第15章 移动ad hoc网络

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1、第15章 移动Ad hoc网络 15.1 概述 15.1.1 移动Ad Hoc网络的需求背景 n我们正在从个人计算机时代(即一个人一个计算装 置)过渡到随遇计算时代(Ubiquitous Age) n在随遇计算时代，一个用户能够随时随地根据需 要同时使用多个电子平台访问所需要的全部信息 。 n存在问题：1.移动 2.不需要基础设施支持 3.动态自组网问题 4.网络必须能够快速战况 nMobile ad hoc network（MANET） 涉及的问题 n移动问题 n不需要基础设施支持的问题 n动态自组织组网问题 n网络必须能够快速展开的问题。 解决方案 n研究人员提出了不需要基础设施支持的移

2、动Ad Hoc解决方案 n移动Ad Hoc网络是复杂的分布式网络系统 ，是自组织、自愈网络，由无线移动节点 组成；无线移动节点可以自由而动态地自 组织成任意临时性“Ad Hoc”网络拓扑，从而 允许人们和装置在没有预先存在的通信基 础设施(如灾后重建环境)的环境中进行无缝 地互连互通。 15.1.2 分组无线网络发展简述 抗毁无线网络 目标：将夏威夷的教育设备 连接在一起 单跳协议，不支持路由功能 分组无线网络 全球移动信息系统计划 15.1.3 移动Ad Hoc网络的定义 n移动Ad Hoc网络由一组无线移动节点组成，是一 种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、能 够迅速展开使用的网络体系

3、，所需人工干预最少 ，是没有任何中心实体、自组织、自愈的网络。 n各个网络节点相互协作、通过无线链路进行通信 、交换信息，实现信息和服务的共享。 n网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离 开网络，而常常不需要事先示警或通知，而且不 会破坏网络中其他节点的通信。 n移动Ad Hoc是对等网络，与使用基站和固定基础 通信设施的通信网络之间的一个重要区别，没有 中心单元，所以必须使用分布式协议。 多跳Ad Hoc通信的一个例子 节点具有游牧特性：节点在一定区域内自由一定， 动态地产生和拆毁其余其他节点的关系 n移动Ad Hoc和其他Ad Hoc通信网络的区别之处在于，网 络拓扑变化迅速、受网络规

4、模大小和节点移动的影响。 n对于移动Ad Hoc网络具有以下要求： 1.强壮的路由算法和移动管理算法。用于提高网络的可靠 性和有效性，比如降低任何网络设备从网络中孤立出来的 机会。 2.自适应算法和协议。用于对频繁变化的无线传播、网络 和传输条件做出调整。 3.低开销的算法和协议：用于保护无线通信资源。 4.源节点和目的节点之间的多条路由（截然不同的路由） 。用于减少某些节点附近的碰撞，提高网络的可靠性和抗 毁性。 5.强壮的网络体系结构：用于避免对网络失效的敏感，避 免高级节点（有特权的节点）周围的碰撞，避免遭到无效 路由信息的惩罚。 单跳Ad Hoc通信的个例子 单跳：从源节点把数据分组

5、直接发送到目的节点 多跳：使用其他节点来中继 自己的分组传输 多跳网络好于单跳网络的原因 (1)增强了网络的扩展性； (2)减少了干扰； (3)提高了整个网络的吞吐量； (4)降低了应用所关心的时延； (5)降低了数据传输中的能量消耗。 15.2 移动Ad Hoc网络的MAC层 在移动Ad Hoc网络中，节点移动、无 线信道脆弱、缺乏中心协调机制是在设计 MAC协议时必须仔细考虑的问题。 15.2.1 Ad Hoc MAC协议分类 竞争协议(Contention Protocol) 分配协议(Allocation Protocol ) 竞争协议和分配协议的组合协议(也称混合协 议(Hybrid

6、 Protocol)。 15.2.2 竞争类MAC协议 1ALOHA协议 2载波侦听多址访问协议(CSMA) 3基于控制分组握手的访问控制协议 (1)多址访问与碰撞回避(MACA)协议 (2)MACAW协议 (3)FAMA协议 (4)IEEE 802.11 MAC协议 (5)MACA-BI协议 竞争类MAC协议(续) 4忙音类多址访问协议 (1)忙音多址访问协议(BTMA) (2)双忙音多址访问协议(DBTMA) (3) 接收机初始化忙音多址访问协议RI-BTMA (4) 无线碰撞检测协议WCD (5)MACA-BI协议 15.2.3 分配类协议 两种截然不同的分配协议是静态分配协议 (Sta

7、tic Allocation Protocol)和动态分配协议 Dynamic Allocation Protocol)，其区别在于计算传 输时间安排的方法不同。静态分配协议使司集中 式传输时间安排算法，该算法事先为每个节点静 态地分配一个固定的传输时间安排。这种传输时 间安排等效于以太网接口卡的MAC地址分配。动 态分配协议使用分布式传输时间安排算法，该算 法按需地计算传输时间安排。 分配类协议 n1.时分多址访问协议(TDMA) n2.五步预留协议(FPRP) n3.跳频预留多址访问协议(HRMA) 15.2.4 混合类协议 n1.混合时分多址访问协议(HTDMA) n2.TDMA和CSM

8、A的混合协议 n3.ADAPT协议 n4.ABROAD协议 n5.AGENT协议 n6.Meta-协议 15.3 移动Ad Hoc网络的网络层 15.3.1 Ad Hoc路由协议分类 n根据网络节点获取路由信息的方法来对移动Ad Hoc网络的路由算法进行分类 表格驱动类路由协议(又称主动式路由协议) 源节点初始化按需驱动类路由协议(又称反应式路由协 议) n根据网络节点使用的、用于计算优先路由的信息 类型来对路由算法进行分类 链路状态算法 距离矢量算法 15.3.2 主动式路由协议 n1最优化链路状态路由协议(OLSR) 此协议中的主要概念是多点中继（multipoint relay,MPR）

9、 被专门选定的节点，在泛洪过程中转发广播消息，降低了 信息开销。 n2. 基于反向路径转发的拓扑分发协议(TBRPF)， 提供逐跳的到达每个目的节点的最短路径，有2个 版本：1.局部拓扑2.全拓扑 运行局部拓扑协议，根据其拓扑表中存储的部分拓扑信息 计算一颗源节点树。为了使开销最小，每个节点只将其源 节点树的一部分报告给相邻节点，协议联合使用周期性更 新和差异更新来保持所有相邻节点能够得到所报告的那部 分源节点树。 15.3.3 按需路由协议 n1Ad Hoc按需距离矢量路由协议(AODV) 为Ad Hoc网络的节点设计的，提供对动态链路状况的快速自适应，处 理开销和存储开销低，网络利用率低，

10、确定到达Ad Hoc网络内的目的 节点的单目标传输路由。 n2基于节点间相互关系的路由协议(ABR) 移动节点的移动范围分3类，ABR只为确实需要路由的源节点维护路由 ，只有最好的路由会被选出，寿命最长 n3源动态路由协议(DSR) 是一个专门为多跳无线Ad Hoc网络设计的简单且高效的路 由协议，网络是完全自组织、完全自构，无需任何基础设 施，所有的路由都是由DSR路由协议动态地、自动地确定 和维护。分2个机制：路由寻找、路由维护，均是按需操 作，不使用任何周期性操作。 15.3.4 混合路由协议 n1域路由协议(ZRP) 根据反应式路由请求进行各个路由选择域之间的路由寻找，路由选择 域内路

11、由则使用主动式路由协议来维护到达其域内所有节点的最新路 由信息。通过使用边界广播机制，能够使用路由选择域拓扑信息大幅 度减少各个域之间的控制信息通信量。主动+反应纯反应式 （更适合路由稳定性更高的网络）快1.52倍 n2抢先式路由协议 结合按需路由算法和表格驱动算法的优点。解决范菲菲是抢先寻找其 他路径，在很多情况下在中断之前切换到质量好的备用路径上，从而 使传输时延最小，传输时延抖动最轻。 15.3.5 多径路由技术 n最流行的移动Ad Hoc网络路由方法：按需路由法，其路由 开销 最短路径协议的路由开销，不是通过周期性地交换 路由消息来持续维护整个网络的路由表，只在节点需要给 目的节点发送

12、分组在建立路由，源节点通过泛洪特定的分 组来搜索目的节点及其路由。对频繁的全网泛洪进行有效 的控制！ n多径路由可以降低泛洪的频次，其方法是在一次泛洪查询 过程中探测多条可能的路由，以低成本提供足够的冗余度 。 n多径路由能够提高通信节点对带宽的有效利用，响应网络 拥塞和突发传输，提高分组交付的可靠性。 四种多径路由协议 n大前提：提供了一种简单机制来分配通信量、平 衡网络载荷以及提供容错能力。 n(1)Ad Hoc按需多径距离矢量路由协议(Ad Hoc On -Demand Multipath Distance Vector，AODMV n(2)多径源动态路由协议 n(3)最大节点不相交按需

13、多径路由协议 n(4)分离多径路由(Split Multipath Routing，SMR) 15.3.6 多目标路由协议 n多目标协议也叫多播或组播路由协议。 n多目标传输(也叫组播或多播，Multicasting)是将数据分组 发送给由一个目的地址指定的一组主机。 n多目标用于面向节点组的计算。越来越多的应用必须是点 对多点传输。 n多目标服务对于团队密切协作的应用非常重要，如要求共 享文本和图片、召开音频和视频会议。 n移动Ad Hoc网络中，节点经常不可预测地移动，导致网络 拓扑频繁、快速、任意变化无线链路相对于有线信道带宽 较窄；每个节点传输距离有限；信道误码、传输碰撞、多 径衰落、

14、多址干扰等原因，并不是所有信息都能够传输到 预定接收节点，-多目标技术更加复杂 典型的多目标路由协议 n1多目标操作协议MAODV协议 同样采用AODV协议，但是增加了一条新消息多目标激活消息。当节 点加入多目标组的时候，建立一棵多目标树，它由多目标成员和连接 多目标成员的节点组成，多目标成员可以在任何时候加入或脱离所在 的目标组，一个多目标组有一个组长节点，负责维护本组的多目标组 序列号。 n2基于相互关系的多目标路由协议(ABAM) 是移动Ad Hoc网络的一种按需多目标路由协议，主要根据节点之间的 相互关系稳定性为每个多目标会晤建立一棵根部在多目标发送节点的 多目标树。 n3按需多目标路

15、由协议(ODMRP) 是基于网格的多目标路由协议，能够在节点移动和拓扑变化条件下建 立网格和提供多条路由，将多目标分组交付给目的节点。 n4自适应按需驱动多目标路由协议(ADMR) nADMR协议的新特征概括如下： n1.ADMR协议没有采用控制分组的周期性全网泛洪、相邻 节点的周期性探测、以及路由表的周期性交换；ADMR协 议不要内核； n2.ADMR协议根据应用发送模式调整其操作，高效检测链 路中断情况，使不再需要的路由状态时间期满； n3.通过沿着多目标树发送数量有限的继续维持分组来处理 突发源，以便将无数据和无连接区别开来； n4.ADMR协议采用被动确认进行有效的多目标树自动修剪 ；

16、 n5.如果没有接受节点那么源节点只需偶尔泛洪现有的数据 分组，不需要发送其他数据分组或者控制分组； n6.ADMR协议无需使用GPS、其他定位信息，或者其他控 制传输就能够检测强移动性，并且能够切换到泛洪方式工 作一段时间，然后再返回到正常的多目标操作方式。 15.3.7 路由协议的性能分析与评价 n定性性能指标: (1)分布式操作 (2)开环 (3)基于需求的操作 (4)主动式操作 (5)网络安全 (6)“休眠”操作 (7)单向链路的支持 n定量性能指标: (1)端到端的数据吞吐量和数据时延 (2)路由获取时间 (3)乱序交付百分率 (4)效率 15.4 移动Ad Hoc网络的IP地址分配技 术 n在IP网络中，移动装置的IP地址分配是最重 要的网络配置参数之一。 n一个移动装置在没有分得一个空闲IP地址及 其相应子网掩码地址之前无法参与网络中 的单目标通信。 n地址分配是面向MANET网络实际应用的第 一步。 分配方法 1冲突检测分配法 新节点试验性地选择一个IP地址，请求所有其他 已配置节点认可，=，冲突， 2