毕业设计(论文)Ad Hoc网络技术浅析.doc
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1、西安高新科技职业学院毕 业 设 计(论文) 课题名称 Ad Hoc 网络技术浅析 年 级 2007 系 别 计算机科学与技术系 专 业 计算机控制技术 班 级 计控(1)班 姓 名 学 号 指导教师 摘 要Ad Hoc是随着无线通信技术的快速而出现的一种新型网络。本文详细介绍了Ad Hoc网络的概念、特点、需求、与其他移动通信系统的区别和网络管理等方面的。 关键词 Ad Hoc网络,移动IP,网络管理 AbstractAd Hoc network is an up-to-date one emerging with the development of wireless communicati
2、on technology. Conceptions, features, application scope, comparison with other wireless system and issues on network management are presented with detail. Key words Ad Hoc network ,Mobile IP ,Network management 目 录一 Ad Hoc 网络的概念.1二 Ad Hoc 网络的结构和特点.2 (一) 网络的独立性.2 (二) 动态变化的网络拓扑结构.2 (三) 有限的无线通信宽带.3 (四)
3、 有限的主机能源.3 (五) 网络的分布式特性3 (六) 生存周期短.3 (七) 有限的物理安全.3三 网络性能测试体系结构.4 (一) 通信终端物理性能测试.4 (二) 网络接入层性能测试.4 (三) 路由协议性能测试.4四 Ad Hoc 网络的应用需求.5五 Ad hoc网络的设计挑战.7六 与其他移动通信系统的比较.8 (一) 蜂窝系统.8 (二) 集群系统.8 (三) 卫星通信系统.8七 Ad Hoc网络中的关键技术.9 (一) 信道接入技术.9 (二) 网络体系结构.9 (三) 路由协议.9(四) QoS保证.11(五) 多播/组播协议.11(六) 安全性问题.11(七) 网络管理.
4、12(八) 节能控制.12八 移动IP和Ad Hoc 网络的结合.12九 Ad Hoc网络的安全缺陷.12十 Ad Hoc网络安全措施.13(一) 控制层安全:保证安全的路由.13(二) 数据层安全:保护分组的转发.15(三) 密钥管理安全.16十一 管理Ad Hoc 网络面临的问题.17结束语.17参考文献.18Ad Hoc 网络技术浅析前 言随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望,近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携机或个人数字助理来实现移动中的通信。的移动通信大多需要有线基础设施(如基站)的支持才能实现。为了能够在没有固定基站的地方进行
5、通信,一种新的网络技术Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持,通过移动主机自由的组网实现通信。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程,同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。一 Ad Hoc网络的概念Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络,网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域,它的起源于战场环境下分组无线网数据通信项目,该项目由DARPA资助,其后,又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移动信息
6、系统GloMo(Global Information System)项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展,Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展,如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时,可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。在Ad Hoc网络中,当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时,它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限,如果两个相距较远的主机要进行通信,则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中,主机同时还是路由器,担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中,每个主机的通信范围有限,因此路由一般都由多跳组成,数据通过多
7、个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中,使用计算机网络的分组交换机制,而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理(PDA)等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中,移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络,而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中,移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信,在基站和基站(代理和代理)之间均为有线网络,仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Ho
8、c网络没有这些设施的支持。此外,在移动IP网络中移动主机不具备路由功能,只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构,而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。 二 Ad Hoc网络的结构和特点Ad Hoc网络具有自身的特殊性,在组建实际使用的无线工作网络时,必须充分考虑网络的应用规模和扩展性,以及应用的可靠程度及实时性要求,选择合适的网络拓扑结构。另外,由于Ad Hoc网络自身结构的特殊性,设计或组建网络时应充分考虑Ad Hoc无线网络的特点,有助于我们设计出适合特定网络结构的路由协议,最大限度地发挥整个网络的工作性能。Ad Hoc无线网络的
9、拓扑结构可分为两种:对等式平面结构和分级结构。在对等式平面结构中,所有网络节点地位平等。而在分级结构的Ad Hoc无线网络拓扑结构中,整个网络是以簇为子网组成,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成,簇头形成高一级网络,高一级网络又可分簇形成更高一级网络。每一个簇中的簇头和簇成员是动态变化、自动组网。分级结构根据硬件的不同配置,又可以分为单频分级结构和多频分级结构。单频分级结构使用单一频率通信,所有节点使用同一频率;而在多频分级结构中,若存在两级网络,则低级网络通信范围小,高级网络通信范围大,簇成员用一个频率通信,簇头节点用一个频率与簇成员通信,用另一个频率来维持与簇头之间的通信。对等式平面结构和分
10、级结构使用时各存在优缺点:对等式平面结构网络结构简单,各节点地位平等,源节点与目的节点通信时存在多条路径,不存在网络瓶颈,而且网络相对比较安全,但最大的缺点是网络规模受到限制,当网络规模扩大时路由维护的开销指数增长而消耗掉有限的带宽;分级结构网络规模不受限制,可扩充性好,而且由于分簇,路由开销相对小一些,虽然分级结构中需要复杂的簇头选择算法,但由于分级网络结构具有较高的系统吞吐量,节点定位简单,目前Ad Hoc无线网络正逐渐呈现分级化的趋势,许多网络路由算法都是基于分级结构网络模式提出的。Ad Hoc网络作为一种新的组网方式,具有以下特点。(一)网络的独立性Ad Hoc网络相对常规通信网络而言
11、,最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持,快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施,具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。独立Ad hoc网络包括成百上千个节点。有研究者曾建议应用Ad hoc网络形成无线城域网,甚至广域网,替代现有的有线通信网络。目前看来,这种想法不太切合实际的情况,缺乏潜在的商业价值,仅可以作为一种方案用来进行科学研究。因为Ad hoc适用于在某些特定的场合用非常少的数据传输非常重要的信息,例如在战场传达命令和在高速公路上通知其他车辆关于交通堵塞的情况等。大规模的Ad hoc网络不适
12、合传输大量的信息,因为大规模的Ad hoc网络会产生高风险、高成本、低效率等问题。(二)动态变化的网络拓扑结构在Ad Hoc网络中,移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失,主机之间的关系不断发生变化。在自组网中,主机可能同时还是路由器,因此,移动会使网络拓扑结构不断发生变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言,网络拓扑结构则相对较为稳定。Ad hoc 网络中,用户终端的移动性具有很大的随机性,它们可以随时移动,也可以随时开机和关机。再加上无线发射装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等因素的影响,网络的拓扑结构可能随时发生变化,而且这种
13、变化无法预先知晓。(三)有限的无线通信带宽在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持,因此,主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性,它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外,考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽远远小于中的最大带宽值。(四)有限的主机能源在Ad Hoc网络中,主机均是一些移动设备,如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下,主机的能源主要由电池提供,因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。由于网络节点的能量都是由电池提供的,因而对Ad Hoc网络,节能的要求就显得特别重要。对一
14、个节点而言,降低发射功率可以节省能量,但同时影响信号发射的距离(发射功率近似地与最大传输距离的三次方成正比);另一方面,节点入网后,类似于手机,可处于发射、接收和备用三种状态,相应的能耗比约为11:10:1。当需要多跳转发时随机选择一条通路进行。(五)网络的分布式特性在Ad Hoc网络中没有中心控制节点,主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障,其余的节点仍然能够正常工作。(六)生存周期短Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求,相对与有线网络,它的生存时间一般比较短。(七)有限的物理安全移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击,易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路
15、安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。Ad hoc 网络的多跳性使得借鉴固定网络的路由协议成为可能,但其网络拓扑动态变化、传输带宽有限、单向链路的存在使得固定网络的路由协议不能直接应用到无线Ad hoc 网络中。节点的移动使得网络拓扑不断变化,这样传统的固定网络路由协议很难及时地准确地反映网络的拓扑结构,而且为了维护网络拓扑所使用的控制信息不断地分发到网络中去,要占用大量的无线带宽。另外,传统网络协议在设计时没考虑或者要求不存在单向链路,但在无线Ad hoc 网络中,单向链路往往是存在的,因此Ad hoc 路由协议必须
16、支持单向链路。三 网络性能测试体系结构Ad Hoc网络协议主要包括网络接入层协议(MAC)和路由协议。不同层次的协议由于所完成的功能不同,所以具有不同的测试指针。在网络测试中,要合理评价网络性能必须充分考虑不同层次的协议在性能上的差别。同时,对于不同的网络应用来说,各个层次协议性能对网络整体性能的影响也不尽相同。 Ad Hoc网络性能测试按照网络功能层次进行区分,主要分为以下三个方面的内容:通信终端物理性能测试,接入层协议测试和路由协议测试。 (一)通信终端物理性能测试 通信终端种类很多,包括数字电台、PDA、移动笔记本电脑等等。不同的无线终端由于硬件配置不同,其物理性能也不尽相同。物理性能测
17、试内容主要包括:1、数据发送速率:即终端设备可支持的最大传输带宽,对于多信道系统而言,还需要测试最大可用带宽。 2、传播距离:即设备的通信范围,主要与终端的发送功率,接收门限(信噪比)有关。多跳网络中,传播距离会对网络的拓扑关系产生重大的影响,也是MAC层协议设计通常需要考虑的问题,也是影响网络吞吐量的因素之一。 3、差错控制能力:无线信道通常是不可靠信道,所以需要相应的差错控制能力,保证在一定的信道误码率下,可以完成正常数据通信。 (二)网络接入层性能测试 网络接入层(MAC)解决了隐终端和暴露终端的问题。MAC层协议的性能会直接影响网络的整体性能。MAC层协议是Ad Hoc网络组网协议的基
18、础,也是网络结点通信的第一步,只有高效、公平、有序地组织网络中的所有通信结点的链路层通信能力,才能保证上层网络互联协议(路由协议)的正常运行。网络接入层性能测试内容主要有: 1、接入时延:结点从有数据需要发送到数据的实际发送的时间间隔。是反映单个结点接入效率的重要参数,但是不能反映网络整体性能。 2、网络吞吐量:接入协议的性能还体现在网络吞吐量上,由于无线网络数据帧的碰撞会导致所有的发送方都要退避一段时间,然后重新发送数据,这就必然对系统的吞吐量产生影响。 3、优先级:网络中的结点按照优先级排序,优先级高的结点比优先级低的结点有更低的平均接入时延,这一点在同时承载数据业务和话音业务的网络中显得
19、尤为重要。 4、公平性:优先级然保证了优先级高的结点有更低的接入时延,但是网络接入协议还必须同时保证优先级低的结点不会“饿死”,同等优先级的结点还要有相同或接近的接入时延参数。 (三)路由协议性能测试 路由协议的任务是维护网络拓扑,为结点之间的通信提供及时准确的路由信息,保证报文按照协议所提供的路径正确到达目的结点。针对现有Ad Hoc网络路由协议的特点,性能测试主要包括以下几个方面: 1、端到端时延与吞吐量:路由协议所处理的是源结点到目的结点之间的路径选择信息,所以源结点到目的结点之间(端到端)的行为最直接的测试内容就是时延和吞吐量。但是,这两个参数都与MAC层协议的效率直接相关。 2、路由
20、发现时间(也称为路由重建时间):直接说明了路由算法的效率,即Pspan lang=EN-US(反应式)和具有事件触发更新功能的路由表驱动型路由算法(先应式)。 3、路由表收敛时间:对于路由表驱动型路由算法而言,路由协议在运行期间,路由表从初始状态到路由表稳定状态通常会有一个自动更新的过程,这个时间通常称为路由表收敛时间。 4、路由协议的效率:任何路由协议在运行过程中,都要有一定的路由协议开销,用于在结点之间维护网络的拓扑信息。对于无线网络而言,网络带宽非常有限,协议开销直接影响网络带宽的利用率,进而影响网络的扩展性。所以路由协议的效率也是我们重点考虑的测试参数之一。5、路由协议的效率:任何路由
21、协议在运行过程中,都要有一定的路由协议开销,用于在结点之间维护网络的拓扑信息。对于无线网络而言,网络带宽非常有限,协议开销直接影响网络带宽的利用率,进而影响网络的扩展性。所以路由协议的效率也是我们重点考虑的测试参数之一。四 Ad Hoc网络的应用需求Ad Hoc网络是一种动态变化的无线自组织网络,它的体系结构、服务质量QoS保障和应用等问题比较复杂并难以实现。传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用,因此需要为Adhoc网络设计专门的协议和技术。目前Adhoc网络研究所面临的主要挑战包括:MAC协议、路由协议、QoS、安全问题、功率控制和网络互联等。Ad Hoc网络的应
22、用范围很广,总体上来说,它可以用于以下场合:1、没有有线通信设施的地方,如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。 2、需要分布式特性的网络通信环境。 3、现有有线通信设施不足,需要临时快速建立一个通信网络的环境。 4、作为生存性较强的后备网络。Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要,军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。在战争中,通信系统很容易受到敌方的攻击,因此,需要通信系统能够抵御一定程度的攻击。若采用集中式的通信系统,一旦通信中心受到破坏,将导致整个系统的瘫痪。分布式的系统可以保证部分通信节点或链路断开时,其余部分还能继续工作。在战争中,战场很难保证有可靠的有
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