第6章无线自组织网络

1、第6章 无线自组织网络金光,江先亮无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press2本章内容简介Ad Hoc网络概述 MANET体系结构和协议原理MANET的其它技术Ad Hoc网络的应用MANET的仿真无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press3Ad Hoc网络概述lAd Hoc网络 无线自组织（Ad Hoc）网络又称无线对等网，是由若干个无线终端构成的一个临时的、无中心的网络，网络中也不需要任何基础设施。这种特殊的网络具有其独

2、特的优点和用途，可便捷地实现相互连接和资源共享。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press4Ad Hoc网络概述lAd Hoc网络的背景Ad Hoc网络源于军事通信的需要，其前身是分组无线网(Packet Radio Network) 1972年美国国防部高级研究计划署（DARPA）启动分组无线网项目，主要研究分组无线网的应用1993年，DAPRA启动可存活性自适应网络项目20世纪90年代开始，Ad Hoc网络的研究得到长足进展无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Ts

3、inghua University Press5lAd Hoc网络的研究成果包含以下几个方面： 新的路由协议。主要以广播或组播方式建立网络路由，基本原则是尽量避免广播风暴。例如自组织按需距离向量协议AODV、目标序列距离向量协议DSDV、区域路由协议ZRP等路由协议。介质访问控制(MAC)协议，主要解决隐藏和暴露节点问题，包括RTS/CTS方案、控制信道和数据信道分裂的双信道方案、基于定向天线的MAC协议等无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press6lAd Hoc网络的研究成果包含以下几个方面：Ad Hoc网

4、络与蜂窝网络相结合，拓展其应用范围，提高系统吞吐量 其他相关技术，多播或组播协议、地址分配、TCP协议、节能控制、安全性、分布式算法、QoS等用蓝牙节点组建Ad Hoc网络。应用蓝牙技术可组成微微网（Piconet），再通过桥（Bridge）节点互联，即可形成多跳Ad Hoc网络，可称为蓝牙散射网（Scatternet）。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press7l移动Ad Hoc网络的定义移动Ad Hoc网络(MANET)(又称移动多跳网或移动对等网)是一种特殊的在不借助任何中间网络设备的情况下，可在有限

5、范围内实现多个移动终端临时互联互通的网络。 可看做是一组带有无线收发装置的移动终端所组成的一个临时性多跳自治系统。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press8lMANET中，每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。节点作为主机，可运行相关应用程序，以获取或处理数据；节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行路由发现、路由维护等常见操作，对收到的并非发给自身的分组根据其目标地址予以转发。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Pre

6、ss9一个简单的MANET网络 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press10lMANET的特点拓扑结构动态变化无固定通信设施和中央管理设备，网络节点随机移动，拓扑中的各节点位置时时变化；无线发射装置发送功率的变化、环境影响、信号间的互相干扰等，都会造成网络拓扑结构的动态变化。 资源有限一方面是节点的能量有限，而移动会消耗更多能量，降低网络性能；另一方面，网络带宽相对有限，信号间的冲突和干扰使得带宽远低于理论值。 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua

7、University Press11lMANET的特点多跳通信实现不同覆盖网络间的源与目标主机间的通信。两个节点的通信可以是点对点的方式；如果二者距离超出无线信号覆盖范围，则需中间节点进行分组的转发，称之为多跳路由。安全性较低无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击的威胁，如果路由协议或无线信道遭受恶意攻击或干扰，整个网络可能中断正常工作。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press12MANET体系结构和协议原理lMANET的结构 由于MANET具有的特殊性，实际组建网络时，必须充分考虑网络的应用规模，扩展性和可靠

8、性、实时性等要求，再选择合适的网络拓扑结构。 通常MANET的拓扑结构可分两种：对等式结构和分级结构无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press13l对等式结构所有节点完全对等，源节点与目标节点通信时存在多条路径，健壮性好，相对比较安全缺点是可扩充性略差，因为每个节点都需要知道到达其他节点的路由。MANET的对等式结构 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press14l分级结构网络 分级结构中，网络通常会被分为多个簇。每个簇由一

9、个簇头和多个簇成员组成。各个簇的簇头形成高一级的网络，高一级网络可以再分簇，以形成更高一级的网络，直至最高级。 簇头节点负责簇内节点间数据的转发，簇头可由算法自动生成，也可以预先指定。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press15l分级结构网络分单频分级和多频分级单频分级中所有节点使用同一频率通信，需要网关节点支持多频分级网络中，不同级采用不同通信频率。低级网络的通信范围一般低于高级节点。网关节点内部节点簇头簇MANET的单频分级结构 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验

10、, Tsinghua University Press16l分级网络结构的优势与缺点l分级结构中，簇成员的功能较简单，有效减少了路由控制信息的数量，使资源开销相对较小，从而获得了较好的扩充性。l缺点：维护分级结构需要节点执行簇头选举算法，而簇头节点可能会成为网络瓶颈。 从对等式结构和分级结构的比对中可以看出，当网络规模较小时，可采用简单的对等式结构；网络规模较大时，应采用分级结构。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press17lMANET的协议层次上层引用协议传输层网络层数据链路层物理层应用层网络层数据链路层

11、物理层表示层会话层传输层MANET协议层次ISO/OSI层次结构无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press18物理层，根据实际应用需要设计MANET物理层。首先是通信频段的选择，目前通常采用2.4GHz的ISM免许可的频段。其次，物理层必须选择相应的无线通信机制，以实现良好的收、发信功能。 物理层设备可使用多频段、多模式的无线传输方式。lMANET各协议层次具体功能无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press19数据链路层，分

12、为MAC子层和LLC子层。 MAC子层决定了链路层的绝大部分功能。多跳无线网络基于共享访问传输介质，需要MAC层利用CSMA/CA和RTS/CTS机制解决隐藏节点和暴露节点问题。 LLC子层负责向网络提供统一服务，以屏蔽底层不同的MAC方法。lMANET各协议层次具体功能无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press20网络层，主要进行邻居发现、分组路由、拥塞控制、网络互联等。 一个好的网络层路由协议应该满足以下要求： 分布式运行方式；提供无环回路由；按需进行协议操作；可靠的安全性；提供休眠操作和单向链路的支持。

13、lMANET各协议层次具体功能无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press21传输层，为应用层提供可靠的端到端服务，隔离上层与通信子网，并根据网络层特性来高效利用网络资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制等。上层引用协议，提供面向用户的各种应用服务，包括有严格时延和丢包率要求的实时应用（紧急控制信息）、基于RTP/RTCP（实时传输协议/实时传输控制协议）的音视频应用、无任何服务质量保障的数据包业务等。lMANET各协议层次具体功能无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应

14、用与仿真实验, Tsinghua University Press22lMANET的路由协议MANET的路由协议通常分为两大类：表驱动路由协议、按需路由协议表驱动路由协议又称先验式，每个节点维护一张包含到达其它节点路由信息的路由表，代表性的有：无线路由协议WRP、目标序列距离向量协议DSDV、鱼眼域状态路由协议FSR、优化链路状态路由协议OLSR等无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press23lMANET的路由协议按需路由协议也称反应式，需发送数据时才查找路由。节点平时不维护路由信息，只有需向目标发送报文时，

15、源节点才会在网络中发起路由查找，找到相应路由。 常用的按需路由协议有：自组织按需距离向量协议AODV、时间序列路由协议TORA、动态源路由协议DSRP、信号稳定路由协议SSR等 l按需路由较表驱动路由的开销小，但传输延迟大无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press24l表驱动路由协议DSDV路由协议基于Bellman Ford算法，是距离向量协议的改进之一；路由表通过序列号区分路由的新旧，能消除路由环路，提高了算法效率；快速反应拓扑的变化；延迟了对不稳定路由节点的广播通告；缺点：不能适应快速变化的网络；资源开

16、销可能被浪费；多数路由信息可能从未使用；目标之间只提供一条不支持单向连接的路由；无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press25DSDV的路由表项包括：目标地址、到达目标节点的度量值(最小跳数)、去往目标节点的下一跳、目标节点相关序列号；DSDV中使用了两类更新报文：完全转存(通告全部信息)、递增更新(仅通告更新信息)；DSDV路由选择的依据为序列号或度量值。节点对比更新信息和节点的路由表，选择序列号值大的路由信息进行更新；序列号相同时，选择度量值最佳（如最小跳数）的；无线网络教学平台 & Jiang, 无线网

17、络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press26l典型表驱动路由协议实例ACBD(a)ACBD(b)DSDV路由协议示例 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press27l图(a)中节点A和节点B起始路由表目标节点下一跳跳计数DB2目标节点下一跳跳计数DD1节点A的路由表 节点B的路由表 l图(b)中节点D移动到新位置，节点B的路由更新目标节点下一跳跳计数DA3更新后节点B的路由表 路由环回现象产生，即A或B想要向D发送的数据会在A和B之间来回转发，无法到达真正的目标。

18、 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press28l包含序号的路由更新，解决环回现象目标节点下一跳跳计数序列号DB21000目标节点下一跳跳计数序列号DD11000(a)中节点A初始路由表 (a)中节点B初始路由表 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press29l节点D移动到(b)图所示位置目标节点下一跳跳计数序列号D 1001(b)中节点A路由表更新目标节点下一跳跳计数序列号D 1001(b)中节点B路由表更新目标节点下一跳

19、跳计数序列号DD11001(b)中节点C路由表更新无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press30l由于A和C会周期性交换路由信息，当A收到C的路由更新后，在序列号相同时，则会根据DV算法来判断是否更新路由。显然，A会更新路由。当A想发送报文给D时，会把下一跳信息设置为C，这样就可成功发送。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press31lWRP路由协议WRP路由协议在网络节点中保存路由信息每个节点的路由表项信息包括：距离、路由

20、、链路开销和重传消息列表(MRL) WRP的算法收敛快，避免路由中的环路WRP比大多数协议需要更大内存，还依赖周期性的Hello消息，也要占用一定带宽。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press32lCGSR（分簇网关交换路由协议）以DSDV为基础,比DSDV更有效使用分簇路由结构和启发式路由选择机制指定了簇头和网关节点，一个节点发送分组时，首先到达发送节点的簇头，然后簇头节点将该分组通过网关节点转发给另一个簇头节点。不断重复直至分组到达目标。适合大规模MANET，可扩展性较好簇头节点的稳定性、可靠性对全网性

21、能影响较大无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press33l按需路由协议AODV路由协议AODV是应用最广泛的按需路由协议之一，它是DSDV算法的改进，但中间节点不需维护路由。AODV采用逐跳路由转发分组，同时加入了组播路由协议扩展，从路由查找回复RREP. 整个通信过程是对称的，路由可逆，所以AODV不支持单向路由。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press34l典型按需路由协议实例ABCEFDGAODV示例网络拓扑 无线网

22、络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press35ABFDGRREQ逆向路径CEB接收RREQ并创建逆向路由 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press36ABCEFDGRREQ逆向路径D接收RREQ并创建逆向路由 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press37BCEFDGRREQ逆向路径AF接收RREQ并创建逆向路由 无线网络教学平台 & Jian

23、g, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press38BCEFDGRREQRREPAG返回RREP给A 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press39lAODV路由协议的特点基于传统距离向量路由机制，算法简单清晰。使用目标序列号防止循环发生，解决了无穷计数问题，易于编程实现。支持中间主机回答，能使源主机快速获得路由，但可能会有过时路由。周期性广播报文，需要消耗一定的能量和网络带宽。 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, T

24、singhua University Press40lDSR动态源路由协议核心：每个移动节点维护一个存放路由的快速缓冲区。 协议原理：当某一移动节点要发送分组时，先查询本地高速路由缓冲区，如存在路由，直接发送数据，否则发送一个含源、目标地址的路由请求分组，启动路由发现过程。 中间节点收到该请求后，也查询本地缓冲区，如无到达目标地址的路径，则将本节点地址加入请求分组后转发，直至目标节点或有到达目标节点路由的中间节点。该节点返回一个路由应答分组，包含了从源到目标路径上所有节点的序列。每个发送的数据分组都将包含发回的路径序列，于是中间节点不再需要保存路由信息，也不需要周期性路由广播和邻居发现。无线网

25、络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press41lDSR动态源路由协议的优点：仅在需要通信的节点间维护路由，减少了路由维护代价路由缓冲可进一步减少路由发现的开销路由缓冲使得在一次路由发现过程中，会产生多个到达目标的路径支持非对称传输信道模式无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press42l典型路由协议的分析比较路由协议类别表驱动按需路由协议DSDV/CGSR/WRPAODV/DSR/TORA路由获取时延低高控制开销高低能耗高低带宽开销

26、高低表驱动和按需方式路由协议的性能比较 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press43路由协议AODVDSRTORAABR整体复杂性中等中等高高开销低中等中等高拓扑结构平面平面平面平面多路径支持否是是否按需路由协议性能比较 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press44MANET的其它技术lMANET的IP地址分配技术基于伙伴系统的分布式动态地址分配协议，通过地址池为节点分配IP地址，最初整个网络仅一个节点，拥有整个IP地址

27、池，之后进入网络的节点“见面分一半”，与最初的节点互为伙伴。改进的DHCP 协议，每部分网络选一个领导，领导扮演DHCP服务器的角色。基于硬件地址的IP地址分配，采用硬件MAC地址的已知网络前缀和后缀组成。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press45MANET的其它技术lMANET的QoS除传统的时延、带宽、分组丢失率、时延抖动等指标外，还需要有“能量消耗”和“服务覆盖范围”两个QoS属性加入。 QoS路由：一种基于网络可用资源和业务流的QoS要求来选择路径的路由机制。 QoS路由是用来查找满足QoS要求的

28、路径，将传统最短路径转为一条最优路径。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press46Ad Hoc网络的应用l独立的Ad Hoc网分为两种： 大型Ad Hoc独立网络特殊场合如军事 小型Ad Hoc独立网络家庭、商务会议区、医院等小范围场合l另外，在实际应用中， 也可作为末端子网接入其他固定或移动的通信网络，与Ad Hoc网络之外的主机进行通信，称之为与其他网络集成。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press47Ad Hoc网

29、络的应用Ad HocNetwork 1InternetAd Hoc网关Ad Hoc网关Ad HocNetwork 2APAPAd Hoc与因特网集成 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press48Ad HocNetwork 1Ad HocNetwork 2基站蜂窝网络服务区 Ad Hoc网关Ad Hoc网关Ad Hoc网络与蜂窝网络集成 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press49MANET的仿真lAd Hoc网络仿真主要

30、模块无线信道模块，Channel/WirelessChannel无线传输模块，Propagation/TwoRayGround无线物理接口模块，Phy/WirelessPhy无线局域网MAC层模块，Mac/802_11天线模块，Antenna/OmniAntennaAd Hoc路由协议，AODV和DSR无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press50lAODV协议仿真仿真背景AODV是应用最广泛的按需路由协议之一，它是DSDV算法的改进，但中间节点不需维护路由。针对AODV路由协议仿真，NS2中已有丰富的模块，

31、能够满足一般的仿真需求，这里的仿真实验无需修改仿真模块。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press51lAODV协议仿真仿真拓扑仿真拓扑如图所示，共用到13个移动节点，节点8将与节点2相互通信。0346719581121210AODV/DSR仿真实验拓扑图 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press52仿真代码 AODV的仿真代码见电子资源和教材6.5.1节 AODV仿真代码注释可见教材134页使用nam工具观察仿真动画无线

32、网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press53起初节点8开始向周围节点即邻居广播RREQ信息，如图所示节点8广播RREQ信息 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press54广播扩散 广播信息继续扩散，可以看到，现在有多节点在广播无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press55节点8发现节点2 经过多点路由请求广播后，节点8已经找到了目标节点2的位

33、置无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press56当节点2依靠邻居节点的广播，接收到节点8的RREQ后，反悔RREP消息给节点8以建立通信。首先按照路由搜索到的路径返回RREP给节点12，然后收到的RREP信息的节点继续按照路由搜索到的路径（2-12-10-8）依次将RREP消息返回给节点8，如下面3图展示了整个过程。无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press57节点12发送RREP 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press58邻居节点继续发送RREP 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press59节点8收到RREP消息 无线网络教学平台 & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press60 当节点8获得到节点2的路由以后，则按照该路径开始传送FTP信息。而收到源自于节点8的信息后，节点2会向原路