第6章 移動自組織網(wǎng)絡

1、第六章 移動自組織網(wǎng)絡6.1 MANET概述6.2 MANET協(xié)議設計6.3 MANET路由6.4 MANET功率控制參考資料nIETF Mobile Ad-hoc Networks (MANET) Working Groupn/html.charters/manet-charter.htmlnS. Corson, J. Macher, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, RFC 2501, J

2、anuary 1999nC. Perkins, E. Belding-Royer, et al., Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, RFC 3561, July 2003nDavid B. Johnson, et al., The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004nI. Chakeres, C. Perkins, Dynamic MANET On-dema

3、nd (DYMO) Routing, draft-ietf-manet-dymo-06.txt, October 2006nT. Clausen, et al., Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), RFC 3626, October 2003nR. Ogier, et al., Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), RFC 3684, February 2004 nS. Basagni et al, Mobile Ad Hoc Networkin

4、g, IEEE Press (John Wiley & Sons), 20046.1 移動自組織網(wǎng)絡（Mobile Ad hoc NETwork, MANET）概述n移動Ad Hoc網(wǎng)絡由一組無線移動節(jié)點組成，是一種不需要依靠現(xiàn)有固定通信網(wǎng)絡基礎設施的、能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡體系，所需人工干預最少，是沒有任何中心實體、自組織、自愈的網(wǎng)絡。n各個網(wǎng)絡節(jié)點相互協(xié)作、通過無線鏈路進行通信、交換信息，實現(xiàn)信息和服務的共享。n網(wǎng)絡節(jié)點能夠動態(tài)地、隨意地、頻繁地進入和離開網(wǎng)絡，而常常不需要事先示警或通知，而且不會破壞網(wǎng)絡中其他節(jié)點的通信。蜂窩移動通信網(wǎng)絡n移動終端和固定基站互相通信n移動終端不具備

5、路由功能n基站負責路由和交換功能基站充當接入有線網(wǎng)絡的網(wǎng)關nWLANn移動節(jié)點配備無線網(wǎng)網(wǎng)卡n移動節(jié)點通過接入點與固定網(wǎng)絡連接nWLAN工作在鏈路層，對網(wǎng)絡層透明n對網(wǎng)絡層來說WLAN是一個單跳網(wǎng)絡WLAN移動互聯(lián)網(wǎng)的需求n特殊環(huán)境（空曠）n災難(地震、水災、強風暴)n科學考察/探險/軍事戰(zhàn)場n接入網(wǎng)絡服務商所需的時間和成本n現(xiàn)有服務和架構的性能或者能力n用戶可遠離網(wǎng)絡基礎設施而保持與網(wǎng)絡的連接移動互聯(lián)網(wǎng)的起源n源自軍事領域n20世紀70年代分組無線網(wǎng)（PRNET）n戰(zhàn)場環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信戰(zhàn)場環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信n1983年的抗毀自適應網(wǎng)絡（SURAN）n支持大規(guī)模網(wǎng)絡支持大規(guī)模網(wǎng)絡n適應戰(zhàn)場快速變

6、化環(huán)境需要的自適應網(wǎng)絡協(xié)議適應戰(zhàn)場快速變化環(huán)境需要的自適應網(wǎng)絡協(xié)議n1994年的全球移動信息系統(tǒng)（GloMo）n滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)動信息系統(tǒng)nIEEE802.11首次提出“ad hoc”nIETF1997年成立MANET工作組nIRTF（互聯(lián)網(wǎng)研究工作組）（互聯(lián)網(wǎng)研究工作組）在2003成立了ANS 研究組移動Ad hoc網(wǎng)絡n移動Ad hoc網(wǎng)絡/多跳無線網(wǎng)絡n由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成 Wi-Fi Direct標準是指允許無線網(wǎng)絡中的設備無需通過無線路由器即可相互連接。與藍牙技術類似，這種標準允

7、許無線設備以點對點形式互連，而且在傳輸速度與傳輸距離方面則比藍牙有大幅提升。n網(wǎng)絡中每個終端可以自由移動、地位相等n是一個多跳、臨時、無中心網(wǎng)絡n不需要現(xiàn)有信息基礎網(wǎng)絡設施的支持n可以在任何時候、任何地點快速構建 ad hoc:for the specific purpose onlyMANET特點n具備移動通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的特點n網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化n無中心網(wǎng)絡的自組性n多跳組網(wǎng)方式n有限的無線傳輸帶寬(根據(jù)網(wǎng)絡的不同)n移動終端的自主性n安全性差n網(wǎng)絡的可擴展性不強n存在單向的無線信道n生存時間短MANET與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡n與常規(guī)移動通信網(wǎng)絡比較n不需要網(wǎng)絡通信基礎設施支持n不依賴基站進行通

8、信n分組交換機制n數(shù)據(jù)通信業(yè)務為主n拓撲結構動態(tài)變化MANET與固定網(wǎng)絡n與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡比較n固定網(wǎng)絡中主機位置基本不變n固定網(wǎng)絡結構一般比較復雜nad hoc網(wǎng)絡規(guī)模相對較小nad hoc網(wǎng)絡的拓撲結構比較簡單nad hoc網(wǎng)絡拓撲結構快速變化MANET與其他無線網(wǎng)絡n與分組無線網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、比較n單跳與多跳n研究重點不同n主要研究內容是在網(wǎng)絡的物理層和DLn通信模式不同n移動終端的所有通信都要經(jīng)過接入點進行 應用案例應用案例n2000年2003年，美國國防部高級研究規(guī)劃署（DARPA）資助了一項名為“自愈式雷場系統(tǒng)”的研究項目，系統(tǒng)采用智能化的移動反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。

9、n地雷都配備了無線通信和自組織聯(lián)網(wǎng)模塊，通過某種方式散布(飛機、導彈等)，組成自組織網(wǎng)絡。n地雷陣遭到敵方的坦克突破之后，各個地雷節(jié)點通過無線方式傳遞拓撲結構變化的信息，然后各節(jié)點通過自動彈跳功能迅速自愈，使通信網(wǎng)絡重新連通，形成新一輪的地雷陣。n如此反復，直到系統(tǒng)無法重構為止再全部自行引爆。n作用：限制敵軍機動能力，延緩敵軍進攻或撤退速度，在一定時間內封鎖特定領域。n2003年， “無所不在的跳蚤市場”的應用n在“無所不在的跳蚤市場”中，每個用戶既是買方又是賣方，他們將自己需要購買或者想要拋售的商品信息注冊到MANET便攜設備的相應存儲區(qū)域。n在任何時間、任何地點，MANET設備通過無線通信

10、模塊和周圍的節(jié)點取得聯(lián)系，進行匹配掃描。當掃描到條件匹配的買賣雙方時，便攜設備就會報警通知用戶對方節(jié)點的信息，從而買賣雙方可以啟動相應的處理程序進行實物交易6.2 MANET協(xié)議設計nMAC層在移動Ad Hoc網(wǎng)絡中，節(jié)點移動、無線信道脆弱、缺乏中心協(xié)調機制是在設計MAC協(xié)議時必須仔細考慮的問題。 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(也稱混合協(xié)議(Hybrid Protocol)。 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

11、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)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)議使用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。（缺點？）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

12、計算傳輸時間安排?；旌项悈f(xié)議混合類協(xié)議1.混合時分多址訪問協(xié)議(HTDMA)2.TDMA和CSMA的混合協(xié)議3.ADAPT協(xié)議4.ABROAD協(xié)議5.AGENT協(xié)議6.Meta-協(xié)議Ad Hoc的網(wǎng)絡結構的網(wǎng)絡結構n集中式控制結構：n普通節(jié)點設備簡單，中心控制節(jié)點設備復雜，有較強的處理能力，負責路由和實施流量控制。n分布式控制結構：n平面結構n分級結構n平面結構的ad hocn適應于中小規(guī)模的ad hoc網(wǎng)絡n分級結構的ad hoc網(wǎng)絡n網(wǎng)絡劃分為一到多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員構成；n簇頭形成高一級的網(wǎng)絡，又可以在分簇，再組成更高一級的網(wǎng)絡；n簇頭可以指定，也可以由算法產(chǎn)生；l分級結

13、構的分級結構的ad hocn分級結構ad hoc優(yōu)點：n良好的可擴充性，網(wǎng)絡規(guī)模不受限制；n使路由信息局部化， 減少路由協(xié)議的開銷；n節(jié)點定位比平面結構簡單。 l分級結構的缺點：n簇頭的選舉算法增加了計算復雜性；n簇頭可能成為網(wǎng)絡瓶頸。移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層1 Ad Hoc路由協(xié)議分類路由協(xié)議分類n根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點獲取路由信息的方法來對移動Ad Hoc網(wǎng)絡的路由算法進行分類n表格驅動類路由協(xié)議(又稱主動式路由協(xié)議) n源節(jié)點初始化按需驅動類路由協(xié)議(又稱反應式路由協(xié)議) n根據(jù)網(wǎng)絡節(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 n鏈路狀態(tài)算法n距離矢量算法 主動式

14、路由協(xié)議主動式路由協(xié)議1.帶目的地序列號的距離矢量協(xié)議（DSDV）2.最優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OLSR)3.基于反向路徑轉發(fā)的拓撲分發(fā)協(xié)議(TBRPF） 按需路由協(xié)議按需路由協(xié)議1Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)2基于節(jié)點間相互關系的路由協(xié)議(ABR)3源動態(tài)路由協(xié)議(DSR)混合路由協(xié)議混合路由協(xié)議1域路由協(xié)議(ZRP)2搶先式路由協(xié)議AODV協(xié)議工作流程協(xié)議工作流程n路由建立：n當某節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)到一個新的目的節(jié)點時，它將廣播一個帶有TTL生存時間的RREQ（路由請求消息）來嘗試找到一條到目的節(jié)點的路由；n如果RREQ消息到達目的節(jié)點，這條路由將被找到。另外一種情況下，路由也

15、可以找到，就是RREQ到達了一個中間節(jié)點，該中間節(jié)點有到目的節(jié)點的路由。n路由找到后，則向源節(jié)點發(fā)送RREP消息，此時路由建立完畢。123n路由維護：n當一條鏈接斷開時，一條RERR消息被用來通知其他節(jié)點發(fā)生了連接斷裂，RERR消息指出了不能再到達的目的節(jié)點。n于是源節(jié)點就重新發(fā)起路由查找的過程。n優(yōu)點：n思路簡單易行；n鏈路失效能夠被立即報告，路由可重新建立；n節(jié)點只存儲需要的路由，減少了內存的需求和不必要的復制n缺點：n路由表中僅維護一條到指定的目的節(jié)點的路由，并且采用了超時刪除路由的機制，因此即使路由未失效，在超過時限后也將被刪除。n在源和目的節(jié)點對之間建立并使用一條單路徑。由于節(jié)點移動

16、性、節(jié)點失敗以及無線信道的動態(tài)特征，單路徑中的鏈路可能會臨時失效從而導致路徑不可達，而尋找替代路徑的開銷大。位置輔助路由位置輔助路由(Location Aided Routing, LAR)工作流程工作流程nLAR假設節(jié)點可以通過GPS定位設備獲取自身位置信息，并且知道其它節(jié)點運動的平均速度。n路由請求時，源節(jié)點根據(jù)目的節(jié)點歷史位置和移動速度為目的節(jié)點D計算一個可能區(qū)域，并指定一個地理上的請求范圍，并將此信息附在路由請求分組中。n只有位于請求范圍內的中間節(jié)點才進行路由請求的轉發(fā)，從而減少路由請求的影響范圍。GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)協(xié)議協(xié)

17、議n網(wǎng)絡節(jié)點都知道自身地理位置并被統(tǒng)一編址，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的節(jié)點在數(shù)據(jù)包中寫入目的地的地理位置。n任何收到數(shù)據(jù)的節(jié)點向以直線距離計算最靠近目的節(jié)點的鄰節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)。n優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸時延小，健壯性好。n缺點：n某些情況下數(shù)據(jù)會到達沒有比該節(jié)點更接近目的點的區(qū)域，也稱為空洞，導致數(shù)據(jù)無法傳輸。評價MANET路由協(xié)議的指標：n數(shù)據(jù)的傳輸率和傳輸延遲n反應了數(shù)據(jù)的傳輸質量l路由請求的時間n有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到發(fā)送出去的時間n路由協(xié)議的效率n路由控制信息與數(shù)據(jù)信息的比率多徑路由技術多徑路由技術n多徑路由提供了到一個目的節(jié)點的多條路徑，源和目的節(jié)點可以使用這些路徑作為主路徑和候選路徑，也可以有選擇地在多條路徑上并發(fā)

18、傳輸。n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。n多徑路由實現(xiàn)了負載平衡、提供較高的帶寬利用率，提高吞吐量。四種多徑路由協(xié)議n(1)Ad Hoc按需多徑距離矢量路由協(xié)議(Ad Hoc On-Demand Multipath Distance Vector，AODMVn(2)多徑源動態(tài)路由協(xié)議n(3)最大節(jié)點不相交按需多徑路由協(xié)議n(4)分離多徑路由(Split Multipath Routing，SMR) 多目標路由協(xié)議多目標路由協(xié)議n多目標協(xié)議也叫多播或組播路由協(xié)議。n多目標傳輸(也叫組播或多播，Multicasting)是目的節(jié)

19、點將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給一組主機。n是一種面向群組計算的通信方式（如軍事上對人員進行控制）。n多目標服務對于團隊密切協(xié)作的應用非常重要，如要求共享文本和圖片、召開音頻和視頻會議。n關鍵：如何確定多播路徑？ 典型的多目標路由協(xié)議 1MAODV協(xié)議2基于相互關系的多目標路由協(xié)議(ABAM)3按需多目標路由協(xié)議(ODMRP)4自適應按需驅動多目標路由協(xié)議(ADMR)思考n我們到現(xiàn)在為止介紹了幾類MANET的路由協(xié)議呢?n泛洪n單路徑傳輸n多播對照衡量MANET路由協(xié)議的指標，對比下各種協(xié)議的優(yōu)缺點。MANET對路由協(xié)議的要求n收斂迅速n提供無環(huán)路由n避免無窮計算n控制管理開銷小n對終端無過高要求n支持單向

20、信道n盡量簡單實用n路由機制必須適應網(wǎng)絡三個不斷變化的基本特征n移動節(jié)點總體密度n節(jié)點到節(jié)點的拓撲n網(wǎng)絡的使用模式移動移動Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡的功率控制網(wǎng)絡的功率控制n功率管理是無線通信領域中最富挑戰(zhàn)性的一個問題。 n移動節(jié)點的電池能量有限n采取合理的能量管理機制達到節(jié)能控制，延長網(wǎng)絡存活時間，對提高網(wǎng)絡性能起關鍵作用。n功率消耗源n與通信有關的功率消耗源（手機接收功率不到1瓦，基站發(fā)射功率20w）n與計算有關的功率消耗源與通信有關的功率消耗源n在移動Ad Hoc網(wǎng)絡中，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。 n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

21、。 n發(fā)射方式功耗最大，備用方式功耗最小。 n在能量資源有限條件下的協(xié)議開發(fā)目標是：對于一個給定通信任務，收發(fā)信機的使用最優(yōu)化。 與計算有關的功率消耗源 n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n數(shù)據(jù)壓縮技術(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n需要對計算成本和通信成本進行綜合、平衡考慮。 功率控制功率控制n移動Ad Hoc網(wǎng)絡的功率控制就是為每個節(jié)點選擇發(fā)射功率。n功率等級的選擇將從根本上影響移動Ad Hoc網(wǎng)絡許多方面的操作。nGSM手機發(fā)出的最低功率為3.2mW,最大功率2W。(1)發(fā)射功率等級決定接收節(jié)

22、點接收信號的質量；(2)發(fā)射功率等級決定發(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(1)功率控制影響物理層；(2)由于傳輸距離影響路由算法，所以功率控制影響網(wǎng)絡層；(3)由于干擾產(chǎn)生碰撞，所以功率控制影響傳輸層。 如何進行功率控制n如果在OSI協(xié)議棧的很多協(xié)議設計中采用固定功率等級，那么功率等級的變化將引起故障。n發(fā)射功率控制是一個交叉層設計問題，影響協(xié)議棧的各個層次，影響吞吐量、時延、能量消耗等幾個關鍵性能的測量。 移動移動Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡的能量管理網(wǎng)絡的能量管理n能量管理的方法n調整發(fā)射功率n節(jié)點根據(jù)自己與鄰居節(jié)點的距離以及鄰節(jié)點之間的距離等信息調

23、整發(fā)射功率，以達到最小能耗。n休眠n沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時，節(jié)點進入休眠模式?；蛘唠S機休眠。n選擇合適的路由算法移動移動Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡的網(wǎng)絡的QoSQoS問題問題n在移動Ad Hoc網(wǎng)絡上運行多媒體應用，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。n將多媒體應用和移動Ad Hoc網(wǎng)絡綜合在一起的一個重要的認可準則就是提供端到端的服務質量QoS，如訪問多媒體數(shù)據(jù)的高成功率，以及數(shù)據(jù)恢復時的有限制的端到端時延和滿意的吞吐量。 服務質量參數(shù)服務質量參數(shù)n服務質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)絡必須滿足的一個服務要求集合。n例如，時延、帶寬、分組丟失

24、概率、時延變化(抖動)，等等。n功率消耗和服務覆蓋范圍是另外兩個QoS屬性，這兩個屬性對移動Ad Hoc網(wǎng)絡很特別。 提供提供QoSQoS支持所面臨的問題與支持所面臨的問題與困難困難(1)不可預測的鏈路特性。 (2)隱含終端問題。(3)節(jié)點移動。(4)路由維護。(5)有限的電池壽命。(6)安全。 折中原理折中原理tradeoffn移動Ad Hoc網(wǎng)絡的動態(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)絡拓撲、可變的應用要求。n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)絡提供QoS的兩個折中原理是：軟QoS和QoS自適應。 處理方法處理方法1從單一網(wǎng)絡層次上支持QoS 按照層次化觀點討論移動Ad Hoc網(wǎng)絡提供QoS的問題。首先從物理層開始，然后到應用層。2層間處理法 除了在單一網(wǎng)絡層上研究QoS支持以外，現(xiàn)在已經(jīng)做了一些努力引導設計和實現(xiàn)移動Ad Hoc網(wǎng)絡的層與層之間的QoS框架體系。移動移動Ad HocAd Hoc網(wǎng)絡的安全問題網(wǎng)絡的安全問題面臨的安