移動計算技術-_Ad_hoc概述_2014

1、移動計算技術移動計算技術 Ad hoc概述概述通信發(fā)展趨勢n兩大發(fā)展趨勢IPWLAN的拓撲結構：nWLAN有兩種主要拓撲結構：n自組織網(wǎng)絡，也稱對等網(wǎng)絡，Ad hoc網(wǎng)絡n基礎結構網(wǎng)絡（Infrastructure Network）交換機基站終端Ad hoc網(wǎng)絡的發(fā)展歷史PRNET項目（1972）SURSAN項目（1983）MANET小組（1997）GloMo項目（1994）NTDR項目n1972年分組無線網(wǎng)（年分組無線網(wǎng)（PRNET）n戰(zhàn)場環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信戰(zhàn)場環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信n1983年抗毀自適應網(wǎng)絡（年抗毀自適應網(wǎng)絡（SURAN）n支持大規(guī)模網(wǎng)絡支持大規(guī)模網(wǎng)絡n適應戰(zhàn)場快速變化環(huán)境需要的自

2、適應網(wǎng)適應戰(zhàn)場快速變化環(huán)境需要的自適應網(wǎng)絡協(xié)議絡協(xié)議n1994年全球移動通信系統(tǒng)年全球移動通信系統(tǒng)（GloMo）n滿足軍事應用需要的、可快速展開、高滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀星的移動信息系統(tǒng)抗毀星的移動信息系統(tǒng)DARPA資助Defense Advanced Research Project AgencyAd hoc網(wǎng)絡的發(fā)展歷史n1991年年IEEE 802.11首次提出首次提出“Ad Hoc網(wǎng)絡網(wǎng)絡”n自組織、對等式、多跳無線移動通信網(wǎng)絡自組織、對等式、多跳無線移動通信網(wǎng)絡n1997年年IETF成立成立MANET工作組工作組n基于基于IP的無線多跳網(wǎng)絡路由的無線多跳網(wǎng)絡路由n20

3、03年年IRTF成立成立ANS研究組研究組n其它研究機構其它研究機構ClosedAd Hoc：For the specific purpose onlyMANET：Mobile Ad-hoc NetworksANS：Ad Hoc Networks ScalabilityAd hoc網(wǎng)絡的發(fā)展歷史Ad hoc網(wǎng)絡的起源nIEEE802.11標準委員會采用了“Ad hoc網(wǎng)絡”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網(wǎng)絡，Ad hoc網(wǎng)絡就此誕生。nAd Hoc源于拉丁語，意思是“for this”引申為“for this purpose only”，即“為某種目的設置的，特別的”意思，即Ad

4、 hoc網(wǎng)絡是一種有特殊用途的網(wǎng)絡。Ad hoc網(wǎng)絡的起源 n通常的移動網(wǎng)絡和無線通信技術是對固定有線網(wǎng)絡的補充和發(fā)展，它們需要固定基礎設施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。n但在某些特殊環(huán)境或緊急情況下，有中心的移動通信技術并不能勝任。比如，戰(zhàn)場上部隊快速展開和推進、發(fā)生地震等自然災害后的搜索和營救、野外科考等。Ad Hoc網(wǎng)絡的定義網(wǎng)絡的定義n由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的(移動移動)終端節(jié)點組成的一終端節(jié)點組成的一個多跳臨時性自治系統(tǒng)個多跳臨時性自治系統(tǒng)n每個每個(移動移動)終端同時具有路由器和主機兩種功能：作為主終端同時具有路由器和主機兩種功能：作為主機，

5、終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終機，終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器，終端需要運行相應的路由協(xié)議端需要運行相應的路由協(xié)議n節(jié)點間路由通常由多跳節(jié)點間路由通常由多跳(Hop)組成組成n不需要網(wǎng)絡基礎設施，可以在任何地方、任何地點快速構不需要網(wǎng)絡基礎設施，可以在任何地方、任何地點快速構建建多跳無線網(wǎng)絡、自組織網(wǎng)絡、無固定設施的網(wǎng)絡或者對等網(wǎng)絡Ad Hoc網(wǎng)絡的特點（網(wǎng)絡的特點（1）n獨立組網(wǎng)獨立組網(wǎng)n不需要任何預先網(wǎng)絡基礎設施不需要任何預先網(wǎng)絡基礎設施n動態(tài)拓撲動態(tài)拓撲n節(jié)點移動節(jié)點移動/開機開機/關機關機n節(jié)點無線發(fā)送功率變化、無線信道干擾或者地形等因素節(jié)點無線發(fā)送功率變

6、化、無線信道干擾或者地形等因素影響影響n自組織自組織n無控制中心無控制中心n節(jié)點故障不會影響到整個網(wǎng)絡節(jié)點故障不會影響到整個網(wǎng)絡節(jié)點之間通過無線連接形成的網(wǎng)絡拓撲結構隨時可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度可能都是無法預測的Ad Hoc網(wǎng)絡的特點（網(wǎng)絡的特點（2）n多跳路由多跳路由n接收端和發(fā)送端可使用比接收端和發(fā)送端可使用比兩者直接通信小得多的功兩者直接通信小得多的功率進行通信，因此節(jié)省了率進行通信，因此節(jié)省了能量消耗能量消耗n通過中間節(jié)點參與分組轉通過中間節(jié)點參與分組轉發(fā)，能夠有效降低對無線發(fā)，能夠有效降低對無線傳輸設備的設計難度和成傳輸設備的設計難度和成本，同時擴大了自組織網(wǎng)本，同時擴大了

7、自組織網(wǎng)絡的覆蓋范圍絡的覆蓋范圍Ad Hoc網(wǎng)絡的特點（網(wǎng)絡的特點（3）n特殊的無線信道特征特殊的無線信道特征n無線信道提供的網(wǎng)絡帶寬比有線信道低得多無線信道提供的網(wǎng)絡帶寬比有線信道低得多n競爭無線共享信道產(chǎn)生碰撞競爭無線共享信道產(chǎn)生碰撞n信號衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等信號衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等n終端的局限性終端的局限性n能量、存儲、計算等資源受限能量、存儲、計算等資源受限n安全性差安全性差n無線鏈路的開放性無線鏈路的開放性n移動性導致節(jié)點之間信任關系的變化移動性導致節(jié)點之間信任關系的變化n可擴展性不強可擴展性不強n節(jié)點之間的相互干擾造成網(wǎng)絡容量下降節(jié)點之間的相互干擾造成網(wǎng)

8、絡容量下降n各節(jié)點吞吐量隨網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)的增加而下降各節(jié)點吞吐量隨網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)的增加而下降n存在單向無線信道存在單向無線信道n終端發(fā)射功率的不同及地形環(huán)境的影響終端發(fā)射功率的不同及地形環(huán)境的影響Ad Hoc網(wǎng)絡與網(wǎng)絡與Sensor網(wǎng)絡網(wǎng)絡nSensor網(wǎng)絡網(wǎng)絡n可以看作是一種特殊類型的可以看作是一種特殊類型的Ad Hoc網(wǎng)絡網(wǎng)絡n各個無線節(jié)點靜態(tài)地隨機分布在某一區(qū)域。傳感器各個無線節(jié)點靜態(tài)地隨機分布在某一區(qū)域。傳感器負責收集區(qū)域內的傳感信號，將它們發(fā)到網(wǎng)關節(jié)點負責收集區(qū)域內的傳感信號，將它們發(fā)到網(wǎng)關節(jié)點n網(wǎng)關具有更大的處理能力，能進一步處理信息，并網(wǎng)關具有更大的處理能力，能進一步處理信息，并且具

9、有更大的發(fā)送范圍，可將信息送往某個大型網(wǎng)且具有更大的發(fā)送范圍，可將信息送往某個大型網(wǎng)絡（絡（Internet）并且到達最終的用戶）并且到達最終的用戶p與一般Ad Hoc網(wǎng)絡相比：p節(jié)點數(shù)量多、分布稠密p節(jié)點的能量、計算、存儲等資源進一步受限Ad Hoc網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)n單跳與多跳單跳與多跳n研究重點不同研究重點不同n通信模式不同通信模式不同主要研究集中在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層移動終端的所有通信必須經(jīng)過無線接入點進行無線局域網(wǎng)為單跳網(wǎng)絡，不存在路由問題Ad Hoc網(wǎng)絡的研究內容主要以路由協(xié)議為核心的網(wǎng)絡層設計Ad Hoc網(wǎng)絡中移動終端的通信是對等的移動移動Ad Hoc網(wǎng)絡網(wǎng)絡(MAN

10、ET)與移動與移動IPMANET移動IP 移動自組網(wǎng)MANETsn 在某些特殊環(huán)境下或緊急請況下，如何應用網(wǎng)絡n 共同的要求n移動互聯(lián)網(wǎng) 自然災害時，現(xiàn)有的網(wǎng)絡設施不可用 進行科學考察、探險、沒有可用的網(wǎng)絡 戰(zhàn)場上，如何實現(xiàn)動態(tài)過程的協(xié)同通信 動態(tài)的、快速部署 不依賴或很少依賴現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡n移動互聯(lián)網(wǎng)的組成方式 移動終端式移動路由式 邏輯上移動終端到達固定網(wǎng)絡的路由器只有一跳 的距離 固定互聯(lián)網(wǎng)要解決移動中接入所需要的定位和地 址管理問題 移動路由器和移動終端組成一個獨立的無線互聯(lián) 網(wǎng) 移動終端永久性或臨時性地 與移動路由器相連移動自組網(wǎng)MANETsn移動互聯(lián)網(wǎng)的研究主要兩個分支 聯(lián)合戰(zhàn)術無

11、線網(wǎng)絡系統(tǒng)JTRS（Joint Tactical System）移動專網(wǎng)工作組MANET（Mobile ad hoc Networks ） 美國國防部，1996年 主要研究用于構建戰(zhàn)術移動互聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IFTF），1997年 利用多跳無線網(wǎng)構造一個基于IP的移動互聯(lián)網(wǎng)，并 通過實現(xiàn)IP與固定互聯(lián)網(wǎng)的無線連接移動自組網(wǎng)MANETsAd Hoc網(wǎng)絡所面臨的問題網(wǎng)絡所面臨的問題(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隱藏節(jié)點問題隱藏節(jié)點問題/暴露節(jié)點問題暴露節(jié)點問題n動態(tài)變化網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化網(wǎng)絡拓撲n傳統(tǒng)路由協(xié)議花較高代價獲取的路由信息可能已經(jīng)陳舊傳統(tǒng)路由協(xié)議花較

12、高代價獲取的路由信息可能已經(jīng)陳舊n有限的無線傳輸帶寬有限的無線傳輸帶寬n減少節(jié)點之間的交換的消息減少節(jié)點之間的交換的消息n減少控制消息帶來的額外開銷減少控制消息帶來的額外開銷n有限的能量有限的能量n能量管理機制，各層考慮能量控制，包括網(wǎng)絡層路由能量管理機制，各層考慮能量控制，包括網(wǎng)絡層路由n安全問題安全問題n無線信道的開放性更容易受到各種攻擊無線信道的開放性更容易受到各種攻擊n移動性使得節(jié)點的信任關系不斷變化移動性使得節(jié)點的信任關系不斷變化n由于節(jié)點資源受限，安全機制應該是分布式的由于節(jié)點資源受限，安全機制應該是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA網(wǎng)絡路由時需考慮Ad Hoc網(wǎng)絡所面臨的問題

13、網(wǎng)絡所面臨的問題(2)n網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡管理n拓撲管理拓撲管理n確定將一組節(jié)點組織成網(wǎng)絡的機制確定將一組節(jié)點組織成網(wǎng)絡的機制n移動性管理移動性管理n跟蹤網(wǎng)絡中移動節(jié)點的位置跟蹤網(wǎng)絡中移動節(jié)點的位置n服務質量管理服務質量管理n多跳拓撲動態(tài)變化的移動多跳拓撲動態(tài)變化的移動Ad Hoc網(wǎng)絡使網(wǎng)絡使得服務質量保證更加困難得服務質量保證更加困難n自動配置自動配置nn隨著我國電信市場競爭的加劇，找準和開拓新的業(yè)務增長點成了電信運營商和設備提供商在市場中掌握先機的關鍵。n采用移動Ad Hoc網(wǎng)絡技術的MESH無線區(qū)域網(wǎng)等業(yè)務被認為是未來的業(yè)務熱點之一。n甚至有人稱：就象IP網(wǎng)絡改造傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡一樣，移動Ad H

14、oc網(wǎng)絡技術可能對現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡的結構和運營模式帶來劃時代的影響。Ad Hoc自組織無線網(wǎng)絡技術意義深遠自組織功能Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi自動最佳路由選擇最佳路由最佳路由備選替換路由備選替換路由有線回傳有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi自動路由保護/恢復Wi-FiWi-

15、FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi最佳路由最佳路由備選替換路由備選替換路由有線回傳有線回傳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網(wǎng)絡與ISO模型Ad Hoc 在未來無線通信中的應用n研究

16、表明大型的獨立Ad Hoc實用性不高，它在路由方面開銷較大，并且存在安全問題，傳輸速率也比較低。n小型的Ad Hoc網(wǎng)絡被認為使用范圍廣泛，在家庭、會議及一些個人通信領域有很大的商業(yè)潛力。而802.11和藍牙技術也使得小型Ad Hoc易于配置。自組網(wǎng)的應用1、城域無線通信（無線寬帶接入、小區(qū)覆蓋等）、城域無線通信（無線寬帶接入、小區(qū)覆蓋等）2、企業(yè)局域網(wǎng)：展覽中心、體育場、旅游區(qū)、大型倉庫、企業(yè)局域網(wǎng)：展覽中心、體育場、旅游區(qū)、大型倉庫、港口、建筑、煤礦、石油港口、建筑、煤礦、石油/化工、環(huán)保、化工、環(huán)保、.3、應急、應急/救援通信系統(tǒng)救援通信系統(tǒng)4、工業(yè)自動化控制、工業(yè)自動化控制 5、智能交

17、通、智能交通6、傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡、傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡7、家庭安全監(jiān)測系統(tǒng)、家庭安全監(jiān)測系統(tǒng)8、戰(zhàn)場偵察網(wǎng)絡、戰(zhàn)地監(jiān)測網(wǎng)絡、信息中繼、戰(zhàn)場偵察網(wǎng)絡、戰(zhàn)地監(jiān)測網(wǎng)絡、信息中繼9、各種遠程監(jiān)測、各種遠程監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)（如環(huán)保、水文、地質、資源監(jiān)控系統(tǒng)（如環(huán)保、水文、地質、資源 保保護、研究等）護、研究等）10、公安、公安/交警交警/消防消防11、.基于WLAN的AD HOC自組織無線網(wǎng)絡iiiiiii基于WLAN的自組織無線網(wǎng)絡架構Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiInternet3G/HSDPA/WiMAXnIEEE802.11b/g（2.4GHz）

18、、）、IEEE802.11（5GHz）n每個節(jié)點每個節(jié)點2002000m覆蓋范圍覆蓋范圍n64/128位位WEP加密（或加密（或WAPI）（可根據(jù)需要）（可根據(jù)需要 增加不同增加不同層次的加密功能）層次的加密功能）n高帶寬，高帶寬，11-54M /s或更高（或更高（IEEE802.11n）n面向數(shù)據(jù)業(yè)務面向數(shù)據(jù)業(yè)務(Data service oriented )的網(wǎng)絡的網(wǎng)絡n支持支持VoWi-Fin網(wǎng)絡可靠性高網(wǎng)絡可靠性高n組網(wǎng)非常方便組網(wǎng)非常方便n通用性和兼容性強通用性和兼容性強n成本優(yōu)勢成本優(yōu)勢n豐富的終端支持豐富的終端支持和其它寬帶網(wǎng)絡的集成Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-

19、FiWi-FiWi-FiWi-FiInternet3G/HSDPA/WiMAXWi-FiWi-FiWi-FiInternetMESH Wi-Fi MESH Wi-Fi 接入網(wǎng)接入網(wǎng)有線或有線或WiMAX在城域中的運用在城域中的運用與其他移動通信技術的結合 現(xiàn)場布控/緊急通信巨大的成本優(yōu)勢自組網(wǎng)的局限性 無法保證始終提供可靠的網(wǎng)絡連通性 自組網(wǎng)技術目前尚處在研究階段 ，最終能否 為用戶接受而應用到通訊市場還不太明朗 自組網(wǎng)的擴展性還有待于進一步探討 由于數(shù)據(jù)的多跳轉發(fā)而帶來傳輸延遲還很大 網(wǎng)絡的服務質量（Qos）還很難保障 存在安全感隱患自組織網(wǎng)絡的評價方法 計算機仿真技術進行自組網(wǎng)的性能評價

20、實驗結果可以重現(xiàn) 實驗參數(shù)可以隨意設置和調整 不同研究成果的實驗數(shù)據(jù)具有可比性 OPNET網(wǎng)絡仿真軟件是目前世界上最先進的 網(wǎng)絡仿真開發(fā)和應用平臺 在美軍的戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)的建模與仿真中， OPNET已逐漸成為通用的仿真平臺 在美軍的未來的戰(zhàn)斗系統(tǒng)中FCS通信子系統(tǒng)的 研制中，也使用OPNET作為仿真平臺無線自組網(wǎng)的研究重點nMAC-碰撞碰撞/沖突避免、隱藏和暴露終端問題沖突避免、隱藏和暴露終端問題nQoS保證保證n功率控制與管理功率控制與管理n網(wǎng)絡的信息安全網(wǎng)絡的信息安全實現(xiàn)實現(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡的關鍵技術網(wǎng)絡的關鍵技術n路由協(xié)議路由協(xié)議n服務質量管理服務質量管理n功率控制功率控制n傳輸層性能傳輸層

21、性能nAd Hoc網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)絡互聯(lián)n安全問題安全問題n網(wǎng)絡管理網(wǎng)絡管理p感知網(wǎng)絡拓撲結構的變化p維護網(wǎng)絡拓撲的連接p高度自適應性p能量、服務質量等約束p信道接入技術p節(jié)能機制p多個Ad Hoc網(wǎng)絡互聯(lián)pAd Hoc內部節(jié)點訪問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、先應式路由按需路由混合式路由（Hybrid）(局部先應，廣域按需）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、可擴展路由路由、多播路由、可擴展路由無線自組網(wǎng)的研究重點n節(jié)能設計 能源對于自組網(wǎng)來說是一個十分寶貴的資源 用于維持網(wǎng)絡通信所產(chǎn)生的能源開銷 + 移動 終端正常運行所產(chǎn)生的能源開銷 軍事應用以及充電困難的環(huán)境下，用戶不可能 攜帶大量電池和對電池進行充電 即使攜帶備用電池和有充電條件也沒有時間來 操作無線自組網(wǎng)的研究重點n安全問題 自組網(wǎng)本身固有的一些特點使得其具有如下的 安全問題 開放