（通信与信息系统专业论文）战术ad+hoc网络模拟系统中主控器的设计与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着i n t e r n e t 应用的迅猛发展和移动智能终端使用的日益增长，给广大用户提供了 诸多便利，可以随时随处自由接入i n t e r n e t ，享受更多的业务。与此同时，在接入速率和 适应环境上与3 g 技术互为补充的无线局域网也在迅猛发展，成为新一代高速无线接入网 络。无线局域网可以分为具有基础设施的网络和没有基础设施的网络两大类。前者具有固 定和有线的基站，网络中节点从基站接收并向基站发送所有的业务，后者就包括无线自组 织网络- - a dh o c 。 鉴于无线自组织网络自身的特点，在成本和技术上很难在研究过程中搭建真实的网络 环境，而现行的n s - 2 等网络仿真软件主要是验证协议和算法的正确性，对协议和算法进 行量化分析和统计，而且由于采用的是纯软件仿真方式，对于协议在实施阶段的调试和验 证还存在许多不足；而一般测试床费用高，不易管理。为此，本人所在的课题组提出了一 种a dh o c 网络模拟系统，用以验证协议实施阶段的正确性，从而避免对实际应用造成损 失。a dh o c 网络模拟系统通过对网络底层的设置，在单跳的共享网络中仿真了复杂的多跳 网络环境，并且采用中心控制的方式，使得能够在准真实的模拟环境中测试链路层、网络 层协议的实现，克服了仿真软件和测试床的不足。本论文a dh o c 网络模拟系统中主控器 的设计与实现即此系统的一个主要组成部分。 a dh o c 网络模拟系统的主控器软件按照软件工程的步骤和面向对象的方法，使用c + + 语言在v i s u a lc + + 6 0 平台下开发，运行于w i n d o w s 操作系统之上。软件的设计符合工 业软件设计的标准，具有良好的可操作性，提供了良好的人机交互界面，作为系统的中心 控制平台，实现了对全网的配置与监控，可方便用户对开发的协议进行更为全面的调试与 评估。目前a dh o c 网络模拟系统已实现了a d - h o c 信道接入协议、路由协议实施阶段的动 态拓扑模拟和测试，已进入实际应用阶段。 主题词：a dh o c 协议调试网络模拟系统 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n di n c r e a s i n gu s i n go ft h em o b i l ed e v i c e s ，p e o p l e h o p et og e tm o r e c o n v e n i e n c ei na c c e s s i n gi n t e m e ta ta n ym o m e n ta n de n j o ym o r es e r v i c e s a s t h ec o m p l e m e n to f3 gi na s s e s ss p e e da n da d a p t a b i l i t ya s p e c t ，w i r e l e s sl a ng e t sr a p i dp r o g r e s s a n db e o m e st h en e x tg e n e r a t i o na c c e s sn e t w o r k w i r e l e s sl a nh a st w om o d e s ，t h ei n f r a s t r u c t u r e b a s e dn e t w o r ka n da dh o cn e t w o r k i ti ss t i l lh a r dt ob u i l dr e a la dh o cn e t w o r ke n v i r o n m e n td u r i n gr e s e a r c hp r o c e s sb e c a u s e o fi t sh i g hc o s ta n dt e c h n o l o g i c a ld i f f i c u l t i e s n o w a d a y s ，s o m eo fp r e v a l e n te m u l a t i o nt o o l s ，s u c h a sn s - 2 ，a r ea i m e da t p r o v i n gt h ec o r r e c t n e s sa n da n a l y z i n gt h es t a t i s t i c so fp r o t o c o l sa n d a l g o r i t h m s ，b u tn o tf o rt e s t i n gp r o t o c o l si m p l e m e n t a t i o n a n dp r o t o c o lt e s t b e di sh i g h p r i c e da n d n o tw e l lc o n t r o l l a b l e t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , a l la dh o cs i m u l a t i o np l a t f o r mi sa d v a n c e d s p e c i a l l yf o rv a l i d a t i n g t h ep e r f o r m a n c ew h e np r o t o c o l si m p l e m e n t i n g b yr e c o n f i g u r i n g n e t w o r kl o w e rl a y e r s ，t h ep l a t f o r mc a r tf a b r i c a t ec o m p l i c a t e dm u l t i h o pe n v i r o n m e n tt h r o u g h s i n g l e - h o ps h a r e dw i r e l e s sn e t w o r k m o r e o v e r , i tw i l lb ee a s yt og e n e r a t ev a r i o u sn e t w o r ke v e n t s ， w h i c hf a c i l i t a t et e s t i n gp r o t o c o l si m p l e m e n t a t i o ni nm o r er e a l i s t i ce n v i r o n m e n ti nc o m p a r i s o n w i t he m u l a t i o nt o o l sa n dt e s t b e d s t h em a s t e rc o n t r o l l e ro f a dh o cn e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db yf o l l o w i n gt h e s t e p so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gd e s i g na n db yu s i n go b j e c t - o r i e n t e da p p r o a c h i ti sd e v e l o p e d w i t h i nt h ev i s u a lc + + 6 0p l a t f o r m t h ed e s i g no fi t ss o f t w a r ep r o p e r l ym e e t st h ec r i t e r i o no f t e c h n i c a ls o f t w a r e w i t hg o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n d f r i e n d l yg u i ，i th a sa c c o m p l i s h e d c o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o r i n go ft h ee n t i r en e t w o r k ，s h o w sg r e a tc o n v e n i e n c et ot h ec l i e n t si n p r o t o c o ld e b u g g i n ga n de v a l u a t i n g k e y w o r d s ：a dh o c ，p r o t o c o ld e b u g g i n g ，n e t w o r ks i m u l a t i o ns y s t e m 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：止导师签名：毕日期：之：z 二! 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 a dh o c 网络是一种多跳的、无中心、自组织无线网络，该网络可快速适应网络的动态 拓扑变化( 节点移动、链路干扰与阻塞) ，适应带宽受限( 节点的分组处理能力、链路容量 可变) 和功率受限( 小型化节点设备) 的通信应用环境。此外，a dh o c 网络无需任何固定的基 础设施，可实现网络的快速展开。基于a dh o c 网络的上述特点分析，同时结合未来战术 移动通信的作战需求，a dh o c 网络特别适用于军事战术通信。原因有三：固定的网络节 点易被敌方侦听和攻击：战术移动环境下的作战军队需要整体同步移动的通信网络支 持，以适应作战部队的移动和快速展开；战术前沿需要具有高抗干扰与抗毁性、并具 有自愈( s e l f _ h e a l i n g ) 能力的移动网络。因此，研究战术a dh o c 网络相关层次结构和网 络协议的开发调试具有十分重要的意义和应用价值。 1 1 课题意义 由于a dh o e 网络是一种特殊的对等式网络，这种基于对等、多跳、结点可移动的网络 特性令网络协议调试非常困难。首先，a dh o c 网络物理层协议要求实现无线信道必需的差 错控制功能，例如f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 等；其次，多跳特性会给a dh o c 网络 信道接入协议带来隐终端和暴露终端问题，这两个问题不仅会降低信道的利用率，还会增 加端到端时延，所以信道接入协议必须设法解决：同时，结点移动造成了网络拓扑的动态 变化，这些动态变化体现在节点加入、离开网络以及链路权值系数的变化等，而对于传统 的有线网络，网络拓扑则表现较为稳定，a dh o c 网络的这种带宽有限、拓扑变化频繁的特 性给路由协议提出了新的要求，传统的基于固定或移动通信网的协议调试手段很难应用于 a dh o c 网络。有鉴于此，设计a dh o c 网络协议的调试手段，开发相应的调试环境是目前 迫切需要解决的一个课题，意义重大。为了解决这个课题，我们开发了一种基于l a n 的a d h o c 网络模拟系统，用于a dh o c 网络协议的室内调试，此调试平台避免了使用网络仿真软 件和测试床进行协议调试的缺陷与不足，调试结果真实可靠，同时节省了开发调试的费用。 在a dh o e 网络模拟系统中，模拟主控器作为系统的核心对于a dh o c 网络协议的调试 是十分重要的。模拟主控器除了要完成对网络中各节点模拟器的参数配置，并进行拓扑控 制、设置同步信号、链路质量和传输错误率计算等之外：同时还要从各网络节点模拟器收 集通信过程中采集的数据，分析收集的数据，生成分析报告。不论是从拓扑结构上还是在 堕壅坚皇奎堂堡主堕壅竺堂垡堡茎 苎二皇堡堡 实际的系统测试中，模拟主控器的功能完善与否都将对整个系统的调试起着至关重要的作 用。此外，模拟主控器软件是唯一与用户交互的图形用户接口，它的设计与实现将直接影 响到整个系统软件的商用开发和应用前景。 本课题是以解放军理工大学通信工程学院相关实验环境为依托完成的。实验室多年来 的技术积累对完成本课题起到了重要的作用，论文还继承了实验室一些必要的实验成果， 文中不再一一列举。 1 2 本文的内容概要 本文主要研究战术a dh o e 网络模拟系统中模拟主控器的设计与实现，文章首先对a d h o e 网络的网络体系结构进行了综述。其次，文中比较了a dh o c 网络协议调试工具的优缺 点，提出了采用网络模拟器进行a dh o c 网络协议调试的方法，并设计和开发了一种新的 战术a dh o e 网络模拟系统，该系统具有扩展性好、操作简单、真实可靠等优点。文中着 重描述了模拟系统中模拟主控器的结构、功能和具体实现。 第二章介绍r i dh o e 网络的网络体系结构及其特点，a dh o e 信道接入协议和路由协议 中的关键技术问题等。 第三章重点介绍了现有的a dh o e 网络协议调试手段，通过通过分析与对比引出了一种 新的分阶段实施的调试方法。 第四章提出了一种基于l a n 的网络模拟系统，以及该系统的结构，软硬件组成，系统 要达到的目标以及可实现的功能。 第五章详细分析模拟主控器的系统功能，并给出了模拟主控器软件的设计思路以及具 体实现。 最后总结了全文，并对下一步研究提出展望。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线a d h o c 网络技术 第二章无线a dh o e 网络技术 2 1a dh o c 网络概述 2 1 1a dh o c 网络的定义和发展历史 “a dh o c 一词来源于拉丁语，意思是“专用的，特定的”。a dh o c 网源于军事行 动对可移动性和可抗毁性的需求，最早出现在7 0 年代美国高级防御计划署( d a r p a ) 的 p r n e t 研究项目中。由于受到无线通信技术和网络技术的制约，早期a dh o c 网的应用研究 仅局限于军事领域，进展缓慢，曾一度停滞不前。9 0 年代后期，移动通信、软件无线电、 i n t e r n e t 等技术的蓬勃发展，微处理器计算能力的提高、无线设备成本的降低，促使人 们燃起了摆脱有线网络束缚的渴望，无线网络技术重新成为研究的热点。 a dh o c 网络是早期p r n e t 的延伸和发展。它由具有无线通信能力的移动主机组成， 由于无线传播范围的限制，一台主机可能需要借助其他主机的帮助将信息传送到目的地。 这里的移动主机可看作是一般意义上的主机和路由器的合一，它可以仅是一部带有无线数 传装置的个人计算机，也可以是汽车、坦克、轮船所载的设备。多个h dh o c 网络依靠一定 的手段组合在一起时，就形成了具有良好的鲁棒性和重组能力、可快速部署、适应动态环 境的网络体系。 目前，a dh o c 网络技术已经越来越多的引起各国军事、商业和学术研究机构的兴趣， 在d a p r a 的全球移动信息系统( g i o m o ) 研究计划中。一项主要目标就是要建立一个可自 组织、自愈合、具有鲁棒性的高性能网络，美国许多大学如c a l i f o r n i a 、c a r n e g i em e ll o n 、 u cb e r k e l e y 、m a r y l a n d 、t e x a sa m 、c o r n e l l 等都分别设立了专门的研究室，从智能天 线、无线链路控制、网络协议、仿真环境、应用访问及实现等诸多方面开展了广泛的研究。 s u n 、n o k i a 等商业机构的研究人员，法国国家计算机实验室以及其他一些国家的学术团 体也在从事这一方面的工作。 2 1 2a dh o c 网络的特点 a dh o c 网络是种特定的无线网络，由组无线节点或终端相互合作而形成，独立于 固定的基础设施并采用分布式管理，是一种白建立、自组织和自管理的网络，可以在任何 时刻任何地方构建形成一个自由移动的通信网络，而不需要固定的基础网络设施支持。a d 3 壹室塑皇奎兰堡主堕窒生堂垡笙奎箜三童垂垡竺竺! ! 塑垒垫查 h o e 网络中没有固定的接入点，节点间的连接取决于节点问的距离和结合的自发性。由于 终端的无线覆盖范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端必须借助于其他节点进 行转发，这种多跳性是a dh o e 区别于其他无线网络的最主要的特征之一。 a dh o e 网络所有节点兼备主机和路由器的功能。一方面，节点作为主机运行相关的应 用程序：另一方面，节点作为路由器运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常 见的路由操作，对接收到的不属于自己的信息需要进行转发。与其他通信网络相比，a dh o e 网络还具有以下特征： 网络的自组性：a dh o e 网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需要固定的基础网络 设施的支持； 有限的无线传输带宽：无线信道本身的物理特性使a dh o e 网络的网络带宽相对有线方 式要低得多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声干扰等 因素，实际有效的带宽要小得多。 动态的网络拓扑结构。从网络层来看，a dh o e 网络中，移动用户可以以任意的速度和 任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道问的相互干扰因素、 地形因素等的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会发生变化： 移动终端的有限性：a dh o e 网络中的移动用户终端内存较小，c p u 处理能力不高，采 用能量有限的电池进行供电，以上诸多客观因素使得a dh o e 网络的设计更加困难： 网络的分布式：a dh o e 网络中的移动节点都兼有路由器和主机的功能，不存在类似于 基站的网络中心控制点，各节点间地位平等，采用分布式控制方式，增强了网络的鲁棒性； 安全性差：a dh o e 网络是一种无线方式的分布式结构，节点可以随时加入网络和退出 网络，所以更加容易被窃听、入侵和网络攻击等； 生存时间短：a dh o e 网络通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束后，网络 环境将会自动消失，生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 这些特点使得a dh o e 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移 动通信网络和通常的无线局域网有着显著的区别。 2 1 3a dh o c 网络的应用 a dh o e 网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占据一席之地提供了有利的依 据。从a dh o e 的起源就可以看出，它的应用领域与普通的通信网络有着明显的差别。其 应用场合主要有以下几类。 堕室坚皇奎兰堡主堡壅生堂垡笙壅 蔓三兰墨垡垒! 旦! ! 婴垫垫查 ( 1 ) 军事应用：军事应用是a dh o e 技术研究的初衷，今后也将是a dh o e 的主要应用领 域。在现代化战场上，装备了移动通信装置得各种军事车辆之问、士兵之间、士兵与军事 车辆之间都需要保持密切的联系，以便完成集中统一指挥，协调作战。由于战场上没有基 站等基础通信设施，a dh o e 因为其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特 点，成为数字化战场的首选技术。 ( 2 ) 传感器网络：对于很多应用场合来说，传感器网络只能使用无线通信技术。考虑到体 积和节能等因素，传感器的功率不可能很大。使用a dh o e 网络实现多跳是非常实用的解 决方案。这在战场侦察、爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。 ( 3 ) 紧急和临时场合：在发生了地震、水灾或是遭受了其他灾难性打击后，固定的通信 网络设施都可能无法正常工作。这时就需要a dh o e 网络这种既不依赖任何固定网络设施 又能快速布设的自组织网络技术。处于边远野外的地区时，无法依赖固定或预设的固定网 络设施进行通信。a dh o e 网络的独立组网能力和自组织特点，是这些场合的最佳选择。 ( 4 ) 个人通信：个域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是a dh o e 网络技术的另一应用领域。 它不仅可以用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信，还可以用 于个人局域网络之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网( s c a t t e m e t ) 就是一个典型的例子。 ( 5 ) 与移动通信系统的结合；a dh o e 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动 台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小区的业务，提高小区边 缘的数据率等。 在实际的应用中，a dh o e 网络除了可以单独组网实现局部范围内的通信外，它还可以 作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与a dh o e 网络以外的主机进 行通信。这样就可以大大扩大现有通信网络的通信范围。 2 1 4a dh o c 网络的技术难点 a dh o e 网络有着广泛的应用前景，但是由于其自身的一些特征，在技术方面，a dh o e 网络还面临很多的挑战： ( 1 ) 路由技术：在有中心的无线网络中，移动节点通过固定的无线接入点连接到固定网 络，因此从网络层的角度来看，这些有中心的网络是一个单跳网络，研究的问题主要集中 在信道的接入控制等方面。而在a dh o e 网络中，非相邻节点间的通信必须通过其他节点 转发完成，因此如何迅速准确地选择到达目的节点的路由是a dh o e 网络面临的一个核心 问题。由于a dh o e 网络没有中心管理，节点移动会导致网络拓扑快速变化，如何检测网 壹室坚皇盔兰堡主婴壅兰兰垡兰塞蔓三兰垂垡垒! 望! ! 塑竺垫查 络拓扑的动态变化，维护网络拓扑的连接，获得高度自适应的路由成为a dh o e 网络面临 的最大挑战。 ( 2 ) 信道接入技术：不同于传统的蜂窝网络，a dh o c 网络中没有集中的管理和全局的同 步时钟，这使得传统的信道接入协议不再适用。由于a dh o e 网络的特殊组织形式，它的 信道接入协议面临很多的新问题。这些问题包括不同的信道共享方式、隐终端问题、暴露 终端问题和节点移动的影响等。a dh o e 网络的信道接入协议必须尽量消除这些因素的影 响。 ( 3 ) t c p 技术改进：鉴于t c p i p 已经成为事实上的i m e m e t 标准协议栈，作为i n t e m e t 扩展的移动a dh o e 网络也必将采用它。由无线链路的错误突发与信道时变、节点的移动 与频繁切换而引起的突发性分组丢失会降低t c p 的性能，这是因为a dh o c 网络中的分组 丢失主要由无线差错和节点移动性所致，而传统的t c p 将所有的分组丢失都看作网络拥 塞而重传丢失分组和启动拥塞控制机制，进行网络的恢复，这些措施无谓地压制了传输， 降低了网络性能。因此，在移动a dh o c 网络中不能直接采用传统的t c p 协议，必须采取 相应的机制来区分分组丢失是由于网络拥塞、无线链路差错，还是由于移动切换，并采取 相应的快速恢复机制。目前，t c p 支持蜂窝无线环境的改进机制主要有链路层机制和分段 机制两种。这两种机制对提高移动a dh o c 网络中t c p 的性能都有较大意义，但是都还不 够完善。 ( 4 ) 功率管理：功率管理一直是无线网络中比较难以解决的问题，在移动a dh o c 网络中 更是如此。在这类网络中主要考虑两方面的问题： a ) 为了使网络吞吐量最大，必须按照一定的方案调整移动节点的功率，以便在传输范 围和干扰之间进行折衷。功率越小，干扰越小，但传输范围也越小 功率越大，传输范围 越大，但带来的干扰也就越大。 b ) 既然移动节点通常都是以电池为能源的，所以减少它们的电池消耗是非常重要的。 一种方案是当节点无需收发和转发信息时就将其转入睡眠或空闲状态。目前也有一些学者 正在考虑最小能量消耗路由选择和组播方案。 ( 5 ) 安全管理：安全管理对许多网络都是一个非常重要的问题，在移动a dh o c 网络中 更是如此。在移动a dh o e 网络中实现保密性、完整性、服务有效性以及鉴权和认证等安 全需求方面将面临极大的挑战，这是因为节点的移动性给鉴权中心的确定和密钥管理带来 很大困难。 ( 6 ) 无线a dh o c 网络的互联：无线a dh o c 网是一种多跳网，上述的路由算法都属于单 个网内的，很少涉及如何把多个a dh o c 子网联接成一个大网及如何与有线网相结合，由 堕塞坚皇查堂堡圭堕塞兰兰竺丝苎蔓三里垂堡垒! 坚竺塑塑垫查 此便提出将无线a dh o c 网络互联的问题。通过使用网关路由器，可以实现将几个a dh o c 网络互联以及网内节点可以访问互联网的功能。无线a dh o e 网与i n t e m e t 和广域网的互 联，从外部来看，可以认为a dh o c 网是个i p 子网。网内部分分组的传送是由网内路 由协议完成，而当分组进入或离开子网时，采用标准i p 路由机制。这就要求网关节点要 能运行多种路由协议。 2 2a dh o t ；网络体系结构 2 2 1a dh o c 的节点结构 a dh o c 网络的节点不仅具有移动终端的功能，还要完成路由器的功能。因此，网络节点通 常包括主机、路由器和电台三部分。其中主机部分( 外置计算机或嵌入式计算机) 完成移动 终端的功能，包括人机接口、数据处理等；而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路 由信息，完成报文的转发功能；电台部分( 无线接t 1 ) 提供无线信息传输功能。从物理结构上 分，节点可以被分为以下几类：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。手持机一般采用单主机单电台结构，复杂的车载台可能包括通信车内的多个主机，它可 以采用多主机单多电台结构，以实现多个主机共享一个或多个电合。多电台使节点具有更 大的灵活性和自适应能力，不仅可以使用多个电台来构建叠h i l ( o v e r l a y ) 网络，还可以作为网 关节点来互联多个a dh o c 网络。 雕i 机事i 乜由 多l ，帆毒i 乜f t 图2 1a dh o c 网络节点的结构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线a dh o e 网络技术 2 2 2a dh o c 的网络结构 a dh o e 网络一般有两种结构：平面结构( 见图2 2 ) 和分级结构( 见图2 3 和图2 4 ) 。平 面结构中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。而分级结构中，网络被划分为 簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇头( d u s t e r h e a d e r ) 和多个簇成员( c l u s t e rm e m b e r ) 组成，这些 簇头形成了高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直 至晟高级。分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发。比如当簇1 中的节点a 要与簇2 中 的节点b 通信时，节点a 先把数据发送给簇1 的簇头；簇l 的簇头分析发现b 在簇2 中， 把数据转发给簇2 的簇头( 可能要经过其它簇头的转发) ；簇2 的簇头收到数据后，发现b 是自己簇的成员，把数据发送给b 。 图2 2 平面结构 ( 二：，圾 1 1 接头壤雌妯 孵盖 图2 3 单频分级 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二_ ：章无线a d h o c 网络技术 ( ：) 簋 蕞艘成菌 图2 ，4 多频分级结构 根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络 ( 图2 3 ) 只有一个通信频率，所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要 有网关节点( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨 干网络。而在多频率分级网络中( 图2 4 ) ，不同级采用不同的通信频率。低级的节点的通信 范围较小，而高级的节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，有多个频率， 用不同的频率实现不同级的通信。在图2 4 所示的两级网络中，簇头节点有两个频率。频 率1 用于簇头与簇成员的通信，而频率2 用于簇头之间的通信。 平面结构的网络比较简单，无需任何的结构维护过程。源站和目的站之间一般存在多条 路径，可以使用多条路径实现负荷分担，也可以为不同的业务类型选择适当的路径。网络中 所有节点是对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。平面结构中节点的覆盖范围比较小 相对较安全。平面结构的最大缺点是网络规模受限。在平面结构中，每一个节点都需要知道 到达其它所有节点的路由。由于节点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控 制消息。网络规模越大，路由维护的开销就越大。当网络的规模增加到某个程度时，所有的 带宽都可能会被路由协议消耗掉。所以平面式结构网络的可扩充性较差。 分级结构的最大优点是可扩充性好，网络规模不受限制。必要时可以通过增加簇的个数 或级数来提高网络的容量。分级结构中，簇内成员的功能比较简单，基本上不需要维护路 由，这大大减少了网络中路由控制信息的数量。簇头节点复杂一些，它要维护好到达其它簇 头的路由，还要知道所有节点与簇的所属关系。但总的来说，在相同网络规模的条件下路 由开销要比平面结构的小。如果簇内通信的信息量占较大比例时，各簇可以互不干扰地进 行通信，系统的吞吐量显然比平面结构的要高。但是分级结构也有它的缺点。首先，维护分 级结构需要较复杂的簇头选择算法，簇头选择算法需要仔细设计。其次，簇闻信息都要经过 9 堕室塑皇三三堂堡主塑塞兰兰堡堡塞 兰三皇垂堡垒! 竺! ! 旦塑垫查 簇头寻路，不一定能使用最佳路由。比如在不同簇中但互为邻居的节点，在平面结构中可以 直接通信，但分簇后要通过两个簇的簇头转交。 分级结构要比平面结构有优势。首先，分级结构有较好的可扩展性。其次分级结构通过 路由信息局部化提高了系统的吞吐量。分级结构使路由信息局部化，簇内节点无须知道其 他簇的拓扑结构，一个簇的拓扑变化不会被其它簇感知，这减小了路由控制报文的开销。再 次，分级结构中节点的定位要比平面结构简单得多。在平面结构中，想知道一个节点的位置， 需要在全网中执行查询操作。而在分级结构中，簇头知道自己簇成员的位置，只要查询簇头 就可以得到节点的位置信息。还有，分级结构可通过移动性管理来实现序列寻址。按照节点 与簇的关系为节点分配逻辑序列地址，由簇头充当类似于h l r 和v l r 功能的位置管理服 务器，就可以简单地实现节点定位和寻址。再有，分级结构是无中心和有中心模式的混合体， 可以采用两种模式的技术优势。虽然采用分级结构后有了相对的控制中心簇头，但是 簇头和簇成员是动态变化的，节点仍是自动组网的。分级以后网络被分成了相对独立的簇， 每个簇都有控制中心。基于有中心的t d m a 、c d m a 、轮询等技术都可以在分级的网络中 使用。基于有中心控制的路由、移动性管理、网络管理技术也可以移植到a dh o e 网络中 来。美国的w a m i s 项目为了实现a dh o c 网络中多媒体信息的传输，采用了分级结构并使 用了t d m a 、c d m a 等信道接入技术。随着对a dh o c 网络中q o s 要求的提高，采用基于 有中心的技术可能是最佳的选择。所以随着应用的增加，a dh o c 网络逐渐呈现出分级化的 趋势。 2 2 3a dh o c 网络的协议栈 根据a dh o c 网络的特征，参照o s i 的经典7 层协议栈和t c p i p 的体系结构，可以 将a dh o e 网络的协议栈划分为5 层，如图2 5 所示。 麻川联jl 传输层 蚓络 链蹄k ： 物雕描 1 r 1 0 堕塞坚皇奎兰堡主堡壅竺兰垡笙壅 一 蔓三兰垂垡垒! 坚竺! 塑竺垫查 图2 5 分层协议栈 ( 1 ) 物理层 物理层的功能包括信道的区分和选择、无线信号的监测、调制懈调等。物理层的设计 目标是以相对低的能量消耗，克服无线媒体的传输损伤，获得较大的链路容量。所采用的 关键技术有调制解调、信道编码、多天线、自适应功率控制、自适应干扰抵消、自适应速 率控制等。 ( 2 ) 数据链路层 包含两个子层：信道接入子层m a c 和链路控制子层l l c 。m a c 子层控制移动节点 对共享无线信道的访问，包括两部分：一是信道划分，即如何把频谱划分成不同的信道； 二是信道分配，即如何把信道分配给不同的用户。在a dh o e 网络中，必须克服隐藏终端 和暴露终端问题，其方法包括随机竞争机制( c s m a 、i e e e 8 0 2 1l 或m a c a ) 、轮转机制 ( 轮询或令牌环) 、动态调度机制以及以上机制的组合。逻辑链路控制子层负责向网络提 供统一的服务，屏蔽底层不同的m a c 方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分 组的转发确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。 ( 3 ) 网络层 主要功能包括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联等功能。邻居发现主要用于 收集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，包括单播路由和 多播路由。 ( 4 ) 传输层 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 层的特性来高效的利用网络资源，当a dh o e 网络需要接入i n t e m e t 等外部网络时尤其需 要传输层协议的支持。基于传统有线网络中的传输层协议，不适合于a dh o c 网络，必须 加以修正以适应无线传输的移动网络环境。 ( 5 ) 应用层 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r t p r t c p 的自适应应用( 音频和视频) 和没有任何服务质量 保证的数据报业务。 由于本课题所提出的a dh o c 网络模拟系统主要用于a dh o e 网络协议栈中信道接入协 议和路由协议的调试与验证，因此对于a dh o c 网络信道接入协议和路由协议的介绍是十 分必要的。 l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线a d h o c 网络技术 2 2 3 1a dh o c 网络信道接入协议 信道接入协议是a dh o c 网络协议的重要组成部分。它处在协议栈的最底层，是报文在 无线信道上发送和接收的直接控制者。信道接入协议能否有效地使用无线信道的有限带宽 将对a dh o c 网络的性能起着决定性的作用。这也是自从a dh o e 网络技术出现至今，对信 道接入协议的研究经久不衰的原因。 由于a dh o e 网络特殊的信道共享方式，基于固定网络或蜂窝移动网络的协议不能满足 a dh o c 网络的需要，蜂窝移动通信系统中使用的有中心的信道接入技术和传统的基于共享 广播信道的信道接入技术都无法直接应用到a dh o e 网络中，因而需要专门设计适用于a d h o c 网络的信道接入协议。经过近2 0 年的研究，研究人员提出了数十种a dh o c 网络信道 接入协议。这些协议具有各种不同的设计目标，使用了各种不同的信道复用技术，也对应 用环境做了各种不同的假设。对它们进行严格的分类是非常困难的。根据a dh o c 网络信 道接入协议使用的信道数目，我们把已有的a dh o c 网络信道接入协议分为基于单信道、基 于双信道和基于多信道三类。 1 ) 基于单信道的接入协议 基于单信道的a dh o c 网络信道接入协议用于只有一个共享信道的a dh o c 网络。所有 的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。受传播时延、隐终端和节点移动等 因素的影响，单信道的a dh o c 网络中有可能发生控制报文之间、控制报文和数据报文、数 据报文之间的冲突。一般而言数据报文要比控制报文长得多，数据报文的冲突会严重影响信 道的利用率。所以，这种信道接入协议的主要目标之一就是通过使用控制报文尽量减少甚至 消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略。典型的基于单信道的a dh o c 网络信道 接入协议有m a c a ( m u l t i p l ea e c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 、c s m a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ) 、m a c a w ( m a c a f o rw i r e l e s sl a n ) 、i e e e8 0 2 1 1d c f 和f a m a ( f l o o ra c q u i s i t i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 系列等 3 4 。 2 ) 基于双信道的接入协议 基于双信道的a dh o c 网络信道接入协议用于有两个共享信道的a dh o c 网络。两个信 道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送控制报文，而数据信道只传送数据报文。 因为使用了两个不同的信道，控制报文不会与数据报文发生冲突。双信道在解决隐终端和 暴露终端方面具有独特的优势。通过适当的控制机制，可以完全消除隐终端和暴露终端的影 响，避免数据报文的冲突。典型的基于双信道a dh o c 网络信道接入协议有b a p u ( b a s i c a c c e s sp r o t o c o ls o l u t i o n sf o rw i r e l e s s ) 、d b t m a ( d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s ) 和 1 2 南京邮电大学硕士研宄生学位论文第二草无线a dh o c 网络技术 d c m a ( d u a lc h a n n e lm u l t i p l ea c c e s s ) 等 3 4 。 3 ) 基于多信道的接入协议 基于多信道的a dh o e 网络信道接入协议用于具有多个信道的a dh o c 网络。由于网络 中有多个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时进行通信。在使用多信道的情况下，接入 控制更加灵活。可以使用其中一个信道作为公共控制信道，也可以让控制报文和数据报文在 同个信道上混合传送。这种信道接入协议主要关注两个问题：信道分配和接入控制。信 道分配负责为不同的通信节点分配相应的信道，消除数据报文的冲突，使尽量多的节点可 以同时进行通信。接入控制负责确定节点接入信道的时机、冲突的避免和解决等问题。 2 2 3 2a dh o c 网络路由协议 a dh o e 网络路由协议的目标是快速、准确、高效、可扩展性好，现有的路由协议大致 可以分为先应式( p r o a c t i v e ) 和反应式( r e a c t i v e ) 两种。 先应式路由协议 - 3 4 又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由协议，是一种基于表格的路由 协议。在这种路由协议中，每个节点维护一或多张表格，这些表格包含到达网络中其它所 有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息。收 到更新消息的节点更新自己的表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。不同的先 应式路由协议的区别在于拓扑更新消息在网络中传播的方式和需要存储的表的类型。先应 式路由协议不断地检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表。所以路由表可 以准确地反映网络的拓扑结构。源点一旦要发送报文，可以立即得到到达目的地的路由。 图2 6 是现有的部分先应式路由协议。 图2 6 先应式路由协议 先应式路由协议采用周期性的路由分组广播，来交换路由信息。每个节点维护去往全 网所有节点的路由。主动路由的优点是当节点需要发送一个去往其他节点的数据分组时， 只要路由存在，发送分组的延时就很小；缺点是表驱动路由协议需要通过连续地检测链路 1 3 塑室塑皇查兰婴主堕墼兰堂些塑茎塑三垩垂垡垒! 旦竺! 旦竺垫查 质量，时刻维护准确的网络拓扑和路由信息，这使得需要大量的控制报文和其它代价( 如带 宽、电源、c p u 资源等) ，才能使路由表能够跟上当前网络拓扑结构的变化，但动态变化 的拓扑结构又可能使高价得来的路由表中内容变成无效信息，路由协议始终处于不收敛状 态。 反应式路由协议 3 4 ( 需求驱动路由协议) 是根据发送节点的需要，按需进行路由发 现过程，网络拓扑结构和路由表内容也是按需建立的，所以其内容可能仅仅是整个网络拓 扑结构信息的一部分。按需路由的优点是不需要周期性的广播路由信息，仅当需要时，才 查找相应的路由，这就节省了路由维护的开销。特别是当网络负荷不是很重时，节省的开 销更加可观；缺点是在发送数据分组时，因没有去往目的节点的路由，要i 临时启动路由发 现过程来寻找路由，所以数据分组需要等待一定时间的延时，并且由于路由发现过程通常 采用全网泛洪机制进行搜索，这在一定程度上也抵消了按需机制带来的好处。图2 7 是现 有的部分反应式路由协议。 图2 7 反应式路由协议 单纯采用先应式或反应式路由协议都不能完全解决问题，使用既有先应式特点又有反 应式特点的混合式路由协议是路由协议发展的必然方向。在局部范围内使用先应式路由协 议，以缩小路由控制消息传播的范围：当目标节点较远时，通过查找发现路由。这样既可 以减少路由协议的开销，时延特性也得到了改善。 本章小结 a dh o c 网络是一种新颖的移动通信网络的类型，它既可以作为一种独立的网络运行， 也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式，其自身的独特性，将赋予其具有巨大 的发展前景。本章对a dh o c 网络的基本概念和特点进行了介绍，并在此基础上对其关键 的技