第15章移动Adhoc网络课件

第15章移动Adhoc网络15.1概述15.1.1移动AdHoc网络的需求背景我们正在从个人计算机时代(即一个人一个计算装置)过渡到随遇计算时代(UbiquitousAge)在随遇计算时代，一个用户能够随时随地根据需要同时使用多个电子平台访问所需要的全部信息。存在问题：1.移动2.不需要基础设施支持3.动态自组网问题4.网络必须能够快速战况Mobileadhocnetwork（MANET）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。解决方案研究人员提出了不需要基础设施支持的移动AdHoc解决方案移动AdHoc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；无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性“AdHoc”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)的环境中进行无缝地互连互通。15.1.2分组无线网络发展简述抗毁无线网络目标：将夏威夷的教育设备连接在一起单跳协议，不支持路由功能分组无线网络全球移动信息系统计划15.1.3移动AdHoc网络的定义移动AdHoc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。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。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。移动AdHoc是对等网络，与使用基站和固定基础通信设施的通信网络之间的一个重要区别，没有中心单元，所以必须使用分布式协议。多跳AdHoc通信的一个例子节点具有游牧特性：节点在一定区域内自由一定，动态地产生和拆毁其余其他节点的关系移动AdHoc和其他AdHoc通信网络的区别之处在于，网络拓扑变化迅速、受网络规模大小和节点移动的影响。对于移动AdHoc网络具有以下要求：1.强壮的路由算法和移动管理算法。用于提高网络的可靠性和有效性，比如降低任何网络设备从网络中孤立出来的机会。2.自适应算法和协议。用于对频繁变化的无线传播、网络和传输条件做出调整。3.低开销的算法和协议：用于保护无线通信资源。4.源节点和目的节点之间的多条路由（截然不同的路由）。用于减少某些节点附近的碰撞，提高网络的可靠性和抗毁性。5.强壮的网络体系结构：用于避免对网络失效的敏感，避免高级节点（有特权的节点）周围的碰撞，避免遭到无效路由信息的惩罚。单跳AdHoc通信的—个例子单跳：从源节点把数据分组直接发送到目的节点多跳：使用其他节点来中继自己的分组传输多跳网络好于单跳网络的原因(1)增强了网络的扩展性；(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。15.2移动AdHoc网络的MAC层在移动AdHoc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。15.2.1AdHocMAC协议分类竞争协议(ContentionProtocol)分配协议(AllocationProtocol)竞争协议和分配协议的组合协议(也称混合协议(HybridProtocol))。15.2.2竞争类MAC协议1．ALOHA协议2．载波侦听多址访问协议(CSMA)3．基于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)IEEE802.11MAC协议(5)MACA-BI协议竞争类MAC协议(续)4．忙音类多址访问协议(1)忙音多址访问协议(BTMA)(2)双忙音多址访问协议(DBTMA)(3)接收机初始化忙音多址访问协议RI-BTMA(4)无线碰撞检测协议WCD(5)MACA-BI协议15.2.3分配类协议两种截然不同的分配协议是静态分配协议(StaticAllocationProtocol)和动态分配协议DynamicAllocationProtocol)，其区别在于计算传输时间安排的方法不同。静态分配协议使司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。动态分配协议使用分布式传输时间安排算法，该算法按需地计算传输时间安排。分配类协议1.时分多址访问协议(TDMA)2.五步预留协议(FPRP)3.跳频预留多址访问协议(HRMA)15.2.4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15.3移动AdHoc网络的网络层15.3.1AdHoc路由协议分类根据网络节点获取路由信息的方法来对移动AdHoc网络的路由算法进行分类表格驱动类路由协议(又称主动式路由协议)源节点初始化按需驱动类路由协议(又称反应式路由协议)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链路状态算法距离矢量算法15.3.2主动式路由协议1．最优化链路状态路由协议(OLSR)此协议中的主要概念是多点中继（multipointrelay,MPR）被专门选定的节点，在泛洪过程中转发广播消息，降低了信息开销。2.基于反向路径转发的拓扑分发协议(TBRPF)，提供逐跳的到达每个目的节点的最短路径，有2个版本：1.局部拓扑2.全拓扑

运行局部拓扑协议，根据其拓扑表中存储的部分拓扑信息计算一颗源节点树。为了使开销最小，每个节点只将其源节点树的一部分报告给相邻节点，协议联合使用周期性更新和差异更新来保持所有相邻节点能够得到所报告的那部分源节点树。15.3.3按需路由协议1．AdHoc按需距离矢量路由协议(AODV)

为AdHoc网络的节点设计的，提供对动态链路状况的快速自适应，处理开销和存储开销低，网络利用率低，确定到达AdHoc网络内的目的节点的单目标传输路由。2．基于节点间相互关系的路由协议(ABR)

移动节点的移动范围分3类，ABR只为确实需要路由的源节点维护路由，只有最好的路由会被选出，寿命最长3．源动态路由协议(DSR)

是一个专门为多跳无线AdHoc网络设计的简单且高效的路由协议，网络是完全自组织、完全自构，无需任何基础设施，所有的路由都是由DSR路由协议动态地、自动地确定和维护。分2个机制：路由寻找、路由维护，均是按需操作，不使用任何周期性操作。15.3.4混合路由协议1．域路由协议(ZRP)

根据反应式路由请求进行各个路由选择域之间的路由寻找，路由选择域内路由则使用主动式路由协议来维护到达其域内所有节点的最新路由信息。通过使用边界广播机制，能够使用路由选择域拓扑信息大幅度减少各个域之间的控制信息通信量。主动+反应 ﹤纯反应式（更适合路由稳定性更高的网络）快1.5~2倍2．抢先式路由协议

结合按需路由算法和表格驱动算法的优点。解决范菲菲是抢先寻找其他路径，在很多情况下在中断之前切换到质量好的备用路径上，从而使传输时延最小，传输时延抖动最轻。15.3.5多径路由技术最流行的移动AdHoc网络路由方法：按需路由法，其路由开销﹤最短路径协议的路由开销，不是通过周期性地交换路由消息来持续维护整个网络的路由表，只在节点需要给目的节点发送分组在建立路由，源节点通过泛洪特定的分组来搜索目的节点及其路由。对频繁的全网泛洪进行有效的控制！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。多径路由能够提高通信节点对带宽的有效利用，响应网络拥塞和突发传输，提高分组交付的可靠性。四种多径路由协议大前提：提供了一种简单机制来分配通信量、平衡网络载荷以及提供容错能力。(1)AdHoc按需多径距离矢量路由协议(AdHocOn-DemandMultipathDistanceVector，AODMV(2)多径源动态路由协议(3)最大节点不相交按需多径路由协议(4)分离多径路由(SplitMultipathRouting，SMR)15.3.6多目标路由协议多目标协议也叫多播或组播路由协议。多目标传输(也叫组播或多播，Multicasting)是将数据分组发送给由一个目的地址指定的一组主机。多目标用于面向节点组的计算。越来越多的应用必须是点对多点传输。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。移动AdHoc网络中，节点经常不可预测地移动，导致网络拓扑频繁、快速、任意变化无线链路相对于有线信道带宽较窄；每个节点传输距离有限；信道误码、传输碰撞、多径衰落、多址干扰等原因，并不是所有信息都能够传输到预定接收节点，---多目标技术更加复杂

典型的多目标路由协议1．多目标操作协议MAODV协议同样采用AODV协议，但是增加了一条新消息—多目标激活消息。当节点加入多目标组的时候，建立一棵多目标树，它由多目标成员和连接多目标成员的节点组成，多目标成员可以在任何时候加入或脱离所在的目标组，一个多目标组有一个组长节点，负责维护本组的多目标组序列号。2．基于相互关系的多目标路由协议(ABAM)是移动AdHoc网络的一种按需多目标路由协议，主要根据节点之间的相互关系稳定性为每个多目标会晤建立一棵根部在多目标发送节点的多目标树。3．按需多目标路由协议(ODMRP)是基于网格的多目标路由协议，能够在节点移动和拓扑变化条件下建立网格和提供多条路由，将多目标分组交付给目的节点。4．自适应按需驱动多目标路由协议(ADMR)ADMR协议的新特征概括如下：1.ADMR协议没有采用控制分组的周期性全网泛洪、相邻节点的周期性探测、以及路由表的周期性交换；ADMR协议不要内核；2.ADMR协议根据应用发送模式调整其操作，高效检测链路中断情况，使不再需要的路由状态时间期满；3.通过沿着多目标树发送数量有限的继续维持分组来处理突发源，以便将无数据和无连接区别开来；4.ADMR协议采用被动确认进行有效的多目标树自动修剪；5.如果没有接受节点那么源节点只需偶尔泛洪现有的数据分组，不需要发送其他数据分组或者控制分组；6.ADMR协议无需使用GPS、其他定位信息，或者其他控制传输就能够检测强移动性，并且能够切换到泛洪方式工作一段时间，然后再返回到正常的多目标操作方式。15.3.7路由协议的性能分析与评价定性性能指标:(1)分布式操作(2)开环(3)基于需求的操作(4)主动式操作(5)网络安全(6)“休眠”操作(7)单向链路的支持定量性能指标:(1)端到端的数据吞吐量和数据时延(2)路由获取时间(3)乱序交付百分率(4)效率15.4移动AdHoc网络的IP地址分配技术在IP网络中，移动装置的IP地址分配是最重要的网络配置参数之一。一个移动装置在没有分得一个空闲IP地址及其相应子网掩码地址之前无法参与网络中的单目标通信。地址分配是面向MANET网络实际应用的第一步。分配方法1．冲突检测分配法新节点试验性地选择一个IP地址，请求所有其他已配置节点认可，=，冲突，2．无冲突分配法参与分配的节点能够确信所分配的地址互不相同，动态分配与分布协议（dynamicconfigurationanddistributionprotocol）在此协议中，没当加入一个新节点是，一个已配置节点将其地址池一分为二，一半分给新节点，另一半留给自己。3．最大努力分配法15.5移动AdHoc网络的功率控制可达性(Accessibility)和便携性(Portability)在移动AdHoc网络中是一对矛盾的综合体。功率管理是无线通信领域中最富挑战性的一个问题。15.5.1功率消耗源与通信有关的功率消耗源与计算有关的功率消耗源与通信有关的功率消耗源在移动AdHoc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。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。发射方式功耗最大，备用方式功耗最小。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需要对计算成本和通信成本进行综合、平衡考虑。15.5.2功率控制移动AdHoc网络的功率控制就是每个节点按照分布式方式为每个分组选择发射功率。因为功率等级的选择将从根本上影响移动AdHoc网络许多方面的操作，所以功率控制是一个复杂的问题。(1)发射功率等级决定接收节点接收信号的质量；(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。功率控制对系统总体性能具有多方面的影响：(1)由于媒介跟传输范围内其他节点数量有关，所以功率等级决定媒介访问控制的性能；(2)功率等级选择影响网络连接，因此影响分组的交付能力；(3)功率等级影响网络吞吐量；(4)功率控制影响媒介的竞争、转发跳数量，因此影响端到端时延；(5)发射功率影响能量消耗的重要性能指标。如何进行功率控制如果在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。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。15.5.3通用节能途径(1)尽力减少分组重传(2)收发信机的高效使用(3)设置优先级，根据节点供电能力调度分组发送(4)节点能耗的控制与管理(5)暂停组成单元的操作15.6移动AdHoc网络的QoS问题在移动AdHoc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。将多媒体应用和移动AdHoc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。15.6.1服务质量参数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。例如，时延、带宽、分组丢失概率、时延变化(抖动)，等等。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AdHoc网络很特别。15.6.2移动AdHoc网络提供QoS支持所面临的问题与困