Ad hoc网络实时性的研究及协议改进

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 2.29MB 55 页 15积分

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摘要

Ad hoc 网络是没有固定基础设备支持的，由多个移动主机节点组成的自组织无

线网络。它和传统蜂窝网络系统之间有比较大的区别，Ad hoc 网络不需要有中心

基站转接和控制，而且也没有相对固定的移动交换中心。目前实时业务在移动 Ad

hoc 网络的数据传输正日益成为企业和个人通信的研究热点，这正是由于 Ad hoc

网络的灵活性、快速自组性、按需的支持终端用户的移动特性。并能实现最广泛、

无缝和真正的连续多媒体通信。

在任何类型的网络中，影响实时数据传输的因素无非是传输的延迟和包的丢

失。Ad hoc 网络拓扑结构的动态变化使得实时业务的服务质量(QoS)更难得到保

障。包的丢失不仅会造成包的错误，还会为后继的包的传输带来错误。而当今适

用于 Ad hoc 网络的路由协议都是针对大规模的 Ad hoc 网络，并且都趋向于减少路

由开销，相应的带来很多影响数据实时性的弊端。文章会分析找出这些弊端的来

源并加以改进。

路由协议是无线移动自组网的重要组成部分。目前，大多数路由协议是单一路

径的，但在现代信息时代不仅要求数据通信量大，而且还要安全可靠。单一路径

的路由很难满足现代通信的要求。

网络层的路由协议是 Ad hoc 网络的一个重要的组成部分，常用的包括

DSR,AODV 等。目前，大多数路由协议是单一路径的。但是对于现代信息时代来

讲，单一路径并不能满足用户对海量数据通信的要求，也不能满足数据通信的实

时性。单一路径的路由很难满足现代通信的要求。

通过响应式路由协议发送实时数据的一个很大的弊端是：在源端发送数据的

过程中会发生路由中断，而且为了继续发送数据源端必须进行新的路由发现。而

这一“中断——新的路由发现”过程是很耗时的。鉴于此，文章提出在实时性要

求比较高的 Ad hoc 网络中结合使用多路径路由和 DSR 协议，着重分析 DSR 在实

时性上的不足，加以改进。还进一步提出了一种能够检测链路状态的机制，使得

源节点能够提早发现或检测，提早进行路由发现。避免节点由于上述的耗时的过

程，增加整个网络的实时性。

文章分析了 NS2 和GloMosim 仿真模拟系统中网络层路由算法的实现，对 DSR

进行改进。仿真模拟结果表明提出的算法对提高 Ad hoc 网络吞吐量和降低平均时

延等有明显的效果，具有很好的应用潜力。

关键词：Ad hoc 网络 DSR 路由协议网络实时性 GloMoSim

ABSTRACT

For an Ad Hoc network, which is a wireless communication system, there is not a

fixed wired or wireless infrastructure. It is a self-organizing and network contains many

mobile nodes which actually are embedded computer. It differs a lot from a

conventional cellular technology, as it never has a a centralized entity that can forward

or control data frames. Thus all the protocols have to run in the way of

distributing．Currently, Real-time transmission in mobile Ad Hoc network is becoming

to be more and more hotspot in wireless research fields for enterprise and personal

communication. The Ad hoc network is more flexible and fast self-organizing, that can

perfectly response to terminal user's mobility, which finally can realize wide, seamless

and continuous communication.

Real-time data is very sensitive for delay and packet losses. And the changing

topology in Ad hoc network makes it much harder to guarantee the QoS on real-time

data. A lost frame will not only cause error within its frame but also introduce error

propagation in the following frames. The most common routing protocols today are

reactive routing protocols that focus on scalability for very large network and to reduce

the routing overhead. Accordingly, it brings lots fault to the transfer of real-time data.

This paper will analyze the current protocol’s weakness for real-time transferring and

give some solution to rectify these faults.

Routing protocol play an important part in wireless mobile ad hoc networks, like

DSR, AODV. Currently, most routing protocols are single-path, yet information age

requires not only large amount of data traffic, but also safe and reliable in the modern.

Single-path routing is difficult to meet the requirements of modern communication and

the real-time business.

There is an obvious defect to send real-time data using DSR protocol. It is possible

that route may break during the procedure of transmitting data. The will definitely

initiate a new route discovery, which usually take much time to do or time-consuming.

In order to solve the defect, in this paper we will combine multi-path route and DSR,

and analyze the items that unnecessarily consume time, then improve DSR. Further

more, we will add a new mechanism which can dynamically predict the current link

status on a routing path. So that the source nodes can timely begin a route discovery

before the weak link is broken. This surely will guarantee the real-time feature to some

extern.

To verify the improved algorithm, papers analyzed the GloMosim simulation

system, the implementation of network layer routing algorithm, and substitute the

former DSR protocol with our improved one. Simulation results show that the improved

algorithm for increasing the survival time of Ad hoc networks to improve network

throughput and reduce the average delay so apparent results.

Key Word ：Ad hoc Network, DSR protocol, Network Real-time,

GloMoSim

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.......................................................................................................................................1

§1.1 引言...................................................................................................................1

§1.2 论文的主要工作...............................................................................................2

§1.3 论文结构和安排...............................................................................................2

第二章移动 Ad Hoc 网络 ...........................................................................................4

§2.1 Ad hoc 网络 ....................................................................................................... 4

§2.1.1 Ad hoc 网络的定义与起源................................................................4

§2.1.2 移动 Ad hoc 网络的特性...................................................................5

§2.1.3 Ad hoc 网络的应用场合....................................................................7

§2.2 Ad hoc 网络的体系结构 ................................................................................ 8

§2.2.1 节点的构成........................................................................................ 8

§2.2.2 Ad hoc 网络的拓扑结构....................................................................9

§2.2.3 Ad hoc 网络的协议栈......................................................................10

§2.3 Ad hoc 网络的路由协议 ................................................................................. 11

§2.3.1 表驱动路由协议和按需路由协议的比较.......................................12

§2.3.2 单路径路由.......................................................................................13

§2.3.3 多路径路由协议...............................................................................16

§2.3.4 多路径路由和单路径路由的对比...................................................19

§2.4 Ad Hoc 网络中实时性 .................................................................................... 21

§2.5 Ad Hoc 网络中链路性能评估 ........................................................................ 21

§2.6 Ad Hoc 网络的各种特性对实时性的影响 .................................................... 22

§2.6.1 动态的拓扑变化...............................................................................23

§2.6.2 有限的可用网络资源........................................................................23

第三章一种动态源路由协议实时性的改进...............................................................25

§3.1 动态源路由协议在实时性上的不足.............................................................25

§3.1.1 路由发现（Route Discovery）......................................................25

§3.1.2 路由维护(Route Maintenance).....................................................26

§3.1.3 针对 Ad hoc 网络路由协议实时化的解决方案..............................27

§3.2 改进的具有实时性质的 DSR ........................................................................27

§3.3 仿真实验.........................................................................................................30

§3.3.1 实验工具及环境配置.......................................................................30

§3.3.2 仿真结果分析...................................................................................32

§3.3.3 平均端到端延时...............................................................................32

§3.3.4 包投递率...........................................................................................32

§3.3.5 路由发现开销....................................................................................33

§3.4 本章小结.......................................................................................................34

第四章一种可以预测链路状态的 DSR 的改进.................................................................. 35

§4.1 多路径实时动态源路由（MRDSR）............................................................35

§4.2 及时的路由发现（Timely Route Discovery）............................................. 36

§4.2.1 修改路由缓存数据结构...................................................................37

§4.2.2 数据包的格式...................................................................................37

§4.2.3 路由维护和路由发现.......................................................................37

§4.3 仿真实验.........................................................................................................38

§4.3.1 实验工具和设置...............................................................................38

§4.3.2 实验场景设置与实验数据分析........................................................39

§4.4 本章小结........................................................................................................45

第五章总结与展望....................................................................................................................... 46

§5.1 论文总结.........................................................................................................46

§5.2 存在的问题.....................................................................................................46

§5.3 研究展望.........................................................................................................47

参考文献............................................................................................................................................48

攻读硕士学位期间公开发表的学术论文................................................................................51

致谢..................................................................................................................................................... 52

第一章引言

第一章绪论

§1.1 引言

移动 Ad Hoc 网络是一种不依赖于固定基础设施的自组织的无线网络。它的英

文名称为 Mobile Ad Hoc Network (MANET) ，在组网方面方便快速，不受空间和

时间的限制。既可以用于救援、战场、会议、探险、危险环境和远距离的目标监

控各场合，也可以作为蜂窝网络进一步的扩展。由于 Ad hoc 网络的相对于有线网

络来说组网方便、快捷，因而越来越多的受到大众的青睐。

随着 Ad hoc 网络越来越多的引起人们的重视，Ad hoc 网络技术如雨后春笋般

层出不穷。如物理层的自适应技术、路由协议、网络安全、信道接入技术、服务

质量保证（QoS）等等。其中 QoS 是Ad hoc 网络研究的一个重点，尤其是那些对

QoS 敏感的实时（real-time）应用，对分组丢失率（Package loss rate）,分组延迟

（Delay）,抖动等性能指标要求都非常高。所以需要采取一些额外的技术，才能

提高和改善 Ad hoc 网络中实时应用的 QoS 性能。

对于移动 Ad hoc 网络的实时业务而言，分组传输可靠性是和应用质量密切相

关的一个最值得关注的性能指标。在 Ad hoc 网络中，无线信道的通信质量总是受

到相当多的环境因素的影响，从而性能随时可能改变。网络拓扑结构不停的变化

（Ad hoc 网络最大的特性之一），端到端的传输要经过多个中间移动节点，这些都

在很大的程度上影响每次传输数据的成功率。Ad hoc 网络中，每个节点既是采集

数据、计算着的主机，又是一台路由器。数据通过多跳（Multi-hop）到达目的节

点。为了提高传输成功率，网络一般会采取像 ARQ（Automatic Repeat request）的

重传技术，但是多次的重传会在很大程度上增加了端到端的延迟和抖动，这样当

然会对实时业务的质量带来很大的影响，对实时业务来说是不能容忍的。

理论研究发现，另外的一种增加数据传输可靠性的方法是冗余技术，代价是损

失一些带宽资源，比如多路径路由（Multi-path route）。每次数据传输都通过多条

路由路径发出去，这当然会在一定程度上浪费一些带宽，但是数据传输成功的概

率则会大大提高。这能够减小实时业务的延迟，调高每次数据传输的成功率。冗

余技术是以“浪费”带宽为基础的，往往更高的冗余度总是带来更好的容错性。

对于在 Ad hoc 网络应用实时业务，网络路由协议的选取也是很重要的。DSR

（动态源路由协议）是按需（on-demand），只会在必要的时候去进行路由发现（Route

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摘要Adhoc网络是没有固定基础设备支持的，由多个移动主机节点组成的自组织无线网络。它和传统蜂窝网络系统之间有比较大的区别，Adhoc网络不需要有中心基站转接和控制，而且也没有相对固定的移动交换中心。目前实时业务在移动Adhoc网络的数据传输正日益成为企业和个人通信的研究热点，这正是由于Adhoc网络的灵活性、快速自组性、按需的支持终端用户的移动特性。并能实现最广泛、无缝和真正的连续多媒体通信。在任何类型的网络中，影响实时数据传输的因素无非是传输的延迟和包的丢失。Adhoc网络拓扑结构的动态变化使得实时业务的服务质量(QoS)更难得到保障。包的丢失不仅会造成包的错误，还会为后继的包的传输带来错...

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