Ad-hoc网络概述.ppt

第3章 移动自组织网络1.3.1 移动自组织网络概述主要内容v1.1 Ad Hoc网络概述v1.2 Ad Hoc网络的体系结构v1.3 Ad Hoc网络的关键技术2.1.1 Ad Hoc 网络概述v1.1.1 Ad Hoc 网络的产生背景v1.1.2 Ad Hoc 网络的发展历史v1.1.3 Ad Hoc 网络的定义v1.1.4 Ad Hoc 网络的特点v1.1.5 Ad Hoc 网络的应用3.1.1.1 Ad Hoc 网络的产生背景无线通信网络按照组网控制方式分为2类：v1.具有预先部署的网络基础设施的移动网络:例如：蜂窝移动通信系统，无线局域网4.1.1.1 Ad Hoc 网络的产生背景（续）v无线局域网(WLAN)结构图5.1.1.1 Ad Hoc 网络的产生背景（续）v2.无基础设施的移动网络v对于某些特殊场合，如：战场上部队的协同通信，地震或水灾后的营救，野外科学考察、临时会议等。v在这种情况下，就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术，这就形成了另一类移动通信技术，即Ad Hoc网络通信技术。6.1.1.1 Ad Hoc 网络的产生背景（续）v“Ad Hoc”一词来源于拉丁语，意思是：“专用的、特定的”vAd Hoc 网络通常也称为“无固定设施网”、“自组织网”、“多跳网络”、“MANET”v目前，Ad Hoc 网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注.7.1.1.2 Ad Hoc 网络的历史发展v自组网最初是应用于军事领域的，1972年DARPA(美国国防部高级研究计划署)资助研究了分组无线网PRnet（Packet Radio Network）；v 其后，又由DARPA资助，于1993和1994年进行了高残存性自适应网络SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移动信息系统GlOMo(Globle Mobile Information Systems)的研究;v Ad Hoc就是吸取了上述三个项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术;v IEEE802.11委员会称之为“Ad Hoc网络”，而IETF称之为MANET。8.1.1.3 Ad Hoc 网络的定义vAd 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，整个网络没有固定的基础设施。v 在自组网中，每个用户终端不仅能移动，而且，兼有路由器和主机两种功能。一方面，作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。v Ad Hoc网络中的信息流采用分组数据格式，传输采用包交换机制，基于TCP/IP协议簇。所以说，Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机通信网络的一种类型。9.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点vAd Hoc网络的特点：（1）动态变化的网络拓扑结构（2）无中心网络的自组性（3）多跳组网方式（4）有限的无线传输带宽（5）移动终端的自主性和局限性（6）安全性差；扩展性不强（7）存在单向的无线信道10.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（1）动态变化的网络拓扑结构v在自组网中，由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。11.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（2）无中心网络的自组性v自组网没有严格的控制中心，所有的节点地位平等，是一个对等式网络。节点随时都可以加入或离开网络，任何节点的故障都不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。v节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速实现一个移动通信网络的自主构建、自主组织和自主管理，这也是个人通信的一种体现方式。12.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（3）多跳组网方式v当自组网中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时，需要通过中间节点的多跳转发。多跳，是研究自组网路由协议的前提基础。v与固定网络的多跳路由不同，自组网的多跳路由由普通的网络节点完成，而不是专用路由设备（路由器）。13.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（4）有限的无线传输带宽v由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的网络带宽要比有线信道低得多，再加上竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、信道间干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。14.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（5）移动终端的自主性和局限性v自主性来源于所承担的角色。v在自组网中，终端需要承担主机和路由器两种功能，这意味着参与自组网的移动终端之间存在某种协同工作的关系，这种关系使得每个终端都承担为其它终端进行分组转发的义务。v局限性：电池会耗尽，CPU性能低等。15.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（6）安全性差、扩展性不强v由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等因素，自组网更易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。v自身结点充当路由器，不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在网络边界概念，使Ad Hoc网络中的安全问题非常复杂，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等安全措施都需特别考虑。16.1.1.4 Ad Hoc 网络的特点（续）（7）存在单向的无线信道v在自组网环境中，由于各个无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响可能产生单向信道。单向信道对常规路由协议带来认知单向性、路由单向性和汇点不可达。17.1.1.5 Ad Hoc 网络的应用v军事应用v传感器网络v紧急、突发场合v偏远野外地区v临时场合v个人通信v商业应用v其它应用18.1.1.5 基于WLAN的网络应用19.1.1.5 基于WLAN的网络应用（续）20.1.1.5 基于WLAN的网络应用（续）21.1.1.5基于WLAN的网络应用（续）22.1.2 Ad Hoc 网络的体系结构v1.2.1 Ad Hoc 网络的节点结构v1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑v1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈v1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计23.1.2.1 Ad Hoc 网络的节点结构节点结构vAd Hoc网络的节点通常包括：主机、路由器和电台三部分。v从物理结构上，节点可以分为以下几类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。24.Ad hoc节点结构节点结构分为：节点结构分为：v1.物理层物理层对无线信道的传输特性做出规定，要求提供高带宽、低干扰、高效频谱利用率，涉及调制信号、快速捕获信号、同步与检测及天线技术等方面。v2.数链层数链层负责链路连接控制，提供快速、可靠帧传送，并控制接入时机，特别是多信道优化控制。v3.网络层网络层负责在多跳、节点对等、分布式及高度动态网络环境下的路由选择和分组转发。v4.传输层传输层负责提供尽量可靠、性价比合理的数据传送功能，为应用层提供服务。涉及无线TCP技术。v5.应用层应用层为应用程序提供不同服务。25.1.2.2 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v1.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26.1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑（续）平面结构的优缺点v优：网络结构简单，所有结点完全对等，比较健壮；v缺：可扩充性差，维护动态路由需要耗费大量控制信息；27.1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑（续）v2.分级结构v(1)单频分级：其中所有节点使用同一个频率通信28.1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑（续）v(2)多频分级：不同级采用不同的通信频率29.1.2.2 Ad Hoc 网络的网络拓扑（续）分级结构的优缺点v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;v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；30.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈vOSI经典的7层协议栈模型31.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v物理层(physical)定义了网络硬件的技术规范；v数据链路层(data link)定义了数据的帧化和如何在网上传输帧；v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；v传输层(transport)定义了可靠传输的细节问题；v会话层(session)定义了如何与远程系统建立通信会话；v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；v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。32.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v传统Internet协议栈设计：水平通信以节省路由器资源强调相邻路由器对等实体之间的水平通信(如图所示)，以尽量减少路由器内协议栈各层间的垂直通信。33.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）vAd Hoc协议栈设计：垂直通信节省无线信道资源ad hoc网络中链路带宽和主机能量非常稀少，并且能量主要消耗在发送和接收分组上，而主机处理能力和存储空间相对较高。为了节省能量、带宽，在ad hoc网络中应该尽量减少节点间水平方向的通信.34.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）vOSI经典的7层协议栈模型35.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）TCP/IP协议与OSI协议的关系vTCP/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36.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）vAd hoc网络的协议栈划分为五层37.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）Ad Hoc 网络的协议栈划分为五层：v(1)物理层v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，因是无线通信，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，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38.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v(2)数据链路层v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。vMAC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。v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。v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。39.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v(3)Ad Hoc网络层v主要功能包括：邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联等。v一个好的ad hoc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。v对一个ad hoc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。40.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v(4)Ad Hoc传输层v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。v由于无线差错和节点移动性，传统的TCP会使无线ad hoc网络分组丢失很严重，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降低。因此,必须对传统的TCP进行改造。41.1.2.3 Ad Hoc 网络的协议栈（续）v(5)Ad Hoc应用层v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。vAd 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。42.1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计v跨层设计的必要性v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。v为满足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。43.1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计（续）v跨层设计的概念v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。v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。44.1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计（续）v跨层的协议栈v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。45.1.2.4 Ad Hoc 网络的跨层设计（续）v跨层的自适应机制v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。v跨层的设计原则v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。46.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术由于自组网的特性，自组网面临下面问题：v（1）自适应技术v如何充分利用有限的带宽、能量资源和满足QOS的要求、最大化网络的吞吐量是自适应技术要解决的问题。解决的方法主要有：自适应编码、自适应调制、自适应功率控制、自适应资源分配等。47.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v（2）信道接入技术vad hoc的无线信道是共享的广播信道，但不是一跳共享的，而是多跳共享广播信道。v多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关。在ad hoc网络中，冲突是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相同，由此将带来隐藏终端和暴露终端等一系列特殊问题。v基于这种情况，就需要为ad hoc设计专用的信道接入协议。48.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v（3）路由协议vad hoc网络中设备都在移动。常规路由协议需要花费较长时间才能达到算法收敛，而此时网络拓扑可能已经发生了变化，使得主机在花费了很大代价后得到的是陈旧的路由信息，而使路由信息始终处于不收敛状态。v所以，在ad hoc的路由算法应具有快速收敛的特性，减少路由查找的开销，快速发现路由，提高路由发现的性能和效率。同时，应能够跟踪和感知节点移动造成的链路状态变化，以进行动态路由维护。49.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v（4）传输层技术v与有线信道相比，ad hoc网络带宽窄、信道质量差，对协议的设计提出了新的要求。v为节约有限的带宽，要尽量减少节点间相互交互的信息量，减少控制信息带来的附加开销。v此外，无线信道的衰落、节点移动等因素会造成报文丢失和冲突，将会严重影响TCP的性能，所以要对传输层进行改造，以满足数据传输的需要。50.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v（5）节能问题vad hoc终端一般采用电池供电。为了电池的使用寿命，在网络协议的设计中，要考虑尽量节约电池能量。v（6）网络管理vad hoc的自组网方式对网络管理提出了新的要求，不仅要对网络设备和用户进行管理，还要有相应的机制解决移动性管理、服务管理、节点定位和地址配置等特殊问题。v（7）服务质量保证vAd hoc网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。v随着应用的不断扩展，需要在Ad hoc网络中传输多媒体信息。多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。51.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v（8）安全性v无线Ad hoc网不依赖于任何固定设施，而是通过移动节点间的相互协作保持网络互联。而传统网络的安全策略如加密、认证、访问、控制、权限管理和防火墙等都是建立在网络的现有资源如专门的路由器、专门的密钥管理中心和分发公用密钥的目录服务机构等的基础上，而这些都是Ad hoc网络所不具备的。v（9）网络互连技术vAd hoc网络中的网络节点要访问互联网或和另一个Ad hoc网络中的节点通信，这样就产生了网络互联问题。Ad hoc网络通常以一个末端网络的方式通过网关连接到互联网，网关通常是无线移动路由器。52.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v 如图所示，无线移动路由器通过隧道机制，将互联网的网络基础设施作为信息传输系统，在隧道进入端按照传统网络的格式封装Ad hoc网络的分组，在隧道的出口端进行分组解封，然后按照Ad hoc路由协议继续转发。53.1.3 Ad Hoc 网络的关键技术（续）v针对前面讲到的面临的问题，目前，关键技术包括路由协议、服务质量、MAC协议、分簇算法、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理方面等。54.