第7章移動Adho網(wǎng)絡(luò)

1、第7章 移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)7.1 概述概述7.1.1 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的需求背景網(wǎng)絡(luò)的需求背景v我們正在從個人計算機時代我們正在從個人計算機時代(即一個人一個計即一個人一個計算裝置算裝置)過渡到隨遇計算時代過渡到隨遇計算時代(ubiquitous age)v此時，提供所需要的連接和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)就成為此時，提供所需要的連接和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)就成為一種挑戰(zhàn)。一種挑戰(zhàn)。 涉及的問題v移動問題v不需要基礎(chǔ)設(shè)施支持的問題v動態(tài)自組織組網(wǎng)問題v網(wǎng)絡(luò)必須能夠快速展開的問題。解決方案v研究人員提出了不需要基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動ad hoc解決方案 v移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是自組織、自愈網(wǎng)絡(luò)，由

2、無線移動節(jié)點組成；無線移動節(jié)點可以自由而動態(tài)地自組織成任意臨時性“ad hoc”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩试S人們和裝置在沒有預(yù)先存在的通信基礎(chǔ)設(shè)施(如災(zāi)后重建環(huán)境)的環(huán)境中進行無縫地互連互通。 7.1.2 分組無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展簡述 7.1.3 移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的定義 v移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)由一組無線移動節(jié)點組成，是一種不需要依靠現(xiàn)有固定通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的、能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡(luò)體系，所需人工干預(yù)最少，是沒有任何中心實體、自組織、自愈的網(wǎng)絡(luò)。v各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互協(xié)作、通過無線鏈路進行通信、交換信息，實現(xiàn)信息和服務(wù)的共享。v網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠動態(tài)地、隨意地、頻繁地進入和離開網(wǎng)絡(luò)，而常常不需要事先示警或通知，而且不會

3、破壞網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的通信。 多跳ad hoc通信的一個例子 單跳ad hoc通信的個例子 多跳網(wǎng)絡(luò)好于單跳網(wǎng)絡(luò)的原因(1)增強了網(wǎng)絡(luò)的擴展性；(2)減少了干擾；(3)提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；(4)降低了應(yīng)用所關(guān)心的時延；(5)降低了數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗。 7.2 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的mac層層 在移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點移動、無線信道脆弱、缺乏中心協(xié)調(diào)機制是在設(shè)計mac協(xié)議時必須仔細(xì)考慮的問題。 7.2.1 ad hoc mac協(xié)議分類協(xié)議分類競爭協(xié)議(contention protocol)分配協(xié)議(allocation protocol )競爭協(xié)議和分配協(xié)議的組合協(xié)議(也稱

4、混合協(xié)議(hybrid protocol)。 7.2.2 競爭類競爭類mac協(xié)議協(xié)議1aloha協(xié)議2載波偵聽多址訪問協(xié)議(csma)3基于控制分組握手的訪問控制協(xié)議(1)多址訪問與碰撞回避(maca)協(xié)議(2)macaw協(xié)議(3)fama協(xié)議(4)ieee 802.11 mac協(xié)議(5)maca-bi協(xié)議競爭類競爭類mac協(xié)議協(xié)議(續(xù)續(xù))4忙音類多址訪問協(xié)議(1)忙音多址訪問協(xié)議(btma)(2)雙忙音多址訪問協(xié)議(dbtma)(3) 接收機初始化忙音多址訪問協(xié)議ri-btma(4) 無線碰撞檢測協(xié)議wcd(5)maca-bi協(xié)議7.2.3 分配類協(xié)議分配類協(xié)議 兩種截然不同的分配協(xié)議是靜態(tài)

5、分配協(xié)議(static allocation protocol)和動態(tài)分配協(xié)議dynamic allocation protocol)，其區(qū)別在于計算傳輸時間安排的方法不同。靜態(tài)分配協(xié)議使司集中式傳輸時間安排算法，該算法事先為每個節(jié)點靜態(tài)地分配一個固定的傳輸時間安排。這種傳輸時間安排等效于以太網(wǎng)接口卡的mac地址分配。動態(tài)分配協(xié)議使用分布式傳輸時間安排算法，該算法按需地計算傳輸時間安排。分配類協(xié)議分配類協(xié)議v1.時分多址訪問協(xié)議(tdma)v2.五步預(yù)留協(xié)議(fprp) v3.跳頻預(yù)留多址訪問協(xié)議(hrma)7.2.4 混合類協(xié)議混合類協(xié)議v1.混合時分多址訪問協(xié)議(htdma)v2.tdma

6、和csma的混合協(xié)議v3.adapt協(xié)議v4.abroad協(xié)議v5.agent協(xié)議v6.meta-協(xié)議7.3 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層7.3.1 ad hoc路由協(xié)議分類路由協(xié)議分類v根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點獲取路由信息的方法來對移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由算法進行分類表格驅(qū)動類路由協(xié)議(又稱主動式路由協(xié)議) 源節(jié)點初始化按需驅(qū)動類路由協(xié)議(又稱反應(yīng)式路由協(xié)議) v根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用的、用于計算優(yōu)先路由的信息類型來對路由算法進行分類 鏈路狀態(tài)算法距離矢量算法 7.3.2 主動式路由協(xié)議主動式路由協(xié)議v1最優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(olsr)v2. 基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浞职l(fā)協(xié)議(tbrpf 7

7、.3.3 按需路由協(xié)議按需路由協(xié)議v1ad hoc按需距離矢量路由協(xié)議(aodv)v2基于節(jié)點間相互關(guān)系的路由協(xié)議(abr)v3源動態(tài)路由協(xié)議(dsr)7.3.4 混合路由協(xié)議混合路由協(xié)議v1域路由協(xié)議(zrp)v2搶先式路由協(xié)議7.3.5 多徑路由技術(shù)多徑路由技術(shù)v多徑路由可以降低泛洪的頻次，其方法是在一次泛洪查詢過程中探測多條可能的路由，以低成本提供足夠的冗余度。v多徑路由能夠提高通信節(jié)點對帶寬的有效利用，響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)擁塞和突發(fā)傳輸，提高分組交付的可靠性。 四種多徑路由協(xié)議v(1)ad hoc按需多徑距離矢量路由協(xié)議(ad hoc on-demand multipath distance ve

8、ctor，aodmvv(2)多徑源動態(tài)路由協(xié)議v(3)最大節(jié)點不相交按需多徑路由協(xié)議v(4)分離多徑路由(split multipath routing，smr) 7.3.6 多目標(biāo)路由協(xié)議多目標(biāo)路由協(xié)議v多目標(biāo)協(xié)議也叫多播或組播路由協(xié)議。v多目標(biāo)傳輸(也叫組播或多播，multicasting)是將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給由一個目的地址指定的一組主機。v多目標(biāo)用于面向節(jié)點組的計算。越來越多的應(yīng)用必須是點對多點傳輸。v多目標(biāo)服務(wù)對于團隊密切協(xié)作的應(yīng)用非常重要，如要求共享文本和圖片、召開音頻和視頻會議。 典型的多目標(biāo)路由協(xié)議 v1maodv協(xié)議v2基于相互關(guān)系的多目標(biāo)路由協(xié)議(abam)v3按需多目標(biāo)路由協(xié)

9、議(odmrp)v4自適應(yīng)按需驅(qū)動多目標(biāo)路由協(xié)議(admr)7.3.7 路由協(xié)議的性能分析與評價路由協(xié)議的性能分析與評價v定性性能指標(biāo):(1)分布式操作(2)開環(huán)(3)基于需求的操作(4)主動式操作(5)網(wǎng)絡(luò)安全(6)“休眠”操作(7)單向鏈路的支持v定量性能指標(biāo):(1)端到端的數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)時延(2)路由獲取時間(3)亂序交付百分率(4)效率7.4 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的ip地址分配技術(shù)地址分配技術(shù)v在ip網(wǎng)絡(luò)中，移動裝置的ip地址分配是最重要的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)之一。v一個移動裝置在沒有分得一個空閑ip地址及其相應(yīng)子網(wǎng)掩碼地址之前無法參與網(wǎng)絡(luò)中的單目標(biāo)通信。v地址分配是面向manet

10、網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用的第一步。 分配方法 1沖突檢測分配法2無沖突分配法3最大努力分配法7.5 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的功率控制網(wǎng)絡(luò)的功率控制v可達性(accessibility)和便攜性(portability)在移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)中是一對矛盾的綜合體。 v功率管理是無線通信領(lǐng)域中最富挑戰(zhàn)性的一個問題。 7.5.1 功率消耗源功率消耗源v與通信有關(guān)的功率消耗源v與計算有關(guān)的功率消耗源與通信有關(guān)的功率消耗源v在移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，通信涉及源節(jié)點、中間節(jié)點，以及目的節(jié)點對收發(fā)信機的使用。 v一部典型的移動電臺可能存在三種工作方式：發(fā)射、接收、備用。 v發(fā)射方式功耗最大，備用方式功耗最小。 v在能

11、量資源有限條件下的協(xié)議開發(fā)目標(biāo)是：對于一個給定通信任務(wù)，收發(fā)信機的使用最優(yōu)化。 與計算有關(guān)的功率消耗源 v主要集中在協(xié)議處理方面，包括cpu和主存儲器的使用，以及在極小程度上使用磁盤或者其他組件v數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)(用于減小分組的大小，因而減少能量的使用)由于增加了計算而可能增加功耗v需要對計算成本和通信成本進行綜合、平衡考慮。 7.5.2 功率控制功率控制v移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的功率控制就是每個節(jié)點按照分布式方式為每個分組選擇發(fā)射功率。v因為功率等級的選擇將從根本上影響移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)許多方面的操作，所以功率控制是一個復(fù)雜的問題。(1)發(fā)射功率等級決定接收節(jié)點接收信號的質(zhì)量；(2)發(fā)射功率等級

12、決定發(fā)射的傳輸距離；(3)發(fā)射功率等級決定干擾其他接收節(jié)點的量級。 不利因素v(1)功率控制影響物理層；v(2)由于傳輸距離影響路由算法，所以功率控制影響網(wǎng)絡(luò)層；v(3)由于干擾產(chǎn)生碰撞，所以功率控制影響傳輸層。 v功率控制對系統(tǒng)總體性能具有多方面的影響：(1)由于媒介跟傳輸范圍內(nèi)其他節(jié)點數(shù)量有關(guān)，所以功率等級決定媒介訪問控制的性能；(2)功率等級選擇影響網(wǎng)絡(luò)連接，因此影響分組的交付能力；(3)功率等級影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量；(4)功率控制影響媒介的競爭、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)量，因此影響端到端時延；(5)發(fā)射功率影響能量消耗的重要性能指標(biāo)。如何進行功率控制v如果在osi協(xié)議棧的很多協(xié)議設(shè)計中采用固定功率等級，那么

13、功率等級的變化將引起故障。v發(fā)射功率控制是一個交叉層設(shè)計問題，影響協(xié)議棧的各個層次，影響吞吐量、時延、能量消耗等幾個關(guān)鍵性能的測量。 7.5.3 通用節(jié)能途徑通用節(jié)能途徑v(1)盡力減少分組重傳v(2)收發(fā)信機的高效使用v(3)設(shè)置優(yōu)先級，根據(jù)節(jié)點供電能力調(diào)度分組發(fā)送v(4)節(jié)點能耗的控制與管理v(5)暫停組成單元的操作 7.6 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的qos問題問題v在移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)上運行多媒體應(yīng)用，正在成為普適計算和普適通信環(huán)境中的一個完整部分，如視頻電話和按需多媒體。v將多媒體應(yīng)用和移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)綜合在一起的一個重要的認(rèn)可準(zhǔn)則就是提供端到端的服務(wù)質(zhì)量qos，如訪問多媒

14、體數(shù)據(jù)的高成功率，以及數(shù)據(jù)恢復(fù)時的有限制的端到端時延和滿意的吞吐量。 7.6.1 服務(wù)質(zhì)量參數(shù)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)v服務(wù)質(zhì)量通常定義為把分組流從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點的時候網(wǎng)絡(luò)必須滿足的一個服務(wù)要求集合。v例如，時延、帶寬、分組丟失概率、時延變化(抖動)，等等。v功率消耗和服務(wù)覆蓋范圍是另外兩個qos屬性，這兩個屬性對移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)很特別。 7.6.2 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)提供qos支持所面支持所面臨的問題與困難臨的問題與困難v(1)不可預(yù)測的鏈路特性。 v(2)隱含終端問題。v(3)節(jié)點移動。v(4)路由維護。v(5)有限的電池壽命。v(6)安全。 7.6.3 折中原理折中原理v移動

15、ad hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性歸因于多種原因。例如，易變和多變的鏈路特性、節(jié)點移動、變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒖勺兊膽?yīng)用要求。v在這種動態(tài)環(huán)境下提供qos是非常困難的。為移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)提供qos的兩個折中原理是：軟qos和qos自適應(yīng)。 7.6.4 處理方法處理方法v1從單一網(wǎng)絡(luò)層次上支持qos 按照層次化觀點討論移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)提供qos的問題。首先從物理層開始，然后到應(yīng)用層。v2層間處理法 除了在單一網(wǎng)絡(luò)層上研究qos支持以外，現(xiàn)在已經(jīng)做了一些努力引導(dǎo)設(shè)計和實現(xiàn)移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的層與層之間的qos框架體系。7.7 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)的安全問題網(wǎng)絡(luò)的安全問題7.7.1 移動移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅v第一，無線鏈路的使用使移動第一，無線鏈路的使用使移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)易受攻網(wǎng)絡(luò)易受攻擊者影響。擊者影響。v第二，在敵對環(huán)境第二，在敵對環(huán)境(例如戰(zhàn)場例如戰(zhàn)場)中漫游而缺乏相關(guān)物中漫游而缺乏相關(guān)物理保護的節(jié)點有著不可忽視的被危害的可能性。理保護的節(jié)點有著不可忽視的被危害的可能性。v第三，移動第三，移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和成員數(shù)兩方網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和成員數(shù)兩方面的不斷變化，是動態(tài)的，其節(jié)點之間的動態(tài)關(guān)系面的不斷變化，是動態(tài)的，其節(jié)點之間