第6章 移动自组织网络
移动自组织网络关键技术和进展.ppt
无线通信网络与嵌入式系统
无线网络是嵌入式系统最大的应用领域 之一
无线网络推动了嵌入式技术的进步与发 展
嵌入式系统在无线网络中的应用包括无 线终端设备、无线接入设备、无线基础 设施等等
无线技术的发展：蜂窝通信网
1G: 模拟话音业务，电路交换 2G: 数字化音业务，数字的电路交换 2.5G: 增强的数字分组交换业务 3G: 无线Internet业务，交互视频，CD
802.11/11a/11b/11g规范
介质访问控制层(MAC)
无线介质访问，网络连接，数据验证和保密
物理层(PHY)
物理层提供管理，与MAC原语通讯，物理层实体的发送 和接收
802.11a/b/g的简单比较
世界的Internet人口(2000年末)
国名
Internet人口 （百万人）
移动自组织网络的特点
多跳（multi-hop）, 无基础设施（infrastructure-less）, 自组织（self-organized）,
每个移动节点在需要通信时可以自发发起一个网络或 者参加已经存在的网络，也可以自由退出一个网络， 节点移动（node mobility）， 网络中的移动结点都是平等的，互相作为其邻居结点 的路由器， 动态拓扑（dynamic topology）。
比例（%）
美国
135.7
36.2
日本
26.9
7.18
德国
19.1
5.10
英国
17.9
4.77
中国
15.8
4.20
全世界合计约3亿7490万人。（美国eTForecasts公司。）
未来的Internet
由以下部分组成： 有线的全光纤的骨干网， 移动蜂窝数字网络， 结构化的无线局域网， 无框架的移动自组织网络。
自组织网络
自组织网络自组织网络是一种相对较新的概念，它是指一种由许多节点相互连接而形成的网络结构。
这些节点可以是计算机、传感器、移动设备或其他类型的物理实体。
与传统的集中式网络相比，自组织网络具有更大的灵活性和鲁棒性。
在自组织网络中，每个节点都可以自主地进行决策和协作，而不需要中央调度。
在这篇文章中，我们将探讨自组织网络的概念、特点和应用。
自组织网络的基本理念是实现去中心化的网络结构。
它的发展受到了生物学上自组织现象的启发，比如蚁群和鸟群的行为。
在这些生物群体中，每个个体都遵循一定的规则，并与周围的个体进行相互作用，从而形成一种整体的智能。
自组织网络的目标就是将这种思想应用到计算机网络中，实现分布式的智能系统。
自组织网络中的节点可以自主地进行决策和协作。
每个节点都可以根据自身的状态和所接收到的信息来选择合适的行为。
这种自主性使得自组织网络具有较强的鲁棒性，即使其中的某些节点失效或离线，整个网络仍能够正常运行。
此外，自组织网络还具有较好的可扩展性，可以方便地增加或减少节点数量。
自组织网络的应用领域非常广泛。
一方面，它可以用于无线传感器网络，实现传感器节点之间的自主协作。
传感器节点可以根据环境中的数据调整自身的运行状态，从而高效地收集和处理信息。
另一方面，自组织网络还可以用于智能交通系统。
车辆和红绿灯可以通过自组织网络进行实时通信，优化交通流量和减少交通堵塞。
自组织网络还可以应用于军事领域。
军事作战中，通信是非常重要的一环。
传统的中心化通信系统往往比较容易被敌方干扰或破坏。
而自组织网络则可以通过节点之间的相互通信，实现去中心化的战场通信。
这样一来，即使部分节点被毁坏或被敌方干扰，其他节点仍然可以保持通信连接，确保战场指挥的正常进行。
虽然自组织网络具有很多优点，但也存在一些挑战和限制。
首先，自组织网络的节点通信是基于无线传输的，受到信号衰减和干扰的影响较大。
这会导致通信质量下降，影响整个网络的性能。
其次，自组织网络的安全性问题也需要引起重视。
移动自组织网络多网融合关键技术的研究的开题报告
移动自组织网络多网融合关键技术的研究的开题报告一、选题背景随着移动设备的普及和移动互联网的发展，人们对于网络连接的需求也越来越高。
然而，在一些边远地区、灾难区域以及临时搭建场所，传统的基础设施网络覆盖不到，或者因为设备被毁坏而无法使用。
这时，移动自组织网络(Manet)就能够发挥作用。
Manet是一种由移动设备组成的自主网络，可以在没有中心节点和固定基础设施的情况下进行通信和数据交换。
Manet有许多优点，如灵活性强、快速部署、维护成本低等。
然而，由于Manet 存在诸多挑战，例如带宽有限、拓扑结构动态变化、较高的丢包率等，所以使得Manet的应用范围受到限制。
为了克服Manet的缺陷，多网融合技术应运而生。
多网融合技术主要是将Manet 与其他类型的网络，例如固定网络或者卫星网络等进行整合，以扩大网络覆盖范围、提高通信质量以及保证网络的稳定性。
因此，移动自组织网络多网融合关键技术的研究具有重要的理论和实践意义。
二、研究内容移动自组织网络多网融合关键技术的研究包括以下内容：1. 多网融合体系结构的设计：通过对不同网络间的连接方式调研和比较，设计出适用于不同应用场景的多网融合体系结构，并建立相应的模型描述。
2. 路由算法优化：为了提高路由效率、降低时延以及保证网络安全性，研究并优化路由算法，包括负载均衡、网络拓扑结构的动态变化、路由表的动态更新等。
3. 链路属性分析：通过分析不同网络的链路特性，比如带宽、可靠性等，建立多网融合的链路评估模型，评估网络的性能优劣和适用场景。
4. 虚拟网络技术应用：使用虚拟网络的技术，便于实现不同类型网络的整合和资源共享，优化网络资源使用效率和提高系统的可扩展性。
5. 业务流量管理：针对多网混合网络的业务特点，研究并实现业务流量的自适应管理，保障各业务数据传输的优先级和QoS质量。
三、研究意义随着移动设备和智能终端的不断普及，未来移动网络通信将更加依赖于Manet等自组织网络。
移动自组织网络
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移动自组织网络
Major Issues (Cont’d.)
n MAC protocols*
n Contention vs. contention-free
n Applications and middleware
n Measurement and experimentation
n Security*
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移动自组织网络
Ad Hoc Wireless Networks
(Infrastructureless networks)
n Manet (mobile ad hoc networks)
n Mobile distributed multihop wireless networks
n Temporary in nature n No base station and rapidly deployable n Neighborhood awareness n Multiple-hop communication n Unit disk graph: host connection based
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移动自组织网络
Wireless MAC: Major Issues
Distributed operations
Synchronization Hidden terminals
Real-time traffic Resource reservation Ability to measure
n Receiver-initiated
• MACA-BI (By Invitation)
n Other extensions
• March and PAMAS
第6章 无线自组织网络要点
●物理层，根据实际应用需要设计MANET物理层 ●数据链路层，分为MAC子层和LLC子层 ●网络层，主要进行邻居发现、分组路由、拥塞 控制、网络互联等 ●传输层，为应用层提供可靠的端到端服务 ●应用层，提供面向用户的各种应用服务
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MANET的路由协议
MANET的路由协议通常分为两大类：表驱动路 由协议、按需路由协议 ☆表驱动路由协议又称先验式，每个节点维护一 张包含到达其它节点路由信息的路由表，代表性 的有：WRP、DSDV、FSR、OLSR等 ☆按需路由协议也称反应式，需发送数据时才查 找路由，代表性的有：AODV、TORA、DSRP、 SSR等
☆节点作为主机，可运行相关应用程序，以获取
或处理数据；
☆节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行
路由发现、路由维护等常见操作，对收到的并非 发给自身的分组予以转发。
6
A
B
C
一个简单的MANET网络
7
MANET的特点
☆拓扑结构动态变化 无固定通信设施，网络节点随机移动 ☆资源有限 节点的能量和网络带宽有限 ☆多跳通信 实现不同覆盖网络间的源与目标主机间的通信 ☆安全性较低 无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击的威胁
4
移动Ad Hoc网络的定义 ☆Ad Hoc网络是由若干个无线终端构成一个临时
性的、无中心的网络，网络中亦不需要任何基础 设施。
☆移动Ad Hoc网络(又称移动多跳网或移动对等
网)是一种特殊的在不借助任何中间网络设备的情 况下，可在有限范围内实现多个移动终端临时互 联互通的网络。
5
移动Ad Hoc网络中，每个节点既可作为主机，也 可作为中间路由设备。
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DSDV路由协议
移动自组织通信网络技术概况及未来前景
移动自组织通信网络技术概况及未来前景石晶林摘要 本文对移动自组织网络技术的概念、特征和应用进行了介绍，重点分析了目前无线移动自组织网络的关键技术研究热点，与现有通信网的融合及其技术的实现等，同时对自组织网络的前景进行了简单预测。
关键词：自组织网络，路由方法，安全，前景1 引言移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network: MANET)出现之初指的是一种小型无线局域网。
这种小型局域网的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信。
而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时，网内其它节点可以帮助中继信号，以实现网络内各节点的相互通信。
由于无线节点是在随时移动着的，因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的。
它们之间的通信模式也就无法直接照搬目前有基础设施的通信网的通信模式，至少在寻址模式上是如此。
具体说来，无基础设施需求的MANET有着下面一些主要特征：分布式自组管理与控制；物理通信链路是带宽受约束的无线链路；物理拓扑动态变化；功耗是重要的约束条件（由于无线移动）；物理安全性有限（无线信道的开放性造成）。
2001年以前，Ad Hoc还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念。
但3年后的现在，自组织网络Ad Hoc已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术 — 因为MANET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起，从而实现世界通信网络的大统一。
为什么就在短短的两三年内 Ad Hoc会流行起来呢，下面两点是主要原因：技术进步使其具有了可实现性:0各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流；0无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大提高，并使其成了一种日用消费品；0人们想实现的无处不在、无时不在的通信梦想驱动着对它的研究；市场需求是其发展的巨大动力:0民用市场中的移动计算需求、网格、可穿戴计算、灾难救助等需要自组织网络技术；0军事战争的需要，自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用。
5G技术的自组织网络
5G技术的自组织网络随着科技的不断发展，5G技术作为新一代移动通信技术，已经逐渐成为人们关注的热点话题。
在5G技术中，自组织网络无疑是一个重要的组成部分。
自组织网络是一种网络结构，它不需要人为干预就可以实现网络的配置、优化和管理。
本文将探讨5G技术中的自组织网络，分析其特点和应用前景。
一、自组织网络的概念自组织网络，顾名思义，即网络中的各个节点能够自行组织、协调和管理。
在传统的网络中，网络配置、优化和管理都需要人工干预，效率较低且容易出现问题。
而在自组织网络中，网络中的各个节点可以根据环境变化和网络负载情况，自动调整网络配置，实现优化和管理，提高网络的性能和稳定性。
二、5G技术中的自组织网络在5G技术中，自组织网络被视为提高网络性能和服务质量的重要手段。
由于5G网络的特点是高密度、大容量和低时延，传统的网络管理方法已经无法满足对网络的要求，因此需要引入自组织网络技术。
5G技术中的自组织网络可以实现网络的动态优化和自适应调整，保证网络在不同环境下都能够提供稳定可靠的服务。
三、自组织网络的特点自组织网络具有以下几个主要特点：1. 自动配置：自组织网络可以根据网络中的设备和资源情况，自动进行网络配置，不需要人为干预，减少了运维成本和管理复杂性。
2. 优化调整：自组织网络可以根据网络负载和服务需求，自动进行网络优化和调整，提高网络性能和服务质量。
3. 动态管理：自组织网络可以实现动态管理和控制，适应不同环境下的网络需求，保证网络的稳定性和可靠性。
四、自组织网络的应用前景自组织网络在5G技术中具有广阔的应用前景，主要体现在以下几个方面：1. 智能城市：自组织网络可以实现城市中各种设备和传感器之间的智能联接和通信，实现智能交通、智能环保等功能。
2. 工业互联网：自组织网络可以实现工厂中各种设备和机器之间的智能通信和协作，提高工厂生产效率和质量。
3. 医疗健康：自组织网络可以实现医疗设备和医疗服务之间的智能连接，提升医疗服务的水平和效率。
移动自组织网络
路由表管理
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：
目的序号：所有路由用目的序号进行标记； 过期时间：该路由表项未被使用的时间； 活跃邻居集合：在最近一段时间内向目的节点发送/转
发过分组的邻居；
正向及反向路径的超时时间：在该时间之后路由失效。
每条反向路径有一个路由请求过期定时器，用于清除 不在RREP传输路径上的节点保存的反向路径。
1.3 基于地理位置的路由源自假设： 节点能够通过GPS或其它方式知道自己的位置坐标； 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； 每个节点知道其所有一跳邻居的位置； 物理上最靠近目的节点的邻居为下一跳。
基于地理位置的路由决策：
优点：
只需要局部位置信息而不管整个网络规模，扩放性好； 不需要网络的拓扑信息，从而允许近乎无状态的转发。
有基础设施的网络
无线自组织网络
自组织网络的组成
自组织网络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。
多跳：节点发射功率有限，远距离通信需要依靠 其它节点的中继，从而每个节点既是终端又是路 由器； 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。 临时性：专为某个特殊目的而建立，一般只是临 时性的。
1.3.1 转发策略（GPRS）
Greedy Perimeter Stateless Routing 是一个典型的基于地理位置的路由算法， 包括两种转发策略：
贪婪转发：只要有可能，总是使用这种转发策 略；
边缘转发：贪婪转发不可用时，使用边缘转发。
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S. Corson, J. Macher, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, RFC 2501, January 1999 C. Perkins, E. Belding-Royer, et al., Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, RFC 3561, July 2003 David B. Johnson, et al., The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004 I. Chakeres, C. Perkins, Dynamic MANET On-demand (DYMO) Routing, draft-ietf-manet-dymo-06.txt, October 2006 T. Clausen, et al., Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), RFC 3626, October 2003 R. Ogier, et al., Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), RFC 3684, February 2004 S. Basagni et al, Mobile Ad Hoc Networking, IEEE Press (John Wiley & Sons), 2004
分布式控制结构：
平面结构的ad hoc
适应于中小规模的ad hoc网络
分级结构的ad hoc网络
网络划分为一到多个簇，每个簇由一个簇头 和多个簇成员构成； 簇头形成高一级的网络，又可以在分簇，再 组成更高一级的网络； 簇头可以指定，也可以由算法产生；
分级结构的ad hoc
蜂窝移动通信网络
移动终端和固定基 站互相通信 移动终端不具备路 由功能 基站负责路由和交 换功能€ 基站充当接 入有线网络的网关
WLAN
WLAN
移动节点配备无线网网卡 移动节点通过接入点与固定网络连接 WLAN工作在链路层，对网络层透明
对网络层来说WLAN是一个单跳网络
移动互联网的需求
分级结构的缺点：
移动Ad Hoc网络的网络层
1 Ad Hoc路由协议分类 根据网络节点获取路由信息的方法来对移动Ad Hoc网络的路由算法进行分类
表格驱动类路由协议(又称主动式路由协议) 源节点初始化按需驱动类路由协议(又称反应式路由协 议)
根据网络节点使用的、用于计算优先路由的信 息类型来对路由算法进行分类
第六章 移动自组织网络
6.1 MANET概述 6.2 MANET协议设计 6.3 MANET路由 6.4 MANET功率控制
参考资料
IETF Mobile Ad-hoc Networks (MANET) Working Group
/html.charters/manet-charter.html
6.1 移动自组织网络（Mobile Ad hoc NETwork, MANET）概述
移动Ad Hoc网络由一组无线移动节点组成，是 一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、 能够迅速展开使用的网络体系，所需人工干预 最少，是没有任何中心实体、自组织、自愈的 网络。 各个网络节点相互协作、通过无线链路进行通 信、交换信息，实现信息和服务的共享。 网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和 离开网络，而常常不需要事先示警或通知，而 且不会破坏网络中其他节点的通信。
移动Ad hoc网络
移动Ad hoc网络/多跳无线网络 由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组 成
Wi-Fi Direct标准是指允许无线网络中的设备无需通过无线路由器即可相 互连接。与蓝牙技术类似，这种标准允许无线设备以点对点形式互连，而且 在传输速度与传输距离方面则比蓝牙有大幅提升
。
网络中每个终端可以自由移动、地位相等 是一个多跳、临时、无中心网络 不需要现有信息基础网络设施的支持 可以在任何时候、任何地点快速构建 ad hoc:for the specific purpose only
MANET特点
具备移动通信网络和计算机网络的特点 网络拓扑动态变化 无中心网络的自组性 多跳组网方式 有限的无线传输带宽(根据网络的不同) 移动终端的自主性 安全性差 网络的可扩展性不强 存在单向的无线信道 生存时间短
MANET与传统蜂窝网络
与常规移动通信网络比较
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
MANET与固定网络
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 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
1
2
3
路由维护：
当一条链接断开时，一条RERR消息被用来 通知其他节点发生了连接断裂，RERR消息 指出了不能再到达的目的节点。 于是源节点就重新发起路由查找的过程。
优点：
思路简单易行； 链路失效能够被立即报告，路由可重新建立； 节点只存储需要的路由，减少了内存的需求 和不必要的复制 路由表中仅维护一条到指定的目的节点的路 由，并且采用了超时删除路由的机制，因此 即使路由未失效，在超过时限后也将被删除。
GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)协议
网络节点都知道自身地理位置并被统一 编址，产生数据的节点在数据包中写入 目的地的地理位置。 任何收到数据的节点向以直线距离计算 最靠近目的节点的邻节点转发数据。
混合类协议
1.混合时分多址访问协议(HTDMA) 2.TDMA和CSMA的混合协议 3.ADAPT协议 4.ABROAD协议 5.AGENT协议 6.Meta-协议
Ad Hoc的网络结构
集中式控制结构：
普通节点设备简单，中心控制节点设备复杂， 有较强的处理能力，负责路由和实施流量控 制。
平面结构 分级结构
2003年， “无所不在的跳蚤市场”的应用
在“无所不在的跳蚤市场”中，每个用户既是买方又是卖方， 他们将自己需要购买或者想要抛售的商品信息注册到MANET 便携设备的相应存储区域。 在任何时间、任何地点，MANET设备通过无线通信模块和周 围的节点取得联系，进行匹配扫描。当扫描到条件匹配的买 卖双方时，便携设备就会报警通知用户对方节点的信息，从 而买卖双方可以启动相应的处理程序进行实物交易
特殊环境（空旷） 灾难(地震、水灾、强风暴) 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 用户可远离网络基础设施而保持与网络的连接
移动互联网的起源
源自军事领域 20世纪70年代分组无线网（PRNET） 战场环境下的数据通信 1983年的抗毁自适应网络（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年的全球移动信息系统（GloMo） 满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移 动信息系统 IEEE802.11首次提出“ad hoc” IETF1997年成立MANET工作组 IRTF（互联网研究工作组）在2003成立了ANS 研究 组
混合路由协议
1．域路由协议(ZRP) 2．抢先式路由协议
AODV协议工作流程
路由建立：
当某节点需要发送数据到一个新的目的节点 时，它将广播一个带有TTL生存时间的RREQ （路由请求消息）来尝试找到一条到目的节 点的路由； 如果RREQ消息到达目的节点，这条路由将 被找到。另外一种情况下，路由也可以找到， 就是RREQ到达了一个中间节点，该中间节 点有到目的节点的路由。 路由找到后，则向源节点发送RREP消息， 此时路由建立完毕。
竞争类MAC协议
1．ALOHA协议 2．载波侦听多址访问协议(CSMA) 3．基于控制分组握手的访问控制协议
(1)多址访问与碰撞回避(MACA)协议 (2)MACAW协议 (3)FAMA协议 (4)IEEE 802.11 MAC协议 (5)MACA-BI协议
分配类协议
两种截然不同的分配协议是静态分配协议 (Static Allocation Protocol)和动态分配协议 Dynamic Allocation Protocol)，其区别在于计 算传输时间安排的方法不同。 静态分配协议使用集中式传输时间安排算法，该 算法事先为每个节点静态地分配一个固定的传 输时间安排。这种传输时间安排等效于以太网 接口卡的MAC地址分配。（缺点？） 动态分配协议使用分布式传输时间安排算法，该 算法按需地计算传输时间安排。
MANET与其他无线网络
与分组无线网、无线局域网、 比较
单跳与多跳 主要研究内容是在网络的物 理层和DL 移动终端的所有通信 都要经过接入点进行
研究重点不同
通信模式不同
应用案例