第8章 Ad Hoc的网络管理

1、8.1 Ad Hoc网络的发展与应用 8.2 Ad Hoc的网络体系结构 8.3 Ad Hoc的网络管理,第八章 Ad Hoc的网络管理,8.1 Ad Hoc网络的发展与应用,ad hoc adj. , adv. 拉 特别的地，非正式的，特定的,an ad hoc committee meeting 特别委员会会议 a meeting held ad hoc 特别举行的会议,8.1.1 I T 领域使用的Ad Hoc概念和特点,一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的、临时性自创建（Self-Creating)、自组织(Self-Organizing)、自管理（Self-Administ

2、ering)的通信网络系统。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。,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,不需要固定网络基础设施，自创建、自组织、自管理,网络拓扑动态变化,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,每个移动终端同时具有路由器和主机两种功能,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-F

3、i,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,自动路由保护/恢复,8.1.2 Ad Hoc的起源,1968年美国夏威夷大学的一项研究计划Aloha Aloha，是夏威夷人表示致意的问候语，这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。 Aloha网络中的节点是固定不动的，而且Aloha协议仅仅是一种单跳的协议，不支持路由功能，但是该协议为以后开发分布式信道接入方案奠定了基础。这种信道接入

4、方案恰恰就是当前Ad Hoc组网所采用的技术.,1964，年RAND公司提议(Paul Baran) ：通信网络没有管理中心，所有的节点都是对等的，使用分组传输，能在不完整的状态下运行。 1968年，第一个测试网络在英国国家探索实验室投入试验 1969年，ARPANET的第一 个节点在加州大学洛杉矶分校建立。加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他州大学的4台大型计算机采用分组交换技术，组成了最早的ARPANET。 1972年，以太网技术 1973年，第一个个人计算机局域网络网络运行,8.1.3 DARPA（Defense Advanced Research Project

5、Agency）资助下AD HOC的发展,（1）1972 年，启动了分组无线网（PRNET，Packet Radio Net-work）项目，研究分组无线网在战场环境下的数据通信中的应用。 PRNET是由采用分布式控制的无线电台组成的一种多跳网络。它采用ALOHA和载波检测多接入(CSMA)作为信道接入协议来动态共享无线信道。此外，通过使用多跳的存储转发路由技术， PRNET以中继的方式使一个节点（电台）能够向其发射范围外的其它节点传输数据业务，克服了电台的无线覆盖范围有限的局限性。对PRNET的研究表明，多跳技术能够使物理上分离的会话同时进行空间复用从而，可以增加网络的容量。,（2）1983年

6、，启动了高残存性自适应网络项目 SURAN （Survivable Adaptive Network），研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络（由数万个支持分组协议的小型、低费用、低功率的无线电台组成的），研究开发能够适应战场快速变化环境的自适应网络协议。,这项研究导致1987年出现了低功率分组无线电台技术和一系列先进的网络管理协议，同时在电台的自适应性，安全性和容量增加等方面也取得了长足的进展。,（3）1994年，DARPA启动了全球移动信息系统 GloMo (Global Mobile Information System) 项目，旨在能够满足军事应用需要，对可快速展开、

7、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。,（4） 1997年，美军建立的战场因特网(TI)是当时规模最大的移动、无线、多跳分组无线电台网络。它采用直接序列扩频和时分多路接入的无线电台，数据速率达几十Kbps，组网协议为商用Internet协议在军事环境中的修订版。这项研究使人们进一步认识到针对有线网络设计的商用协议不能解决拓扑变化，低数据率和高比特错误率的无线链路中存在的问题。 到上世纪九十年代中期，这些分组无线电台网络一直用于大规模的军事和救援行动中，并没有真正转变成商用技术。,8.1.4 AD HOC 的民用研究,1991年，IEEE 802.11将分组无线电台网络改称为

8、 Ad Hoc 网络。IEEE 希望能够将这种技术应用到商用领域。从此，关于 Ad Hoc 网络的研究逐渐成为无线网络研究中最热门的领域之一 1997年IETF (Internet Engineering Task Force)即因特网工程任务组，成立MANET工作组，专门负责研究和开发具有数百个节点的移动 Ad Hoc 网络的路由算法，制定相应的标准 2003年IRTF (Internet Research Task Force)成立ANS研究组,MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability,8.1.5 Ad Hoc

9、的应用,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Internet,3G/HSDPA/WiMAX,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,和其它宽带网络的集成,在城域网中的运用,与其他移动通信技术的结合,移动现场办案,复杂Ad Hoc 网络环境,8.1.6 Ad hoc与传统网络的区别,1 与蜂窝网的区别 不需要网络通信基础设施支持 不依赖基站进行通信 分组交换机制 数据通信业务为主 拓扑结构动态变化,固定网络中主机位置基本不变 固定网络结构一般比较复杂 Ad hoc网络规模相对较小 Ad hoc网络的拓扑结构比较简单 Ad hoc网络拓扑结构

10、快速变化,2 传统固定网络的区别,与Sensor网络的区别 可以看作是一种特殊类型的Ad Hoc网络 各个无线节点静态地随机分布在某一区域。传感器负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点 网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络（Internet）并且到达最终的用户,与一般Ad Hoc网络相比： 节点数量多、分布稠密 节点的能量、计算、存储等资源进一步受限,Ad Hoc与无线局域网的区别,单跳与多跳 研究重点不同 通信模式不同,主要研究集中在物 理层和数据链路层,移动终端的所有通信必 须经过无线接入点进行,无线局域网为单跳网 络，不存在路由

11、问题,Ad Hoc网络的研究 内容主要以路由协议 为核心的网络层设计,Ad Hoc网络中移动 终端的通信是对等的,Ad Hoc为多跳网 络，存在路由问题,Ad Hoc与移动 IP网络的区别,MANET,移动IP,8.1.7 Ad Hoc所面临的问题,1 动态变化网络拓扑 传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧 2 有限的无线传输带宽 减少节点之间的交换的消息 减少控制消息带来的额外开销 3 有限的能量 能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由 4 安全问题 无线信道的开放性更容易受到各种攻击 移动性使得节点的信任关系不断变化 由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的,8.1.8

12、 Ad Hoc网络管理的需求 1 拓扑管理 确定将一组节点组织成网络的机制 2 移动性管理 跟踪网络中移动节点的位置 3 服务质量管理 信源到信宿之间的延迟、带宽、正确率、丢包率等 4 能量管理,8.2 Ad Hoc的体系结构,8.2.1 节点结构,主机：运行应用程序，完成数据处理等功能 路由器：运行路由协议，完成路由选择、转发分组等功能 无线收发装置：完成数据传输功能,8.2.2 网络结构,平面结构 所有节点地位平等 层次结构 网络划分为簇(Cluster) 每个簇由簇首节点(Cluster Head)和簇成员节点(Cluster Member)构成 簇首节点可形成更高一级的网络,平面结构,

13、层次结构,平面结构和层次结构比较,网络协议栈,基于TCP/IP体系结构 与Internet互联 传统路由协议需要修改，以适应网络拓扑结构动态变化 传输层实现适应于无线网络的端到端可靠服务 Ad Hoc网络多用于能量受限的环境，能量管理尤为重要，因此各层都定义相应的节能机制,1999年，美国的南卡罗来那大学和俄勒冈州立大学联合提出了ANMP协议(ANMP: Ad Hoc Network Management Protocol），它是一种比较早期的Ad Hoc网管协议。它主要希望能够在继承传统有线网络管理协议的基础上开发出一种适合Ad Hoc网络的、安全、高效的管理方法。,8.3.1 ANMP的网

14、络管理,8.3 Ad Hoc的网络管理,因此对于底层的信息收集，沿用了SNMP协议，仍使用SNMP的PDU格式，只是扩展了针对无线移动网络的私有MIB库，加入了电源信息组、拓扑维护组、代理信息组以及和安全相关的信息组。ANMP首先提出在管理体系中采用一种分区分级管理的模式，基本的网络管理依靠一个三级的体系架构来实现，其结构如图所示:,在ANMP中，把网络定义成三级结构，即被管代理、簇头和管理者三层。该协议使用分簇(Cluster)算法将网络划分为多个区域(簇)，每个簇中有一个管理节点，称为簇头(Cluster Head )，簇内的其它节点为普通的被管理的代理节点(Managed Agents

15、)，由簇头主动去收集各个代理节点的消息。簇结构是动态变化的，即簇头和被管的代理节点不固定，它由相应的算法产生。为了减少在进行簇维护时网络的开销，该协议不跟踪每个节点的小范围变化，只有在该节点的位置移动影响到了簇结构时，管理站才能捕捉到相应的变化消息，重新计算簇结构。,该协议中给出了两种簇算法:即基于图形的和基于地理位置的簇算法。第一种算法把一个Ad Hoc网络看成一个平面图形，并基于图形来生成簇;第二种算法使用了GPS的定位信息来进行簇划分。在两种算法中，都希望能够做到使维护簇的消息代价尽量低，并尽量使得簇结构不发生频繁的变化。 在此基础上，只要维护管理端和各个簇头之间的通信，就可以收集和配置

16、全网的信息。采用这种方法进行管理时，大大地减少了网络中的通信量，使得大部 分的信息收集和分发都在簇内完成了，上层只负责最终信息的处理和配置。,在数据收集和控制方面，ANMP扩展了SNMP的MIB以便记录Ad Hoc网络特有的信息。每个节点把Manager需要的信息放入M IB中，并且把这些信息发送给Cluster head。 Cluster head收集到所有Agent的信息后，作出小结或把这些数据连接起来，再发送给Manager。为了维护这些数据，Cluster head在自己的MIB中要保留一些表记录每个Agent的数据。这个方法与SNMP是相同的。,ANMP使用SNMPv3的单播安全机制

17、，支持安全组播和军事安全模式。使用安全组播可以减少信息开销。在军事安全模式中，ANMP还给节点和数据分别加上安全级数。Cluster head从自己的节点安全级数来判断它可以读取的数据安全级数。它只能读取低于或等于自己级别的MIB数据，不能读取高级别的数据。节点的安全级数由Manager分配，Cluster形成以后，由Cluster head向其他成员传递这个信息。在引入安全级数以后，分组算法中Cluster head的选择就必须考虑它的安全级数，以免无法对收集到的节点信息解密重组。,ANMP一个新颖之处在于Manager可以完全控制Agent的行为，这是通过触发警报实现的。当网络参数变量值超

18、过某个极限值时，Agent就会触发警报，向Manager报告。ANMP把每种警报和一个预设功能相对应。这些功能可以尽可能的全面，从而改变节点的行为。而且Agent和Manager还可以动态地下载不同的功能和警报相连。通过这种方法，Manager可以对节点进行重新配置。,8.3.2. Terminodes计划(The Terminodes Project)的网络管理 Terminodes(即terminal- node)计划是瑞士洛桑联邦技术学院提出的一项长期研究计划(20002010)，其目的是设计一个大范围、自组织的移动AdHoc网络，并用于商业以及其它潜在的社会环境中。 Terminode

19、s主要面向商业环境，是大范围、自组织的移动Ad Hoc网络。迄今为止，移动Ad Hoc网络主要还是面向军事用途和危险环境。在这些情况下，网络用户一般属于同一个组织，有一致的行动目标，可以划分用户等级，具有协同运作的责任。,而商业网络则恰恰相反，用户是彼此独立的、平等的，用户间的协作也没有直接利益，但是所有网络服务要靠用户共同提供。因此Terminodes的模块设计中特别强调了节点的对等性、自组织性和协作性，针对性地提出了相应的网络管理解决方案:自定位算法、VHR移动管理方法、基于虚拟货币的协作等。虽然这些方案还存在不少问题有待进一步考虑，但是对于拓宽移动AdHoc网络的适用范围是大胆的尝试。当

20、然，这个协议的前景，还要视MANET在商用方面的发展。,自定位算法 节点定位可以使用GPS, 但考虑价格、信号等因素，这个设计还提出了一种相对定位方法自定位算法(SPA, Self Positioning Algorithm)。SPA使用节点间的距离来建立网络坐标系统(NCS, Network Coordinate System) 。两个节点间的距离可以通过到达时间(TOA, Time of Arrival)得到。除去距离测量的误差和节点的移动，SPA可以提供足够的位置信息和精度维持基本的网络功能。,Terminode使用虚拟地方域(VHR, Virtual Home Region)进行移动管

21、理。每个节点都有一个永久的终端唯一标识(EUI, End-system Unique Identifier)和一个临时的、可随位置变化的地址(LDA，Location-dependent Address)。LDA实际上就是一个地理坐标(包括经度，纬度，高度)，可以通过GPS或者上面提到的SPA计算得到。Terminode规定了专门的路由算法:本地路由(TLR)，使用距离向量路由协议，可以跟踪邻近的节点;远程路由(TRR)，依靠节点的地理信息，把数据发送到TLR不能到达的地方。,VHR移动管理,为了保证网络的安全性和对等性，Terminode 排除了使用固定的节点负责网络管理或用固定方式产生网管

22、的方法，因为这样会使这些节点从它们的优先权上得益。VHR管理具有动态、可伸缩、安全、公平等特点，还适合大范围网络。VHR管理只涉及位置信息的更新和获得，它包括位置信息维护和位置信息在网络中的发布。,协作性 另外，Terminode还提出了虚拟货币的方法来保证所有用户的参与性。对于商业网络来说，用户间的协作没有直接利益。因此，当要求网络中的节点转发数据包时，一部分自私的用户可能会拒绝服务，以节省自己的能源。Terminode网络中的所有服务都必须由用户共同提供，如果一部分用户只享受其他用户的服务，而拒绝提供服务，必然会影响网络的性能。虚拟货币的方法是假设每个节点在硬件上固定了一定库存的货币，每个

23、节点要享受其他节点的服务，必须付一定量的货币;而节点可以通过提供服务来获取货币。这样，用户要使用网络服务，就必须为其他用户提供服务，以增加自己的货币。,8.3.3 CNR的网络管理 M IL-STD-188-220B是美国军方战斗网无线电台CNR (Combat Net Radio)的标准。基于MIL-STD-188-220B的军事战术移动网是一种Ad Hoc网络，既无中心管理也无固定的网络结构，网络中的每一个节点同时充当路由器，因此应具有网络的管理控制功能。为了保证每一个节点可以自动配置加入和离开网络，使得各节点操作参数能够互相兼容，要对网络加入网络管理，即协议规定的CNR管理。CNR的管理

24、涉及到链路层和网络层，通过定义的XNP (Exchange Network Parameters)报文的交互,来实现节点加入和离开网络以及动态地改变网络的参数使得各节点参数统一兼容。,CNR的管理模式包括集中式(Centralized Net-work)和分布式(Distributed Network)网络管理模式。集中式网络管理由一个网络控制器来管理和控制网络的所有方面，包括地址分配、参数更新、节点加入等;而分布式网络控制则允许多个节点共同承担网络控制的功能，这时网络控制器的数目是任意的，甚至所有的网络节点都可以充当网络控制器。当网络中节点数目较少时，采用集中式管理结构可易于实现管理，但节点

25、较多时，就要采用后者来减少管理负荷。考虑到Ad Hoc网络中节点之间的连接不稳定性导致网络分离，而且易受到安全方面的威胁，管理一般采用分布式以应付突发事件。,CNR管理定义了8种格式的XNP报文，以实现节点与控制器之间的交互，网络控制器处理节点的加入和离开请求，以及与节点交换网络参数，更新拓扑结构等。另外CNR还定义了14种数据块，附加在XNP报文上，用于交换网络管理所需的数据。CNR也允许在网络具体实现时自定义数据块，以扩充管理功能，最多可以定义255种数据块。,每个网络节点都可能担当网络控制器，因此每个节点的CNR管理模块包含:一般节点模块、转发节点模块和网络控制器模块。当节点只作为一般网

26、络节点运作时，只启动一般节点模块，这时节点没有转发和控制器功能，对任何请求(如加入请求、参数更新请求)不作回应。如果启动转发节点模块，节点可以在新站请求加入时充当转发站，向网络控制器转发新站的加入请求。如果启动网络控制器模块，则承担网络管理功能。,8.3.4 Ad Hoc网络的路由管理,需要进行通信的两个节点可能不在相互的无线信号范围内 需要其它节点承担转发工作 节点移动后需要重新建立新的路由,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,1 传统的路由协议不适用于Ad Hoc网络,动态变化的网络拓扑结构 节点加入、离开、移动等 路由算法还未收敛,网络拓扑结构就发生变化 有限的系统带宽、能量

27、等资源 周期性地公告路由信息严重降低系统的性能 间歇性的网络分割 传统路由协议容易形成路由回路 单向的无线传输信道 传统路由协议一般假设链路是对称的,适应网络动态变化 减少路由开销 引入按需路由 在路由时考虑能 量等约束条件,2 Ad Hoc路由协议概述,Ad Hoc路由协议,表驱动路由 先验式(Proactive),按需路由 反应式(Reactive),DSDV,TBRPF,CGSR,DYMO,OLSR: Optimized Link State Routing TBRPF: Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding,AO

28、DV: Ad Hoc On Demand Distance Vector DSR: Dynamic Source Routing DYMO: Dynamic MANET On-demand Routing,3 表驱动（Table Driven）路由,表驱动路由协议又称为先验式（proactive）路由协议 目的是为网络中的每一个节点维护到所有其它节点的一致和最新的路由信息，因而要求每个节点维护一个或多个路由表来保存这些信息。 当网络拓扑发生变化（事件驱动）时，相关的节点在整个网络中发布更新信息，来确保路由信息的一致性。 即使网络拓扑没有发生变化，每个节点也需要周期性地（时间驱动）广播它的路由表

29、。,表驱动路由协议的优点是它减少了节点获得路由的延迟，使源节点能够立即判断目的节点的可达性 缺点是消费了较多的网络资源，此外它完全浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由,按需路由协议又称为需求驱动（demand-driven）或反应式（reactive）路由协议 当采用这种路由协议时，源节点只有在需要建立一条到达目的节点的路由时，才产生一个路由发现过程来建立相应的路由 建立了路由后，源节点产生一个路由维护过程来维护该路由，直到到目的端的每一条路由都不可达或者不再需要该路由时。,4 按需(demand-based)路由,按需路由的优点是不需要花费资源来维护无用的路由。 缺点是路由发现过程的费用比较昂贵，而且源节点事先无法预测能否发现到目的节点的路由 发现路由的延