（计算机应用技术专业论文）基于标签交换的ad+hoc网络qos路由研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 a dh o c 网络是一种通过无线链路连接的移动节点的自组织系统，它具有低成本、容易 建构的优点，不仅适用于军事和一些战略应用场合，同时适用于地震或水灾后的营救等场 合。我们也可以利用a dh o c 网络填补骨干网络不能涵盖之处，作为骨干网络的延伸。a d h o c 网络的拓扑动态性，使得传统路由协议在该环境下无法正常运行。 m p l s 是由i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ( i e t f ) 所提出来的新一代封包传递技术。 m p l s 整合标签交换( l a b e ls w a p p i n g ) 和网络层路由( pr o u t i n g ) ，利用标签交换以及联机导 向的方式取代传统的、逐跳的i p 路由，不但可以提升封包路( p a c k e tr o u t i n g ) 的效率，同 时也可以方便有效地支持各种q o s 的频宽保留与管理机制。但是m p l s 实现的复杂性使之 不直接适用于带宽有限、拓扑动态变换的a dh o c 网络。因此，本文通过对a dh o c 网络的 特性和现有路由协议的研究以及m p l s 的工作原理和优点的调研，在a dh o c 网络中融合 了标签的概念并提出了一个具有q o s 保证的路由协议l s r p 。该协议基于引入l i g h tw e i g h t m p l s 技术的a dh o e 网络，在i p 层寻路引入了带宽和跳数作为约束条件，实现q o s 路由， 在i p 层以下采用基于标签交换的转发技术。文中第三章对该路由协议的思想和工作原理进 行了详细的阐述。在论文最后，通过o p n e t 仿真软件对l s r p 协议的实现进行了仿真。 通过性能分析证明该协议对a d h o e 网络的q o s 保证有一定的研究意义。 关键词：a dh o c ，多协议标签交换，服务质量，标签，o p n e t 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 a dh o en e t w o r ki sa na u t o n o m o u ss y s t e mo fm o b i l eh o s t sc o n n e c t e db yw i r e l e s sl i n k s a dh o e n e t w o r kw o u l db eu s e de x t e n s i v e l yi nt h ef u t u r eb e c a u s ei ti se a s yt od e p l o ya n dt h ec o s to fi t s d e p l o y m e n ti se x t r e m e l yl o w i ti se x p e c t e dt h a ta dh o cn e t w o r kc o u l db eu s e dt oe x t e n dt h e c o v e r a g ea r e ao ft h e i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k o w i n gt oi t sd y n a m i ct o p o l o g y , c o n v e n t i o n a l r o u t i n g p r o t o c o li nw i r en e t w o r kc a l ln o tb ee m p l o y e di na dh o cn e t w o r k m p l sp r o t o c o li san e wp a c k e tr o u t i n gt e c h n o l o g yt h a ti n t e g r a t e st h el a y e r - t w ol a b e ls w a p p i n g f o r w a r d i n gp a r a d i g mw i t ht h en e t w o r k l a y e ri pr o u t i n g i t a d o p t sc o n n e c t i o n - o r i e n t e dl a b e l s w a p p i n gp a c k e tr o u t i n g ，i n s t e a do fh o p b y h o pi pr o u t i n g ，w h i c hm a k e sm p l sm o r ee f f i c i e n ti n p a c k e tr o u t i n g b e s i d e s ，t h ec o n n e c t i o n - o r i e n t e dp a c k e tr o u t i n ga l s om a k e sm p l sv e r ye f f e c t i v e i nq o sg u a r a n t e e ds e r v i c e s h o w e v e r , o w i n gt ot h ed y n a m i c a lt o p o l o g ya n dl i m i t e db a n d w i d t h i na dh o en e t w o r k ，i ti sn o ta p p r o p r i a t et oi m p l e m e n tm p l si na dh o cn e t w o r k s ，b e c a u s et h e i m p l e m e n t a t i o no fm p l si sv e r yc o m p l e x a f t e rr e s e a r c h i n go nt h ef r a m e w o r ko fm u l t i p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n ga n dc h a r a c t e r i s t i co fa dh o en e t w o r k ，an e wq o sr o u t i n gp r o t o c o ll s r p s u p p o r t i n gl o c a lr e c o v e r yi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h el i g h tw e i g h tm p l si na dh o c n e t w o r k ，l s r pe m p l o y sb a n d w i d t ha n dh o pc o u n ta sq o sp a r a m e t e r sa n dt h ew o r kp r o c e s so f t h er o u t i n gp r o t o c o lh a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l si nc h a p t e rt h r e e a tt h ee n do ft h et h e s i s ， o p n e ts i m u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e ni n t r o d u c e da n dt h ep r o c e s sa n dr e s u l to fl s r ps i m u l a t i o n h a v eb e e ng i v e ni nd e t a i l s k e yw o r d s ：a dh o c ，m p l s ，q o s ，l a b e l ，o p n e t i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 缩略词 缩略词全称中文意义 i e e ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电气和电子工程师协会 i e t fi n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c ei n t e m e t 工程任务组 d a r p ad e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y美国国防高级研究计划局 m a n e t m o b i l ea dh o cn e t w o r k移动a dh o c 网络 d s d vd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r目的序号距离矢量算法 a o d va dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n ga dh o c 按需距离矢量路由 协议 t o r a t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m 排序路由算法 d s r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g 动态源路由协议 o l s r o p t i m a ll i n ks t a t u sr o u t i n g最佳链路状态路由 t b r p f t o p o l o g y b r o a d c a s tb a s e do nr e v e r s e p a t h基于反向路径转发的拓扑 f o r w a r d i n g 分发协议 z r pz o n er o u t i n gp r o t o c o l区域路由协议 q o s q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体访问控制 w l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k无线局域网 c s m ac a r r i e r - s e n s e dm u l t i p l ea c c e s s载波侦听多路访问 r i p r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l s路由信息协议 o s p f o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t开放最短路径优先 r i 心w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o l无线路由协议 v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 f e c f o r w a r d i n ge q u i v a l e n tc l a s s 转发等价类 l s pl a b e ls w i t c h e dp a t h标记交换路径 l s rl a b e ls w i t c h i n gr o u t e r标记交换路由器 l d pl a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l标记分发协议 c o sc l a s so fs e r v i c e服务等级 v i 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：挪秭日期：口呶银 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：乏避导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 本文研究背景和意义m i i i 第一章绪论 近年来，随着无线通信技术的不断发展，无线网络有着越来越广阔的应用前景。按照 有无基础设施，无线网络可以分为两种模式：一种是具有基础设施的网络。移动节点借助 于通信范围内最近的基站实现通信。在这种网络中，移动节点相当于移动终端，它不具各 路由功能，只有移动交换机负责路由和交换功能。典型的例子有蜂窝无线系统、办公室无 线局域网等。但对于某些特殊场合，不可能有预先部署的固定设施可以利用，比如战场、 野外科学考查、临时会议、发生地震或水灾后的营救等。在这种情况下，就需要一种能够 临时快速自动组网的移动通信技术。这也就形成了另外一种无线通信网络技术，即a dh o c 网络通信技术。 a dh o e 网络作为移动网络的一种特殊形式，由于它不需要固定的基站，各个节点均 可以自由移动，且能实现动态的链接，加上其具有生存性极强、创建与移动极为方便的特 点，弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着不可替代的作用。它可以 广泛应用于国防战备、灾难援助等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立 有线网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络。因此，a dh o c 网络的研究 对科技进步具有重大促进作用。a dh o c 技术不但在军事领域中得到充分利用，而且也为民 用移动通信服务奠定了技术基础，利用其不需要基础设施、组网方便灵活的特点，可以满 足用户在特殊工作环境下对移动数据通信的需求。因此，a dh o c 技术在民用环境下也开始 得到重视。同时，随着a dh o e 网络研究的发展和相关产品的成熟，a dh o c 网络必将越来越 受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与发展前景。而路由 协议作为影响网络的一个重要因素，是确保网络运行的关键，在a dh o c 这样一个无线自组 网络中的研究意义更为重大。 1 2a dh o e 网络的国内外研究现状 随着移动通信技术的高速发展，配有无线收发设备的高性能移动终端的降价和普及， 国内外研究人员对移动a dh o c 网络的研究越来越重视。 目前从事a dh o c 研究的机构主要有i e e e 的i e t f 和d a r p a ( 美国国防高级研究计划 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 局) 。i e t f 于1 9 9 7 年专门成立了m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) 研究组，针对m a n e t 开发基于m 协议的路由机制并解决与网络层相关的技术问题。1 9 9 9 年1 月，r f c 2 5 0 1 详细给 出了m a n e t 的应用场合、特征和性能要求，并在2 0 0 0 年下半年公布了一系列m a n e t 路由 协议草案，包括d s d v 、a o d v 、t o r a 、d s r 等。i e e e 通信分会在2 0 0 0 年底成立了m a n e t 技术分会委员会。2 0 0 3 年6 月18 日，i e t fm a n e t 正式公布了a o d v 协议为a dh o c 路由协议 的r f c 标准。2 0 0 4 年，a o d v 、d s r 、o l s r 和t b r p f 协议被定义为试验性r f c 协议。 高移动环境下的1 0 0 个实验节点组成的实验场已经于2 0 0 2 年春开始运行。另外，瑞士 联邦工学院的t e r m i n n o d e 项目组也正在研究和实现大规模的移动自组织网，其主要面向的 对象是商业环境【3 】。欧洲已经考虑将移动a dh o c 网络作为中继，以扩大第二代和第三代移 动通信系统的覆盖范围和提高网络或链路故障时系统的健壮性，目前已建立了一种称为 a g s m 的实验系统【4 j 。 目前国际上比较活跃的a dh o c 研究机构的研究方向主要集中在以下几个方面： m a n e t 路由协议、多播协议、多i 黟6 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议、功率控制、蓝牙网络、地址重构、网络安全等。 相比较而言，国内对a dh o c 网络的研究和开发起步比较晚，和国外的研究还有一定的 差距，且都处于理论探讨阶段。许多大学和科研机构正在对a dh o c 网络进行研究，提出了 很多新的协议和优化方法，很多高校也有相关的项目组并发表了很多有参考价值的文章。 到目前为止，a dh o c 尚未达到完全实用阶段，许多问题还没有得到比较好的解决方案，也 还没有最终形成一个国际统一的整体标准体系，大部分工作仍处于仿真和实验阶段。 1 3 论文完成的工作 作者在近一年的时间里全面了解了移动a dh o c 的特性、应用领域及它目前存在的问 题并将重点放在a dh o e 路由协议上。本文的主要目标是研究基于标签交换技术的a dh o c 网络路由协议的实现过程和性能。 本文分为三大部分： 1 概述了a dh o c 网络的概念、特点和应用，着重介绍了a dh o e 网络路由协议的分 类并对每一类中有代表性的路由协议的运作机制进行简要的描述。介绍了多协议标签交换 技术( m p l s ，m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) ，对标签交换在a d h o e 网络中的应用进行了分 析。 2 提出了基于标签交换技术的a dh o e 网络q o s 路由协议l s r p ，并详细阐述了其基 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 本思想和实现原理。 3 对仿真工具o p n e t 进行研究，在o p n e t 上对l s r p 协议进行了仿真实验。对实 验数据进行分析，评价协议的性能，得出结论。 1 4 论文的结构 文章内容安排如下： 第一章绪论。简要介绍了本论文的研究背景和意义、国内国外对a dh o c 网络的研 究现状以及本文的主要工作。 第二章背景知识介绍。首先介绍移动a dh o e 网络的基本概念、特性以及现有的几 种典型的路由协议；其次概述了m p l s 技术的基本原理和优点；最后阐述了标签交换技术 对a dh o c 网络的意义。 第三章基于标签交换技术对a dh o c 网络路由协议进行研究。描述了基于标签交换技 术的a dh o e 网络的基本结构，提出了在a dh o e 网络融合标签概念的q o s 路由协议l s r p 并详细介绍了其工作原理。 第四章仿真软件的介绍和仿真实验的实现。在o p n e t 上设计仿真实验，通过对实验 数据的分析进行性能评价。 第五章总结与展望。对研究工作进行总结，提出将来需要进一步加以解决的问题。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 第二章背景知识介绍 基于文章全局的需要，本章第一部分介绍了a dh o c 网络的产生背景及发展，然后阐述 了a dh o c 网络的概念、特点及a dh o c 网络的关键技术；其次介绍了a dh o c 网络路由协议的 研究难点，重点介绍了a dh o c 网络路由协议的分类和每一类中典型的路由协议的工作原 理；由于本文主要借鉴了m p l s 中标签交换的思想，因此第三部分简单介绍了m p l s 的工作 原理及优点，以便在第三章介绍基于标签交换的a dh o c 网络路由协议之前，对a dh o c 网络 和m p l s 技术有一个整体的认识；在本章最后阐述了标签交换对a dh o c 网络的意义，提出 了一种基于标签交换的a dh o c 网络q o s 路由协议一，s r p 路由协议。 2 1a dh o c 网络概述 a dh o c 是一种不依赖于固定设施的、自组织的无线网络，其组网方便、快捷，不受 时间和空间的限制，既可应用于救援、会议、战场、探险、远距离或危险环境中的目标监 控等场合，还可用于末端网络的扩展。 2 1 1a dh o c 网络的产生背景 随着信息技术的发展，人们对移动通信的需求越来越强。近年来，移动通信技术得到 了飞速发展和普及。蜂窝移动通信系统、无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 5 】和h i p e r l a n 6 1 ) 、蓝 牙技术( b l u e t o o t h 7 1 ) 、家庭无线网( h o m e r f i s ) 等移动通信新技术纷纷涌现。这些技术 的出现，极大方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。 无线通信网络按照其组网控制方式分为两类：一类是集中式控制，无线网络的运行要 依赖预先部署的网络基础设施。典型的例子有：蜂窝移动通信系统，依靠基站和移动交换 中心等基础设施的支持；基于接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 和有线骨干网模式工作的无线局 域网。另一类是能够快速展开和推进发生地震或水灾后的营救、野外科学考察、临时会议 等场合。 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 网络通常也可以称 为“移动专用网络”( m a n e t , m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) 、“无固定设施网”、“自组织网”、“对 等网络”或“移动分布式多跳无线网络”等等。由于组网快速、灵活、使用方便，目前得到越 来越广泛的应用，已成为移动通信技术发展的一个重要方向，在未来通信技术中占有重要 4 南京邮电大学硕士研宄生学位论文 第二章背景知识升绍 地位。 2 1 2 a d h o c 网络的定义 a d h o c 网络是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个临时性自治系统。移动终 端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可 以与i n t e m e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，a d h o c 网络通常是以来端子网的形 式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，a d h o c 一般不适合作为中间承载网络，只允 许源和日的地是网络内部节点的信息进出，而不让其他信息穿越本网络，从而大大减少了 与现存 n t e r n e t 互操作的路由开销。a d h o c 网络中，每个移动终端兼备路由器、主机和天 线三种功能；作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行 相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作；作为天线，负责 发送和接收数据。在a dh o c 网络中，节点间的路由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终 端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往通过多个中间节点的转发来实 现通信- a dh o c 网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊的移动 计算机通信网络【9 】。图2 - 1 给出了a d h o c 网络的一种典型的物理网络结构，其中的直线连 接表示两个节点可以通信但所有的天线均是无向天线，图2 - 2 是其逻辑结构。 ! 、y j 图2 - i 典型的a d h o c 网络物理结构 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 。 图2 - 2 典型的a dh o c 网络逻辑结构 2 1 3a dh o c 网络的特点 a dh 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 ) 动态变化的网络拓扑结构 这是移动a dh o c 网络最明显的特点。在a dh o c 网络中，移动节点可以以任意速度和任 意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰、地形等 综合因素的影响，移动节点之间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而 且变化的方式和速度都是不可预测的，表现出极大的不稳定性。而对于常规的固定网络而 言，网络拓扑结构则较为稳定。 ( 2 ) 多跳路由通信 由于无线收发设备的传播范围有限，当两个不在对方范围的节点通信时，就需要通过 中间节点的多跳转发实现。而w l a n 只是一个移动节点到a p 之间的单跳网络；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，而移动a dh o c 网络中 的多跳路由是由普通的网络节点完成的，任何节点都可能承担转发功能。 ( 3 ) 网络的自治性 移动a dh o c 网络相对于常规网络而言，可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 础网络设施，由移动节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 dh o e 网络没有严格的控制中心，节点可以随时加入和离开网络。任何 节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。 ( 4 ) 通信链路的局限性 移动a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通信手段j 无线信道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，这使得实际带宽要小很多；除此之外，无线信号更加容易被窃听、入侵，比常规 通信网络受到更大安全威胁。总之，无线网络的缺点都影响a dh o e 网络。 ( 5 ) 网络规模受限制 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。而移动a dh 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 dh o e 网络中的节点随意分配i p 地址，从而制约了a dh o c 网络规 模的扩展。移动i p 虽然是为子网问节点移动而推出的技术标准，但应用到a dh o e 这种移动 相当频繁的网络中，它的性能将难以接受。 ( 6 ) 移动节点自身的限制 移动a dh o e 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面的性能为 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! t l i p d a 、掌上电脑或手持式电 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。 ( 7 ) 存在单向无线信道 移动a dh o e 网络采用无线信道通信，不同的移动设备它们的无线电波发射功率也会不 一样，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 造成节点间的单向链路。因此，a dh o c 网络的拓扑图需要用有向图来描述，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。 ( 8 ) 生存时间短的网络 移动a dh o c 一般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。所以a dh o e 网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章背景知识介绍 2 i 4a d h o c 网络的关键技术 由于a dh o e 网络的特殊性，传统有线网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技 术无法被直接使用，需要为a dh o c 网络设计专门的协议和技术。a dh o c 网络设计的技术 很多，但主要体现在以下几个方面【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】： 1 ) 路由协议：它为a dh o c 网络的应用提供了基本的通信能力，因此是a dh o c 网络 需要解决的首要问题。由于a dh o c 网络与传统的有线和无线网络有很大的区别， 使路由问题成为a dh o c 网络研究的热点和难点。目前单播路由协议迫切需要解决 的问题是提供简单、有效、可靠性高的路由传输数据；组播技术主要需要解决两 个问题：一个是支持网络的可扩展性( s c a l a b i l i t y ) ；另一个是提供一定的q o s 保 证。 2 ) 服务质量保证：q o s 路由技术一直是一个研究热点问题，也是i e t f 工作组关注的 重点。随着应用的拓展，需要在a dh o c 中传输话音、图像等多媒体业务。多媒体 业务对带宽、时延、时延抖动等方面都提出了很高的要求。这需要网络协议提供 一定的服务质量保证。a dh o c 网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都 要提供相应的机制。 3 ) 信道接入技术：是a dh o c 网络协议的基础，控制着节点如何接入无线信道，对 a dh o c 网络的性能起着决定的作用。在a dh o c 中，由于节点的通信范围有限和 随机移动特性，将会产生隐藏和暴露终端等问题。现有的载波侦听多路访问协议 c s m a ( c a r r i e r - s e n s e dm u l t i p l ea c c e s s ) 不能直接用于a dh o c 网络，因此需要设 计专门的信道接入技术才能解决。目前，i e e e 8 0 2 1 1 协议已经成为a dh o c 网络 m a c 层使用的标准协议。 4 ) 安全问题：a dh o c 网络的特点之一就是安全性比较差，易受窃听和攻击。因此， 需要研究适合与a dh o c 网络的安全体系结构和安全技术。 5 ) 传输层服务：在a dh o c 网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成 报文冲突和丢失，这将严重影响t c p 的性能，因此，在a dh o c 网络中要对传输 层业务进行修改，以满足数据传输的要求。 a dh o c 网络是一个复杂的系统，存在很多尚待解决的问题，本文将结合a dh o c 网络 发展的最新技术和成果，在引入标签交换的基础上，对其路由协议进行深入的研究和探讨。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 2 1 5 移动a dh o c 与其他无线移动网络的区别 移动a dh o c 网络与常规移动通信网络的区别为： ( 1 ) 有无基础通信设施的差异 对于常规移动通信网络，比如g s m 、c d m a 等，现有的网络通信基础设施是指基站、 基站路由器、接受发送天线、移动交换机和相关的连接中继线路等等。这些设施的构建及 其正常工作需要耗费相当多的人力和物力，相应的建设周期也较长。作为a dh o e 网络，主 要应用特点就是不需要现有通信网络的支持，独立形成通信环境，网络的构成周期根据底 层采用的无线通信技术而有所不同，快的可以在几秒内完成，慢的也可以在几个小时内完 成i 与常规网络相比，要相差几个数量级。所以网络的快速部署是对a dh o c 网络的一个重 要要求。 ( 2 ) 通信模式的差异 现有常规移动通信网络普遍采用基站的方式，对应的通信模式是用户通信终端与基站 交互，用户终端之间不能直接通信。常规通信网络的智能主要集中在移动交换机和基站中， 而通信终端更多的是提供人机接口，通信控制采用了集中控制方式。移动a dh o c 网络不需 要基站的支持，每个移动节点地位是对等的，独立进行分组转发的决策，节点之间的关系 是对等的，参与网络的每个节点都需要承担为其它节点进行报文转发的义务，所以控制方 式是分布式的。 ( 3 ) 承载业务及交换机制的差异 常规移动通信网络的通信业务以话音业务为主，因而信息交换通常采用服务质量有保 证的、面向连接的电路交换机制，这种机制包括电路建立、信息传输、电路拆除三个阶段。 而移动a dh o e 网络则以数据业务为主，因而采用的是分组交换的信息交换机制。 ( 4 ) 网络拓扑稳定性的差异 对于常规网络而言，尽管也会由于设备或链路出现故障导致网络结构出现变化，但总 体上来讲，网络结构是比较稳定的。而在移动a dh o c 环境下，动态变化的网络拓扑结构是 它在正常运行情况下的一个重要特征。 与无线局域网的区别： ( 1 ) 单跳与多跳的区别 无线局域网从网络层来看是一个单跳的网络；而移动a dh o c 贝j l 是一个多跳的网络。 ( 2 ) 研究的重点不同 无线局域网由于是单跳的网络，报文的处理不通过网络层，所以主要的研究内容是在 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 网络的物理层和数据链路层上，比如信号的编码、纠错、频率的复用、天线的设计、无线 信道的共享访问机制等等。而移动a dh o e 网络的研究内容则主要是以路由协议为核心的网 络层设计。 ( 3 ) 通信模式的差异 无线局域网的通信模式和常规的移动通信网络相类似，通常是移动节点通过无线接入 点a p ( 类似于基站和h u b 的功能) 与其它节点通信。而移动a dh o c 网络的通信模式是移动节 点之间的对等通信。 2 2a dh o e 网络路由协议 目前i n t e m e t 常规路由协议主要采用两种形式的路由思想：基于距离矢量的路由协议( 如 r i p 协议) 和基于链路状态的路由协议( 如o s p f 协议) 。这两类协议都是针对固定网络而设计 的，它们都需要周期性的交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。由于a d h o c 网络带宽有限、拓扑变化频繁，因此，传统的路由协议如m p 、o s p f 等都不适用于a dh o c 网络，这也增加了a dh o c 网络路由协议的设计难度。 2 2 1a dh o e 网络路由协议的研究难点 移动a dh o c 网络是一种移动的无线网络。“移动”和“无线”两种特点对路由协议的设计 提出了更多特殊要求。“移动”意味着由于网络节点的运动，网络拓扑结构和节点相邻关系 是不断变化的。所以协议控制信息交换要更加频繁，否则节点中的网络状态信息就会过时 无效。另一方面，“无线”的特性意味着链路带宽的有限性，同时，由于无线信道传输高误 码率、衰落、冲突、信号衰减等原因，移动终端获得的实际带宽远小于理论带宽，带宽资 源就更为宝贵。所以，在无线环境中，协议设计主要考虑的是尽量减少不必要地浪费带宽 资源。 移动a dh o c 网络中，移动和无线这两种特性提出了两种互相矛盾的要求。移动特性要 求节点之间控制信息的交换更加频繁，使节点保持精确的网络状态信息；无线特性要求尽 量减少不必要的开销，节约带宽。要提出一种折衷方案，在节点移动的情况下保持必要的 控制信息交换，而尽可能减少带宽资源消耗。 为固定i n t e m e t 网设计的路由协议，如烈p 和o s p f ，无法适应网络拓扑的快速变化，主 要表现为协议无法及时收敛，产生大量的不可靠路由和路由环回，路由开销巨大。如何适 应拓扑结构的快速变化是a dh o e 网络路由协议解决的主要问题。 l n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 a dh o e 网络的路由协议除了满足传统的路由协议要求，如简单、低开销、健壮、快速 收敛、适应性强外，还要求有以下特性：分布式运行方式；提供无环路由；支持单向信道； 安全性；提供设备“睡眠”操作特性等。目前所提出的路由协议都尚未达到以上所有要求， 提出一种适应性强的路由协议是a dh o e 网络研究中一个具有挑战性的课题。 2 2 2a dh o e 网络路由协议的分类 目前，a dh o e 网络工作组已提出了许多协议草案【1 4 1 ，如d s r 、a o d v 、d s d v 、t o r a 等。这些路由协议可从不同角度进行分类。常见的几种分类方式为： ( 1 ) 根据网络拓扑结构分类。 可以分为平面结构的路由协议和分级的路由协议两种。对于平面结构的路由协议，网 络的逻辑视图是平面结构，移动节点具有平等的地位。其优点是网络中没有特殊节点，节 点移动性较简单，易于管理。对于层次结构的路由协议，网络的逻辑结构是层次性的。在 两级网络中，骨干网由较为稳定、综合性能较好的骨干节点组成。其优点是适合大规模移 动自组网络，扩展性较强。 ( 2 ) 根据发现路由的驱动方式分类。 按照路由发现策略的角度，可分为表驱动路由协议、按需驱动路由协议和混合路由协 议三种。表驱动路由协议采用周期性的路由分组广播来交换路由信息。按需驱动路由协议 是根据发送数据分组的需要按需进行路由发现，建立传输路径，从而实现信息传送。混合 路由协议是一类混合使用表驱动路由和按需驱动路由策略的协议。 ( 一) 平面式路由协议和分簇式路由协议 平面结构的a dh o c 网络的特点是比较简单，所有节点在网络控制、路由选择和流量管 理上都是平等的，所以又可以称为对等式结构。这种结构原则上不存在瓶颈，网络比较健 壮。源节点和目的节点之间一般存在多条路径，可以较好的实现负载平衡和选择最优化的 路由。此外，平面结构中节点的覆盖范围较小，相对较安全。但在节点数目很多，特别是 在节点大量移动的情况下，平面结构网络具有控制开销大、路由经常中断等缺点，并且很 难实施集中式的网络管理和控制。还有，它的可扩充性较差，每一个节点都需要知道到达 其他所有节点的路由。因此平面结构只适用于中小规模的a dh o e 网络。 在分级结构中，a dh o c 网络被划分为- - n 多个簇( c l u s t e r ) 。每个簇由一个簇头( c l 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。这些簇头形成高一级的网络。在高一级网络中， 又可以再分簇，形成更高一级的网络。在分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发，它 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 可以预先指定，也可以由节点使用算法选举产生。根据不同的硬件配置，分级结构的网络 又可以分为单频分级和多频分级两种。单频分级网络的所有节点使用同一个频率通信，为 了实现簇头之间的通信，要有网关节点的支持，簇头和网关节点形成高一级的网络，称为 虚拟骨干网络。在分簇结构中，网关是指同时位于两个簇头通信范围内的节点。而在多频 分级网络中，不同级采用不同的通信频率，低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖 较大的范围，高级的节点同时处于多个级中，使用多个频率，用不同的频率实现不同级的 通信。 当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当a dh o e 网络规模较大时，宜 采用分级网络结构。已提出的自组网路由协议大多数是基于平面路由思想，主要原因是自 组网目前主要以一种末端网络形式存在，应用规模都较小，使用簇思想的作用不明显。这 在一定程度上抑制了簇思想在自组网中的研究。 ( 二) 表驱动路由协议、按需路由协议和混合路由协议 表驱动路由协议f 1 5 1 ( t a b l ed r i v e np r o t o c o l s ) ，又被称为主动式( 或先验式) 路由协议，是 一种基于表格的路由协议。在这种路由协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些表格 包含到达网络中所有其它节点的路由信息。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、及时、准确的路 由信息。不同的表驱动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。表驱动路由协议不断的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。源节点旦要发送报文，可以立即取得 到达目的节点的路由。表驱动路由协议有d s d v 、c g s r 、w r p 、g s r 、f s r 和h s r 等。 按需路由协议1 1 q ( o n d e m a n dp r o t o c o l s ) ，又称为反应式路由，是一种当需要时才查找 路由的路由选择方式。节点并不保存及时准确的路由信息。当源节点要向目的节点发送报 文时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文，为了提 高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用。按需驱动路由协议有d s r 、 a o d v 、t o r a 、a b r 等【1 7 ，1 8 , 1 9 , 2 0 。 混合路由协议，即在一定的网络区域内采用主动路由的设计，区域间则采用按需路由 的设计。 2 2 3 几种典型的a dh o e 网络路由协议 一、表驱动的路由协议 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章背景知识介绍 1 d s d v 目的序号距离矢量算法d s d v f d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ) 2 1 1 路由协议是一 种无环路距离向量路由协议，它是基于传统的b e l l m a nf o r d 路由选择算法改良而发展出来 的。它的工作原理与传统网络的距离矢量路由协议( d v rd i s t a n c e - v e c t o rr o u t i n g ) 基本相 同，本质的区别在于引进了序列号机制，以防止路由环路的产生，加快路由收敛的速度， 并减少控制报文的负载。 d s d v 是一种先验式的逐跳的距离矢量路由协议，需要每个节点进行周期性的广播来 进行路由更新。网络中的每个节点都维护一张路由表，表中记录了所有该节点可能进行连 接的节点及距离( 跳数) ，表中的每个路径都有一个序列号，它使得移动节点可以用来区别 出新的路径和旧的路径，因此可以避免路由环路的产生。为了维持路由表的一致性，每个 节点必须周期性的与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由表的改变来触发路由更 新。路由表更新有两种方式：一种是全部更新( f u l ld u m p ) ，即拓扑更新消息中将包括整个 路由表，主要应用于网络变化较快的情况；另一种方式是部分更新( i n c r e m e n t a lu p d a t e ) ，更 新消息中仅包含变化的路由部分，通常适用于网络变化较慢的情况。在d s d v 中只使用序 列号最高的路由，如果两个路由具有相同的序列号，那么将选择