基于Overlay网络的移动自组NCSQos路由研究与实现
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I
目录
中文摘要
ABSTRACT
目录 ................................................................. I
第一章 概论 ......................................................... 1
§1.1 课题来源及意义 ............................................. 1
§1.2 对已有工作的总结 ........................................... 2
§1.3 论文的主要工作 ............................................. 5
§1.4 论文各章节安排 ............................................. 6
第二章 研究基础 ..................................................... 7
§2.1 Ad Hoc 网络简介 ............................................. 7
§2.1.1 Ad Hoc 网络的定义 ..................................... 7
§2.1.2 Ad Hoc 网络的特点 ..................................... 8
§2.1.3 Ad Hoc 网络的应用 ..................................... 8
§2.2 NCS 简介 .................................................... 9
§2.2.1 NCS 及其主要网络特性 .................................. 9
§2.2.2 移动自组 NCS 中网络存在的问题 ......................... 11
§2.3 Overlay 网络简介 ........................................... 11
§2.4 802.11 的 DCF .............................................. 12
第三章 移动 Ad hoc 网络的 QoS 支持 ................................... 15
§3.1 有线网络主要 QoS 策略 ...................................... 15
§3.2 移动 Ad hoc 网络中 QoS 保障面临的挑战 ....................... 17
§3.3 Ad hoc 网络中的 QoS 模型 .................................... 17
§3.4 Ad hoc 网络中的 QoS 信令 .................................... 19
§3.5 Ad hoc 网络的 MAC 层 QoS 机制 ................................ 20
§3.6 Ad hoc 网络的 QoS 路由 ...................................... 21
第四章 一种基于 AODV 的 QoS 路由算法 ................................. 26
§4.1 QAODV 的提出背景 ........................................... 26
§4.2 QAODV 协议的设计思想 ....................................... 26
§4.3 QAODV 的设计要点 ........................................... 27
§4.3.1 环路避免 ............................................. 27
II
§4.3.2 带宽允许控制 ......................................... 28
§4.3.3 时延允许控制 ......................................... 29
§4.3.4 带宽预留与释放 ....................................... 30
§4.3.5 邻节点维护 ........................................... 31
§4.4 QAODV 工作机制 ............................................. 31
§4.4.1 路由探测 ............................................. 31
§4.4.2 路由注册 ............................................. 32
§4.4.3 路由维护 ............................................. 32
§4.5 协议控制报文格式 .......................................... 33
§4.6 仿真实现 .................................................. 36
第五章 一种基于 QAODV 的分簇路由协议 ................................ 41
§5.1 C-QAODV 的提出背景 ......................................... 41
§5.2 C-QAODV 的设计思想 ......................................... 42
§5.3 C-QAODV 工作机制 ........................................... 43
§5.3.1 路由发现与簇的形成 ................................... 44
§5.3.2 路由维护及簇的维护 ................................... 46
§5.4 相关报文及表格式 .......................................... 47
§5.5 仿真与结果分析 ............................................ 48
第六章 协议实现机制研究 ............................................ 52
§6.1 QAODV 的实现机制 ........................................... 52
§6.2 Netfilter 框架 ............................................. 53
第七章 总结与展望 .................................................. 56
§7.1 总结 ...................................................... 56
§7.2 展望 ...................................................... 56
参考文献 ............................................................ 58
攻读硕士学位期间发表的学术论文 ...................................... 63
致谢 ................................................................ 64
第一章 概论
1
第一章 概论
§1.1 课题来源及意义
网络控制系统[1-4]（Networked Control Systems ，NCS）是指通过网络构成的
闭环反馈控制系统，其各组成部分（传感器、控制器、执行器）之间通过共享的
网络来传递数据。网络在控制系统中的应用给 NCS 带来广泛应用前景的同时，也
使得 NCS 的分析与设计更为复杂，最根本的问题是网络引起的时延和丢包，这将
降低控制系统的性能、甚至破坏系统的稳定性。NCS 广泛应用于工业控制、太空
船、机器人、军事、智能交通、远程医疗等领域。但是，目前的 NCS 的研究主要
是以有线（固定）和非移动方式为主，并未涉及网络节点的移动性、网络结构的
动态性带来的种种困难。
无线网络以其安装便捷、使用灵活、不受电缆约束、可移动、经济节约、易
于扩展等优点赢得了越来越多人的青睐。随着无线节点成本的下降，其优越性将
会逐步显现，无线移动自组 NCS 有着良好的发展前景。由于其特有的优势，把无
线移动自组网络技术应用于控制系统也是必然。
移动自组网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）与传统网络相比，有许多
特殊性[5-9]，包括网络节点的移动性、网络拓扑结构的动态性、网络带宽的有限性、
网络节点的动态加入和退出、路由机制（包括组播）的复杂性，抖动、丢包及时
延的不确定性，都为基于MANET的NCS研究带来许多新的困难和挑战：如何建立
传输时延、丢包、系统中节点的数目、各节点移动速度之间的关系模型；无线网
络环境下控制器的鲁棒性问题等等。
MANET与NCS分别都是当前的研究热点，且在各自领域都得到很好的发展，
把先进的无线移动自组网络技术应用到NCS中实现二者的有机结合是一种必然趋
势。由于NCS对网络的QoS（Quality of Service）参数（丢包、时延、抖动等）要
求较高，所以二者的结合会带来诸如实时性、可靠性等方法等方面的问题，解决
这些问题的关键在于为MANET提供一定的QoS支持。
在有线网络中QoS技术已有大量的研究成果，如IntServ/RSVP模型[10]、DiffServ
模型[11]、MPLS技术等。但由于MANET动态的网络拓扑、受限的带宽及功率、时
变的链路容量，现有的有线网络QoS技术不能直接用于MANET。MANET网络的
QoS机制非常复杂，涉及的内容较广，从网络层次结构的角度看，应用层、传输层、
基于 Overlay 网络的移动自组 NCS QoS 路由研究与实现
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网络层到、MAC层均可实施一定的支持QoS的策略。目前己提出的QoS策略多在网
络层实现的，因为网络层既具有一定的网络视野，比较容易获得各类网络信息(如
路由信息)，从全网的角度寻找满足要求的路径。本论文也将主要精力集中在
MANET的网络层，特别是QoS路由协议的研究上，结合NCS的QoS要求，设计合
理的QoS路由算法。在MANET网络中，路由协议十分重要，它在很大程序上决定
了MANET网络的性能。虽然己经有许多路由协议的方案，如已被接纳为IETF的实
验标准的AODV[12]、OLSR[13]等，但这些协议都有自己的适用范围和局限性[14]，存
在可扩展性及QoS保障问题。在网络规模可能越来越大的今天，解决路由协议的可
扩展性问题是一个急迫的任务，该问题的解决也间接地保障了网络中QoS机制的实
施，因此解决路由协议的可扩展性问题也是论文的一个研究目标。
Overlay[15,16]网络建立在一个或者多个已存在网络之上的网络，它是一个虚拟
的通信结构，逻辑地覆盖物理网络；通过增加额外的、间接的、虚拟的层，来改
善下层网络中的一些属性，提高网络的性能。Overlay网络具有便于实现、扩展性
好、灵活性强、健壮性等优点。Overlay 网络的引入虽然可能会使平均时延增大，
但可以改变时延、丢包的分布，增加节点的连通性，提供底层网络不具备的服务
质量（QoS）机制，提高控制系统性能。本路由算法的性能研究可通过仿真工具来
分析，具体应用时可利用Overlay技术，把相互独立的无线网卡组织成基于Overlay
的MANET，实现一定的NCS应用。
本课题将无线移动自组网络引入到NCS，其研究内容将有助于扩展网络控制
系统的应用领域，在机器人协作、搜索救援等领域有着广泛的应用；然而网络QoS
保障是实现这一应用的基础，由于MANET QoS机制复杂，本文仅从QoS路由的角
度来研究实现。引入Overlay技术可以保障在现有底层物理网络不变基础上方便部
署更多的业务，便于将本算法付诸于具体应用。
§1.2 对已有工作的总结
随着VoIP、视频服务及各种交互式多媒体业务的开展，QoS已成为当今网络技
术研究和标准化工作中的一个极为活跃的课题。有线网络中的QoS已经历的多年的
研究，已积累了相当多的研究成果、提出了一些解决方案，现有的解决方案主要
包括：IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS等。通过IntServ/RSVP[10]协议向网络请求满
足特殊服务质量要求的缓存和带宽；中间节点利用RSVP信令在数据传输通路上建
立起资源预留并维护该通路，以实现相应的服务质量。DiffServ[11]在边缘路由器对
包进行分类、标记，也可能被整形，在核心路由器中经过粗颗粒化的数据流进行
第一章 概论
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调度分配路由。MPLS把IP选路与第二层标签交换整合为单一的系统，为每个IP数
据包提供一个标签，并由此决定数据包的路径及优先级，标签交换路由器仅读取
数据包标签，无需读取每个数据包的IP地址及标头。然而，无论单独采用这些机制
中的哪一种，都不能提供IP QoS的全面解决方案，因此人们开始研究实现他们之间
的优势互补的可行性和可靠性。其中IntServ/RSVP和DiffServ由于技术体系完整，
结合后能够相互取长补短，逐渐受到研究人员的重视。
然而由于自组网络移动性强、链路资源有限、链路质量难以预测等特点，现
有有线网络中的QoS机制不能直接用于MANET。近些年来，对MANET网络QoS机
制的研究逐渐成为网络研究的热点之一，已有不少这方面的研究成果发表。QoS
机制可以分别在MAC（介质访问控制）层、网络层、应用层实现，也可跨层实现，
根据提出方案所在层次的不同，可将其划分为不同的类型。
1. 在MAC 层中提供 QoS
MAC层处在协议栈的底层，是所有数据报文和控制报文在无线信道上进行发
送和接收的直接控制者，它的性能优劣直接影响到网络性能的好坏，因此，它是
上层各种协议和机制所提供的QoS能否得到最终保障的一个关键因素。目前，针对
无线网络已提出了许多MAC方案[17,18,19]，根据信道接入协议使用的信道数目，可
把它们分成基于单信道和基于多信道两大类。
基于单信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于只有一个共享信道的Ad Hoc网
络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。受传播时延、隐
终端、暴露终端和节点移动等因素的影响，单信道的Ad Hoc网络中有可能发生控
制报文之间、控制报文和数据报文、数据报文之间的冲突。一般来讲，数据报文
要比控制报文长的多，数据报文的冲突会严重影响信道的利用率。所以，这种信
道接入协议的主要目标之一是，通过使用控制报文，尽量减少甚至消除数据报文
的冲突，即设计合适的冲突避免策略。典型的基于单信道的网络接入协议有
MACA-BI[17]和IEEE802.11 DCF等。
基于多信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于具有多个信道的Ad Hoc网络。由
于网络中有多个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时进行通信。在使用多信
道的情况下，接入控制更加灵活。可以使一个信道作为公共控制信道，也可以让
控制报文和数据报文在同一个信道上混合传送。这种信道接入协议主要关注两个
问题：信道分配和接入控制。信道分配负责为不同的通信节点分配相应的信道，
消除数据报文的冲突，使尽量多的节点可以同时进行通信。而接入控制负责确定
节点接入信道的时机、冲突的避免和解决等问题。典型的这类协议有DBTMA[18]
等等。
基于 Overlay 网络的移动自组 NCS QoS 路由研究与实现
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802.11无线局域网技术是目前世界上开发出来的重要的无线网路技术之一，并
且将在下一代无线通信中扮演一个非常重要的角色。目前大部分带QoS功能的
MAC层协议都是以它为基础进行变更或完善。
2. Ad Hoc网络的QOS路由
目前已经提出的很大一部分MANET网络的QoS策略都是基于路由协议的，这
些方案统称为QoS路由，是在MANET网络中实现QoS支持的一个重要且比较方便
的途径。针对目前MANET网络上QoS业务的需求，一些路由协议如AODV[12]、
DSR[20]、OLSR[13]等，分别推出了其支持QoS的版本。麻萨诸塞州立大学的Aura
Granz等学者也提出了一个QOS路由方案AQOR[21]。
QoS路由的工作包括两个方面：一是找到满足QoS需求的路由，并在连接持续
的过程中维护该路由；二是尽量提高网络资源的利用率。实现机制通常是通过在
路由协议中加入对实时流带宽或时延等QoS指标的支持来实现QoS的。通常这些路
由具有网络开销少，效率高的优点，实现也相对容易。其缺点是不能提供完整的
端到端的QoS保障，并且需要与某个具体的路由协议相绑定，使得灵活性不够。
根据QoS路由协议中采取的策略的不同，可将其分成如下几类：1）同时搜索
多条路径。搜索多条路径不仅可以解决网络状态信息不准确导致的路由成功率较
低的问题，还能够达到冗余备份的目的；另一方面，对于资源需求比较多的QoS
请求，可以同时在多条链路上资源预留，提高QoS路由的成功率。如TBP[42]、
MP-DSR[22]和QoS-MSR[23]就是从这两个角度提出的。2）在网络中选取一些节点作
为核心节点或统治节点，主要依赖这些节点来传递链路状态信息、进来路由计算，
保障了路由的有效性和可靠性。CEDRA[24]、SRL[25]和QoS-OLSR[26]都是基于这种
思想提出的。3）带有资源预留的QoS路由。大多QoS路由仅有QoS感知能力，而没
有QoS保障机制，如Q-AODV[27]、QOLSR[28]、QDSR[29]以带宽、时延、抖动为QoS
指标来查找满足要求的链路。由于协议中没有采用资源预留，原来满足带宽要求
的路由上的节点由于节点移动等原因，可能会不再能提供足够的带宽，并没有真
正的实现QoS保障。
几乎所有的基于预留的策略，都需要了解节点的当前可用带宽或节点的处理
时延，但由于MANET网络通常使用基于共享媒体的无线网络(如IEEE802.11
DCF )，每个节点的信道是与其邻居节点共享的，因此，不能只考虑本节点的传输，
还要考虑节点所有邻居的传输情况，才能确定节点的有效带宽。这些工作在有线
网络中很容易完成，但由于MANET网络的特点，却要花很大的精力来解决。文献
[21,30]通过各自的研究，给出了节点当前可用带宽的计算方法。文献[17]则提出了
一种通过移动节点向信号强的位置主动移动的方式来提高网络的服务质量的方
摘要：
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I目录中文摘要ABSTRACT目录.................................................................I第一章概论.........................................................1§1.1课题来源及意义.............................................1§1.2对已有工作的总结...........................................2§1.3论文的主要工作.................................
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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