第61讲AdHoc网络技术案例

网络路由时需考虑
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
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
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
Ad Hoc网络应采用分布式控制结构，并且节点应具有 自组织性
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
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。
1营
1连
2连
1团
2营
3连 6连
军事通信中采用的分簇网络结构
平面结构和分级结构比较
Βιβλιοθήκη Baidu平面结构
完全分布式的网络
分级结构
多个簇组成的网络
所有节点的地位是平等的
不存在网络瓶颈，可存在多条路 径，网络健壮性好
无线自组网技术
第6-1讲 Ad Hoc网络技术
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内容提要
》Ad Hoc网络概述 》Ad Hoc网络的体系结构 》体系结构的设计方法和原则 》Ad Hoc网络跨层设计和优化
Ad Hoc网络概述
有基础设施的无线网络
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
资源 保护、研究等） 10、公安/交警/消防 ……….
Ad Hoc网络面临的问题(1)
特殊的信道共享方式
共享信道
RTS/CTS，CSMA/CA
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
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…
传输层：(W)TCP、UDP… 信令协议：RSVP、INSIGNIA…
网络互连层：IPv4、IPv6、Mobile IP… 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） 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…
DARPA Defense Advanced Research Project Agency
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）
依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络
Ad Hoc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
无网络基础设施可用
接入网络所需的时间和成本
较高
Ad
不希望使用网络设施
现有网络服务设施的能力不
Hoc 网络
足
远离网络基础设施而希望保
持与网络的连接
网络基础设施范围之外
Ad Hoc网络的起源
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
Ad Hoc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
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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
高级 低级
骨干链路 普通链路
普通节点 网关 簇头
单频分级网络结构
簇头 簇成员
多频分级网络结构
频率1 频率2
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。
Ad Hoc网络的体系结构
节点结构
Ad Hoc网络需采用适合自身特点和应用需求的体系结构 节点包括主机、路由器和电台，从物理结构上节点分为：
路由器 主机
路由器 主机
路由器
主机
主机
主机
单主机单电台 单主机多电台
多主机单电台
路由器
主机
主机
主机
多主机多电台
网络结构
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
设计方法：
● 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
Ad Hoc网络体系结构的设计原则
● 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。
骨干链路 普通链路 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 组合加权分簇算法 无簇头分簇算法 基于地理位置的分簇算法 限制簇尺寸的分簇算法 基于信道接入的被动分簇算法
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
Ad Hoc网络通用协议栈
网络层 数据链路层
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
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
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
普通节点 簇头 网关 分布式网关
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
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
由基站集中负责，无线节点必须先与基 由本身或公认的无线节点负责， 站通信，再通过基站与目的节点通信 通常采用分布式控制
Ad Hoc网络的应用
Ad Hoc：For the specific purpose only
MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability
Ad Hoc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
Ad Hoc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
中继节点的特点
骨干网的特点
无线节点的控制管理
蜂窝网络
Ad Hoc网络
单跳 静态 有 较好 慢 高 长 容易 低 基站和有线骨干网
多跳 动态 无 较差 快 低 短 困难 高 无线节点和无线骨干网
基站有多部收发信机，全双工方式通信， 无线节点只有一部收发信机，半
有专用硬件，易于实现全网同步
双工方式，不易实现全网同步
与典型的Ad Hoc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
Ad Hoc网络与无线局域网
网络结构不同
无线局域网为单跳网络，不存在路由问题
无线接入点 Internet
研究重点不同
WLAN集中在物 理层和数据链路层
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
Ad Hoc网络与无线传感网络
网关
Internet
无线传感网络
可以看作是一种特殊类型的Ad Hoc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）
多跳无线网络、自组织网络、无基础设施网络或者对等网络
Ad Hoc网络的物理结构和逻辑结构
移动终端
车载台
笔记本电脑
（a）物理结构
A C
双向信道
D
B
单向信道
F
H
E
G
I
（b）逻辑结构
Ad Hoc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
通信模式不同
WLAN中终端的通信必 须依赖AP进行
Ad Hoc网络涉及 TCP/IP协议栈各层
Ad Hoc网络中移动 终端的通信是对等的
Ad Hoc网络与蜂窝网络的比较
比较内容
无线网络结构 拓扑结构 有无基础设施支持 安全性和服务质量 配置速度 成本 存在时间 路由选择和维护 网络健壮性 中继设备
● 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
应用层
应用层
应用层
应用层
物理层
物理层
Internet协议设计原则
物理层
物理层
Ad Hoc网络协议设计原则
Ad Hoc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 ，
暴露终端
Ad Hoc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Ad Hoc网络使得服务质量保证更加困难
自动配置 …
Ad Hoc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
功率控制、拓扑控制 物理层：扩频技术（DS-SS、HF-SS）、移动模型（Random）、信道模型(Free Space)…
反 馈 和 跨 层 自 适 应 调 节 机 制
保 障 、 安 全 保 护 和 能 量 管 理
机
制
QoS
体系结构的设计方法和原则
Ad Hoc网络体系结构的设计方法
动机：
● Ad Hoc网络为特定目的和临时场合构建的 ● 严格的分层设计不够优化并缺乏适应性 ● Ad Hoc网络的体系结构应根据使用环境和应用需求设计
资 助
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
Ad Hoc网络的研究组织
1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc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
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、
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