第6-1讲Ad Hoc网络技术

1、无线自组网技术 Ad Hoc网络概述网络概述移动蜂窝网络移动蜂窝网络l移动终端通过基站接入移动终端通过基站接入因特网因特网无线局域网无线局域网l移动终端通过无线接入移动终端通过无线接入点接入因特网点接入因特网依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络 有基础设施的无线网络有基础设施的无线网络Ad HocAd Hoc网络的应用需求网络的应用需求临时会议临时会议/紧急情况紧急情况科学考察科学考察/探险探险/军事战场军事战场接入网络所需的时间和成本接入网络所需的时间和成本较高较高现有网络服务设施的能力不现有网络服务设施的能力不足足远离网络基础设施而希望保远离网络

2、基础设施而希望保持与网络的连接持与网络的连接无网络基础设施可用无网络基础设施可用不希望使用网络设施不希望使用网络设施网络基础设施范围之外网络基础设施范围之外AdHoc网络网络Ad HocAd Hoc网络的起源网络的起源 源于军事通信的需求源于军事通信的需求1972年分组无线网（年分组无线网（PRNET）l战场环境下的数据通信战场环境下的数据通信1983年抗毁自适应网络（年抗毁自适应网络（SURAN）l支持大规模网络支持大规模网络l适应战场快速变化环境需要的自适应网适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议络协议1994年全球移动通信系统（年全球移动通信系统（GloMo）l满足军事应用需要的、可快

3、速展开、高满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁星的移动信息系统抗毁星的移动信息系统DARPA资助资助Defense Advanced Research Project AgencyAd HocAd Hoc网络的研究组织网络的研究组织1991年年IEEE 802.11首次提出首次提出“Ad Hoc网络网络”l自组织、对等式、多跳无线移动通信网络自组织、对等式、多跳无线移动通信网络1997年年IETF成立成立MANET工作组工作组l基于基于IP的无线多跳网络路由的无线多跳网络路由2003年年IRTF成立成立ANS研究组研究组其它研究机构其它研究机构Ad Hoc：For the specific

4、purpose onlyMANET：Mobile Ad-hoc NetworksANS：Ad Hoc Networks ScalabilityAd HocAd Hoc网络的定义网络的定义由一组带有无线通信收发装置的由一组带有无线通信收发装置的(移动移动)终端节点组终端节点组成的一个多跳临时性自治通信系统成的一个多跳临时性自治通信系统每个终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主每个终端同时具有路由器和主机两种功能：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器，终端需要运行相应的路由协议节点间路由通常由多跳节点间路由

5、通常由多跳(Hop)组成组成不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建快速构建多跳无线网络、自组织网络、无基础设施网络或者对等网络多跳无线网络、自组织网络、无基础设施网络或者对等网络笔记本电脑 车载台移动终端Ad HocAd Hoc网络的物理结构和逻辑结构网络的物理结构和逻辑结构AHDBCFEG I双向信道单向信道（a）物理结构（b）逻辑结构Ad HocAd Hoc网络的特点（网络的特点（1 1）独立组网独立组网l不需要任何预先架设的网络基础设施不需要任何预先架设的网络基础设施动态拓扑动态拓扑l节点移动节点移动/开机开机/关机关机l节点无线

6、发送功率变化、无线信道干扰或者地形等节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响因素影响自组织自组织l无控制中心无控制中心l节点故障不会影响到整个网络节点故障不会影响到整个网络节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能节点之间通过无线连接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可能都是无法预测的发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的Ad HocAd Hoc网络的特点（网络的特点（2 2）多跳路由多跳路由l接收端和发送端使用比两者接收端和发送端使用比两者直接通信小得多的功率进行直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗通信，因此节省了能量消耗l通过中间

7、节点参与分组转发，通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范扩大了自组织网络的覆盖范围围Ad HocAd Hoc网络的特点（网络的特点（3 3）特殊的无线信道特征特殊的无线信道特征l无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多l竞争无线共享信道产生碰撞竞争无线共享信道产生碰撞l信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等l存在单向无线信道存在单向无线信道终端的局限性终端的局限性l能量、存储、计算等资源受限能量、存储、计算等资源受

8、限安全性差安全性差l无线链路的开放性无线链路的开放性l移动性导致节点之间信任关系的变化移动性导致节点之间信任关系的变化可扩展性不强可扩展性不强l节点之间的相互干扰造成网络容量下降节点之间的相互干扰造成网络容量下降l各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降Ad HocAd Hoc网络与无线传感网络网络与无线传感网络无线传感网络无线传感网络l可以看作是一种特殊类型的可以看作是一种特殊类型的Ad Hoc网络网络l各个无线传感器随机分布在某一区域，负责收集区各个无线传感器随机分布在某一区域，负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点域内的传感信号，将它们发到网关节

9、点l网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且可将信息送往到其他外部网络（如且可将信息送往到其他外部网络（如Internet）p与典型的与典型的Ad Hoc网络相比：网络相比：p节点数量多、分布稠密、移动性较弱节点数量多、分布稠密、移动性较弱p节点的能量、计算、存储等资源进一步受限节点的能量、计算、存储等资源进一步受限p以数据采集和传递为中心，采用广播通信模式以数据采集和传递为中心，采用广播通信模式Internet网关网关Ad HocAd Hoc网络与无线局域网网络与无线局域网网络结构不同网络结构不同研究重点不同研究重点不同通信模式不同通信模式不

10、同WLAN集中在物集中在物理层和数据链路层理层和数据链路层WLAN中终端的通信必中终端的通信必须依赖须依赖AP进行进行无线局域网为单跳网络，不存在路由问题无线局域网为单跳网络，不存在路由问题Ad Hoc网络涉及网络涉及TCP/IP协议栈各层协议栈各层Ad Hoc网络中移动网络中移动终端的通信是对等的终端的通信是对等的Internet无线接入点无线接入点Ad Hoc网络与蜂窝网络的比较网络与蜂窝网络的比较由本身或公认的无线节点负责，由本身或公认的无线节点负责，通常采用分布式控制通常采用分布式控制由基站集中负责，无线节点必须先与基由基站集中负责，无线节点必须先与基站通信，再通过基站与目的节点通信站

11、通信，再通过基站与目的节点通信无线节点的控制管理无线节点的控制管理低容量、高误码的无线骨干网，低容量、高误码的无线骨干网，半双工方式，同一信道在中继节半双工方式，同一信道在中继节点的不同链路上不能同时使用点的不同链路上不能同时使用高速、可靠的有线骨干网，全双工方式，高速、可靠的有线骨干网，全双工方式，同一信道在转发节点前后的链路可复用同一信道在转发节点前后的链路可复用骨干网的特点骨干网的特点无线节点只有一部收发信机，半无线节点只有一部收发信机，半双工方式，不易实现全网同步双工方式，不易实现全网同步基站有多部收发信机，全双工方式通信，基站有多部收发信机，全双工方式通信，有专用硬件，易于实现全网同

12、步有专用硬件，易于实现全网同步中继节点的特点中继节点的特点无线节点和无线骨干网无线节点和无线骨干网基站和有线骨干网基站和有线骨干网中继设备中继设备高高低低网络健壮性网络健壮性困难困难容易容易路由选择和维护路由选择和维护短短长长存在时间存在时间低低高高成本成本快快慢慢配置速度配置速度较差较差较好较好安全性和服务质量安全性和服务质量无无有有有无基础设施支持有无基础设施支持动态动态静态静态拓扑结构拓扑结构多跳多跳单跳单跳无线网络结构无线网络结构Ad Hoc网络网络蜂窝网络蜂窝网络比较内容比较内容1、战场侦察网络、战地监测网络、快速反应网络、战场侦察网络、战地监测网络、快速反应网络2、区域性无线网：展

13、览中心、体育场、旅游区、区域性无线网：展览中心、体育场、旅游区、港口、建筑、煤矿、石油港口、建筑、煤矿、石油/化工、环保、化工、环保、.3、应急、应急/救援通信系统救援通信系统4、工业自动化控制、工业自动化控制 5、智能交通、智能交通6、传感器监测网络、远程医疗、传感器监测网络、远程医疗7、家庭安全监测系统、家庭安全监测系统8、城域无线通信（无线宽带接入、小区覆盖等）、城域无线通信（无线宽带接入、小区覆盖等）9、各种远程监测、各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、监控系统（如环保、水文、地质、资源资源 保护、研究等）保护、研究等）10、公安、公安/交警交警/消防消防.Ad HocAd H

14、oc网络的应用网络的应用Ad HocAd Hoc网络面临的问题网络面临的问题(1)(1)特殊的信道共享方式特殊的信道共享方式l共享信道共享信道l隐藏终端问题隐藏终端问题/暴露终端问题暴露终端问题动态变化网络拓扑动态变化网络拓扑l传统路由协议花费较高代价获取的路由信息很可能已过时传统路由协议花费较高代价获取的路由信息很可能已过时有限的无线传输带宽有限的无线传输带宽l减少节点之间的交互的消息减少节点之间的交互的消息l减少控制消息带来的额外开销减少控制消息带来的额外开销有限的能量有限的能量l能量管理机制，各层均要考虑能量控制能量管理机制，各层均要考虑能量控制安全问题安全问题l无线信道的开放性更容易受

15、到各种攻击无线信道的开放性更容易受到各种攻击l移动性使得节点的信任关系不断变化移动性使得节点的信任关系不断变化l节点资源受限节点资源受限l安全机制应该是分布式的安全机制应该是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA网络路由时需考虑网络路由时需考虑隐藏终端与暴露终端问题ABC隐藏终端：隐藏终端：在接收者通信范围内而在发送者的通信范围外的终端隐终端隐终端暴露终端：暴露终端：在发送者通信范围内而在接收者通信范围之外的终端暴露终端暴露终端ABCDAd HocAd Hoc网络面临的问题网络面临的问题(2)(2)网络管理网络管理l拓扑管理拓扑管理l确定将一组节点组织成网络的机制确定将一组节点组织成网络的机制

16、l移动性管理移动性管理l节点移动过程中保持服务不中断、跟踪节点位置等节点移动过程中保持服务不中断、跟踪节点位置等l服务质量管理服务质量管理l动态变化的移动动态变化的移动Ad Hoc网络使得服务质量保证更加困难网络使得服务质量保证更加困难l自动配置自动配置lAd Hoc网络网络 MAC协议协议 路由算法路由算法 体系结构和分簇算法体系结构和分簇算法 QoS保障机制保障机制 传输层协议传输层协议 安全问题安全问题 网络管理与网络互联网络管理与网络互联 服务发现和激励协作服务发现和激励协作 Ad HocAd Hoc网络的体系结构网络的体系结构 单主机多电台单主机多电台路由器路由器 主机主机路由器路由

17、器 主机主机单主机单电台单主机单电台 多主机多电台多主机多电台路由器路由器 主机主机 主机主机 主机主机路由器路由器 主机主机 主机主机 主机主机 多主机单电台多主机单电台 节点包括主机、路由器和电台，节点包括主机、路由器和电台，从物理结构上节点分为：从物理结构上节点分为： Ad Hoc网络需采用适合自身特点和应用需求的体系结构网络需采用适合自身特点和应用需求的体系结构 Ad Hoc网络应采用网络应采用分布式控制结构，并且节点应具有分布式控制结构，并且节点应具有自组织性自组织性 三种基本结构三种基本结构 集集中式控制结构中式控制结构 全分布式控制结构全分布式控制结构 分层分布式控制结构分层分布

18、式控制结构一个关键问题是如何发现、收集和使用拓扑信息来形成合理一个关键问题是如何发现、收集和使用拓扑信息来形成合理的网络结构，从而提高网络性能和各种业务的服务质量的网络结构，从而提高网络性能和各种业务的服务质量 平面网络结构平面网络结构 优点：优点：节点地位平等，负载平衡性较好，不存在瓶颈，网络比节点地位平等，负载平衡性较好，不存在瓶颈，网络比较灵活、健壮，如较灵活、健壮，如PRN和和CNR 缺点：缺点：节点信息交互频繁、处理能力弱，存储和控制开销大，数据节点信息交互频繁、处理能力弱，存储和控制开销大，数据传输时延大、可扩展性差，网络规模受限传输时延大、可扩展性差，网络规模受限1 42 7 8

19、56 分级结构结合了全分布式和分层中心式的优点，开销相对较小、分级结构结合了全分布式和分层中心式的优点，开销相对较小、扩展性好、便于管理、适合部队梯次组网要求，可分为单频分级和扩展性好、便于管理、适合部队梯次组网要求，可分为单频分级和多频分级结构多频分级结构 普通节点普通节点网关网关簇头簇头单频分级网络结构单频分级网络结构骨干链路骨干链路普通链路普通链路低级低级高级高级簇头簇头簇成员簇成员频率频率2频率频率1多频分级网络结构多频分级网络结构军事通信中采用的分簇网络结构军事通信中采用的分簇网络结构1连连6连连2连连1 营营1 团团2 营营3连连 分层分布式结构能够满足部队不同层次梯队的战术要求，

20、适应各分层分布式结构能够满足部队不同层次梯队的战术要求，适应各层次梯队业务流量的非对称性。层次梯队业务流量的非对称性。 在军事系统中，战斗单元通常是成建制的，所以可以按照部队建在军事系统中，战斗单元通常是成建制的，所以可以按照部队建制来划分簇，不同簇之间通信需要利用网关节点。制来划分簇，不同簇之间通信需要利用网关节点。平面结构和分级结构比较平面结构和分级结构比较平面结构平面结构分级结构分级结构完全分布式的网络完全分布式的网络多个簇组成的网络多个簇组成的网络所有节点的地位是平等的所有节点的地位是平等的节点被分为簇首和簇成员，簇首节点被分为簇首和簇成员，簇首预先指定或者由选择算法产生预先指定或者由

21、选择算法产生不存在网络瓶颈，可存在多条路不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健壮性好径，网络健壮性好簇首节点可能成为网络瓶颈，所簇首节点可能成为网络瓶颈，所有到簇外的通信必须通过簇首节有到簇外的通信必须通过簇首节点进行点进行可扩展性差，每个节点需要知道可扩展性差，每个节点需要知道到达所有其它节点的路由，适用到达所有其它节点的路由，适用于中小规模的网络于中小规模的网络可扩展性好，簇内路由信息局部可扩展性好，簇内路由信息局部化，适用于大规模网络化，适用于大规模网络 骨干链路骨干链路普通链路普通链路普通节点普通节点网关网关簇头簇头 分布式网关分布式网关单向链路单向链路 最小节点最小节点ID分簇算法分

22、簇算法 最高节点度分簇算法最高节点度分簇算法 最低节点移动性分簇算法最低节点移动性分簇算法 无簇头分簇算法无簇头分簇算法 基于地理位置的分簇算法基于地理位置的分簇算法 基于信道接入的被动分簇算法基于信道接入的被动分簇算法 限制簇尺寸的分簇算法限制簇尺寸的分簇算法 组合加权分簇算法组合加权分簇算法 定量特征定量特征 网络建立时间、节点加入时间、重配置时间网络建立时间、节点加入时间、重配置时间 控制开销、带宽效率控制开销、带宽效率 、存储空间、存储空间 网络情景网络情景 定性特征定性特征 拓扑拓扑/位置信息位置信息 、对拓扑变化的反应方式、对拓扑变化的反应方式 环境适应能力、功率意识能力环境适应能

23、力、功率意识能力 单信道或多信道、单信道或多信道、单向链路支持能力单向链路支持能力 安全性、服务质量安全性、服务质量 数据吞吐量、时延和丢失率数据吞吐量、时延和丢失率 路由获取时间路由获取时间 路由协议的效率路由协议的效率 链路利用率链路利用率 路由跳数路由跳数 Ad Hoc网络通用协议栈网络通用协议栈 物理层：物理层：扩频技术（扩频技术（DS-SS、HF-SS）、移动模型（）、移动模型（Random）、信道模型）、信道模型(Free Space) 应用层：应用层：实时业务、自适应应用、数据报业务实时业务、自适应应用、数据报业务移动定位、自动配置、安全策略移动定位、自动配置、安全策略 数据链路

24、层数据链路层逻辑链路控制子层（逻辑链路控制子层（LLC）：）：分组转发分组转发/确认、差错控制确认、差错控制媒体接入控制子层（媒体接入控制子层（MAC）：）：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA功率控制、拓扑控制功率控制、拓扑控制网络互连层：网络互连层：IPv4、IPv6、Mobile IP网络层：网络层：邻居发现、路由协议（邻居发现、路由协议（DSR、DSDV等）、等）、VC机制机制分簇（簇头选择和簇维护）分簇（簇头选择和簇维护） 网络层网络层传输层：传输层：(W)TCP、UDP信令协议：信令协议：RSVP、INSIGNIA体系结构的设计方法和原则体系结构的设计方法和原则 Ad

25、 HocAd Hoc网络体系结构的设计方法网络体系结构的设计方法 Ad HocAd Hoc网络为特定目的和临时场合构建的网络为特定目的和临时场合构建的 严格的分层设计不够优化并缺乏适应性严格的分层设计不够优化并缺乏适应性 Ad Hoc网络的体系结构应根据使用环境和应用需求设计网络的体系结构应根据使用环境和应用需求设计 需要采用基于应用和网络特征的跨层体系结构，能够在协议栈各层需要采用基于应用和网络特征的跨层体系结构，能够在协议栈各层支持自适应和性能优化支持自适应和性能优化 利用层间相关性，确定优化目标和层间交互信息的种类和方式，考利用层间相关性，确定优化目标和层间交互信息的种类和方式，考虑系统

26、的约束条件和网络特性，并进行合理折衷虑系统的约束条件和网络特性，并进行合理折衷 Ad HocAd Hoc网络体系结构的设计原则网络体系结构的设计原则 Internet协议设计原则协议设计原则应用层应用层物理层物理层应用层应用层物理层物理层应用层应用层物理层物理层应用层应用层物理层物理层Ad Hoc网络协议设计原则网络协议设计原则 InternetInternet中链路带宽较高，瓶颈在路由器，强调相邻对等实体之间中链路带宽较高，瓶颈在路由器，强调相邻对等实体之间的水平通信，而尽可能减少实体内协议栈各层之间的垂直通信。的水平通信，而尽可能减少实体内协议栈各层之间的垂直通信。 MANETMANET中

27、链路带宽和能量非常稀少，通过增加协议栈各层的垂直交互中链路带宽和能量非常稀少，通过增加协议栈各层的垂直交互来减少协议层对等实体之间的水平通信来减少协议层对等实体之间的水平通信Ad HocAd Hoc网络跨层设计和优化网络跨层设计和优化计算机网络的分层设计方法计算机网络的分层设计方法 通过分层将复杂的系统问题转化为较易处理的局部问题通过分层将复杂的系统问题转化为较易处理的局部问题 ，具有如下好处：具有如下好处： 分离抽象的功能和实现的细节分离抽象的功能和实现的细节 较强的灵活性和适应性较强的灵活性和适应性 便于分割和定制功能便于分割和定制功能 便于实现、维护和升级便于实现、维护和升级 有助于协议

28、的标准化工作有助于协议的标准化工作 跨层设计方法的提出跨层设计方法的提出 传统分层协议栈分离网络控制功能，层间接口少，维护成本低；但传统分层协议栈分离网络控制功能，层间接口少，维护成本低；但是层间接口呆板，层间通信不方便，信息交互不及时，上层不能准确是层间接口呆板，层间通信不方便，信息交互不及时，上层不能准确了解底层状况了解底层状况 Ad HocAd Hoc网络稀少的资源和动态变化的拓扑和信道质量使得传统分层网络稀少的资源和动态变化的拓扑和信道质量使得传统分层结构难以胜任，因为各层信息的分离和屏蔽限制了系统的灵活性，不结构难以胜任，因为各层信息的分离和屏蔽限制了系统的灵活性，不利于提高协议效率

29、和优化系统性能。因此，需要根据利于提高协议效率和优化系统性能。因此，需要根据Ad HocAd Hoc网络自身网络自身特点对分层体系结构进行修改和扩充特点对分层体系结构进行修改和扩充 为减少能耗、提供服务质量保障和优化系统性能，应允许各协议层为减少能耗、提供服务质量保障和优化系统性能，应允许各协议层和功能模块之间根据需要及时方便交互信息，而不再局限于相邻的层和功能模块之间根据需要及时方便交互信息，而不再局限于相邻的层和特定的信息流向，即采用一种新型的跨层协议栈和跨层设计方法和特定的信息流向，即采用一种新型的跨层协议栈和跨层设计方法 跨层设计方法的提出（续）跨层设计方法的提出（续） 当前很多研究工

30、作是孤立的，只针对协议栈的某个层次，没有考当前很多研究工作是孤立的，只针对协议栈的某个层次，没有考虑相互冲突的系统目标，难以优化网络的整体性能。虑相互冲突的系统目标，难以优化网络的整体性能。 能量保护、能量保护、QoSQoS支持、可靠性和安全性等问题涉及协议栈各层次，支持、可靠性和安全性等问题涉及协议栈各层次，各层独立优化不一定会使整个系统性能最优各层独立优化不一定会使整个系统性能最优 Ad HocAd Hoc网络往往是为特定目的和应用需求临时构建的。采用严格网络往往是为特定目的和应用需求临时构建的。采用严格分层设计方法缺乏适应性和灵活性，不符合动态变化的网络特点。分层设计方法缺乏适应性和灵活

31、性，不符合动态变化的网络特点。 为满足为满足Ad HocAd Hoc网络的特殊要求，需要采取一种崭新的跨层设计方网络的特殊要求，需要采取一种崭新的跨层设计方法：针对法：针对Ad HocAd Hoc网络动态多变和资源受限的特点，在充分考虑协议网络动态多变和资源受限的特点，在充分考虑协议栈各层次关联的基础上，跨越协议栈各层实施联合设计和优化以提栈各层次关联的基础上，跨越协议栈各层实施联合设计和优化以提高资源使用效率和系统整体性能。高资源使用效率和系统整体性能。 跨层设计的概念和特征跨层设计的概念和特征 跨层设计并不摒弃分层，也不是各层功能的简单组合，而是打破跨层设计并不摒弃分层，也不是各层功能的简

32、单组合，而是打破严格分层约束的同时保持分层结构，通过跨层交互协调各层的行为，严格分层约束的同时保持分层结构，通过跨层交互协调各层的行为，以高效利用有限资源来实现系统目标以高效利用有限资源来实现系统目标 跨层设计是一种综合考虑协议栈不同层次，并允许任意层次和功跨层设计是一种综合考虑协议栈不同层次，并允许任意层次和功能模块之间交互信息以优化系统性能的方法能模块之间交互信息以优化系统性能的方法 推荐在原有的分层协议栈上集成跨层设计与优化方法，并将这种推荐在原有的分层协议栈上集成跨层设计与优化方法，并将这种支持跨层交互的协议栈称为跨层协议栈支持跨层交互的协议栈称为跨层协议栈 各层在对网络变化做出自适应

33、调节的时候与其他层次相协调，通各层在对网络变化做出自适应调节的时候与其他层次相协调，通过利用层间共享的信息来采取适当的行动，从而使协议栈各层做出过利用层间共享的信息来采取适当的行动，从而使协议栈各层做出合理的反应，以此来优化整个系统合理的反应，以此来优化整个系统 跨层设计方法的优势跨层设计方法的优势 考虑考虑Ad Hoc网络的独特性，提高资源使用效率网络的独特性，提高资源使用效率 基于变化的网络环境和应用需求，跨越协议栈各层进行协调才基于变化的网络环境和应用需求，跨越协议栈各层进行协调才能获得最优系统配置能获得最优系统配置 方便支持新业务，尤其是对网络条件变化敏感的业务方便支持新业务，尤其是对

34、网络条件变化敏感的业务 协调本地和全局行为，促使各层协议行动一致，消除冗余功能，协调本地和全局行为，促使各层协议行动一致，消除冗余功能，充分发挥各层协议的效用充分发挥各层协议的效用 鼓励各层协议及功能模块的协同合作，不同层可及时共享信鼓励各层协议及功能模块的协同合作，不同层可及时共享信息，有助于消除冗余，减少开销；可以匹配应用需求和网络条息，有助于消除冗余，减少开销；可以匹配应用需求和网络条件，通过跨层联合优化来改善系统性能和提高用户满意度：件，通过跨层联合优化来改善系统性能和提高用户满意度： 跨层设计的策略跨层设计的策略 跨层设计采用一种综合协调的方法来适应网络的动态性，每层可跨层设计采用一

35、种综合协调的方法来适应网络的动态性，每层可以对本地的变化和其他层反馈的信息做出合理反应以对本地的变化和其他层反馈的信息做出合理反应 不孤立地对每层进行设计，而是利用它们的相关性将各层协不孤立地对每层进行设计，而是利用它们的相关性将各层协 议集成到一个跨层体系结构中。相关性涉及各层的自适应性，系议集成到一个跨层体系结构中。相关性涉及各层的自适应性，系统约束条件以及应用的需求。此外，上层协议应避免执行下层协统约束条件以及应用的需求。此外，上层协议应避免执行下层协议已经实现的功能来减少开销议已经实现的功能来减少开销 在跨层协议栈中，每层的自适应机制应基于该层变化的时间在跨层协议栈中，每层的自适应机制

36、应基于该层变化的时间粒度来适应网络环境的变化粒度来适应网络环境的变化 每层的自适应机制应首先补偿本层出现的变化，如果不能解每层的自适应机制应首先补偿本层出现的变化，如果不能解决问题，则需要同其他层交互信息来共同适应这种变化决问题，则需要同其他层交互信息来共同适应这种变化 跨层设计的方法跨层设计的方法 不同方法各有优势，在实施跨层设计时，应根据具体应用场合控不同方法各有优势，在实施跨层设计时，应根据具体应用场合控制层间传递的信息和确定跨层交互的程度制层间传递的信息和确定跨层交互的程度 一是在优化某一层协议时考虑其他协议层的相关参数，如路由一是在优化某一层协议时考虑其他协议层的相关参数，如路由算法

37、将信道质量和链路层拥塞信息作为选路依据算法将信道质量和链路层拥塞信息作为选路依据 二是将关联密切的协议进行统一优化设计，例如二是将关联密切的协议进行统一优化设计，例如INORA就是就是一种将资源预约协议和路由协议集成在一起的信令机制一种将资源预约协议和路由协议集成在一起的信令机制 不同方法的区别主要在于层间耦合的程度，既可利用简单的事不同方法的区别主要在于层间耦合的程度，既可利用简单的事件通知机制（如链路层将链路状况定期上报给网络层）件通知机制（如链路层将链路状况定期上报给网络层） ，也可支，也可支持任意层次间的信息交流持任意层次间的信息交流 跨层设计的形式跨层设计的形式应用层应用层传输层传输

38、层网络层网络层链路层链路层物理层物理层跨层跨层协调器协调器（a）应用层应用层 中间件中间件传输层传输层网络层网络层链路层链路层（b）物理层物理层（跨层协调器（跨层协调器）跨层跨层 协调器协调器应用应用系统系统 资源资源底层底层 硬件硬件网络网络 协议协议（c） 图图(a)和和(b)均从网络协议栈的角度来实施跨层设计，层间交互清晰。均从网络协议栈的角度来实施跨层设计，层间交互清晰。前者允许任意层之间交互信息，跨层协调器相对独立，对现有协议栈改前者允许任意层之间交互信息，跨层协调器相对独立，对现有协议栈改动很少；后者需要借助于中间件层来实现上层应用和传输层以下各层的动很少；后者需要借助于中间件层来

39、实现上层应用和传输层以下各层的交互，没有考虑传输层以下各层的跨层联系，灵活性不够。交互，没有考虑传输层以下各层的跨层联系，灵活性不够。 图图(c)从系统的观点来实施跨层设计，考虑影响系统性能的各种因素，从系统的观点来实施跨层设计，考虑影响系统性能的各种因素，但它没有没有明确层间交互方式，不便于实现。但它没有没有明确层间交互方式，不便于实现。 跨层自适应跨层自适应 跨层自适应调节是动态的层间联合优化，即层间自适应，打破跨层自适应调节是动态的层间联合优化，即层间自适应，打破原有的分层思想，在一个分层框架内，利用层与层的相互联系进行原有的分层思想，在一个分层框架内，利用层与层的相互联系进行自适应的优

40、化自适应的优化 应用层应用层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层跨层跨层自适应自适应系统约束系统约束条件条件优化目标优化目标自适应跨层协议栈自适应跨层协议栈 从从跨层信息流动的方向可分为上层到下层的跨层调节和下层到跨层信息流动的方向可分为上层到下层的跨层调节和下层到上层的跨层反馈上层的跨层反馈 自适应跨层协议栈各层可供交互的信息自适应跨层协议栈各层可供交互的信息BER、节点位置、运动模式、节点位置、运动模式、SNR、发送功率、发送功率物理层物理层帧长、邻居信息、节点密度、链路带宽、接口队列长度帧长、邻居信息、节点密度、链路带宽、接口队列长度链路链路/MAC层层网络接口、路由稳定性和

41、质量、网络拓扑和流量网络接口、路由稳定性和质量、网络拓扑和流量网络层网络层RTT、拥塞窗口、重传定时器、吞吐量、分组丢失率、拥塞窗口、重传定时器、吞吐量、分组丢失率传输层传输层QoS约束、业务特性、服务器位置约束、业务特性、服务器位置应用层应用层 Ad Hoc网络需要一种能够方便地将跨层优化算法和现网络需要一种能够方便地将跨层优化算法和现有分层协议栈无缝集成的跨层体系结构。有分层协议栈无缝集成的跨层体系结构。跨层体系结构跨层体系结构对分层体系结构进行扩充和增强，如创建可被各层访问对分层体系结构进行扩充和增强，如创建可被各层访问的网络状态库，每层协议均可在此状态库读取或写入相的网络状态库，每层协

42、议均可在此状态库读取或写入相关信息，并由协调实体负责信息的组织和交互关信息，并由协调实体负责信息的组织和交互 设计目标设计目标：保留和现有协议栈的接口，尽量少改动现有：保留和现有协议栈的接口，尽量少改动现有协议栈；便于跨层优化算法的快速开发和应用，减少跨协议栈；便于跨层优化算法的快速开发和应用，减少跨层机制的开销；可移植性好，适应多种系统和网络环境；层机制的开销；可移植性好，适应多种系统和网络环境；便于扩展和升级，以满足未来的需求。便于扩展和升级，以满足未来的需求。 跨层子系统负责跨层信息交互和跨层优化，关键部件是跨层优化器和网络跨层子系统负责跨层信息交互和跨层优化，关键部件是跨层优化器和网络

43、状态库。网络状态库提供一个全局可访问的信息存储库，跨层优化器利用状态库。网络状态库提供一个全局可访问的信息存储库，跨层优化器利用网络状态库收集的各层信息，并根据各层协议当前所处的状态来调用优化网络状态库收集的各层信息，并根据各层协议当前所处的状态来调用优化算法及采取必要的行动，从而实现系统优化目标。算法及采取必要的行动，从而实现系统优化目标。系统设计的目标是提高应用性能和改善用户满意度，协议栈之上的用户也应系统设计的目标是提高应用性能和改善用户满意度，协议栈之上的用户也应参与系统优化，提供额外的信息，甚至调控节点和应用的行为。参与系统优化，提供额外的信息，甚至调控节点和应用的行为。应用层应用层

44、传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层安安全全需需求求服服务务质质量量要要求求能能量量管管理理用户用户/外部实体外部实体跨层优化器跨层优化器网络状态库网络状态库 事件通知事件通知 优化行动优化行动跨层子系统跨层子系统 分组头信令管道分组头信令管道 跨层信令机制在不同层之间快速、高效传递信息以减少跨跨层信令机制在不同层之间快速、高效传递信息以减少跨层优化机制的开销层优化机制的开销 常用的层间信令机制常用的层间信令机制 ICMP消息消息 本地配置信息库本地配置信息库 跨层信令通路（跨层信令通路（CLSP）：）：允许在不同的层之间直接进行允许在不同的层之间直接进行双向信令交互的机制，以便于

45、各层的实时通信和协调。双向信令交互的机制，以便于各层的实时通信和协调。 缺点：缺点：逐层的信令传递引入较大的处理开销和传递时延；信令消逐层的信令传递引入较大的处理开销和传递时延；信令消息格式不够灵活和通用，不能满足节点内上下行信令交互及节点息格式不够灵活和通用，不能满足节点内上下行信令交互及节点间消息传递的要求间消息传递的要求跨层信令通路（跨层信令通路（CLSP） 基本思想：基本思想：在协议栈中引入本地带外信令通道允许非相邻的层之在协议栈中引入本地带外信令通道允许非相邻的层之间通过专用接口直接交互消息间通过专用接口直接交互消息 其他措施：其他措施：区别对待内部区别对待内部/外部消息，尽量将信令

46、维持在节点内部，外部消息，尽量将信令维持在节点内部，只在节点之间传递必要的消息。只在节点之间传递必要的消息。 实现方式：实现方式：采用事件触发方式执行，采用事件触发方式执行，提供了一种通用的跨层信令提供了一种通用的跨层信令框架，具体实现与应用情景相关框架，具体实现与应用情景相关 应用层应用层传输层传输层网络层网络层链路层链路层物理层物理层概念模型概念模型 动机：动机：目前，在协议栈各层次都提出了许多支持目前，在协议栈各层次都提出了许多支持QoS的机制，但的机制，但这些机制往往是孤立的，没有考虑彼此的联系。为此，可以采用跨这些机制往往是孤立的，没有考虑彼此的联系。为此，可以采用跨层设计方法统筹考

47、虑各层协议的耦合特性，利用层间关联和信息交层设计方法统筹考虑各层协议的耦合特性，利用层间关联和信息交互来联合优化各层次的互来联合优化各层次的QoS保障机制，为用户提供满意的服务性能保障机制，为用户提供满意的服务性能 方法：方法： 应用要适应不可预测的网络环境并且通过监视当前传递的业应用要适应不可预测的网络环境并且通过监视当前传递的业务流量以决定当前的资源要求务流量以决定当前的资源要求 在跨层设计思想的指导下，协议栈各层可以进行自适应调节在跨层设计思想的指导下，协议栈各层可以进行自适应调节来优化业务的性能来优化业务的性能 通过组合调节发送功率、数据速率、重传定时器、帧长、编通过组合调节发送功率、

48、数据速率、重传定时器、帧长、编码和调制来适应网络状况的变化，并通过区分分组优先级以满码和调制来适应网络状况的变化，并通过区分分组优先级以满足高优先级业务的足高优先级业务的QoS要求要求 跨层跨层QoS模型需要考虑如何对上层应用，信道接入机制、网络层和模型需要考虑如何对上层应用，信道接入机制、网络层和传输层协议进行联合设计与优化。传输层协议进行联合设计与优化。 跨层跨层QoS模型需要确定合适的模型需要确定合适的QoS指标，并且需要明确这些指标的指标，并且需要明确这些指标的重要性和相互关系重要性和相互关系 跨层跨层QoS模型应将不同层的模型应将不同层的QoS指标区分开来并分别进行匹配指标区分开来并分别进行匹配应用层应用层网络层网络层MAC层层应用层指标应用层指标 （时延、吞吐量）（时延、吞吐量）网络层指标网络层指标 （缓存、电量、稳定性）（缓存、电量、稳定性）MAC层指标层指标 （链路（链路SNR与与BER）协议栈协议栈QoS指标指标 当前存在的问题：当前存在的问题： 大都仅考虑两层联合优化，很少考虑三层以上的跨层优化大都仅考虑两层联合