Ad-Hoc移动自组网

AdHoc移动自组网MobileAdHocNetworks第三小组主要内容背景、历史及应用领域介绍组网技术MAC、路由协议网络安全功率控制QoS网络服务质量网络互联背景介绍InfrastructureNetworks:有架构网络•常规有线网络•GSM通讯系统•用AP连接的WLANBSC:BaseStationControllerMSC:MobileSwitchingCenterInfrastructurelessNetworks:无架构网络•AdHocNetworks背景介绍AdHoc网络历史军事，美国DARPA•1972年，分组无线网（PacketRadioNetwork）•1993年，高残存性自适应网络（SURAN,SURvivableAdaptiveNetwork）•1994年，全球移动信息系统（GloMo,GlobleMobileInformationSystems）•1996年，联合战术无线网系统JTRS（JointTacticalRadioSystem）AdHoc网络历史民用，IETF&IEEE•1991年，IETF成立了移动Adhoc网络工作组(MANET)•1999年，RFC2501给出了MANET的应用场合•2000年,IETF在公布了一系列的有关Adhoc路由的草案•2000年，IEEE成立Adhoc技术分委员会MANET应用现状与前景军事应用紧急、临时等特殊场合个人使用MANET应用现状与前景AdHoc网络特点网络自主性动态拓扑带宽限制和变化的链路容量能量限制节点多跳通信分布式控制有限的安全性网络自主性-自组网结构平坦结构•节点对等•适用于小型自组网•网络管理开销小网络自主性-自组网构层次结构•基于簇或区域划分•簇中分簇首和簇成员•适用较大规模的自组网簇的形成和调整规则节点周期性交换状态信息若一个节点的邻居节点中没有簇首，则该节点为簇首若存在两个簇首相邻，则将标识号（地址）较小或邻节点多的簇首作为新簇首，另外一个作为簇成员蜂窝移动通信网络•移动终端和固定基站互相通信•移动终端不具备路由功能•基站负责路由和交换功能，充当接入有线网络的网关AdHoc组网方式AdHoc单独组网•网内节点进行通信，不与基础网络设施相连混合组网•AdHoc与Internet整合•AdHoc与蜂窝网整合实现MANET关键技术路由协议安全问题功率控制QoS网络服务质量网络互联网络资源的管理•感知网络拓扑结构的变化•维护网络拓扑结构•高度自适应路由•广播与组播•信道接入技术•能耗节约机制•多个AdHoc网络互联•能内部节点访问InternetMAC协议AdHoc网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。普通网络的点对点无线信道、蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道和共享广播信道都是单跳共享信道。AdHoc网络的多跳共享的多点信道。因为当一个节点发送分组时，只有在它覆盖服务内的节点才能收到。这种共享广播信道导致AdHoc网络存在隐终端、暴露终端，信道分配，单项链路，广播扩散等问题。隐藏终端接收点的通信范围内而在发送节点通信范围外的节点。隐藏终端可能连续存在，使得信道利用率进一步降低。n0n1n2信道分配问题对于单信道无线自组织网络，其MAC协议需要考虑怎样充分利用信道，避免冲突。CSMA/CA机制，时分多址(TDMA)机制。将CSMA/CA和TDMA结合起来。对于多信道无线自组织网络，则需要关注如何在节点间分配信道，以提高网络吞吐量，避免冲突，实现信道上的负载均衡。暴露终端在发送节点通信范围内，而在接收点通信范围外的节点。发送节点在其覆盖范围内，侦测到其它节点在传输，而进行的不必要的发送延迟就是暴露终端问题。暴露终端使得节点在可以发送数据的时候却不发送，浪费了宝贵的信道资源，导致MAC协议性能降低和TCP层的不公平性。n0n1n2n3单向链路问题无线通信中一个普遍存在的问题。信号覆盖范围的差异等n0n1广播扩散问题基本思想：一个节点广播发送数据被其所有邻居节点收到，然后所有的邻居节点再次转发这个广播。如何判断信息是否已经转发减少信道无谓占用，提高信道利用率AdHoc路由协议分类一览自组网路由协议自组网路由协议物理定位辅助路由物理定位辅助路由非物理定位辅助路由非物理定位辅助路由分层路由分层路由平面路由平面路由按需路由按需路由主动路由主动路由DSR、SSR、AODV、TORADSDV、WRP、FSR、OLSRCGSR、HSR、ZRP、LANMARLAR、DREAM、GPSRMANET路由面临的问题路由信息不易轻易获得•定期交换路由信息或者搜索开销大•网络资源有限、并非所有节点都共享•节点资源有限（CPU、电池等）•不一定能收集所有的路由信息MANET路由面临的问题路由信息不完整•很难将信息发送到一个没有固定成员的网络的所有节点路由信息可能过期•不可能连续或者立即交换信息•节点移动的随时性•无线传播变化性MANET对路由协议的需求收敛迅速提供无环路由避免无穷计算控制管理开销小对终端无过高要求支持单向信道尽量简单实用必须适应网络的三个不断变化的基本特征•移动节点的总体密度•节点-节点拓扑•网络使用模式MANET路由协议分类平面路由•无需建立具有特殊cluster头功能节点的层次结构；•不划分区域以及所谓的区内/外不同路由•所有的节点在路由机制中地位平等€寻址方式是平面的层次路由•节点功能不同•寻址方式是分层进行的地理信息辅助路由•利用地理信息进行路由选择MANET多跳通信通信两点可能不在相互的无线传输范围内需要其他节点承担路由器的转发工作节点移动需要发现新路由二级路由协议概念描述分级路由协议的优缺点优点•拓扑结构细节通过节点的层层聚合被隐藏起来大大降低大型网络的存储要求。•路由信息分层传播需要在全局传播的路由信息较少•有限的链路状态维护•按需建立路由缺点•分级路由协议的移动管理比较复杂•某些节点（clusterhead/gateway）比其他节点承担更多的通信和计算负载。具有较好的伸缩性可靠性受影响评价MANET路由协议的指标端-端的数据吞吐量和延迟•反映了数据报的传输质量路由请求的时间•有数据需要发送到发送出去的时间•路由协议的效率•路由控制信息与数据信息的比率路由协议的性能在不同的网络中表现不同AdHoc的安全隐患开放的无线传输介质，使得AdHoc网络没有明确的防御边界几近每个移动节点都具有一定的自治性，自主性的增加意味着威胁的升高每个节点单独做出的决策具有本地局部性和全局分散性，协作的空隙路由协议的支持节点的资源与传输的带宽AdHoc的安全目标传统网络五大安全目标•可用性（Availability）•机密性（Confidentiality）•完整性（Integrity）•可控性（Controllability）•不可否认性（Non-repudiation）AdHoc的安全目标AdHoc网络协议栈中各层可用性要求协议栈层次攻击或破坏手段可用性要求应用层入侵者攻击特定服务避免发生拒绝服务，避免电源被过早耗尽网络层攻击者利用路由协议的缺陷进行攻击和破坏提高备选路由方案或采用安全路由措施物理层和MAC子层攻击者进行无线干扰来扰乱物理信道保证节点之间正常通信无线节点的能量消费与通信有关的能量消费•在发送和接收的状态下，节点正在发送和接收数据或分组•在空闲状态下，节点能够发送和接收分组，但是它没有处于收发状态•在睡眠状态下，节点关闭无线接口，其不能收发数据及分组与接收有关的能量消费•节点在处理网络协议或通信过程中要求的其他任务时消耗的能量无线节点的能量消费对于长距离的无线链路而言，节点消耗的能量大部分为通信费用，尤其是发射信号的费用对于短距离的无线链路或需要大量信号处理和协议计算的环境，计算费用将占主要的方面开发出二者间某种平衡状态的协议功率控制三个方面网络层功率控制•网络层功率控制根据节点网络层获得的拓扑信息进行相应操作，调整节点发射功率以使网络获得更好的性能链路层功率控制•目的在于在给定最大发送功率条件下，通过功率的控制来尽量节省节点的能耗和提高信道的空间复用度混合功率控制功率控制三个方面的性能比较网络层功率控制链路层功率控制混合功率控制节能效果较好好好最大吞吐量高较高高跳数增加可能会不变可能会网络拓扑结构改变不变改变功率调整频率秒级毫秒级毫秒级评价功率控制传统网络协议性能的度量•跳数、延迟和位置的稳定性可能减少节点和网络的寿命降低性能关键在于建立能量（功率）的度量标准评价功率控制AdHoc能量（功率）度量的标准•每个分组消费的总能量最小•最大网络分离时间•最小电池费用路由服务质量出现初期主要用于传输少量的数据信息应用的不断扩展，需要在AdHoc网络中传输多媒体信息多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求服务质量保证应运而生动态QoS机制动态QoS保证机制是一种基于资源预留的服从综合模型的方法动态预约机制•为了解决动态变化的网络特性引起的问题，实施资源预留可以允许资源预约一个范围而并非一个确定的值。RmaxRmin具有QoS能力的中间适配机制AdHoc网络中另一种提供QoS保障的策略是采用带有中间适配部件的网络框架来适应网络性能的变化为了优化应用层感知QoS性能，需要一种中间适配层来适应下次网络和端系统资源的动态变化QoS信令机制QoS信令主要用来预留和释放资源，建立、拆除和协商业务流•需要保证信令信息可靠的在节点间传递•保证信令信息被正确解释并激活相应的处理模块传递方式带内信令系统带内信令系统网络互联MANET网络和Internet是两种异构的网络，它们分别采用不同的路由方式，所以要对这两种网络进行无缝连接需要一个能够解决两者路由问题的网关，它既能够使用MANET网络中的特定的路由机制，也可以适应Internet网络的层次性路由机制网络互联MANET网络接入Internet方式基于移动IP的MANET接入方式基于NAT的MANET接入方式基于NAT的MANET接入方式当移动节点发起连接时，如果要连接的节点是MANET网内节点，则直接有MANET路由协议发现路由；如果要连接的节点是Internet节点，则将数据发向互联的网关，由网关转发到要连接的节点，网关同时为移动节点提供NAT服务。每个移动节点访问Internet网络时，源IP地址和端口号均是由网关转换为网关的IP地址和一个临时分配的一个对应的端口号，这时整个MANET子网共用网关的InternetIP地址。基于NAT的MANET接入方式当Internet网络中有节点要访问MANET网络中的移动节点时，目的节点的IP地址将会是共用的网关IP地址，因此找不到目的主机。因此通常采用端口映射机制，在网关上给每个移动节点分配几个静态端口和移动节点的内网IP以及一个静态端口对应，就可以通过网关IP地址和来连接移动节点，实现双向通信。缺点是需要事先知道NAT为服务主机分配的静态端口范围才可以访问移动节点。NATInternetGWMNMNMNMNMN基于移动IP的MANET接入方式利用移动IP技术和AdHoc路由协议相互结合实现互联，MANET中的节点利用MANET路由协议来创建和维持路由，而移动IP给移动节点分配可全局路由地址。当有多个MANET子网或者多个网关时，移动节点移动时可能接入不同的MANET子网，或者选择不同路由连接不同的网关。在移动子网互联方案的基础上，引入移动IP技术，MANET中的移动节点就可以在不该变自身IP的情况下移动、加入或者离开网络，并且可以在不同的网关下进行切换。当有数据发送给漫游到外地网络的移动节点时，数据是由HA(HomeAgent)归属代理利用隧道技术转发到FA(ForeignAgent)，然后有FA转发到目的节点。基于移动IP的MANET接入方式在基于移动IP的方案中，同一NANE