无线和移动网络课件.ppt

1、无线和移动网络Wireless and Mobile Networks可提供因特网接入的无线网络o 蜂窝移动网络：n 面向个人移动用户，主营话音业务，也可提供数据通信业务。覆盖范围广，带宽较低。o 无线局域网（WLAN，Wi-Fi）：n 面向个人用户，用于数据通信。覆盖范围小，带宽高。o 宽带无线网络（WiMAX）：n 面向建筑物内的固定用户，提供综合服务（话音、视频、数据）。带宽高，覆盖范围广。提供无线骨干和因特网接入o 无线网状网络（Wireless Mesh Network）：n 利用无线路由器组成较大范围的无线骨干网，为固定及移动用户提供因特网宽带接入。n 带宽高、易组网、成本低、覆盖

2、广，性能稳定。n 可能的应用包括无线宽带服务、社区网络、实时监视系统、高速城域网等。n 结合蜂窝移动网络覆盖广、无线局域网带宽高和组网灵活的优点，是WiMAX的有力竞争者。无线网状网图示无基础设施的网络o 自组织（Ad Hoc）网络n 由一群兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的临时性自治系统。n 网络中不存在专门的基础设施，也称无基础设施的网络。n 不以接入因特网为目的，为临时性应用而建，通常覆盖范围较小。无基础设施的网络（续）o 无线传感器网络：n 以环境监视为目的，每个节点均安装了传感器，具有感知、计算和无线通信能力。n 应用包括战场感知、环境监测、智能交通等。传感网、互联网和物联网

3、o 物联网是“物物相连的互联网”：n 物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络n 用户端延伸和扩展到了任何物品o 物联网（Internet of Things）的定义：n 通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。传感网和物联网的区别o 传感网的用途是监视环境，感兴趣的是节点采集的环境数据而不是节点本身；物联网的用途是物品的智能管理，要求识别节点。o 传感网中的节点具有计算智能，能够进行信息处理；而物联网的处理主要在数据中心。o 传感网是一种自组织网络；而

4、物联网是建立在互联网基础之上的，并且需要强大的数据中心作为支撑。有缺陷的网络o 基于TCP/IP协议的因特网服务模型基于以下假设：n 在通信持续时间里，源和目的之间存在端-端路径n 任何一对节点之间的最大往返时间不会太长n 丢包率较小o 有缺陷的网络：n 不满足以上一个或几个基本假设，如间歇性连接、长延迟、高误码率、不对称数据速率等。主要内容o 无线自组织网络o 无线网状网络o 无线传感器网络o 延迟容忍网络1 无线自组织网络o 无线自组网是由一群兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的无中心、多跳、临时性自治系统。n 多跳：节点发射功率有限，远距离通信需要依靠其它节点中继，每个节点既是终端

5、又是路由器。n 无中心：网络中不存在任何控制中心，节点之间相互协作构成网络。n 临时性：为特殊目的而建立，应用完成即拆除。o 当节点可移动时，称为移动自组网。自组网的主要应用领域o 军事领域：n 该技术最初应用于军事领域，是美国军方战术网络技术的核心，如自愈式雷场系统。o 民用领域：n 临时性场合的通信，如会议、庆典、展览等。n 灾难环境中提供通信支持。n 个人区域网络应用，实现PDA、手机等个人电子通信设备之间的通信。无线自组网的特点o 拓扑动态变化：节点移动、链路时变、节点失效等。（传统路由算法会出现路由振荡、难以收敛的问题）o 存在单向链路：传输功率及环境噪声差异可能在节点间形成单向链路

6、。（传统路由算法一般基于对称链路假设）o 节点能量有限：节点使用电池供电，充电困难。（所有设计均要求节省能量，延长网络生存时间）o 安全性差：开放的无线信道，有限的电源供应，分布式控制。（易遭受窃听、主动入侵、拒绝服务攻击等）无线自组网的主要研究问题o 信道接入（MAC协议）：n 困难：多跳共享广播信道的介质访问控制。o 路由协议：n 困难：网络拓扑的动态变化导致路由信息收集困难，路由算法难收敛，路由经常中断需要重建。o 网络安全：n 困难：分布式认证与密钥管理，防御入侵。1.1 无线自组网的路由o 因特网的静态网络拓扑特性：n 网络拓扑变化较少；n 节点地址中隐含了路由线索（网络号），方便路

7、由。o 因特网路由技术利用了静态网络拓扑的特性：n 节点主动收集链路状态信息（拓扑、代价），预先计算好该拓扑下的路由。因特网路由技术不适合无线自组网o 无线自组网的动态拓扑特性：n 节点移动、失效及链路时变等导致网络拓扑经常变化，拓扑信息的有效性降低（路由难收敛、失效快）。n 永久性的节点地址无法包含动态的位置信息。o 对移动自组网有用的拓扑假设是：n 物理上靠近的节点在网络拓扑上也可能靠近。自组网路由协议的分类o 单播路由和多播路由o 单路径路由和多路径路由o 单路径路由n 基于拓扑的路由：基于节点间连接关系计算路由表。o 积极（proactive）路由：主动维护到网络中所有节点的路由。o

8、按需（on-demand）路由：仅当节点间需要通信时才建立和维护路由。n 基于位置的路由：根据节点的地理位置进行转发决策，不需要路由表。（1）积极路由协议-DSDV Destination-Sequenced Distance Vectoro 因特网中的距离矢量算法：n 每个节点维护一张路由表，网络中每个节点在此表中占有一个表项。n 每个表项包括：去往该目的节点的最佳输出线路（下一跳），估计到该目的节点的最短距离。n 每隔一段时间，每个节点向其所有邻居发送一个距离矢量，通报从本节点到其它各个节点的估算距离。n 每个节点利用从邻居节点收到的距离矢量来更新自己的路由表。要解决的问题o DSDV采用

9、经典的距离矢量路由算法，各节点在路由更新消息中广播到各目的节点的最新路由。o 需要解决以下问题：n 节点什么时候发送路由更新消息：周期性更新+触发式更新，异步更新。n 如何区分（同一个节点发布的）路由更新消息的新旧：使用消息序号，由发送节点产生。n 如何区分（不同节点发布的）路由的新旧：每条路由携带一个由目的节点产生和发布的序号，其它节点不能修改。（DSDV新增内容）DSDV选择路由的原则o 节点选择路由的原则：n 采用目的序号最新的路由，丢弃较早序号的路由。n 若目的序号相等，采用较小跳数的路由。o 路由发布：n 被采纳的路由跳数加1，目的序号不变，在下一次路由更新中发布给邻居节点。检测链路

10、中断o 当节点检测到与某个邻居节点的链路中断时，将以该邻居为下一跳的所有路由的跳数标记为，并为这些路由分配新的序号。o 为与目的节点产生的序号相区分，规定目的节点产生的序号为偶数，中间节点产生的序号为奇数。o 当节点收到一个跳数，随后又收到一个序号更高的、具有有限跳数的路由时，节点用“真实”的序号代替该路由，并触发一次路由更新广播。如何减少路由更新的开销？o 路由更新的频率和效率：n 快速更新有利于路由收敛；但当节点快速移动时，快速更新导致大量广播，降低无线信道的有用性。o DSDV定义了两种路由更新分组：n Full dump：携带完整的路由表n Incremental：只携带上一次full

11、 dump之后变化的路由信息，且可以装入一个报文中传输。o 协议假设节点能够根据路由变化的重要程度决定是否触发一次增量更新，根据增量更新的数据量决定是否进行一次full dump。MH1离开MH2之前，MH4的转发表 MH4发布的距离矢量 MH1离开MH2之前，MH4的转发表 MH4的新转发表 MH4发布的增量路由更新 环路与计数至无穷问题o 已有的距离矢量路由算法（如RIP）都没有解决好路由环路及计数至无穷的问题。o DSDV使用目的序号解决了该问题：n 节点总是使用最新最好的路由，避免路由环路的发生；n 使用奇数序号表示链路中断，避免计数至无穷的问题。环路与计数至无穷问题示例DSDV的缺点

12、o 消息开销大（O(n2)），限制了网络的规模。o 节点需维护大量当前不活跃的路由，浪费了不少资源（积极路由的共同缺点）。（2）按需路由协议AODV Ad-hoc On-demand Distance Vectoro AODV也是基于距离矢量的路由协议，但是仅当需要一条路由通信时，才由源节点启动路由发现过程。o 与DSDV相比，不在活跃路径上的节点不维护任何路由信息，也不参与任何周期性的路由表交换，因此可极大地减小路由消息的开销（按需路由的共同优点）。o AODV借鉴DSDV中目的节点序号的概念来维护最新的路由信息。AODV的基本思想o 当源节点希望向某个目的节点发送数据，但当前路由表中并无该

13、节点的路由信息时，启动路由发现过程。o 源节点向其邻居广播一个RREQ（路由请求）消息，进行路由探测。o 每个收到RREQ的节点向其邻居扩散该消息，直至消息到达一个知晓目的节点路由的节点（中间节点或目的节点）。o 该中间节点或目的节点向源节点发送一个RREP（路由响应）消息，RREP在返回源节点的过程中，在每个中间节点建立起到目的节点的路由。要解决的问题o 如何使RREP返回源节点：n 所有转发RREQ消息的节点记录到源节点的路径（反向路径）n 收到RREP消息后，沿反向路径发往源节点。o 如何区分路由的新旧：路由序号。o 如何区分消息的新旧：消息序号反向路径和正向路径的图示RREQ消息的组成

14、o RREQ消息包含6个域：n 二元组唯一标识一个RREQ消息。n 源序号：用于维护反向路径的新鲜性。n 目的序号：可被源节点接受的正向路径的新鲜程度。n 跳数：距离源节点的跳数。RREQ的处理和反向路径建立o 源节点发送一个RREQ消息。o 节点收到RREQ后，有三种可能：n 该RREQ已收到过：丢弃该消息。n 路由表中有到目的节点的路由，且该路由的目的序号不小于RREQ的目的序号：向收到RREQ的邻居发送一个RREP消息。n 其余情况：将RREQ的跳数加1，继续向邻居转发RREQ，并建立到源节点的反向路径（记录RREQ到来的前一跳邻居）。RREP的处理和正向路径建立o RREP消息包含。o

15、 节点收到RREP消息后：n 若为第一个RREP拷贝，建立到目的节点的正向路径（记录RREP到来的邻居节点、最新的目的序号、跳数加1），向源节点传播。n 若非第一个RREP，仅当目的序号大于之前的RREP，或目的序号相同但跳数更小时，才更新路由表项并传播新的RREP，否则丢弃RREP。路由表管理o 每个路由表项除包含常见的目的地址、下一跳、跳数等信息之外，还包括：n 目的序号：所有路由用目的序号进行标记。n 过期时间：若路由表项在该时间内未被使用，则过期。n 活跃邻居集合：在最近时间内向目的节点发送/转发过分组的邻居。路由重建o 如果在活跃的会话过程中源节点发生了移动，源节点发送RREQ重建路

16、由。o 若目的节点或中间节点发生了移动（路由中断）：n 断点上游的节点向所有活跃的上游邻居发送RREP消息，消息序号比之前知道的序号大1，跳数为。n 收到消息的节点向它的活跃邻居转发该消息，直至所有的活跃节点被通知。n 需要重建路由的节点发送目的序号比之前大1的RREQ消息，以确保建立的是一条新路由。（3）基于拓扑的路由算法的扩放性o 对路由算法扩放性影响最大的两个因素：n 网络拓扑的变化频率n 路由域中的节点数目o 直观上，拓扑改变产生的更新开销等于状态改变频率乘以节点数量。o 因此，基于拓扑的路由算法一般而言对于节点移动的适应性较差。（4）基于地理位置的路由o 假设：n 节点能够通过GPS

17、或其它方式知道自己的位置坐标n 源节点知道目的节点的位置坐标，并将其标记在数据包头中n 每个节点知道其所有一跳邻居的位置坐标贪婪转发o 基于位置的路由一般使用贪婪转发：n 与目的节点距离最近的邻居成为下一跳，数据包在物理距离上不断接近直至到达目的节点。o 贪婪转发的优点：n 只需知道一跳邻居的位置，从而节点需要维护的状态数（一跳邻居集合）很少。贪婪转发的图示o 与目的节点距离最近的邻居成为下一跳。局部最大问题o 转发节点比任何邻居节点都更靠近目的节点。边缘转发o 使用右手法则按（x-w-v-D-z-y-x）的顺序沿空洞行进，直至到达比x更靠近D的节点（包括D本身）。基于地理位置路由的特点o 进

18、行转发决策时，只需局部位置信息，不需要路由表o 不需要维护网络拓扑信息o 但需要解决节点的位置更新问题1.2 无线自组网的MAC协议o 无线自组网中MAC协议设计的难点：n 多跳网络中的隐藏终端和暴露终端问题：基于CSMA的MAC协议不再适用。n 节能要求：需考虑功率管理（节点休眠）或功率控制，复杂度高。隐藏终端与暴露终端MAC协议分类其它分类方法o 发送者启动/接收者启动o 单信道/多信道o 功率认知（Power aware）的MAC协议o 基于有向天线的MAC协议o 基于单向链路的MAC协议o QoS认知（QoS aware）的MAC协议常规MAC协议o 基于常规假设：n 单一共享信道n

19、全向天线n 对称链路n 发射功率已知且固定，不考虑节能措施n 不考虑QoSo 这一类协议主要基于MACA协议解决隐藏终端和暴露终端问题。（1）Multiple Access with Collision Avoidanceo A向B发送RTS消息，给出将要发送的数据的长度。o B返回CTS消息，给出将要发送的数据的长度。o A收到CTS后，立即发送数据。MACA（续）o 监听到RTS的节点推迟传输，直至A收到CTS。o 监听到CTS的节点推迟发送，直至B收到数据。o 收到RTS但没收到CTS的节点，在CTS之后可以开始传输。o 若A没有收到CTS，A将超时重发。隐藏终端与暴露终端的解决o 隐藏

20、终端：n C虽然听不到A的RTS，但能听到B的CTS，C推迟发送。o 暴露终端：n C能听到B的RTS，但听不到A的CTS，C可以发送。MACA小结o 与CSMA避免在发送端产生冲突不同，MACA避免在接收端产生冲突。o MACA使用RTS-CTS交换解决了一部分的隐藏终端和暴露终端问题。o 缺点：n 仍不能完全解决隐藏终端问题；n 不对数据传输提供确认；n 建立在对称链路假设的基础上，在有大量非对称链路（甚至单向链路）的多跳无线网络中不适用。（2）MACAW（MACA for Wireless）o MACAW使用RTS-CTS-DS-DATA-ACK传输序列 n A向B发送RTS消息n B收

21、到RTS后，发送CTS消息作为响应n A收到CTS后，发送DS（Data Sending）消息，监听到DS的节点推迟发送，直至ACK被发送端接收。n A发送DATA帧n B收到DATA帧后，发送ACK消息进行确认o 若A有多个数据帧，在每次成功传输之后必须等待一个随机时间，然后使用RTS/CTS机制重新竞争信道。RRTS（Request for RTS）o 在A、B通信过程中，D向C发送RTS，C由于推迟发送不能及时响应CTS，导致D进入回退状态，在A、B通信结束后不能及时捕获信道。o 节点C在当前传输结束后，使用RRTS要求D立即发送RTS。o 监听到RRTS的节点推迟两个时间片发送，以便有

22、时间检测RTS-CTS交互是否成功 D和C之间可能的交互序列o D向C发送RTSo 一段时间后，C向D发送RRTSo D发送RTSo C发送CTSo D发送DSo D发送DATAo C发送ACK未解决的问题o MACAW未解决暴露终端的问题：n 暴露在发送端传输范围中的节点，无法接收到其它节点向它发送的RTS，无法利用RRTS机制来提高这部分节点使用信道的公平性。MACAW小结o 使用RTS-CTS-DS-DATA-ACK五阶段交互o 与MACA相比，引入ACK确认机制提高了错误恢复的速度o 引入RRTS机制，提高了隐藏终端获取信道的公平性o 仍不能完全解决暴露终端的问题（3）802.11的M

23、AC协议o 802.11的MAC层有PCF和DCF两种操作模式：n PCF模式只能用于有基础设施的无线网络n DCF模式既可用于自组织网络也可用于有基站的无线网络，所有协议实现都必须支持DCF模式。o DCF模式采用CSMA/CA作为MAC层协议，每个节点在发送前都要监听信道，当信道空闲时有两种操作方法：n 使用RTS-CTS机制预约信道n 不使用RTS-CTS预约机制。使用RTS-CTS信道预约机制较长的帧可分片传输802.11的帧间距o 在SIFS到来时，只有以下节点允许发送：n收到RTS的节点可以发送一个CTS；n正确收到一个数据帧或分片的节点可以发送一个ACK；n收到ACK的节点可以继

24、续发送下一个数据分片。不使用RTS-CTS信道预约机制o 当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：1）若一开始就侦听到信道空闲，在等待了DIFS之后发送。2）若信道忙，选取一个随机回退值，在侦听到信道空闲时 开始递减该值；在此过程中若侦听到信道忙，停止递 减并保持计数值不变。3）当计数值减为0时（仅可能发生在侦听到信道为空闲 时），节点发送整个帧并等待确认。4）收到确认帧后，若还要发送下一个帧，进入第2步；若 未收到确认，进入第2步中的回退阶段，并从一个更大 的范围内选取随机值。CSMA/CA与CSMA/CD的比较o 使用的传输介质不同：n CSMA/CD应用于有线介质，节点在发送的同时可以监听

25、信道。n CSMA/CA应用于无线介质，节点在发送的时候无法监听信道。o 隐藏终端与暴露终端问题：n CSMA/CD应用于单跳共享网络，所有通信过程及冲突可以检测到，没有隐藏终端和暴露终端问题。n CSMA/CA应用于多跳共享网络，有些通信过程检测不到，存在隐藏终端与暴露终端问题。未解决的问题o 802.11的MAC协议不适合多跳自组网，因为它假设节点的时钟是同步的（帧间距机制需要时钟同步）。（4）PCM（Power Control MAC）o D用功率PD-max发送RTS给E，RTS中包含PD-max。o E测量信号强度Pr，计算D的最小发送功率PD-suff，使用功率 PE-max发送C

26、TS发送给D，CTS中包含PE-max和PD-suff。o D用相同的方法计算E的最小发送功率PE-suff，用功率PD-suff发送数据包，将PE-suff值携带在数据包中。o E使用功率PE-suff发送ACK包。PCM的问题o PCM方案需要对接收信号强度有相当精确的估计，因此由信道衰减、遮蔽等因素引起的无线信号传播的动态性会影响性能。o 在不同发送功率之间频繁切换，在实现上是很困难的。（5）有待进一步研究的问题o 隐藏终端和暴露终端问题：大多数解决隐藏终端问题的MAC协议都没有有效处理暴露终端。引入ACK帧抑制了暴露终端的传输，但是如果没有ACK，发送端就无法知道传输是否成功。o 干扰

27、受限模型：节点的冲突模型（圆形阶跃冲突模型）过于简单，与实际情况不符。o 功率认知：目前提出的节能MAC协议均有缺点（或者要求时钟同步，或者要求精确的功率测量和调整）。o 多跳网络：不少MAC协议不适合多跳网络。o 使用有向天线：如何效利用智能天线。1.3 无线自组网跨层设计o 分层设计是计算机网络的一个重要设计原则，但应用到无线网络上的性能和效率却很低。o 研究表明：n 没有哪个MAC协议或路由协议是绝对最优的。n 在不同的移动模型下，没有哪个MAC/路由协议的组合优于其它的组合。o 因此，孤立地讨论某个MAC协议或路由协议的优缺点毫无意义。路由协议与MAC协议的相互影响分层设计和跨层设计o

28、 分层设计：n 将网络任务划分到不同的层上，高层协议只使用低层的服务，不关心服务实现的细节，也不需要任何在参考架构中未出现的接口。o 跨层设计：n 允许位于不同层上的协议相互合作，在保持分层的前提下共享网络状态信息，从而达到优化整个系统性能的目的。（1）为什么在无线网络中提出跨层设计？o 无线链路产生的特殊问题：n 时变信道：由于节点移动、信道衰落、干扰等引起无线信道（质量、传输速率）随时间和空间而变化。n 多用户差异：由于所处位置、运动速度等的不同，不同用户的信道条件差异很大。o 无线网络为机会通信提供了可能：n比如，高层传输参数可以根据信道质量的变化动态调整。o 无线介质提供了新的通信模式

29、：n比如，节点可以利用物理介质的广播特性与其它节点协同。利用物理层信息跨层设计的例子o CDMA 2000：基站根据用户信道的状态进行智能调度，选择信道条件好的用户发送。o MAD（Medium Access Diversity）：一种速率自适应方案，通过信道探测了解各个接收端的信道条件，进行智能的接收端调度，以最大化链路利用率，并维护节点之间的公平性。传统的MAC协议设计问题o 传统MAC协议假设物理层满足经典冲突模型：n 当只有一个节点发送时，分组无错误地到达接收节点。n 当有多个传输同时进行时，分组由于冲突而丢失。o 传统MAC协议的设计问题：n 采用冲突避免或冲突解决技术，使得冲突域中

30、只有一个节点能够发送。o 到目前为止，随机访问理论都建立在经典冲突模型基础上。经典冲突模型的问题o 随着物理层多用户通信技术的发展，经典冲突模型缺失了物理层的一些最重要的特性：n 忽略了像信道衰落、接收端噪声等因素。n 没有考虑在多个传输同时进行时解码器可能正确解码分组的可能性。o 在目前的多址信道（如CDMA）中，所有用户同时发送，由解码器负责分离各个用户的传输。多分组接收（MPR）模型o 多分组接收模型描述了多用户物理层特性：当k个传输同时进行时，有j个传输能够成功。o 由MPR矩阵描述的MPR模型，Cij表示当有i个用户同时传输时，其中j个传输成功的概率：o 当有k个用户同时传输时，成功

31、接收的数据包的平均数量是：基于MPR模型的MAC协议o MPR信道上的MAC协议，每次可以调度一组节点发送。o service room协议：根据接收历史计算网络状态的后验概率，允许一组用户访问信道。o 将MPR模型应用于随机访问是当前的一个研究领域，还存在着许多开放的理论问题和实际问题。o MPR的局限性：使用了对称模型，假设所有节点都是一样的，没有考虑多用户差异。（2）跨层设计方案o 7将各种跨层设计方案按照层间耦合的方式分为四类：n 创建新的接口：用于运行时层间信息共享。n 相邻层合并：将几个层一起设计，模糊层的边界。n 无新接口的设计耦合：设计时耦合两层或多层，但不创建新的接口用于信息

32、共享。n 跨层垂直调校：联合调谐多个层次的参数。不同类型的跨层设计（3）跨层设计的实现o 层间直接通信：一层上的变量对另一层可见，如使用协议头或内部数据包来传递信息。o 跨层共享数据库：共享数据库向所有层提供信息存储和获取服务，尤其适合跨层垂直调校。o 新的抽象：比如用堆而不是用栈来组织协议。这种协议组织方法允许协议之间更丰富的交互，能提供较大的灵活性，但要求全新的系统级实现。跨层设计的实现类型（4）开放的问题o 对不同跨层设计方案的量化比较研究，从一般性观点推进到特定的整体解决方案。o 不同跨层设计方案的共存。o 什么时候调用一个特定的跨层设计？o 接口的标准化。o 物理层应当发挥多大的作用

33、？参考文献1 Charles E.Perkins,Pravin Bhagwat.Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing(DSDV)for Mobile Computer.In Proc.of ACM SIGCOMM,Sept.,1994.2 Charles E.Perkins,Elizabeth M.Royer.Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing.IETF RFC 3651,July 2003.3 Brad Karp,H.T.Kung.GPSR:Greedy Peri

34、meter Stateless Routing for Wireless Networks.In Proc.of MobiCom 2000.4 Jinyang Li,et al.A Scalable Location Service for Geographic Ad Hoc Routing.?5 Sunil Kumar,Vineet S.Raghavan,Jing Deng.Medium Access Control protocols for ad hoc wireless networks:A survey.http:/.6 Chris Barrett,et.al.Characteriz

35、ing the Interaction Between Routing and MAC Protocols in Ah-hoc Networks.In Proc.of MobiHoc02,June 9-11,2007.7 Vineet Srivastava,et.al.Cross-Layer Design:A Survey and the Road Ahead.IEEE Communications Magazine,December 2005.2 无线网状网（WMN）o 无线网状网在自组网基础上发展起来，希望结合移动通信网（覆盖范围广）和自组网（组网灵活）的优点。o 无线网状网利用无线mes

36、h路由器建立大范围无线骨干，为各种有线与无线用户提供接入服务。o WMN可能的应用包括无线宽带服务、社区网络、实时监视系统、高速城域网等。2.1 无线网状网的组成o Mesh路由器：n 具备mesh组网能力：相互之间通过无线链路形成多跳网状网络，构成mesh骨干。n 具备作为网关/网桥的路由能力：允许其它网络接入。o Mesh客户：n 可直接接入mesh路由器，mesh客户之间也可通过无线链路形成多跳网状网络。n 硬件平台和软件比mesh路由器简单得多。架构式/骨干式WMNo mesh路由器构成mesh网络的主干 对等式WMNo 所有mesh客户通过无线链路形成对等网络，没有网关节点。混合式W

37、MNo 架构式WMN和对等式WMN的结合 一个架构式mesh网络的实例o 中继节点：n 中继接口：构造mesh主干n 接入接口：允许mesh客户接入o 网关节点：n 中继接口：构造mesh主干n 因特网接口：接入因特网MeshClusterAODV-Spanning Tree路由协议o AODV-ST是一种混合路由协议：n 采用积极路由维护中继节点到每个网关节点的最佳路由生成树。n 采用按需路由建立中继节点之间的路由。n 中继节点选择可获得最佳性能的网关作为缺省网关。2.2 研究现状与挑战o 与常规自组网相比，WMN有以下特性：n 无线骨干是固定的（拓扑变化小），有持久的电源供应（不用考虑节能

38、），专门执行路由功能。n 可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络，支持多种类型网络接入。n 采用了多种先进的无线技术（多信道、多电台、有向天线等）。WMN的设计要求o 与常规自组网相比，WMN有以下设计要求：n 可扩放性：网络规模增大时仍然保持较高的性能。n 网状连接：WMN的许多优点来自于网状连接。n 宽带和QoS：必须考虑延迟抖动、集合吞吐量、每节点吞吐量、丢包率等更多性能参数。n 安全性更高n 互操作性：mesh路由器应能集成异构无线网络。主要研究问题o 网络容量的理论研究o 通信协议栈的重新设计及跨层设计o 网络部署与管理o 安全（1）网络容量的理论研究o 3研究了无线自组网容量的

39、理论上界和下界，据此给出了提高自组网容量的指导性方针，即每个节点只和邻近节点通信。o 该分析方法的缺点：n 采用的模型较为简单，没有考虑网络协议的影响。n 网络容量的理论边界是基于渐近分析得到的，不能反映出给定规模网络的确切容量。o 分析结果能否应用于WMN还有待研究。（2）通信协议栈的重新设计o 物理层n 开发先进的无线技术，如支持多传输速率的编码与调制技术、可提高信道容量和可靠性的多天线系统、可获得更高频谱利用率的认知无线电等。通信协议栈的重新设计（续）o MAC层n 开发多信道MAC协议，如多信道单收发器MAC、多电台MAC等。n 设计出能够利用物理层特性的MAC协议。n 开发先进的桥接

40、功能，以使不同的无线电台（如IEEE 802.11、802.16、802.15等）可以无缝地一起工作。通信协议栈的重新设计（续）o 网络层n 设计适合mesh架构（节点较少移动、没有能量限制、可扩放、健壮）的有效路由。n 支持多种性能测度。n 多信道路由、多电台路由、多路径路由等。通信协议栈的重新设计（续）o 传输层n 设计适合实时流和非实时流的传输协议。n 非实时流：适合无线链路（非拥塞性丢包、网络不对称、RTT波动大）的TCP协议，自适应TCP。n 实时流：适合WMN的速率控制协议，与UDP一起使用。跨层设计o MAC、路由和传输层协议需要与物理层一起互动地工作。o 具体的跨层设计方法有待

41、研究。（3）网络管理o 移动管理：支持mesh客户在不同mesh路由器之间的切换、连接迁移等。o 位置管理：利用位置信息提高MAC和路由协议的性能，开发基于位置的应用。o 功率管理：mesh路由器利用功率管理控制连通性、干扰、频谱空间重用和网络拓扑；mesh客户通过功率管理节能。o 网络监视：收集网络拓扑信息、性能数据、检测网络异常等。（4）安全o WMN很容易遭受来自各个协议层上的攻击，至今尚无有效和可扩放的安全解决方案。o 需要研究分布式的鉴别、授权和安全的密钥管理方法。o 设计和实现一个实用的安全系统，包括跨层安全网络协议和各种入侵检测算法。（5）存在问题o 基于现有的MAC、路由和传输

42、协议，WMN的性能对节点数量和跳数没有扩放性。o 尚没有能够预防或对付所有层上攻击的综合机制。o 目前的WMN只能部分实现自组织和自配置。o 由于在同一个mesh路由器中建立多个无线接口和相应网关/桥接功能的困难，WMN集成异构无线网络的能力还非常有限。2.3 WMN中的路由测度研究4 o 路由测度（routing metric）是用来衡量路由好坏的一个指标。o 路由算法使用路由测度在所有可能的路由中确定一条最佳路由。o 路由测度的设计要根据目标网络的特性决定：n 因特网：一般采用跳数作为路由测度n 传感器网络：能耗是一个重要的考虑因素n 移动自组网：连接的持续时间很重要WMN的路由测度设计o

43、 WMN路由测度的设计要考虑以下两方面的因素：n 所使用的路由协议：哪一类路由协议适合WMN，路由测度的设计应与路由协议相符合。n Mesh网络的特性：静止节点+共享无线信道+骨干接入。有效的路由测度应考虑通信干扰的影响，以及高吞吐量、低延迟等目标。（1）什么样的路由协议适合WMN？o 按需路由：n 最早为移动自组网设计，路由发现通常采用洪泛方法，适用于链路经常中断（如节点移动）的网络。n Mesh网络的节点静止，链路中断概率低，基于洪泛的路由发现不必要，且控制消息开销大。因此，按需路由一般来说不适合mesh网络。什么样的路由协议适合WMN？o 积极路由-源路由：n 源节点为一个数据流计算路由

44、，将整条路径放在包头中。n mesh网络的包长通常很小，将整条路径放在包头中的消息开销很大。因此，一般来说源路由也不适合mesh网络。什么样的路由协议适合Mesh网络？o 积极路由-逐跳路由：n 每个节点只维护到所有目的节点的下一跳，数据包中只携带目的地址，中间节点只根据目的地址转发数据包。n 由于转发方案简单、包头开销小，在网络路由中占据了主导地位，同样也适合mesh网络。n 逐跳路由的关键是要仔细设计路由测度以避免出现路由环路。（2）路由测度应满足的要求o 路由测度不能引起频繁的路由改变，以确保网络的稳定性。o 路由测度必须反映网络的特性，以确保最小权重路径性能良好。o 路由测度必须保证最

45、小权重路径可以被多项式复杂度的算法找到。o 路由测度必须保证不会形成转发环路。路由权重的稳定性o 路由权重的稳定性对于网络性能的影响：n 频繁的权重变化会产生大量的路由更新消息，在频繁的路由更新下路由协议可能无法收敛。o 路由权重的稳定性与路由测度所反映的路由特性有关，分为：n 负载敏感型测度：根据路由上的负载为路由分配权重，如拥塞节点的个数。n 拓扑依赖型测度：根据路由的拓扑特性为路由指定一个权重，如跳数、链路容量等。不同路由测度所适合的路由协议o 负载敏感型测度：n 在流量变化较大的网络中与积极路由一起使用，会导致网络不稳定。n 只适用于按需路由。o 拓扑依赖型测度：n 既可用于按需路由，

46、也可用于积极路由。n 拓扑变化较小的Mesh网络，较适合采用拓扑依赖型测度。WMN路由测度应反映的路径特性o 路径长度（跳数）：较多的跳数会增大端到端延迟和降低流的吞吐量，路径权重应随路径长度而增大。o 链路容量：无线链路容量随节点间距离的增大而下降，应权衡路径长度和链路容量的关系。o 链路的丢包率：重传会影响链路上流的吞吐量和延迟，路由测度应反映链路的丢包率。o 干扰：路由测度应同时反映流内干扰和流间干扰：n 流间干扰：相邻数据流之间的干扰；n 流内干扰：同一个数据流中相邻节点间的干扰。流间干扰和流内干扰流间干扰流内干扰计算最小权重路径的有效算法o 研究表明，存在多项式复杂度的最小权重路由计

47、算算法的充分必要条件是路由测度具有保序性。o 保序性（isotonicity）：n 在两条路径上添加相同的一段路径后，这两条路径的权重大小顺序不变。o Bellman-Ford算法或Dijkstra算法计算最小权重路径的充分必要条件为路由测度具有保序性。无环路由o 研究表明，如果在逐跳路由中使用Dijkstra算法（如链路状态路由算法），保序性是实现无环转发的充分必要条件。o 换句话说，非保序的路由测度只能使用按需路由、源路由或距离矢量路由（这些路由协议不要求保序性来确保无环路由）。o 在mesh网络中应当使用保序的路由测度。（3）Mesh网络中使用的路由测度o Mesh网络中的路由测度应当是

48、保序、拓扑依赖和能够反映mesh网络特性（路径长度、链路容量、包丢失率、干扰）的。o 针对WMN已提出了以下一些路由测度：n 跳数n Expected Transmission Count（ETX）n Expected Transmission Time（ETT）n Weighted Cumulative ETT（WCETT）n Metric of Interference and Channel-switching（MIC）跳数o 跳数反映了路径长度对流性能的影响。o 跳数测度是保序的，存在有效的算法能够找到最小跳数的无环路径。o 缺点：n 没有考虑不同无线链路上传输速率和丢包率的差异以及网

49、络中的干扰，在WMN中不能获得良好的性能。平均传输次数（ETX）o ETX定义为在无线链路上成功传输一个数据包所需要的MAC层传输次数的期望值。o 路径的权重定义为该路径上所有链路的ETX总和。o 由于长路径和易损路径具有较大的权重，因此ETX测度反映了路径长度和包丢失率的影响。o ETX是保序的。o 缺点：没有考虑干扰以及链路速率的影响。平均传输时间（ETT）o ETT定义为在无线链路上成功传输一个数据包所需的MAC层传输时间的期望值。o ETX和ETT的关系如下（s为包长，b为链路传输速率）：ETT=ETX*s/bo 路径的权重定义为该路径上所有链路的ETT总和。o ETT反映了路径长度、

50、包丢失率和链路容量的影响。o ETT是保序的。o 缺点：ETT没有反映网络中的干扰。加权累积ETT（WCETT）o 路径 p 的WCETT定义如下（Xj 是路径 p 中信道 j 被使用的次数，maxXj为路径上同一个信道被使用的最大次数）：o WCETT测度在ETT的基础上考虑了流内干扰。o 缺点：n 没有显式考虑流间干扰；WCETT不保序，不存在计算最小权重路径的有效算法。WCETT测度非保序的例子干扰和信道切换测度（MIC）o 路径 p 的MIC定义如下：o IRU是链路l上的传输所消耗的邻居节点信道时间的总和，反映了流间干扰，CSC反映了流内干扰。o MIC不保序，但可以转换成在虚拟网络