第7章移动Adhoc网络

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 移动,Ad hoc,网络,7.1,概述,7.1.1,移动,Ad Hoc,网络的需求背景,我们正在从个人计算机时代,(,即一个人一个计算装置,),过渡到随遇计算时代,(Ubiquitous Age),此时，提供所需要的连接和网络服务就成为一种挑战。,涉及的问题,移动问题,不需要基础设施支持的问题,动态自组织组网问题,网络必须能够快速展开的问题。,解决方案,研究人员提出了不需要基础设施支持的移动,Ad Hoc,解决方案,移动,Ad Hoc,网络是复杂的分布式网络系统，是自组织、自愈网络，由无线移动节点组成；无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性“,Ad Hoc”,网络拓扑，从而允许人们和装置在没有预先存在的通信基础设施,(,如灾后重建环境,),的环境中进行无缝地互连互通。,7.1.2,分组无线网络发展简述,7.1.3,移动,Ad Hoc,网络的定义,移动,Ad Hoc,网络由一组无线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、能够迅速展开使用的网络体系，所需人工干预最少，是没有任何中心实体、自组织、自愈的网络。,各个网络节点相互协作、通过无线链路进行通信、交换信息，实现信息和服务的共享。,网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络，而常常不需要事先示警或通知，而且不会破坏网络中其他节点的通信。,多跳,Ad Hoc,通信的一个例子,单跳,Ad Hoc,通信的,个例子,多跳网络好于单跳网络的原因,(1),增强了网络的扩展性；,(2),减少了干扰；,(3),提高了整个网络的吞吐量；,(4),降低了应用所关心的时延；,(5),降低了数据传输中的能量消耗。,7.2,移动,Ad Hoc,网络的,MAC,层,在移动,Ad Hoc,网络中，节点移动、无线信道脆弱、缺乏中心协调机制是在设计,MAC,协议时必须仔细考虑的问题。,7.2.1 Ad Hoc MAC,协议分类,竞争协议,(Contention Protocol),分配协议,(Allocation Protocol),竞争协议和分配协议的组合协议,(,也称混合协议,(Hybrid Protocol),。,7.2.2,竞争类,MAC,协议,1,ALOHA,协议,2,载波侦听多址访问协议,(CSMA),3,基于控制分组握手的访问控制协议,(1),多址访问与碰撞回避,(MACA),协议,(2)MACAW,协议,(3)FAMA,协议,(4)IEEE 802.11 MAC,协议,(5)MACA-BI,协议,竞争类,MAC,协议,(,续,),4,忙音类多址访问协议,(1),忙音多址访问协议,(BTMA),(2),双忙音多址访问协议,(DBTMA),(3),接收机初始化忙音多址访问协议,RI-BTMA,(4),无线碰撞检测协议,WCD,(5)MACA-BI,协议,7.2.3,分配类协议,两种截然不同的分配协议是静态分配协议,(Static Allocation Protocol),和动态分配协议,Dynamic Allocation Protocol),，其区别在于计算传输时间安排的方法不同。静态分配协议使司集中式传输时间安排算法，该算法事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间安排。这种传输时间安排等效于以太网接口卡的,MAC,地址分配。动态分配协议使用分布式传输时间安排算法，该算法按需地计算传输时间安排。,分配类协议,1.,时分多址访问协议,(TDMA),2.,五步预留协议,(FPRP),3.,跳频预留多址访问协议,(HRMA),7.2.4,混合类协议,1.,混合时分多址访问协议,(HTDMA),2.TDMA,和,CSMA,的混合协议,3.ADAPT,协议,4.ABROAD,协议,5.AGENT,协议,6.Meta-,协议,7.3,移动,Ad Hoc,网络的网络层,7.3.1 Ad Hoc,路由协议分类,根据网络节点获取路由信息的方法来对移动,Ad Hoc,网络的路由算法进行分类,表格驱动类路由协议,(,又称主动式路由协议,),源节点初始化按需驱动类路由协议,(,又称反应式路由协议,),根据网络节点使用的、用于计算优先路由的信息类型来对路由算法进行分类,链路状态算法,距离矢量算法,7.3.2,主动式路由协议,1,最优化链路状态路由协议,(OLSR),2.,基于反向路径转发的拓扑分发协议,(TBRPF,7.3.3,按需路由协议,1,Ad Hoc,按需距离矢量路由协议,(AODV),2,基于节点间相互关系的路由协议,(ABR),3,源动态路由协议,(DSR),7.3.4,混合路由协议,1,域路由协议,(ZRP),2,抢先式路由协议,7.3.5,多径路由技术,多径路由可以降低泛洪的频次，其方法是在一次泛洪查询过程中探测多条可能的路由，以低成本提供足够的冗余度。,多径路由能够提高通信节点对带宽的有效利用，响应网络拥塞和突发传输，提高分组交付的可靠性。,四种多径路由协议,(1)Ad Hoc,按需多径距离矢量路由协议,(Ad Hoc On-Demand Multipath Distance Vector,，,AODMV,(2),多径源动态路由协议,(3),最大节点不相交按需多径路由协议,(4),分离多径路由,(Split Multipath Routing,，,SMR),7.3.6,多目标路由协议,多目标协议也叫多播或组播路由协议。,多目标传输,(,也叫组播或多播，,Multicasting),是将数据分组发送给由一个目的地址指定的一组主机。,多目标用于面向节点组的计算。越来越多的应用必须是点对多点传输。,多目标服务对于团队密切协作的应用非常重要，如要求共享文本和图片、召开音频和视频会议。,典型的多目标路由协议,1,MAODV,协议,2,基于相互关系的多目标路由协议,(ABAM),3,按需多目标路由协议,(ODMRP),4,自适应按需驱动多目标路由协议,(ADMR),7.3.7,路由协议的性能分析与评价,定性性能指标,:,(1),分布式操作,(2),开环,(3),基于需求的操作,(4),主动式操作,(5),网络安全,(6)“,休眠”操作,(7),单向链路的支持,定量性能指标,:,(1),端到端的数据吞吐量和数据时延,(2),路由获取时间,(3),乱序交付百分率,(4),效率,7.4,移动,Ad Hoc,网络的,IP,地址分配技术,在,IP,网络中，移动装置的,IP,地址分配是最重要的网络配置参数之一。,一个移动装置在没有分得一个空闲,IP,地址及其相应子网掩码地址之前无法参与网络中的单目标通信。,地址分配是面向,MANET,网络实际应用的第一步。,分配方法,1,冲突检测分配法,2,无冲突分配法,3,最大努力分配法,7.5,移动,Ad Hoc,网络的功率控制,可达性,(Accessibility),和便携性,(Portability),在移动,Ad Hoc,网络中是一对矛盾的综合体。,功率管理是无线通信领域中最富挑战性的一个问题。,7.5.1,功率消耗源,与通信有关的功率消耗源,与计算有关的功率消耗源,与通信有关的功率消耗源,在移动,Ad Hoc,网络中，通信涉及源节点、中间节点，以及目的节点对收发信机的使用。,一部典型的移动电台可能存在三种工作方式：发射、接收、备用。,发射方式功耗最大，备用方式功耗最小。,在能量资源有限条件下的协议开发目标是：对于一个给定通信任务，收发信机的使用最优化。,与计算有关的功率消耗源,主要集中在协议处理方面，包括,CPU,和主存储器的使用，以及在极小程度上使用磁盘或者其他组件,数据压缩技术,(,用于减小分组的大小，因而减少能量的使用,),由于增加了计算而可能增加功耗,需要对计算成本和通信成本进行综合、平衡考虑。,7.5.2,功率控制,移动,Ad Hoc,网络的功率控制就是每个节点按照分布式方式为每个分组选择发射功率。,因为功率等级的选择将从根本上影响移动,Ad Hoc,网络许多方面的操作，所以功率控制是一个复杂的问题。,(1),发射功率等级决定接收节点接收信号的质量；,(2),发射功率等级决定发射的传输距离；,(3),发射功率等级决定干扰其他接收节点的量级。,不利因素,(1),功率控制影响物理层；,(2),由于传输距离影响路由算法，所以功率控制影响网络层；,(3),由于干扰产生碰撞，所以功率控制影响传输层。,功率控制对系统总体性能具有多方面的影响：,(1),由于媒介跟传输范围内其他节点数量有关，所以功率等级决定媒介访问控制的性能；,(2),功率等级选择影响网络连接，因此影响分组的交付能力；,(3),功率等级影响网络吞吐量；,(4),功率控制影响媒介的竞争、转发跳数量，因此影响端到端时延；,(5),发射功率影响能量消耗的重要性能指标。,如何进行功率控制,如果在,OSI,协议栈的很多协议设计中采用固定功率等级，那么功率等级的变化将引起故障。,发射功率控制是一个交叉层设计问题，影响协议栈的各个层次，影响吞吐量、时延、能量消耗等几个关键性能的测量。,7.5.3,通用节能途径,(1),尽力减少分组重传,(2),收发信机的高效使用,(3),设置优先级，根据节点供电能力调度分组发送,(4),节点能耗的控制与管理,(5),暂停组成单元的操作,7.6,移动,Ad Hoc,网络的,QoS,问题,在移动,Ad Hoc,网络上运行多媒体应用，正在成为普适计算和普适通信环境中的一个完整部分，如视频电话和按需多媒体。,将多媒体应用和移动,Ad Hoc,网络综合在一起的一个重要的认可准则就是提供端到端的服务质量,QoS,，如访问多媒体数据的高成功率，以及数据恢复时的有限制的端到端时延和满意的吞吐量。,7.6.1,服务质量参数,服务质量通常定义为把分组流从源节点传输到目的节点的时候网络必须满足的一个服务要求集合。,例如，时延、带宽、分组丢失概率、时延变化,(,抖动,),，等等。,功率消耗和服务覆盖范围是另外两个,QoS,属性，这两个属性对移动,Ad Hoc,网络很特别。,7.6.2,移动,Ad Hoc,网络提供,QoS,支持所面临的问题与困难,(1),不可预测的链路特性。,(2),隐含终端问题。,(3),节点移动。,(4),路由维护。,(5),有限的电池寿命。,(6),安全。,7.6.3,折中原理,移动,Ad Hoc,网络的动态性归因于多种原因。例如，易变和多变的链路特性、节点移动、变化的网络拓扑、可变的应用要求。,在这种动态环境下提供,QoS,是非常困难的。为移动,Ad Hoc,网络提供,QoS,的两个折中原理是：软,QoS,和,QoS,自适应。,7.6.4,处理方法,1,从单一网络层次上支持,QoS,按照层次化观点讨论移动,Ad Hoc,网络提供,QoS,的问题。首先从物理层开始，然后到应用层。,2,层间处理法,除了在单一网络层上研究,QoS,支持以外，现在已经做了一些努力引导设计和实现移动,Ad Hoc,网络的层与层之间的,QoS,框架体系。,7.7,移动,Ad Hoc,网络的安全问题,7.7.1,移动,Ad Hoc,网络面临的安全威胁,第一，无线链路的使用使移动,Ad Hoc,网络易受攻击者影响。,第二，在敌对环境,(,例如战场,),中漫游而缺乏相关物理保护的节点有着不可忽视的被危害的可能性。,第三，移动,Ad Hoc,网络在拓扑结构和成员数两方面的不断变化，是动态的，其节点之间的动态关系也将随之变化。,第四，一个移动,Ad Hoc,网络可能包括成百甚至上千个节点。,7.7.2,安全目标,(1),实用性,(Availability),(2),机密性,(Confidentiality),(3),完整性,(Integrity),(4),认证,(Authentication),(5),非否定性,(Non-Repudiation),7.8,移动,Ad Hoc,网络的应用,1,会议,2,个人区域网络,3,紧急事件服务,4,传感器尘埃,