hoc网络的基本概念

Adhoc网络Adhoc网络的基本概念Adhoc网络的体系结构Adhoc网络的研究重点Adhoc网络的协议栈Adhoc网络的发展趋势WhatisAdhocNetwork?Adhoc(fromLatin)ForaspecificpurposeofoccasionForthiscasealoneIEEE802.11anetworkcomposedsolelyofstationswithinmutualcommunicationrangeofeachotherviathewirelessmedia.anindependentbasicservicesetWhatisAdhocNetwork(2)?MobileAdhoc

NETwork(MANET)agroupofmobile,wirelessnodeswhichcooperativelyandspontaneouslyformanetworkindependentofanyfixedinfrastructureorcentralizedadministrationAnodecommunicatesdirectlywithnodeswithinwirelessrangeindirectlywithallotherdestinationsusingadynamically-determinedmulti-hoproutethoughothernodesintheMANETAdhoc网络的发展历史早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目PRNET（PacketRadioNETwork），研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。1983年，启动了高残存性自适应网络项目SURAN（SURvivableAdaptiveNetwork）1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo（GlobleMobileInformationSystems）项目，该项目一直研究至今。成立于1991年的IEEE802.11标准委员会采用了“Adhoc网络”一词来描叙这种网络，Adhoc网络就此诞生。Adhoc网络的特点网络拓扑结构动态变化多跳路由带宽受限有限的电源安全性差Adhoc网络与常用无线网络比较最大的区别在于无基站结点无线个域网络（WPAN）无线个域网络(WPAN)是由IEEE802.15提出的。WPAN是Adhoc网络技术的一个应用领域，不仅可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术(10M米的个人空间)只能实现室内近距离的通信，而移动AdHoc网络则能够为建立室外更大范围的WPAN与WPAN之间的互联提供了技术可能性。无线个域网络（WPAN）军事应用移动Adhoc网络的初衷是为军事应用服务，Adhoc网络今后依然是军事领域最直接的应用对象。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Adhoc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Adhoc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。需要通信的舰队战斗群之间也可以通过移动Adhoc网络建立通信而不必依赖陆地或卫星通信系统。紧急和临时场合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。借助于移动Adhoc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。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Adhoc网络来快速地建立联系，以积极组织营救。与现有通信系统的结合Adhoc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。Adhoc网络如何接入现有的Internet也是近年研究的一个热点。Adhoc网络的结构-平面结构平面结构Adhoc网络的结构-分级结构(1)单频分级系统使用一个频率簇头和网关形成虚拟主干簇头的选举和维护较复杂多频分级每一级使用一个频率高级结点的功率大，带宽较宽簇头要有两套协议栈Adhoc网络的结构-分级结构(2)簇头簇成员网关簇单频分级Adhoc网络的结构-分级结构(3)多频分级簇头簇成员簇Adhoc网络节点结构Adhoc网络的结构-平面与分级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)Adhoc网络的研究热点路由协议信道接入控制（MAC）协议服务质量QoS安全性问题能耗问题Adhoc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为什么需要新的路由协议？Adhoc网络路由技术移动Adhoc网络的路由选择与传统网络比较:传统的解决方案(如在Internet和蜂窝网中的一些方案)都是假定网络拓扑结构是相对稳定的，移动Adhoc网络的拓扑是不断变化的。传统的路由方案依赖于保存在某些网络节点或特定管理节点中的分布式路由数据库，而对于移动AdHoc网络，节点不可能永久存储路由信息，而且它们存储的信息也并不是一直真实可靠的。理想的Adhoc网络路由协议分布式操作提供无环路由维护多条路由提供节能策略提供安全机制支持单向链路提供QoS支持支持组播功能

路由建立的时间越快越好路由控制报文数量越少越好路由长度越短越好Adhoc网络路由协议分类表驱动路由协议特点初期，主要是修改有线网络路由协议以适应Adhoc网络环境，大多属于表驱动路由协议。表驱动路由协议的路由查找策略与传统路由协议类似，节点通过周期性广播路由信息报文，交换路由信息，主动发现路由；同时，节点须维护去往网络中所有节点路由。优点：当节点需要发送数据报文时，只要去往目标节点的路由存在，所需的延时很小；缺点：需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化。然而，动态变化拓扑结构可能使得路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。主要的表驱动路由协议：DBF(DistributedBellman-Ford)、DSDV(Destination-SequencedDistance-VectorRouting)、WRP(WirelessRoutingProtocol)。按需路由协议的特点根据发送节点的需求进行路由发现过程，网络拓扑结构和路由表内容也按需建立（只是整个网络拓扑结构的一部分）。优点：不需周期性广播路由信息，节省网络资源。缺点：发送分组时，必须临时启动路由发现过程来寻找路由，因而延迟大主要路由协议：DSR(DynamicSourceRouting)AODV(AdHoconDemandDistanceVectorRouting)TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)混合型路由协议当网络规模不断扩大时，平面结构的路由协议将不能适应网络的需要，因此，可以考虑结合表驱动与按需路由协议的特点，产生混合型的路由协议。CGSR（ClusterheadGatewaySwitchRouting,簇头网关交换协议）ZRP（ZoneRoutingProtocol，区域路由协议）MACProtocols:Issues信道竞争隐终端和暴露终端ReliabilityCollisionavoidanceCongestioncontrolFairness节能(powerSaving)信道接入协议简介-接入类型同步接入TDMA：同步困难，可实现QoS异步接入（信道分配）受控接入令牌环随机接入（竞争接入）ALOHA系列CSMA系列混合接入信道接入协议简介-问题(1)电源问题结点一般使用电池供电减少协议的交互次数适时关闭电台的发射机对TCP性能的影响TCP的慢启动不能完全依靠TCP的重发要有ACK和重发机制信道接入协议简介-问题(2)隐终端问题暴露终端问题

CSMA是基于任一站的发送都能被所有站点听到这样一个事实。但在Adhoc网络中，因为通信距离受限，并非所有站都能听到一个站的发送。把CSMA直接应用到Adhoc网络中会带来两个问题:信道接入技术简介-目标和问题隐终端和暴露终端问题退避算法对上层的影响(应答与否)节电措施信道利用率高信道时延小公平接入节约电能隐终端与暴露终端问题-隐终端(1)ABC隐终端：在接收者的通信范围内而在发送者的通信范围外的终端带来的问题：

A向B发送报文，C听不到A的发送。C也发送报文时在B发生碰撞隐终端隐终端与暴露终端问题-隐终端(2)ABCDA向B发送数据时，C听不到，如果C向B发送会造成冲突。所以当A向B发送数据时，C应该被延迟发送，这被成为隐发送终端问题。解决方法：B要通知C此时不能发送。在每次通信之前，双方必须使用控制报文进行握手（RTS-CTS），听到回应握手信号（由接收者B发送的）的站点（C）知道自己是隐终端，必须延迟发送。RTSCTSCTS隐终端与暴露终端问题-隐终端(3)当C延迟发送时，如果D向C发送控制报文请求发送时，因为C要延迟发送，所以D收不到来自C的应答，也不知道为什么（关机、碰撞还是隐终端），就超时重发，浪费了带宽。这被称为隐接收终端问题。ABCDRTS解决方法：C接收数据并不影响A到B的发送。所以C要设法给D回送CTS，或通过一定的手段告诉D它是隐终端，现在不能发送报文。在使用单信道的情况下，显然无法解决。隐终端与暴露终端问题-暴露终端(1)暴露终端：在发送者的通信范围之内而在接收者的通信范围之外的终端带来的问题：

B向A发送。C听到B的发送，不能向D发送，造成不必要的延迟，因为C向D发送并不会影响B与A的通信。暴露终端ABCD隐终端与暴露终端问题-暴露终端(2)解决方法：C与D要设法完成RTS和CTS的交互。但是在使用单信道的情况下，显然无法解决。B向A发送数据时，如果采用握手机制。C知道自己是暴露终端。C想向D发送数据时，它可以发送。向D发送一个握手信号（解决隐终端问题），但来自D的握手回应信号会与B的数据信号在C处产生碰撞。C听不到D的回应，重复发送RTS，不能发送数据。这是暴露发送终端问题。ABCDCTSRTS隐终端与暴露终端问题-暴露终端(3)ABCDRTS解决方法：显然，B和D是不能同时发送报文的。所以C要通知D它是暴露终端，现在不能接收报文。在使用单信道的情况下是不可能实现的。同样当B向A发送数据时，如果D想向C发送数据，向C发送一个握手信号，握手信号与B的数据信号在C处发生冲突，C听不到来自D的握手报文。D收不到响应，重发控制信号。这是暴露接收终端问题。隐终端与暴露终端问题-结论隐终端不能发送数据暴露终端不能接收数据在使用单信道时，RTS-CTS握手机制只解决了隐发送终端问题，其它三个问题都没有解决。使用双信道可以解决!数据信道与控制信道分开在控制信道上进行RTS-CTS握手在数据信道上发送数据报文隐终端与暴露终端问题-双信道(1)对于隐接收终端问题：当A在数据信道上向B发送数据时，C可以从控制信道上收到来自D的RTS，然后回应CTS。D收到CTS后就可以向C发送数据，而不会产生冲突。隐接收终端问题解决了。ABCDRTSCTS隐终端与暴露终端问题-双信道(2)ABCD对于暴露发送终端问题：当B在数据信道上向A发送数据报文时，C可以和D在控制信道上成功交互RTS和CTS。交互成功后，C可以通过数据信道向D发送数据报文，而不会发生冲突。对于暴露接收终端问题：当B在数据信道上向A发送数据报文时。如果C在控制信道上收到D的RTS，C通过控制信道回送一个指示自己是暴露终端的控制消息。D得知C是暴露终端，现在不能接收报文。就不用重复发送RTS了，可以先处理其它任务。IEEE802.11WirelessMACDistributedandcentralizedMACcomponentsDistributedCoordinationFunction(DCF)(支持RTS/CTS)PointCoordinationFunction(PCF)(支持功率控制)DCFsuitableformulti-hopAdHocnetworkingIEEE802.11DCF

UsesRTS-CTSexchangetoavoidhiddenterminalproblemAnynodeoverhearingaCTScannottransmitforthedurationofthetransfer(听到RTS的,只要信道不忙退避一个时隙仍然可以继续发送)UsesACKtoachievereliabilityAnynodereceivingtheRTScannottransmitforthedurationofthetransferTopreventcollisionwithACKwhenitarrivesatthesenderWhenBissendingdatatoC,nodeAwillkeepquiteABCCollisionAvoidanceWithhalf-duplex（半双工）radios,collisiondetectionisnotpossibleCSMA/CA:WirelessMACprotocolsoftenusecollisionavoidancetechniques,inconjunctionwitha(physicalorvirtual)carriersensemechanismCarriersense:Whenanodewishestotransmitapacket,itfirstwaitsuntilthechannelisidleCollisionavoidance:Oncechannelbecomesidle,thenodewaitsforarandomlychosendurationbeforeattemptingtotransmitCongestionAvoidance:

IEEE802.1DCF

Whentransmittingapacket,chooseabackoffintervalintherange[0,cw]cwiscontentionwindowCountdownthebackoffintervalwhenmediumisidleCount-downissuspendedifmediumbecomesbusyWhenbackoffintervalreaches0,transmitRTSDCFExampledatawaitB1=5B2=15B1=25B2=20datawaitB1andB2arebackoffintervalsatnodes1and2cw=31B2=10CongestionAvoidanceThetimespentcountingdownbackoffintervalsisapartofMACoverheadChoosingalargecw

leadstolargebackoffintervalsandcanresultinlargeroverheadChoosingasmallcwleadstoalargernumberofcollisions(whentwonodescountdownto0simultaneously)IEEE802.11DCF基本接入过程

IEEE802.11DCF基本接入过程节点在发送报文前首先监听信道忙闲状况，若信道空闲，等待一个DIFS时间，若在此期间信道持续空闲，就开始发送报文；若信道忙，就执行退避算法，即计算一个随机退避时间，一直等到信道变空闲并持续空闲IFS时间后，节点开始以时隙为单位递减退避时间。若减到0，节点开始发送报文；如果在递减过程中信道变忙，节点就冻结退避时间，等待信道变闲并持续空闲了IFS时间后再继续递减。在传输分组前，节点需要等待一个很小的时间间隔，即使信道是空闲的，这个间隔称为帧间间隔，即IFS。四种不同的IFS不同的优先级：SIFS、PIFS、DIFS、EIFS若在发送RTS前等待DIFS，那么在发送CTS或者ACK时就等待SIFS。

典型的MAC层协议基于单信道的MAC协议CSMA(collisionavoidancemultipleaccess)MACA（multipleaccesscollisionavoidance)IEEE802.11DCFFAMA(flooracquisitionmultipleaccess)基于双信道的MAC协议DBTMA(dualbusytonemultipleaccess)基于多信道的MAC协议DCA(dynamicchannelassignment)IEEE802.11PSM(powersavingmode)安全性问题使用无线信道使Adhoc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。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。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。安全性问题（1）当节点在战场上移动时，由于缺乏足够保护，很有可能被占领。因此，恶意攻击不仅来自Adhoc网络之外，且可能从网内产生。为了获得更高的生存能力，Adhoc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。然而将使网络更易于受到攻击，因为一旦该节点被占领，整个网络就将瘫痪。由于节点移动性，Adhoc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。因此任何只具有静态配置的安全方案在Adhoc网络中是不可行的。安全性问题（2）Adhoc网络中可能包括成百上千个节点。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Adhoc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。可以采用安全策略和机制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。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