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1、,第五章,移动自组织和无线传感器网络mobile ad hoc network,移动自组织网络 无线传感器网络,移动自组织网络mobile ad hoc network,概述 体系结构 Ad Hoc网络路由 服务质量和能量意识,一、概述,基于预先架设网络基础设施的无线网络,蜂窝网络 移动终端通过基站接入移动通信网络,无线局域网 移动终端通过无线接入点接入Internet,依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络,自组织网络的应用需求,临时会议/紧急情况 科学考察/探险/军事战场 接入网络服务商所需的时间和成本 现有服务和架构的性能或者能力 远离网络基础设施而希望保持与网络的连接,无网络基础设施
2、可用,不想使用网络设施,网络基础设施范围外,自组织网络,自组织网络的起源,1972年分组无线网（PRNET） 战场环境下的数据通信 1983年抗毁自适应网络（SURAN） 支持大规模网络 适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议 1994年全球移动通信系统（GloMo） 满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁星的移动信息系统,DARPA资助 Defense Advanced Research Project Agency,自组织网络研究,1991年IEEE 802.11首次提出“Ad Hoc网络” 自组织、对等式、多跳无线移动通信网络 1997年IETF成立MANET工作组 基于IP的无线多跳
3、网络路由 2003年IRTF成立ANS研究组 其它研究机构,Ad Hoc：For the specific purpose only,MANET：Mobile Ad-hoc Networks ANS：Ad Hoc Networks Scalability,Ad Hoc网络的定义,由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端节点组成的一个多跳临时性自治系统 每个(移动)终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议 节点间路由通常由多跳(Hop)组成 不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建,多跳无线网络、自组织网络、无
4、固定设施的网络或者对等网络,IEEE802.11b中的Ad-hoc模式,Ad Hoc网络的特点（1）,独立组网 不需要任何预先网络基础设施 动态拓扑 节点移动/开机/关机 节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响 自组织 无控制中心 节点故障不会影响到整个网络,节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能 发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的,Ad Hoc网络的特点（2）,多跳路由 接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗 通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范围,Ad Ho
5、c网络的特点（3）,特殊的无线信道特征 无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多 竞争无线共享信道产生碰撞 信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等 终端的局限性 能量、存储、计算等资源受限 安全性差 无线链路的开放性 移动性导致节点之间信任关系的变化 可扩展性不强 节点之间的相互干扰造成网络容量下降 各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降 存在单向无线信道 终端发射功率的不同及地形环境的影响,与传统蜂窝移动通信网络比较,不需要网络通信基础设施支持 不依赖基站进行通信 分组交换机制 数据通信业务为主 拓扑结构动态变化,与传统固定网络比较,固定网络中主机位置基本不变 固定网络结构一般比较复杂 ad
6、hoc网络规模相对较小 ad hoc网络的拓扑结构比较简单 ad hoc网络拓扑结构快速变化,Ad Hoc网络与无线局域网,单跳与多跳 研究重点不同 通信模式不同,主要研究集中在物 理层和数据链路层,移动终端的所有通信必 须经过无线接入点进行,无线局域网为单跳网 络，不存在路由问题,Ad Hoc网络的研究 内容主要以路由协议 为核心的网络层设计,Ad Hoc网络中移动 终端的通信是对等的,移动Ad Hoc网络(MANET)与移动IP,MANET,移动IP,Ad Hoc网络所面临的问题(1),特殊的信道共享方式 共享信道 隐藏节点问题/暴露节点问题 动态变化网络拓扑 传统路由协议花较高代价获取的
7、路由信息可能已经陈旧 有限的无线传输带宽 减少节点之间的交换的消息 减少控制消息带来的额外开销 有限的能量 能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由 安全问题 无线信道的开放性更容易受到各种攻击 移动性使得节点的信任关系不断变化 由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的,RTS/CTS，CSMA/CA,网络路由时需考虑,Ad Hoc网络所面临的问题(2),网络管理 拓扑管理 确定将一组节点组织成网络的机制 移动性管理 跟踪网络中移动节点的位置 服务质量管理 多跳拓扑动态变化的移动Ad Hoc网络使得服务质量保证更加困难 自动配置 ,实现Ad Hoc网络的关键技术,路由协议 服务质量管理
8、功率控制 传输层性能 Ad Hoc网络互联 安全问题 网络管理,感知网络拓扑结构的变化 维护网络拓扑的连接 高度自适应性 能量、服务质量等约束,信道接入技术 节能机制,多个Ad Hoc网络互联 Ad Hoc内部节点访问Internet,二、体系结构,节点结构,主机：运行应用程序，完成数据处理等功能 路由器：运行路由协议，完成路由选择、转发分组等功能 无线收发装置：完成数据传输功能,网络结构,平面结构 所有节点地位平等 层次结构 网络被划分为簇（Cluster） 每个簇由簇首节点(Cluster Head)和簇成员节点(Cluster Member)构成 簇首节点可形成更高一级的网络,平面结构,
9、层次结构,平面结构和层次结构比较,网络协议栈,基于TCP/IP体系结构 与Internet互联 传统路由协议需要修改，以适应网络拓扑结构动态变化 传输层实现适应于无线网络的端到端可靠服务 Ad Hoc网络多用于能量受限的环境，能量管理尤为重要，因此各层都定义相应的节能机制,可选功能,Ad Hoc网络中的跨层设计,严格分层的体系结构(OSI参考模型，TCP/IP模型) 协议的设计缺乏足够的适应性，不能满足Ad Hoc网络动态变化的需求，特别是在能量或者QoS等约束条件下 跨层体系结构 任意层之间能够进行信息交互协作 在动态环境下，根据能量或者QoS等约束条件自适应调节 避免重复的功能，减少开销
10、减少反应时间，快速适应网络动态变化,三、Ad Hoc网络路由,Ad Hoc路由概述,需要进行通信的两个节点可能不在相互的无线信号范围内 需要其它节点承担转发工作 节点移动后需要重新建立新的路由,多跳路由,移动,传统的路由协议不适用于Ad Hoc网络,动态变化的网络拓扑结构 节点加入、离开、移动等 路由算法还未收敛,网络拓扑结构就发生变化 有限的系统带宽、能量等资源 周期性地公告路由信息严重降低系统的性能 间歇性的网络分割 传统路由协议容易形成路由回路 单向的无线传输信道 传统路由协议一般假设链路是对称的,适应网络动态变化 减少路由开销 引入按需路由 在路由时考虑能量等约束条件,路由协议,表驱动
11、（Table Driven）路由,先验式(Proactive)路由 传统的分布式最短路径路由协议 链路状态或者距离向量 所有节点周期性更新“可达”信息 每个节点维护到网络中所有其它节点的路由 所有路由都已存在并且随时可用 DSDV、OLSR、TBRPF,路由延时小，但是路由开销大,按需(On-demand)路由,反应式(Reactive)路由 源节点根据需要通过路由发现过程来确定路由 控制消息采用泛洪（Flooding）方式 两种实现技术 源路由（分组携带完整的路由信息） 逐跳（Hop-by-Hop）路由 DSR、AODV、DYMO,路由延时大，但是路由开销小,Ad Hoc路由协议的性能指标,
12、端到端数据吞吐量和延时 反映了数据的传输质量 路由获取时间 有数据要发送到发送出去的时间 乱序分组发送率 衡量无连接路由协议应用于需要有序发送的传输层协议例如TCP时的性能 路由协议的效率 路由控制消息/发送数据,路由协议的性能在不同环境表现不同, 因此需要根据环境特点使用不同的路由协议,四、服务质量和能量意识,Ad Hoc路由中的服务质量,与传统网络相比，更困难 网络拓扑动态变化 资源受约束 扩展路由协议支持QoS 基于表驱动的QoS路由协议 按需QoS路由协议,Ad Hoc路由中的能量意识,Ad Hoc网络环境下节点的能量受限 基于能量约束的路由协议 最小化每消息能量消耗 考虑每跳之间消耗
13、的能量固定(T为常数)，该约束实际上与最小跳数一致 最大化网络生存时间 保证所有节点协同工作的时间尽量的长,信息安全,目前的安全策略，有安全认证和协议等， 一部分WLAN安全策略可用于MANET。 需要适合于MANET的信息安全策略。,一个移动自组织网络,移动自组织网络的应用场合,临时、突发场合，如： 军事行动、 灾害抢险、 医疗救助、 会议室活动 、 视频点播等。,军事应用,1981年：美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网， 1991年：美国又研究了一种“改进型高频数据网”，充分应用了短波自组织网技术， 1994年：美国抗毁自适应系统演示，以宽带技术为基础，改善了战术通信的机动性和生存
14、能力， 近年来：美、英、法、荷兰等国的单兵作战系统， 未来的单兵通信系统：宽带化的、手持或便携式个人移动终端。,移动自组织网络的应用简介,无线传感器网络,无线传感器网络,WSN-Wireless Sensor Networks 基础 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术。 解释1 由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。,网关,大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化,无线传感器网络,解释2： 传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、
15、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。 传感器网络的三个基本要素： 传感器，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能 协作地感知、采集、处理和发布感知信息,现代感知方法,Sensing Area,User端,传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果,Sink,Internet 或 通信卫星,Sensor network,User端,48,传感器节点,传感器网络的网络结构,传感器网络的实体,传感器节点 功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计
16、算、通信、能量 汇聚点(Sink)节点 功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。 特点：连续供电、功能强、数量少等,50,数字世界,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,物理世界,无线传感网络-连接物理世界和数字世界,无线传感网络在新一代网络中的角色,无线传感网络,接入网络,核心网络,节点的结构,传感器,应用程序,无线通信,内 存,CPU,电 源,网络中的网关（基站） （较强的处理、通信能力）,网络中的节点 （简单处理、短距离通信）,传感器节点,传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块：提供能量,工作流程示意图,工作流程示意图,传感器结点,代理,Sink 节点,用户,询问结果,Internet,感知能力计算能力通信能力 体积
