第6-1讲AdHoc网络技术

第6-1讲AdHoc网络技术无线自组网技术内容提要

》AdHoc网络概述

》AdHoc网络的体系结构》体系结构的设计方法和原则》AdHoc网络跨层设计和优化AdHoc网络概述移动蜂窝网络移动终端通过基站接入因特网无线局域网移动终端通过无线接入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

有基础设施的无线网络AdHoc网络的应用需求临时会议/紧急情况科学考察/探险/军事战场接入网络所需的时间和成本较高现有网络服务设施的能力不足远离网络基础设施而希望保持与网络的连接无网络基础设施可用不希望使用网络设施网络基础设施范围之外AdHoc网络AdHoc网络的起源

源于军事通信的需求1972年分组无线网（PRNET）战场环境下的数据通信1983年抗毁自适应网络（SURAN）支持大规模网络适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议1994年全球移动通信系统（GloMo）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DARPA资助DefenseAdvancedResearchProjectAgencyAdHoc网络的研究组织1991年IEEE802.11首次提出“AdHoc网络”自组织、对等式、多跳无线移动通信网络1997年IETF成立MANET工作组基于IP的无线多跳网络路由2003年IRTF成立ANS研究组其它研究机构AdHoc：ForthespecificpurposeonlyMANET：MobileAd-hocNetworksANS：AdHocNetworksScalabilityAdHoc网络的定义由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端节点组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节点间路由通常由多跳(Hop)组成不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点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笔记本电脑

车载台移动终端AdHoc网络的物理结构和逻辑结构AHDBCFEGI双向信道单向信道（a）物理结构（b）逻辑结构AdHoc网络的特点（1）独立组网不需要任何预先架设的网络基础设施动态拓扑节点移动/开机/关机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自组织无控制中心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AdHoc网络的特点（2）多跳路由接收端和发送端使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范围AdHoc网络的特点（3）特殊的无线信道特征无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多竞争无线共享信道产生碰撞信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等存在单向无线信道终端的局限性能量、存储、计算等资源受限安全性差无线链路的开放性移动性导致节点之间信任关系的变化可扩展性不强节点之间的相互干扰造成网络容量下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降AdHoc网络与无线传感网络无线传感网络可以看作是一种特殊类型的AdHoc网络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Internet）与典型的AdHoc网络相比：节点数量多、分布稠密、移动性较弱节点的能量、计算、存储等资源进一步受限以数据采集和传递为中心，采用广播通信模式Internet网关AdHoc网络与无线局域网网络结构不同研究重点不同通信模式不同WLAN集中在物理层和数据链路层WLAN中终端的通信必须依赖AP进行无线局域网为单跳网络，不存在路由问题AdHoc网络涉及TCP/IP协议栈各层AdHoc网络中移动终端的通信是对等的Internet无线接入点AdHoc网络与蜂窝网络的比较由本身或公认的无线节点负责，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站通信，再通过基站与目的节点通信无线节点的控制管理低容量、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，同一信道在转发节点前后的链路可复用骨干网的特点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，易于实现全网同步中继节点的特点无线节点和无线骨干网基站和有线骨干网中继设备高低网络健壮性困难容易路由选择和维护短长存在时间低高成本快慢配置速度较差较好安全性和服务质量无有有无基础设施支持动态静态拓扑结构多跳单跳无线网络结构AdHoc网络蜂窝网络比较内容1、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：展览中心、体育场、旅游区、港口、建筑、煤矿、石油/化工、环保、….3、应急/救援通信系统4、工业自动化控制5、智能交通6、传感器监测网络、远程医疗7、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）9、各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、资源保护、研究等）10、公安/交警/消防……….AdHoc网络的应用AdHoc网络面临的问题(1)特殊的信道共享方式共享信道隐藏终端问题/暴露终端问题动态变化网络拓扑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减少节点之间的交互的消息减少控制消息带来的额外开销有限的能量能量管理机制，各层均要考虑能量控制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网络路由时需考虑隐藏终端与暴露终端问题ABC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ABCDAdHoc网络面临的问题(2)网络管理拓扑管理确定将一组节点组织成网络的机制移动性管理节点移动过程中保持服务不中断、跟踪节点位置等服务质量管理动态变化的移动AdHoc网络使得服务质量保证更加困难自动配置…AdHoc网络的关键技术

MAC协议

路由算法

体系结构和分簇算法

QoS保障机制

传输层协议

安全问题

网络管理与网络互联

服务发现和激励协作AdHoc网络的体系结构

单主机多电台路由器

主机路由器

主机单主机单电台

多主机多电台路由器

主机

主机

主机路由器

主机

主机

主机

多主机单电台

节点包括主机、路由器和电台，从物理结构上节点分为：

AdHoc网络需采用适合自身特点和应用需求的体系结构节点结构网络结构AdHoc网络应采用分布式控制结构，并且节点应具有自组织性

三种基本结构集中式控制结构全分布式控制结构分层分布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

优点：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PRN和CNR缺点：节点信息交互频繁、处理能力弱，存储和控制开销大，数据传输时延大、可扩展性差，网络规模受限1

42

7]

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分级网络结构

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，可分为单频分级和多频分级结构普通节点网关簇头单频分级网络结构骨干链路普通链路低级高级簇头簇成员频率2频率1多频分级网络结构军事通信中采用的分簇网络结构1连6连2连1营1团2营3连

分级网络结构（续）

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。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。平面结构和分级结构比较平面结构分级结构完全分布式的网络多个簇组成的网络所有节点的地位是平等的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不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健壮性好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点进行可扩展性差，每个节点需要知道到达所有其它节点的路由，适用于中小规模的网络可扩展性好，簇内路由信息局部化，适用于大规模网络

典型的分簇网络结构

骨干链路普通链路普通节点网关簇头

分布式网关单向链路

常见的分簇算法

最小节点ID分簇算法

最高节点度分簇算法

最低节点移动性分簇算法

无簇头分簇算法

基于地理位置的分簇算法

基于信道接入的被动分簇算法

限制簇尺寸的分簇算法

组合加权分簇算法网络关键特征

定量特征

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、存储空间

网络情景

定性特征

拓扑/位置信息、对拓扑变化的反应方式

环境适应能力、功率意识能力

单信道或多信道、单向链路支持能力

安全性、服务质量

网络性能指标

数据吞吐量、时延和丢失率

路由获取时间

路由协议的效率

链路利用率

路由跳数

AdHoc网络通用协议栈

物理层：扩频技术（DS-SS、HF-SS）、移动模型（Random）、信道模型(FreeSpace)…

应用层：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…

数据链路层逻辑链路控制子层（LLC）：分组转发/确认、差错控制…媒体接入控制子层（MAC）：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA…功率控制、拓扑控制反馈和跨层自适应调节机制QoS

保障、安全保护和能量管理机制网络互连层：IPv4、IPv6、MobileIP…网络层：邻居发现、路由协议（DSR、DSDV等）、VC机制…分簇（簇头选择和簇维护）

网络层传输层：(W)TCP、UDP…信令协议：RSVP、INSIGNIA…体系结构的设计方法和原则

AdHoc网络体系结构的设计方法●

AdHoc网络为特定目的和临时场合构建的动机：设计方法：●

严格的分层设计不够优化并缺乏适应性

●

AdHoc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，考虑系统的约束条件和网络特性，并进行合理折衷

AdHoc网络体系结构的设计原则

Internet协议设计原则应用层物理层应用层物理层应用层物理层应用层物理层AdHoc网络协议设计原则●Internet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。

●MANET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AdHoc网络跨层设计和优化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，具有如下好处：

分离抽象的功能和实现的细节

较强的灵活性和适应性

便于分割和定制功能

便于实现、维护和升级

有助于协议的标准化工作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●AdHoc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，不利于提高协议效率和优化系统性能。因此，需要根据AdHoc网络自身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

跨层设计方法的提出（续）

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。

能量保护、QoS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AdHoc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。为满足AdHoc网络的特殊要求，需要采取一种崭新的跨层设计方法：针对AdHoc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

跨层设计并不摒弃分层，也不是各层功能的简单组合，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，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合理的反应，以此来优化整个系统

跨层设计方法的优势

考虑AdHoc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

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

跨层设计采用一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

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

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

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INORA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

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），也可支持任意层次间的信息交流

跨层设计的形式应用层传输层网络层链路层物理层跨层协调器（a）应用层

中间件传输层网络层链路层（b）物理层（跨层协调器）跨层协调器应用系统资源底层硬件网络协议（c）

图(a)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。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交互，没有考虑传输层以下各层的跨层联系，灵活性不够。

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，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自适应的优化应用层传输层网络层链路层物理层跨层自适应系统约束条件优化目标自适应跨层协议栈

跨层信息交互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上层的跨层反馈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、SNR、发送功率物理层帧长、邻居信息、节点密度、链路带宽、接口队列长度链路/MAC层网络接口、路由稳定性和质量、网络拓扑和流量网络层RTT、拥塞窗口、重传定时器、吞吐量、分组丢失率传输层QoS约束、业务特性、服务器位置应用层可供交互的信息协议栈各层

跨层体系结构AdHoc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。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的网络状态库，每层协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设计目标：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。

通用跨层体系结构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。应用层传输层网络层链路层物理层安全需求服务质量要求能量管理用户/外部实体跨层优化器网络状态库

事件通知

优化行动跨层子系统跨层信令机制

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层优化机制的开销常用的层间信令机制

ICMP消息

本地配置信息库跨层信令通路（CLSP）：允许在不同的层之间直接进行双向信令交互的机制，以便于各层的实时通信和协调。

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跨层信令通路（CLSP）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间通过专用接口直接交互消息

其他措施：区别对待内部/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。实现方式：采用事件触发方式执行，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应用层传输层网络层链路层物理层概念模型动机：目前，在协议栈各层次都提出了许多支持QoS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QoS保障机制，为用户提供满意的服务性能跨层QoS保障

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QoS要求

跨层QoS模型跨层QoS模型需要考虑如何对上层应用，信道接入机制、网络层和传输层协议进行联合设计与优化。跨层QoS模型需要确定合适的QoS指标，并且需要明确这些指标的重要性和相互关系跨层QoS模型应将不同层的QoS指标区分开来并分别进行匹配应用层网络层MAC层应用层指标（时延、吞吐量）网络层指标（缓存、电量、稳定性）MAC层指标（链路SNR与BER）协议栈QoS指标跨层设计面临的问题

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

缺乏系统级的协调，很少考虑算法间的联系和可能的冲突

缺乏相应标准和规范，跨层系统难以维护和升级代价：

降低了设计抽象和模块化，增加协议设计和实现的复杂性

难以准确预测层间交互的结果，并可能与现存的协议不匹配

通用性较低，同时实施多种跨层优化还可能会造成冲突因此，跨层设计不是摒弃分层体系结构本身，而是在其基础上针对特殊应用和网络环境的