第6章無線自組織網(wǎng)絡(luò)ppt課件

1、第6章 無線自組織網(wǎng)絡(luò)金光,江先亮2本章內(nèi)容簡介Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)概述 MANET體系構(gòu)造和協(xié)議原理MANET的其它技術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的運用MANET的仿真3Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)概述Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 無線自組織Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)又稱無線對等網(wǎng)，是由假設(shè)干個無線終端構(gòu)成的一個暫時的、無中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中也不需求任何根底設(shè)備。這種特殊的網(wǎng)絡(luò)具有其獨特的優(yōu)點和用途，可便利地實現(xiàn)相互銜接和資源共享。4Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)概述Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的背景Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)源于軍事通訊的需求，其前身是分組無線網(wǎng)(Packet Radio Network) 1972年美國國防部高級研討方案署DARPA啟動分組無線網(wǎng)工程，主要

2、研討分組無線網(wǎng)的運用1993年，DAPRA啟動可存活性自順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)工程20世紀(jì)90年代開場，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研討得到長足進展5Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研討成果包含以下幾個方面： 新的路由協(xié)議。主要以廣播或組播方式建立網(wǎng)絡(luò)路由，根本原那么是盡量防止廣播風(fēng)暴。例如自組織按需間隔向量協(xié)議AODV、目的序列間隔向量協(xié)議DSDV、區(qū)域路由協(xié)議ZRP等路由協(xié)議。介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議，主要處理隱藏和暴露節(jié)點問題，包括RTS/CTS方案、控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案、基于定向天線的MAC協(xié)議等6Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研討成果包含以下幾個方面：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，拓展其運用范圍，提高系統(tǒng)吞吐量

3、其他相關(guān)技術(shù)，多播或組播協(xié)議、地址分配、TCP協(xié)議、節(jié)能控制、平安性、分布式算法、QoS等用藍(lán)牙節(jié)點組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。運用藍(lán)牙技術(shù)可組成悄然網(wǎng)Piconet，再經(jīng)過橋Bridge節(jié)點互聯(lián)，即可構(gòu)成多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，可稱為藍(lán)牙散射網(wǎng)Scatternet。7挪動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的定義挪動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)(又稱挪動多跳網(wǎng)或挪動對等網(wǎng))是一種特殊的在不借助任何中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，可在有限范圍內(nèi)實現(xiàn)多個挪動終端暫時互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。 可看做是一組帶有無線收發(fā)安裝的挪動終端所組成的一個暫時性多跳自治系統(tǒng)。8MANET中，每個節(jié)點既可作為主機，也可作為中間路由設(shè)備。節(jié)點作為主機，可運轉(zhuǎn)

4、相關(guān)運用程序，以獲取或處置數(shù)據(jù)；節(jié)點作為路由器，需運轉(zhuǎn)相關(guān)路由協(xié)議，進展路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等常見操作，對收到的并非發(fā)給本身的分組根據(jù)其目的地址予以轉(zhuǎn)發(fā)。9一個簡單的MANET網(wǎng)絡(luò) 10MANET的特點拓?fù)錁?gòu)造動態(tài)變化無固定通訊設(shè)備和中央管理設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機挪動，拓?fù)渲械母鞴?jié)點位置時時變化；無線發(fā)射安裝發(fā)送功率的變化、環(huán)境影響、信號間的相互關(guān)擾等，都會呵斥網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造的動態(tài)變化。 資源有限一方面是節(jié)點的能量有限，而挪動會耗費更多能量，降低網(wǎng)絡(luò)性能；另一方面，網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有限，信號間的沖突和干擾使得帶寬遠(yuǎn)低于實際值。 11MANET的特點多跳通訊實現(xiàn)不同覆蓋網(wǎng)絡(luò)間的源與目的主機間的通訊。兩個節(jié)點

5、的通訊可以是點對點的方式；假設(shè)二者間隔超出無線信號覆蓋范圍，那么需中間節(jié)點進展分組的轉(zhuǎn)發(fā)，稱之為多跳路由。平安性較低無線信道易受竊聽、篡改、偽造等攻擊的要挾，假設(shè)路由協(xié)議或無線信道蒙受惡意攻擊或干擾，整個網(wǎng)絡(luò)能夠中斷正常任務(wù)。12MANET體系構(gòu)造和協(xié)議原理MANET的構(gòu)造 由于MANET具有的特殊性，實踐組建網(wǎng)絡(luò)時，必需充分思索網(wǎng)絡(luò)的運用規(guī)模，擴展性和可靠性、實時性等要求，再選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。 通常MANET的拓?fù)錁?gòu)造可分兩種：對等式構(gòu)造和分級構(gòu)造13對等式構(gòu)造一切節(jié)點完全對等，源節(jié)點與目的節(jié)點通訊時存在多條途徑，強壯性好，相對比較平安缺陷是可擴展性略差，由于每個節(jié)點都需求知道到達其他

6、節(jié)點的路由。MANET的對等式構(gòu)造 14分級構(gòu)造網(wǎng)絡(luò) 分級構(gòu)造中，網(wǎng)絡(luò)通常會被分為多個簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。各個簇的簇頭構(gòu)成高一級的網(wǎng)絡(luò)，高一級網(wǎng)絡(luò)可以再分簇，以構(gòu)成更高一級的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級。 簇頭節(jié)點擔(dān)任簇內(nèi)節(jié)點間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇頭可由算法自動生成，也可以預(yù)先指定。15分級構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)分單頻分級和多頻分級單頻分級中一切節(jié)點運用同一頻率通訊，需求網(wǎng)關(guān)節(jié)點支持多頻分級網(wǎng)絡(luò)中，不同級采用不同通訊頻率。低級網(wǎng)絡(luò)的通訊范圍普通低于高級節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點內(nèi)部節(jié)點簇頭簇MANET的單頻分級構(gòu)造 16分級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的優(yōu)勢與缺陷分級構(gòu)造中，簇成員的功能較簡單，有效減少了路由控制信息的數(shù)量，使資源開銷相對

7、較小，從而獲得了較好的擴展性。缺陷：維護分級構(gòu)造需求節(jié)點執(zhí)行簇頭選舉算法，而簇頭節(jié)點能夠會成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸。 從對等式構(gòu)造和分級構(gòu)造的比對中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，可采用簡單的對等式構(gòu)造；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，應(yīng)采用分級構(gòu)造。17MANET的協(xié)議層次上層援用協(xié)議傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層運用層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層表示層會話層傳輸層MANET協(xié)議層次ISO/OSI層次構(gòu)造18物理層，根據(jù)實踐運用需求設(shè)計MANET物理層。首先是通訊頻段的選擇，目前通常采用2.4GHz的ISM免答應(yīng)的頻段。其次，物理層必需選擇相應(yīng)的無線通訊機制，以實現(xiàn)良好的收、發(fā)信功能。 物理層設(shè)備可運用多頻段、多方式的無線傳輸方式

8、。MANET各協(xié)議層次詳細(xì)功能19數(shù)據(jù)鏈路層，分為MAC子層和LLC子層。 MAC子層決議了鏈路層的絕大部分功能。多跳無線網(wǎng)絡(luò)基于共享訪問傳輸介質(zhì)，需求MAC層利用CSMA/CA和RTS/CTS機制處理隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點問題。 LLC子層擔(dān)任向網(wǎng)絡(luò)提供一致效力，以屏蔽底層不同的MAC方法。MANET各協(xié)議層次詳細(xì)功能20網(wǎng)絡(luò)層，主要進展鄰居發(fā)現(xiàn)、分組路由、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等。 一個好的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議應(yīng)該滿足以下要求： 分布式運轉(zhuǎn)方式；提供無環(huán)回路由；按需進展協(xié)議操作；可靠的平安性；提供休眠操作和單向鏈路的支持。MANET各協(xié)議層次詳細(xì)功能21傳輸層，為運用層提供可靠的端到端效力，隔離上層與通

9、訊子網(wǎng)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層特性來高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，包括尋址、復(fù)用、流控、按序交付、重傳控制、擁塞控制等。上層援用協(xié)議，提供面向用戶的各種運用效力，包括有嚴(yán)厲時延和丟包率要求的實時運用緊急控制信息、基于RTP/RTCP實時傳輸協(xié)議/實時傳輸控制協(xié)議的音視頻運用、無任何效力質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)等。MANET各協(xié)議層次詳細(xì)功能22MANET的路由協(xié)議MANET的路由協(xié)議通常分為兩大類：表驅(qū)動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議表驅(qū)動路由協(xié)議又稱先驗式，每個節(jié)點維護一張包含到達其它節(jié)點路由信息的路由表，代表性的有：無線路由協(xié)議WRP、目的序列間隔向量協(xié)議DSDV、魚眼域形狀路由協(xié)議FSR、優(yōu)化鏈路形狀路由協(xié)議OLSR等2

10、3MANET的路由協(xié)議按需路由協(xié)議也稱反響式，需發(fā)送數(shù)據(jù)時才查找路由。節(jié)點平常不維護路由信息，只需需向目的發(fā)送報文時，源節(jié)點才會在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找，找到相應(yīng)路由。 常用的按需路由協(xié)議有：自組織按需間隔向量協(xié)議AODV、時間序列路由協(xié)議TORA、動態(tài)源路由協(xié)議DSRP、信號穩(wěn)定路由協(xié)議SSR等 按需路由較表驅(qū)動路由的開銷小，但傳輸延遲大24表驅(qū)動路由協(xié)議DSDV路由協(xié)議基于Bellman Ford算法，是間隔向量協(xié)議的改良之一；路由表經(jīng)過序列號區(qū)分路由的新舊，能消除路由環(huán)路，提高了算法效率；快速反響拓?fù)涞淖兓?；延遲了對不穩(wěn)定路由節(jié)點的廣播通告；缺陷：不能順應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)；資源開銷能夠被浪費；

11、多數(shù)路由信息能夠從未運用；目的之間只提供一條不支持單向銜接的路由；25DSDV的路由表項包括：目的地址、到達目的節(jié)點的度量值(最小跳數(shù))、去往目的節(jié)點的下一跳、目的節(jié)點相關(guān)序列號；DSDV中運用了兩類更新報文：完全轉(zhuǎn)存(通告全部信息)、遞增更新(僅通告更新信息)；DSDV路由選擇的根據(jù)為序列號或度量值。節(jié)點對比更新信息和節(jié)點的路由表，選擇序列號值大的路由信息進展更新；序列號一樣時，選擇度量值最正確如最小跳數(shù)的；26典型表驅(qū)動路由協(xié)議實例ACBD(a)ACBD(b)DSDV路由協(xié)議例如 27圖(a)中節(jié)點A和節(jié)點B起始路由表目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)DB2目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)DD1節(jié)點A的路由表 節(jié)點

12、B的路由表 圖(b)中節(jié)點D挪動到新位置，節(jié)點B的路由更新目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)DA3更新后節(jié)點B的路由表 路由環(huán)回景象產(chǎn)生，即A或B想要向D發(fā)送的數(shù)據(jù)會在A和B之間來回轉(zhuǎn)發(fā)，無法到達真正的目的。 28包含序號的路由更新，處理環(huán)回景象目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)序列號DB21000目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)序列號DD11000(a)中節(jié)點A初始路由表 (a)中節(jié)點B初始路由表 29節(jié)點D挪動到(b)圖所示位置目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)序列號D 1001(b)中節(jié)點A路由表更新目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)序列號D 1001(b)中節(jié)點B路由表更新目標(biāo)節(jié)點下一跳跳計數(shù)序列號DD11001(b)中節(jié)點C路由表更新30由于A和C會

13、周期性交換路由信息，當(dāng)A收到C的路由更新后，在序列號一樣時，那么會根據(jù)DV算法來判別能否更新路由。顯然，A會更新路由。當(dāng)A想發(fā)送報文給D時，會把下一跳信息設(shè)置為C，這樣就可勝利發(fā)送。31WRP路由協(xié)議WRP路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中保管路由信息每個節(jié)點的路由表項信息包括：間隔、路由、鏈路開銷和重傳音訊列表(MRL) WRP的算法收斂快，防止路由中的環(huán)路WRP比大多數(shù)協(xié)議需求更大內(nèi)存，還依賴周期性的Hello音訊，也要占用一定帶寬。32CGSR分簇網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議以DSDV為根底,比DSDV更有效運用分簇路由構(gòu)造和啟發(fā)式路由選擇機制指定了簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，一個節(jié)點發(fā)送分組時，首先到達發(fā)送節(jié)點的簇頭，然后

14、簇頭節(jié)點將該分組經(jīng)過網(wǎng)關(guān)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給另一個簇頭節(jié)點。不斷反復(fù)直至分組到達目的。適宜大規(guī)模MANET，可擴展性較好簇頭節(jié)點的穩(wěn)定性、可靠性對全網(wǎng)性能影響較大33按需路由協(xié)議AODV路由協(xié)議AODV是運用最廣泛的按需路由協(xié)議之一，它是DSDV算法的改良，但中間節(jié)點不需維護路由。AODV采用逐跳路由轉(zhuǎn)發(fā)分組，同時參與了組播路由協(xié)議擴展，從路由查找回復(fù)RREP. 整個通訊過程是對稱的，路由可逆，所以AODV不支持單向路由。34典型按需路由協(xié)議實例ABCEFDGAODV例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?35ABFDGRREQ逆向途徑CEB接納RREQ并創(chuàng)建逆向路由 36ABCEFDGRREQ逆向途徑D接納RREQ并創(chuàng)建逆向路

15、由 37BCEFDGRREQ逆向途徑AF接納RREQ并創(chuàng)建逆向路由 38BCEFDGRREQRREPAG前往RREP給A 39AODV路由協(xié)議的特點基于傳統(tǒng)間隔向量路由機制，算法簡單明晰。運用目的序列號防止循環(huán)發(fā)生，處理了無窮計數(shù)問題，易于編程實現(xiàn)。支持中間主機回答，能使源主機快速獲得路由，但能夠會有過時路由。周期性廣播報文，需求耗費一定的能量和網(wǎng)絡(luò)帶寬。 40DSR動態(tài)源路由協(xié)議中心：每個挪動節(jié)點維護一個存放路由的快速緩沖區(qū)。 協(xié)議原理：當(dāng)某一挪動節(jié)點要發(fā)送分組時，先查詢本地高速路由緩沖區(qū)，如存在路由，直接發(fā)送數(shù)據(jù)，否那么發(fā)送一個含源、目的地址的路由懇求分組，啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。 中間節(jié)點收到

16、該懇求后，也查詢本地緩沖區(qū)，如無到達目的地址的途徑，那么將本節(jié)點地址參與懇求分組后轉(zhuǎn)發(fā)，直至目的節(jié)點或有到達目的節(jié)點路由的中間節(jié)點。該節(jié)點前往一個路由應(yīng)對分組，包含了從源到目的途徑上一切節(jié)點的序列。每個發(fā)送的數(shù)據(jù)分組都將包含發(fā)回的途徑序列，于是中間節(jié)點不再需求保管路由信息，也不需求周期性路由廣播和鄰居發(fā)現(xiàn)。41DSR動態(tài)源路由協(xié)議的優(yōu)點：僅在需求通訊的節(jié)點間維護路由，減少了路由維護代價路由緩沖可進一步減少路由發(fā)現(xiàn)的開銷路由緩沖使得在一次路由發(fā)現(xiàn)過程中，會產(chǎn)生多個到達目的的途徑支持非對稱傳輸信道方式42典型路由協(xié)議的分析比較路由協(xié)議類別表驅(qū)動按需路由協(xié)議DSDV/CGSR/WRPAODV/DSR

17、/TORA路由獲取時延低高控制開銷高低能耗高低帶寬開銷高低表驅(qū)動和按需方式路由協(xié)議的性能比較 43路由協(xié)議AODVDSRTORAABR整體復(fù)雜性中等中等高高開銷低中等中等高拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)平面平面平面平面多路徑支持否是是否按需路由協(xié)議性能比較 44MANET的其它技術(shù)MANET的IP地址分配技術(shù)基于同伴系統(tǒng)的分布式動態(tài)地址分配協(xié)議，經(jīng)過地址池為節(jié)點分配IP地址，最初整個網(wǎng)絡(luò)僅一個節(jié)點，擁有整個IP地址池，之后進入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點“見面分一半，與最初的節(jié)點互為同伴。改良的DHCP 協(xié)議，每部分網(wǎng)絡(luò)選一個指點，指點扮演DHCP效力器的角色?；谟布刂返腎P地址分配，采用硬件MAC地址的知網(wǎng)絡(luò)前綴和后綴組成。4

18、5MANET的其它技術(shù)MANET的QoS除傳統(tǒng)的時延、帶寬、分組喪失率、時延抖動等目的外，還需求有“能量耗費和“效力覆蓋范圍兩個QoS屬性參與。 QoS路由：一種基于網(wǎng)絡(luò)可用資源和業(yè)務(wù)流的QoS要求來選擇途徑的路由機制。 QoS路由是用來查找滿足QoS要求的途徑，將傳統(tǒng)最短途徑轉(zhuǎn)為一條最優(yōu)途徑。46Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的運用獨立的Ad Hoc網(wǎng)分為兩種： 大型Ad Hoc獨立網(wǎng)絡(luò)特殊場所如軍事 小型Ad Hoc獨立網(wǎng)絡(luò)家庭、商務(wù)會議區(qū)、醫(yī)院等小范圍場所另外，在實踐運用中， 也可作為末端子網(wǎng)接入其他固定或挪動的通訊網(wǎng)絡(luò)，與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)之外的主機進展通訊，稱之為與其他網(wǎng)絡(luò)集成。47Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

19、的運用Ad HocNetwork 1InternetAd Hoc網(wǎng)關(guān)Ad Hoc網(wǎng)關(guān)Ad HocNetwork 2APAPAd Hoc與因特網(wǎng)集成 48Ad HocNetwork 1Ad HocNetwork 2基站蜂窩網(wǎng)絡(luò)效力區(qū)Ad Hoc網(wǎng)關(guān)Ad Hoc網(wǎng)關(guān)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)集成 49MANET的仿真Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)仿真主要模塊無線信道模塊，Channel/WirelessChannel無線傳輸模塊，Propagation/TwoRayGround無線物理接口模塊，Phy/WirelessPhy無線局域網(wǎng)MAC層模塊，Mac/802_11天線模塊，Antenna/OmniAnten

20、naAd Hoc路由協(xié)議，AODV和DSR50AODV協(xié)議仿真仿真背景AODV是運用最廣泛的按需路由協(xié)議之一，它是DSDV算法的改良，但中間節(jié)點不需維護路由。針對AODV路由協(xié)議仿真，NS2中已有豐富的模塊，可以滿足普通的仿真需求，這里的仿真實驗無需修正仿真模塊。51AODV協(xié)議仿真仿真拓?fù)浞抡嫱負(fù)淙缦聢D，共用到13個挪動節(jié)點，節(jié)點8將與節(jié)點2相互通訊。0346719581121210AODV/DSR仿真實驗拓?fù)鋱D 52仿真代碼 AODV的仿真代碼見電子資源和教材6.5.1節(jié) AODV仿真代碼注釋可見教材134頁運用nam工具察看仿真動畫53起初節(jié)點8開場向周圍節(jié)點即鄰居廣播RREQ信息，如下圖節(jié)點8廣播RREQ信息 54廣播分散 廣播信息繼續(xù)分散，可以看到，如今有多節(jié)點在廣播55節(jié)點8發(fā)現(xiàn)節(jié)點2 經(jīng)過多點路由懇求廣播后，節(jié)點8曾經(jīng)找到了目