无线网络与应用设计 第4讲-Ad hoc 网络概论

1、主 要 内 容一、Ad hoc网络的基本概念二、 Ad hoc网络的体系结构1移动移动Ad Hoc网络的定义网络的定义nAd Hoc源自于拉丁语，意思是“for this”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思 nAd Hoc网络分为无线网状网（Wireless Mesh Network,WMN) 和移动自组网（Mobile Ad hoc Network，MANET）n移动Ad Hoc网络 由一组无线移动节点组成，不需要依靠固定通信网络基础由一组无线移动节点组成，不需要依靠固定通信网络基础设施、能够迅速展开使用的网络体系，是没有任何中心实设施、

2、能够迅速展开使用的网络体系，是没有任何中心实体、自组织、自愈且人工干预最少的网络。体、自组织、自愈且人工干预最少的网络。 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。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，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。节点的通信。2Ad hoc Network需求背景需求背景n我们正在从个人计算机时代我们正在从个人计算机时代(即

3、一个人一个计算装置即一个人一个计算装置)过渡到随遇计算时代过渡到随遇计算时代(Ubiquitous Age)n此时，提供所需要的连接和网络服务就成为一种挑战此时，提供所需要的连接和网络服务就成为一种挑战n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。3解决方案n研究人员提出了不需要基础设施支持的移动Ad Hoc解决方案 n移动Ad Hoc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；n无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性“Ad Hoc”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

4、境中进行无缝地互连互通。 4Ad Hoc网络应用：网络应用：军事应用军事应用n移动Ad hoc网络的初衷是为军事应用服务，Ad hoc网络今后依然是军事领域最直接的应用对象。n在战场上，由于没有基站等基础设施可用，装备了移动通信装置的军事人员、 军事车辆以及各种军事设备之间可以借助移动Ad hoc网络进行信息交换、保持密切联系，以协作完成作战任务，装备音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也能够通过移动Ad hoc网络，将在目标区域收集的重要位置和环境信息传送到处理节点。n需要通信的舰队战斗群之间也可以通过移动Ad hoc网络建立通信而不必依赖陆地或卫星通信系统。5Ad Hoc网络应用：网络应用：

5、紧急和临时场合n在自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障或无法使用时，快速地恢复通信是非常重要的。n借助于移动Ad hoc网络技术和协议，可以快速地建立临时网络，延伸网络基础设施，从而为营救赢得时间，减少灾难所带来的危害。n例如，在因地震而使得基站、通信干线等基础通信设施无法使用时，可以形成移动Ad hoc网络来快速地建立联系，以积极组织营救。6Ad Hoc网络应用：网络应用：与现有通信系统的结合nAd hoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台的多跳发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小区的业务，提高小区边缘的数据速率等。nAd hoc网络如何接入现有的Inter

6、net也是近年研究的一个热点。7Ad hoc网络的发展历史n早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目PRNET（Packet Radio NETwork），研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。 n1983年，启动了高残存性自适应网络项目SURAN（SURvivable Adaptive Network） n1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo（Global Mobile Information Systems）项目，该项目一直研究至今。n成立于1991年的IEEE 802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描叙这种网络， Ad hoc网络就此

7、诞生。 8Ad hoc网络的特点9Ad hoc网络与常用无线网络比较最大的区别最大的区别在于无基站在于无基站结点结点10Ad hoc网络与其它网络比较11多跳与单跳多跳与单跳单跳单跳(single-hop) Ad Hoc通信通信多跳(Multi-hop )Ad Hoc通信12Ad hoc 网络的多跳通信无线多跳网络中一个结点具有两种功能无线多跳网络中一个结点具有两种功能结点可以充当端结点产生或接受数据分组，结点可以充当端结点产生或接受数据分组，结点可以充当路由器对来自其它结点的数据分组进行转发结点可以充当路由器对来自其它结点的数据分组进行转发 13多跳网络好于单跳网络的原因(1) 增强了网络的

8、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。14Ad hoc 路由面临的困难路由面临的困难15实现Ad hoc网络的关键技术16安全性问题（1）n使用无线信道使Ad hoc网络容易受到诸如被动窃听、主动入侵、信息阻塞、信息假冒等各种方式的攻击。窃听可能使敌方获取保密信息。 n而主动攻击可能使敌方删除信息、插入错误信息、修改信息、或者冒充某一节点，从而破坏了可用性、完整性、安全认证和抗抵赖性。n由于节点能源有限，且I/O 计算能力较低，无法实现复杂的加密算法，这增加了被窃密的可能性。n当节点在战场上移动时，由于缺

9、乏足够保护，很有可能被占领。因此，恶意攻击不仅来自 Ad hoc网络之外，且可能从网内产生。17安全性问题（2）n为了获得更高的生存能力， Ad hoc网络应该具有分布式结构。所以，在安全机制中引入中心控制节点。n由于节点移动性，Ad hoc网络的拓扑结构和成员处于动态的变化之中。节点之间的信任关系也在不断变化。 任何只具有静态配置的安全方案在Ad hoc网络中是不可行的nAd hoc网络中可能包括成百上千个节点。n安全策略应该具有可扩展性，以适应大规模的网络。并且由于Ad hoc网络的应用环境有很多，针对不同的环境所应采取的安全策略也应有所不同。 例如，在无线网络会议系统中，节点物理上的安全

10、保障是没有问题的，而在特殊领域（如战场环境）中则不然，因此还需要适当增加物理安全防范措施。18可以采用安全策略和机制n基于口令的认证协议 与传统的口令认证不同的地方是密钥和口令的产生是由多台机器决定，而不是集中由一台机器产生，且还提供了一种完善的口令更新机制。n单一模式 俗称“复活鸭子”的安全模式，主要针对传感器网络里，传感器与控制者之间可能存在的不安全问题， 提出传感器在“死亡”之前，只受其拥有者的控制。n异步的分布式密钥管理 它提出密钥管理服务是由多个节点(一个集合)来管理，而不是单个节点来管理。19能量消耗问题n移动Ad hoc网络的功率节省问题可在以下的3个协议层次上进行解决!1）无线

11、设备及物理层2）数据链路层3）网络层20能量消耗问题：无线设备及物理层n网络的功耗包括处理功耗、 通信功耗与设备显示功耗等， 当前已有很多研究致力于设备硬件和电路级的功率优化。例如采用低功率显示器、低功率CPU和低功耗的计算算法等。n物理层则可通过功率控制改善功率效率，物理层功率控制应使数据传输以最小功率维持链路并能够自适应传输环境的变化。21能量消耗问题：数据链路层n可采用高效重传方案和低功率模式操作节省功率，MANET由于节点移动性和信道干扰，错误率很高，需要频繁重传，不仅浪费收发节点及传递节点能源，还会造成干扰，因而需采用高效的重传方案。nstop and wait 方案-当发送节点收不

12、到链路层ACK时，表明链路不可用或信道条件太差，这时停止重传，在信道条件变好或得到路由更新信息时再开始重传，该方案以延时代价换取功率节省。n低功率模式：MANET中一个节点发送时，其相邻节点即使不是目标节点也在监听消息造成浪费，可引进snoozer、hold park等低功率模式。22能量消耗问题：网络层n网络层的主要功能是为业务提供路由。为了延长节点的寿命， 可在已有的路由中选择要求传输功率最小的，或如QoS路由一样，将功耗作为选择路由的一个限制尺度，将功耗要求和路由一起进行，称为Power-aware路由。n另外，网络负荷平衡对功率效率也很重要，它可避免少数节点被过分应用，电能很快被耗尽，

13、造成网络分割，从而影响网络的互通性和性能。23Ad hoc网络的发展趋势nAd hoc网络是一种新颖的移动网络的类型，既可作为一种独立的网络运行，也可作为当前具有固定设施网络的一种补充。n发展趋势：1、应用领域将逐步扩大；2、标准的制定对于Ad hoc网络推广起着重要作用。标准包括的范围不仅仅是网络层，还要涉及物理层及链路层；3、提出能自适应于任何环境下的相关协议将很有应用前景。4、与现有移动网络或者固定网络互联是一个研究的热点。 24主 要 内 容一、Ad hoc网络的基本概念二、Ad hoc网络的体系结构25Ad hoc网络的体系结构1、终端结构2、Ad hoc网络结构3、Ad hoc网络

14、协议栈26Ad hoc终端结构终端结构n终端功能：终端+路由器功能n三部分组成： 主机：主机：人机接口、数据处理等应用软件 路由器：路由器：维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文转发 电台：电台：为信息传输提供无线信道支持。27Ad hoc网络结构平面结构 1. 平面结构平面结构所有终端地位平等所有终端地位平等对等式结构对等式结构282. Ad hoc网络的结构-分级结构n网络被划分为簇（Cluster)n簇的构成： 由一个簇头和多个簇成员组成 簇头形成高一级网络 在高一级网络中，再次形成更高一级的网络，直至最高级。n簇头的形成 预先指定 由终端使用算法自动选举产生n簇头负责簇间数据的转发n分

15、级结构的类型 单频分级 多频分级29分级结构：单频分级n单频分级 系统使用一个频率 簇头之间的通信需要网关 簇头和网关形成虚拟骨干网 簇头的选举和维护较复杂簇头簇成员网关簇30分级结构：多频分级n多频分级 每一级使用一个频率 高级终端的功率大，覆盖范围大，带宽较宽 簇头要有两套协议栈 高级终端处于多个级中，有多个频率，实现不同级的通信簇头簇成员簇31Ad hoc网络的结构-平面与分级n平面结构优点 多条路由，负荷分担 原则上不存在瓶颈 比较健壮 功率小，相对安全缺点 网络规模受限 移动性管理复杂n分级结构优点 扩充性好 簇头负责移动性管理 信息局部化缺点 路由不优化 簇头是潜在的瓶颈 容易被窃听(多频分级)32Ad hoc网络的协议栈应用服务传输服务转发和路由链路层控制信道接入无线信道物理层应用层传输层网络层链路层物理信道成型、物理层同步、高吞吐量物理信道成型、物理层同步、高吞吐量技术的采用与改造、安全性的提高等技术的采用与改造、安全性的提高等 实现网络节点的寻址、流量控制、差错控实现网络节点的寻址、流量控制、差错控制、业务汇聚、制、业务汇聚、QoS保障机制等。保障机制等。 主要问题是多跳路由协议，邻居节点维护主要问题是多跳路由协议，邻居节点维护 负责排序接收的数据并将其送交相应的负责排序接收的数据并将其送交相应的应用程序，检测分组的错误和重传分组应用程序，检测分组的