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    千次阅读 2016-03-01 17:39:39
    三种无线分布式网络的比较 电信科学 作者:北京邮电大学 李鸣 中国网通(集团)有限公司北京分公司 刘月阳 2007-2-19 19:58 无线分布式网络 ad hoc网络 无线传感器网络 无线Mesh网络   ...
    三种无线分布式网络的比较
    电信科学
    作者:北京邮电大学 李鸣 中国网通(集团)有限公司北京分公司 刘月阳       2007-2-19 19:58
    无线分布式网络  ad  hoc网络  无线传感器网络  无线Mesh网络  

        1引言

        无线分布式网络作为近几年通信领域发展较快的技术,受到越来越多的关注。无线分布式网络的前身是adhoc网络,起源于1972年美国DAPRA提出的分组无线网(PRNET),是由一组具有无线收发装置的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统。随着研究的不断深入以及adhoc网络应用的扩展,衍生出了无线传感器网络和无线Mesh网络,它们也采用分布式、自组织组网思想,但在特定应用环境下具有不同于adhoc网络的特性。因此,随着技术不断发展,无线分布式网络变为一个非常宽泛的概念,主要由ad hoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络3种网络组成。本文着重就这3种无线分布式网络的基本概念、技术特点和应用场合进行分析研究和比较。

        2 ad hoc网络

        2.1基本概念

        “ad hoc”源于拉丁语,意为“特殊的”,它由一系列可任意移动的节点组成,网络节点动态且任意分布,节点之间通过无线方式互连,每个网络节点同时具有终端和路由器的双重功能,图1展示了典型ad hoc网络的结构。由于自组织特性,adhoc的网络拓扑、信道环境、业务模式随节点的移动而动态改变。ad hoc网络研究的最初目的是满足战场生存的军事需求,在战场恶劣的环境下通信无法依赖已经敷设的通信基础设施,因为一方面这些设施可能根本不存在,另一方面这些设施随时可能遭到破坏。由于组网快速、灵活、使用方便,目前ad hoc网络已得到学术界和工业界的广泛关注,并得到越来越多应用,逐渐成为移动通信领域发展的重要方向。


    图1  ad hoc网络结构

        2.2技术特点和应用场合

        由于ad hoc网络具有自组织特性,且提供了更为灵活的组网方式,因此其具有很多传统有线、无线网络不具备的特性:

        (1)无中心和自组织性

        这是ad hoc网络的最大特点。网络中没有绝对的控制中心,所有节点的地位平等,网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为,无需人工干预和任何其他预置的网络设施,可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点,adhoc网络的健壮性和抗毁性很好。

        (2)动态变化的网络拓扑

        ad hoc网络中,移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动,并可以随时关闭电台。加上无线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,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化,而且变化的方式和速度都难以预测。

        (3)受限和时变的无线传输带宽

        ad hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段,由于无线信道本身的物理特性,它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外,考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素,移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。同时,与有线网络不同,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,它的链路容量表现出时变特征。

        (4)多跳路由

        由于节点发射功率受限,节点的覆盖范围有限,当它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。此外,自组织网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的,而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。

        (5)能量受限

        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。

        (6)安全性较差

        ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络,由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术,更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击。如果不在网络层或数据链路层增加一些安全措施,ad hoc网络很容易受到监听网络传输、重新传输、对分组头进行操作和重定向路由信息等攻击。因此,信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。

        由于ad hoc网络的特殊性,它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适用于无法或不便预先铺设网络设施的场合和需要快速自动组网的场合等。军事应用仍是ad hoc网络的主要应用领域,但在民用方面也有非常广泛的应用前景,其应用场合主要有:军事应用、紧急事故和临时场合、个人通信、与移动通信系统的结合等方面。

        3无线传感器网络

        3.1基本概念

        无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统(MEMS)等技术的飞速发展,低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能,这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能,无线传感器网络(简称传感器网络)就是由许多这种微型无线传感器节点协同组织起来的。传感器网络的节点可以随机或者特定地部署在目标环境中,它们之间通过特定的协议自组织起来,能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。图2所示为无线传感器网络的结构。


    图2  无线传感器网络的结构

        传感器网络最初来源于美国DARPA的一个研究项目。由于当时技术条件的限制,传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中,难以得到推广和发展。近年来随着无线通信、微处理器、MEMS等技术的发展,传感器网络的理想蓝图能够得以实现,其应用前景越来越广,国外研究机构对它的研究也正方兴未艾。

        3.2技术特点和应用场合

        传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点,正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题,对其提出了很多新的挑战。传感器网络的主要特点有:

        (1)传感器网络节点电池能量有限且不可充电,整个网络是能量受限的

        由于传感器节点的微型化,节点的电池能量有限,而且由于物理环境限制难以给节点更换电池,所以传感器节点的电池能量受限是整个传感器网络设计中的最关键的约束之一,直接决定了网络的工作寿命。

        (2)传感器网络的节点数量大、密度高

        由于传感器网络节点的微型化,每个节点的通信和传感半径很有限,一般为几十米范围之内,而且为了节能,传感器节点大部分时间处于睡眠状态,所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。传感器网络的节点数量和密度都要比adhoc网络高几个数量级,可能达到每平方米上百个节点的密度,甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题,如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。

        (3)以数据为中心

        所谓以数据为中心就是节点把来自多条路由的数据进行聚合,消除冗余,让传输的数据最小化,从而达到节省能量的目的。传感器网络是高密度网络,很多节点会探测到同一个物理现象,因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。无线传感器网络把路由和网内数据聚合联合考虑,以求达到最大节省能量的目的。

        (4)动态拓扑结构变化

        传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效,或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量等,这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快,这对网络各种算法(如路由算法和链路质量控制协议等)的有效性提出了挑战。此外,如果节点具备移动能力,也有可能带来网络的拓扑变化。

        无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等特点,在军事、环境科学、医疗健康、空间探索、商业应用等领域有着非常广泛的应用前景。

        4 无线Mesh网络

        4.1基本概念

        无线Mesh网络是下一代无线网络中的关键技术,近几年得到人们广泛关注和快速发展。它是一种动态自组织网络,网络中节点以adhoc的方式组成网络并维持Mesh结构。通常把它看作是adhoc网络的一种简化版本,但两者有一定区别。无线Mesh网络中的接入点既可以作为adhoc的对等数据转发实体,完成数据路由转发功能,又可以作为一种连接到其他有线网络的网桥连接器。无线Mesh网络是一种高容量、高速率的多点对多点网络,是为解决“最后一公里”问题而提出的无线分布式网络。

        无线Mesh网络中包含两种类型节点:Mesh路由器和Mesh客户端。不同于传统网络的网桥或者网关,Mesh路由器具备其他特殊的功能来支持Mesh网络,通过多跳路由,Mesh路由器可以用较低的功率覆盖同样的面积。为了进一步提高Mesh网络灵活性,Mesh路由器具备多种无线接口以支持多种无线接入技术。虽然有很多不同,但Mesh路由器与传统无线网络路由器在硬件平台上基本相似。

        Mesh路由器通常不具有移动性,它们构成Mesh网络的主干部分并向Mesh客户端提供无线接入服务。虽然Mesh客户端在某种情况下也可以临时充当Mesh路由器,但在硬件和软件方面,它都要比Mesh路由器简化一些。例如,在通信协议方面,Mesh客户端都是轻负载的,不具备网关和网桥的功能,只有一个简单的无线接口。无线Mesh网络结构分为3种类型:

        (1)骨干型无线Mesh网络

        Mesh网络为保证客户端接入互联网形成一个主干结构,如图3所示。骨干网结构可以采用多种射频技术,目前IEEE802.11技术最为常见。所有的Mesh路由器形成一个具有自愈功能的自组织网络,路由器具有网关作用,可以接入互联网。这种结构通过路由器的网关、网桥功能,可以让Mesh网络实现与互联网的连接。对于传统的客户端,利用同样的射频技术就可以实现与路由器的连接。


    图3  结构型无线Mesh网络

        (2)客户型无线Mesh网络

        客户型无线Mesh网络提供一种端对端的网络结构,如图4所示。客户端形成实际网络并为其他客户提供服务,因此在这种网络中不需要Mesh路由器。客户型Mesh网络通常只采用一种射频技术,因此有些类似传统的adhoc网络。但是,在网络终端方面,客户型Mesh网络与结构型无线Mesh网络相比要强大很多。


    图4  客户型无线Mesh网络

        (3)混合型Mesh网络

        它把结构型Mesh网络和客户型无线Mesh网络结合起来,Mesh网络客户端通过路由器接入网络,也可以与其他Mesh客户端共同组成Mesh网络。

        4.2技术特点和应用场合

        无线Mesh网络作为一种宽带无线分布式网络,与adhoc网络和无线传感器网络相比既有继承点又有不同点:

        ·无线Mesh网络支持adhoc网络,具有自形成、自恢复和自组织特点。

        ·无线Mesh网络是多跳网络。

        ·Mesh路由器没有移动性,可以完成复杂的路由和配置,大大减轻Mesh终端和客户端的负载。

        ·Mesh路由器集成混合网络,包括有线网络和无线网络。因此,多种网络可以并存于无线Mesh网络中。

        ·Mesh路由器和Mesh客户端的功耗限制不同。

        ·无线Mesh网络不是孤立网络,必须兼容其他网络。

        除了以上特点,无线Mesh网络与传统的点对点网络的结构相比具有较多优势,主要表现在可靠性提高、碰撞减轻、无线链路设计简化、维护简便等几个方面。

        无线Mesh网络的最主要应用为骨干Mesh网。无线Mesh网的骨干通常是指网络中构成主要数据传输线路的高速链路,即Mesh路由器之间的无线链路。传统上,骨干网采用光纤将各个边缘网络连接起来,而无线Mesh网络中只有一个或几个Mesh路由器连接到有线网中。无线Mesh网络的骨干网可以部署在室内,也可以部署在室外,室外设备通常附着在街灯上或者建筑物外表面有电力可用的地方。

        5结束语

        综上所述,adhoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络作为目前无线分布式网络最具代表性的3种类型,都采用分布式、自组织的思想形成网络,网络每个节点都具备路由功能,随时为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。adhoc网络主要侧重应用于移动环境中,确保网络内任意两个节点的可靠通信,网络内数据流可以包括语音、数据和多媒体信息;无线传感器网络是adhoc网络的一种特殊形式,侧重于利用分布、自组织思想实现对某个区域的物理现象的监测,网络内传输的数据流为低速率的数据;无线Mesh网络是一种无线宽带接入网络,利用分布式思想构建网络,让用户在任何时间、任何地点都可以对互联网进行高速无线访问。

        无线分布式网络在近几年得到了快速发展,人们也对其未来寄予了美好的憧憬。但由于其不同于以往传统网络的特性,导致研究和应用中存在很多难题,如:能量问题,高效、可靠的媒体接入控制协议,可靠的多跳路由算法等,这些难题将成为无线分布式网络能否顺利发展的障碍,需要进行进一步的研究。

    来源:http://www.cww.net.cn/article/article.asp?id=79720&bid=4781


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  • 【笔记】分布式网络与分布式账本

    千次阅读 2020-02-24 00:39:02
    一、分布式网络P2P的概念 1.类型与概念   现实网络模式中,主要存在三种模式,分别是中心化、分布式与去中心化。   分布式网络,作为区块链的底层公有链,是种分布式对等网络(P2P),每个网络节点都是平等的,...

    一、分布式网络P2P的概念

    1.类型与概念

      现实网络模式中,主要存在三种模式,分别是中心化、分布式与去中心化

      分布式网络,作为区块链的底层公有链,是种分布式对等网络(P2P),每个网络节点都是平等的,没有哪个节点处于中心地位或者对其他节点具有控制、管理权限,所以每个结点之间的关系都是对等的,故又称为“对等网络”。 在此网络中的参与者既是资源、服务和内容的提供者,又是资源、服务和内容的获取者。
      分布式网络与中心化的客户端或服务器网络架构不同,它是一种去中心化的网络结构方式,其提高了数据传输的效率,对中心化的网络结构来说具有更高的安全性。

    2.分散化、负载均衡与隐私

      分布式网络(P2P网络)主要有分散化(非中心化)、可扩展性、健壮性、高性能、保护隐私与负载均衡等特点,其中以分散化和局域均衡为主要内容。

      (1)分散化,即非中心化
      网络中的资源和服务分散在所有节点上,信息传输和服务的实现都直接在节点之间进行,无须中间环节和服务器的介入,避免了可能的“瓶颈”。这样就大大降低了对集中式服务器的资源和性能的要求。分散化是P2P的基本特点,由此带来了可扩展性、健壮性等方面的优势。

      (2)负载均衡
      因为每个节点既是服务器优势客户端,降低了对传统“客户/服务器模式”(C/S)服务器计算能力、存储能力的要求,同时因为资源分布在多个节点,更好地实现了整个网络的负载均衡。

      在P2P网络中,由于信息的传输分散在各节点之间进行而无须经过某个集中环节,用户的隐私信息被窃听和泄露的可能性大大缩小。
      目前解决Internet隐私问题主要次啊用中继转发的技术方法,从而将通信的参与者隐藏在众多的网络实体之中,但在传统的一些匿名通信系统中, 实现这一机制依赖于某些中继服务器节点。在P2P中,所有参与者都可以使用中继转发的功能,因而大大提高了匿名通信的灵活性和可靠性,能够为用户提供更好的隐私保护。

    3.高效、健壮与可扩展

    • 可扩展性

      在P2P网络中,随着用户的加入,不仅服务的需求增加了,系统整体的资源和服务能力也在同步扩充始终能较容易地满足用户的需要。由于大部分处理直接在节点之间进行,大大减少了对服务器的以来,因而能够方便地扩展到数百万个用户。
      对于纯P2P来说,整个体系是全分布的,不存在“瓶颈”。理论上其可扩展性是无限的。P2P可扩展性这一优点已经在一些应用的实例中得到证明,如Napster、Gnutella、Freenet等。

    • 高性能

      采用P2P架构可以有效地利用互联网中散布的大量普通节点,将计算任务或存储资料分布到所有节点上。利用其中限制的计算能力或存储空间,达到高性能计算和海量存储的目的。

    • 健壮性

      P2P架构则天生具有耐攻击、高容错的优点,因为服务是分散在各个节点之间进行的,所以部分节点或网络遭到破坏对其它部分的影响也很小。分布式模型一般在部分节点失效时能够自动调整、整体拓扑,保持其他节点的连通性。

    二、常见问题与分布式事物

    1.常见问题

      (1)通信异常
      分布式系统需要在各个节点之间进行通信,因此每次网络通信都会伴随着网络不可用的风险,例如光纤、路由、域名系统等硬件设备不可用。

      (2)网络分区
      当网络发生异常情况,导致分布式系统中部分节点之间的网络延迟不断增大,最终导致分布式系统中只有部分节点能够正常通信,这种情况称为网络分区,俗称“脑裂”。

      (3)三态
      因为网络的问题,所以分布式系统的每次请求与响应存在特有的“三态”概念,即成功、失败和超时。

    2.分布式事务

      一个分布式事务可以看作由多个分布式操作序列组成,通常把这一系列分布式操作称为子事务。在分布式事务中,各个子系统的执行也是分布式的,因此要实现一种能够保证“ACID”特性的分布式事务处理系统就格外复杂。于是,出现了诸如**“CAP原则”“BASE原则”**这样的分布式经典理论。

    三、P2P的两种架构

    1.分类及性能

      根据点链接方式以及资源定位方式,分布式网络分为两种架构:一种是非结构化的P2P网络,另一种是结构化的P2P网络。
    在这里插入图片描述

      分布式网络两种架构4中结构的性能比较:
    在这里插入图片描述

    2.非结构化的P2P网络

      非结构化的P2P网络,是指网络系统的各个节点随机地互相链接在一起,没有经过特定设计的层叠网络结构。
      特点就是搭建网络容易,最大缺陷是数据索引的效率低。
      当节点太多,就会形成巨大的信息潮流,消耗大量的中央处理器(CPU)和带宽资源以满足大量节点之间的数据查询和通信,因而使得数据索引的效率低。

    3.结构化的P2P网络

      结构化的P2P网络,是指网络即诶但通过特定的网络拓扑结构链接在一起,通过网路协议确保任意节点可以高效地找到所需数据,即使是很少见的数据。目前最常用的结构是分布式哈希表(DHT)
      优点是能大大提高搜索效率。缺点在于,由于网络中的哈希表建立了资源与存储空间的对应关系,所以网络抗扰动的能力不足。

    四、广播机制

      广播与验证机制是区块链网络与以往中心化网络的重要区别之一,是产生信任、形成高安全性的基础。两种广播机制分别为交易广播区块构造广播

      交易广播机制:每一笔交易需要向全网进行广播,取得全网节点的验证后,才进入区块的构造过程。
      交易广播一方面是下一项交易的源头,也是产生信任机制的第一步;另一方面是区块封装的数学基础,因为”矿工“们要做的是将某一适度内的交易组装为区块并进行计算。

      区块构造广播:由网络服务机构完成的广播。
      由于区块的构造是由全网的服务机构(”矿工“们)竞争的结果,在接收交易广播的信息并完成本时段内全部交易的封装后,矿工们开始竞争计算哈希值。最快完成计算的”矿工“必须将结果广播出去,并且具备接收全网节点验证的基础条件,实现区块向主区块链的”入链“过程,才能使区块真正构建完成。

    五、验证机制

    1.概念与验证

      在区块链的分布式网络中,验证机制是指节点对广播的交易信息和区块进行验证的过程

      验证一般只对源交易的哈希值进行验证,确认源交易的哈希值是可信的,而且存在于之前的区块之中即可。
      当最先完成区块封装以及竞争计算的”矿工“吧构造结果广播出去以后,其他节点的”矿工“就会停止对本区块的构造,转而验证该区块的计算结果是否成立,每一个节点在将新区块转发到其节点之前,会进行一系列的测试来验证以确保区块的合格与有效。

      这种验证同时也是一种保证系统正常运行的激励机制。

    2.步骤与唯一性

      区块构造验证的具体步骤:
      节点依据一个标准清单对区块进行验证,这些标准存在于比特币核心客户端的“Check Block” 函数和“Check Block Head”函数中。

    • 区块的数据结构在语法上有效;
    • 区块头的哈希值小于目标难度,确认包含足够的工作量证明;
    • 区块时间戳早于验证时刻未来两个小时,即允许时间错误;
    • 区块大小在长度限制之内;
    • 其他条件。

      区块链的唯一性
      如果同时有数个区块被计算出来,并且都可以通过全网的验证,其他”矿工“可以任选一个区块进行新区块的”挖矿“,并广播挖出的新区块,这时候就产生了”多链“现象。
      由于网络节点的随机性, 一般在不超过6个新区看的范围内,原来的”多链“就会出现长短不一的情况,此时”马太效应“显现,全网的节点都会选择最长的那条链进行后续的区块构造,其他的短链将会被抛弃,为保证主区块链的唯一性。

    六、分布式账本

    1.概念与特点

      账本是个体、团体经济活动和利益的记录系统(SoR),来源于各类资产的交易(或交换)。
      资产的所有权和转移会在业务网络中创造价值,这个过程被称为交易。

      分布式账本记录网络参与者之间的资产交易或数据交换等活动,是一种在网络成员之间共享、复制和同步的数据库。
      网络中的参与者根据共识原则来制约和协商账本记录的更新。
      分布式账本中的每条记录都有一个时间戳和唯一的密码签名,这使得账本成为网络中所有交易的可审计历史记录。

      分布式账本系统的特点:

    1. 存放在互联网的各个节点上,每个节点都有一份完整的备份;
    2. 记录着自诞生以来的所有转账交易记录;
    3. 账本是分区块存储的,每一块包含一部分交易记录,每一个区块都会记录着前一区块的ID,形成一个链状结构;
    4. 当发起一笔交易时,只需把交易信息广播到P2P网络中,交易信息被记录成一个新的区块链接到区块链上,交易即完成。

    2.分布式账本和商业账本的比较

      传统商业账本存在的问题: 效率低下、成本高、不透明且容易发生欺诈和滥用等。这些集中化的、基于信任的账本系统会给交易阶段带来瓶颈和障碍,缺乏透明性则很容易发生腐败和欺诈。

      分布式账本的优势: 区块链共识机制具备提供经过整合、一直的数据集的优势,减少了错误,拥有接近事实的引用数据,而且参与者能够灵活地更改其拥有资产的描述。
      区块链技术会提高参与成员之间的交易信息流中的可信度和完整性。其不变性机制降低了审计和合规的成本,增加了透明性;在使用区块链技术的业务网络上,合约通过智能、自动化执行得到最终确认,进而企业会获得更高的执行速度、更低的成本和更少的风险,最终使奇特构架耐心的收入流来与客户交互。

      分布式账本存在的问题和解决方案如下图所示。

    在这里插入图片描述

    3.应用价值与操作

      分布式中心体的产品应用价值主要有3点:
      (1)去中心化云端数据存储。 整个网络没有集中设立的管理机构,节点间拥有相同的权利和义务,任一节点损坏或者失去都不会影响整个系统的运行。
      (2)让信息对称。 分布式账本技术可建立一个公开透明的社会信用体系,信息不对称将不复存在。
      (3)去欺诈。 系统基于公开透明规则,数据内容是公开的,节点之间无法互相欺诈,在系统节点数据交换中任何篡改行为将被系统识别出来。

      比特币采用分布式账本的方式:
      (1)所有交易参与方都是匿名的,每一笔交易信息必须公开;
      (2)所有人都可以进行记账,每10分钟进行一次账本更新;
      (3)每次更新账本时,记账参与者需根据最近10分钟的交易信息向系统提交自己计算出来的最新账本;
      (4)系统将把所有上传账本大多数相同版本的账本视为正确的账本;
      (5)所有提交正确账本的参与方都可以参与,唯一获胜者可以获得一笔数额的现金奖励。

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空空如也

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