论文《基于ad hoc网络的服务质量分析

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  Ad hoc网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)。在Ad hoc网络中,结点具有报文转发能力,结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发,即经过多跳(MultiHop),这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调,实现了网络的自动组织和运行。目前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。

  Ad hoc网络又称为多跳网络(multi-hop network)、无固定网络设施的网络(infrastructure less network)自组(self organization)网,自愈网或是对等网,它是一种逻辑意义上的组网方式,即强调在不依赖基础网络设施的前提下由一定范围内的移动终端动态的建立可以互联的网络。同时它还将现有的主要网络中广泛应用的中央控制管理的功能进行分布式处理,由网络各个节点同步完成,从而提高了网络抗干扰,抗故障的能力,也使其成为在许多特殊场合进行网络互联应用的主要方案。

  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。在Ad Hoc网络中,当两个移动主机(如图1中的主机A和B)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(如图1中的主机A和C)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所示。

  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 Hoc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。

  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。

  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。物理性能测试内容主要包括:

  * 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。

  * 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[2][3],也是影响网络吞吐量的因素之一。

  * 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。

  网络接入层(MAC)解决了隐终端和暴露终端的问题[2][3]。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:

  * 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。

  * 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。

  * 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尤为重要。

  * 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。

  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:

  * 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。

  * 路由发现时间(也称为路由重建时间):直接说明了路由算法的效率,即从无法根? 萋酚杀淼玫铰酚傻降玫娇捎寐酚傻氖奔洹P枰?⒁獾氖牵?飧霾馐圆问?视糜谛枨笄??酚伤惴?span lang=EN-US(反应式)[1][5]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)[1][6]。

  * 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。

  * 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。

  Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等,无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能,而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比,它具有以下特点:

  1.无中心:Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等,即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

  2.自组织:网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

  3.多跳路由:当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时,需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同,Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的,而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。

  4.动态拓扑:Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动,也可以随时开机和关机,这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。

  这些特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。

  Ad Hoc网络相对常规通信网络而言,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。

  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。

  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理论中的最大带宽值。

  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。

  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。

  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。

  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网络中的结点不仅要具备普通移动终端的功能,还要具有服文转发能力,即要具备路由器的功能。因此,就完成的功能而言可以将结点分为主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的功能,包括人机接口、数据处理等应用软件。而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息,完成报文的转发功能。电台部分为信息传输提供无线信道支持。从物理结构上分,结构可以被分为以下几类:单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用的单主机单电台的简单结构。作为复杂的车载台,一个结点可能包括通信车内的多个主机。多电台不仅可以用来构建叠加的网络,还可用作网关结点来互联多个Ad hoc网络。

  分级结构中,网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中,又可以分簇,再次形成更高一级的网络,直至最高级。在分级结构中,簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定,也可以由结点使用算法自动选举产生。

  分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中,所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信,要有网关结点(同时属于两个簇的结点)的支持。而在多频率分组网络中,不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小,而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中,有多个频率,用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中,簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个结点都可以成为簇头,所以需要适当的簇头选举算法,算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

  平面结构的网络比较简单,网络中所有结点是完全对等的,原则上不存在瓶颈,所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差:每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在分级结构的网络中,簇成员的功能比较简单,不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生,分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是,维护分级结构需要结点执行簇头选举算法,簇头结点可能会成为网络的瓶颈。

  因此,当网络的规模较小时,可以采用简单的平面式结构;而当网络的规模增大时,应用分级结构。美军在其战术互联网中使用近期数字电台(NTDR,Near Term Digital Radio)组网时采用的就是双频分级结构。

  a)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。

  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。Ad Hoc网络满足了军事通信系统的这些需求。Ad Hoc网络采用分布式技术,没有中心控制节点的管理。当网络中某些节点或链路发生故障,其他节点还可以通过相关技术继续通信。Ad Hoc网络由移动节点自己自由组合,不依赖于有线设备,因此,具有较强的自组性,很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。

  近年来,Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域,Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后,有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信,通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络,保证救援工作的顺利进行,完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。在这些地区,由于造价、地理环境等原因往往没有有线通信设施,Ad Hoc网络可以解决这些环境中的通信问题。Ad Hoc网络还可以用于临时的通信需求,如商务会议中需要参会人员之间互相通信交流,在现有的有线通信系统不能满足通信需求的情况下,可以通过Ad Hoc网络来完成通信任务。

  民用方面,Ad hoc网络也有非常广泛的应用前景。它的应用场合主要有以下几类:

  2.传感器网络:传感器网络是Ad hoc网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素,传感器的发射功率不可能很大。使用Ad hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成Ad hoc网络,可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。

  3.紧急和临时场合:在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后,固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作,对于抢险救灾来说,这时就需要Ad hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。

  4.个人通信:个人局域网(PAN,Personal Area Network)是Ad hoc网络技术的另一应用领域。不仅可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信,还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网(Scatternet)就是一个典型的例子。

  5.与移动通信系统的结合:Ad hoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合,利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。

  Ad Hoc网络在研究领域也很受关注,近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题,随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求,Ad Hoc网络会受到更多的关注,得到更快速的发展和普及。

  蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中,覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站,为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络,一旦一个信道被分配给某个用户,通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。

  集群系统与蜂窝系统类似,也是一种有连接的网络,一般属于专用网络,规模不大,主要为移动用户提供语音通信。

  卫星通信系统的通信范围最广,可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中,卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。

  上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持,如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力,因此成本比较高,同时建设的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持,由主机自己组网,因此,网络建立的成本低,同时时间短,一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中,移动终端之间并不直接通信,并且移动终端只具备收发功能,不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机构成,移动主机之间可以直接通信,而移动主机不仅收发数据,同时还转发数据。此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能,通常采用电路交换,拓扑结构比较稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术,主要为用户提供数据通信服务,拓扑结构易于变化。

  实现移动和全IP是当今网络发展的两大趋势。随着手机使用的日益广泛和人们对移动所能提供的信息要求越来越高,人们更加希望能随时随地接入互联网。

  对于Ad Hoc网络,网络是随时生成而且具有易构性,不需要事先存在的网络来支持,因此,应用很广泛也很简单。但是这种网络有很强的独立性,它可以单独存在,它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由协议都令它难以与互联网通信,达到交互信息的目的。为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网,我们利用移动IP协议可在不同网络中漫游的特性,结合移动IP和Ad Hoc网络,即MIPMANET,提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制,移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接入互联网的解决方案。图3为Ad Hoc网络接入互联网的模型。

  Ad Hoc网络的特性决定了管理上比有线网络复杂许多,因为网络拓扑的动态变化,要求网络管理也是动态自动配置。而且要考虑到移动节点本身的限制,例如能源有限、链路状态变化和有限的存储能力等,因此,要将管理协议给整个网络带来的负荷考虑在内。最后还要考虑到网络管理对不同环境的适用性等。

  a)网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中,由于网络变化不频繁,所以这点容易做到。但在移动网络中,节点的移动导致拓扑结构变化太频繁,网管需定期收集节点的连接信息,这无疑会加大网络的负荷。

  b) 大多数节点使用电池供电,所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数,但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。

  c) 能源的有限性和节点的移动性导致节点随时可能与网络分离,这要求网络管理协议能够及时觉察节点的离开和加入,而更新拓扑结构。

  d)无线环境下信号质量变化大。信号的衰退和拥塞都会使网管误认为节点已离开,因此,网管必须能够区分是由于节点移动还是由于链路质量的原因导致连接中断。网管必须询问物理层,但这样会违反OSI的层次管理结构。

  f) Ad Hoc网络通常应用于军事,因此,要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。

  由上可见Ad Hoc网络的网络管理是与传统网络不同的,要解决的问题包括如何有效地收集网络的拓扑信息,如何处理动态的网络配置和安全保密问题。

  通信网络中的信道共享方式一般有三种:点对点、点对多点和多点共享。点对点是最简单的共享方式,两个结点可以共享一个信道(有线或无线)。点对多点共享一般用于有中心站控制的无线信道,例如蜂窝移动通信系统的无线信道。在这种方式中,终端(如移动电话)在中心站(如基站)的控制下共享一个或多个无线信道,所有终端均处在中心站的覆盖范围内。多点共享指多个终端共享一个广播信道,以太网就是最典型的多点共享方式。在多点共享方式中,一个终端发送报文,所有的终端都可以听到,即相当于一个全互联的网络,我们称这种共享方式下的信道为一跳共享广播信道。

  Ad hoc网络的信道共享方式与它们不同。虽然Ad hoc网络的无线信道也是一个共享的广播信道,但它不是一跳共享的。因为当一个结点发送报文时,只有在它覆盖范围内的结点(称为邻居)才能够收到,而覆盖范围外的结点则感知不到任何通信的存在。这恰恰也是Ad hoc网络的优势所在,发送结点覆盖范围外的结点不受发送结点的影响,它们也可以同时发送报文。我们称Ad hoc网络的共享信道为多跳共享广播信道。

  多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与结点所处的位置相关。在一跳共享的广播信道中,报文冲突是个全局事件。所有结点要么都收到正确的报文,要么都会感知到报文冲突。而在Ad hoc网络中,报文冲突只是局部事件,并非所有结点都可以感知到。一个结点正确收到了一个报文,该报文可能会在另一个结点处发生冲突。也可能报文在接收结点处发生了冲突,而发送结点丝毫觉察不到。也就是说发送结点和接收结点感知到的信道状况不一定相同,由此将会带来隐终端、暴露终端等一系列的特殊问题。

  由于Ad hoc网络特定的信道共享方式,基于点对多点共享信道和一跳共享广播信道接入协议无法被Ad hoc网络直接使用,需要为它设计专用的信道接入协议。信道接入协议是报文在信道上发送和接收的直接控制者,它的行为对Ad hoc网络的性能起着决定性的作用。因此,信道接入协议一直是Ad hoc网络技术的研究重点之一。

  Ad hoc网络中的结点不仅可以自由移动,还可以随时开机和关机。这将造成网络拓扑的动态变化。考虑到Ad hoc网络的多跳特性,结点要有报文转发功能,这要求结点实现相应的路由协议。传统的基于因特网的路由协议是为相对稳定的网络拓扑而设计的,它们无法满足快速变化拓扑网络的需要。因此,路由协议也成了Ad hoc网络的研究特点。

  现有的Ad hoc网络路由协议可以分为先应式(Proactive)、反应式(Reactive)和混合式三种。(1)先应式路由协议又被称为表驱动(Table-driven)路由协议,它通过连? ?丶觳饬绰分柿浚?笨涛?ぷ既返耐?缤仄撕吐酚尚畔ⅰF?/span优点是发送报文时可以立即得到正确的路由,缺点是开销太大。(2)反应式路由协议,又称为随选 路由(On-Demand Routing),并不时刻维护准确的路由信息,仅当需要时才查找路由。其优点是降低了路由维护的开销,缺点是查找路由会引入较大的时延。结点先应式和反应式特点的路由协议称为混合式路由协议。它在局部范围内使用先应式路由协议,以缩小路由控制消息传播的范围。当目标结点较远时,通过查找发现路由。这样既可以减少路由协议的开销,时延特性也得到了改善。

  鉴于路由协议的重要性,IETF的MANET工作组目前专注于Ad hoc网络路由协议的研究。虽然已经取得了一定的成果,但仍有很多问题没有解决。

  Ad Hoc网络是一种新颖的移动计算机网络的类型,它既可以作为一种独立的网络运行,也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。其自身的独特性,赋予其巨大的发展前景。在Ad Hoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题:设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议,以及Ad Hoc网络的网络管理等。今后将重点致力于Ad Hoc网络中网络监视、节点移动性管理、抗毁性管理和安全管理等方面的研究。