移动计算技术-07

1移动计算技术第7次课授课教师:杨孝宗(左德承)2哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3无线自组网„在某些特殊环境或紧急情况下,如何应用网络?¾自然灾害时，现有的网络设施不可用¾进行科学考察、探险，没有可用的网络¾战场上，如何实现动态过程中的协同通信„共同的要求¾动态的、快速部署¾不依赖或很少依赖现有的有线网络„移动互联网3哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3无线自组网„移动互联网的组成方式¾移动终端式‹逻辑上移动终端到达固定网络的路由器只有一跳的距离‹固定互联网要解决移动终接入所需要的定位和地址管理问题¾移动路由器式‹移动路由器和移动终端组成一个独立的无线互联网‹移动终端永久性或临时性地与移动路由器相连4哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3无线自组网„移动互联网研究的主要两个分支¾联合战术无线网系统JTRS（JointTacticalRadioSystem）‹美国国防部，1996年‹主要研究用于构建战术移动互联网¾移动专网工作组MANET（MobileadhocNetworks）‹互联网工程任务组（IETF），1997年‹利用多跳无线网构造一个基于IP的移动互联网，并通过实现IP与固定互联网的无缝连接5哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网（adhocnetwork）¾是指一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自治系统¾不需要使用通讯基础设施的移动无线网络¾自组网中的每个节点既是终端也是路由器¾两个无法直接通讯的节点可以通过自组网中的其它节点进行分组转发完成数据交换6哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„adhoc¾特殊的，与众不同的¾最初在802.11规范中提出，本意主要指缺少基础通讯构件（lackofinfrastructure），而不具有多跳自组织网络的含义¾随着对adhoc网络技术的不断研究与发展，adhoc的含义也逐渐发生变化，由最初的“特殊”转变成“多跳无线通讯网络”（multi-hopwirelessnetworks）含义7哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网中，终端的功能¾作为主机，用户终端需要运行面向用户的应用程序‹编辑器、浏览器等¾作为路由器，用户终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作8哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网的特点¾不需要基础设施的支持(Infrastructure-less)¾自组织性和自管理性(Self-organizingandSelf-managing)¾移动性(Mobility)¾网络拓扑结构动态变化(Networktopologychanges)‹节点的移动、节点的加入和退出和路由的失效‹网络连接频繁的或突然的中断和建立9哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„节点具有主机和路由器双重身份(Nodeisbothahostandarouter)„多跳性(Multi-hop)„能源受限(Powerconstraint)„网络的可扩展性不强„异构性(Heterogeneity)¾每个节点可以具有不同的功能和能力¾一些节点则可以与更多的不同类型网络通讯10哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„无线自组网的应用¾军用通信¾移动会议¾紧急服务与灾难恢复¾传感器网络11哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„军用通信¾装备了移动通信装置的军事人员、车辆、各种军事装备之间可以借助adhoc进行信息交换¾增强各战斗人员、单位的协同控制能力¾快速展开、抗毁性强，是数字化战场通信的首选技术12哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„传感器网络（SensorNet）¾由分散在各处的传感器组成，通过对传感器信息的收集可以检测或预测一些有用信息¾传感器可以工作在危险的环境(如化学有害物质泄漏现场)¾通过在传感器上装备位置指示器、AdHoc收发器等，将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外13哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„传感器网络¾在战场上，可以通过军用感知网来监视敌军的行进，检测敌军的生化武器等等¾在城市交通上，可以通过交通感知网来监测城市道路交通拥塞情况14哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网的局限性¾无法保证始终提供可靠的网络连通性¾自组网技术目前尚处在研究阶段，最终能否被用户接受而应用到通讯市场还不太明朗¾自组网的扩展性还有待于进一步的探讨¾由于数据的多跳转发而带来的传输延迟还很大¾网络的服务质量(Qos)还很难保证¾存在安全隐患15哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网的性能评价方法¾计算机仿真方法进行自组网性能评价¾实验结果可以重现¾试验参数可以随意设置和调整¾不同研究成果的实验数据具有可比性¾OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台¾在美军的战术互联网的建模与仿真中，OPNET已逐渐成为通用的仿真平台¾在美军的未来战斗系统FCS通信子系统的研制中，也使用OPNET作为仿真平台16哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„MANET协议栈结构上层应用协议组播路由协议网间互联QoS支持路由安全单播路由协议IPV4、IPV6其它网络层协议链路/媒体接入控制天线控制接口无线控制接口天线技术功率控制技术信号处理技术调制解调技术功率控制接口UDPTCP物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层17哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网的研究重点¾重点是解决单播路由问题和网间互联问题¾路由协议的主要任务是从源节点到目的节点选择一条合适的路径进行数据传送¾移动自组网具有网络拓扑结构动态变化、多跳、自组织性、有限的无线带宽和有限的能源等特点¾自组网的路由协议最终要达到高效、稳定、快速收敛、QoS、良好扩展性和节能的目的18哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网网络路由协议大体可分为以下两种¾先应式路由协议(ProactiveProtocol)¾反应式路由协议(ReactiveProtocol)19哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念MANET路由协议先应式路由协议反应式路由协议DSDVCGSRWRPABRSSRAODVDSRTORA20哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„节能设计¾能源对于自组网来说是一个十分宝贵的资源¾用于维持网络通信所产生的能源开销＋移动终端正常运行所产生的能源开销¾军事应用以及充电困难的环境下，用户不可能携带大量电池和对电池进行充电¾即使携带了备用电池和有充电条件也没有时间来进行操作21哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„安全问题¾自组网本身固有的一些特点使得其具有如下的安全问题¾开放式的无线传输信道使得数据很容易被窃取或恶意数据被注入到无线信道中¾移动节点的位置不固定，而且无法保证始终处在安全可靠的地理位置，从而容易收到攻击22哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„安全问题¾传统的安全认证机制通常由固定可靠的网络节点¾自组网中恰恰不需要网络基础设施的存在，其他的移动节点由于易受到各种各样的攻击而无法承担安全认证的责任¾动态变化的网络拓扑结构也使得自组网路由协议容易受到威胁23哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„安全问题¾由于自组网内的移动节点的能源供给和计算能力都很有限¾一些比较复杂的加密算法不适合应用在自组网中24哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„自组网的安全攻击¾被动攻击¾主动攻击25哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„被动攻击¾自组网内的恶意节点并不主动的向网络中插入任何信息包¾作为自组网中的一个节点时时刻刻在窃取网络内的重要数据信息¾同时却不履行为其他节点进行路由和转发的责任¾导致那些需要经过该节点进行路由的数据无法正确传输26哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„主动攻击¾恶意节点向网络广播一些错误的路由信息，使得其他节点的路由表溢出¾使得正常的路由信息无法及时更新或网络出现分割和拥塞¾恶意节点还可以通过发送虚假路由信息使得别的节点以为经过该节点的路径最短或代价最小¾受到攻击的节点都会将数据分组发送给该节点，从而形成一个吸收数据的“黑洞”，达到窃取重要数据的目的27哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.1无线自组网的基本概念„移动自组网的协议应具备如下的条件才是安全有效的¾可以阻止对路由信号的欺骗¾恶意节点不能在网络中插入伪造的路由信息¾恶意节点不能修改路由信息¾不能恶意生成路由跳数¾恶意节点不能从最短路径中重新定向¾未授权节点不能参加路由计算和路由发现¾路由信息中包含的网络拓扑信息不能暴露给恶意节点或未授权节点28哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„网络结构¾平面结构¾分级结构29哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群平面结构群群首群成员成员网关分级结构30哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„平面结构¾网络中所有的节点的功能和地位平等¾无需任何结构维护过程¾源节点和目的节点之间可存在多跳路径¾原则上不存在瓶颈而比较健壮，相对安全¾网络规模受限，可扩充性差31哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„分级结构¾为了提高adhoc的可扩展性¾采用分布式控制方式¾常用的方式是分级分布式－网络分级结构¾借助节点的自组织功能来完成32哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„分级结构¾在分级结构中，网络被划分成群¾每个群由一个群首和多个群成员组成¾群首形成了高一级的网络¾高一级的网络又可以分成群¾在分级结构中，群首和群成员的身份可动态变化，节点仍然自动组网33哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„分级结构¾在分级结构中，群首结点负责群间的数据转发、协调和管理，是群内节点合理工作¾群首可以预先指定也可以由节点使用分群算法自动选举产生¾群首与基站的区别是没有专有的硬件，本身也可以是一个移动结点¾与普通节点相比，要处理额外的工作，因此可能成为系统的瓶颈34哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„单频分级¾所有节点使用一个频率通信¾为了实现群首之间的通信，要由网关节点的支持¾网关节点同时属于两个群¾群首和网关形成高一级的网络－虚拟骨干网35哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群群群首群成员成员网关分级结构36哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„多频分级¾不同级采用不同的频率¾低级节点的通信范围小¾高级节点覆盖的范围大37哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群38哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„分级结构的优点¾分级结构有较好的扩展性，网络的规模在很大程度上不受限制¾路由和控制开销相对较小¾分级结构通过路由信息的局部化提高了系统的吞吐量¾分级结构中节点的定位比平面结构简单得多，群首结点知道群成员的位置39哈尔滨工业大学可穿戴计算机工程研究中心左德承3.2无线自组网的分群„分级结构的缺点¾维护分级结构需要节点执行复杂的群首选举算法¾群首结点可能会成