无线自组织网络概述课件

第6章无线自组织网络金光,江先亮第6章无线自组织网络金光,江先亮本章内容简介

☆AdHoc网络概述

☆MANET体系结构和协议原理

☆MANET的其它技术

☆AdHoc网络的应用

☆MANET的仿真2本章内容简介 ☆AdHoc网络概述23AdHoc网络概述AdHoc网络

☆无线自组织（AdHoc）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特的优点和用途，可便捷地实现相互连接和资源共享。3AdHoc网络概述AdHoc网络 3AdHoc网络概述AdHoc网络的背景 ☆AdHoc网络源于军事通信的需要，其前身是分组无线网(PacketRadioNetwork)

☆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，AdHoc网络的研究得到长足进展4AdHoc网络概述AdHoc网络的背景4AdHoc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

5AdHoc网络的研究成果包含以下几个方面：56AdHoc网络的研究成果包含以下几个方面：

☆AdHoc网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AdHoc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AdHoc网络，可称为蓝牙散射网（Scatternet）。6AdHoc网络的研究成果包含以下几个方面：6移动AdHoc网络的定义

☆移动AdHoc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。7移动AdHoc网络的定义7MANET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。8MANET中，每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。8一个简单的MANET网络

9一个简单的MANET网络9MANET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。10MANET的特点1011MANET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。11MANET的特点11MANET体系结构和协议原理MANET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12MANET体系结构和协议原理MANET的结构12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13对等式结构MANET的对等式结构1314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。14分级结构网络1415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15分级结构网络分单频分级和多频分级网关节点内部节点簇头簇M1516分级网络结构的优势与缺点分级结构中，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。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。16分级网络结构的优势与缺点16MANET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物理层表示层会话层传输层MANET协议层次ISO/OSI层次结构17MANET的协议层次上层引用协议网络层数据链路层物理层应用层18 ●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。MANET各协议层次具体功能18 ●物理层，根据实际应用需要设计MANET物理层。首先是1819

●数据链路层，分为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。MANET各协议层次具体功能19 ●数据链路层，分为MAC子层和LLC子层。MANET各19

●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。MANET各协议层次具体功能20 ●网络层，主要进行邻居发现、分组路由、拥塞控制、网络互联等21

●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。MANET各协议层次具体功能21 ●传输层，为应用层提供可靠的端到端服务，隔离上层与通信21MANET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

22MANET的路由协议2223MANET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，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

按需路由较表驱动路由的开销小，但传输延迟大23MANET的路由协议23表驱动路由协议——DSDV路由协议 ☆基于BellmanFord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；24表驱动路由协议——DSDV路由协议24

●DSDV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；25 ●DSDV的路由表项包括：目标地址、到达目标节点的度量值(典型表驱动路由协议实例ACBD(a)ACBD(b)DSDV路由协议示例26典型表驱动路由协议实例ACBD(a)ACBD(b)DSDV路图(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

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。

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28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D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跳计数序列号DD11001(b)中节点C路由表更新29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∞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。30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WRP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、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。31WRP路由协议31CGSR（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、可靠性对全网性能影响较大32CGSR（分簇网关交换路由协议）32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。33按需路由协议——AODV路由协议33典型按需路由协议实例ABCEFDGAODV示例网络拓扑34典型按需路由协议实例ABCEFDGAODV示例网络拓扑34ABFDGRREQ逆向路径CEB接收RREQ并创建逆向路由

35ABFDGRREQ逆向路径CEB接收RREQ并创建逆向路由ABCEFDGRREQ逆向路径D接收RREQ并创建逆向路由

36ABCEFDGRREQ逆向路径D接收RREQ并创建逆向路由BCEFDGRREQ逆向路径AF接收RREQ并创建逆向路由

37BCEFDGRREQ逆向路径AF接收RREQ并创建逆向路由BCEFDGRREQRREPAG返回RREP给A

38BCEFDGRREQRREPAG返回RREP给A3839AODV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。39AODV路由协议的特点3940DSR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。40DSR动态源路由协议40DSR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41DSR动态源路由协议的优点：41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高低表驱动和按需方式路由协议的性能比较

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

43路由协议AODVDSRTORAABR整体复杂性中等中等高高开44MANET的其它技术MANET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。44MANET的其它技术MANET的IP地址分配技术44MANET的其它技术MANET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要求的路径，将传统最短路径转为一条最优路径。45MANET的其它技术MANET的QoS4546AdHoc网络的应用独立的AdHoc网分为两种：

大型AdHoc独立网络—特殊场合如军事小型AdHoc独立网络—家庭、商务会议区、医院等小范围场合另外，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AdHoc网络之外的主机进行通信，称之为与其他网络集成。46AdHoc网络的应用独立的AdHoc网分为两种：46AdHoc网络的应用AdHocNetwork1InternetAdHoc网关AdHoc网关AdHocNetwork2APAPAdHoc与因特网集成

47AdHoc网络的应用AdHocInternetAdHoAdHocNetwork1AdHocNetwork2基站蜂窝网络服务区AdHoc网关AdHoc网关AdHoc网络与蜂窝网络集成

48AdHocAdHoc基站蜂窝网络服务区AdHoc网关AMANET的仿真AdHoc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/OmniAntenna

☆AdHoc路由协议，AODV和DSR49MANET的仿真AdHoc网络仿真主要模块49AODV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，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。50AODV协议仿真50AODV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

51AODV协议仿真0346719581121210AODV/D ☆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52 ☆仿真代码52

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

53 起初节点8开始向周围节点即邻居广播RREQ信息，如图所示广播扩散

广播信息继续扩散，可以看到，现在有多节点在广播54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的位置55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

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。56 当节点2依靠邻居节点的广播，接收到节点8的RREQ后，反节点12发送RREP

57节点12发送RREP57邻居节点继续发送RREP

58邻居节点继续发送RREP58节点8收到RREP消息

59节点8收到RREP消息59

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会向原路径返回ACK信息，此时双方建立连接。在AODV中这条路由会一直被维护。

下面2图显示了数据通信建立的过程。60 当节点8获得到节点2的路由以后，则按照该路径开始传

节点9与节点10传送数据61节点9与节点10传送数据61节点2与节点8传送数据

62节点2与节点8传送数据62DSR协议仿真 ☆背景知识

DSR中每个移动节点维护一个存放路由的快速缓冲区。当某一移动节点要发送分组时，首先查询本地高速路由缓冲区，确定是否存在可用路由。如存在则沿路由发送数据，否则发送一个含源和目标节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。63DSR协议仿真63

☆仿真拓扑0346719581121210DSR仿真实验拓扑图

64 ☆仿真拓扑0346719581121210DSR仿真实验拓 ☆仿真代码

DSR的仿真代码见电子资源和教材6.5.2节 ☆仿真结果和分析见教材136-137

节点4广播RREQ消息

65 ☆仿真代码节点4广播RREQ消息65节点6广播RREQ消息

66节点6广播RREQ消息66节点7广播RREQ消息

67节点7广播RREQ消息67节点1广播RREP消息

68节点1广播RREP消息68

节点6广播RREQ消息

路由建立以后，节点4就向节点1发送TCP请求以建立通信连接，以下4图显示了TCP连接建立过程。

69节点6广播RREQ消息 路由建立以后，节点4就向节点节点4向节点6发送请求

70节点4向节点6发送请求70节点6向节点7发送请求

71节点6向节点7发送请求71节点4向节点1发送数据

72节点4向节点1发送数据7239、把生活中的每一天，都当作生命中的最后一天。

40、机不可失，时不再来。

41、就算全世界都否定我，还有我自己相信我。

42、不为模糊不清的未来担忧，只为清清楚楚的现在努力。

43、付出才会杰出。

44、成功不是凭梦想和希望，而是凭努力和实践。

45、成功这件事，自己才是老板！

46、暗自伤心，不如立即行动。

47、勤奋是你生命的密码，能译出你一部壮丽的史诗。

48、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。