基于adhoc网络路由协议的性能分析毕业设计(编辑修改稿)

基于adhoc网络路由协议的性能分析毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

Ad hoc网络形成与发展 目前主流学术界认为，无需 基础设施的网络 通信 技术 【 7】 最早 出现在 上世纪 70 年代 初 ， 在 开发完成 报文交换技术 之后不久 ， 美国政府出资使得相关机构投入到了一项新的 研究 当中 —— 分组无线网络 【 3】 ， 也就是将 报文交换技术 应用在没有 预先建设好的基础设施的环境 之中。 现在可以认为 进行这个项目 的 目的 主要 就是满足战场 上的 通信的 需求。 在 现代战场中 ， 无法 像平时那样 依靠预先建设好的网络通信设施进行通信，首先 ， 战场上预先铺设的网络通信 设施 几乎不 会 存在， 其次 ， 即使有 也会随时 受到 毁灭性 的 破坏 【 3】。 所以 ，能 自组织 、 无 中心 是这种网络 技术 和 其他 一般性的通信网络技术 的 重要区别 之一。 在这种 网络中 ，每个 结点 都保持 动态且 可以任意 分布 【 2】 ， 结点之间的 通信 通过无线的方法来实现。 分组无线网络的研究 项目事实上 也就是开启了 移动自组网（ Mobile Ad Hoc Network，简称 MANET 或 Ad Hoc 网络 ） 【 5】 的 研发。 此外 ，美国政府还 在这个时期开始了其他一些相关 项目 的研究。 然而 ， 此类 研究 项目在当时是严格保密的 ， 所以 从 上世纪 70 年代 一直 到 90 年代 初这段时间里 ，很难 通过当时 公开的 学术资料 中得到 真正 有用 的 相关信息。 美国政府 在 1993 年启动高残存性自适应网络项目 的研究。 开始这个项目的 目的是研究如何将 分组无线网 的 实际 成果加以扩展，以 便 支持 规模 更大的网 络 【 5】。 此后美国又开展了一些其他项目， 在 现有 的 研究 成果 上 开始全面开发 能够满足 现代化战场 需要的网络通信 系统， 这类 研发 一直持续至今。 因为 自组网 的各种特性与优势，使它 可以地应用于 现代化战场、 紧急情况应对与 抢险救灾、传感器网络、 家庭网络、个人网络 等众多领域， 具有很高的应用潜力。 到 目前 为止 ，无线自组织 网络 技术的发展 还没有达到实际应用 这一步 ， 主要 的 研发 仍处在仿真和实验阶段 【 10】。 Ad hoc 网络 概念及特点 Ad hoc 网络概念 Ad hoc 网络中，如果 两个移动 结点 在各自的通信 能力 范围 之 内 ，那么这两个结点就能够 实现直接通信 【 6】。 不过因为 移动结点的通信覆盖范围有限制 ，如果两个 互相超出通信覆盖范围的结点仍需要进行 数据传输 ，则需要依靠 这两个结点 之间的 其他 结点进行 转发 来完成 通信。 所以 在 无线自组织 网络中， 每个结点作为 主机的同时也 是 一个路由器，承担着 路由器所应该进行的 工作。 与此同时， 无线自组织 网络 也 可以 被当成 是 计算机网络 和 无线 通信 技术 【 4】 的交叉计算机信息工程学院毕业设计说明书 6 融合下的新型技术产物。 网络中的移动结点 一般是 笔记本电脑 、 手机、 pad 等移动终端设备 ， 无线自组织 网络不同于 普通 的移动 IP 网络 ： 在移动 IP 网络中， 主机 需要通过预先架设好的网络通信 设施 才能 完成与保持 通信 正常进行 ， 而 基站和基站 之间 采用的均为 有线网络， 整个 IP 网络中使用的路由协议与 一般 的 互联 网 相同 【 4】。 而 Ad hoc 网络 不需要 这些设施的支持。 此外， 与移动 IP网络不同， 无线自组 网络中 结点 的 随机 移动 可能 会导致 整个网络 的 拓扑结构 发生彻底的 改变。 Ad hoc 网络特点 由于组建方式与工作模式和传统的网 络有很大的差别，所以无线自组织网络具有很多 该网络技术 独有的特点 ： 自组织 与 独立性 ： 和一般的通信网络相比 ， 无线自组织 网络 最 显著的特征 就是 不需要 预先建设 的 网络通信设备 的支持， 也能够 随时随地、迅速组织起 一个 可 移动 的 通信网络。 无线自组织网络 的建立 完全 不依赖于已 预先建设好的 通信 设备 ， 所以说 具有一定的独立性。 Ad hoc 网络具备的这种特点决定了它 很适合 偏远地区、抢险救灾 通信等 领域的 应用 【 12】。 无中心特性：在 Ad hoc 网络中并没有任何 结点或者说主机来作为中心去 控制 其他结点， 网络中的 所有结点 都是 通过分布式 的 协议 来 实现 相互连接 【 3】。 一旦 Ad hoc 网络中某个或部分结点出现问题不能进行通信 ， 依旧 能确保其余的移动结点 继续 正常工作。 结点能源限制：由于组成 Ad hoc 网络的结点大都是一些移动设备，如笔记本电脑、手机、 pad 等。 考虑到结点 不可能始终处于静止状态而是不断移动的 ， 而 结点的能源就主要来自于电池 一类的设备 ，所以无线自组织网络具备能源有限的特点。 无线通信带宽 限制 ： 由于 Ad hoc网络 并不依靠 有线基础设施 进行通信， 所以 ，结点 间的 数据传输 全部 通过无线 的形式 来 实现 【 13】 ， 因为 无线 通信 信道 自身 的 物理 条件限制 ， 这种信道 能够 提供 的网络带宽 与 有线 通信 信道 相比肯定 低得多。 生存周期短 ： 无线自组织 网络 一般 被 研究应 用于临时 或紧急的通信场合 ，与 配备有 完善的 基础设施的 有线网络 相比， Ad hoc 网络的生存 周期总体 来说都比 较短。 易受攻击性 ： 一般而言，移动网络都会比固定网络更易受到物理安全攻击， 同样的 ， Ad hoc 网络也存在 易于遭受窃听 和 拒绝服务 等 等 攻击 的问题 【 5】。 为了解决这个问题， 目前已有不断 开发出的 新型 安全技术 被 广泛 应用于 无线自组织 网络 的 通信 中，以此来来减少对网络安全的威胁 【 5】 ， 不过 ，与此同时 无线自组织网络 随机 分布的 特性 让这种网络技术 相对 于集中式的 传统 网络 来说 也算是 拥有了相当的 抗毁性。 Ad hoc 网络路由协议以及分类 在 无线自组织 网络中，结点 的随机 移动 会 导致网络拓扑结构 的变化甚至是彻底更新。 如何 为网络中的数据传送 迅速准确地 发现 到达目的 地 的 路径 ，是 无线自组织 网络计算机信息工程学院毕业设计说明书 7 的 研究与应用化里十分关键的一个 问题。 通过上面章节的介绍我们了解到， 无线自组织 网络 是一个多跳的网络， 移动结点一方面 承担 主机 的工作 ，另一方面 承担 路由器 的职责 ， 比如进行 分组转发和路由维护等工作。 所以说，在采取路由策略方面 Ad hoc 网络与 一般的移动通信 网络 有明显的不同，为了 解决此 类的问题 需要 开发与 采用相应的适用于无线自组织网的路由协议。 在无线自组织网络中，路由协议可以分成以下两大类： 先验式（ Proactive Routing Protocl）路由协议 【 1】 ：这一类路由协议也被称为基于路由表驱动（ Table Driven）的路由协议。 路由 表在每次路 由信息有改变时都 会被更新， 并且 利用已存储在 每个结点的路由表 中的信息 来判断和决定新的路径。 网络中的每个无线结点间隔固定的一段时间就会发送相关的路由信息 ， 每个无线结点会 根据受到的路由 信息 来修改存储在本结点的路由表。 当 无线自组织网中的 拓扑 结构 发生改变使得原本的可用路径失效 ，或 者建立了新的传输路径 ， 网络的结点都会收 到 关于路由改变的 信息 ，这种更新 是不间断的，就能使得网络中所有的结点都能找到可用的路径来进行通信。 采用先验式路由协议，源结点在传送数据 包 时已经得知到达目的结点 的 完整 路径，从而不会有延迟存在。 采用这类 协议 的缺点是网络中的结点必须去不停断 地广播 路由信息， 这样就非常 浪费无线网络的频宽与无线结点的 能源，同时容易造成广播风暴、信息泛洪等。 如果增加广播之间的间隔时间，以此来减少对频宽和结点能源的浪费，那又会导致结点存储的路由表无法即时回馈网络的拓扑 结构的变化， 目的序列距离矢量路由协议 DestinationSequenced DistanceVector Protocol（ DSDV） 就属于这一类 路由协议。 反应式（ Reactive Routing Protocol）路由 协议 【 1】 ：这一类路由协议也被称为按需驱动（ OnDemand Driven）的路由协议， 因为它只有在有需要时才会主动发现路径，而不是被动或持续不断地持续着， 包括了路由发现和路由维护两个过程。 采用这种协议时 ，无线结点只有在需要传送 数据包 却 发现不了到达目的结点 的 可用 路径时，才会开始 协议 的 运作。 当一个无线结点想要传送数据给另外一个无线结点时，来源端结点会去调用一个路径发现程序（ Routediscovery Process） 【 1】 ，并将此路径保存在 结点的 缓存器中，直到过期或是发生路径无效等状况。 和 先验式路由协议 比较起来 ，反应式路由协议在每个结点 所 需要的数据量 都比 较小 【 2】 ，且不需要保存 整个网络环境的路由信息，因此 反应式协议的主要优点 就是 占用频宽较少，但其缺点是未必每一个无线结点都要发送数据 包，所以平均端到端延时会较长。 动态源路由协议 Dynamic Source Routing（ DSR）和 按需距离矢量路由协议 Ad hoc OnDemand Distance Vector Routing（ AODV）等就属于这一类 路由协议。 DSDV 路由协议 计算机信息工程学院毕业设计说明书 8 目的序列距离矢量路由协议（ DSDV） 是传统的距离向量算法的改进版本 【 6】。 在 DSDV中， 每个移动结 点都需要维护 （存储并持续更新） 一个路由表， 路由表 会将目的结 点地址 、跳数 、下一跳结点 和目的地序号 等等 存储在表项之中 ， 目的地序号 也被称为循序号码，每笔通信记录都包含着目的地序号， 记录目的地序号 主要 是用来 判别 当前的路径是否 已过期 ，以此来 避免 路由环路情况 的发生。 网络中 结 点 会 不断 地 与 相邻结 点交换 路由表等 信息， 当路由表发生改变，例如当 网络拓扑结构有很大的变化时 ，相应的路由信息也会被广播并更新。 所以路由表的更新具备由事件引发和由时间引发两种特性。 DSDV 提供两种主动式的无线环境更新信息策略：如果网络拓扑变化较快， 就将完整的路径表信息传送给邻居，称为 全部更新（ Full dump） ； 还有一个 方式 被称为 部分更新（ Incremental update），更新消息只是从上次交换至今所更改的部分信息发送出去 ， 所以 通常 被应 用于网络 拓扑结构 变化 不明显 的情况。 在 DSDV 路由协议 中，结点在收到 目的结点的序列号后会与路由表中 已有 的序列号进行比较，然后选择 序列号最高的路由， 更新该节点的路由表。 如果两个 目的结点序列号相同 ，那么将 比较其他特性来 选择最优的路由（ 比 如 系统 开销最少 等 ） 【 6】。 DSR 路由协议 动态源路由协议 （ DSR）， 设计时 利用源路由的 思想 【 8】 ， 网络中 的 每个结点都会维护一个路径缓存器来记录它所存储的源路由 【 1】 ，当该节点发现新 的 路由时就会更新自己的路径缓存 ， 因此 是一种基于源路由的按需路由协议。 因为 DSR 中的结点只在需要寻找路径时 ， 才会 尝试 去动态寻找路径，所以大大减 少了协议开销以及路由发现的耗费。 DSR 路由协议包含两个主要部分 ：路由发现和路由维护。 网络中某个结点想要传送数据包给另外一个结点时，首先会检查自己的路径缓存中是否有能够达到目的结点的可用路径。 如果发现 路径 存在且 没有过期，那么就 直接 采用这条 路径。 如果未发现，则向其他结点广播该路由请求。 这个路由请求包含了源结点和目的结点地址的唯一标识符，收到广播的结点将这些信息对照自己的路径缓存，如果有就把路径回馈给源结点，如果没有就记录该目的地地址然后继续向其他结点转发此路由请求，这就是路由发现的过程。 由于每一个跳跃（ Hop）都会被路径记录所存储，所以在完成 路由发现这个过程之后 ， 目的结点 可能会 发现 很多 条从源结点到达目的结点的路径， 目的结点会根据其他特性选择最佳路径，并将此信息发送回源结点。 在 DSR 协议 中，由于 是 采用洪泛方式 进行 广播路由请求 【 3】 ， 所以相邻结 点 之 间的 进行请求 路由消息 时 可能会遇到重复广播和传播冲突 等等 问题。 AODV 路由协议 计算机信息工程学院毕业设计说明书 9 按需距离矢量路由协议（ AODV） 是 DSDV 路由协议和 DSR 路由协议 的 结合与 改进 【 9】 ，既有 DSDV 中的周期广播、序列号、逐跳路由等，又有 DSR 按需进行路由维护和路由发现的功能。 路由 发现过程与 DSR 中的发现过程基本相同，源结点为了向目的结点发送数据包，将首先检查自己的路由表中是否有可用路径。 如没有，则向邻居结点广播路由请求。 邻居结 点 收到请求后会检查路由请求中的目的地址是否是自己，如果不是则修改路由表信息，然后继续向周围结点广播该请求，直到出现一个结点发现目的结点地址已存储在自己的路由表中或者目的结点就是自己本身。 在 AODV 协议中， 路由请求分组中的序列号 被用来防止循环路由的发生，此外， 每一个请求都会被分配有一个 ID，这是用来 避免重复 的请求分组 信息拥堵在网络 当 中。 当一个结 点 收到路由请求分 组时，它首先会判断之前是否收到过， 若是之前 收到过就将其抛弃。 在转发路由请求分组时，该结点会将上一次请求的 ID 存储在 路由表 中，依靠这些信息构建一条由目的结点到达源结点的反向路由。 在 AODV 中，当源结点 移动时就会重新启动路由发现过程， 如果中间 结 点移动， 该结点的邻居结点就会发现与其相关的路径失效 ，然后将相关失效信息向路径中的上游节点反馈直至源结点收到该信息，源结点将据此判断是否要再一次发起路由发现过程。 本章小结 本章主要是对 Ad hoc 网络的概述介绍。 首先介绍了 Ad hoc 网络的形成与发展。 知道了 Ad hoc 网络是上世纪 70 年代由美国开始研究以应对军事需要的产物。 随着现代科技的发展，由于 Ad hoc 网络的优点， 相关的研究 越来越受到人们的重视，而关于Ad hoc 网络的研发目前主要处在仿真和实验的阶段。 本章 然后介绍了 Ad hoc 网络的概念与特点。 Ad hoc 网 络是对等式的 不需要预先架设好通信设备 的通信网络，采用分组交换机制，每个结点既 是主机也是路由器，具备 结点移动 性 、无中心、自组织、独立组网等等特点。 本章还重点介绍了 Ad hoc 网络的路由协议。 首先介绍了 Ad hoc 网络路由协议的分类， 可以分成两大类：先验式 和反应式。 先验式网络协议也称 为表驱动协议，每个移动 结点 会周期性发送一些路由。