新版第六讲AdHoc网络课件.ppt

(7)有限的无线传输带宽。Ad hoc网络采用无线传 输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物 理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低 得多。除此之外，考虑到竞争共享无线信道产生的 碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因 素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的 最大带宽值。
的缺陷做了改进。除了使用RTS/CTS握手信号外， 还使用了其它控制信号(DS，ACK，RRTS)，进一 步解决暴露终端和隐终端问题。MACAW采用了一 种乘法增加线性减少退避算法(MILD)代替二进制 指数(BEB)退避，同时也实现了退避复制机制，使 得传输到同一个目的点的节点使用统一的计数器， 保证了接入的公平性。另外，它还使用了多流模型 以达到平衡传输。 过多的握手信号占用了大量的网络资源，开销和传 输时延比MACA大，另外MACAW也不适合用多播 环境。
有节点的地位平等，即是一个对等式网络。节点可 以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响 整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
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Ad Hoc网络的概念和特征
(2)自组织。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 现有信息基础网络设施(包括有线和无线网络)的支 持，快速构建起一个移动通信网络，这也是个人通 信的一种体现形式。
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Ad Hoc网络的结构
而在多频率分级网络中(图c)，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。
在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简的一， 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 网络的瓶胫。
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Ad Hoc网络的概念和特征
(6)存在单向的无线信道。Ad hoc网络采用无线信 道通信，由于地形环境或发射功率等因素影响可能 产生单向无线信道。在常规网络中，节点间通常基 于双向的有线或无线信道进行通信。这些单向信道 为常规路由协议带来三个严重的影响:认知的单向 性、路由单向性和汇点不可达。
1、Ad Hoc MAC协议面临的问题
传统的蜂窝网络中存在中心控制的基站，由基站保 持全网同步，调度节点接入信道。而Ad Hoc网络 是一种多跳移动网络，很难保持全网同步，这与单 跳的蜂窝网络有着本质的不同。因此，传统的基于 同步的、单跳的、静态的MAC协议(协议数据包组 成)并不能直接搬到Ad Hoc网络中来，这些都使得 Ad Hoc网络中MAC协议的设计面临新的问题和挑 战。
第六讲 Ad Hoc网络
马满福 2019/7/13
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内容构成
一、Ad Hoc网络的概念和特征 二、Ad Hoc的网络结构 三、移动Ad Hoc网络MAC协议 四、路由协议
五、关键技术
六、最后是问题讨论 附：QoS
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一、Ad Hoc网络的概念和特征
Ad hoc一词来源于拉丁语，是特别或专门的意思。 这里提出的Ad hoc网络所指的就是一种特定的无 线网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概 念， 因特网任务工作组(IETF：Internet Engineering Task Force)于1996年成立了 MANET(Mobile Ad hoc NETworks)工作组。
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Ad Hoc网络的概念和特征
(8)安全性差。Ad hoc网络是一种特殊的无线网络， 由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术 和方式，所以更加容易受到被动窃听、主动入侵、 拒绝服务、剥夺/睡眠(终端无法进入睡眠模式)、 伪造等各种网络攻击。
(9)网络的可扩展性不强。在目前Internet环境下， 由于采用了子网(subnet)等技术，从而使得目前 的Internet具有较强的网络可扩展性。但是动态变 化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可 能同时处于一个Ad hoc网络中，因而子网技术所 带来的可扩展性无法应用在Ad hoc网络环境中。
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附录
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二进制退避算法：
（1）对每个帧，当第一次发生冲突时， 设置参量为L=2；
（2）退避间隔取1-L个时间片中的一个 随机数，1个时间片等于2a；
（3）当帧重复发生一次冲突时，则将参 量L加倍；
（4）设置一个最大重传次数，则不再重 传，并报告出错。
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移动Ad Hoc网络MAC协议
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移动Ad Hoc网络MAC协议
(1)移动多跳特性
由于节点的移动性和多跳性，在设计MAC协议时必 须考虑隐终端和暴露终端的问题。隐终端是指在发 送者的通信范围之外，而在接收者通信范围之内的 节点。暴露终端是指在发送者通信范围之内，而在 接收者通信范围之外的节点。一般地，隐终端的存 在可能造成数据的冲突，而暴露终端的出现使得网
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移动Ad Hoc网络MAC协议
2、单信道MAC协议 （回忆CSMA）
(1)MACA
MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)是一种用于单频网络的媒体接入控制 协议，力求解决Ad Hoc网络中的隐终端和暴露终 端问题，它使用RTS-CTS握手机制。发送节点在 发送数据前，首先向收方发送RTS信号，进行信道 预留，接收节点收到RTS信号后，回送一个CTS信 号，其它收到RTS或CTS信号的节点采用二进制指 数退避算法(BEB？？？)延迟数据发送，以避免冲 突。此外，MACA还考虑了功率控制。
保证，是非常困难的事，这也是应该重点考虑的问 题。
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移动Ad Hoc网络MAC协议
ISM频带（802.11a确定，第一个频带工作 在2.4GHz,宽度为83MHz。第二个频带工 作在5.8GHz,宽度为300MHz，分为3个频 段。）是一个典型的多信道环境，采用多信 道MAC协议更能适应Ad Hoc网络环境的要 求。本节主要根据这种分类方式对各种MAC 协议进行介绍。
它也被称为多跳无线网(Multi Hop Wireless Network)、自组织网络(Self-Organized Network)或无基础设施的网络 (Infrastructureless Network)。
Ad hoc网络的特点： (1)无中心。Ad hoc网络没有严格的控制中心，所
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二、Ad Hoc网络的结构
1、 结点结构 Ad hoc网络中的结点不仅要具备普通移动终端的
功能，还要具有报文转发能力，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。 主机：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 ； 路由器：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。
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移动Ad Hoc网络MAC协议
(3)MARCH MARCH(Media Access with Reduced
Handshake)协议利用了全向天线的广播特性来减 少握手信号。与一般的收方驱动协议相比， MARCH协议不需要进行任何流量预测。节点一旦 监听到不是发送给自己的CTS信号，就知道邻节点 处将有数据要到达，通过监听CTS信号，触发一系 列邀请求发送过程，进行数据包的中继传输。该协 议除了第一跳传输是发方驱动的，后续的中继传输 都是收方驱动的，可以看做是先请后推的过程，也 可以看作是发方驱动和收方驱动的混合形式。在 MARCH协议中，需要的握手信号数是路由长度的 函数，路由越长，节省的握手信号数越多。
络资源无法得到充分的利用。
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移动Ad Hoc网络MAC协议
(2)存在单向信道 绝大多数MAC协议通常认为底层的通信信道是双向
的。但是在无线Ad Hoc网络中，由于发射功率或 者地理位置等因素，可能存在单向信道，这将会对 MAC协议的性能带来严重的影响。 (3)能量有限 Ad Hoc网络中的设备绝大多数靠电池供电，能量 不等且有限，所以如何节能也是MAC协议设计必须 考虑的因素。
(4)动态变化的网络拓扑结构。拓扑结构中代表移 动终端顶点的增加或消失，代表无线信道的有向边 的增加和消失，网络拓扑结构的分割和合并等等。
(5)移动终端的局限性。Ad hoc网络中，用户终端 通常以PDA(个人数字助理)、掌上型电脑或手持式 电脑为主要形式。相对于台式机而言，在带来移动 性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例 如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源(车载终端 的电源相对而言较有保障)、内存较小、CPU性能 较低等，给Ad hoc网络环境下的网络协议和应用 程序设计开发带来一定的难度。
由于RTS/CTS帧的长度很小，与CSMA相 比，MACA减少了数据包冲突。但是，在 MACA中依然存在冲突，特别是在 RTS/CTS帧交互期间。另外，MACA没有 采用链路层确认机制，冲突后需要超时重发。 由于采用BEB退避，信道接入的公平性很差。
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移动Ad Hoc网络MAC协议
(2)MACAW MACAW(MACA for Wireless)协议，针对MACA
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Ad Hoc网络的结构
在平面结构中，所有结点的地位平等，所以又可以 称为对等式结构。原则上不存在瓶胫，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 到达其它所有结点的路由，维护这些动态变化的路 由信急需要大量的控制信息。
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(图b)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。
比较正规的表述为:无线Ad hoc网络是指一组无线 移动节点组成的多跳的临时性的无基础设施支持的 无中心网络。在Ad hoc网络中，节点具有报文转 发能力，节点间的通信可能要经过多个中间节点的 转发，即经过多跳(Multi Hop)，这是Ad hoc网络 与其他移动网络的最根本区别。
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Ad Hoc网络的概念和特征
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Ad Hoc网络的结构
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，应采用分 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 组网时采用的就是如图c所示的双频分级结 构。
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三、移动Ad Hoc网络MAC协议
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移动Ad Hoc网络MAC协议
(4)无线带宽有限 Ad Hoc网络一般工作在ISM频带(???)，由于无线
信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽比有 线信道要低得多。如果考虑到无线信道产生的碰撞、 信号衰减、噪声干扰、用户间干扰等因素，节点的 实际可用带宽远远小于理论值。
(5)QoS很难保证 Ad Hoc网络的固有特性，使得要满足一定的QoS
(3)多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点 进行通信时，需要中间节点的多跳转发。与固定网 络的多跳不同，Ad hoc网络中的多跳路由是由普 通的网络节点完成的，而不是由专用的路由设备 (如路由器)完成。网络中的每一个网络节点扮演着 多个角色，它们可以是服务器、终端，也可以是路 由器。
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Ad Hoc网络的概念和特征
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Ad Hoc网络的结构
物理结构上分，结点可以如图所示被分为以下几类: 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，手持机一般采用图中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，这可以采用图中的复杂结构，以实 现多个主机共享一个或多个电台，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。
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Ad Hoc网络的结构
2、 网络结构 Ad hoc网络一般有两种结构:平面结构和分
级结构(传感器网络采用类似结构，由此看 到，他们在某些概念上很难区分或者有交叉 之处)。
a. 平面结构
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Ad Hoc网络的结构
b. 单频分级结构
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Ad Hoc网络的结构
c. 多频分级结构