Ad-hoc网络概述

第3章移动自组织网络3.1移动自组织网络概述主要内容1.1AdHoc网络概述1.2AdHoc网络的体系结构1.3AdHoc网络的关键技术1.1AdHoc网络概述1.1.1AdHoc网络的产生背景1.1.2AdHoc网络的发展历史1.1.3AdHoc网络的定义1.1.4AdHoc网络的特点1.1.5AdHoc网络的应用1.1.1AdHoc网络的产生背景无线通信网络按照组网控制方式分为2类：1.具有预先部署的网络基础设施的移动网络:例如：蜂窝移动通信系统，无线局域网1.1.1AdHoc网络的产生背景（续）无线局域网(WLAN)结构图1.1.1AdHoc网络的产生背景（续）2.无基础设施的移动网络对于某些特殊场合，如：战场上部队的协同通信，地震或水灾后的营救，野外科学考察、临时会议等。在这种情况下，就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，这就形成了另一类移动通信技术，即AdHoc网络通信技术。1.1.1AdHoc网络的产生背景（续）􀂙“AdHoc”一词来源于拉丁语，意思是：“专用的、特定的”􀂙AdHoc网络通常也称为“无固定设施网”、“自组织网”、“多跳网络”、“MANET”􀂙目前，AdHoc网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注.1.1.2AdHoc网络的历史发展自组网最初是应用于军事领域的，1972年DARPA(美国国防部高级研究计划署)资助研究了分组无线网PRnet（PacketRadioNetwork）；􀂙其后，又由DARPA资助，于1993和1994年进行了高残存性自适应网络SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移动信息系统GlOMo(GlobleMobileInformationSystems)的研究;􀂙AdHoc就是吸取了上述三个项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术;􀂙IEEE802.11委员会称之为“AdHoc网络”，而IETF称之为MANET。1.1.3AdHoc网络的定义AdHoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的、临时性自治系统，整个网络没有固定的基础设施。􀂙在自组网中，每个用户终端不仅能移动，而且，兼有路由器和主机两种功能。一方面，作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。􀂙AdHoc网络中的信息流采用分组数据格式，传输采用包交换机制，基于TCP/IP协议簇。所以说，AdHoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机通信网络的一种类型。1.1.4AdHoc网络的特点AdHoc网络的特点：（1）动态变化的网络拓扑结构（2）无中心网络的自组性（3）多跳组网方式（4）有限的无线传输带宽（5）移动终端的自主性和局限性（6）安全性差；扩展性不强（7）存在单向的无线信道1.1.4AdHoc网络的特点（续）（1）动态变化的网络拓扑结构在自组网中，由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（2）无中心网络的自组性自组网没有严格的控制中心，所有的节点地位平等，是一个对等式网络。节点随时都可以加入或离开网络，任何节点的故障都不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速实现一个移动通信网络的自主构建、自主组织和自主管理，这也是个人通信的一种体现方式。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（3）多跳组网方式当自组网中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时，需要通过中间节点的多跳转发。多跳，是研究自组网路由协议的前提基础。与固定网络的多跳路由不同，自组网的多跳路由由普通的网络节点完成，而不是专用路由设备（路由器）。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（4）有限的无线传输带宽由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的网络带宽要比有线信道低得多，再加上竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、信道间干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（5）移动终端的自主性和局限性自主性来源于所承担的角色。在自组网中，终端需要承担主机和路由器两种功能，这意味着参与自组网的移动终端之间存在某种协同工作的关系，这种关系使得每个终端都承担为其它终端进行分组转发的义务。局限性：电池会耗尽，CPU性能低等。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（6）安全性差、扩展性不强由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等因素，自组网更易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。自身结点充当路由器，不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在网络边界概念，使AdHoc网络中的安全问题非常复杂，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等安全措施都需特别考虑。1.1.4AdHoc网络的特点（续）（7）存在单向的无线信道在自组网环境中，由于各个无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响可能产生单向信道。单向信道对常规路由协议带来认知单向性、路由单向性和汇点不可达。1.1.5AdHoc网络的应用􀂙军事应用􀂙传感器网络􀂙紧急、突发场合􀂙偏远野外地区􀂙临时场合􀂙个人通信􀂙商业应用􀂙其它应用1.1.5基于WLAN的网络应用1.1.5基于WLAN的网络应用（续）1.1.5基于WLAN的网络应用（续）1.1.5基于WLAN的网络应用（续）1.2AdHoc网络的体系结构􀂙1.2.1AdHoc网络的节点结构􀂙1.2.2AdHoc网络的网络拓扑􀂙1.2.3AdHoc网络的协议栈􀂙1.2.4AdHoc网络的跨层设计1.2.1AdHoc网络的节点结构节点结构AdHoc网络的节点通常包括：主机、路由器和电台三部分。从物理结构上，节点可以分为以下几类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。Adhoc节点结构节点结构分为：1.物理层对无线信道的传输特性做出规定，要求提供高带宽、低干扰、高效频谱利用率，涉及调制信号、快速捕获信号、同步与检测及天线技术等方面。2.数链层负责链路连接控制，提供快速、可靠帧传送，并控制接入时机，特别是多信道优化控制。3.网络层负责在多跳、节点对等、分布式及高度动态网络环境下的路由选择和分组转发。4.传输层负责提供尽量可靠、性价比合理的数据传送功能，为应用层提供服务。涉及无线TCP技术。5.应用层为应用程序提供不同服务。1.2.2AdHoc网络的网络拓扑AdHoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构1.平面结构其中所有节点地位平等，所以又可称为对等式结构1.2.2AdHoc网络的网络拓扑（续）平面结构的优缺点优：网络结构简单，所有结点完全对等，比较健壮；缺：可扩充性差，维护动态路由需要耗费大量控制信息；1.2.2AdHoc网络的网络拓扑（续）2.分级结构(1)单频分级：其中所有节点使用同一个频率通信1.2.2AdHoc网络的网络拓扑（续）(2)多频分级：不同级采用不同的通信频率1.2.2AdHoc网络的网络拓扑（续）分级结构的优缺点优:(1)簇成员的功能简单;(2)易扩充;(3)簇头可以选举产生，具抗毁性;缺:(1)需簇头选举算法和簇维护机制；(2)簇头可能会成为瓶颈；(3)簇头的路由不一定是最佳路由；1.2.3AdHoc网络的协议栈OSI经典的7层协议栈模型1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）物理层(physical)定义了网络硬件的技术规范；数据链路层(datalink)定义了数据的帧化和如何在网上传输帧；网络层(network)定义了地址的分配方法以及如何把包从网络的一端传输到另一端；传输层(transport)定义了可靠传输的细节问题；会话层(session)定义了如何与远程系统建立通信会话；表示层(presentation).定义了如何表示数据.不同品牌的计算机对字符和数字的表示不一致,表示层把它们统一起来；应用层(application).定义了网络应用程序如何使用网络实现特定功能。1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）传统Internet协议栈设计：水平通信以节省路由器资源强调相邻路由器对等实体之间的水平通信(如图所示)，以尽量减少路由器内协议栈各层间的垂直通信。1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）AdHoc协议栈设计：垂直通信节省无线信道资源adhoc网络中链路带宽和主机能量非常稀少，并且能量主要消耗在发送和接收分组上，而主机处理能力和存储空间相对较高。为了节省能量、带宽，在adhoc网络中应该尽量减少节点间水平方向的通信.1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）OSI经典的7层协议栈模型1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）TCP/IP协议与OSI协议的关系TCP/IP协议是一个协议栈,不仅包括TCP协议和IP协议,而且包括很多其他协议,但TCP协议和IP协议是它的最主要部分1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）Adhoc网络的协议栈划分为五层1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）AdHoc网络的协议栈划分为五层：(1)物理层在实际的应用中，AdHoc物理层的设计要根据实际需要而定。首先，因是无线通信，就面临通信频段的选择。目前大家一致采用的是基于2.4G的ISM频段，因为这个频段是免费的。其次，物理层必须就各种无线通信机制做出选择，完成性能优良的收发信功能。物理层的设备可使用多频段、多模式无线传输方式1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）(2)数据链路层链路层解决的主要问题包括介质接入控制，以及数据的传送、同步、纠错以及流量控制。基于此，AdHoc链路层又分为MAC和LLC层。MAC层决定了链路层的绝大部分功能。LLC负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的MAC方法。在多跳无线网络中，对传输介质的访问是基于共享型的，隐藏终端和暴露终端是多跳无线网络的固有问题，因此需要在MAC层解决这两个问题。通常采用CSMA/CA协议和RTS/CTS协议来规范无线终端对介质的访问机制。1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）(3)AdHoc网络层主要功能包括：邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联等。一个好的adhoc路由协议应当满足以下要求：分布式运行方式、提供无环路路由、按需进行协议操作、具有可靠的安全性、提供设备休眠操作和对单向链路的支持。对一个adhoc路由协议进行定量衡量比较的指标包括：端到端平均延时、分组的平均递交率、路由协议开销及路由请求时间等。1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）(4)AdHoc传输层主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制等。由于无线差错和节点移动性，传统的TCP会使无线adhoc网络分组丢失很严重，而TCP将所有的分组丢失都归因于拥塞而启动拥塞控制和避免算法。所以，如在adhoc中直接采用传统的TCP，就可能导致端到端的吞吐量降低。因此,必须对传统的TCP进行改造。1.2.3AdHoc网络的协议栈（续）(5)AdHoc应用层主要功能是提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢失率限制的实时应用（紧急控制信息）、基于RTP/RTCP（实时传输协议/实时传输控制协议）的自适应应用（音频和视频）和没有任何服务质量保障的数据报业务。AdHoc网络自身的特性使得其在承载相同的业务类型时，需要比其他网络考虑更多的问题，克服更多的困难。1.2.4AdHoc网络的跨层设计跨层设计的必要性采用严格分