移动计算技术-_Ad_hoc概述_2014

1、移动计算技术移动计算技术 Ad hoc概述概述通信发展趋势n两大发展趋势IPWLAN的拓扑结构：nWLAN有两种主要拓扑结构：n自组织网络，也称对等网络，Ad hoc网络n基础结构网络（Infrastructure Network）交换机基站终端Ad hoc网络的发展历史PRNET项目（1972）SURSAN项目（1983）MANET小组（1997）GloMo项目（1994）NTDR项目n1972年分组无线网（年分组无线网（PRNET）n战场环境下的数据通信战场环境下的数据通信n1983年抗毁自适应网络（年抗毁自适应网络（SURAN）n支持大规模网络支持大规模网络n适应战场快速变化环境需要的自

2、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n1994年全球移动通信系统年全球移动通信系统（GloMo）n满足军事应用需要的、可快速展开、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Defense Advanced Research Project AgencyAd hoc网络的发展历史n1991年年IEEE 802.11首次提出首次提出“Ad Hoc网络网络”n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n1997年年IETF成立成立MANET工作组工作组n基于基于IP的无线多跳网络路由的无线多跳网络路由n20

3、03年年IRTF成立成立ANS研究组研究组n其它研究机构其它研究机构ClosedAd Hoc：For the specific purpose onlyMANET：Mobile Ad-hoc NetworksANS：Ad Hoc Networks ScalabilityAd hoc网络的发展历史Ad hoc网络的起源nIEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Ad hoc网络就此诞生。nAd Hoc源于拉丁语，意思是“for this”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，即Ad

4、 hoc网络是一种有特殊用途的网络。Ad hoc网络的起源 n通常的移动网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。n但在某些特殊环境或紧急情况下，有中心的移动通信技术并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等。Ad Hoc网络的定义网络的定义n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)终端节点组成的一终端节点组成的一个多跳临时性自治系统个多跳临时性自治系统n每个每个(移动移动)终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，

5、终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终机，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端需要运行相应的路由协议n节点间路由通常由多跳节点间路由通常由多跳(Hop)组成组成n不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建建多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络Ad Hoc网络的特点（网络的特点（1）n独立组网独立组网n不需要任何预先网络基础设施不需要任何预先网络基础设施n动态拓扑动态拓扑n节点移动节点移动/开机开机/关机关机n节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素节点无线发送功率变

6、化、无线信道干扰或者地形等因素影响影响n自组织自组织n无控制中心无控制中心n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发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的Ad Hoc网络的特点（网络的特点（2）n多跳路由多跳路由n接收端和发送端可使用比接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了率进行通信，因此节省了能量消耗能量消耗n通过中间节点参与分组转通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网本，同时扩大了

7、自组织网络的覆盖范围络的覆盖范围Ad Hoc网络的特点（网络的特点（3）n特殊的无线信道特征特殊的无线信道特征n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n竞争无线共享信道产生碰撞竞争无线共享信道产生碰撞n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n终端的局限性终端的局限性n能量、存储、计算等资源受限能量、存储、计算等资源受限n安全性差安全性差n无线链路的开放性无线链路的开放性n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n可扩展性不强可扩展性不强n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

8、络容量下降n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n存在单向无线信道存在单向无线信道n终端发射功率的不同及地形环境的影响终端发射功率的不同及地形环境的影响Ad Hoc网络与网络与Sensor网络网络nSensor网络网络n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n各个无线节点静态地随机分布在某一区域。传感器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负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点n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，并且具

9、有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络（络（Internet）并且到达最终的用户）并且到达最终的用户p与一般Ad Hoc网络相比：p节点数量多、分布稠密p节点的能量、计算、存储等资源进一步受限Ad Hoc网络与无线局域网网络与无线局域网n单跳与多跳单跳与多跳n研究重点不同研究重点不同n通信模式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移动移动Ad Hoc网络网络(MAN

10、ET)与移动与移动IPMANET移动IP 移动自组网MANETsn 在某些特殊环境下或紧急请况下，如何应用网络n 共同的要求n移动互联网 自然灾害时，现有的网络设施不可用 进行科学考察、探险、没有可用的网络 战场上，如何实现动态过程的协同通信 动态的、快速部署 不依赖或很少依赖现有的有线网络n移动互联网的组成方式 移动终端式移动路由式 逻辑上移动终端到达固定网络的路由器只有一跳 的距离 固定互联网要解决移动中接入所需要的定位和地 址管理问题 移动路由器和移动终端组成一个独立的无线互联 网 移动终端永久性或临时性地 与移动路由器相连移动自组网MANETsn移动互联网的研究主要两个分支 联合战术无

11、线网络系统JTRS（Joint Tactical System）移动专网工作组MANET（Mobile ad hoc Networks ） 美国国防部，1996年 主要研究用于构建战术移动互联网 互联网工程任务组（IFTF），1997年 利用多跳无线网构造一个基于IP的移动互联网，并 通过实现IP与固定互联网的无线连接移动自组网MANETsAd Hoc网络所面临的问题网络所面临的问题(1)n特殊的信道共享方式特殊的信道共享方式n共享信道共享信道n隐藏节点问题隐藏节点问题/暴露节点问题暴露节点问题n动态变化网络拓扑动态变化网络拓扑n传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧传统路由协议花较

12、高代价获取的路由信息可能已经陈旧n有限的无线传输带宽有限的无线传输带宽n减少节点之间的交换的消息减少节点之间的交换的消息n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n有限的能量有限的能量n能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由n安全问题安全问题n无线信道的开放性更容易受到各种攻击无线信道的开放性更容易受到各种攻击n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n由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA网络路由时需考虑Ad Hoc网络所面临的问题

13、网络所面临的问题(2)n网络管理网络管理n拓扑管理拓扑管理n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n移动性管理移动性管理n跟踪网络中移动节点的位置跟踪网络中移动节点的位置n服务质量管理服务质量管理n多跳拓扑动态变化的移动多跳拓扑动态变化的移动Ad Hoc网络使网络使得服务质量保证更加困难得服务质量保证更加困难n自动配置自动配置nn随着我国电信市场竞争的加剧，找准和开拓新的业务增长点成了电信运营商和设备提供商在市场中掌握先机的关键。n采用移动Ad Hoc网络技术的MESH无线区域网等业务被认为是未来的业务热点之一。n甚至有人称：就象IP网络改造传统电信网络一样，移动Ad H

14、oc网络技术可能对现有移动通信网络的结构和运营模式带来划时代的影响。Ad Hoc自组织无线网络技术意义深远自组织功能Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi动态变化的网络拓扑Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi自动最佳路由选择最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi自动路由保护/恢复Wi-FiWi-

15、FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiAd Hoc网络与ISO模型Ad Hoc 在未来无线通信中的应用n研究

16、表明大型的独立Ad Hoc实用性不高，它在路由方面开销较大，并且存在安全问题，传输速率也比较低。n小型的Ad Hoc网络被认为使用范围广泛，在家庭、会议及一些个人通信领域有很大的商业潜力。而802.11和蓝牙技术也使得小型Ad Hoc易于配置。自组网的应用1、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）2、企业局域网：展览中心、体育场、旅游区、大型仓库、企业局域网：展览中心、体育场、旅游区、大型仓库、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

17、通、智能交通6、传感器监测网络、传感器监测网络7、家庭安全监测系统、家庭安全监测系统8、战场侦察网络、战地监测网络、信息中继、战场侦察网络、战地监测网络、信息中继9、各种远程监测、各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、资源监控系统（如环保、水文、地质、资源 保保护、研究等）护、研究等）10、公安、公安/交警交警/消防消防11、.基于WLAN的AD HOC自组织无线网络iiiiiii基于WLAN的自组织无线网络架构Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiInternet3G/HSDPA/WiMAXnIEEE802.11b/g（2.4GHz）

18、、）、IEEE802.11（5GHz）n每个节点每个节点2002000m覆盖范围覆盖范围n64/128位位WEP加密（或加密（或WAPI）（可根据需要）（可根据需要 增加不同增加不同层次的加密功能）层次的加密功能）n高带宽，高带宽，11-54M /s或更高（或更高（IEEE802.11n）n面向数据业务面向数据业务(Data service oriented )的网络的网络n支持支持VoWi-Fin网络可靠性高网络可靠性高n组网非常方便组网非常方便n通用性和兼容性强通用性和兼容性强n成本优势成本优势n丰富的终端支持丰富的终端支持和其它宽带网络的集成Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-

19、FiWi-FiWi-FiWi-FiInternet3G/HSDPA/WiMAXWi-FiWi-FiWi-FiInternetMESH Wi-Fi MESH Wi-Fi 接入网接入网有线或有线或WiMAX在城域中的运用在城域中的运用与其他移动通信技术的结合 现场布控/紧急通信巨大的成本优势自组网的局限性 无法保证始终提供可靠的网络连通性 自组网技术目前尚处在研究阶段 ，最终能否 为用户接受而应用到通讯市场还不太明朗 自组网的扩展性还有待于进一步探讨 由于数据的多跳转发而带来传输延迟还很大 网络的服务质量（Qos）还很难保障 存在安全感隐患自组织网络的评价方法 计算机仿真技术进行自组网的性能评价

20、实验结果可以重现 实验参数可以随意设置和调整 不同研究成果的实验数据具有可比性 OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的 网络仿真开发和应用平台 在美军的战术互联网的建模与仿真中， OPNET已逐渐成为通用的仿真平台 在美军的未来的战斗系统中FCS通信子系统的 研制中，也使用OPNET作为仿真平台无线自组网的研究重点nMAC-碰撞碰撞/冲突避免、隐藏和暴露终端问题冲突避免、隐藏和暴露终端问题nQoS保证保证n功率控制与管理功率控制与管理n网络的信息安全网络的信息安全实现实现Ad Hoc网络的关键技术网络的关键技术n路由协议路由协议n服务质量管理服务质量管理n功率控制功率控制n传输层性能传输层

21、性能nAd Hoc网络互联网络互联n安全问题安全问题n网络管理网络管理p感知网络拓扑结构的变化p维护网络拓扑的连接p高度自适应性p能量、服务质量等约束p信道接入技术p节能机制p多个Ad Hoc网络互联pAd Hoc内部节点访问InternetCore TechnologyExisting MANET protocolsdiscover routes on-demand (re-active)Maintain updated routes (pro-active)Source routingTable drivenVariation of distant vector?Variations of

22、 link state routing?, ABR,TORA、先应式路由按需路由混合式路由（Hybrid）(局部先应，广域按需）功率感知路由、地理位置信息路由、功率感知路由、地理位置信息路由、 QoS路由、多播路由、可扩展路由路由、多播路由、可扩展路由无线自组网的研究重点n节能设计 能源对于自组网来说是一个十分宝贵的资源 用于维持网络通信所产生的能源开销 + 移动 终端正常运行所产生的能源开销 军事应用以及充电困难的环境下，用户不可能 携带大量电池和对电池进行充电 即使携带备用电池和有充电条件也没有时间来 操作无线自组网的研究重点n安全问题 自组网本身固有的一些特点使得其具有如下的 安全问题 开放