无线自组网-1

1、无线网络与移动计算技术无线网络与移动计算技术无线自组织网络攻防原理与实践无线自组织网络攻防原理与实践哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院教授教授 迟乐军迟乐军 QDCLJ163.COMQDCLJ163.COM 2012.03 2012.03课程学时与课程安排课程学时与课程安排l 总学时：30 授 课：22 实 验：8l 主要内容涵盖：l 无线网络的基本概念、应用、体系结构l 无线网络的关键技术Ad Hoc网络路由网络路由l 服务质量和能量意识l 无线网络的常见的攻击形式l 无线网络的主要的防护技术课程学时与课程安排课程学时与课程安排l 总学时总学

2、时：30 授授 课课：22 实实 验验：8l 考考 核核：平时+翻译论文+读书体会l 主要内容涵盖：l 无线网络的基本概念、应用、体系结构l 无线网络的关键技术l Ad Hoc网络路由网络路由l 服务质量和能量意识l 无线网络的常见的攻击形式l 无线网络的主要的防护技术Resource（主要参考文献）（主要参考文献）l 易易 平平 著，无线网络攻防原理与实践，清华出版社，著，无线网络攻防原理与实践，清华出版社，2010年年1月月l 易平等著，无线自组织网络与对等网络易平等著，无线自组织网络与对等网络原理与实践，清华出版社，原理与实践，清华出版社，l 郑少仁等著，郑少仁等著，Ad Hoc网络技术

3、，人民邮电出版社，网络技术，人民邮电出版社，2005年年1月月l IETF Mobile Ad-hoc Networks (MANET) Working Group /html.charters/manet-charter.htmll S. Corson, J. Macher, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, RFC 2501, January 1999l C. Perkins, E. Be

4、lding-Royer, et al., Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, RFC 3561, July 2003l David B. Johnson, et al., The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004l I. Chakeres, C. Perkins, Dynamic MANET On-demand (DYMO) Routing, draft-ie

5、tf-manet-dymo-06.txt, October 2006l T. Clausen, et al., Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), RFC 3626, October 2003l R. Ogier, et al., Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), RFC 3684, February 2004 l S. Basagni et al, Mobile Ad Hoc Networking, IEEE Press (John Wile

6、y & Sons), 2004 基础知识概述基础知识概述l概述概述l体系结构体系结构lAd Hoc网络路由网络路由l服务质量和能量意识服务质量和能量意识基础知识概述基础知识概述一、引言一、引言l 无线信道的特征无线信道的特征：单机发射，多机接受：单机发射，多机接受：有快速变化和较慢的变化的区别。有快速变化和较慢的变化的区别。：距离增大，信号衰减。距离增大，信号衰减。：信号可沿不同的途径到达接收机。信号可沿不同的途径到达接收机。基础知识概述基础知识概述l 无线通讯系统处于通信网的末端，引出接入问题无线通讯系统处于通信网的末端，引出接入问题“距离距离用户最后一公里用户最后一公里”的问题。的问题。l

7、 具有无需预先架设基础设施具有无需预先架设基础设施l 可临时快速组网可临时快速组网l 可用于特殊的环境，如海洋资源监测、战场信息收集等可用于特殊的环境，如海洋资源监测、战场信息收集等l Ad hocAd hoc、传感器网络、穿戴计算机等是无线通信的一个新、传感器网络、穿戴计算机等是无线通信的一个新的技术领域的技术领域基础知识概述基础知识概述二、无线通信系统的网络结构 必须预先规划、设计和布设的网络必须预先规划、设计和布设的网络 典型：蜂窝系统、无线局域网、集群移动通讯系统典型：蜂窝系统、无线局域网、集群移动通讯系统 无需预先规划、设计和布设的网络。无需预先规划、设计和布设的网络。 典型：军用典

8、型：军用PRNETPRNET、IEEE802.11IEEE802.11中的中的AD HOCAD HOC模式和蓝牙技模式和蓝牙技术属自组网络技术术属自组网络技术基于预先架设网络基础设施的无线网络基于预先架设网络基础设施的无线网络l 蜂窝网络蜂窝网络 移动终端通过基站接入移动终端通过基站接入移动通信网络移动通信网络l 无线局域网无线局域网 移动终端通过无线接入移动终端通过无线接入点接入点接入Internet依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络基础知识概述l无线通信系统的网络结构基础知识概述：三类典型的系统实例： 有基础设施的有基础设施的： 无基础设施结构

9、无基础设施结构： 既支持有基础设施的组网模式也既支持有基础设施的组网模式也支持无基础设施的组网模式支持无基础设施的组网模式基础知识概述：蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统l 19461946年出现，以基地台为中心，覆盖年出现，以基地台为中心，覆盖70-8070-80公里，设备体积公里，设备体积较大，主要支持语音系统。较大，主要支持语音系统。l 已经出现三代：已经出现三代：只支持语音业务的模拟通信体系（国际间不兼容）只支持语音业务的模拟通信体系（国际间不兼容）支持语音和低速电路型数据业务（如短信等等，支持语音和低速电路型数据业务（如短信等等，可可提供所谓提供所谓“全球通全球通”话音业务外，已经可以

10、提供低速的数话音业务外，已经可以提供低速的数据业务了，也就是收发短消息之类）据业务了，也就是收发短消息之类）支持高速率的多媒体和数据业务（手机上网、视频支持高速率的多媒体和数据业务（手机上网、视频应用）应用） 3 3代半？代半？ 第四代？第四代？最大的数据传输速率超过100Mbit/s（能提供难以能提供难以想象的服务！？想象的服务！？）基础知识概述：蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统l 主流通讯服务提供商采用蜂窝网络采用蜂窝网络。l 蜂窝网络把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构。l 蜂窝网络又可分为模拟蜂窝模拟蜂窝网络和数字蜂窝数字蜂窝两

11、种两种网络l 蜂窝网络被广泛正六边形被认为是使用最少个结点可正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。l 这样的网络形状非常象蜂窝故被称作蜂窝网络称作蜂窝网络基础知识概述： 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统l 蜂窝网络主要由：移动站移动站，基站子系统基站子系统，网络子系统网络子系统.三部分组成l 移动站移动站就是我们的网络终端设备如手机等网络终端设备 。l 基站子系统基站子系统包括我们日常见到的移动机站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等等的。l 把基站子系统看作是无线网络与有线网络

12、之间的转换器。 基础知识概述：蜂窝移动通信系统结构蜂窝移动通信系统结构l 移动台作为用户终端与基站建立全双工无线通信连接完成通移动台作为用户终端与基站建立全双工无线通信连接完成通信的无线接入信的无线接入l 基站基站通过与骨干网的有线的连接通过与骨干网的有线的连接，完成移动台与骨干网的通，完成移动台与骨干网的通信接入信接入l 移动台之间不能直接通信，必须通过基站转接移动台之间不能直接通信，必须通过基站转接才能达成相互才能达成相互之间通信的目的之间通信的目的l 基站有两个通信接口：空中和与骨干网的接口基站有两个通信接口：空中和与骨干网的接口基础知识概述： 蜂窝系统的基本思想l 用多个小功率发射机代

13、替一个大功率发射机，每个小发射用多个小功率发射机代替一个大功率发射机，每个小发射区对应的小覆盖区成为一个小区区对应的小覆盖区成为一个小区l 每个小区分配一组信道，对应于使用一组无线资源每个小区分配一组信道，对应于使用一组无线资源l 相邻小区使用不同的无线资源，使得相互之间不形成干扰相邻小区使用不同的无线资源，使得相互之间不形成干扰l 相距较远的小区可以重复使用相同的无线资源相距较远的小区可以重复使用相同的无线资源l 利用无线资源的空间复用，从而使系统的容量大为提高利用无线资源的空间复用，从而使系统的容量大为提高基础知识概述：蜂窝状的网络结构的优点蜂窝状的网络结构的优点l 采用蜂窝网络技术最大的

14、好处是频率可以重复使用频率可以重复使用。l 通信时，每个人要占用一个信道（同时通话的人多了，有限的信道可能不够使用会出现通信阻塞的现象。）l 蜂窝结构就可以使用同一组频率在若干个相隔一定距离的小区重复使用，从而达到节省频率资源的目的。l 例如：将一个城市分成72个小区，每12个小区组成一个小区群。让他们共同使用300个频道。那么，我们就可以将300个频道分成12个频道组，每个组25个频道，第一个小区群使用第1组频道，第二个小区群使用第2组频道，以此类推。基础知识概述：蜂窝状的网络结构蜂窝状的网络结构的优点l 不同小区群的相同编号小区的频道组是可以重复使用的。l 尽管这些小区基站所使用的无线电频

15、率相同，但由于他们彼此相隔较远，而电波作用范围有限，彼此不会造成干扰。l 一组频率就可重复使用6次，原本300个频道只能供300个用户同时通话，现在却可同时供1800个用户同时通话了。 基础知识概述：蜂窝状的网络结构蜂窝状的网络结构的优点l 蜂窝移动电话系统主要由移动台（汽车电话、手机等），无线基站以及移动电话交换中心组成。l 每个小区基站均与移动电话交换中心连接，形成一个蜂窝移动电话网。l 移动电话网还与市内公用电话网以及国内、国际长途电话网相连，使移动电话用户不仅可以与网内的移动电话用户通电话，还可以与更大范围内的移动用户和固定用户通电话。基础知识概述：小结l 蜂窝移动通信系统属典型的有基

16、础设施的网络。蜂窝移动通信系统属典型的有基础设施的网络。l 不支持终端之间的直接通信，用户终端之间必须经不支持终端之间的直接通信，用户终端之间必须经过基站转接才能完成通信。过基站转接才能完成通信。l 网络基础设施起控制中心的作用网络基础设施起控制中心的作用l 无线资源的分配、越区切换、呼叫建立等控制功能无线资源的分配、越区切换、呼叫建立等控制功能都采用中心仲裁方式都采用中心仲裁方式基础知识概述：蓝牙技术l 蓝牙技术蓝牙技术无基础设施网络，无基础设施网络，l 开放性的、短距离无线通信技术标准开放性的、短距离无线通信技术标准l 可作为一种微型的、廉价的通信模块嵌入各类信息设备中，可作为一种微型的、

17、廉价的通信模块嵌入各类信息设备中，使这些数字设备在较小的范围内通过无线连接的方式实现使这些数字设备在较小的范围内通过无线连接的方式实现组网互联组网互联l 可实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数字通信可实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数字通信基础知识概述：蓝牙的网络结构及通信过程l 蓝牙的基本网络拓扑是皮网（蓝牙的基本网络拓扑是皮网（PICONETPICONET）l 每个皮网有一个主节点和最多每个皮网有一个主节点和最多7 7个激活的从节点组成。个激活的从节点组成。Master/SlaveMaster/Slave基础知识概述：蓝牙的网络结构及通信过程基础知识概述：蓝牙的网络结构及通信过程

18、基础知识概述：两种类型的链路l同步同步 面向连接的面向连接的 链路（链路（SCOSCO）l异步异步 无无 连连 接接 链路（链路（ACLACL）基础知识概述：蓝牙的网络结构及通信过程l 两个以上皮网可以组成所谓的散射网。两个以上皮网可以组成所谓的散射网。l 两个皮网通过节点两个皮网通过节点S/MS/M连接经过多跳实现相互之间的通信。连接经过多跳实现相互之间的通信。基础知识概述：蓝牙技术小结l 蓝牙数字组网，蓝牙数字组网，不需基础设施，可临时组网不需基础设施，可临时组网l 支持小的网络结构，支持小的网络结构，不涉及路由不涉及路由的问题的问题l 虽然分虽然分节点，但节点，但形成的形成的l 主主/从

19、从节点在各个方面都是完全相同的节点在各个方面都是完全相同的l 这种结构中主节点起到了控制中心和中继转发这种结构中主节点起到了控制中心和中继转发器的作用器的作用基础知识概述：传感器网络（WSN）l 传感器网络传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是自是自组网发展的重要方向之一；组网发展的重要方向之一；l 它是由密集布设在观测场所的大量、小型、低成本它是由密集布设在观测场所的大量、小型、低成本的传感器节点组成，这些传感器节点协同工作对观的传感器节点组成，这些传感器节点协同工作对观测对象的多种属性自动观测，并将测试结果上报。测对象的多种属性自动观测，并将测试结果上报

20、。l 传感器网中的传感器节点一般具有探测能力、无线传感器网中的传感器节点一般具有探测能力、无线通信自动组网能力和信号与信息的处理能力。通信自动组网能力和信号与信息的处理能力。l 它是一种特殊的自组网。它是一种特殊的自组网。无线传感器网络l 在传感器网络中，各个无线节点静态地随机分布在传感器网络中，各个无线节点静态地随机分布在某一区域在某一区域l 传感器负责收集区域内的声音、电磁或地震信号传感器负责收集区域内的声音、电磁或地震信号等多种信息，将它们发送到网关节点等多种信息，将它们发送到网关节点l 网关节点具有更大的处理能力，能够进一步处理网关节点具有更大的处理能力，能够进一步处理信息，或有更大的

21、发送范围，可以将信息送往某信息，或有更大的发送范围，可以将信息送往某个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。个大型网络，使远程用户能够检索到该信息。无线传感器网络l 一个传感器节点由一个传感器节点由4 4个基本部分组成，即个基本部分组成，即、和和。l 其中，其中，通常带有一个小型存储器，它的通常带有一个小型存储器，它的主要功能是与其它传感器节点协作，执行指派的主要功能是与其它传感器节点协作，执行指派的感知任务以及管理内部程序。感知任务以及管理内部程序。l 此外还应该包括与应用相关的其它部分，比如定此外还应该包括与应用相关的其它部分，比如定位系统、动力系统等。位系统、动力系统等。无线传感器网络l

22、 传感器网络节点的协议栈主要包括传感器网络节点的协议栈主要包括协议协议协议协议协议协议层、层、层、层、层、层、层、层、层层 2.6 无线传感器网络l 物理层：采用简单可靠的收发调制技术物理层：采用简单可靠的收发调制技术l 介质接入控制介质接入控制(MAC(MAC，Media Access Control)Media Access Control)协议协议尽量降低与相邻节尽量降低与相邻节点的通信碰撞概率的处理能力点的通信碰撞概率的处理能力l 网络层：进行网络的自组织和数据的路由转发网络层：进行网络的自组织和数据的路由转发l 传输层：根据传感器网络的需要进行数据流维护传输层：根据传感器网络的需要进

23、行数据流维护l 应用层：则根据感知任务建立不同类型的应用软件应用层：则根据感知任务建立不同类型的应用软件 无线传感器网络：管理传感器节点如何使用它的能量：管理传感器节点如何使用它的能量：检测、记录传感器节点的移动，从而可以：检测、记录传感器节点的移动，从而可以维护路由，同时传感器节点可以感知相邻的传感器节点，维护路由，同时传感器节点可以感知相邻的传感器节点，有效均衡它们的能量和任务有效均衡它们的能量和任务：可以均衡和规划一个特定区域传感器节点：可以均衡和规划一个特定区域传感器节点的感知任务。比如，一些传感器节点根据它们的电源能量的感知任务。比如，一些传感器节点根据它们的电源能量完成比其它传感器

24、节点更多的任务，这样传感器节点能够完成比其它传感器节点更多的任务，这样传感器节点能够用一种能量高效使用的方式进行任务分发、协同工作，共用一种能量高效使用的方式进行任务分发、协同工作，共享它们之间的资源。享它们之间的资源。无线传感器网络l 电源、移动和任务管理协议能够使传感器节点协同执行感电源、移动和任务管理协议能够使传感器节点协同执行感知任务，并降低网络的能耗。知任务，并降低网络的能耗。 l 传感器网络具有广阔的应用领域和市场价值前景。传感器网络具有广阔的应用领域和市场价值前景。l 无线传感器网络通过感知、收集、分析、处理各种信息，无线传感器网络通过感知、收集、分析、处理各种信息，（例如温度、

25、湿度等）来支持特定应用（例如温度、湿度等）来支持特定应用l 无线传感器网络通过融合处理信息，实现战场防御、战场无线传感器网络通过融合处理信息，实现战场防御、战场侦察、安全监视、环境监控、医疗诊断、作物监视、珍稀侦察、安全监视、环境监控、医疗诊断、作物监视、珍稀动物监护、货物跟踪等动物监护、货物跟踪等l 在条件恶劣的环境下，传感器网络有着独特的优势。在条件恶劣的环境下，传感器网络有着独特的优势。无线传感器网络l 网络的快速部署、自组织能力、容错抗摧毁等特性能够实现网络的快速部署、自组织能力、容错抗摧毁等特性能够实现指挥调度、移动计算和通信、监视侦察、目标定位等功能指挥调度、移动计算和通信、监视侦

26、察、目标定位等功能l 在军事上的典型应用包括：在军事上的典型应用包括：l 管理战区内的情报、监控、侦察设备，并对收集的信息进行管理战区内的情报、监控、侦察设备，并对收集的信息进行后续处理、使用和分发后续处理、使用和分发l 建立本土边防安全防御网及其基础设施防御网，化学或生物建立本土边防安全防御网及其基础设施防御网，化学或生物危险的预警危险的预警l 对目标进行识别、跟踪和定位，实现知己知彼，百战不殆对目标进行识别、跟踪和定位，实现知己知彼，百战不殆 无线传感器网络l 传感器网络与移动传感器网络与移动ad hocad hoc网络的主要差别在于网络的主要差别在于：l 传感器网络中的传感器节点数量众多

27、传感器网络中的传感器节点数量众多l 传感器网络中的传感器节点分布稠密传感器网络中的传感器节点分布稠密l 传感器网络中的网络拓扑经常变化传感器网络中的网络拓扑经常变化l 传感器网络中节点通信主要采用广播传感器网络中节点通信主要采用广播(Broadcast)(Broadcast)或组播或组播(Multicast)(Multicast)两种方式两种方式l 传感器网络中节点的能量、计算能力和存储空间有限传感器网络中节点的能量、计算能力和存储空间有限l 无线分布式传感器自组网体系结构无线分布式传感器自组网体系结构l 介质访问控制技术介质访问控制技术l 动态分群算法和路由协议动态分群算法和路由协议l 地址

28、自动分配技术地址自动分配技术l 基于分布式多传感器的信息融合技术基于分布式多传感器的信息融合技术l 协同信号处理中的信息分发、共享技术协同信号处理中的信息分发、共享技术l 功率控制技术功率控制技术传感器网络技术研究的关键技术：传感器网络技术研究的关键技术：l 国外的研究主要包括：国外的研究主要包括：l几个典型项目中的研究重点：几个典型项目中的研究重点：n SensorNetSensorNet和和PACMANPACMAN等项目主要针对传感器网的传送层、网络等项目主要针对传感器网的传送层、网络层、数据层以及物理层进行整体研究层、数据层以及物理层进行整体研究n WINSWINS和和Dynamic S

29、ensor NetworkDynamic Sensor Network等项目主要针对传感器网络等项目主要针对传感器网络互联、路由协议和功率控制等方面进行研究互联、路由协议和功率控制等方面进行研究n SPINSSPINS和和DataSpaceDataSpace等项目主要针对传感器网络安全、数据分等项目主要针对传感器网络安全、数据分发等进行研究发等进行研究l 研究主要集中在美国各高校的研究机构内研究主要集中在美国各高校的研究机构内l 广阔的应用前景和巨大使用潜力，正吸引更多的机构和组织广阔的应用前景和巨大使用潜力，正吸引更多的机构和组织加入其开发研究中加入其开发研究中欧盟的研究现状l 欧盟欧盟IS

30、TIST下设了若干个采用自组网络研究解决车辆之间下设了若干个采用自组网络研究解决车辆之间通信问题的项目，较重要的有通信问题的项目，较重要的有CARTALK2000,FLEETNETCARTALK2000,FLEETNET等。等。l 代表项目：代表项目：CARTALK2000CARTALK2000是一个研究开发基于车辆之间是一个研究开发基于车辆之间的通信辅助驾驶系统项目。的通信辅助驾驶系统项目。l 项目的研究项目的研究1.1. 开发驾驶员协同辅助系统；开发驾驶员协同辅助系统；2.2. 作为通信装置的无线移动自组织网络，为未来标准化作作为通信装置的无线移动自组织网络，为未来标准化作准备。准备。欧盟

31、的研究现状l FLEETNETFLEETNET也是一个基于自组网的车辆间通信项目。也是一个基于自组网的车辆间通信项目。：1.1. 开发一个车辆间的通信平台，这个平台应该能够实现示开发一个车辆间的通信平台，这个平台应该能够实现示范作用，技术解决方案能够标准化范作用，技术解决方案能够标准化2.2. 实现设计的通信协议的主要功能，并将示范系统能够集实现设计的通信协议的主要功能，并将示范系统能够集成到演示车辆中成到演示车辆中3.3. 实现一些合适的演示，以展示这个项目在车辆之间通信实现一些合适的演示，以展示这个项目在车辆之间通信方面的优越性方面的优越性4.4. 开展商务模式和市场推介方案的研究开展商务

32、模式和市场推介方案的研究小 结l介绍了无线通讯的基本概念l无线网络的特点l自组网的特性l传统的技术不能直接使用传统的技术不能直接使用l信道资源的竞争使用带来新的问题l路由的问题必须寻求新的解决方案路由的问题必须寻求新的解决方案l能源短缺引发新的需求能源短缺引发新的需求l安全问题不容忽视基础知识概述：自组织网络的应用需求自组织网络的应用需求l临时会议临时会议/紧急情况紧急情况l科学考察科学考察/探险探险/军事战军事战场场l接入网络服务商所需的接入网络服务商所需的时间和成本时间和成本l现有服务和架构的性能现有服务和架构的性能或者能力或者能力l远离网络基础设施而希远离网络基础设施而希望保持与网络的连

33、接望保持与网络的连接无网络基础设施可用无网络基础设施可用不想使用网络设施不想使用网络设施网络基础设施范围外网络基础设施范围外自自组组织织网网络络基础知识概述：自组织网的起源自组织网的起源l 1972年分组无线网（年分组无线网（PRNET）战场环境下的数据通信战场环境下的数据通信l 1983年抗毁自适应网络（年抗毁自适应网络（SURAN）支持大规模网络支持大规模网络适应战场快速变化环境需要的自适应网适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议络协议l 1994年全球移动通信系统（年全球移动通信系统（GloMo）满足军事应用需要的、可快速展开、高满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统抗

34、毁性的移动信息系统DARPA资助资助Defense Advanced Research Project Agencyl 随着我国电信市场竞争的加剧，找准和开拓新的业务增长点成了电信运营商和设备提供商在市场中掌握先机的关键。l 采用移动Ad Hoc网络技术的MESH无线区域网等业务被认为是未来的业务热点未来的业务热点之一。l 甚至有人称：就象IP网络改造传统电信网络一样，移动Ad Hoc网络技术可能对现有移动通信网络的结构和运营模式可能对现有移动通信网络的结构和运营模式带来划时代的影响。基础知识概述： 自组织网络技术研究的意义基础知识概述： l 一组带有无线收发装置的组成的一个、临时性 自创建（

35、Self-Creating)、自组织(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)系统。l 不依赖预设的基础设施而临时组建。l 移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。可独立工作，也可与Internet或蜂窝无线网络连接。基础知识概述：自组织功能Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基础知识概述：动态变化的网络拓扑Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基础知识概述： 自动最佳路由选择最佳路由最佳路由

36、备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基础知识概述：基础知识概述： 基础知识概述：Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi

37、Wi-FiWi-FiWi-Fi基础知识概述：自组织网络研究自组织网络研究l1991年年IEEE 802.11首次提出首次提出“Ad Hoc网络网络”自组织、对等式、多跳无线移动通信网络自组织、对等式、多跳无线移动通信网络l1997年年IETF成立成立MANET工作组工作组基于基于IP的无线多跳网络路由的无线多跳网络路由l2003年年IRTF成立成立ANS研究组研究组l其它研究机构其它研究机构ClosedAd Hoc：For the specific purpose onlyMANET：Mobile Ad-hoc NetworksANS：Ad Hoc Networks ScalabilityAd

38、 Hoc网络的定义网络的定义l 由一组带有无线通信收发装置的由一组带有无线通信收发装置的(移动移动)终端节点组成的一终端节点组成的一个多跳临时性自治系统个多跳临时性自治系统l 每个每个(移动移动)终端同时具有路由器和主机两种功能：终端同时具有路由器和主机两种功能：作作 为为 主主 机：机：终端需要运行面向用户的应用程序；终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器：作为路由器：终端需要运行相应的路由协议终端需要运行相应的路由协议l 节点间路由通常由多跳节点间路由通常由多跳(Hop)组成组成l 不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建建

39、多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络Ad Hoc网络的特点（网络的特点（1）l独立组网独立组网不需要任何预先网络基础设施不需要任何预先网络基础设施l动态拓扑动态拓扑节点移动节点移动/开机开机/关机关机节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响等因素影响l自组织自组织无控制中心无控制中心节点故障不会影响到整个网络节点故障不会影响到整个网络节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测

40、的发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的Ad Hoc网络的特点（网络的特点（2）l多跳路由多跳路由接收端和发送端可使用比两接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消行通信，因此节省了能量消耗耗通过中间节点参与分组转发，通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范扩大了自组织网络的覆盖范围围Ad Hoc网络的特点（网络的特点（3）l 特殊的无线信道特征特殊的无线信道特征无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多无线信道提供的网络带宽比有

41、线信道低得多竞争无线共享信道产生碰撞竞争无线共享信道产生碰撞信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等l 终端的局限性终端的局限性能量、存储、计算等资源受限能量、存储、计算等资源受限l 安全性差安全性差无线链路的开放性无线链路的开放性移动性导致节点之间信任关系的变化移动性导致节点之间信任关系的变化l 可扩展性不强可扩展性不强节点之间的相互干扰造成网络容量下降节点之间的相互干扰造成网络容量下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降l 存在单向无线信道存在单向无线信道终端发射功率的不同及地形环境的影响终端发射功率的不同及地形环

42、境的影响Ad Hoc网络与网络与Sensor网络网络lSensor网络网络可以看作是一种特殊类型的可以看作是一种特殊类型的Ad Hoc网络网络各个无线节点静态地随机分布在某一区域。传感各个无线节点静态地随机分布在某一区域。传感器负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关器负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点节点网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大并且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络（型网络（Internet）并且到达最终的用户）并且到达最终的用户p与一般与一般Ad Hoc网络相比：网络相

43、比：p节点数量多、分布稠密节点数量多、分布稠密p节点的能量、计算、存储等资源进一步受限节点的能量、计算、存储等资源进一步受限Ad Hoc网络与无线局域网网络与无线局域网l单跳单跳 与与 多跳多跳l研究重点不同研究重点不同l通信模式不同通信模式不同主要研究集中在物主要研究集中在物理层和数据链路层理层和数据链路层移动终端的所有通信必移动终端的所有通信必须经过无线接入点进行须经过无线接入点进行自组网络为多跳网自组网络为多跳网络，存在路由问题络，存在路由问题Ad Hoc网络的研究网络的研究内容主要以路由协议内容主要以路由协议为核心的网络层设计为核心的网络层设计Ad Hoc网络中移动网络中移动终端的通信

44、是对等的终端的通信是对等的无线局域网为单跳网无线局域网为单跳网络，不存在路由问题络，不存在路由问题移动移动Ad Hoc网络网络(MANET)与移动与移动IPMANET移动移动IPAd Hoc网络所面临的问题网络所面临的问题(1)l 特殊的信道共享方式特殊的信道共享方式 共享信道共享信道 隐藏节点问题隐藏节点问题/暴露节点问题暴露节点问题l 动态变化网络拓扑动态变化网络拓扑 传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧l 有限的无线传输带宽有限的无线传输带宽 减少节点之间的交换的消息减少节点之间的交换的消息 减少控制消息带来的额外开销减少控制消

45、息带来的额外开销l 有限的能量有限的能量 能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由l 安全问题安全问题 无线信道的开放性更容易受到各种攻击无线信道的开放性更容易受到各种攻击 移动性使得节点的信任关系不断变化移动性使得节点的信任关系不断变化 由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA网络路由时需考虑网络路由时需考虑Ad Hoc网络所面临的问题网络所面临的问题(2)l网络管理网络管理拓扑管理拓扑管理l确定将一组节点组织成网络的机制确定将一组节点组织成网络的机制移动性管理移动性管理

46、l跟踪网络中移动节点的位置跟踪网络中移动节点的位置服务质量管理服务质量管理l多跳拓扑动态变化的移动多跳拓扑动态变化的移动Ad Hoc网络使得服务质量保网络使得服务质量保证更加困难证更加困难自动配置自动配置实现实现Ad Hoc网络的关键技术网络的关键技术l路由协议路由协议l服务质量管理服务质量管理l功率控制功率控制l传输层性能传输层性能lAd Hoc网络互联网络互联l安全问题安全问题l网络管理网络管理p感知网络拓扑结构的变化感知网络拓扑结构的变化p维护网络拓扑的连接维护网络拓扑的连接p高度自适应性高度自适应性p能量、服务质量等约束能量、服务质量等约束p信道接入技术信道接入技术p节能机制节能机制p

47、多个多个Ad Hoc网络互联网络互联pAd Hoc内部节点访问内部节点访问Internet内容内容l概述概述l体系结构体系结构lAd Hoc网络路由网络路由l服务质量和能量意识服务质量和能量意识基础知识概述：自组网的节点结构基础知识概述：自组网的节点结构l主机主机+路由器路由器+无线收发装置无线收发装置=网络节点网络节点l主机：运行应用程序主机：运行应用程序,完成数据处理等功能完成数据处理等功能l路由器：运行路由协议，完成路由选择、转路由器：运行路由协议，完成路由选择、转发分组等功能发分组等功能l无线收发装置：完成数据传输功能无线收发装置：完成数据传输功能网络结构网络结构l 平面结构平面结构所

48、有节点地位平等所有节点地位平等l 层次结构层次结构网络被划分为簇（网络被划分为簇（Cluster）每个簇由簇首节点每个簇由簇首节点(Cluster Head)和簇成员和簇成员节点节点(Cluster Member)构构成成簇首节点可形成更高一级簇首节点可形成更高一级的网络的网络平面结构平面结构层次结构层次结构平面结构和层次结构比较平面结构和层次结构比较平面结构平面结构层次结构层次结构完全分布式的网络完全分布式的网络多个簇组成的网络多个簇组成的网络所有节点的地位是平等的所有节点的地位是平等的节点被分为节点被分为簇首簇首和和簇成员簇成员簇首簇首预先指定或者由选择算法预先指定或者由选择算法产生产生不

49、存在网络瓶颈不存在网络瓶颈可存在多条路径可存在多条路径网络健壮性好网络健壮性好簇首簇首节点可能节点可能成为网络瓶颈成为网络瓶颈到簇外的通信都须通过簇首节到簇外的通信都须通过簇首节点进行点进行可可扩展性差扩展性差每个节点都每个节点都需要知道到达所有需要知道到达所有其它节点的路由其它节点的路由适用于适用于中小规模中小规模的网络的网络可可扩展性好扩展性好簇内路由信息局部化簇内路由信息局部化适用于适用于大规模大规模网络网络网络协议栈网络协议栈l 基于基于TCP/IP体系结构体系结构l 与与Internet互联互联l 传统路由协议需要修传统路由协议需要修改，以适应网络拓扑改，以适应网络拓扑结构动态变化结

50、构动态变化l 传输层实现适应于无传输层实现适应于无线网络的端到端可靠线网络的端到端可靠服务服务l Ad Hoc网络多用于能网络多用于能量受限的环境，能量量受限的环境，能量管理尤为重要，因此管理尤为重要，因此各层都定义相应的节各层都定义相应的节能机制能机制可选功能可选功能Ad Hoc网络中的跨层设计网络中的跨层设计l 严格分层的体系结构严格分层的体系结构(OSI参考模参考模型，型，TCP/IP模型模型) 协议的设计缺乏足够的适应性，不协议的设计缺乏足够的适应性，不能满足能满足Ad Hoc网络动态变化的需网络动态变化的需求，特别是在能量或者求，特别是在能量或者QoS等约束等约束条件下条件下l 跨层

51、体系结构跨层体系结构任意层之间能够进行信息交互协作任意层之间能够进行信息交互协作l在动态环境下，根据能量或者在动态环境下，根据能量或者QoS等约束条件自适应调节等约束条件自适应调节l避免重复的功能，减少开销避免重复的功能，减少开销l减少反应时间，快速适应网络减少反应时间，快速适应网络动态变化动态变化自组网络涉及的关键技术自组网络涉及的关键技术l 路由协议路由协议l MACMAC协议（媒介访问控制协议）协议（媒介访问控制协议）l 自组网络中网络与信息的安全性自组网络中网络与信息的安全性l QOSQOS保证框架与技术保证框架与技术l 功率控制与管理技术等功率控制与管理技术等 QOS保证l QOSQ

52、OS就是网络为用户传送端到端数据时必须满足的一套可就是网络为用户传送端到端数据时必须满足的一套可测量的预先定义的基于端到端性能的服务属性。测量的预先定义的基于端到端性能的服务属性。l 无线网络主要面临以下问题：无线网络主要面临以下问题：1.1. 链路质量难以预测链路质量难以预测2.2. 链路带宽难以预测链路带宽难以预测3.3. 分布式控制难度较大分布式控制难度较大4.4. 网络拓扑变化难以预测网络拓扑变化难以预测 QOS保证l QOSMACQOSMAC的工作应该包括：的工作应该包括：1.1. 支持有优先级的介质在竞争中优先接入支持有优先级的介质在竞争中优先接入2.2. 支持较高的网络的吞吐量支

53、持较高的网络的吞吐量3.3. 支持可靠的单播传输支持可靠的单播传输4.4. 提供可靠的资源预留提供可靠的资源预留5.5. 提供及时的限时接入提供及时的限时接入 功率控制与管理l 功率控制与管理主要包括功率控制与管理主要包括: :l 节点有两种状态节点有两种状态和和节点正在发送或接收数据的状态节点正在发送或接收数据的状态节点空闲但有可能在侦听信道的使用状况，节点空闲但有可能在侦听信道的使用状况，监听时节点接收机的部分功能模块还在工作监听时节点接收机的部分功能模块还在工作功率控制与管理l 功率控制和管理需主要考虑的问题：功率控制和管理需主要考虑的问题：l 移动节点的能耗移动节点的能耗= =1.1.

54、 与通信无关的能耗占大约总消耗量的一半。与通信无关的能耗占大约总消耗量的一半。2.2. 电池有限，使电池有限，使它影响整个网络的寿命。它影响整个网络的寿命。：状态控制、：状态控制、MACMAC层功率控制、功率意识路由协议和层功率控制、功率意识路由协议和拓扑控制。拓扑控制。l 节点状态控制的基本思想：节点状态控制的基本思想： 自组网络中网络与信息安全l 自组网的脆弱性：1. 无线链路（广播式传播信息）2. 无基础设施的分布式网络（处理能力低下）3. 动态变化的网络（身份识别？）4. 节点的特性（资源等匮乏）自组网络中网络与信息安全l传统安全机制已经不适应自组网络传统安全机制已经不适应自组网络：1.1. 传统的加密及认证机制无法实现（缺乏足够的物理保护、传统的加密及认证机制无法实现（缺乏足够的物理保护、没有中心节点、节点计算能力低下等原因造成）没有中心节