第6章无线自组织网络ppt课件

1、第6章 无线自组织网络金光,江先亮2本章内容简介Ad Hoc网络概述 MANET体系构造和协议原理MANET的其它技术Ad Hoc网络的运用MANET的仿真3Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络 无线自组织Ad Hoc网络又称无线对等网，是由假设干个无线终端构成的一个暂时的、无中心的网络，网络中也不需求任何根底设备。这种特殊的网络具有其独特的优点和用途，可便利地实现相互衔接和资源共享。4Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络的背景Ad Hoc网络源于军事通讯的需求，其前身是分组无线网(Packet Radio Network) 1972年美国国防部高级研讨方案署DARPA启动分组无线网工程，主要

2、研讨分组无线网的运用1993年，DAPRA启动可存活性自顺应网络工程20世纪90年代开场，Ad Hoc网络的研讨得到长足进展5Ad Hoc网络的研讨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，根本原那么是尽量防止广播风暴。例如自组织按需间隔向量协议AODV、目的序列间隔向量协议DSDV、区域路由协议ZRP等路由协议。介质访问控制(MAC)协议，主要处理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6Ad Hoc网络的研讨成果包含以下几个方面：Ad Hoc网络与蜂窝网络相结合，拓展其运用范围，提高系统吞吐量

3、其他相关技术，多播或组播协议、地址分配、TCP协议、节能控制、平安性、分布式算法、QoS等用蓝牙节点组建Ad Hoc网络。运用蓝牙技术可组成悄然网Piconet，再经过桥Bridge节点互联，即可构成多跳Ad Hoc网络，可称为蓝牙散射网Scatternet。7挪动Ad Hoc网络的定义挪动Ad Hoc网络(MANET)(又称挪动多跳网或挪动对等网)是一种特殊的在不借助任何中间网络设备的情况下，可在有限范围内实现多个挪动终端暂时互联互通的网络。 可看做是一组带有无线收发安装的挪动终端所组成的一个暂时性多跳自治系统。8MANET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，可运转

4、相关运用程序，以获取或处置数据；节点作为路由器，需运转相关路由协议，进展路由发现、路由维护等常见操作，对收到的并非发给本身的分组根据其目的地址予以转发。9一个简单的MANET网络 10MANET的特点拓扑构造动态变化无固定通讯设备和中央管理设备，网络节点随机挪动，拓扑中的各节点位置时时变化；无线发射安装发送功率的变化、环境影响、信号间的相互关扰等，都会呵斥网络拓扑构造的动态变化。 资源有限一方面是节点的能量有限，而挪动会耗费更多能量，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实际值。 11MANET的特点多跳通讯实现不同覆盖网络间的源与目的主机间的通讯。两个节点

5、的通讯可以是点对点的方式；假设二者间隔超出无线信号覆盖范围，那么需中间节点进展分组的转发，称之为多跳路由。平安性较低无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击的要挟，假设路由协议或无线信道蒙受恶意攻击或干扰，整个网络能够中断正常任务。12MANET体系构造和协议原理MANET的构造 由于MANET具有的特殊性，实践组建网络时，必需充分思索网络的运用规模，扩展性和可靠性、实时性等要求，再选择适宜的网络拓扑构造。 通常MANET的拓扑构造可分两种：对等式构造和分级构造13对等式构造一切节点完全对等，源节点与目的节点通讯时存在多条途径，强壮性好，相对比较平安缺陷是可扩展性略差，由于每个节点都需求知道到达其他

6、节点的路由。MANET的对等式构造 14分级构造网络 分级构造中，网络通常会被分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。各个簇的簇头构成高一级的网络，高一级网络可以再分簇，以构成更高一级的网络，直至最高级。 簇头节点担任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。15分级构造网络分单频分级和多频分级单频分级中一切节点运用同一频率通讯，需求网关节点支持多频分级网络中，不同级采用不同通讯频率。低级网络的通讯范围普通低于高级节点。网关节点内部节点簇头簇MANET的单频分级构造 16分级网络构造的优势与缺陷分级构造中，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

7、较小，从而获得了较好的扩展性。缺陷：维护分级构造需求节点执行簇头选举算法，而簇头节点能够会成为网络瓶颈。 从对等式构造和分级构造的比对中可以看出，当网络规模较小时，可采用简单的对等式构造；网络规模较大时，应采用分级构造。17MANET的协议层次上层援用协议传输层网络层数据链路层物理层运用层网络层数据链路层物理层表示层会话层传输层MANET协议层次ISO/OSI层次构造18物理层，根据实践运用需求设计MANET物理层。首先是通讯频段的选择，目前通常采用2.4GHz的ISM免答应的频段。其次，物理层必需选择相应的无线通讯机制，以实现良好的收、发信功能。 物理层设备可运用多频段、多方式的无线传输方式

8、。MANET各协议层次详细功能19数据链路层，分为MAC子层和LLC子层。 MAC子层决议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，需求MAC层利用CSMA/CA和RTS/CTS机制处理隐藏节点和暴露节点问题。 LLC子层担任向网络提供一致效力，以屏蔽底层不同的MAC方法。MANET各协议层次详细功能20网络层，主要进展邻居发现、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： 分布式运转方式；提供无环回路由；按需进展协议操作；可靠的平安性；提供休眠操作和单向链路的支持。MANET各协议层次详细功能21传输层，为运用层提供可靠的端到端效力，隔离上层与通

9、讯子网，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。上层援用协议，提供面向用户的各种运用效力，包括有严厉时延和丢包率要求的实时运用紧急控制信息、基于RTP/RTCP实时传输协议/实时传输控制协议的音视频运用、无任何效力质量保证的数据包业务等。MANET各协议层次详细功能22MANET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、目的序列间隔向量协议DSDV、鱼眼域形状路由协议FSR、优化链路形状路由协议OLSR等2

10、3MANET的路由协议按需路由协议也称反响式，需发送数据时才查找路由。节点平常不维护路由信息，只需需向目的发送报文时，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：自组织按需间隔向量协议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 按需路由较表驱动路由的开销小，但传输延迟大24表驱动路由协议DSDV路由协议基于Bellman Ford算法，是间隔向量协议的改良之一；路由表经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；快速反响拓扑的变化；延迟了对不稳定路由节点的广播通告；缺陷：不能顺应快速变化的网络；资源开销能够被浪费；

11、多数路由信息能够从未运用；目的之间只提供一条不支持单向衔接的路由；25DSDV的路由表项包括：目的地址、到达目的节点的度量值(最小跳数)、去往目的节点的下一跳、目的节点相关序列号；DSDV中运用了两类更新报文：完全转存(通告全部信息)、递增更新(仅通告更新信息)；DSDV路由选择的根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展更新；序列号一样时，选择度量值最正确如最小跳数的；26典型表驱动路由协议实例ACBD(a)ACBD(b)DSDV路由协议例如 27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

12、B的路由表 图(b)中节点D挪动到新位置，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 路由环回景象产生，即A或B想要向D发送的数据会在A和B之间来回转发，无法到达真正的目的。 28包含序号的路由更新，处理环回景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 29节点D挪动到(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跳计数序列号DD11001(b)中节点C路由表更新30由于A和C会

13、周期性交换路由信息，当A收到C的路由更新后，在序列号一样时，那么会根据DV算法来判别能否更新路由。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，这样就可胜利发送。31WRP路由协议WRP路由协议在网络节点中保管路由信息每个节点的路由表项信息包括：间隔、路由、链路开销和重传音讯列表(MRL) WRP的算法收敛快，防止路由中的环路WRP比大多数协议需求更大内存，还依赖周期性的Hello音讯，也要占用一定带宽。32CGSR分簇网关交换路由协议以DSDV为根底,比DSDV更有效运用分簇路由构造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

14、簇头节点将该分组经过网关节点转发给另一个簇头节点。不断反复直至分组到达目的。适宜大规模MANET，可扩展性较好簇头节点的稳定性、可靠性对全网性能影响较大33按需路由协议AODV路由协议AODV是运用最广泛的按需路由协议之一，它是DSDV算法的改良，但中间节点不需维护路由。AODV采用逐跳路由转发分组，同时参与了组播路由协议扩展，从路由查找回复RREP. 整个通讯过程是对称的，路由可逆，所以AODV不支持单向路由。34典型按需路由协议实例ABCEFDGAODV例如网络拓扑 35ABFDGRREQ逆向途径CEB接纳RREQ并创建逆向路由 36ABCEFDGRREQ逆向途径D接纳RREQ并创建逆向路

15、由 37BCEFDGRREQ逆向途径AF接纳RREQ并创建逆向路由 38BCEFDGRREQRREPAG前往RREP给A 39AODV路由协议的特点基于传统间隔向量路由机制，算法简单明晰。运用目的序列号防止循环发生，处理了无穷计数问题，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，但能够会有过时路由。周期性广播报文，需求耗费一定的能量和网络带宽。 40DSR动态源路由协议中心：每个挪动节点维护一个存放路由的快速缓冲区。 协议原理：当某一挪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，否那么发送一个含源、目的地址的路由恳求分组，启动路由发现过程。 中间节点收到

16、该恳求后，也查询本地缓冲区，如无到达目的地址的途径，那么将本节点地址参与恳求分组后转发，直至目的节点或有到达目的节点路由的中间节点。该节点前往一个路由应对分组，包含了从源到目的途径上一切节点的序列。每个发送的数据分组都将包含发回的途径序列，于是中间节点不再需求保管路由信息，也不需求周期性路由广播和邻居发现。41DSR动态源路由协议的优点：仅在需求通讯的节点间维护路由，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，会产生多个到达目的的途径支持非对称传输信道方式42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

17、/TORA路由获取时延低高控制开销高低能耗高低带宽开销高低表驱动和按需方式路由协议的性能比较 43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 44MANET的其它技术MANET的IP地址分配技术基于同伴系统的分布式动态地址分配协议，经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地址池，之后进入网络的节点“见面分一半，与最初的节点互为同伴。改良的DHCP 协议，每部分网络选一个指点，指点扮演DHCP效力器的角色。基于硬件地址的IP地址分配，采用硬件MAC地址的知网络前缀和后缀组成。4

18、5MANET的其它技术MANET的QoS除传统的时延、带宽、分组丧失率、时延抖动等目的外，还需求有“能量耗费和“效力覆盖范围两个QoS属性参与。 QoS路由：一种基于网络可用资源和业务流的QoS要求来选择途径的路由机制。 QoS路由是用来查找满足QoS要求的途径，将传统最短途径转为一条最优途径。46Ad Hoc网络的运用独立的Ad Hoc网分为两种： 大型Ad Hoc独立网络特殊场所如军事 小型Ad Hoc独立网络家庭、商务会议区、医院等小范围场所另外，在实践运用中， 也可作为末端子网接入其他固定或挪动的通讯网络，与Ad Hoc网络之外的主机进展通讯，称之为与其他网络集成。47Ad Hoc网络

19、的运用Ad HocNetwork 1InternetAd Hoc网关Ad Hoc网关Ad HocNetwork 2APAPAd Hoc与因特网集成 48Ad HocNetwork 1Ad HocNetwork 2基站蜂窝网络效力区Ad Hoc网关Ad Hoc网关Ad Hoc网络与蜂窝网络集成 49MANET的仿真Ad Hoc网络仿真主要模块无线信道模块，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/OmniAnten

20、naAd Hoc路由协议，AODV和DSR50AODV协议仿真仿真背景AODV是运用最广泛的按需路由协议之一，它是DSDV算法的改良，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，可以满足普通的仿真需求，这里的仿真实验无需修正仿真模块。51AODV协议仿真仿真拓扑仿真拓扑如下图，共用到13个挪动节点，节点8将与节点2相互通讯。0346719581121210AODV/DSR仿真实验拓扑图 52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页运用nam工具察看仿真动画53起初节点8开场向周围节点即邻居广播RREQ信息，如下图节点8广播RREQ信息 54广播分散 广播信息继续分散，可以看到，如今有多节点在广播55节点8发现节点2 经过多点路由恳求广播后，节点8曾经找到了目