第6章 移动自组织网络

1、第六章 移动自组织网络6.1 MANET概述6.2 MANET协议设计6.3 MANET路由6.4 MANET功率控制参考资料nIETF Mobile Ad-hoc Networks (MANET) Working Groupn/html.charters/manet-charter.htmlnS. Corson, J. Macher, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, RFC 2501, J

2、anuary 1999nC. Perkins, E. Belding-Royer, et al., Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, RFC 3561, July 2003nDavid B. Johnson, et al., The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004nI. Chakeres, C. Perkins, Dynamic MANET On-dema

3、nd (DYMO) Routing, draft-ietf-manet-dymo-06.txt, October 2006nT. Clausen, et al., Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), RFC 3626, October 2003nR. Ogier, et al., Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), RFC 3684, February 2004 nS. Basagni et al, Mobile Ad Hoc Networkin

4、g, IEEE Press (John Wiley & Sons), 20046.1 移动自组织网络（Mobile Ad hoc NETwork, MANET）概述n移动Ad Hoc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。n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。n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。蜂窝移动通信网络n移动终端和固定基站互相通信n移动终端不具备

5、路由功能n基站负责路由和交换功能基站充当接入有线网络的网关nWLANn移动节点配备无线网网卡n移动节点通过接入点与固定网络连接nWLAN工作在链路层，对网络层透明n对网络层来说WLAN是一个单跳网络WLAN移动互联网的需求n特殊环境（空旷）n灾难(地震、水灾、强风暴)n科学考察/探险/军事战场n接入网络服务商所需的时间和成本n现有服务和架构的性能或者能力n用户可远离网络基础设施而保持与网络的连接移动互联网的起源n源自军事领域n20世纪70年代分组无线网（PRNET）n战场环境下的数据通信战场环境下的数据通信n1983年的抗毁自适应网络（SURAN）n支持大规模网络支持大规模网络n适应战场快速变

6、化环境需要的自适应网络协议适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议n1994年的全球移动信息系统（GloMo）n满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移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动信息系统nIEEE802.11首次提出“ad hoc”nIETF1997年成立MANET工作组nIRTF（互联网研究工作组）（互联网研究工作组）在2003成立了ANS 研究组移动Ad hoc网络n移动Ad hoc网络/多跳无线网络n由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成 Wi-Fi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相互连接。与蓝牙技术类似，这种标准允

7、许无线设备以点对点形式互连，而且在传输速度与传输距离方面则比蓝牙有大幅提升。n网络中每个终端可以自由移动、地位相等n是一个多跳、临时、无中心网络n不需要现有信息基础网络设施的支持n可以在任何时候、任何地点快速构建 ad hoc:for the specific purpose onlyMANET特点n具备移动通信网络和计算机网络的特点n网络拓扑动态变化n无中心网络的自组性n多跳组网方式n有限的无线传输带宽(根据网络的不同)n移动终端的自主性n安全性差n网络的可扩展性不强n存在单向的无线信道n生存时间短MANET与传统蜂窝网络n与常规移动通信网络比较n不需要网络通信基础设施支持n不依赖基站进行通

8、信n分组交换机制n数据通信业务为主n拓扑结构动态变化MANET与固定网络n与传统固定网络比较n固定网络中主机位置基本不变n固定网络结构一般比较复杂nad hoc网络规模相对较小nad hoc网络的拓扑结构比较简单nad hoc网络拓扑结构快速变化MANET与其他无线网络n与分组无线网、无线局域网、比较n单跳与多跳n研究重点不同n主要研究内容是在网络的物理层和DLn通信模式不同n移动终端的所有通信都要经过接入点进行 应用案例应用案例n2000年2003年，美国国防部高级研究规划署（DARPA）资助了一项名为“自愈式雷场系统”的研究项目，系统采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。

9、n地雷都配备了无线通信和自组织联网模块，通过某种方式散布(飞机、导弹等)，组成自组织网络。n地雷阵遭到敌方的坦克突破之后，各个地雷节点通过无线方式传递拓扑结构变化的信息，然后各节点通过自动弹跳功能迅速自愈，使通信网络重新连通，形成新一轮的地雷阵。n如此反复，直到系统无法重构为止再全部自行引爆。n作用：限制敌军机动能力，延缓敌军进攻或撤退速度，在一定时间内封锁特定领域。n2003年， “无所不在的跳蚤市场”的应用n在“无所不在的跳蚤市场”中，每个用户既是买方又是卖方，他们将自己需要购买或者想要抛售的商品信息注册到MANET便携设备的相应存储区域。n在任何时间、任何地点，MANET设备通过无线通信

10、模块和周围的节点取得联系，进行匹配扫描。当扫描到条件匹配的买卖双方时，便携设备就会报警通知用户对方节点的信息，从而买卖双方可以启动相应的处理程序进行实物交易6.2 MANET协议设计nMAC层在移动Ad Hoc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。 Ad Hoc MAC协议分类协议分类竞争协议(Contention Protocol)分配协议(Allocation Protocol )竞争协议和分配协议的组合协议(也称混合协议(Hybrid Protocol)。 竞争类竞争类MAC协议协议1ALOHA协议2载波侦听多址访问协议(CSMA)3基于

11、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(3)FAMA协议(4)IEEE 802.11 MAC协议(5)MACA-BI协议分配类协议分配类协议 两种截然不同的分配协议是静态分配协议(Static Allocation Protocol)和动态分配协议Dynamic Allocation Protocol)，其区别在于计算传输时间安排的方法不同。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。这种传输时间安排等效于以太网接口卡的MAC地址分配。（缺点？）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

12、计算传输时间安排。混合类协议混合类协议1.混合时分多址访问协议(HTDMA)2.TDMA和CSMA的混合协议3.ADAPT协议4.ABROAD协议5.AGENT协议6.Meta-协议Ad Hoc的网络结构的网络结构n集中式控制结构：n普通节点设备简单，中心控制节点设备复杂，有较强的处理能力，负责路由和实施流量控制。n分布式控制结构：n平面结构n分级结构n平面结构的ad hocn适应于中小规模的ad hoc网络n分级结构的ad hoc网络n网络划分为一到多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员构成；n簇头形成高一级的网络，又可以在分簇，再组成更高一级的网络；n簇头可以指定，也可以由算法产生；l分级结

13、构的分级结构的ad hocn分级结构ad hoc优点：n良好的可扩充性，网络规模不受限制；n使路由信息局部化， 减少路由协议的开销；n节点定位比平面结构简单。 l分级结构的缺点：n簇头的选举算法增加了计算复杂性；n簇头可能成为网络瓶颈。移动移动Ad Hoc网络的网络层网络的网络层1 Ad Hoc路由协议分类路由协议分类n根据网络节点获取路由信息的方法来对移动Ad Hoc网络的路由算法进行分类n表格驱动类路由协议(又称主动式路由协议) n源节点初始化按需驱动类路由协议(又称反应式路由协议) n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 n链路状态算法n距离矢量算法 主动式

14、路由协议主动式路由协议1.带目的地序列号的距离矢量协议（DSDV）2.最优化链路状态路由协议(OLSR)3.基于反向路径转发的拓扑分发协议(TBRPF） 按需路由协议按需路由协议1Ad Hoc按需距离矢量路由协议(AODV)2基于节点间相互关系的路由协议(ABR)3源动态路由协议(DSR)混合路由协议混合路由协议1域路由协议(ZRP)2抢先式路由协议AODV协议工作流程协议工作流程n路由建立：n当某节点需要发送数据到一个新的目的节点时，它将广播一个带有TTL生存时间的RREQ（路由请求消息）来尝试找到一条到目的节点的路由；n如果RREQ消息到达目的节点，这条路由将被找到。另外一种情况下，路由也

15、可以找到，就是RREQ到达了一个中间节点，该中间节点有到目的节点的路由。n路由找到后，则向源节点发送RREP消息，此时路由建立完毕。123n路由维护：n当一条链接断开时，一条RERR消息被用来通知其他节点发生了连接断裂，RERR消息指出了不能再到达的目的节点。n于是源节点就重新发起路由查找的过程。n优点：n思路简单易行；n链路失效能够被立即报告，路由可重新建立；n节点只存储需要的路由，减少了内存的需求和不必要的复制n缺点：n路由表中仅维护一条到指定的目的节点的路由，并且采用了超时删除路由的机制，因此即使路由未失效，在超过时限后也将被删除。n在源和目的节点对之间建立并使用一条单路径。由于节点移动

16、性、节点失败以及无线信道的动态特征，单路径中的链路可能会临时失效从而导致路径不可达，而寻找替代路径的开销大。位置辅助路由位置辅助路由(Location Aided Routing, LAR)工作流程工作流程nLAR假设节点可以通过GPS定位设备获取自身位置信息，并且知道其它节点运动的平均速度。n路由请求时，源节点根据目的节点历史位置和移动速度为目的节点D计算一个可能区域，并指定一个地理上的请求范围，并将此信息附在路由请求分组中。n只有位于请求范围内的中间节点才进行路由请求的转发，从而减少路由请求的影响范围。GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)协议协

17、议n网络节点都知道自身地理位置并被统一编址，产生数据的节点在数据包中写入目的地的地理位置。n任何收到数据的节点向以直线距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据。n优点：数据传输时延小，健壮性好。n缺点：n某些情况下数据会到达没有比该节点更接近目的点的区域，也称为空洞，导致数据无法传输。评价MANET路由协议的指标：n数据的传输率和传输延迟n反应了数据的传输质量l路由请求的时间n有数据需要发送到发送出去的时间n路由协议的效率n路由控制信息与数据信息的比率多径路由技术多径路由技术n多径路由提供了到一个目的节点的多条路径，源和目的节点可以使用这些路径作为主路径和候选路径，也可以有选择地在多条路径上并发

18、传输。n多径路由可以降低泛洪的频次，其方法是在一次泛洪查询过程中探测多条可能的路由，以低成本提供足够的冗余度。n多径路由实现了负载平衡、提供较高的带宽利用率，提高吞吐量。四种多径路由协议n(1)Ad Hoc按需多径距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand Multipath Distance Vector，AODMVn(2)多径源动态路由协议n(3)最大节点不相交按需多径路由协议n(4)分离多径路由(Split Multipath Routing，SMR) 多目标路由协议多目标路由协议n多目标协议也叫多播或组播路由协议。n多目标传输(也叫组播或多播，Multicasting)是目的节

19、点将数据分组发送给一组主机。n是一种面向群组计算的通信方式（如军事上对人员进行控制）。n多目标服务对于团队密切协作的应用非常重要，如要求共享文本和图片、召开音频和视频会议。n关键：如何确定多播路径？ 典型的多目标路由协议 1MAODV协议2基于相互关系的多目标路由协议(ABAM)3按需多目标路由协议(ODMRP)4自适应按需驱动多目标路由协议(ADMR)思考n我们到现在为止介绍了几类MANET的路由协议呢?n泛洪n单路径传输n多播对照衡量MANET路由协议的指标，对比下各种协议的优缺点。MANET对路由协议的要求n收敛迅速n提供无环路由n避免无穷计算n控制管理开销小n对终端无过高要求n支持单向

20、信道n尽量简单实用n路由机制必须适应网络三个不断变化的基本特征n移动节点总体密度n节点到节点的拓扑n网络的使用模式移动移动Ad HocAd Hoc网络的功率控制网络的功率控制n功率管理是无线通信领域中最富挑战性的一个问题。 n移动节点的电池能量有限n采取合理的能量管理机制达到节能控制，延长网络存活时间，对提高网络性能起关键作用。n功率消耗源n与通信有关的功率消耗源（手机接收功率不到1瓦，基站发射功率20w）n与计算有关的功率消耗源与通信有关的功率消耗源n在移动Ad Hoc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。 n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

21、。 n发射方式功耗最大，备用方式功耗最小。 n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。 与计算有关的功率消耗源 n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n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n需要对计算成本和通信成本进行综合、平衡考虑。 功率控制功率控制n移动Ad Hoc网络的功率控制就是为每个节点选择发射功率。n功率等级的选择将从根本上影响移动Ad Hoc网络许多方面的操作。nGSM手机发出的最低功率为3.2mW,最大功率2W。(1)发射功率等级决定接收节

22、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。 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。 如何进行功率控制n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。n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。 移动移动Ad HocAd Hoc网络的能量管理网络的能量管理n能量管理的方法n调整发射功率n节点根据自己与邻居节点的距离以及邻节点之间的距离等信息调

23、整发射功率，以达到最小能耗。n休眠n没有数据收发时，节点进入休眠模式。或者随机休眠。n选择合适的路由算法移动移动Ad HocAd Hoc网络的网络的QoSQoS问题问题n在移动Ad Hoc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。n将多媒体应用和移动Ad Hoc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。 服务质量参数服务质量参数n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。n例如，时延、带宽、分组丢失

24、概率、时延变化(抖动)，等等。n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Ad Hoc网络很特别。 提供提供QoSQoS支持所面临的问题与支持所面临的问题与困难困难(1)不可预测的链路特性。 (2)隐含终端问题。(3)节点移动。(4)路由维护。(5)有限的电池寿命。(6)安全。 折中原理折中原理tradeoffn移动Ad Hoc网络的动态性归因于多种原因。例如，易变和多变的链路特性、节点移动、变化的网络拓扑、可变的应用要求。n在这种动态环境下提供QoS是非常困难的。为移动Ad Hoc网络提供QoS的两个折中原理是：软QoS和QoS自适应。 处理方法处理方法1从单一网络层次上支持QoS 按照层次化观点讨论移动Ad Hoc网络提供QoS的问题。首先从物理层开始，然后到应用层。2层间处理法 除了在单一网络层上研究QoS支持以外，现在已经做了一些努力引导设计和实现移动Ad Hoc网络的层与层之间的QoS框架体系。移动移动Ad HocAd Hoc网络的安全问题网络的安全问题面临的安