响 移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时变化 而且变化的方式和速度都是不可预测的 1 1 4AdHoc网络的特点 续 2 无中心网络的自组性自组网没有严格的控制中心 所有的节点地位平等 是一个对等式网络 节点随时都可以加入或离开网络 任何节点的故障都不会影响整个网络的运行 具有很强的抗毁性 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为 节点开机后就可以快速实现一个移动通信网络的自主构建 自主组织和自主管理 这也是个人通信的一种体现方式 1 1 4AdHoc网络的特点 续 3 多跳组网方式当自组网中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时 需要通过中间节点的多跳转发 多跳 是研究自组网路由协议的前提基础 与固定网络的多跳路由不同 自组网的多跳路由由普通的网络节点完成 而不是专用路由设备 路由器 1 1 4AdHoc网络的特点 续 4 有限的无线传输带宽由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段 而无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的网络带宽要比有线信道低得多 再加上竞争共享无线信道产生的碰撞 信号衰减 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 1 1 4AdHoc网络的特点 续 5 移动终端的自主性和局限性自主性来源于所承担的角色 在自组网中 终端需要承担主机和路由器两种功能 这意味着参与自组网的移动终端之间存在某种协同工作的关系 这种关系使得每个终端都承担为其它终端进行分组转发的义务 局限性 电池会耗尽 CPU性能低等 1 1 4AdHoc网络的特点 续 6 安全性差 扩展性不强由于采用无线信道 有限电源 分布式控制等因素 自组网更易受到被动窃听 主动入侵 拒绝服务 剥夺 睡眠 等网络攻击 自身结点充当路由器 不存在命名服务器和目录服务器等网络设施 也不存在网络边界概念 使AdHoc网络中的安全问题非常复杂 信道加密 抗干扰 用户认证 密钥管理 访问控制等安全措施都需特别考虑 1 1 4AdHoc网络的特点 续 7 存在单向的无线信道在自组网环境中 由于各个无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响可能产生单向信道 单向信道对常规路由协议带来认知单向性 路由单向性和汇点不可达 1 1 5AdHoc网络的应用 军事应用 传感器网络 紧急 突发场合 偏远野外地区 临时场合 个人通信 商业应用 其它应用 1 1 5基于WLAN的网络应用 1 1 5基于WLAN的网络应用 续 1 1 5基于WLAN的网络应用 续 1 1 5基于WLAN的网络应用 续 1 2AdHoc网络的体系结构 1 2 1AdHoc网络的节点结构 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 1 2 3AdHoc网络的协议栈 1 2 4AdHoc网络的跨层设计 1 2 1AdHoc网络的节点结构 节点结构AdHoc网络的节点通常包括 主机 路由器和电台三部分 从物理结构上 节点可以分为以下几类 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 Adhoc节点结构 节点结构分为 1 物理层对无线信道的传输特性做出规定 要求提供高带宽 低干扰 高效频谱利用率 涉及调制信号 快速捕获信号 同步与检测及天线技术等方面 2 数链层负责链路连接控制 提供快速 可靠帧传送 并控制接入时机 特别是多信道优化控制 3 网络层负责在多跳 节点对等 分布式及高度动态网络环境下的路由选择和分组转发 4 传输层负责提供尽量可靠 性价比合理的数据传送功能 为应用层提供服务 涉及无线TCP技术 5 应用层为应用程序提供不同服务 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 AdHoc网络一般有两种结构 平面结构和分级结构1 平面结构其中所有节点地位平等 所以又可称为对等式结构 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 续 平面结构的优缺点优 网络结构简单 所有结点完全对等 比较健壮 缺 可扩充性差 维护动态路由需要耗费大量控制信息 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 续 2 分级结构 1 单频分级 其中所有节点使用同一个频率通信 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 续 2 多频分级 不同级采用不同的通信频率 1 2 2AdHoc网络的网络拓扑 续 分级结构的优缺点优 1 簇成员的功能简单 2 易扩充 3 簇头可以选举产生 具抗毁性 缺 1 需簇头选举算法和簇维护机制 2 簇头可能会成为瓶颈 3 簇头的路由不一定是最佳路由 1 2 3AdHoc网络的协议栈 OSI经典的7层协议栈模型 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 物理层 physical 定义了网络硬件的技术规范 数据链路层 datalink 定义了数据的帧化和如何在网上传输帧 网络层 network 定义了地址的分配方法以及如何把包从网络的一端传输到另一端 传输层 transport 定义了可靠传输的细节问题 会话层 session 定义了如何与远程系统建立通信会话 表示层 presentation 定义了如何表示数据 不同品牌的计算机对字符和数字的表示不一致 表示层把它们统一起来 应用层 application 定义了网络应用程序如何使用网络实现特定功能 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 传统Internet协议栈设计 水平通信以节省路由器资源 强调相邻路由器对等实体之间的水平通信 如图所示 以尽量减少路由器内协议栈各层间的垂直通信 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 AdHoc协议栈设计 垂直通信节省无线信道资源 adhoc网络中链路带宽和主机能量非常稀少 并且能量主要消耗在发送和接收分组上 而主机处理能力和存储空间相对较高 为了节省能量 带宽 在adhoc网络中应该尽量减少节点间水平方向的通信 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 OSI经典的7层协议栈模型 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 TCP IP协议与OSI协议的关系TCP IP协议是一个协议栈 不仅包括TCP协议和IP协议 而且包括很多其他协议 但TCP协议和IP协议是它的最主要部分 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 Adhoc网络的协议栈划分为五层 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 AdHoc网络的协议栈划分为五层 1 物理层在实际的应用中 AdHoc物理层的设计要根据实际需要而定 首先 因是无线通信 就面临通信频段的选择 目前大家一致采用的是基于2 4G的ISM频段 因为这个频段是免费的 其次 物理层必须就各种无线通信机制做出选择 完成性能优良的收发信功能 物理层的设备可使用多频段 多模式无线传输方式 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 2 数据链路层链路层解决的主要问题包括介质接入控制 以及数据的传送 同步 纠错以及流量控制 基于此 AdHoc链路层又分为MAC和LLC层 MAC层决定了链路层的绝大部分功能 LLC负责向网络提供统一的服务 屏蔽底层不同的MAC方法 在多跳无线网络中 对传输介质的访问是基于共享型的 隐藏终端和暴露终端是多跳无线网络的固有问题 因此需要在MAC层解决这两个问题 通常采用CSMA CA协议和RTS CTS协议来规范无线终端对介质的访问机制 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 3 AdHoc网络层主要功能包括 邻居发现 分组路由 拥塞控制和网络互联等 一个好的adhoc路由协议应当满足以下要求 分布式运行方式 提供无环路路由 按需进行协议操作 具有可靠的安全性 提供设备休眠操作和对单向链路的支持 对一个adhoc路由协议进行定量衡量比较的指标包括 端到端平均延时 分组的平均递交率 路由协议开销及路由请求时间等 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 4 AdHoc传输层主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务 使上层与通信子网相隔离 并根据网络层的特性来高效地利用网络资源 包括寻址 复用 流控 按序交付 重传控制 拥塞控制等 由于无线差错和节点移动性 传统的TCP会使无线adhoc网络分组丢失很严重 而TCP将所有的分组丢失都归因于拥塞而启动拥塞控制和避免算法 所以 如在adhoc中直接采用传统的TCP 就可能导致端到端的吞吐量降低 因此 必须对传统的TCP进行改造 1 2 3AdHoc网络的协议栈 续 5 AdHoc应用层主要功能是提供面向用户的各种应用服务 包括具有严格时延和丢失率限制的实时应用 紧急控制信息 基于RTP RTCP 实时传输协议 实时传输控制协议 的自适应应用 音频和视频 和没有任何服务质量保障的数据报业务 AdHoc网络自身的特性使得其在承载相同的业务类型时 需要比其他网络考虑更多的问题 克服更多的困难 1 2 4AdHoc网络的跨层设计 跨层设计的必要性采用严格分层的体系结构使得协议的设计缺乏足够的适应性 不符合动态变化的网络特点 网络的性能无法保障 为满足AdHoc网络的特殊要求 需要一种能够在协议栈的多个层支持自适应和优化性能的跨层协议体系结构 并根据所支持的应用来设计系统 即采用基于应用和网络特征的跨层体系结构 1 2 4AdHoc网络的跨层设计 续 跨层设计的概念跨层设计是一种综合考虑协议栈各层次设计与优化并允许任意层次和功能模块之间自由交互信息的方法 在原有的分层协议栈基础上集成跨层设计与优化方法可以得到一种跨层协议栈 在分层设计方式中 很多时候多个层需要做重复的计算和无谓的交互来得到一些其他层次很容易得到的信息 并常常耗费较长的时间 跨层设计与优化的优势在于通过使用层问交互 不同的层次可以及时共享本地信息 减少处理和通信开销 优化了系统整体性能 1 2 4AdHoc网络的跨层设计 续 跨层的协议栈在传统分层协议栈中集成跨层设计和优化思想得到的自适应跨层协议栈中 如图所示 所有层之间可以方便及时地交互和共享信息 能够以全局的方式适应应用的需求和网络状况的变化 并且根据系统约束条件和网络特征 如能量约束和节点的移动模式 来进行综合优化 1 2 4AdHoc网络的跨层设计 续 跨层的自适应机制协议栈每层的自适应机制应基于所在层发生变化的时间粒度来适应该层的动态变化 如果本地化的自适应机制不能解决问题 则需要同其他层交互信息来共同适应这种变化 跨层的设计原则跨层协议栈的设计策略是综合地对每层进行设计 利用他们之间的相关性 力图将各层协议集成到一个综合的分级框架中 这些相关性涉及到各层的自适应性 通用的系统约束 移动性 带宽和能量 以及应用的需求 1 3AdHoc网络的关键技术 由于自组网的特性 自组网面临下面问题 1 自适应技术如何充分利用有限的带宽 能量资源和满足QOS的要求 最大化网络的吞吐量是自适应技术要解决的问题 解决的方法主要有 自适应编码 自适应调制 自适应功率控制 自适应资源分配等 1 3AdHoc网络的关键技术 续 2 信道接入技术adhoc的无线信道是共享的广播信道 但不是一跳共享的 而是多跳共享广播信道 多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关 在adhoc网络中 冲突是局部事件 发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相同 由此将带来隐藏终端和暴露终端等一系列特殊问题 基于这种情况 就需要为adhoc设计专用的信道接入协议 1 3AdHoc网络的关键技术 续 3 路由协议adhoc网络中设备都在移动 常规路由协议需要花费较长时间才能达到算法收敛 而此时网络拓扑可能已经发生了变化 使得主机在花费了很大代价后得到的是陈旧的路由信息 而使路由信息始终处于不收敛状态 所以 在adhoc的路由算法应具有快速收敛的特性 减少路由查找的开销 快速发现路由 提高路由发现的性能和效率 同时 应能够跟踪和感知节点移动造成的链路状态变化 以进行动态路由维护 1 3AdHoc网络的关键技术 续 4 传输层技术与有线信道相比 adhoc网络带宽窄 信道质量差 对协议的设计提出了新的要求 为节约有限的带宽 要尽量减少节点间相互交互的信息量 减少控制信息带来的附加开销 此外 无线信道的衰落 节点移动等因素会造成报文丢失和冲突 将会严重影响TCP的性能 所以要对传输层进行改造 以满足数据传输的需要 1 3AdHoc网络的关键技术 续 5 节能问题ad