8.2 Ad hoc网络的体系结构

8.2.1 Ad hoc网络的节点结构

Ad hoc网络的节点通常包括主机、路由器和电台三部分。

从物理结构上，节点可以分为以下四类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台、多主机多电台，如图8-5所示。

8.2.2 Ad hoc网络的拓扑结构

Ad hoc网络一般有两种结构，即平面结构和分级结构。

（1）平面结构。在平面结构中，所有节点地位平等，所以又称为对等式结构，如图8-6所示。

（2）分级结构。分级结构的Ad hoc网络可以分为单频分级结构网络和多频分级结构网络。单频分级结构网络中所有节点使用同一个频率通信，如图8-7所示。多频分级结构网络中，不同级采用不同的分级频率，如图8-8所示。

单频分级结构网络中，所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点（同时属于两个簇的节点）的支持。而在多频分级结构网络中，不同级的节点采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中，簇头节点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信，频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个节点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由。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。由于簇头节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，维护分级结构需要节点执行簇头选举算法，簇头节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结构；而当网络的规模增大时，应用分级结构。

8.2.3 Ad hoc网络协议栈简介

在介绍Ad hoc网络协议栈之前，先简要介绍一下经典的OSI模型，如图8-9所示。

OSI模型共分为七层：物理层（physical）定义了网络硬件的技术规范；数据链路层（data link）定义了数据的帧化和如何在网上传输帧；网络层（network）定义了地址的分配方法以及如何把包从网络的一端传输到另一端；传输层（transport）定义了可靠传输的细节问题；会话层（session）定义了如何与远程系统建立通信会话；表示层（presentation）定义了如何表示数据。不同品牌的计算机对字符和数字的表示不一致，表示层把它们统一起来；应用层（application）定义了网络应用程序如何使用网络实现特定功能。

传统Internet协议栈设计强调相邻路由器对等实体之间的水平通信，以尽量节省路由器资源，减少路由器内协议栈各层间的垂直通信。然而，Ad hoc网络中链路带宽和主机能量非常稀少，并且能量主要消耗在发送和接收分组上，而主机处理能力和存储空间相对较高。为了节省带宽和能量，在Ad hoc网络中应该尽量减少节点间水平方向的通信。

Ad hoc网络的协议栈划分为五层，如图8-10所示。

（1）物理层。在实际的应用中，Ad hoc物理层的设计要根据实际需要而定。首先，是通信信号的传送介质，由于是无线通信，因而就面临通信频段的选择。目前人们采用的是基于2.4GHz的ISM频段，因为这个频段是免费的。其次，物理层必须就各种无线通信机制做出选择，从而完成性能优良的收发信功能。物理层的设备可使用多频段、多模式无线传输方式。

（2）数据链路层。数据链路层解决的主要问题包括介质接入控制，数据的传送、同步、纠错以及流量控制。基于此，Ad hoc数据链路层又分为MAC层和LLC层。MAC层决定了链路层的绝大部分功能。LLC层负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的MAC方法。

在多跳无线网络中，对传输介质的访问是基于共享型的，隐藏终端和暴露终端是多跳无线网络的固有问题，因此，需要在MAC层解决这两个问题。通常采用CSMA/CA协议和RTS/CTS协议来规范无线终端对介质的访问机制。

（3）Ad hoc网络层。Ad hoc网络层的主要功能包括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连等。一个好的Ad hoc网络层的路由协议应当满足以下要求：分布式运行方式；提供无环路路由；按需进行协议操作；具有可靠的安全性；提供设备休眠操作和对单向链路的支持。对一个Ad hoc网络层的路由协议进行定量衡量比较的指标包括端到端平均延时、分组的平均递交率、路由协议开销及路由请求时间等。

（4）Ad hoc传输层。Ad hoc传输层的主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制等。传统的TCP会使无线Ad hoc网络分组丢失很严重，这是因为无线差错和节点移动性，而TCP将所有的分组丢失都归因于拥塞而启动拥塞控制和避免算法。所以，如在Ad hoc中直接采用传统的TCP，就可能导致端到端的吞吐量降低。因此，必须对传统的TCP进行改造。

（5）Ad hoc应用层。Ad hoc应用层的主要功能是提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格时延和丢失率限制的实时应用（紧急控制信息）、基于RTP/RTCP（实时传输协议／实时传输控制协议）的自适应应用（音频和视频）和没有任何服务质量保障的数据包业务。Ad hoc网络自身的特性使得其在承载相同的业务类型时，需要比其他网络考虑更多的问题，克服更多的困难。

8.2.4 Ad hoc网络的跨层设计

采用严格分层的体系结构使得协议的设计缺乏足够的适应性，不符合动态变化的网络特点，网络的性能无法保障。为了满足Ad hoc网络的特殊要求，需要一种能够在协议栈的多个层支持自适应和优化性能的跨层协议体系结构，并根据所支持的应用来设计系统，即采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。

跨层设计是一种综合考虑协议栈各层次设计与优化并允许任意层次和功能模块之间自由交互信息的方法，在原有的分层协议栈基础上集成跨层设计与优化方法可以得到一种跨层协议栈。在分层设计方式中，很多时候多个层需要做重复的计算和无谓的交互来得到一些其他层次很容易得到的信息，并常常耗费较长的时间。跨层设计与优化的优势在于通过使用层间交互，不同的层次可以及时共享本地信息，减少处理和通信开销，优化了系统整体性能。

在传统分层协议栈中集成跨层设计和优化思想得到的自适应跨层协议栈中（见图8-11），所有层之间可以方便及时地交互和共享信息，能够以全局的方式适应应用的需求和网络状况的变化，并且根据系统约束条件和网络特征（如能量约束和节点的移动模式）来进行综合优化。

跨层的自适应机制：协议栈每层的自适应机制应基于所在层发生变化的时间粒度来适应该层的动态变化。如果本地化的自适应机制不能解决问题，则需要同其他层交互信息来共同适应这种变化。

跨层的设计原则：跨层协议栈的设计策略是综合地对每层进行设计，利用它们之间的相关性，力图将各层协议集成到一个综合的分级框架中。这些相关性涉及各层的自适应性、通用的系统约束（移动性、带宽和能量）以及应用的需求。