無線自組織網(wǎng)絡(luò)

LOGO無線自組織網(wǎng)絡(luò)指導(dǎo)老師：蔣陽講解人：孟普本節(jié)課內(nèi)容：1.介紹幾種QoS路由協(xié)議2.AODV的改進(jìn)方法課程大綱無線自組織網(wǎng)絡(luò)概述1.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn)2.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程3無線自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域無線自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的主要研究領(lǐng)域2023/2/5無線自組織網(wǎng)絡(luò)即MANET(MobileAdHocNetwork)，是一種不同于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。傳統(tǒng)的無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，需要固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如基地站的支持，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和用戶服務(wù)控制。而無線自組織網(wǎng)絡(luò)不需要固定設(shè)備支持，各節(jié)點(diǎn)即用戶終端自行組網(wǎng)，通信時(shí)，由其他用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。這種網(wǎng)絡(luò)形式突破了傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性，能夠更加快速、便捷、高效地部署，適合于一些緊急場合的通信需要，如戰(zhàn)場的單兵通信系統(tǒng)。但無線自組織網(wǎng)絡(luò)也存在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、對(duì)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)支持較差、安全性不高的弊端。目前，國內(nèi)外有大量研究人員進(jìn)行此項(xiàng)目研究。1.什么是無線自組織網(wǎng)絡(luò)？2023/2/52.為什么要發(fā)展無線自組織網(wǎng)絡(luò)？隨著我國電信市場競爭的加劇，找準(zhǔn)和開拓新的業(yè)務(wù)增長點(diǎn)成了電信運(yùn)營商和設(shè)備提供商在市場中掌握先機(jī)的關(guān)鍵。采用移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的MESH無線區(qū)域網(wǎng)等業(yè)務(wù)被認(rèn)為是未來的業(yè)務(wù)熱點(diǎn)之一。甚至有人稱：就象IP網(wǎng)絡(luò)改造傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)一樣，移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可能對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營模式帶來劃時(shí)代的影響。2023/2/5

1.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的概念及特點(diǎn)無線自組織網(wǎng)絡(luò)是由具有無線通信能力移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的、具有任意和臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)即可作為主機(jī)也可作為路由器使用。2023/2/5NoexistingInfrastructure無線自組網(wǎng)（無預(yù)先的基礎(chǔ)設(shè)施支持）FixedInfrastructure現(xiàn)有無線通信網(wǎng)絡(luò)（有固定基礎(chǔ)設(shè)施支持）交換機(jī)基站終端2023/2/5與通常網(wǎng)絡(luò)相比，無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

1.網(wǎng)絡(luò)的自組織性：在任何時(shí)刻，任何地點(diǎn)不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，能快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)2.動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.多跳的通信路由4.有限的無線通信寬帶5.有限的主機(jī)能源6.網(wǎng)絡(luò)的分布式特點(diǎn)7.生存周期短8.安全性較差9.移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的局限性2023/2/52.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程軍事，美國DARPA1972年，分組無線網(wǎng)（PacketRadioNetwork）1993年，高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN,SURvivableAdaptiveNetwork）

1994年，全球移動(dòng)信息系統(tǒng)

（GloMo,GlobleMobileInformationSystems）

1996年，聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線網(wǎng)系統(tǒng)JTRS（JointTacticalRadioSystem）2023/2/5民用，IETF&IEEE1991年，IETF成立了移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)工作組(MANET)

1999年，RFC2501給出了MANET的應(yīng)用場合2000年,IETF在公布了一系列的有關(guān)Adhoc路由的草案2000年，IEEE成立Adhoc技術(shù)分委員會(huì)2023/2/52023/2/53.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域軍事應(yīng)用移動(dòng)會(huì)議緊急和突發(fā)場合偏遠(yuǎn)野外地區(qū)臨時(shí)場合動(dòng)態(tài)場合和分布式系統(tǒng)個(gè)人通信商業(yè)應(yīng)用其他應(yīng)用2023/2/5軍事應(yīng)用2023/2/5應(yīng)用前景自組織網(wǎng)絡(luò)商業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)無線城市智能家居會(huì)議會(huì)展抗震救災(zāi)軍事應(yīng)用2023/2/5二.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)AdHoc單獨(dú)組網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，不與基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相連混合組網(wǎng)AdHoc與Internet整合AdHoc與蜂窩網(wǎng)整合2023/2/5和其它寬帶網(wǎng)絡(luò)的集成Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiInternet3G/HSDPA/WiMAXWi-FiWi-FiWi-Fi2023/2/5方便的寬帶無線接入方案Internet光纖骨干網(wǎng)MESHWi-Fi接入網(wǎng)有線或WiMAX2023/2/5三.無線自組織網(wǎng)絡(luò)的主要研究領(lǐng)域信道接入（MAC協(xié)議）：困難：多跳共享廣播信道的介質(zhì)訪問控制。路由協(xié)議：困難：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化導(dǎo)致路由信息收集困難，路由算法難收斂，路由經(jīng)常中斷需要重建。服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）：困難：網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性（鏈路質(zhì)量、帶寬、路由不穩(wěn)定）及分布式控制很難保證傳輸質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)安全：困難：分布式認(rèn)證與密鑰管理，防御入侵。2023/2/5移動(dòng)自組網(wǎng)的路由技術(shù)因特網(wǎng)中的路由技術(shù)利用了靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶匦裕壕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒃诠?jié)點(diǎn)間主動(dòng)傳播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以使用較低代價(jià)的算法預(yù)先計(jì)算好該拓?fù)湎碌穆酚?；?jié)點(diǎn)地址中隱含了路由線索（網(wǎng)絡(luò)號(hào)）。這兩種技術(shù)均不適合移動(dòng)自組網(wǎng)：節(jié)點(diǎn)移動(dòng)使得拓?fù)湫畔⒌挠行越档?；永久性的?jié)點(diǎn)地址無法包含動(dòng)態(tài)的位置信息。對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)有用的拓?fù)浼僭O(shè)是：物理上靠近的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖弦部赡芸拷?023/2/5MANETroutingprotocolsdiscoverrouteson-demand(re-active)Maintainupdatedroutes(pro-active)SourceroutingTabledrivenVariationofdistantvector?Variationsoflinkstaterouting?DSRAODV,ABR,TORADSDV、CGSROLSR先應(yīng)式路由反應(yīng)式（按需）路由混合式路由（Hybrid）ZRP(局部先應(yīng)，廣域按需）其它：功率感知路由、地理位置信息路由、

QoS路由、多播路由、可擴(kuò)展路由2023/2/5幾種無線路由協(xié)議AODV（反應(yīng)式路由協(xié)議）DSR（反應(yīng)式路由協(xié)議）DSDV（表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議）先驗(yàn)式路由協(xié)議又稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，在這種路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表，以維護(hù)一致的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的路由信息，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此這種路由協(xié)議的時(shí)延較小，但是路由協(xié)議的開銷較大；按需路由協(xié)議反應(yīng)式路由協(xié)議，又稱為按需路由協(xié)議，是一種當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。與先驗(yàn)式路由協(xié)議相比，反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷較小，但是數(shù)據(jù)報(bào)傳送的時(shí)延較大。在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中單純采用先驗(yàn)式或反應(yīng)式路由協(xié)議都不能完全解決路由問題。混合式路由協(xié)議在高速動(dòng)態(tài)變化的Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，使用單純的先驗(yàn)式路由協(xié)議會(huì)產(chǎn)生大量的控制報(bào)文，并且很多控制報(bào)文經(jīng)常是無用的；如果單獨(dú)采用反應(yīng)式路由協(xié)議，需要為每個(gè)報(bào)文查找路由，這也是不合理的（特別是當(dāng)連續(xù)向某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)報(bào)文時(shí)）。由此可見，應(yīng)用結(jié)合先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的混合式路由協(xié)議是一種較好的折衷方案。在局部范圍內(nèi)使用先驗(yàn)式路由協(xié)議，維護(hù)準(zhǔn)確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，使用按需路由協(xié)議通過查找發(fā)現(xiàn)路由，這樣既可以減少路由協(xié)議的開銷，時(shí)延特性也得到了改善。反應(yīng)式路由協(xié)議——AODVAd-hocOn-demandDistanceVector（AODV）也是基于距離矢量的路由協(xié)議，但是僅當(dāng)需要一條路由通信時(shí)，才由源節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。與DSDV相比，不在活躍路徑上的節(jié)點(diǎn)不維護(hù)任何路由信息，也不參與任何周期性的路由表交換，因此可極大地減小路由消息的開銷。2023/2/5AODV的基本思想當(dāng)源節(jié)點(diǎn)希望向某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，但當(dāng)前路由表中并無該節(jié)點(diǎn)的路由信息時(shí)，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程；源節(jié)點(diǎn)向其鄰居廣播一個(gè)RREQ（路由請(qǐng)求）消息，進(jìn)行路由探測；每個(gè)收到RREQ消息的節(jié)點(diǎn)向其鄰居擴(kuò)散該消息，直至消息到達(dá)一個(gè)知曉目的節(jié)點(diǎn)路由的節(jié)點(diǎn)（中間節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)）；該中間節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREP（路由響應(yīng)）消息，當(dāng)RREP消息到達(dá)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，建立起源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。2023/2/5要解決的問題如何使RREP返回源節(jié)點(diǎn)：所有轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息的節(jié)點(diǎn)要記錄到源節(jié)點(diǎn)的路徑（反向路徑）；如何區(qū)分路由的新舊：路由序號(hào)。RREQ消息包含<源地址，源序號(hào)，廣播ID，目的地址，目的序號(hào)，跳數(shù)>6個(gè)域：<源地址，廣播ID>二元組唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)RREQ源序號(hào)：用于維護(hù)反向路徑的新鮮性目的序號(hào)：可被源節(jié)點(diǎn)接受的正向路徑的新鮮程度跳數(shù)：每次轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時(shí)，將跳數(shù)加12023/2/5RREQ的處理和反向路徑建立源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREQ消息；鄰居節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，有三種可能：該RREQ已收到過：丟棄該消息；路由表中有到目的節(jié)點(diǎn)的路由，且該路由的目的序號(hào)不小于RREQ的目的序號(hào)：向收到RREQ的鄰居發(fā)送一個(gè)RREP消息；其余情況：將RREQ的跳數(shù)加1，繼續(xù)向鄰居轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，并建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路徑（記錄RREQ到來的前一跳鄰居）。2023/2/5RREP的處理和正向路徑建立RREP消息包含<源地址，目的地址，目的序號(hào)，跳數(shù)，生存時(shí)間>；收到RREP消息后：若為第一個(gè)RREP拷貝，建立到目的節(jié)點(diǎn)的正向路徑（記錄RREP到來的鄰居節(jié)點(diǎn)），記錄目的節(jié)點(diǎn)的最新序號(hào)，向源節(jié)點(diǎn)傳播；若非第一個(gè)RREP，僅當(dāng)目的序號(hào)大于之前的RREP，或目的序號(hào)相同但跳數(shù)更小時(shí)，才更新路由表項(xiàng)并傳播新的RREP，否則丟棄RREP2023/2/5路由表管理每個(gè)路由表項(xiàng)除包含常見的目的地址、下一跳、跳數(shù)等信息之外，還包括：目的序號(hào)：所有路由用目的序號(hào)進(jìn)行標(biāo)記；過期時(shí)間：該路由表項(xiàng)未被使用的時(shí)間；活躍鄰居集合：在最近一段時(shí)間內(nèi)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送/轉(zhuǎn)發(fā)過分組的鄰居；正向及反向路徑的超時(shí)時(shí)間：在該時(shí)間之后路由失效。每條反向路徑有一個(gè)路由請(qǐng)求過期定時(shí)器，用于清除不在RREP傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)保存的反向