AdHoc网络路由协议的研究与NS2仿真图文精.docx
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AdHoc网络路由协议的研究与NS2仿真图文精
武汉理工大学
硕士学位论文
AdHoc网络路由协议的研究与NS2仿真
姓名:
吴继春
申请学位级别:
硕士
专业:
计算机应用技术
指导教师:
李腊元
20050601
武汉理T大学硕士学位论文
摘要
无线自组（AdHoc网是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳、临时、无中心网络,可以在任何时候,任何地点快速构建起来的移动通信网络,并且不需要现有基础网络设施的支持,网络中的每个终端可以自由移动,地位相等。
考虑到AdHoa网络中节点是移动的,网络的拓扑结构才i断变化,传统的用于因特网的路由协议（如RIP、OSPF等无法适应AdHoc网络的实际需要,同时由于移动节点的计算能力和存储容量较低,并且能源受限,要求路由协议尽量简单,这又增加了AdHoc网络中路由协议设计的难度。
在过去的二十年问,研究者为无线自组网提出了一系列的路由协议。
实现和仿真这些路由协议己成为路由协议研究的重要内容。
本文首先介绍了AdHoc网络的特点,对现有的无线自组网单播和多播路由协议进行了详细阐述,并实现了典型的单播路由协议,在NS2上进行了仿真和分析。
在广播中继技术的基础上,对现有的基于洪泛机制的单播路由协议和多播协议提出了通用改进方法,具体实现了AODV协议的改进协议AODV—MPR,并在NS2上进行了仿真研究。
同时实现并改进了多播MAODV协议,在同现有算法对比的基础上,用NS2仿真软件对该改进算法进行了性能分析,并得出仿真结果该改进算法在效率上优于原有算法。
最后总结了本论文所做的工作,并指出本课题领域有待于进一步研究的问题。
本文总共分为8章,其内容如下:
第1章,主要引入了无线自组网的概念,简单介绍了AdHoc网络的历史,特点和研究热点,并讲述了无线自组网的应用前景,同时介绍了本课题的来源及研究的意义,最后讲述了本文的工作和创新点。
第2章,详细的介绍了Adlioc网络的单播路由协议。
第3章,详细的介绍了Adfloc网络的多播路由协议。
第4章,引入了网络仿真的概念,着重介绍了一种免费开源的网络仿真器NS2的发展情况,NS2的使用及在网路仿真的应用。
第5章,实现了AODV,DSR,DSDV,TORA等Adtloc网络的几种典型单播路由协议,并用NS2进行了仿真分析。
第6章,阐述了基于洪泛机制的路由协议,并在广播中继原理基础上,对现有的单播和多播路由协议提出了一种通用改进方法,同时讨论比较了AODV协议的改进协议AODV—MPR,并具体的实现了AODV—MPR协议,在NS2进行了分析,试验仿真结果证明了它的效率会比传统算法大大提高。
第7章,重点考察了一种目前尚处于工业IETF的建议草案（DraftProposal,但极有希望成为工业IETF标准（RFC的多播路由协议:
自组网多播距离向量MAODV协议,在工作中,发现了一些MAODV草案中需要改进的问题,并提出了修改建议,在此基础上实现了新的改进的MAODV协议,在NS2下试验仿真结果证明了它的效率更高。
第8章,给出了本文的总结,并对下一步的工作作了展望。
本论文得到了国家自然科学基金资助项目（批准号:
90304018的资助。
关键词:
无线自组网,AdHoc网络,OoS,路由算法,网络仿真
武汉理工大学硕士学位论文
Abstract
WirelessAdHocnetworkscomposedofmobileterminalnodeswithwireless
communicationdevicearetypicallycharacterizedbytheirmulti—hop,temporaryand
besuppofledun.center,canbequicklybuiltupinanywhereandatanytime,needn’t
bybasicnetworkdeviceswhichhavebeenconstructed,andeveryterminalcanmove
freelyandequally.ConsideringthemovingofnodesinAdHocnetworksandconstantlyvarietyofnetworktopology,theroutingprotocolssuchasRIP,OSPFetcusedintraditionalInternetcanbenotadaptedtotheneedofAdHocnetworksinfact,atthesametime,duetothecompute-capabilityofmobilenodesandstorage‘capacityarelowandtheenergysourcesarclimited,sotheroutingprotocolshavetobesimpleasbest.AllthoseaddthedifficultytoroutingprotocoldesigninAdHoenetworks,Inthepasttwentyyears,manyresearchersputforwardaseriesofroutingprotocolsforAdHocnetworks.SoimplementandsimulationofthoseroutingprotocolshavebeentheimportantissuesforAdHocresearchingroutingprotoc01.
Firstly,thispaperdescribesthebasiccharacteristicofAdHoenetworks,andintroducestheexistingunicastandmulticastroutingprotocolsindetail,and
andsimulatesimplementsthosetypicalunicastroutingprotocol,andthenanalyses
themusedbyNS2,Onthebasisofbroadcast—relaytechnology,acommonimprovingmethodonexistingunicastandmulticastroutingprotocolsbasedon
AODV-MPRprotocolbasedonAODVisflooding—mechanismisproposed,anew
implemented,andanalysesandsimulatesitbyNS2.Atthesametime,implementsandimprovesthemulticastroutingprotocolMAODV.Onthefoundationofcomparingtheexistingalgorithms,NS2isusedtoanalyzetheirperformance.Thestudyshowsthatthenewalgorithmsaremoreefficient.Finally,conclusionsofthispaperandsuggestionsforfutureresearcharegiven.
Thisarticlehaseightchaptersasbelow.
Chapter1introducestheconceptofAdHocnetworks,thehistory,
characteristic,researchhotspot,futureapplicationofAdHoenetworksaresimply
andresearchmeaningofthisarticle.theworkingpresent,alsointroducestheSOlffCe
andinnovationofthispaperaregivenatlast.
Chapter2describesdetailedlythebasicprincipleofAdHocunicastroutingprotoc01.
Chapter3introducesdetailedlybasicprincipleofthemulticastroutingprotocolsinAdHocnetworks.
II
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Chapter4bringstheconceptofnetworksimulator,emphasizeintroducesthefreesoftwareNS2anditsutilities.
Chapter5implementssometypicalunicastroutingprotocolsofAdHocnetworkssuchasAODV,DSR,DSDV'TORAetc,simulatesandanalysestheperformanceofthemwithNS2.
Chapter6expatiatesroutingprotocolbaseonflooding—mechanism,thenputforwardacommonimprovingmethodtoexistingunicastandmulticastroutingprotocolsbasedonbroadcast—relayprinciple,atthesametime,discussesandcomparestheAODV-MPRalgorithmswithAODv,thenimplementtheAODV-MPRprotocol,atlast,simulatesitinNS2andtheresultsshowthatitwasmoreefficientthanthetraditionalalgorithms.
Chapter7MAODVprotocolwhichisinthestageofDraftproposalinIETFstandardizationprocessandacandidateforRFC（RequestForComment.Intheauthor‘Swork,foundthattherearesomeimprovementstoMAODVDraftproposal,andsomeadvisearegiven,andthenewimprovingMAODVprotocolisimplemented,Theexperimentalresultsshowthatthealgorithmsproposedabovewasmoreefficiency.
Chapter8summarizesthispaper,atthesametime,suggestionsforfutureresearcharegiven.
ThispaperissupposedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina（ProjectsNo:
90304018.
Keywords:
AdHoc,QoS,RoutingAlgorithm,NetworkSimulator
III
武汉理丁大学硕士学位论文
第1章绪论
1.1引言
随着信息技术地不断发展,人们对移动通信的需求越来越强。
近年来,移动通信技术得到了飞速发展和普及,新技术不断涌现。
蜂窝移动通信系统的发展历程就是最有力的证明。
此外,无线局域网（IEEE802.1l和HiperLAN,蓝牙（Bluetooth,家庭无线网（HomeRF等移动通信技术也纷纷涌现。
我们经常提到的移动通信技术一般都是集中式控制的,即是有中心的。
它们通常要基于预先架设的网络基础设施才能运行。
而Ad-Hoc无线网络又称移动自组网、多跳网络,是在没有任何现存网络基础设施或是集中管理的情况下动态形成的暂时网络。
由于无线节点的发射功率和无线网络接口传输范围的限制,多跳网络可能需要有一个节点或多个节点来和网络中的其他节点交换数据,而且网络中的移动节点动态的在他们之间建立路由以形成动态变化的网络。
在这种网络中,每一个移动节点不仅作为主机而且还作为路由器来为网络中的其他不能直接通信的节点转发分组信息。
目前AdHoc网络已成为美国军方、官方等研究机构和大学里的学者的研究热点,甚至出现一些专门的学术研讨会和因特网的学术讨论组,这一研究热点已迅速扩展至世界范围。
1.2AdHoc网络的历史
一般认为,没有基础设施的网络出现在20世纪70年代,在最初开发报文交换技术（后来发展成因特网不久,美国国防部高级研究规划署（DARPA资助了一项特别的研究一分组无线网络（PacketRadioNetwork1972年,即让报文交换技术在不受固定或有线的基础设施限制的环境下运行。
最初的动机之一就是满足战场生存的军事需求。
在战场恶劣的环境下,通信设备不可能依赖已经敷设的通信基础设施,一方面这些设施可能根本不存在,另一方面,这些设施会随时遭到破坏。
因此,能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本要素。
在结构上,这种网络是由一系列移动结
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点组成,是一种自组织的网络,它不依赖于任何已有的网络基础设施。
网络巾的结点动态且任意分布,结点之间通过无线方式互连,它将分组交换网络的概念引伸到广播网络的范畴。
这项工作开辟了移动自组网（MobileAdIlocNetwork,简称AdHoe网络或MANET研发的先河。
与此同时,美国政府还资助了其他一些相关研究项目,其中包括“可生存自适应网络（SURAN1983年”、“低成本报文无线电（LCR”、“可生存通信网络（SCN”、“战术因特网和近期无线电（NTDR”项目等。
不过,这些研究内容在当时并没有公开,在20世纪70年代到90年代早期,我们很难从公开的出版物上获得有价值的理论与技术成果。
由于自组网可以广泛地应用于战场通信指挥与控制、警察与医疗部门的抢险救灾、传感器网络、课堂教育等众多领域,其战略意义非常重要。
gO年代中期,随着…些技术的公开,1994年DARPA启动了全球移动信息系统（GloMo,成立于1991年的[EEE802.11标准委员会采用了“AdHoc网络”~词,此后AdHoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。
目前AdHoc网络尚未达到完全实用阶段,大部分工作仍处在仿真和实验阶段,仿真规模在数百至数千结点,实验规模在几十个结点左右…。
1.3AdHoc网络的特征与研究热点
由于移动AdHoc网络是一种移动、多跳、自律式系统,因此它具有以下一些主要特征:
（1独立组网:
即网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施。
节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立地网络。
（2无中心:
所有节点地位平等,节点可以随时加入离开网络,任意节点故障不会影响整个网络运行,是一个无中心结构地对等式网络,抗毁性强。
（3自组织:
没有严格地控制中心,所有节点通过分层地网络协议和分布式算法协调各自的行为。
（4多跳路由:
由于节点发射功率的限制,节点的覆盖范围是有限的。
当要与其覆盖范围之外的节点进行通信时,需要中间节点的转发,即要经过多跳。
（5动态拓扑;即网络中的节点可以任意移动,并且可以随时关闭电台,发送装置的天线类型多种多样,发送功率的变化,无线信道间的相互干扰,地形和天气等综合因素的影响,造成网络的拓扑结构变化难测。
2
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（6链路带宽受限、容量时变:
由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化,因此与有线网络不同,它的链路容量表现出时变特征。
（7动力受限:
由于网络节点的移动特征,其中大多数节点以电池作为动力,因而在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标。
（8物理一h安全有限:
移动网络比固定网络更易受到安全威胁。
需要克服无线链路的安全弱点及移动拓扑所带来的新的安全隐患。
90年代以来,移动AdHoc网络的研究在世界范围内方兴未艾,已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。
目前,无论在国际上,还是在区域上（欧洲和亚洲等地区,周期性的Adlloc网络学术会议同益增多。
总结国内外研究现状,AdHoc网络成果主要在以下几个方面:
（1提出新的路由协议。
新协议一股以广播或多播方式建立网络路{_}j,核心是减少广播风暴。
目前,一般普遍得到认可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等”1。
源头性的创新性研究主要集中在2001年以前,后续的成果多为这些协议的改进。
目前,路由协议的研究仍然是AdHoc网络成果最集中的部分。
不过,从实现的难度来看,这些协议离实用性还有一定的距离。
（2提出基于AdHoc网络的媒体接入控制（MAc协议。
主要是解决隐藏终端和暴露终端问题,影响比较大的有MACA协议,即RTS/CTS/ACK方案,控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议,以及一些改进类的MAC协议。
有一些研究则是侧重于将IEEE802.11的MAC协议移植到AdHoc网络中。
基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越,但在技术上实现的难度较大。
（3AdHoc网络与蜂窝网的互连互通。
文[3—5]研究并提出了一种iCAR（internetCellularandAdHocRealY系统,提供蜂窝小区内信号的补盲。
该方案给出了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价。
从结果看,该系统只是针对目前的2G系统,尚无法联系到基于IP方式的分组网络。
最近,文[6]提出了一种在蜂窝网上覆盖一个无线多跳网络的方案,其中用一些无线路由器来代替蜂窝网络中的一些结点。
该结构与文献[3~5]所提一致,但通过优化路由、信道规划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化,其他方面没有太多的贡献。
（4基于AdHoc网络的多播/组播协议、TCP协议、地址分配、功率（节能
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控制、安全性问题、分布式算法、floS等方面有一些研究成果,但各部分的数量相对较少。
其中比较有意思的有,文[7]试图把移动IP扩展到AdHoc网络,基本方案是要用特定的RIP协议（RoutingInformatiOnProtoc01作为路由协议,但这种方案与AdHoc网络的其他路由西议不相容。
（5在实验和应用网络的构建上,最近比较值得注意的是,一些学者J下在研究用蓝牙节点组建AdHoc网络。
目前已有一些文献针对基于蓝牙的AdHoc网络的形成提出了各种不同的协议或方案。
（6国内学者所发表的AdHoc网络的研究成果较少。
从2001年起,开始有少量成果发表,研究类的论文大约有数十篇,主要成果基本上集中在路由协议的一些改进,少量成果涉及MAC协议的研究。
可以说国内在该研究领域基本上是刚刚起步。
1.4AdHoc网络的应用
移动Adaoc网络潜在的应用很多,可分为以下几类:
（1移动会议:
在室外临时环境中,工作团体的所有成员可以通过AdHoc方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务,或协同完成某个计算任务。
在室内办公环境中,办公人员携带的包含AdHoc收藏器的PDA可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件,更新工作日程表等。
（2家庭网关:
通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭,必要时在家庭办公。
或者利用我们随身携带的个人无线AdHoc设备与装备了AdHoc收发器的家庭电器通信,自动完成开锁、开灯、打丌娱乐设备、调节空调等操作。
（3紧急服务:
由于停电或其他灾害出现,网络基础设施遭到破坏时,组建一个AdHoc网络帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。
（4传感器网络:
最近,人们开始关注大量分布的传感器协调工作问题。
传感器可以工作在危险的环境（如化学有害物质泄漏现场,通过在传感器上装各位置指示器、AdHoc收发器等,将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外,避免救援人员进入现场,收集和辩别事故信息。
（5个人域网络:
通过AdHoc网络把个人通信、娱乐、办公等设备联网,这些设备可以或不需要与因特网相连,但在执行用户的某项活动时肯定需要彼
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此通信,在这种情况下,移动性不是主要问题。
（6军事无线通信:
在现代化战场上,各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之问都需要保持密切的联系,以完成集中一指挥,协调作战。
这样的通信网络是一种典型的AdHoc网络。
据报道,在最近的伊拉克战争中,移动AdHoc网络得到有效的应用”1。
（7其他商业应用:
如未来装备AdHoc收发设备的机场预约和登机系统呵以自动地与乘客携带的个人无线Ad№c设备通信,完成目前的换登机牌等手续。
如商场内商品RF标签,廉价的RF标签可以通过无线接口出AdHoc设备动态刷新。
顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到某种商品和价格,这种设备已由NCR公司生产㈨。
1.5本课题来源及研究意义
最近几年来,Internet的应用得到了飞速发展,连入网络的主机和用户逐年呈指数增长。
与此同时,移动计算机网络业务已逐渐成为人们同益关注的话题。
在网络中提供移动性支持可使网络用户在任何时刻、任何地点通过网络发送和接收各种数据,实现人们提出的“Anytime,Anywhere,MobileNetworksinyourpocket”的愿望。
移动自组网作为移动计算的一种特殊形式,由于它不需要固定的基站,各个节点均可自由移动,且能实现动态的链接。
加上其具有生存性极强,且倒建与移动极为方便的特点,使之弥补了蜂窝系统与有线网络的不足,在许多特殊情况下有着不可替代的作用,可广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境,且可以作为生存性极强的后备网络。
其应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合,尤其在未来战场上,AdHoc网络对于高技术武器装备、集中指挥、协同作战和提高作战机动性等具有非常重要的意义。
因此,与扩频通信技术~样,源于军事领域研究的移动AdHoc网络,必将对科技进步具有重大促进作用。
同时,随着移动自组网络研究的发展和相关产品的成熟,移动自组网必将越来越受到人们的重视,会有越来越多的应用领域,因而其具有广泛的研究与发展前景,给民用产品的开发也带来了巨大的经济和
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社会效益。
而路由协议作为影响网络性能的一个重要因素,是确保移动自组网络『F确运行的关键。
对该领域进行深入而广泛的研究将为移动自组网的应用提供重要科学依据。
我们希望我国的学者广泛地开展AdHoc网络的研究,通过此项研究,获得具有我国自主知识产权的相关技术,以适应我国未来高技术民用和军事发展的需要。
这项研
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