544.DiffServ在无线Ad hoc网络中的应用.doc

编编 号：号： 审定成绩：审定成绩： 毕业设计（论毕业设计（论 文）文） 设计（论文）题目：设计（论文）题目： DiffServ 在无线在无线 Ad hoc 网络中的应用网络中的应用 单位（二级学院）：单位（二级学院）： 通信与信息工程学院通信与信息工程学院 学学 生生 姓姓 名名 ： 专专 业业 ： 电子信息工程电子信息工程 班班 级级 ： 学学 号号 ： 指指 导导 教教 师师 ： 答辩组答辩组 负责人负责人 ： 填表时间：填表时间： 年年 月月 学院教务处制学院教务处制 学院毕业设计（论文） 第 1 页 【摘要摘要】 无线 Ad hoc 网络是一种没有固定结构的自组织无线网络。它的每一个节点都可以 自由移动，同时具有主机和路由器的功能，向其它节点发送数据包。随着多媒体应用的兴起 和无线 Ad hoc 自身的商业潜力，对无线 Ad hoc 网络提供 QoS 保证成为了一个急需解决的问 题。 由于无线 Ad hoc 网络自身具有带宽有限，拓扑动态变化的特点，在无线 Ad hoc 网络中 实现 QoS 是一项非常困难的工作。目前已知的一些 QoS 服务模型，主要是针对 Internet 或 其他网络的，并不适应于无线 Ad hoc 网络。在本文中，我们首先对网络服务质量（QoS） 的内容做了相应概述，描述了两个 QoS 模型，IntServ 和 DiffServ。接着我们对目前在 Ad hoc 网络中的 QoS 研究做了概述性的分析，包括 QoS 信令，QoS 路由和具有业务区分和资 源预留能力的 MAC 协议，同时还对现存 Ad hoc 网络的 QoS 模型做了分析比较。最后，我 们对区分服务模型进行了一些修改，使之适合无线 Ad hoc 的相应特征，提出了用区分服务 模型实现 Ad hoc 网络的 QoS 保障的方案。最后进行了仿真验证。初步的仿真结果证明，在 无线 Ad hoc 网络中区分服务可以在资源不够用的情况下，降低对低优先级的业务流的服务， 保证对高优先级的业务流的服务，从而使得高优先级的业务流获得较大的吞吐量、较低的延 迟和抖动。 【关键词关键词】 服务质量保障（QoS） 无线 Ad hoc 网络 区分服务模型 NS 学院毕业设计（论文） 第 2 页 【Abstract】Mobile Ad hoc networks (MANETs) are infrastructureless self-organizing wireless networks. Each node can be mobile and has routing capabilities to be able to forward packets on behalf of other nodes. Recently, because of the rising popularity of multimedia applications and potential commercial usage of MANETs, QoS support in MANETs has become an unavoidable task. Due to the bandwidth constraint and dynamic topology of Mobile Ad hoc NETworks (MANET), supporting Quality of Service (QoS) in MANETs is a challenging task. A lot of research has been done on supporting QoS in the Internet and other network architectures, but most of them are not suitable in the MANET environment. In this paper, firstly we review the content related with QoS , secondly we describe the existed QoS model ,IntServ and DiffServ in Internet, and then we review the current research on QoS support in MANETs, which includes QoS resource reservation signaling, QoS routing, and QoS Medium Access Control (MAC),and we also analyze the current QoS model . At last, we propose a differentiated service architecture for MANETs which changes some parts in Diffserv to make it perfect with the characteristics of MANETs. The performance of the proposed architecture is evaluated by NS simulations. Preliminary simulation results show that the proposed architecture can provide better services for higher prioritized traffic by degrading the qualities of lower prioritized traffic when the network resources are insufficient. 【key words】QoS MANETs DiffServ NS 学院毕业设计（论文） 第 3 页 目目 录录 前 言5 第一章 无线 Ad hoc 网络 7 第一节 无线 Ad hoc 网络的概述 7 第二节 无线 Ad hoc 网络结构 7 一、无线 Ad hoc 网络的节点结构 7 二、无线 Ad hoc 网络的网络结构 8 第三节 无线 Ad hoc 网络研究热点 9 一、无线 Ad hoc 网络的特点 9 二、无线 Ad hoc 网络的研究热点 10 第四节 无线 Ad hoc 网络的路由技术 11 一、先应式路由11 二、后应式路由12 第二章 网络服务质量技术(QoS )14 第一节 网络服务质量技术概述14 一、QoS 提出背景14 二、QoS 的基本概念14 第二节 QoS 设计的基本原则15 第三节 QoS 的服务模型16 一、综合服务模型（IntServ）16 二、区分服务模型（DiffServ）18 第三章 DiffServ 在无线 Ad hoc 网络中的应用 21 第一节 Ad hoc 网络的 QoS 概述21 第二节 DiffServ 在 Ad hoc 网络中的应用 24 一、无线 Ad hoc 网络的 QoS 模型特点24 二、现存服务模型在 Ad hoc 网络中的应用讨论 24 三、一种适合于 Ad hoc 网络的区分服务模型 27 学院毕业设计（论文） 第 4 页 第四章 NS 模拟与仿真31 第一节 NS 概述31 第二节 用 NS 对模型进行模拟仿真实现31 一、仿真设置31 二、仿真数据分析33 结 论37 结束语38 参考文献39 附 件40 一、英文原文40 二、英文翻译46 三、源程序55 四、毕业设计 (论文)教学档案 60 学院毕业设计（论文） 第 5 页 前前 言言 无线 Ad hoc(Mobile Ad hoc Network)网是由移动节点构成的无线移动网络，它是一种自 治的无线多跳网，又称为多跳无线网（MultiHop Wireless Network） 、自组织网络 （SelfOrganized Network）或无固定设施的网络（Infrastructureless Network） 。它具有可移动、 自组织、临时性、无中心的特点。 无线Ad hoc网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器，网络中的节点同时具有终 端和路由器的功能，能够实现数据包的存储转发从而进行通信。可应用于灾难救助、军事场 合和小型会议。随着多媒体在无线Ad hoc网络应用加强，同样要求无线Ad hoc网络像有线网 络一样对信息实时、准确地传送，保证分组的带宽、时延等，为无线Ad hoc网络提供服务质 量（QoS）保证受到越来越多的关注。 正如文献1提到，向无线 Ad hoc 网络提供 QoS 保证是一项很具有挑战的工作。无线 Ad hoc 网络的固有特点使得网络中存在2动态拓扑结构，带宽限制和有限的处理和存储能力 以及无线传输的不可靠性等问题。在近年来的研究中，研究者提出了 QoS 信令、QoS 路由 协议、QoS MAC 协议等解决方案3-6，但是都只能解决了其中的一部分问题，要向 Ad hoc 网络提供很好的 QoS 保证，必须构造出适合于无线 Ad hoc 网络的相关 QoS 模型。 目前针对有线网，比较成熟的 QoS 服务模型主要有两种：综合服务模型7（IntServ）和 区分服务模型8（Diffserv） 。IntServ 是一种基于流(per-flow)的资源预留机制,它引入了虚电 路的概念,由 RSVP 作为建立和维护虚电路的信令协议,路由器通过相应的包调度策略和丢包 策略来保证业务流的 QoS 要求。但当 Ad hoc 网络规模变大后，必将带来可扩展性等一系列 问题，因此不适用于无线 Ad hoc 网络。区分服务克服综合服务的这些缺点，能提供较好的 性能且具有较好的扩展性。DiffServ 模型旨在为不同的流聚集在一个较长的时间内提供一种 有区分的服务质量保障，它的内部节点功能相对较少，不需维护每流的状态，这点非常适合 Ad hoc 网络节点移动的特点，因而能够为无线 Ad hoc 网络提供一定的 QoS 保证,但是文献1和 文献9也指出，直接把现存 DiffServ 机制运用到无线 Ad hoc 网络中，存在如何划分 DS 域 等一些问题。 文献1给出了称为灵活 QoS 模型（FQMM: Flexible QoS Model for MANETS）的体系结 学院毕业设计（论文） 第 6 页 构，该模型提供了一种称为混合（hybrid）模式的资源分配策略，它既支持 IntServ 的基于流 的资源分配，又支持 DiffServ 的基于类的资源分配，高优先级的业务基于流分配资源，低优 先级的业务流基于类分配资源。由于 FQMM 要求网络中的节点既要支持 IntServ 的基于流的 资源分配，又要支持 DiffServ 的基于类的资源分配，因此实现复杂。 本文讨论了如何将 DiffServ 应用于无线 Ad hoc 网络的问题，结合无线 Ad hoc 网络分布 式的特点，给出了一种适合无线 Ad hoc 网络的提供业务区分的简单的体系结构，并通过仿 真，分析了该体系结构的业务区分能力。 本文第一章介绍了无线 Ad hoc 网络的相应内容，包括其网络结构，研究热点和路由技 术，对 Ad hoc 网络的结构特点做了较为详细的分析；第二章介绍了网络服务质量技术 （QoS） ，简要分析了有线网中的综合服务模型和区分服务模型；第三章概述了网络服务技 术（QoS）在无线 Ad hoc 网络中的应用，并对不同的 QoS 模型进行了对比、分析，最后针 对无线 Ad hoc 网络的特点，对区分服务模型进行了相应的修改，提出了一种简单的适宜于 无线 Ad hoc 网络区分服务模型；第四章在初步介绍 NS 网络模拟仿真器后，对上面提出的 模型进行了模拟仿真，并对模拟结果进行了分析、比较。 第一章第一章 无线无线 Ad hoc 网络网络 第一节第一节 无线无线 Ad hoc 网络的概述网络的概述 Ad hoc一词来源于拉丁语，是“特别地、专门地为某一即将发生的特定目标、事件或局 学院毕业设计（论文） 第 7 页 势而不为其他的”的意思。这里提出的“Ad hoc”是一种无线特定的网络结构，强调的是多 跳、自组织、无中心的概念，所以一般把基于Ad hoc技术的网络称为自组网、多跳网络等等。 无线Ad hoc(Mobile Ad hoc Network)网，简称移动自组网(见图2.1)。它是一种自治的无 线多跳网，整个网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器， 图 2.1 无线 Ad hoc 网络示意图 所有节点都是移动的，且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这个网络中，由 于终端无线覆盖范围是有限的，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助于其它节点进行 分组转发。每一个节点都可以作为一个路由器，它们可以完成连接或转发到其它节点。典型 例子有交互式的讲演、可以共享信息的商业会议、战场上的信息中继以及紧急通信等。 第二节第二节 无线无线 Ad hoc 网络结构网络结构 一、无线一、无线 Ad hoc 网络的节点结构网络的节点结构 在无线Ad hoc网络中无线节点不但具有移动终端的功能，还具有路由器的功能，因此可 以将节点分为主机、路由器和收发信机三部分。其中主机完成人机接口、数据处理等功能； 路由器部分完成维护网络的拓扑结构和路由信息功能；收发信机则为数据传输提供无线信 道支持。 二、无线二、无线 Ad hoc 网络的网络结构网络的网络结构 Ad hoc 网络一般有两种结构：平面结构，如图 2.2 和分级结构，如图 2.3、图 2.4 所示。 学院毕业设计（论文） 第 8 页 在平面结构中，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。分级结构中，网络被划 分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网 络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头结点负责 簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。分级结构的网 络又可以被分为单频分级和多频分级两种。 图 2.2 平面结构 图 2.3 单频分级 图 2.4 多频分级 平面结构的网络比较简单，网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比 较健壮。它的缺点是可扩充性差，每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这 些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单， 不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可 扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点 是，维护分级结构需要结点执行簇头选举算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。 因此，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模增大时，应 用分级结构。 第三节第三节 无线无线 Ad hoc 网络研究热点网络研究热点 一、无线一、无线 Ad hoc 网络的特点网络的特点 Ad hoc 网络是一种特殊的无线移动网络。作为一种新的组网方式，具有以下特点： 无中心，自组织，多跳路由： Ad hoc 网络没有严格的控制中心，所有节点的地位平 等，可以随时加入和离开网络。网络的设置或展开无需依赖于任何预设的网络设施，结点可 以快速自动组成一个独立的网络。当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，由 Ad hoc 网络中的中间节点进行多跳转发，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成,所以任何 高级 低级 簇网关 簇成员 簇头 学院毕业设计（论文） 第 9 页 节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 动态拓扑：从网络层来看，在无线Ad hoc网络中，移动节点可以以任意速度和方式在 网络中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰、地形因素等的影 响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时会发生变化。在Ad hoc网络中，移动主机 可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断 发生变化。并且主机可能同时还是路由器，因此，网络的拓扑结构将不断发生变化，而且变 化的方式和速度都是不可预测的。 带宽限制和变化的链路容量：无线Ad hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段， 其相对于有线信道具有较低的容量；并且由于多路访问、多径衰落、噪声和信号干扰等多种 因素，使得移动节点的实际带宽低于理论上的最大带宽值。 能量限制节点：移动节点依靠电池提供工作所需的能量。减少功耗将是影响网络协 议设计的一个非常重要的因素。 多跳通信：由于无线收发机的信号传播范围有限，Ad hoc网络要求支持多跳通信。 这种多跳通信由此也带来了隐藏终端、暴露终端和公平性等问题。 分布式控制：无线Ad hoc网络中的用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一 个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式， 因而具有很强的独立性和抗毁性。而在常规通信网络中，由于存在基站、网控中心或路由器 这样一类集中控制的设备，用户终端与它们所处的地位不是对等的。 有限的安全性：通常移动无线网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等原 因，会比有线网络更易受到安全性的威胁。这些安全性的攻击包括窃听、电子欺骗和拒绝服 务等攻击手段。 二、无线二、无线 Ad hoc 网络的研究热点网络的研究热点 针对Ad hoc网络的特点，该网络要解决的难点是： 网络拓扑变化快； 线传输带宽有限； 网络的可扩展问题； 安全性问题； 学院毕业设计（论文） 第 10 页 能量问题； 如何向Ad hoc网络提供QoS保障问题。 对于一个分层的无线节点，如图 2.5 所示。以上提到的许多问题与第二层 MAC 层和第 三层网络层的性能都有直接的关系。目前的研究热点都集中在这两层上。 应用层 网络层 MAC 层 物理层 路由协议点控 制等 CDMA 扩频调 制解调数据压 缩编码等 网络操作系统用 户界面等 MAC 协议能量 控制安全策略 等 无线信道 微波，射频， 红外 图 2.5 无线网络分层模型 对于第二层 MAC 层，Ad hoc 网络研究的主要问题是通过协议的改进和算法的提高，如 何采用睡眠唤醒机制节约能量，如何规定握手机制，如何提高退避算法的公平性，如何减少 延迟和提高吞吐量等。对于第三层的网络层，Ad hoc 网络研究的主要问题是通过路由协议 的改进，如何来维持高速的动态拓扑实现网络的多跳通信。目前主要的 MAC 层协议有载波 侦听冲突避免 CSMA/CA 协议，MACA 协议，无线环境下的多址接入冲突避免 （MACAW）协议和基于接收者驱动的多址接入（RIMA）协议。 第四节第四节 无线无线 Ad hoc 网络的路由技术网络的路由技术 在无线 Ad hoc 网络里，网络拓扑结构具有动态变化的特点，各个移动节点通过多跳实 现相互通信，每个节点都兼有路由器和终端两个功能，Ad hoc 的路由技术成了无线 Ad hoc 网络的关键技术之一。无线 Ad hoc 网络的路由技术是应该一种能感知网络拓扑结构变化， 能维护网络拓扑连接的高度自适应路由。目前 Ad hoc 网络的路由协议主要有： 目的序号距离矢量算法 DSDV (destination-sequenced distance-vector) 无线路由协议算法 WRP (wireless routing propotal) 学院毕业设计（论文） 第 11 页 全局状态路由算法 GSR (dynamic source routing) “ 群首”网关交换路由算法 CGSR (clusterhead gateway switch routing) 需求驱动距离矢量路由算法 AODV (Ad hoc on-demand distance vector) 动态源路由协议 DSR (Dynamic source routing protocol) 临时需求路由算法 TORA（Temporally ordered routing algorithm） 基于关联性的路由算法 ABR 和基于信号稳定的路由算法 SSR 以上路由协议又可以分为两大类，先应式（Proactive）和后应式（Reactive）在分层结 构的 Ad hoc 网络中也使用先应式和后应式混合的路由，如地域路由算法（ZRP Zone routing protocol） 一、一、 先应式路由先应式路由 先应式路由又称为表驱动（Tabledriven）路由。网络中的各个节点都存储一张通往其 它节点的路由表，通过不断更新路由表来保持路由信息的完整性。节点要对网络的拓扑变化 做出反应，不仅要把本节点的路由信息更新，还要将更新的信息传播出去。 先应式路由算法的特点为： 网络中各个节点无论是有没有数据包发送，都需要路由表的维护； 数据包的传输相对后应式路由具有较小的时延； 在网络拓扑动态变化频繁时，路由表的维护需消耗大量的网络带宽资源和电源能量。 在 Ad hoc 网络中，由于无线链路的带宽和移动节点的电源能量都是受限的，所以这个问题 变得尤为突出。 目前，大多数的前应式路由算法是基于 BellmanFord 算法改进得到的。 二、二、 后应式路由后应式路由 后应式路由又称按需（Ondemand）路由，网络中的各个节点无须定时的维护路由表， 只有在源节点有需要，发出路由请求时才建立路由。一旦路由建立，启动路由维护程序使路 由一直有效，直到目的节点不可达或者源节点不再需要该路由。 后应式路由的特点为： 节点 Cache 中存储着一样的路由表，只是该路由表的更新是通过节点存储转发的数 学院毕业设计（论文） 第 12 页 据包头中的信息得到的 节点在发送数据包时，首先从 Cache 中寻找路由，只有当 Cache 中无相关路由才通 过泛洪（float）搜索临时路径，搜索成功后又将本次路由存储于 Cache 中，以备下次使用； 相对先应式路由，后应式路由的数据包传输时延较大，但是路由表信息交换和控制 信息的开销却大大减少，可有效的减少网络带宽和节点的能量消耗。 目前，大多数的后应式路由算法是基于 DSR (Dynamic source routing protocol)协议改进 的。 Ad hoc 网络的路由算法多是基于链路状态和距离向量来实现的，但是基于 Ad hoc 网络 层次结构和应用特点，还有大量的基于其它网络信息的路由算法，DREAM （distance routing effect algorithm for mobile） ，LAR（location aided routing） ；基于动态功率感知（发射 信号稳定性，最大输出功率）信息得到的路由算法等。Ad hoc 的路由算法分类见图 2.6。 图 2.6 Ad hoc 路由算法分类 Ad hoc 路由 算法 表驱动 路由 按需路由 目的序列距离矢量路由 协议 DSDV 无线路由协议 RVP Ad hoc 按需距离向量路 由 AODV 动态源路由协议 DSR 轻重量移动路由 LNR 基于联合的路由 ABR 簇首网关交互路由 CGSR 时间次序路由 TORA 基于信号稳定性的路 由 SSR 学院毕业设计（论文） 第 13 页 第二章第二章 网络服务质量技术网络服务质量技术(QoS ) 第一节第一节 网络服务质量技术概述网络服务质量技术概述 一、一、QoS 提出背景提出背景 随着互联网的飞速发展，特别是多媒体业务的出现（数据、音频、视频） ，计算机不再 是单纯的数据处理工具，计算机的交互越来越实时和生动，这对计算机网络提出了更高的要 求。Internet所提供的传输服务已由单独的数据业务服务向综合业务服务发展。然而，不同类 型业务对服务质量的要求是不同的。对那些有带宽、时延和时延抖动等特殊要求的应用来说， 传统网络所采用的“尽力而为”（Best-Effort）转发机制无法提供可区分的、有保证的服务， 已不能满足用户的要求。近年来，发展起一些新应用(如远程教学、远程手术和远程会议等)， 不仅增加了网络流量，更改变了以往互联网上流量的性质，它们需要全新的服务要求，即在 IP网中为用户提供有保证的服务质量(QoS)。 IP网如何提供QoS支持已成为业界关注的焦点。为了提供服务质量保证，提出了IP QoS，即网络服务质量技术（QoS） 。目前，有两种基本的QoS结构10：基于资源预留和基于 优先级。这些QoS结构可以用于单个数据流或聚集的数据流。为了满足这些不同类型QoS的 需求，因特网工程任务组(IETF)提出了几种服务模型和机制，主要包括综合服务(IntServ)和 区分服务(DiffServ) 。 学院毕业设计（论文） 第 14 页 二、二、QoS 的基本概念的基本概念 QoS（quality of service） ，即服务质量，它是指IP分组或流通过网络时的性能。在 RFC2386中描述为QoS是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务请求。具体可量化为带 宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。此处的服务具体是指数据包（流）经过 若干网络节点所接受的传输服务，强调端到端（end-to-end）或网络边界到边界的整体性。 QoS反映了网络元素（例如应用程序、主机或路由器）在保证信息传输和满足服务要求方面 的能力。IP QoS功能旨在通过给予网络运营商对网络资源和使用的控制权来传送有保证的区 分式Internet服务。QoS是网络传输流时需要满足的一系列服务要求，它提供端到端的服务保 证，以及基于策略的IP网络性能指标控制。QoS的目标是提供端到端的服务质量保证，提高 网络资源利用率。 QoS 与用户以及网络系统的关系如图 2.1： 用户 1 相应网络（internet） QoS 提供（服务类型、性能 参数） 用户 2 QoS 协商（服务类型、性能参数） QoS 要求（服务类型