第2节AdHoc网络的体系结构

第2节AdHoc网络的体系结构
1.2.1 Ad Hoc 网络的结点结构
结点结构
Ad Hoc网络的结点通常包括：主机、路由器和电台三部分。

从物理结构上，结点可以分为以下几类：单机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。

1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑
Ad Hoc 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
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
(2)多频分级：不同级采用不同的通信频率
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；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；
1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈
OSI经典的7层协议栈模型
物理层(physical)定义了网络硬件的技术规范.
数据链路层(data link)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.
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.
传统Internet协议栈设计：水平通信以节省路由器资源
MANET协议栈设计：垂直通信节省无线信道资源
OSI经典的7层协议栈模型
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
Ad hoc网络的协议栈划分为五层
Ad Hoc 网络的协议栈划分为五层：
(1)物理层
在实际的应用中，Ad Hoc物理层的设计要根据实际需要而定。

首先，是通信信号的传送介质，都是无线通信，从而，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，从而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
(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，Ad Hoc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。

隐藏终端
暴露终端
(3)Ad Hoc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ad hoc网络层的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ad hoc网络层的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。

(4)Ad Hoc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。

传统的TCP会使无线ad hoc网络分组丢失很严重，这是因为无线差错和节点移动性，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ad hoc中直接采用传统的TCP，就可能导致端到端的吞吐量无谓的降低。

因此,必须对传统的TCP进行改造。

(5)Ad Hoc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。

Ad Hoc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
1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计
跨层设计的必要性
采用严格分层的体系结构使得协议的设计缺乏足够的适应性，不符合动态变化的网络特点，网络的性能无法保障。

为了满足Ad Hoc网络的特殊要求，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，并根据所支持的应用来设计系统，即采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。

跨层设计的概念
跨层设计是一种综合考虑协议栈各层次设计与优化并允许任意层次和功能模块之间自由交互信息的方法，在原有的分层协议栈基础上集成跨层设计与优化方法可以得到一种跨层协议栈。

在分层设计方式中，很多时候多个层需要做重复的计算和无谓的交互来得到一些其他层次很容易得到的信息，并常常耗费较长的时间。

跨层设计与优化的优势在于通过使用层问交互，不同的层次可以及时共享本地信息，减少处理和通信开销，优化了系统整体性能。

跨层的协议栈
在传统分层协议栈中集成跨层设计和优化思想得到的自适应跨层协议栈中(如图所示)，所有层之间可以方便及时地交互和共享信息，能够以全局的方式适应应用的需求和网络状况的变化，并且根据系统约
束条件和网络特征(如能量约束和节点的移动模式)来进行综合优化。

跨层的自适应机制
协议栈每层的自适应机制应基于所在层发生变化的时间粒度来适应该层的动态变化。

如果本地化的自适应机制不能解决问题，则需要同其他层交互信息来共同适应这种变化。

跨层的设计原则
跨层协议栈的设计策略是综合地对每层进行设计，利用他们之间的相关性，力图将各层协议集成到一个综合的分级框架中。

这些相关性涉及到各层的自适应性、通用的系统约束（移动性、带宽和能量）以及应用的需求.
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