Ad Hoc 网络技术 薛建彬.

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1 Ad Hoc 网络技术 薛建彬

2 一、Ad Hoc网络的发展历史 Ad hoc 技术研究开始于20世纪70年代。美国DARPA出于军事需要开始研究分组无线网( PRNET: Packet RadioNetwork) 在战场环境下数据通信中的应用。在此之后，DARPA于1983年启动了高残存性自适应网络SURAN(survivable adaptive network)项目，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo(globle mobile information systems)项目，旨在对能够满足军事应用需要的高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1991年的IEEE802.11标准委员会采用了“Ad Hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Ad Hoc网络就此诞生。IETF将Ad Hoc网络称为MANET（移动Ad Hoc网络）。 1

3 二、Ad Hoc网络的定义 Ad Hoc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，它是一种没有有线基础设施支持的移动网络。移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。 2

4 三、Ad Hoc网络的特点 无中心和自组织性
网络中没有绝对地控制中心，所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络，任意结点的故障不会影响整个网络的运行。 动态变化的网络拓扑结构 在Ad Hoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。 多跳路由 由于结点发射功率的限制，结点的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的转发，即要经过多跳。 3

5 三、Ad Hoc网络的特点 有限的无线通信带宽 有限的主机能源 安全性差
在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因而具有能源有限的特点。 安全性差 Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。 4

6 四、Ad Hoc网络的应用 没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏 需要分布式特性的网络通信环境
现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境 作为生存性较强的后备网络 应用领域： 军事应用、传感网络、紧急和突发场合、偏远野外地区、临时场合、个人通信、商业应用，等等。 5

7 五、网络拓扑 由于结点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控制结点易被发现和易遭摧毁，使得Ad Hoc网络不适合采用集中式控制结构，因此，Ad Hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。 平面结构：所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 6

8 五、网络拓扑 分级结构：网络被划分为簇（cluster），每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络.在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头结点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由结点使用算法选举产生。 7

9 五、网络拓扑 单频分级网络：其中所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关结点（同时属于两个簇的结点）的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨干。 多频分级网络：不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。 8

10 五、网络拓扑 在分级结构的网络中，主要有如下的优点： 分级结构的主要缺点如下：
簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。 具有很好的可扩充性，网络规模不受限制。可以简单地通过增加簇的个数和网络的级数来增加网络的规模。 簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。 分级结构的主要缺点如下： 需要簇头选择算法和簇维护机制。 簇头结点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈。 簇间的路由不一定是最佳路由。 9

11 六、协议栈 根据AdHoc网络的特征，参照OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP的体系结构，可以将Ad Hoc网络的协议栈划分为5层。考虑到TCP/IP协议已经成为事实的网络互联标准，Ad Hoc网络的体系结构应基于TCP/IP体系结构，并需要根据自身特点进行必要的简化、修改和扩充。例如，必须修改路由协议以适应网络拓扑的动态变化；修改TCP来提高其在无线传输环境下的性能。此外，还要考虑与有线骨干网的无缝连接，兼顾网络的效率与抗毁性等。 10

12 六、协议栈 在实际中，需要一种能够在协议栈的多个层支持自适应和优化性能的跨层协议体系结构来提供服务质量保障和优化系统性能。 系统约束条件
应用层 传输层 网络层 链路层 物理层 系统约束条件 跨层自适应 11

13 六、协议栈 在这种跨层协议栈中，主要的层次功能为： 链路层可以调节数据率、发送功率和编码来满足上层应用的需求；
MAC层可以基于无线信道情况、时延约束和分组的优先级来实施自适应调节； 网络层可以基于当前的链路、网络和业务量状况采用合适的路由协议； 应用层可以基于软QoS的概念根据底层网络状况为应用提供可能高的服务质量。 12

14 七、Ad Hoc网络的关键技术 MAC协议 路由协议 QoS保障机制 安全性问题 网络管理 节能机制 网络互联技术 13

15 MAC协议 MAC层需要解决两个问题：如何将频谱划分为不同的信道以及如何将不同的信道分配给不同的用户。在突发业务模式下，最有效的信道分配机制是随机接入法；在连续业务流模式下，需要采用某种调度机制来防止冲突，确保连续的连接。MAC协议的困难通常是在获得较好公平性和吞吐量的情况下如何有效减少能量损耗。 随机接入代表着竞争，通过竞争的方式来共享和使用有限的信道资源。一般随机接入法都通过载波侦听多路访问(CSMA)机制来监听和退避，以减少冲突。 调度机制应保证每个节点在相应的信道上发送/接收分组而不与邻居节点发生冲突，同时尽可能高效地使用可用的时间、频率或码字资源。 14

16 暴露终端是指在发送结点覆盖范围之内而在接收结点覆盖范围之外的结点。暴露终端因听到发送结点的发送而延迟发送。
隐藏终端问题 隐终端是指在接收结点的覆盖范围内而在发送结点覆盖范围外的结点。隐终端因听不到发送结点的发送而可能向同样的接收结点发送报文，造成报文在接受结点处冲突。 暴露终端问题 暴露终端是指在发送结点覆盖范围之内而在接收结点覆盖范围之外的结点。暴露终端因听到发送结点的发送而延迟发送。 15

17 基于单信道的信道接入协议 基于双信道的信道接入协议 基于多信道的信道接入协议
用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的控制报文和数据保文都在同一个信道上发送和接收。 MACA 、MACAW 、IEEE DCF 、FAMA 基于双信道的信道接入协议 用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。两个信道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送信道接入协议的控制报文，而数据信道只传送数据报文。 BAPU 、DBTMA 基于多信道的信道接入协议 用于具有多个信道的Ad Hoc网络。由于网络中有多个信道，相邻结点可以使用不同的信道同时进行通信。这种信道接入协议主要关注两个问题：信道分配和接入控制。 HRMA 、DCA 、具有软信道预留的多信道CSMA 16

18 路由协议 设计Ad Hoc网络路由协议目标：快速、准确、高效、可扩展性好。 主动路由协议 按需路由协议
网络中的节点通过周期性地广播路由信息, 交互路由信息得到其他节点最新的路由,它需要在每个节点维护一个或多个路由表, 其中包含了该节点到网络中所有其他节点的最新的路由信息。 DSDV 、STARA 、OLSR 等。 按需路由协议 按需路由认为在动态变化的移动Ad Hoc环境中, 没有必要维护去往其他所有节点的路由信息, 它仅在需要时才进行路由发现。因此, 拓扑结构和路由表内容是按需建立的, 缓解了主动路由协议由于周期性交换更新信息带来的开销和扩展性问题，节省了网络资源。按需路由一般包含两个阶段: 路由发现和路由维护。 AODV 、SSA 、ABR 17

19 基于地理位置信息的路由协议 该类协议是在建立路由时利用GPS预测节点当前位置, 使控制信息朝着目的节点方向寻找路由, 限制了路由请求过程中被影响的节点数目, 提高了效率。 LAR、DREAM 、FORP、DV-MP,、GPSR,、GLS、Geo Cast 等 节能路由协议 传统的Ad hoc网络路由协议一般是以跳数、延迟等作为衡量路径长度的指标,所以由这些路由协议建立的路径一般能提供一定的QoS保证,但有可能消耗中间节点过多的能量,或者过多地使用小部分节点的能量,从而减少节点和网络的运行时间。具有能量意识(Power Aware)的Ad hoc路由协议就是要避免这种情况的出现。 最小能量路由MER 、最小电池耗费路由MBCR 、最小最大电池耗费路由MMBCR 、受限的最大最小电池容量路由CMMBCR 18

20 QoS保障机制 QoS模型 QoS MAC协议 QoS路由 QoS信令
集成服务模型IntServ和区分服务模型DiffServ , FQMM模型 QoS MAC协议 改进IEEE802.11协议来支持实时业务和服务区分 采用基于令牌环的受控接入技术来支持实时业务 基于预约的信道接入机制 基于分簇结构的信道接入机制 双信道/多信道MAC协议 QoS路由 Ad Hoc网络现有的一些路由算法, 如DSR、AODV等,都按需创建路由, 利用这一特点并选用最小可用带宽作为衡量指标, 可以大大简化QoS路由问题。由于Ad Hoc网络的动态特性, 只能提供软QoS保证 。 QoS信令 INSIGNIA带内信令系统 19

21 安全性问题 Ad Hoc网络的安全目标: 可用性、机密性、完整性、安全认证和抗抵赖性。 安全策略和机制 防止信息窃取攻击 加强路由协议的安全
认证协议 密钥管理机制 20

22 网络管理 拓扑管理 ： 通过一种机制自适应地将节点组成一个互连网络。 移动性管理 ：
主要用于在移动环境下实时地提供移动节点的静态标识符(如节点的名字)和它的动态地址(节点的位置)之间的映射。 路由管理 ： 需要解决两个问题 ：一是路由发现 ，二是路由的维护 。 21

23 节能机制 节点的能源耗费来自两个方面: 与通信相关的功耗和非通信功耗。
物理层和无线设备 ： 降低显示器、CPU和硬盘的功耗, 提高算法的效率, 关闭不用的设备或使设备处于待机/休眠状态来减少功耗。 数据链路层: Ad Hoc网络中传输错误率较高,会导致频繁的重发请求, 数据链路层应使用高效的重传请求机制和休眠模式来降低能耗。 网络层:为节省功耗, 路由算法应将功耗作为一个约束条件来选择最佳路由。节能路由协议 ：最小传输功耗路由(MTPR) 、最小电池耗费路由(MBCR) 、最小最大电池耗费路由(MMBCR) 、受限的最大最小电池容量路由(CMMBCR) 22

24 网络互联技术 移动IP和Ad Hoc网络的结合 Ad Hoc网络与蜂窝网的互连互通 用蓝牙节点组建Ad Hoc网络
为了达到Ad Hoc网络中的移动主机，可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网，可以利用移动IP协议在不同网络中漫游的特性，结合移动IP和Ad Hoc网络，即MIPMANET，提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制，移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接人互联网的解决方案。 Ad Hoc网络与蜂窝网的互连互通 用一些无线路由器来代替蜂窝网络中的一些结点，并通过优化路由、信道规划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化。 用蓝牙节点组建Ad Hoc网络 就蓝牙本身的技术来说，蓝牙可以组成微微网(piconet)。微微网通过桥节点(bridge)互连，可以形成多跳的Ad Hoc网络，也称为蓝牙散射网(scattemet)。蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙的Ad Hoc网络形成等内容做出具体描述。 23