第61讲AdHoc网络技术案例

第6-1讲AdHoc网络技术无线自组网技术1432内容提要》AdHoc网络概述》AdHoc网络的体系结构》体系结构的设计方法和原则》AdHoc网络跨层设计和优化AdHoc网络概述移动蜂窝网络移动终端通过基站接入因特网无线局域网移动终端通过无线接入点接入因特网依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络有基础设施的无线网络AdHoc网络的应用需求临时会议/紧急情况科学考察/探险/军事战场接入网络所需的时间和成本较高现有网络服务设施的能力不足远离网络基础设施而希望保持与网络的连接无网络基础设施可用不希望使用网络设施网络基础设施范围之外AdHoc网络AdHoc网络的起源源于军事通信的需求1972年分组无线网（PRNET）战场环境下的数据通信1983年抗毁自适应网络（SURAN）支持大规模网络适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议1994年全球移动通信系统（GloMo）满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁星的移动信息系统DARPA资助DefenseAdvancedResearchProjectAgencyAdHoc网络的研究组织1991年IEEE802.11首次提出“AdHoc网络”自组织、对等式、多跳无线移动通信网络1997年IETF成立MANET工作组基于IP的无线多跳网络路由2003年IRTF成立ANS研究组其它研究机构AdHoc：ForthespecificpurposeonlyMANET：MobileAd-hocNetworksANS：AdHocNetworksScalabilityAdHoc网络的定义由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端节点组成的一个多跳临时性自治通信系统每个终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议节点间路由通常由多跳(Hop)组成不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建多跳无线网络、自组织网络、无基础设施网络或者对等网络笔记本电脑车载台移动终端AdHoc网络的物理结构和逻辑结构AHDBCFEGI双向信道单向信道（a）物理结构（b）逻辑结构AdHoc网络的特点（1）独立组网不需要任何预先架设的网络基础设施动态拓扑节点移动/开机/关机节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响自组织无控制中心节点故障不会影响到整个网络节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的AdHoc网络的特点（2）多跳路由接收端和发送端使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范围AdHoc网络的特点（3）特殊的无线信道特征无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多竞争无线共享信道产生碰撞信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等存在单向无线信道终端的局限性能量、存储、计算等资源受限安全性差无线链路的开放性移动性导致节点之间信任关系的变化可扩展性不强节点之间的相互干扰造成网络容量下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降AdHoc网络与无线传感网络无线传感网络可以看作是一种特殊类型的AdHoc网络各个无线传感器随机分布在某一区域，负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且可将信息送往到其他外部网络（如Internet）与典型的AdHoc网络相比：节点数量多、分布稠密、移动性较弱节点的能量、计算、存储等资源进一步受限以数据采集和传递为中心，采用广播通信模式Internet网关AdHoc网络与无线局域网网络结构不同研究重点不同通信模式不同WLAN集中在物理层和数据链路层WLAN中终端的通信必须依赖AP进行无线局域网为单跳网络，不存在路由问题AdHoc网络涉及TCP/IP协议栈各层AdHoc网络中移动终端的通信是对等的Internet无线接入点AdHoc网络与蜂窝网络的比较由本身或公认的无线节点负责，通常采用分布式控制由基站集中负责，无线节点必须先与基站通信，再通过基站与目的节点通信无线节点的控制管理低容量、高误码的无线骨干网，半双工方式，同一信道在中继节点的不同链路上不能同时使用高速、可靠的有线骨干网，全双工方式，同一信道在转发节点前后的链路可复用骨干网的特点无线节点只有一部收发信机，半双工方式，不易实现全网同步基站有多部收发信机，全双工方式通信，有专用硬件，易于实现全网同步中继节点的特点无线节点和无线骨干网基站和有线骨干网中继设备高低网络健壮性困难容易路由选择和维护短长存在时间低高成本快慢配置速度较差较好安全性和服务质量无有有无基础设施支持动态静态拓扑结构多跳单跳无线网络结构AdHoc网络蜂窝网络比较内容1、战场侦察网络、战地监测网络、快速反应网络2、区域性无线网：展览中心、体育场、旅游区、港口、建筑、煤矿、石油/化工、环保、….3、应急/救援通信系统4、工业自动化控制5、智能交通6、传感器监测网络、远程医疗7、家庭安全监测系统8、城域无线通信（无线宽带接入、小区覆盖等）9、各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、资源保护、研究等）10、公安/交警/消防……….AdHoc网络的应用AdHoc网络面临的问题(1)特殊的信道共享方式共享信道隐藏终端问题/暴露终端问题动态变化网络拓扑传统路由协议花费较高代价获取的路由信息很可能已过时有限的无线传输带宽减少节点之间的交互的消息减少控制消息带来的额外开销有限的能量能量管理机制，各层均要考虑能量控制安全问题无线信道的开放性更容易受到各种攻击移动性使得节点的信任关系不断变化节点资源受限安全机制应该是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA网络路由时需考虑隐藏终端与暴露终端问题隐藏终端：在接收者通信范围内而在发送者的通信范围外的终端隐终端暴露终端：在发送者通信范围内而在接收者通信范围之外的终端暴露终端AdHoc网络面临的问题(2)网络管理拓扑管理确定将一组节点组织成网络的机制移动性管理节点移动过程中保持服务不中断、跟踪节点位置等服务质量管理动态变化的移动AdHoc网络使得服务质量保证更加困难自动配置…AdHoc网络的关键技术MAC协议路由算法体系结构和分簇算法QoS保障机制传输层协议安全问题网络管理与网络互联服务发现和激励协作AdHoc网络的体系结构单主机多电台路由器主机路由器主机单主机单电台多主机多电台路由器主机主机主机路由器主机主机主机多主机单电台节点包括主机、路由器和电台，从物理结构上节点分为：AdHoc网络需采用适合自身特点和应用需求的体系结构节点结构网络结构AdHoc网络应采用分布式控制结构，并且节点应具有自组织性三种基本结构集中式控制结构全分布式控制结构分层分布式控制结构一个关键问题是如何发现、收集和使用拓扑信息来形成合理的网络结构，从而提高网络性能和各种业务的服务质量平面网络结构优点：节点地位平等，负载平衡性较好，不存在瓶颈，网络比较灵活、健壮，如PRN和CNR缺点：节点信息交互频繁、处理能力弱，存储和控制开销大，数据传输时延大、可扩展性差，网络规模受限1427]856分级网络结构分级结构结合了全分布式和分层中心式的优点，开销相对较小、扩展性好、便于管理、适合部队梯次组网要求，可分为单频分级和多频分级结构普通节点网关簇头单频分级网络结构骨干链路普通链路低级高级簇头簇成员频率2频率1多频分级网络结构军事通信中采用的分簇网络结构1连6连2连1营1团2营3连分级网络结构（续）分层分布式结构能够满足部队不同层次梯队的战术要求，适应各层次梯队业务流量的非对称性。在军事系统中，战斗单元通常是成建制的，所以可以按照部队建制来划分簇，不同簇之间通信需要利用网关节点。平面结构和分级结构比较平面结构分级结构完全分布式的网络多个簇组成的网络所有节点的地位是平等的节点被分为簇首和簇成员，簇首预先指定或者由选择算法产生不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健壮性好簇首节点可能成为网络瓶颈，所有到簇外的通信必须通过簇首节点进行可扩展性差，每个节点需要知道到达所有其它节点的路由，适用于中小规模的网络可扩展性好，簇内路由信息局部化，适用于大规模网络典型的分簇网络结构骨干链路普通链路普通节点网关簇头分布式网关单向链路常见的分簇算法最小节点ID分簇算法最高节点度分簇算法最低节点移动性分簇算法无簇头分簇算法基于地理位置的分簇算法基于信道接入的被动分簇算法限制簇尺寸的分簇算法组合加权分簇算法网络关键特征定量特征网络建立时间、节点加入时间、重配置时间控制开销、带宽效率、存储空间网络情景定性特征拓扑/位置信息、对拓扑变化的反应方式环境适应能力、功率意识能力单信道或多信道、单向链路支持能力安全性、服务质量网络性能指标数据吞吐量、时延和丢失率路由获取时间路由协议的效率链路利用率路由跳数AdHoc网络通用协议栈物理层：扩频技术（DS-SS、HF-SS）、移动模型（Random）、信道模型(FreeSpace)…应用层：实时业务、自适应应用、数据报业务…移动定位、自动配置、安全策略…数据链路层逻辑链路控制子层（LLC）：分组转发/确认、差错控制…媒体接入控制子层（MAC）：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA…功率控制、拓扑控制反馈和跨层自适应调节机制QoS保障、安全保护和能量管理机制网络互连层：IPv4、IPv6、MobileIP…网络层：邻居发现、路由协议（DSR、DSDV等）、VC机制…分簇（簇头选择和簇维护）网络层传输层：(W)TCP、UDP…信令协议：RSVP、INSIGNIA…体系结构的设计方法和原则AdHoc网络体系结构的设计方法●AdHoc网络为特定目的和临时场合构建的动机：设计方法：●严格的分层设计不够优化并缺乏适应性●AdHoc网络的体系结构应根据使用环境和应用需求设计●需要采用基于应用和网络特征的跨层体系结构，能够在协议栈各层支持自适应和性能优化●利用层间相关性，确定优化目标和层间交互信息的种类和方式，考虑系统的约束条件和网络特性，并进行合理折衷AdHoc网络体系结构的设计原则Internet协议设计原则应用层物理层应用层物理层应用层物理层应用层物理层AdHoc网络协议设计原则●Internet中链路带宽较高，瓶颈在路由器，强调相邻对等实体之间的水平通信，而尽可能减少实体内协议栈各层之间的垂直通信。●MANET中链路带宽和能量非常稀少，通过增加协议栈各层的垂直交互来减少协议层对等实体之间的水平通信AdHoc网络跨层设计和优化计算机网络的分层设计方法通过分层将复杂的系统问题转化为较易处理的局部问题，具有如下好处：分离抽象的功能和实现的细节较强的灵活性和适应性便于分割和定制功能便于实现、维护和升级有助于协议的标准化工作跨层设计方法的提出●传统分层协议栈分离网络控制功能，层间接口少，维护成本低；但是层间接口呆板，层间通信不方便，信息交互不及时，上层不能准确了解底层状况●AdHoc网络稀少的资源和动态变化的拓扑和信道质量使得传统分层结构难以胜任，因为各层信息的分离和屏蔽限制了系统的灵活性，不利于提高协议效率和优化系统性能。因此，需要根据AdHoc网络自身特点对分层体系结构进行修改和扩充●为减少能耗、提供服务质量保障和优化系统性能，应允许各协议层和功能模块之间根据需要及时方便交互信息，而不再局限于相邻的层和特定的信息流向，即采用一种新型的跨层协议栈和跨层设计方法跨层设计方法的提出（续）当前很多研究工作是孤立的，只针对协议栈的某个层次，没有考虑相互冲突的系统目标，难以优化网络的整体性能。能量保护、QoS支持、可靠性和安全性等问题涉及协议栈各层次，各层独立优化不一定会使整个系统性能最优AdHoc网络往往是为特定目的和应用需求临时构建的。采用严格分层设计方法缺乏适应性和灵活性，不符合动态变化的网络特点。为满足A