（计算机应用技术专业论文）分布式mobile+adhoc网络管理系统研究.pdf

摘要 最近这几年来。随着移动通信和i n t e m e t 技术的飞速发展以及各种手提、 便携设备( 笔记本、掌上电脑、p d a 等) 的普及，人们对移动网络的需求急刷 增加移动网络的研究引起了人们的极大关注和重视，将移动通信的移动方便性 和i n t e m e t 的信息内容丰富性结合起来。m o b i l ea d h o e 网络就是其中的f 型代 表。 m o b i l ea d h o c 是一种无基站的移动无线网络，不需要任何事先搭建的基础 设施，因此具有有线网络和其它类型的无线网络所无法替代的作用。然而，和常 规网络一样，a d h o c 网络建立起来之后，必须要有配套的网络管理软件，对网 络进行有效的管理，使之高效、稳定运作。根据m o b i l ea d h o c 网络的特点本 文提出了一种基于移动代理的层次网络管理体系结构，能有效的管理m o b i l e a d h o e 网络的整体运作，监测网络节点状态，检测网络故障并报警与此同时 能很好地降低网络管理所带来的资源消耗的负面影响。 本文首先介绍了m o b i l ea d h o c 网络的基本概念、特点、应用范围以及对它 进行网络管理的特殊要求。然后阐述了基于t c p p 网络的s n m p 网络管理协议 的各项规范和操作原语，随后介绍了移动代理( m o b i l e a g e n t ) 技术。 在这些背景知识的前提下，我们提出了适7 立于m o b i l e a d h o c 网络特点的基 于移动代理的层次网络管理体系结构。为了为构造这种网络管理体系结构，我们 设计了分布式拓扑搜索算法和簇算法。在成功获取网络的拓扑信息后，通过簇算 法，将整个网络划分成一系列称为簇的管理域，每个簇选举出一个簇头节点负责 对该簇内所有成员节点的管理，并将管理结果反馈给网络管理站。 故障管理作为网络管理最重要的功能模块，在这种网络管理体系结构下我 们着重研究了故障管理子模块的实现，检测网络节点的负载状况和链路状态及 时发现网络故障。最后，为了增加对m o b i l ea d h o c 的特征描述，介绍丁z f ： w i n d o w s 环境下利用s n m p a p i 进行m i b 库的扩充和s n m p a g e n t 的实现过程。 关键字：m o b i l e a d h o c ，网络管理，移动代理，s n m p a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n d i n t e r a c ta n dt h ep o p u l a r i t yo f m o b i l ed e v i c e ss u c ha sn o t e b o o k ，p a l m t o p ，】印t o p ，a n d p d a ，t h ed e m a n d st om o b i l en e t w o r ka r ei n c r e a s i n gr a p i d l y a tt h es a m et i m ep e o p l e p a yg r e a ta t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho f m o b i l en e t w o r k ，c o m b i n et h em o b i l i t yo f m o b i l e n e t w o r kw i t ht h er i c h n e s so fi n t e m e ti n f o r m a t i o n m o b i l ea d h o cn e t w o r ki st h e t y p i c a lr e p r e s e n t a t i o n m o b i i ea d h o cn e t w o r ki sak i n do fw i r e l e s sn e t w o r kw i t h o u tb a s es t a t i o n a n d m f t a s t l u c t u r e l e s s s oi tc a l lp e r f o i t ns o m et a s kt h a tw i r e dn e t w o r kc a n t h o w e v e r m o b j l oa d - h o ea l s on e e dc o r r e s p o n d i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r et og u a r a n t e ei t e m c i e n ta n ds t a b l er u n l l i n g a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fm o b i l ea d h o c t h i sp a p e r p r o p o s e sa m o b i l ea g e n t b a s e dh i e r a r c h i ca r c h i t e c t u r eo f n e t w o r km a n a g e m e n t ，w h i c h c a l lm a n a g em o b i l ea d h o cn e t w o r ke f f i c i e n t l y , d e t e c tt h es t a t eo fn o d ea n dl i n k a n d c a nr e d u c et h em e s s a g eo v e r h e a d i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p t ，f e a t u r e ，a p p l i c a t i o no fm o b i l e a d h o cn e t w o r ka n di t sp a r t i c u l a rr e q u i r e m e n to fm a h a g e m e n tf i r s t t h e nw e e x p o u n dt h es p e c i f i c a t i o n o fs n m pb a s e dt c p i pn e t w o r k ，s u b s e q u e n t l yw e i n t r o d u c et h em o b il ea g e n tt e c h n i q u e w i t ht h e s eb a c k g r o u n dk n o w l e d g e ，w ep r o p o s e sam o b i l ea g e n t b a s e dh i e r a r c h i c a l c h i t e c t u r eo fn e t w o r km a n a g e m e n ta p p l i c a b l et om o b i i ea d h o cn e m o r k f o rb u i l d t h en e t w o i km a n a g e m e l l ta r c h i t e c t u r e ，w ed e s i g nd i s t r i b u t e dt o p o l o g ys e a r c h i n g a l g o r i t h ma n dc l u s t e ra l g o f i t l u n a f t e rg a i n i n gt h en e t w o r kt o p o l o g yi n f o r m a t i o n ，w e d i v i d et h ew h o l en e t w o r ki n t oas e r i e so fd o m a i nn a b b e dc l u s t e rt h r o u g hc l u s t e r a l g o m 】1 m e v e r yc l u s t e rc h o o s e sac l u s t e rh e a dt om a n a g ea 】1t h en o d e sj nt h ec 1 u s t e r a n df c e d b a c kt h er e s u l tt on m s a st h em o s ti m p o r t a n tm o d u l e ，w ec o n c e n t r a t eo i lr e s e a r c h i n gf a u l tm a n a g e m e n t u s i n gt h ea r c h i t e c t u r e s oa st od e t e c tt h el o a do fn o d e sa n dt h es t a t eo fl i n k sa n df i n d n e t w o r kf a u l ti nt i m e a tl a s t f o ra d d i n gt h ed e s c r i b i n go fm o b i l ea d h o cn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c w ei n t r o d u c et h ea m e l i o r a t i o nt om i ba n di m p l e m e n to fs n m pa g e n t u s i n gs n m pa p ii nw i n d o w so s k e y w o r d s ：m o b i l ea d h o c ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，m o b i l ea g e n t ，s n m p 中冈科学技术大擘坝f 咩位论义分布式m o b i l e a d ，h o c 州络管理系统研究 1 1 网络管理概述 第一章引言 进入信息时代以后，i n t e m e t 迅速发展，人们越来越依赖于计算机网络获取 丰富的信息。然而计算机网络随着人们需求增长也在不断的发展，规模不断扩大， 复杂性逐步增加。因此，在组网建网的同时，对计算机网络的有效管理也被提到 了一个非常重要的地位。网络管理是一个对计算机网络进行检测与控制的过程， 使之发挥最大的效率和性能，使所有的网络资源处于良好的运行状态，这涉及到 网络数据的收集、处理、分析一系列复杂的过程。其目标足提供干巾列一驻机h 络、系统及j 务进行舰划、漫计、操作运行、管理、监拧和分析等的下段最大 限度地增加网络的可用时间，提高网络设备的利用率、网络性能、服务质量和安 全性。 1 1 1 网络管理的5 大功能模块 网络管理是一个综合性的领域，含盖了网络资源和活动的规划、组织、监视、 计费和控制各个方面。国际标准化组织( i s o ) 从功能角度上为网络管理定义了 5 大模块，分别是：配置管理、性能管理、故障管理、计费管理和安全管理。 配置管理负责监控和设置网络的配置信息，使网络管理人员可以生成、查询 和修改软件和硬件的运行参数和条件，以保持网络的正常运行，包括视图管理、 拓扑管理、软件管理及网络规划和资源管理。其作用主要是确定设备的地理位置、 名称和有关细节，记录并维护设备参数表；用适当的软件设置参数值和配置设备 功能；初始化、启动和关闭网络或网络设备；维护、增加和更新网络设备及调整 网络设备之间的关系。 性能管理是一组评价被管对象行为和通信活动有效性的设施，周期性地收集 被管设备各项性能数据，如接口流量、链路利用率、响应时间等。并形成历史纪 录，从而分析出网络当前的运行状况和预测网络将来的走势。 故障管理是检测和确定网络环境中异常操作所需要的一组设施，包括故障检 测、故障定位、故障隔离和故障修复几部分。保证在网络出现故障后能够很快检 测到，并向用户报警、记录到故障同志，同时分析出故障的准确位置，尽可能地 加以修复，或向管理员提供修复信息。 计费管理负责监视和记录用户对资源的使用情况数据，并分配网络的运行成 本。 安全管理负责提供一个安全政策，根据安全政策确保只有授权的合法用户才 可以访问被管理的网络资源。包括发现全漏洞、设计和该进安全策略、根据管理 记录产生安全事件报告，以及为护安全业务。可以提供访问控制、安全警告、安 全审计试验。 中倒科学技术人学顺i j 学位论义分布am o b i l e a d h o c 州络管理系统研究0 i 占 刚络管理在功能上划分成这5 大模块，但各功能不是孤立的，完成某项管理 功能往往需要其他管理功能的配合和联系，它们共同构成一个相互关联的动态变 化的蚓络管理系统。性能管理需要从配置管理模块得到网络的拓扑结构信息查 询网络节点的各项状念指标，分析出当前的运行结果：故障管理需要性能管理模 块的计算结果。结合配置数据库的设备配置信息，捡测出网络故障。再利用上述 信息和网络的事件报告，一旦确认发生故障，通过配置管理模块修改配置参数， 修复、替换或隔离故障部件。最后将网络故障。情况作为网络状态数据移交性能管 坤，以分析计算网络的可用性参数。 1 1 2 目前主要网络管理系统产品介绍 在网络管理的初步阶段，都是由各通信网络设备厂商开发只适用于自己产品 的专用的网络管理系统。但随着网络互连、网络管理标准化工作的加强，这种互 不兼容的系统已经基本上被否定了。目前，国际上几家知名的i t 公司纷纷开发 了支持各大通信网络设备厂商的设备的通用网络管理系统产品，并取得了巨大成 功。以下我们介绍几种市场占有率较高且技术先进、性能卓越的管理平台。 l - h p o p e n v i e w o p e n v i e w 是h p 。公司的旗舰软件产品，是开发较早而且比较成熟的网络管 理平台，其管理框架解决方案是事实上的工业标准，己成为网络管理平台的典范， 有无数的第三方厂商在o p e n v i e w 的平台上开发应用，占有最大的市场份额。它包 括一系列管理平台，一整套网络和系统管理应用开发工具。网络节点管理器 ( n n m ) 是o p e n v i e w 管理框架的基石，第三方的解决方案就是建立在n n m 之 上的。能够支持故障管理、配置管理和性能管理。它的主要缺陷体现在缺乏基于 广域网的分布式界面，对广域网设备使用集中式的管理界面将占用大量的带宽。 2 i b m n e t v i e w n e t v i e w 是i b m 公司在o p e n v i e w 和t i v o l i 的基础上开发的网络管理系统， 很好地实现了网络管理与系统管理的有力集成，能够支持大规模、多厂商网络环 境，以及第三方丌发的应用的集成。它的最大优势在于大型机管理方面。然而 n e t v i e w 最多只能管理2 5 0 个节点。这也限制了它的推广。 3 c a b l e t r o ns p e c t r u m s p e c t r u m 是c a b l e t r o n 公司的多厂商网络管理产品，其独特的智能特性在业 界为人称道。s p e c t r u m 包括网络管理服务器s p e c t r o s e r v e r 和图形用户界面客户 端s p e c t r o g r a p h 。它的优势在于拥有广泛的操作系统支持，很好地应用了人工智 能的技术，但它的市场占有额目前还比较小。 通过以上的分析我们可以看出，尽管目前市场上的各种网络管理系统在结构 上存在或大或小的差异，技术上各具特色，但是随着标准化活动的开展，系统互 连的需要，这些产品和技术将在丌放性、综合性、智能化各多方面逐渐走向统一。 中口4 科学技术人学硕 ：学位论文 分布式m o b i l e a d h o e 嘲绵管理系统研究 1 1 3 网络管理技术的发展趋势 随着人们对网络管理要求的不断提高，新一代的综合网络管理系统必须其备 丌放系统的特性，即兼容性、可移植性、可互操作性、可仲缩性和易用性等特祉。 网络管理技术为了适用新的要求，也在不断进步和改进，主要呈现如下几个发眨 趋势： 1 分布式网络管理技术 分布式技术一直是推动网络管理技术发展的核心技术，也越柬越受到、f k 界的。 重视。由于计算机网络的规模以极其快的速度发展，其规模同益扩大。传统的集 中式的管理模式虽然简单、易于实现，但这同时也严重影响了网络管理系统的磐 体性能，占用过多的网络带宽，存在网络瓶颈和单点故障。将分伽式处理技术应 用到网络管理中，可以有效地提高系统性能，增强系统的灵活性和可扩展性。使 用多线程技术，让多个操作并发执行，加快了整体执行的速度；使用移动代理技 术，将数据处理代码移动到最靠近数据源的节点执行，只返回最后的计算结果， 可以减少网络的数据传输量，提高数据采集的实时性。 2 基于w e b 的网络管理技术 基于w e b 的应用以其友好的用户界面、丰富的媒体形式吸引了越多的用户， 将网络管理和w e b 结合起来不失为。种明智的选择。基于w e b 的州络请理系 统的根本点就是允许通过w e b 浏览器进行网络管理操作，它具有地理和系统上 的可移动性、简单熟悉的w e b 界面、平台的独立性，具有很强的吸引力一旗r w e b 的网络管理模式主要有代理方式和嵌入式方式两种。 3 人工智能处理技术 人工智能是目前计算机领学科中一个蓬勃发展的领域，而现代计算机网络的 复杂性对网络管理员提出了更高的要求，运用人工智能技术来管理计算机网络就 势在必行，用以作为技术人员的辅助工具。故障诊断和故障自动修复是人工智能 应用最早的网络管理领域，可用于解释网络运行的差错信息、诊断故障和提供处 理建议，而不只是给出故障的原始数据。性能专家系统将能够分析运 亍参数和数 据，在用户发现网络故障之前预测和排除故障。 1 2 无线网络概述 有人形象地比喻浣，未来的空中到处都是数据它就像空气中的氯气，只不 过有人可能“氧气”充足有人可能缺“氧”。无线网络的好处在于任何时候都能保 持与公司、家人、朋友的联系。在美国，几千家星巴克咖啡连锁店已经为客人提 供无线接入服务，并且这个数字还在增长：在日本，随处可见年轻人拿着彩色屏 幕的手机下载信息，拨打可视电话；在新加坡，用户通过手机、p d a 或者笔记 本电脑连接到u o b 网络银行，可以查询他们的个人银行账户、支付账单、买卖 信贷或者预定宾馆；在中国，上海电信的“天翼通”无线局域网业务将帮助企业轻 松实现无线互联网接入、无线宽带浏览、无线e m a i l 收发：在北京交通警察借 助笔记本电脑、pda 等移动终端可以与指挥中一e l , 保持实时连接，不仅可以共享 指挥中心的数据库资料，还能够通过电子邮件等方式及时传递复杂的! 啦务信 t q 科产拙术人。# 顺i 。学位沦殳分布，m o b i l e a d h o e 时络管理系统删f 究0 i 等 息 无线网络是指无需布线就可以实现计算机互连通信的网络，它的出现无疑是 网络发展中的一个质的飞跃，是推动网络发展的一针强心剂，也是网络发展的一 个主要趋势。它使我们摆脱了线缆束缚，并在技术上几乎保留了传统有线技术的 所仃功能。 1 2 1 无线网络的优缺点 跟有线网络相比，无线网络具有如下优势： 1 网络搭建速度快：无线网络不需要使用物理线路，安装非常简便快捷，很适 合紧急需求的场合。而有线网络则需要一个长期的句线过程。 2 使用方便灵活：无线网络构建以后，用户可以象使用移动电话那样灵活的移 动计算设备的位置，仍然保持持续的网络连接，使用非常灵活。 3 网络升级、维护成本低，节省投资：由于无线网络不使用有线的传输介质， 费用主要集中在无线收发设备上，这都是一次性的投资改动网络结构或布 局时，不需要对网络进行重新设置。 但是无线网络职能弥补有线网络无法适用的场合，而不可能取代它，因为无 线网络也具有它自身的不足： 1 带宽小，传输速率低，传播范围小：无线链路的传输带宽比有线链路小得多， 目前最大的无线传输带宽只有5 5 m s ，更普遍的在2 11 m s 之间这对于大 数据量传输的场合无线网络将难以胜任。而且无线链路的有效传输距离在 2 5 0 英尺左右，超过这个范围的节点将无法通信。 2 ，干扰大、传输质量差：由于无线网络利用无线电波来作为传输介质，容易受 到外界的干扰而影响信号的传输质量。并且无线信号也能够被别人窃听，面 临更大的安全威胁。 1 2 2 目前主流的无线网络接入技术 面对无线网络如此广大和丰厚的市场，各大厂商相继开发出了各种独特的无 线技术，以赢取市场的一席之地。现在，无线技术已遍地开花，f 逐渐进入到我 们的生活中，但最具代表性的是下面三种： 1 i e e e 8 0 2 1 1 标准 j e e e 8 0 2 1l 是i e e e 8 0 2 1l 无线局域网( w l a n ) 标准工作组于1 9 9 7 年6 jj 公m 的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用 j l 终端的无线接入，它的业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2 m b s 。出 。邑在速率和传输距离上部不能满足人们的需要，i e e e 小组又相继推出了 i e e e 8 0 2 1 1 b 和i e e e 8 0 2 1 1 a 两个新标准。 i e e e 8 0 2 1 1 a 工作在5 g h zu n i i 频带，从而避开了拥挤的2 4 g h z 频段。物 理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。采用正交频分复用( o f d m ) 的独 特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口、1 0 m b p s 以太网无线帧结构接1 3 和t d d t d m a 的空中接口，支持语音、数据、图像业务。但由于其价格过高和 4 中田科学技术人学坝l 学位论文分布式m o b i l ea d h o ch 络管理系统6 j f 兜 不兼容性，并没有进入市场推广。 i e e e 8 0 2 1 l b 使用开放的2 4 g h z 直接序列扩频最大数掘传输速率为 1 1 m b p s ；采用补偿编码键控调制方式，采用点对点模式和旗本模式两种运作丰夔 式，在数据传输速率方面可以根据实际情况在1 1 m b i t s 、5 5 m b i t s 、2 m b i t s 、 l m b i 以的不同速率问自动切换：支持数据、图像、l p 务。陔枷i 准得到了备久厂商 的支持，成为广泛的工j i p 标准。 2 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是一种丌放性短距离的无线通讯j 芝术标准，它是面向移动 设备闻的小范围连接，比i e e e 8 0 2 1 1 更具移动性；以2 4 g h z 为中心频率，采 用跳频扩频( f h s s ) 技术，来得到7 9 个1 m h z 带宽的信道：支持语音、数据业 务。 3 h o m e r f h o m e r f 无线标准是由h o m e r f 工作组丌发的，旨在家庭范围内使计算机与 其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准：工作在2 4 g h z 频带，采用 了跳频扩频( f h s s ) 技术，共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道；支持语音、数 据业务。 通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需 求而制定的，有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。 用户应视实际需求选择适合自己的标准。 1 3 研究内容和预期目标 我们选用朗讯公司商品化的w a v e l a n 无线网卡以及联想笔记本电脑组成的 无线移动终端以形成一个通用移动无线网络系统实验平台。我们这个网络管理系 统是属于应用层软件，因此我们事先假定底层的路由协议都能币常工作，不做研 究。 研究内容与预定目标如下： 研究m o b i l ea d h o c 网络的拓扑搜集策略，根据网络拓扑结构的变化定期更 新。 研究有效的簇算法，以将m o b i l ea d h o c 网络划分成1 些列的管理域形成 层次的网络管理体系结构。 融合移动代理技术，在这种体系结构的基础上实现分伽式故障管理r 系统， 同时检验这种体系结构的实践效果。 在标准m i b i i ( r f c l 2 1 3 ) 库的基础上扩充m i b 库，描述m o b i l e a d - h o c 的 特性，满足a d h o c 网络管理的具体要求。 中i 刈样学技术人学坝i 学位论义分布止m o b i l e a d h o c 叫络管理系统研宄背景知识介绍 第二章背景知识和相关技术介绍 本文提 h 了种分布式的网络管理体系结构对a d h o c 网络进行管理， a d h o c 作为种新兴的网络，对它在各个领域内的研究还处于初步阶段，因此 l 、1 。先刈a d h o c 网络做、个仝f i 的介绍。在网络管理协议方面，基于t c p i p 网络 的s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 网络管理协议以其管理操作简 便、易于实现等优点获得广泛的支持和应用，发展同益成熟。移动代理技术 ( m o b i l ea g e n t ) 是一种智能化的分布式处理技术，能够有效地将网络管理的控 制和处理分却到多个处理站上，显著节约了网络带宽消耗、平衡节点负载。 2 1m o b i l ea d - h o c 无线网络 目前使用最广泛的有线网络虽然具有良好的通信质量和成熟的技术，但其使 用位置固定性和过高的投资代价是其不利的一面，于是就出现了无线移动网络。 现在使用最广泛的无线网络是无线局域网w l a n ，它需要一个无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 将无线设备和有线网络连接起来，这也限制了它的使用范围。 m o b i l ea d h o c 网络是一种能够快速搭建、自由移动的无线网络，具有有线网络 和w l a n 所无法替代的特殊应用。 2 1 1m o b l i e a d h o c 网络的定义 a d h o c 网络技术起源于2 0 世纪7 0 年代美国国防部d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 资助研究的分组无线网( p r n e t ，p a c k e tr a d i o n e t w o r k ) ，其初衷是研究分纠j 无线删在战场环境下数据通信中的应用。项同完成 之盯，d a p r a 义隆1 9 9 3 午肩动了高残存性自适应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l e a d a p t i 、en e t w o r k ) 项l i ，研究如何将p r n e t 的成果加以扩展，以支持更大规模 的州络，迩婴j l ：发能够遁m 钱场快速变化环境f 的自适j 、i 刚络协议。1 9 9 4 年， d a r p a 义鼎动了令球移动片息系统( g 1 0 m o ，g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) i ，在分组无线刚已育成粜的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展，1 ：、 南抗毁性的移动f i 息系统避行全丽深入的研究并亢持续至今。后来 i e e e 8 0 2 1 i 标准委抛会采j l 】了“a dh o c 网络”这个术语束描述这种特殊的刈等式 心唆移动删络。a dh o e 技术就是吸取了p r n e t 、s u r a n 以及g l o m o 等项目的 组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。 准各地晚 1 ，m o b i l ea d h o c 网络是一种无基站的无线移动网络，即无线网 络+ 无基站。网络中的各节点都是平等的，都具有报文转发能力充当着主机和 路由器的双重功能，通过分联的州络协议和分和式算法相互协调，实现了网络的 一动组织属i 运行。节点i 剐的通信可能需要通过多个中间节点的转发实现，形成一 个多跳网络。由于上述这些特点，m o b i l ea d h o c 网络也被称为多跳无线网 ( m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) 、自组织网络( s e l f - o r g a n i z e d n e t w o r k ) 或无固定 设施的网络( n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 。m o b i l e a d h o c 网络具有灵活、无中心、 自组织、可扩展性强等优点，使得a d h o c 网络在一些军事战场、抢险救灾等无 6 中国科学经求人学硕f 。学位论文分布式m o b i l e a d h o c 时络管理系统研究背最如酿介绍 法布线的特殊紧急场合中的重要性越来越受到人们的重视，它能很好地满足这些 场合的特殊要求。图2 1 展示了一个m o b i l e a d h o c 网络的使用实例【2 】。 粤吉甚 以：袋、? j 目。r 1 5 耳 厂文i 百瞄戥台工i 、 百，队曩二台止| ! 图2 一lm o b i l ea d h o c 网络结构示意图 2 1 2m o b l i e a d h o c 网络的特点 m o b i l ea d h o c 网络是由移动主机构成的自主系统，与常规有线网络和 w l a n 相比，具有以下显著特点： ( 1 ) 网络拓扑结构动态变化： 这是m o b i l e a d - h o c 网络最明显的特点。在a d h o c 网络中，网络结点可以以 任意的速度和任意方式在网中随处移动，也可以随时丌机和关机，再加上无线发 送装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰因素、地形因素等的影向。这些 都会使节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会以不可预测的方式任 意和快速地发生变化，表现出极大的不稳定性。而常规有线网络除非出现链路或 设备故障，平时网络拓扑都很稳定。 f 2 1 网络的自组织、无中心： m o b i l ea d h o c 网相对常规通信网络而言，可以在任何时刻、任何地点不需 要现有信息基础网络设施，由移动结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行 为，自行形成一个自由移动的通信网络。a d h o c 网络没有严格的控制中心，结 点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的正常运行，具 有很强的抗毁性。 f 3 】多跳路由通信： 由于无线收发设备的传播范困有限，当两个不在对方范围内的节点_ i j 】l 情时， 就需要通过中间节点的多跳转发实现。而w l a n 只是个移动节点到a p 之i l ：f j 的单跳网络；有线网络中虽然也有多跳转发，但它是由专用的指定设备路由器和 交换机完成，而m o b i l ea d h o c 网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的， 任何节点都可能承担转发功能。 ( 4 ) 通信链路的局限性： m o b i l ea d h o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，无线信道的网络 带宽相对有线方式要低得多；另夕 还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、 科学挫术人 岫l 。学位论文 仆布am o b i l e a d h o e 州络管理系统研究 背景知识介绍 碰撞、阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小很多：除此之外，无线信号 史加容易被窃听、入侵，比常舰通信网络受到更大安全威胁。总之，无线网络的 缺点都影娴a d h o c 网络。 ( 5 ) i i c ；q 络节点的局限性： m o b i l ea d h o c 的网络节点最关注的是移动的方便性，这必然会以牺牲其它 方向的性能为代价。首先能源限制，移动节点依靠电池提供工作所需的能量，这 使得减少功耗将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素：其次，许多移动设 备如p d a 、掌上电脑，它们的c p u 计算处理能力比台式机要低很多，内存容量 也小，有些服务这些设备无法支持。 ( 6 ) 单向无线信道的存在： 不同的移动设备它们的无线电波发射功率也会不样，而且设备的电池能量 也会制约它的发射范围，还有地形条件的影响，这些因素都会造成节点i 自的单向 链路。因此，a d h o c 网络的拓扑图需要用有向图来准备描述，但现在大部分情 况下为了简化问题，都假定所有链路都是双向的。 ( 7 ) 劂络规模受限制： 现在的常规网络采用t c p i p 协议中的子网技术使得网络具有很强的可扩展 性，网络规模可以无限扩大。而m o b i l e a d h o e 网络由于节点的移动性导致网络 拓扑结构的不稳定，不能按地理位置来划分子网。a d - h o c 中的节点随意分配p 地址，从而制约了a d h o c 网络的扩展规模。移动i p ( m o b i l er e ) 虽然是为子网间 节点移动而推出的技术标准，但应用到a d h o c 这种移动相当频繁的网络中，它 的性能将难以接受。 ( 8 ) 存留时脚短：， m o b i l ea d h o c 通常是为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，a dh o c 网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 2 1 3m o b i l e a d 。h o e 网络的应用领域 由于a dh o c 网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区 别。它适合被用于无法或不便预先铺殴网络设施的场合、需快速自动组网的场合 等。针对a dh o c 网络的研究是因国防应用而发起的，因此，军事应用仍是a d h o c 网络的主要应用领域，但是民用方面，a d h o c 网络也有非常广泛的应用前景。 它的应用场合主要有以f 几类： ( 1 1 军事应用： 军事应用是a d h o c 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设 施、可快速展丌、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。a d h o c 网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联 网控制器等主要通信装备都使用了a d h o c 网络技术。 f 2 ) 传感器网络： 传感器网络是a d h o e 网络技术的另一大应用领域。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。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射 中圊科学挫术人学颐 ：学位论文分布式m o b i l ea d h o e 州莹箨管理系统研宄 功率不可能很大。使用a d h o e 网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分教 在各处的传感器组成a d h o e 网络，可以实现传感器之间和与控制中心之问的通 信。这在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、强热带j x 【暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络 设施( 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站 阱及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法证常工作，对于抢险救灾来说，这时 就需要a d h o e 网络这种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。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的刚络设施 进行通信。a d h o e 网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的 最佳选择。 ( 4 ) 个人通信： 个人局域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是a d h o c 网络技术的另一应用 领域。不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信， 还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网( s c a t t e r n e t ) 就是个 典型的例子。 r 5 ) 与移动通信系统的结合： a d h 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 据速率等。 在实际应用中，a d h o c 网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它带可 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 d h o e 网络以 外的主机进行通信。因此，a d - h o c 网络也可以作为各种通信网络的无线接入手 段之。 2 1 4m o b i l e a d h o e 网络的国内外研究状况及发展趋势 m o b il ea d h o c 网络作为一个新兴的领域，有着广泛的应碉前景。目n u 埘它 的研究已全面展丌，呈现旺盛的发展念势。f 面将逐一介绍 在物理、数据链路层，已有8 0 2 1 l 系列( 8 0 2 1 l a ，8 0 2 u ，8 0 2 1 l g ) 、蓝 牙、h o m e r f 等标准。a d - h o e 物理层所面临的首要问题就是无线频段的选择、购 买以及分配。目前大家一致采用的都是基于2 4 g h z 的i s m 频段，因为这个频段 是免费的，不需要购买，成本就会得到降低。其次，物理层必须就各种无线通信 机制作出选择，从而完成性能优良的收发信功能。具体说来，a d h o c 物理层所 采用的传输技术基本上有三种：正交频分复用技术( 0 f d m ) 、采用红外线辐射传 9 t 川h 年l 。耳技术人? 产顺l j 学位沦史分布a m o b i l e a d h o c 刚络管理系统研究背景生【j 识介绍 输技术、宽带扩展频潜技术；数据链路层解决的主要问题包括媒质接入控制，以 及数捌的传送、同步、纠错以及流量控制等。 网络层是a d - h o c 技术的重点，也是它与其他现有网络的主要区别所在。 a d h o c 蚓络层的任务是提供适合于该网络环境下的路由协议。常规的路由协议 是为有线固定网络而设计的，而一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以 f 特性要求：分析i 式运行方式：提供无环路路由：按需进行协议操作；具有可靠 的安令性；提供设备“休眠”操作特性；对单向信道的支持等。到目前为止，已 经仃十 i 、多的标准推出，概括起束可以分为三类：表驱动路由协议如d s d v 、 w r p ：按需路由协议，如a o d v 、d s r ；混合路由协议，如o l s r 。但这些协议都是 针对某一特定条件f 设计的，不能在任何状况下都良好运行。设计出一种通用条 件下的路由协议将是a d h o c 技术的重点 传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般的思路是对有线网中的 t c p u d p 进行改造，使之适应无线环境。传统的t c p 会使无线a & h o c 网络分组 丢失很严重，这是因为无线差错和节点移动性而使t c p 将所有的分组丢失都归因 于捌塞并启动拥塞控制和避免算法，所以若在无线a dh o c 网络中直接采用传统 的t c p 协议将可能导致端到端的吞吐量无谓的降低。所以，必须针对传统的t c p 进行改进。到目前为止，已经有多个t c p 改进方案提出，比如t c ps a c k 和t c p a s a c k 等等。 应用层主要包括的是建立在a d h o c 之上的无线应用以及接入移动通信核心 网的各种业务。前面也提到，a dh o c 网络自身的特性使得网络在承载同类型业 务时，要考虑更多的实际问题，克服更多的困难。在解决各种困难的时候，应用 层也是问题解决的一个很好的层面。本文研究的网络管理系统就是应用层的一个 实例。 2 2 基于s n m p 协议的网络管理技术 网络管理系统中最重要的部分就是网络管理协议，它定义了网络管理器与被 管代理j 自j 的通信方法。目前网络管理协议主要分为由i e t f 提出的基于t c p i p 网络的简单网络管理协议s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 和出 国际化标准组织( i s o ) 丌发的公共管理信息服务公共管理信息协议c m i s c i m p ( ( o t m n o mm a n a g e n e n ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s c o m m o mm a n a g e n e n ti n f o r m a t i o n p t0 t o c 0 1 ) 两大政营。c i m s c m i p 协议是为o s i 七层网络架构而设计的，虽然 它也包括了网络管理的5 大基本功能和其它一些管理功能，但由于其实现过于复 杂、结构庞大并未得到广泛的应用；s n m p 协议是为t c p i p 网络架构设计的。 由于t c p i p 网络是目前使用最广泛的网络，而且s n m p 协议本身简单、易于实现、 免费、资料文档丰富，从而也早就了s n m p 的快速普及，被广大厂商作为工业标 中困科学技术人学硕卜学位论文分布式m o b i l e a d h o c 叫络管理系统研究背景知识介州 准实现，s n m p 协议共有v l 。v 2 ，v 3 三个版本。如同t c p p 协 望簇的其它协议 一样，开始的s n m p 没有考虑安全问题。最近几年，