移短距离无线通信-动自组网
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动态变化的网络拓扑结构
节点加入、离开、移动等 路由算法还未收敛,网络拓扑结构 就发生变化
有限的系统带宽、能量等资源
周期性地公告路由信息严重降低 系统的性能
间歇性的网络分割
传统路由协议容易形成路由回路
适应网络动态变 化 减少路由开销 引入按需路由 在路由时考虑能 量等约束条件
基于表驱动的QoS路由协议 按需QoS路由协议
Ad Hoc路由中的能量意识
Ad Hoc网络环境下节点的能量受限 基于能量约束的路由协议
最小化每消息能量消耗
e j T (ni , ni 1 ) (k 1)T
i 1
k 1
考虑每跳之间消耗的能量固定(T为常数)，该约束实际 上与最小跳数一致
无线局域网
移动终端通过无线接入 点接入Internet
依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络
自组织网络的应用需求
临时会议/紧急情况 科学考察/探险/军事战 场 接入网络服务商所需的 时间和成本 现有服务和架构的性能 或者能力 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
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
跟踪网络中移动节点的位置
服务质量管理
多跳拓扑动态变化的移动Ad Hoc网络使得服务质量保 证更加困难
自动配置 …
实现Ad Hoc网络的关键技术
路由协议
服务质量管理 功率控制 传输层性能 Ad Hoc网络互联 安全问题 网络管理
最大化网络生存时间
保证所有节点协同工作的时间尽量的长
信息安全
目前的安全策略，有安全认证和协议等，
一部分WLAN安全策略可用于MANET。
需要适合于MANET的信息安全策略。
一个移动自组织网络
T1 MH3 MH1 T2 MH3
MH4
MH1
MH4
移动自组织网络的应用场合
临时、突发场合，如： 军事行动、
移动自组织网络的应用简介
无线传感器网络
无线传感器网络
WSN-Wireless Sensor Networks 基础
微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及 无线通信技术、分布式信息处理技术。
移动定位、自动配置、安全策略...
传输层：(W)TCP、UDP...
信令协议：(D)RSVP、INSIGNIA...
网络互连层：IPv4、IPv6、Mobile IP... 网络层 网络层：邻居发现、路由协议„ 反 馈 和 跨 层 自 适 应 调 节 机 制 Q o S 保 证 和 能 量 管 理 机 制
系统 约束 条件 (能 量、 QoS 等) 应用层 传输层 网络层 链路层 跨 层 自 适 应
三、Ad Hoc网络路由
Ad Hoc路由概述
需要进行通信的两个节点可能不在 相互的无线信号范围内 需要其它节点承担转发工作 节点移动后需要重新建立新的路由
B
A B C
多跳路由
C
移动
A
传统的路由协议不适用于Ad Hoc网络
A C F
B
路由延时大，但是路由开销小
两种实现技术
源路由（分组携带完整的路由信息） 逐跳（Hop-by-Hop）路由
DSR、AODV、DYMO
Ad Hoc路由协议的性能指标
端到端数据吞吐量和延时
反映了数据的传输质量
路由获取时间
有数据要发送到发送出去的时间
乱序分组发送率
第五章
移动自组织和无线传感器网络 mobile ad hoc network
移动自组织网络 无线传感器网络
移动自组织网络 mobile ad hoc network
概述 体系结构 Ad Hoc网络路由 服务质量和能量意识
一、概述
基于预先架设网络基础设施的无线网络
蜂窝网络
移动终端通过基站接入 移动通信网络
多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络
IEEE802.11b中的Ad-hoc模式
Ad Hoc网络的特点（1）
独立组网
不需要任何预先网络基础设施
1 2 3 4
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
有限的无线传输带宽
减少节点之间的交换的消息 减少控制消息带来的额外开销
网络路由时需考虑
有限的能量
能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由
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 由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的
Ad Hoc网络所面临的问题(2)
移动Ad Hoc网络(MANET)与移动IP
MANET
移动IP
Ad Hoc网络所面临的问题(1)
特殊的信道共享方式
共享信道 隐藏节点问题/暴露节点问题
RTS/CTS，CSMA/CA
隐藏节点问题
B A C
C正在传送
暴露节点问题
动态变化网络拓扑
A
A正在传送
B
C
传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧
灾害抢险、
医疗救助、 会议室活动 、 视频点播等。
军事应用
1981年：美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网， 1991年：美国又研究了一种“改进型高频数据网”，充分 应用了短波自组织网技术， 1994年：美国抗毁自适应系统演示，以宽带技术为基础， 改善了战术通信的机动性和生存能力， 近年来：美、英、法、荷兰等国的单兵作战系统， 未来的单兵通信系统： 宽带化的、手持或便携式个人移动终端。
不想使用网络设施
自 组 织 网 络
网络基础设施范围外
自组织网络的起源
DARPA Defense Advanced Research Project Agency
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
Ad Hoc：For the specific purpose only MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability
Ad Hoc网络的定义
1 2 3 4
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系统 每个(移动)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
分簇（簇首选择和维护）
逻辑链路控制子层（LLC）: 流量和差错控制...
数据链路层
MAC：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA...
功率控制和拓扑控制
物理层：扩频技术（DS－SS、HF－SS）、调制解调、发送接收
Ad Hoc网络中的跨层设计
严格分层的体系结构(OSI参考 模型，TCP/IP模型)
网络结构
C
平面结构
所有节点地位平等
H
D E
B F G
层次结构
网络被划分为簇（Cluster） 每个簇由簇首节点 (Cluster Head)和簇成员 节点(Cluster Member)构 成 簇首节点可形成更高一级 的网络
平面结构
8 3 6
1 2 簇首
5 3 4 6
7 9
8 0
簇成员
存在单向无线信道
终端发射功率的不同及地形环境的影响
与传统蜂窝移动通信网络比较
不需要网络通信基础设施支持
不依赖基站进行通信
分组交换机制
数据通信业务为主 拓扑结构动态变化
与传统固定网络比较
固定网络中主机位置基本不变
固定网络结构一般比较复杂
ad hoc网络规模相对较小
ad hoc网络的拓扑结构比较简单 ad hoc网络拓扑结构快速变化
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
接收端和发送端可使用比两 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
衡量无连接路由协议应用于需要有序发送的传输层协议 例如TCP时的性能
路由协议的效率
路由控制消息/发送数据
路由协议的性能在不同环境表现不同, 因此需要根据环境特点使用不同的路由协议
四、服务质量和能量意识
Ad Hoc路由中的服务质量
与传统网络相比，更困难
网络拓扑动态变化 资源受约束
扩展路由协议支持QoS
协议的设计缺乏足够的适应性， 不能满足Ad Hoc网络动态变化 的需求，特别是在能量或者 QoS等约束条件下
应用层 传输层 网络层 链路层
跨层体系结构
任意层之间能够进行信息交互 协作
在动态环境下，根据能量或者 QoS等约束条件自适应调节 避免重复的功能，减少开销 减少反应时间，快速适应网络动 态变化
Ad Hoc网络与无线局域网
无线接入点
Internet
1 2 3 4
单跳与多跳
研究重点不同
主要研究集中在物 理层和数据链路层
无线局域网为单跳网 络，不存在路由问题 Ad Hoc网络的研究 内容主要以路由协议 为核心的网络层设计
通信模式不同
移动终端的所有通信必 须经过无线接入点进行 Ad Hoc网络中移动 终端的通信是对等的
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
资 助
自组织网络研究
1 2 3 4
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
Ad Hoc网络的特点（3）
1
特殊的无线信道特征
2
3 4
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
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
单向的无线传输信道
传统路由协议一般假设链路是对 称的
路由协议
Ad Hoc路由协议
表驱动路由 先验式(Proactive)
按需路由 反应式(Reactive)
表驱动（Table Driven）路由
先验式(Proactive)路由
传统的分布式最短路径路由协议
链路状态或者距离向量 所有节点周期性更新“可达”信息
感知网络拓扑结构的变化 维护网络拓扑的连接 高度自适应性 能量、服务质量等约束
信道接入技术 节能机制
多个Ad Hoc网络互联 Ad Hoc内部节点访问Internet
二、体系结构
节点结构
主机：运行应用程序，完成数据处理等功 能 路由器：运行路由协议，完成路由选择、 转发分组等功能 无线收发装置：完成数据传输功能
层次结构
平面结构和层次结构比较
平面结构
完全分布式的网络
所有节点的地位是平等的
层次结构
多个簇组成的网络
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
不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健 壮性好 可扩展性差，每个节点都需要知道到达所有 其它节点的路由，适用于中小规模的网络
A C F
B
每个节点维护到网络中所有其它节点的路由 所有路由都已存在并且随时可用
路由延时小，但是路由开销大
DSDV、OLSR、TBRPF
按需(On-demand)路由
反应式(Reactive)路由
源节点根据需要通过路由发现过程来 确定路由 控制消息采用泛洪（Flபைடு நூலகம்oding）方式
网络协议栈
基于TCP/IP体系 结构 与Internet互联 传统路由协议需 要修改，以适应 网络拓扑结构动 态变化 传输层实现适应 于无线网络的端 到端可靠服务 Ad Hoc网络多用 于能量受限的环 境，能量管理尤 为重要，因此各 层都定义相应的 节能机制 可选功能
应用层：实时业务、自适应应用、数据报业务...
节点加入、离开、移动等 路由算法还未收敛,网络拓扑结构 就发生变化
有限的系统带宽、能量等资源
周期性地公告路由信息严重降低 系统的性能
间歇性的网络分割
传统路由协议容易形成路由回路
适应网络动态变 化 减少路由开销 引入按需路由 在路由时考虑能 量等约束条件
基于表驱动的QoS路由协议 按需QoS路由协议
Ad Hoc路由中的能量意识
Ad Hoc网络环境下节点的能量受限 基于能量约束的路由协议
最小化每消息能量消耗
e j T (ni , ni 1 ) (k 1)T
i 1
k 1
考虑每跳之间消耗的能量固定(T为常数)，该约束实际 上与最小跳数一致
无线局域网
移动终端通过无线接入 点接入Internet
依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络
自组织网络的应用需求
临时会议/紧急情况 科学考察/探险/军事战 场 接入网络服务商所需的 时间和成本 现有服务和架构的性能 或者能力 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
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
跟踪网络中移动节点的位置
服务质量管理
多跳拓扑动态变化的移动Ad Hoc网络使得服务质量保 证更加困难
自动配置 …
实现Ad Hoc网络的关键技术
路由协议
服务质量管理 功率控制 传输层性能 Ad Hoc网络互联 安全问题 网络管理
最大化网络生存时间
保证所有节点协同工作的时间尽量的长
信息安全
目前的安全策略，有安全认证和协议等，
一部分WLAN安全策略可用于MANET。
需要适合于MANET的信息安全策略。
一个移动自组织网络
T1 MH3 MH1 T2 MH3
MH4
MH1
MH4
移动自组织网络的应用场合
临时、突发场合，如： 军事行动、
移动自组织网络的应用简介
无线传感器网络
无线传感器网络
WSN-Wireless Sensor Networks 基础
微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及 无线通信技术、分布式信息处理技术。
移动定位、自动配置、安全策略...
传输层：(W)TCP、UDP...
信令协议：(D)RSVP、INSIGNIA...
网络互连层：IPv4、IPv6、Mobile IP... 网络层 网络层：邻居发现、路由协议„ 反 馈 和 跨 层 自 适 应 调 节 机 制 Q o S 保 证 和 能 量 管 理 机 制
系统 约束 条件 (能 量、 QoS 等) 应用层 传输层 网络层 链路层 跨 层 自 适 应
三、Ad Hoc网络路由
Ad Hoc路由概述
需要进行通信的两个节点可能不在 相互的无线信号范围内 需要其它节点承担转发工作 节点移动后需要重新建立新的路由
B
A B C
多跳路由
C
移动
A
传统的路由协议不适用于Ad Hoc网络
A C F
B
路由延时大，但是路由开销小
两种实现技术
源路由（分组携带完整的路由信息） 逐跳（Hop-by-Hop）路由
DSR、AODV、DYMO
Ad Hoc路由协议的性能指标
端到端数据吞吐量和延时
反映了数据的传输质量
路由获取时间
有数据要发送到发送出去的时间
乱序分组发送率
第五章
移动自组织和无线传感器网络 mobile ad hoc network
移动自组织网络 无线传感器网络
移动自组织网络 mobile ad hoc network
概述 体系结构 Ad Hoc网络路由 服务质量和能量意识
一、概述
基于预先架设网络基础设施的无线网络
蜂窝网络
移动终端通过基站接入 移动通信网络
多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络
IEEE802.11b中的Ad-hoc模式
Ad Hoc网络的特点（1）
独立组网
不需要任何预先网络基础设施
1 2 3 4
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
有限的无线传输带宽
减少节点之间的交换的消息 减少控制消息带来的额外开销
网络路由时需考虑
有限的能量
能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由
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 由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的
Ad Hoc网络所面临的问题(2)
移动Ad Hoc网络(MANET)与移动IP
MANET
移动IP
Ad Hoc网络所面临的问题(1)
特殊的信道共享方式
共享信道 隐藏节点问题/暴露节点问题
RTS/CTS，CSMA/CA
隐藏节点问题
B A C
C正在传送
暴露节点问题
动态变化网络拓扑
A
A正在传送
B
C
传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧
灾害抢险、
医疗救助、 会议室活动 、 视频点播等。
军事应用
1981年：美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网， 1991年：美国又研究了一种“改进型高频数据网”，充分 应用了短波自组织网技术， 1994年：美国抗毁自适应系统演示，以宽带技术为基础， 改善了战术通信的机动性和生存能力， 近年来：美、英、法、荷兰等国的单兵作战系统， 未来的单兵通信系统： 宽带化的、手持或便携式个人移动终端。
不想使用网络设施
自 组 织 网 络
网络基础设施范围外
自组织网络的起源
DARPA Defense Advanced Research Project Agency
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
Ad Hoc：For the specific purpose only MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability
Ad Hoc网络的定义
1 2 3 4
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系统 每个(移动)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
分簇（簇首选择和维护）
逻辑链路控制子层（LLC）: 流量和差错控制...
数据链路层
MAC：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA...
功率控制和拓扑控制
物理层：扩频技术（DS－SS、HF－SS）、调制解调、发送接收
Ad Hoc网络中的跨层设计
严格分层的体系结构(OSI参考 模型，TCP/IP模型)
网络结构
C
平面结构
所有节点地位平等
H
D E
B F G
层次结构
网络被划分为簇（Cluster） 每个簇由簇首节点 (Cluster Head)和簇成员 节点(Cluster Member)构 成 簇首节点可形成更高一级 的网络
平面结构
8 3 6
1 2 簇首
5 3 4 6
7 9
8 0
簇成员
存在单向无线信道
终端发射功率的不同及地形环境的影响
与传统蜂窝移动通信网络比较
不需要网络通信基础设施支持
不依赖基站进行通信
分组交换机制
数据通信业务为主 拓扑结构动态变化
与传统固定网络比较
固定网络中主机位置基本不变
固定网络结构一般比较复杂
ad hoc网络规模相对较小
ad hoc网络的拓扑结构比较简单 ad hoc网络拓扑结构快速变化
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
接收端和发送端可使用比两 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
衡量无连接路由协议应用于需要有序发送的传输层协议 例如TCP时的性能
路由协议的效率
路由控制消息/发送数据
路由协议的性能在不同环境表现不同, 因此需要根据环境特点使用不同的路由协议
四、服务质量和能量意识
Ad Hoc路由中的服务质量
与传统网络相比，更困难
网络拓扑动态变化 资源受约束
扩展路由协议支持QoS
协议的设计缺乏足够的适应性， 不能满足Ad Hoc网络动态变化 的需求，特别是在能量或者 QoS等约束条件下
应用层 传输层 网络层 链路层
跨层体系结构
任意层之间能够进行信息交互 协作
在动态环境下，根据能量或者 QoS等约束条件自适应调节 避免重复的功能，减少开销 减少反应时间，快速适应网络动 态变化
Ad Hoc网络与无线局域网
无线接入点
Internet
1 2 3 4
单跳与多跳
研究重点不同
主要研究集中在物 理层和数据链路层
无线局域网为单跳网 络，不存在路由问题 Ad Hoc网络的研究 内容主要以路由协议 为核心的网络层设计
通信模式不同
移动终端的所有通信必 须经过无线接入点进行 Ad Hoc网络中移动 终端的通信是对等的
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
资 助
自组织网络研究
1 2 3 4
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
Ad Hoc网络的特点（3）
1
特殊的无线信道特征
2
3 4
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
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
单向的无线传输信道
传统路由协议一般假设链路是对 称的
路由协议
Ad Hoc路由协议
表驱动路由 先验式(Proactive)
按需路由 反应式(Reactive)
表驱动（Table Driven）路由
先验式(Proactive)路由
传统的分布式最短路径路由协议
链路状态或者距离向量 所有节点周期性更新“可达”信息
感知网络拓扑结构的变化 维护网络拓扑的连接 高度自适应性 能量、服务质量等约束
信道接入技术 节能机制
多个Ad Hoc网络互联 Ad Hoc内部节点访问Internet
二、体系结构
节点结构
主机：运行应用程序，完成数据处理等功 能 路由器：运行路由协议，完成路由选择、 转发分组等功能 无线收发装置：完成数据传输功能
层次结构
平面结构和层次结构比较
平面结构
完全分布式的网络
所有节点的地位是平等的
层次结构
多个簇组成的网络
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
不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健 壮性好 可扩展性差，每个节点都需要知道到达所有 其它节点的路由，适用于中小规模的网络
A C F
B
每个节点维护到网络中所有其它节点的路由 所有路由都已存在并且随时可用
路由延时小，但是路由开销大
DSDV、OLSR、TBRPF
按需(On-demand)路由
反应式(Reactive)路由
源节点根据需要通过路由发现过程来 确定路由 控制消息采用泛洪（Flபைடு நூலகம்oding）方式
网络协议栈
基于TCP/IP体系 结构 与Internet互联 传统路由协议需 要修改，以适应 网络拓扑结构动 态变化 传输层实现适应 于无线网络的端 到端可靠服务 Ad Hoc网络多用 于能量受限的环 境，能量管理尤 为重要，因此各 层都定义相应的 节能机制 可选功能
应用层：实时业务、自适应应用、数据报业务...