1、無線網絡與移動計算技術無線網絡與移動計算技術無線自組織網絡攻防原理與實踐無線自組織網絡攻防原理與實踐哈爾濱工業大學（威海）哈爾濱工業大學（威海）計算機科學與技術學院計算機科學與技術學院教授教授 遲樂軍遲樂軍 QDCLJ163.COMQDCLJ163.COM 2012.03 2012.03課程學時與課程安排課程學時與課程安排l 總學時：30 授 課：22 實 驗：8l 主要內容涵蓋：l 無線網絡的基本概念、應用、體系結構l 無線網絡的關鍵技術Ad Hoc網絡路由網絡路由l 服務質量和能量意識l 無線網絡的常見的攻擊形式l 無線網絡的主要的防護技術課程學時與課程安排課程學時與課程安排l 總學時總學

2、時：30 授授 課課：22 實實 驗驗：8l 考考 核核：平時+翻譯論文+讀書體會l 主要內容涵蓋：l 無線網絡的基本概念、應用、體系結構l 無線網絡的關鍵技術l Ad Hoc網絡路由網絡路由l 服務質量和能量意識l 無線網絡的常見的攻擊形式l 無線網絡的主要的防護技術Resource（主要參考文獻）（主要參考文獻）l 易易 平平 著，無線網絡攻防原理與實踐，清華出版社，著，無線網絡攻防原理與實踐，清華出版社，2010年年1月月l 易平等著，無線自組織網絡與對等網絡易平等著，無線自組織網絡與對等網絡原理與實踐，清華出版社，原理與實踐，清華出版社，l 鄭少仁等著，鄭少仁等著，Ad Hoc網絡技術

3、，人民郵電出版社，網絡技術，人民郵電出版社，2005年年1月月l IETF Mobile Ad-hoc Networks (MANET) Working Group /html.charters/manet-charter.htmll S. Corson, J. Macher, Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations, RFC 2501, January 1999l C. Perkins, E. Be

4、lding-Royer, et al., Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing, RFC 3561, July 2003l David B. Johnson, et al., The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks (DSR), draft-ietf-manet-dsr-10.txt, July 2004l I. Chakeres, C. Perkins, Dynamic MANET On-demand (DYMO) Routing, draft-ie

5、tf-manet-dymo-06.txt, October 2006l T. Clausen, et al., Optimized Link State Routing Protocol (OLSR), RFC 3626, October 2003l R. Ogier, et al., Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding (TBRPF), RFC 3684, February 2004 l S. Basagni et al, Mobile Ad Hoc Networking, IEEE Press (John Wile

6、y & Sons), 2004 基礎知識概述基礎知識概述l概述概述l體系結構體系結構lAd Hoc網絡路由網絡路由l服務質量和能量意識服務質量和能量意識基礎知識概述基礎知識概述一、引言一、引言l 無線信道的特征無線信道的特征：單機發射，多機接受：單機發射，多機接受：有快速變化和較慢的變化的區別。有快速變化和較慢的變化的區別。：距離增大，信號衰減。距離增大，信號衰減。：信號可沿不同的途徑到達接收機。信號可沿不同的途徑到達接收機?；A知識概述基礎知識概述l 無線通訊系統處于通信網的末端，引出接入問題無線通訊系統處于通信網的末端，引出接入問題“距離距離用戶最后一公里用戶最后一公里”的問題。的問題。l

7、 具有無需預先架設基礎設施具有無需預先架設基礎設施l 可臨時快速組網可臨時快速組網l 可用于特殊的環境，如海洋資源監測、戰場信息收集等可用于特殊的環境，如海洋資源監測、戰場信息收集等l Ad hocAd hoc、傳感器網絡、穿戴計算機等是無線通信的一個新、傳感器網絡、穿戴計算機等是無線通信的一個新的技術領域的技術領域基礎知識概述基礎知識概述二、無線通信系統的網絡結構 必須預先規劃、設計和布設的網絡必須預先規劃、設計和布設的網絡 典型：蜂窩系統、無線局域網、集群移動通訊系統典型：蜂窩系統、無線局域網、集群移動通訊系統 無需預先規劃、設計和布設的網絡。無需預先規劃、設計和布設的網絡。 典型：軍用典

8、型：軍用PRNETPRNET、IEEE802.11IEEE802.11中的中的AD HOCAD HOC模式和藍牙技模式和藍牙技術屬自組網絡技術術屬自組網絡技術基于預先架設網絡基礎設施的無線網絡基于預先架設網絡基礎設施的無線網絡l 蜂窩網絡蜂窩網絡 移動終端通過基站接入移動終端通過基站接入移動通信網絡移動通信網絡l 無線局域網無線局域網 移動終端通過無線接入移動終端通過無線接入點接入點接入Internet依賴于基站、無線接入點等現有基礎設施網絡依賴于基站、無線接入點等現有基礎設施網絡基礎知識概述l無線通信系統的網絡結構基礎知識概述：三類典型的系統實例： 有基礎設施的有基礎設施的： 無基礎設施結構

9、無基礎設施結構： 既支持有基礎設施的組網模式也既支持有基礎設施的組網模式也支持無基礎設施的組網模式支持無基礎設施的組網模式基礎知識概述：蜂窩移動通信系統蜂窩移動通信系統l 19461946年出現，以基地臺為中心，覆蓋年出現，以基地臺為中心，覆蓋70-8070-80公里，設備體積公里，設備體積較大，主要支持語音系統。較大，主要支持語音系統。l 已經出現三代：已經出現三代：只支持語音業務的模擬通信體系（國際間不兼容）只支持語音業務的模擬通信體系（國際間不兼容）支持語音和低速電路型數據業務（如短信等等，支持語音和低速電路型數據業務（如短信等等，可可提供所謂提供所謂“全球通全球通”話音業務外，已經可以

10、提供低速的數話音業務外，已經可以提供低速的數據業務了，也就是收發短消息之類）據業務了，也就是收發短消息之類）支持高速率的多媒體和數據業務（手機上網、視頻支持高速率的多媒體和數據業務（手機上網、視頻應用）應用） 3 3代半？代半？ 第四代？第四代？最大的數據傳輸速率超過100Mbit/s（能提供難以能提供難以想象的服務??？想象的服務?。浚┗A知識概述：蜂窩移動通信系統蜂窩移動通信系統l 主流通訊服務提供商采用蜂窩網絡采用蜂窩網絡。l 蜂窩網絡把移動電話的服務區別分為一個個正六邊形的子區，每個小區設一個基站。形成了形狀酷似“蜂窩”的結構。l 蜂窩網絡又可分為模擬蜂窩模擬蜂窩網絡和數字蜂窩數字蜂窩兩

11、種兩種網絡l 蜂窩網絡被廣泛正六邊形被認為是使用最少個結點可正六邊形被認為是使用最少個結點可以覆蓋最大面積的圖形以覆蓋最大面積的圖形，出于節約設備構建成本的考慮，正六邊形是最好的選擇。l 這樣的網絡形狀非常象蜂窩故被稱作蜂窩網絡稱作蜂窩網絡基礎知識概述： 蜂窩移動通信系統蜂窩移動通信系統l 蜂窩網絡主要由：移動站移動站，基站子系統基站子系統，網絡子系統網絡子系統.三部分組成l 移動站移動站就是我們的網絡終端設備如手機等網絡終端設備 。l 基站子系統基站子系統包括我們日常見到的移動機站（大鐵塔）、無線收發設備、專用網絡（一般是光纖）、無數的數字設備等等的。l 把基站子系統看作是無線網絡與有線網絡

12、之間的轉換器。 基礎知識概述：蜂窩移動通信系統結構蜂窩移動通信系統結構l 移動臺作為用戶終端與基站建立全雙工無線通信連接完成通移動臺作為用戶終端與基站建立全雙工無線通信連接完成通信的無線接入信的無線接入l 基站基站通過與骨干網的有線的連接通過與骨干網的有線的連接，完成移動臺與骨干網的通，完成移動臺與骨干網的通信接入信接入l 移動臺之間不能直接通信，必須通過基站轉接移動臺之間不能直接通信，必須通過基站轉接才能達成相互才能達成相互之間通信的目的之間通信的目的l 基站有兩個通信接口：空中和與骨干網的接口基站有兩個通信接口：空中和與骨干網的接口基礎知識概述： 蜂窩系統的基本思想l 用多個小功率發射機代

13、替一個大功率發射機，每個小發射用多個小功率發射機代替一個大功率發射機，每個小發射區對應的小覆蓋區成為一個小區區對應的小覆蓋區成為一個小區l 每個小區分配一組信道，對應于使用一組無線資源每個小區分配一組信道，對應于使用一組無線資源l 相鄰小區使用不同的無線資源，使得相互之間不形成干擾相鄰小區使用不同的無線資源，使得相互之間不形成干擾l 相距較遠的小區可以重復使用相同的無線資源相距較遠的小區可以重復使用相同的無線資源l 利用無線資源的空間復用，從而使系統的容量大為提高利用無線資源的空間復用，從而使系統的容量大為提高基礎知識概述：蜂窩狀的網絡結構的優點蜂窩狀的網絡結構的優點l 采用蜂窩網絡技術最大的

14、好處是頻率可以重復使用頻率可以重復使用。l 通信時，每個人要占用一個信道（同時通話的人多了，有限的信道可能不夠使用會出現通信阻塞的現象。）l 蜂窩結構就可以使用同一組頻率在若干個相隔一定距離的小區重復使用，從而達到節省頻率資源的目的。l 例如：將一個城市分成72個小區，每12個小區組成一個小區群。讓他們共同使用300個頻道。那么，我們就可以將300個頻道分成12個頻道組，每個組25個頻道，第一個小區群使用第1組頻道，第二個小區群使用第2組頻道，以此類推?；A知識概述：蜂窩狀的網絡結構蜂窩狀的網絡結構的優點l 不同小區群的相同編號小區的頻道組是可以重復使用的。l 盡管這些小區基站所使用的無線電頻

15、率相同，但由于他們彼此相隔較遠，而電波作用范圍有限，彼此不會造成干擾。l 一組頻率就可重復使用6次，原本300個頻道只能供300個用戶同時通話，現在卻可同時供1800個用戶同時通話了。 基礎知識概述：蜂窩狀的網絡結構蜂窩狀的網絡結構的優點l 蜂窩移動電話系統主要由移動臺（汽車電話、手機等），無線基站以及移動電話交換中心組成。l 每個小區基站均與移動電話交換中心連接，形成一個蜂窩移動電話網。l 移動電話網還與市內公用電話網以及國內、國際長途電話網相連，使移動電話用戶不僅可以與網內的移動電話用戶通電話，還可以與更大范圍內的移動用戶和固定用戶通電話?；A知識概述：小結l 蜂窩移動通信系統屬典型的有基

16、礎設施的網絡。蜂窩移動通信系統屬典型的有基礎設施的網絡。l 不支持終端之間的直接通信，用戶終端之間必須經不支持終端之間的直接通信，用戶終端之間必須經過基站轉接才能完成通信。過基站轉接才能完成通信。l 網絡基礎設施起控制中心的作用網絡基礎設施起控制中心的作用l 無線資源的分配、越區切換、呼叫建立等控制功能無線資源的分配、越區切換、呼叫建立等控制功能都采用中心仲裁方式都采用中心仲裁方式基礎知識概述：藍牙技術l 藍牙技術藍牙技術無基礎設施網絡，無基礎設施網絡，l 開放性的、短距離無線通信技術標準開放性的、短距離無線通信技術標準l 可作為一種微型的、廉價的通信模塊嵌入各類信息設備中，可作為一種微型的、

17、廉價的通信模塊嵌入各類信息設備中，使這些數字設備在較小的范圍內通過無線連接的方式實現使這些數字設備在較小的范圍內通過無線連接的方式實現組網互聯組網互聯l 可實現靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數字通信可實現靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數字通信基礎知識概述：藍牙的網絡結構及通信過程l 藍牙的基本網絡拓撲是皮網（藍牙的基本網絡拓撲是皮網（PICONETPICONET）l 每個皮網有一個主節點和最多每個皮網有一個主節點和最多7 7個激活的從節點組成。個激活的從節點組成。Master/SlaveMaster/Slave基礎知識概述：藍牙的網絡結構及通信過程基礎知識概述：藍牙的網絡結構及通信過程

18、基礎知識概述：兩種類型的鏈路l同步同步 面向連接的面向連接的 鏈路（鏈路（SCOSCO）l異步異步 無無 連連 接接 鏈路（鏈路（ACLACL）基礎知識概述：藍牙的網絡結構及通信過程l 兩個以上皮網可以組成所謂的散射網。兩個以上皮網可以組成所謂的散射網。l 兩個皮網通過節點兩個皮網通過節點S/MS/M連接經過多跳實現相互之間的通信。連接經過多跳實現相互之間的通信?；A知識概述：藍牙技術小結l 藍牙數字組網，藍牙數字組網，不需基礎設施，可臨時組網不需基礎設施，可臨時組網l 支持小的網絡結構，支持小的網絡結構，不涉及路由不涉及路由的問題的問題l 雖然分雖然分節點，但節點，但形成的形成的l 主主/從

19、從節點在各個方面都是完全相同的節點在各個方面都是完全相同的l 這種結構中主節點起到了控制中心和中繼轉發這種結構中主節點起到了控制中心和中繼轉發器的作用器的作用基礎知識概述：傳感器網絡（WSN）l 傳感器網絡傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是自是自組網發展的重要方向之一；組網發展的重要方向之一；l 它是由密集布設在觀測場所的大量、小型、低成本它是由密集布設在觀測場所的大量、小型、低成本的傳感器節點組成，這些傳感器節點協同工作對觀的傳感器節點組成，這些傳感器節點協同工作對觀測對象的多種屬性自動觀測，并將測試結果上報。測對象的多種屬性自動觀測，并將測試結果上報

20、。l 傳感器網中的傳感器節點一般具有探測能力、無線傳感器網中的傳感器節點一般具有探測能力、無線通信自動組網能力和信號與信息的處理能力。通信自動組網能力和信號與信息的處理能力。l 它是一種特殊的自組網。它是一種特殊的自組網。無線傳感器網絡l 在傳感器網絡中，各個無線節點靜態地隨機分布在傳感器網絡中，各個無線節點靜態地隨機分布在某一區域在某一區域l 傳感器負責收集區域內的聲音、電磁或地震信號傳感器負責收集區域內的聲音、電磁或地震信號等多種信息，將它們發送到網關節點等多種信息，將它們發送到網關節點l 網關節點具有更大的處理能力，能夠進一步處理網關節點具有更大的處理能力，能夠進一步處理信息，或有更大的

21、發送范圍，可以將信息送往某信息，或有更大的發送范圍，可以將信息送往某個大型網絡，使遠程用戶能夠檢索到該信息。個大型網絡，使遠程用戶能夠檢索到該信息。無線傳感器網絡l 一個傳感器節點由一個傳感器節點由4 4個基本部分組成，即個基本部分組成，即、和和。l 其中，其中，通常帶有一個小型存儲器，它的通常帶有一個小型存儲器，它的主要功能是與其它傳感器節點協作，執行指派的主要功能是與其它傳感器節點協作，執行指派的感知任務以及管理內部程序。感知任務以及管理內部程序。l 此外還應該包括與應用相關的其它部分，比如定此外還應該包括與應用相關的其它部分，比如定位系統、動力系統等。位系統、動力系統等。無線傳感器網絡l

22、 傳感器網絡節點的協議棧主要包括傳感器網絡節點的協議棧主要包括協議協議協議協議協議協議層、層、層、層、層、層、層、層、層層 2.6 無線傳感器網絡l 物理層：采用簡單可靠的收發調制技術物理層：采用簡單可靠的收發調制技術l 介質接入控制介質接入控制(MAC(MAC，Media Access Control)Media Access Control)協議協議盡量降低與相鄰節盡量降低與相鄰節點的通信碰撞概率的處理能力點的通信碰撞概率的處理能力l 網絡層：進行網絡的自組織和數據的路由轉發網絡層：進行網絡的自組織和數據的路由轉發l 傳輸層：根據傳感器網絡的需要進行數據流維護傳輸層：根據傳感器網絡的需要進

23、行數據流維護l 應用層：則根據感知任務建立不同類型的應用軟件應用層：則根據感知任務建立不同類型的應用軟件 無線傳感器網絡：管理傳感器節點如何使用它的能量：管理傳感器節點如何使用它的能量：檢測、記錄傳感器節點的移動，從而可以：檢測、記錄傳感器節點的移動，從而可以維護路由，同時傳感器節點可以感知相鄰的傳感器節點，維護路由，同時傳感器節點可以感知相鄰的傳感器節點，有效均衡它們的能量和任務有效均衡它們的能量和任務：可以均衡和規劃一個特定區域傳感器節點：可以均衡和規劃一個特定區域傳感器節點的感知任務。比如，一些傳感器節點根據它們的電源能量的感知任務。比如，一些傳感器節點根據它們的電源能量完成比其它傳感器

24、節點更多的任務，這樣傳感器節點能夠完成比其它傳感器節點更多的任務，這樣傳感器節點能夠用一種能量高效使用的方式進行任務分發、協同工作，共用一種能量高效使用的方式進行任務分發、協同工作，共享它們之間的資源。享它們之間的資源。無線傳感器網絡l 電源、移動和任務管理協議能夠使傳感器節點協同執行感電源、移動和任務管理協議能夠使傳感器節點協同執行感知任務，并降低網絡的能耗。知任務，并降低網絡的能耗。 l 傳感器網絡具有廣闊的應用領域和市場價值前景。傳感器網絡具有廣闊的應用領域和市場價值前景。l 無線傳感器網絡通過感知、收集、分析、處理各種信息，無線傳感器網絡通過感知、收集、分析、處理各種信息，（例如溫度、

25、濕度等）來支持特定應用（例如溫度、濕度等）來支持特定應用l 無線傳感器網絡通過融合處理信息，實現戰場防御、戰場無線傳感器網絡通過融合處理信息，實現戰場防御、戰場偵察、安全監視、環境監控、醫療診斷、作物監視、珍稀偵察、安全監視、環境監控、醫療診斷、作物監視、珍稀動物監護、貨物跟蹤等動物監護、貨物跟蹤等l 在條件惡劣的環境下，傳感器網絡有著獨特的優勢。在條件惡劣的環境下，傳感器網絡有著獨特的優勢。無線傳感器網絡l 網絡的快速部署、自組織能力、容錯抗摧毀等特性能夠實現網絡的快速部署、自組織能力、容錯抗摧毀等特性能夠實現指揮調度、移動計算和通信、監視偵察、目標定位等功能指揮調度、移動計算和通信、監視偵

26、察、目標定位等功能l 在軍事上的典型應用包括：在軍事上的典型應用包括：l 管理戰區內的情報、監控、偵察設備，并對收集的信息進行管理戰區內的情報、監控、偵察設備，并對收集的信息進行后續處理、使用和分發后續處理、使用和分發l 建立本土邊防安全防御網及其基礎設施防御網，化學或生物建立本土邊防安全防御網及其基礎設施防御網，化學或生物危險的預警危險的預警l 對目標進行識別、跟蹤和定位，實現知己知彼，百戰不殆對目標進行識別、跟蹤和定位，實現知己知彼，百戰不殆 無線傳感器網絡l 傳感器網絡與移動傳感器網絡與移動ad hocad hoc網絡的主要差別在于網絡的主要差別在于：l 傳感器網絡中的傳感器節點數量眾多

27、傳感器網絡中的傳感器節點數量眾多l 傳感器網絡中的傳感器節點分布稠密傳感器網絡中的傳感器節點分布稠密l 傳感器網絡中的網絡拓撲經常變化傳感器網絡中的網絡拓撲經常變化l 傳感器網絡中節點通信主要采用廣播傳感器網絡中節點通信主要采用廣播(Broadcast)(Broadcast)或組播或組播(Multicast)(Multicast)兩種方式兩種方式l 傳感器網絡中節點的能量、計算能力和存儲空間有限傳感器網絡中節點的能量、計算能力和存儲空間有限l 無線分布式傳感器自組網體系結構無線分布式傳感器自組網體系結構l 介質訪問控制技術介質訪問控制技術l 動態分群算法和路由協議動態分群算法和路由協議l 地址

28、自動分配技術地址自動分配技術l 基于分布式多傳感器的信息融合技術基于分布式多傳感器的信息融合技術l 協同信號處理中的信息分發、共享技術協同信號處理中的信息分發、共享技術l 功率控制技術功率控制技術傳感器網絡技術研究的關鍵技術：傳感器網絡技術研究的關鍵技術：l 國外的研究主要包括：國外的研究主要包括：l幾個典型項目中的研究重點：幾個典型項目中的研究重點：n SensorNetSensorNet和和PACMANPACMAN等項目主要針對傳感器網的傳送層、網絡等項目主要針對傳感器網的傳送層、網絡層、數據層以及物理層進行整體研究層、數據層以及物理層進行整體研究n WINSWINS和和Dynamic S

29、ensor NetworkDynamic Sensor Network等項目主要針對傳感器網絡等項目主要針對傳感器網絡互聯、路由協議和功率控制等方面進行研究互聯、路由協議和功率控制等方面進行研究n SPINSSPINS和和DataSpaceDataSpace等項目主要針對傳感器網絡安全、數據分等項目主要針對傳感器網絡安全、數據分發等進行研究發等進行研究l 研究主要集中在美國各高校的研究機構內研究主要集中在美國各高校的研究機構內l 廣闊的應用前景和巨大使用潛力，正吸引更多的機構和組織廣闊的應用前景和巨大使用潛力，正吸引更多的機構和組織加入其開發研究中加入其開發研究中歐盟的研究現狀l 歐盟歐盟IS

30、TIST下設了若干個采用自組網絡研究解決車輛之間下設了若干個采用自組網絡研究解決車輛之間通信問題的項目，較重要的有通信問題的項目，較重要的有CARTALK2000,FLEETNETCARTALK2000,FLEETNET等。等。l 代表項目：代表項目：CARTALK2000CARTALK2000是一個研究開發基于車輛之間是一個研究開發基于車輛之間的通信輔助駕駛系統項目。的通信輔助駕駛系統項目。l 項目的研究項目的研究1.1. 開發駕駛員協同輔助系統；開發駕駛員協同輔助系統；2.2. 作為通信裝置的無線移動自組織網絡，為未來標準化作作為通信裝置的無線移動自組織網絡，為未來標準化作準備。準備。歐盟

31、的研究現狀l FLEETNETFLEETNET也是一個基于自組網的車輛間通信項目。也是一個基于自組網的車輛間通信項目。：1.1. 開發一個車輛間的通信平臺，這個平臺應該能夠實現示開發一個車輛間的通信平臺，這個平臺應該能夠實現示范作用，技術解決方案能夠標準化范作用，技術解決方案能夠標準化2.2. 實現設計的通信協議的主要功能，并將示范系統能夠集實現設計的通信協議的主要功能，并將示范系統能夠集成到演示車輛中成到演示車輛中3.3. 實現一些合適的演示，以展示這個項目在車輛之間通信實現一些合適的演示，以展示這個項目在車輛之間通信方面的優越性方面的優越性4.4. 開展商務模式和市場推介方案的研究開展商務

32、模式和市場推介方案的研究小 結l介紹了無線通訊的基本概念l無線網絡的特點l自組網的特性l傳統的技術不能直接使用傳統的技術不能直接使用l信道資源的競爭使用帶來新的問題l路由的問題必須尋求新的解決方案路由的問題必須尋求新的解決方案l能源短缺引發新的需求能源短缺引發新的需求l安全問題不容忽視基礎知識概述：自組織網絡的應用需求自組織網絡的應用需求l臨時會議臨時會議/緊急情況緊急情況l科學考察科學考察/探險探險/軍事戰軍事戰場場l接入網絡服務商所需的接入網絡服務商所需的時間和成本時間和成本l現有服務和架構的性能現有服務和架構的性能或者能力或者能力l遠離網絡基礎設施而希遠離網絡基礎設施而希望保持與網絡的連

33、接望保持與網絡的連接無網絡基礎設施可用無網絡基礎設施可用不想使用網絡設施不想使用網絡設施網絡基礎設施范圍外網絡基礎設施范圍外自自組組織織網網絡絡基礎知識概述：自組織網的起源自組織網的起源l 1972年分組無線網（年分組無線網（PRNET）戰場環境下的數據通信戰場環境下的數據通信l 1983年抗毀自適應網絡（年抗毀自適應網絡（SURAN）支持大規模網絡支持大規模網絡適應戰場快速變化環境需要的自適應網適應戰場快速變化環境需要的自適應網絡協議絡協議l 1994年全球移動通信系統（年全球移動通信系統（GloMo）滿足軍事應用需要的、可快速展開、高滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統抗

34、毀性的移動信息系統DARPA資助資助Defense Advanced Research Project Agencyl 隨著我國電信市場競爭的加劇，找準和開拓新的業務增長點成了電信運營商和設備提供商在市場中掌握先機的關鍵。l 采用移動Ad Hoc網絡技術的MESH無線區域網等業務被認為是未來的業務熱點未來的業務熱點之一。l 甚至有人稱：就象IP網絡改造傳統電信網絡一樣，移動Ad Hoc網絡技術可能對現有移動通信網絡的結構和運營模式可能對現有移動通信網絡的結構和運營模式帶來劃時代的影響?；A知識概述： 自組織網絡技術研究的意義基礎知識概述： l 一組帶有無線收發裝置的組成的一個、臨時性 自創建（

35、Self-Creating)、自組織(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)系統。l 不依賴預設的基礎設施而臨時組建。l 移動終端具有路由功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲?？瑟毩⒐ぷ?，也可與Internet或蜂窩無線網絡連接。基礎知識概述：自組織功能Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基礎知識概述：動態變化的網絡拓撲Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基礎知識概述： 自動最佳路由選擇最佳路由最佳路由

36、備選替換路由備選替換路由有線回傳有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi最佳路由最佳路由備選替換路由備選替換路由有線回傳有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi基礎知識概述：基礎知識概述： 基礎知識概述：Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi

37、Wi-FiWi-FiWi-Fi基礎知識概述：自組織網絡研究自組織網絡研究l1991年年IEEE 802.11首次提出首次提出“Ad Hoc網絡網絡”自組織、對等式、多跳無線移動通信網絡自組織、對等式、多跳無線移動通信網絡l1997年年IETF成立成立MANET工作組工作組基于基于IP的無線多跳網絡路由的無線多跳網絡路由l2003年年IRTF成立成立ANS研究組研究組l其它研究機構其它研究機構ClosedAd Hoc：For the specific purpose onlyMANET：Mobile Ad-hoc NetworksANS：Ad Hoc Networks ScalabilityAd

38、 Hoc網絡的定義網絡的定義l 由一組帶有無線通信收發裝置的由一組帶有無線通信收發裝置的(移動移動)終端節點組成的一終端節點組成的一個多跳臨時性自治系統個多跳臨時性自治系統l 每個每個(移動移動)終端同時具有路由器和主機兩種功能：終端同時具有路由器和主機兩種功能：作作 為為 主主 機：機：終端需要運行面向用戶的應用程序；終端需要運行面向用戶的應用程序；作為路由器：作為路由器：終端需要運行相應的路由協議終端需要運行相應的路由協議l 節點間路由通常由多跳節點間路由通常由多跳(Hop)組成組成l 不需要網絡基礎設施，可以在任何地方、任何地點快速構不需要網絡基礎設施，可以在任何地方、任何地點快速構建建

39、多跳無線網絡、自組織網絡、無固定設施的網絡或者對等網絡多跳無線網絡、自組織網絡、無固定設施的網絡或者對等網絡Ad Hoc網絡的特點（網絡的特點（1）l獨立組網獨立組網不需要任何預先網絡基礎設施不需要任何預先網絡基礎設施l動態拓撲動態拓撲節點移動節點移動/開機開機/關機關機節點無線發送功率變化、無線信道干擾或者地形節點無線發送功率變化、無線信道干擾或者地形等因素影響等因素影響l自組織自組織無控制中心無控制中心節點故障不會影響到整個網絡節點故障不會影響到整個網絡節點之間通過無線連接形成的網絡拓撲結構隨時可能節點之間通過無線連接形成的網絡拓撲結構隨時可能發生變化，而且變化的方式和速度可能都是無法預測

40、的發生變化，而且變化的方式和速度可能都是無法預測的Ad Hoc網絡的特點（網絡的特點（2）l多跳路由多跳路由接收端和發送端可使用比兩接收端和發送端可使用比兩者直接通信小得多的功率進者直接通信小得多的功率進行通信，因此節省了能量消行通信，因此節省了能量消耗耗通過中間節點參與分組轉發，通過中間節點參與分組轉發，能夠有效降低對無線傳輸設能夠有效降低對無線傳輸設備的設計難度和成本，同時備的設計難度和成本，同時擴大了自組織網絡的覆蓋范擴大了自組織網絡的覆蓋范圍圍Ad Hoc網絡的特點（網絡的特點（3）l 特殊的無線信道特征特殊的無線信道特征無線信道提供的網絡帶寬比有線信道低得多無線信道提供的網絡帶寬比有

41、線信道低得多競爭無線共享信道產生碰撞競爭無線共享信道產生碰撞信號衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等信號衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等l 終端的局限性終端的局限性能量、存儲、計算等資源受限能量、存儲、計算等資源受限l 安全性差安全性差無線鏈路的開放性無線鏈路的開放性移動性導致節點之間信任關系的變化移動性導致節點之間信任關系的變化l 可擴展性不強可擴展性不強節點之間的相互干擾造成網絡容量下降節點之間的相互干擾造成網絡容量下降各節點吞吐量隨網絡節點總數的增加而下降各節點吞吐量隨網絡節點總數的增加而下降l 存在單向無線信道存在單向無線信道終端發射功率的不同及地形環境的影響終端發射功率的不同及地形環

42、境的影響Ad Hoc網絡與網絡與Sensor網絡網絡lSensor網絡網絡可以看作是一種特殊類型的可以看作是一種特殊類型的Ad Hoc網絡網絡各個無線節點靜態地隨機分布在某一區域。傳感各個無線節點靜態地隨機分布在某一區域。傳感器負責收集區域內的傳感信號，將它們發到網關器負責收集區域內的傳感信號，將它們發到網關節點節點網關具有更大的處理能力，能進一步處理信息，網關具有更大的處理能力，能進一步處理信息，并且具有更大的發送范圍，可將信息送往某個大并且具有更大的發送范圍，可將信息送往某個大型網絡（型網絡（Internet）并且到達最終的用戶）并且到達最終的用戶p與一般與一般Ad Hoc網絡相比：網絡相

43、比：p節點數量多、分布稠密節點數量多、分布稠密p節點的能量、計算、存儲等資源進一步受限節點的能量、計算、存儲等資源進一步受限Ad Hoc網絡與無線局域網網絡與無線局域網l單跳單跳 與與 多跳多跳l研究重點不同研究重點不同l通信模式不同通信模式不同主要研究集中在物主要研究集中在物理層和數據鏈路層理層和數據鏈路層移動終端的所有通信必移動終端的所有通信必須經過無線接入點進行須經過無線接入點進行自組網絡為多跳網自組網絡為多跳網絡，存在路由問題絡，存在路由問題Ad Hoc網絡的研究網絡的研究內容主要以路由協議內容主要以路由協議為核心的網絡層設計為核心的網絡層設計Ad Hoc網絡中移動網絡中移動終端的通信

44、是對等的終端的通信是對等的無線局域網為單跳網無線局域網為單跳網絡，不存在路由問題絡，不存在路由問題移動移動Ad Hoc網絡網絡(MANET)與移動與移動IPMANET移動移動IPAd Hoc網絡所面臨的問題網絡所面臨的問題(1)l 特殊的信道共享方式特殊的信道共享方式 共享信道共享信道 隱藏節點問題隱藏節點問題/暴露節點問題暴露節點問題l 動態變化網絡拓撲動態變化網絡拓撲 傳統路由協議花較高代價獲取的路由信息可能已經陳舊傳統路由協議花較高代價獲取的路由信息可能已經陳舊l 有限的無線傳輸帶寬有限的無線傳輸帶寬 減少節點之間的交換的消息減少節點之間的交換的消息 減少控制消息帶來的額外開銷減少控制消

45、息帶來的額外開銷l 有限的能量有限的能量 能量管理機制，各層考慮能量控制，包括網絡層路由能量管理機制，各層考慮能量控制，包括網絡層路由l 安全問題安全問題 無線信道的開放性更容易受到各種攻擊無線信道的開放性更容易受到各種攻擊 移動性使得節點的信任關系不斷變化移動性使得節點的信任關系不斷變化 由于節點資源受限，安全機制應該是分布式的由于節點資源受限，安全機制應該是分布式的RTS/CTS，CSMA/CA網絡路由時需考慮網絡路由時需考慮Ad Hoc網絡所面臨的問題網絡所面臨的問題(2)l網絡管理網絡管理拓撲管理拓撲管理l確定將一組節點組織成網絡的機制確定將一組節點組織成網絡的機制移動性管理移動性管理

46、l跟蹤網絡中移動節點的位置跟蹤網絡中移動節點的位置服務質量管理服務質量管理l多跳拓撲動態變化的移動多跳拓撲動態變化的移動Ad Hoc網絡使得服務質量保網絡使得服務質量保證更加困難證更加困難自動配置自動配置實現實現Ad Hoc網絡的關鍵技術網絡的關鍵技術l路由協議路由協議l服務質量管理服務質量管理l功率控制功率控制l傳輸層性能傳輸層性能lAd Hoc網絡互聯網絡互聯l安全問題安全問題l網絡管理網絡管理p感知網絡拓撲結構的變化感知網絡拓撲結構的變化p維護網絡拓撲的連接維護網絡拓撲的連接p高度自適應性高度自適應性p能量、服務質量等約束能量、服務質量等約束p信道接入技術信道接入技術p節能機制節能機制p

47、多個多個Ad Hoc網絡互聯網絡互聯pAd Hoc內部節點訪問內部節點訪問Internet內容內容l概述概述l體系結構體系結構lAd Hoc網絡路由網絡路由l服務質量和能量意識服務質量和能量意識基礎知識概述：自組網的節點結構基礎知識概述：自組網的節點結構l主機主機+路由器路由器+無線收發裝置無線收發裝置=網絡節點網絡節點l主機：運行應用程序主機：運行應用程序,完成數據處理等功能完成數據處理等功能l路由器：運行路由協議，完成路由選擇、轉路由器：運行路由協議，完成路由選擇、轉發分組等功能發分組等功能l無線收發裝置：完成數據傳輸功能無線收發裝置：完成數據傳輸功能網絡結構網絡結構l 平面結構平面結構所

48、有節點地位平等所有節點地位平等l 層次結構層次結構網絡被劃分為簇（網絡被劃分為簇（Cluster）每個簇由簇首節點每個簇由簇首節點(Cluster Head)和簇成員和簇成員節點節點(Cluster Member)構構成成簇首節點可形成更高一級簇首節點可形成更高一級的網絡的網絡平面結構平面結構層次結構層次結構平面結構和層次結構比較平面結構和層次結構比較平面結構平面結構層次結構層次結構完全分布式的網絡完全分布式的網絡多個簇組成的網絡多個簇組成的網絡所有節點的地位是平等的所有節點的地位是平等的節點被分為節點被分為簇首簇首和和簇成員簇成員簇首簇首預先指定或者由選擇算法預先指定或者由選擇算法產生產生不

49、存在網絡瓶頸不存在網絡瓶頸可存在多條路徑可存在多條路徑網絡健壯性好網絡健壯性好簇首簇首節點可能節點可能成為網絡瓶頸成為網絡瓶頸到簇外的通信都須通過簇首節到簇外的通信都須通過簇首節點進行點進行可可擴展性差擴展性差每個節點都每個節點都需要知道到達所有需要知道到達所有其它節點的路由其它節點的路由適用于適用于中小規模中小規模的網絡的網絡可可擴展性好擴展性好簇內路由信息局部化簇內路由信息局部化適用于適用于大規模大規模網絡網絡網絡協議棧網絡協議棧l 基于基于TCP/IP體系結構體系結構l 與與Internet互聯互聯l 傳統路由協議需要修傳統路由協議需要修改，以適應網絡拓撲改，以適應網絡拓撲結構動態變化結

50、構動態變化l 傳輸層實現適應于無傳輸層實現適應于無線網絡的端到端可靠線網絡的端到端可靠服務服務l Ad Hoc網絡多用于能網絡多用于能量受限的環境，能量量受限的環境，能量管理尤為重要，因此管理尤為重要，因此各層都定義相應的節各層都定義相應的節能機制能機制可選功能可選功能Ad Hoc網絡中的跨層設計網絡中的跨層設計l 嚴格分層的體系結構嚴格分層的體系結構(OSI參考模參考模型，型，TCP/IP模型模型) 協議的設計缺乏足夠的適應性，不協議的設計缺乏足夠的適應性，不能滿足能滿足Ad Hoc網絡動態變化的需網絡動態變化的需求，特別是在能量或者求，特別是在能量或者QoS等約束等約束條件下條件下l 跨層

51、體系結構跨層體系結構任意層之間能夠進行信息交互協作任意層之間能夠進行信息交互協作l在動態環境下，根據能量或者在動態環境下，根據能量或者QoS等約束條件自適應調節等約束條件自適應調節l避免重復的功能，減少開銷避免重復的功能，減少開銷l減少反應時間，快速適應網絡減少反應時間，快速適應網絡動態變化動態變化自組網絡涉及的關鍵技術自組網絡涉及的關鍵技術l 路由協議路由協議l MACMAC協議（媒介訪問控制協議）協議（媒介訪問控制協議）l 自組網絡中網絡與信息的安全性自組網絡中網絡與信息的安全性l QOSQOS保證框架與技術保證框架與技術l 功率控制與管理技術等功率控制與管理技術等 QOS保證l QOSQ

52、OS就是網絡為用戶傳送端到端數據時必須滿足的一套可就是網絡為用戶傳送端到端數據時必須滿足的一套可測量的預先定義的基于端到端性能的服務屬性。測量的預先定義的基于端到端性能的服務屬性。l 無線網絡主要面臨以下問題：無線網絡主要面臨以下問題：1.1. 鏈路質量難以預測鏈路質量難以預測2.2. 鏈路帶寬難以預測鏈路帶寬難以預測3.3. 分布式控制難度較大分布式控制難度較大4.4. 網絡拓撲變化難以預測網絡拓撲變化難以預測 QOS保證l QOSMACQOSMAC的工作應該包括：的工作應該包括：1.1. 支持有優先級的介質在競爭中優先接入支持有優先級的介質在競爭中優先接入2.2. 支持較高的網絡的吞吐量支

53、持較高的網絡的吞吐量3.3. 支持可靠的單播傳輸支持可靠的單播傳輸4.4. 提供可靠的資源預留提供可靠的資源預留5.5. 提供及時的限時接入提供及時的限時接入 功率控制與管理l 功率控制與管理主要包括功率控制與管理主要包括: :l 節點有兩種狀態節點有兩種狀態和和節點正在發送或接收數據的狀態節點正在發送或接收數據的狀態節點空閑但有可能在偵聽信道的使用狀況，節點空閑但有可能在偵聽信道的使用狀況，監聽時節點接收機的部分功能模塊還在工作監聽時節點接收機的部分功能模塊還在工作功率控制與管理l 功率控制和管理需主要考慮的問題：功率控制和管理需主要考慮的問題：l 移動節點的能耗移動節點的能耗= =1.1.

54、 與通信無關的能耗占大約總消耗量的一半。與通信無關的能耗占大約總消耗量的一半。2.2. 電池有限，使電池有限，使它影響整個網絡的壽命。它影響整個網絡的壽命。：狀態控制、：狀態控制、MACMAC層功率控制、功率意識路由協議和層功率控制、功率意識路由協議和拓撲控制。拓撲控制。l 節點狀態控制的基本思想：節點狀態控制的基本思想： 自組網絡中網絡與信息安全l 自組網的脆弱性：1. 無線鏈路（廣播式傳播信息）2. 無基礎設施的分布式網絡（處理能力低下）3. 動態變化的網絡（身份識別？）4. 節點的特性（資源等匱乏）自組網絡中網絡與信息安全l傳統安全機制已經不適應自組網絡傳統安全機制已經不適應自組網絡：1.1. 傳統的加密及認證機制無法實現（缺乏足夠的物理保護、傳統的加密及認證機制無法實現（缺乏足夠的物理保護、沒有中心節點、節點計算能力低下等原因造成）沒有中心節