無線Ａｄｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

摘要：

無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)是隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型網(wǎng)絡(luò)。文章詳細(xì)介紹了無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的由來、主要特征、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用等方面，并展望了它的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：

Adhoc網(wǎng)絡(luò)；路由技術(shù)；安全問題；互聯(lián)；分層自組網(wǎng)；多跳網(wǎng)

ABSTRACT:

Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies，thewirel

essAdhocnetworkcomesupasanewtypeofnetwork.Thispaperdescribestheorig

in，features，keytechnologiesandapplicationsoftheAdhocnetworkindetail

，andforecastsitsdevelopmenttrends.

KEYWORDS:

Adhocnetwork;Routingtechnology;Securityproblem;Interconnection;Hier

archicalself-organizingnetworks;Multi-hopnetwork

近幾年，無線網(wǎng)絡(luò)在支持移動性方面的發(fā)展非常迅速。按照移動通信系統(tǒng)是否具有基礎(chǔ)設(shè)施，可以把移動無線網(wǎng)絡(luò)分成兩類。

第1種類型是具有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。移動節(jié)點(diǎn)借助于通信范圍內(nèi)最近的基站實(shí)現(xiàn)通信。在這樣的網(wǎng)絡(luò)里，移動節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于移動終端，它不具備路由功能，而只有移動交換機(jī)負(fù)責(zé)路由和交換功能。這種類型網(wǎng)絡(luò)的典型例子有蜂窩無線系統(tǒng)、辦公室無線局域網(wǎng)等。

移動無線網(wǎng)絡(luò)的第2種類型是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動網(wǎng)絡(luò)，也就是無線Adhoc網(wǎng)(見圖1)。它是一種自治的無線多跳網(wǎng)，整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有固定的路由器，所有節(jié)點(diǎn)都是移動的，并且都能以任意方式動態(tài)地保持與其它節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。在這種環(huán)境中，由于終端的無線覆蓋范圍的有限性，兩個無法直接進(jìn)行通信的用戶終端可以借助于其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。每一個節(jié)點(diǎn)都可以說是一個路由器，它們要能完成發(fā)現(xiàn)和維持到其它節(jié)點(diǎn)路由的功能。典型例子有交互式的講演，可以共享信息的商業(yè)會議，戰(zhàn)場上的信息中繼，以及緊急通信需要。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)早在20多年前就已開始研究，且研究的重點(diǎn)主要放在國防項(xiàng)目上，諸如抗毀的、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃(SURAN)、低開銷的分組無線網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃(LCR)。其最初的項(xiàng)目支持者是美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)和美國陸軍以及海軍研究辦公室(ONR)。現(xiàn)在，美國政府資助的這方面的計(jì)劃仍在繼續(xù)進(jìn)行，比如戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、近距離數(shù)字無線電臺。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事領(lǐng)域發(fā)展的同時，也引起了商用領(lǐng)域的極大興趣。Internet工程任務(wù)組(IETF)也成立了一個移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)工作組(MANET)，其主要目標(biāo)就是針對無線Adhoc多跳網(wǎng)開發(fā)一種基于IP協(xié)議的路由機(jī)制，使得IP協(xié)議擴(kuò)展到這種自組織的、快速移動的無線網(wǎng)。

1無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)是由移動主機(jī)構(gòu)成的自主系統(tǒng)，主要特征如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)自主性

無線Adhoc網(wǎng)相對常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時刻、任何地點(diǎn)不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。這也是個人通信的一種體現(xiàn)形式。

(2)動態(tài)拓?fù)?/p>

節(jié)點(diǎn)具有任意移動性。此外，無線傳播條件的快速改變，也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰圆豢深A(yù)測的方式任意和快速地改變。

(3)帶寬限制和變化的鏈路容量

無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸技術(shù)作為底層通信手段，其相對于有線信道具有較低的容量；并且由于多路訪問、多徑衰落、噪聲和信號干擾等多種因素，使得移動節(jié)點(diǎn)的實(shí)際帶寬小于理論上的最大帶寬值。

(4)能量限制節(jié)點(diǎn)

移動節(jié)點(diǎn)依靠電池提供工作所需的能量。減少功耗將是影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的一個非常重要的因素。

(5)多跳通信

由于無線收發(fā)機(jī)的信號傳播范圍有限，Adhoc網(wǎng)絡(luò)要求支持多跳通信。這種多跳通信由此也帶來了隱藏終端、暴露終端和公平性等問題。

(6)分布式控制

無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的用戶節(jié)點(diǎn)都兼?zhèn)洫?dú)立路由和主機(jī)功能，不存在一個網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，用戶節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常采用分布式控制方式，因而具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。而在常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)中，由于存在基站、網(wǎng)控中心或路由器這樣一類集中控制設(shè)備，用戶終端與它們所處的地位不是對等的。

(7)有限的安全性

通常，移動無線網(wǎng)絡(luò)由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等原因，會比有線網(wǎng)絡(luò)更易受到安全性的威脅。這些安全性的攻擊包括竊聽、電子欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊手段。

2無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)

在Adhoc網(wǎng)絡(luò)里，移動節(jié)點(diǎn)通過多跳無線鏈路實(shí)現(xiàn)相互間的通信。整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，比如基站。網(wǎng)內(nèi)每一個節(jié)點(diǎn)都可作為路由器，向其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。開發(fā)一種能有效地找到節(jié)點(diǎn)間路由的動態(tài)路由協(xié)議就成為Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Adhoc路由協(xié)議需要能夠?qū)崿F(xiàn)以下的功能：

(1)能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化

Adhoc路由協(xié)議要能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化。因?yàn)锳dhoc網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行多跳通信，所以路由協(xié)議必須確保路徑中的鏈路具有很強(qiáng)的連接性。Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須知道它的周圍環(huán)境和可以與它直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)里提供網(wǎng)絡(luò)連接的方法主要有兩種：平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分層路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(見圖2)。在平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點(diǎn)都是平級的，分組的路由是基于對等的連接。但是在分層路由結(jié)構(gòu)中，較低層至少要有一個節(jié)點(diǎn)作為與高層聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)。

(2)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B接

因?yàn)槊總€移動主機(jī)都可以隨時改變位置，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫穷l繁變化的。這樣，Adhoc路由協(xié)議為了維持節(jié)點(diǎn)之間的鏈路具有較強(qiáng)的連接性，它必須動態(tài)更新鏈路狀態(tài)和對自己重新配置。如果采用中心控制的路由算法，為把節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)的改變傳送到所有的節(jié)點(diǎn)，就會消耗過多的時間和精力，顯然是不適合的。所以要采用一種全分布式的路由算法。

(3)高度自適應(yīng)的路由

相對于有線網(wǎng)絡(luò)里的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，Adhoc網(wǎng)絡(luò)要求一個高度自適應(yīng)的路由機(jī)制，來處理快速的拓?fù)渥兓?。而傳統(tǒng)的路由協(xié)議，如距離矢量和鏈路狀態(tài)算法，要求在指定路由器間交換大量路由信息，因此在Adhoc網(wǎng)絡(luò)里都不能有效地工作。所以針對Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了新的路由算法?？偟膩碚f，這些路由算法可以分為3種類型：表驅(qū)動算法、需求驅(qū)動算法、表驅(qū)動和需求驅(qū)動算法相混合的算法。

表驅(qū)動路由協(xié)議采用周期性的路由分組廣播，來交換路由信息。每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。主動路由的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個去往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組時，只要路由存在，發(fā)送分組的延時就很??；缺點(diǎn)是表驅(qū)動路由協(xié)議需花費(fèi)較高代價(如帶寬、電源、CPU資源等)，使路由表能夠跟上當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，但動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可能使高價得來的路由表中內(nèi)容變成無效信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。目前，這種類型的無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議已提出了幾種機(jī)制，用以改善這些方面的性能。

需求驅(qū)動路由協(xié)議是根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的需要，按需進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容也是按需建立的，所以其內(nèi)容可能僅僅是整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按需路由的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；缺點(diǎn)是在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，因沒有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，要臨時啟動路由發(fā)現(xiàn)過程來尋找路由，所以數(shù)據(jù)分組需要等待一定時間的延時，并且由于路由發(fā)現(xiàn)過程通常采用全網(wǎng)泛洪機(jī)制進(jìn)行搜索，這在一定程度上也抵消了按需機(jī)制帶來的好處。

目前，國內(nèi)外的研究人員基于各種不同的角度提出了許多針對無線Adhoc網(wǎng)的路由協(xié)議，其中一部分也提交到Adhoc網(wǎng)工作小組成為RFC草案。下面列舉一些典型的自組網(wǎng)路由協(xié)議：

●DSDV(Destination-SequencedDistance-Vector)協(xié)議

●WRP(WirelessRoutingProtocol)

●DSR(DynamicSourceRouting)協(xié)議

●ABR(AssociativityBasedRouting)協(xié)議

●ZRP(ZoneRoutingProtocol)

●AODV(AdhoconDemandDistanceVectorRouting)協(xié)議

●TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)協(xié)議

●LS_QoS(Link-StateBasedQoSRouting)協(xié)議

2.2無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的安全問題

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)不同，無線Adhoc網(wǎng)作為一種新型的無線移動網(wǎng)絡(luò)，不依賴于任何固定設(shè)施，而是通過移動節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作保持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。由于該網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特性，它正逐步運(yùn)用于商業(yè)環(huán)境。設(shè)計(jì)這種網(wǎng)絡(luò)面臨的一個主要挑戰(zhàn)就是它易受到安全攻擊，比如受到竊聽、偽造、拒絕服務(wù)等攻擊。

在無線Adhoc網(wǎng)中沒有基站或中心節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都是移動的，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)間通過無線信道相連，沒有專門的路由器，由節(jié)點(diǎn)自身充當(dāng)路由器，同時也沒有命名服務(wù)、目錄服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)功能。這就導(dǎo)致了在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的安全機(jī)制不再適用于Adhoc網(wǎng)，所以應(yīng)提出專門針對無線Adhoc網(wǎng)的安全機(jī)制。目前提出的安全策略有：基于口令的認(rèn)證協(xié)議，它與傳統(tǒng)的口令認(rèn)證不同的地方是密鑰和口令的產(chǎn)生是由多臺機(jī)器決定，而不是集中由一臺機(jī)器產(chǎn)生，并且還提供了一種完善的口令更新機(jī)制；“復(fù)活鴨子”的安全模式，它主要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)里，傳感器與控制者之間可能存在的不安全問題，提出傳感器在“死亡”之前，只受其擁有者的控制；異步的分布式密鑰管理，它提出密鑰管理服務(wù)是由多個節(jié)點(diǎn)(一個集合)來管理，而不是單個節(jié)點(diǎn)來管理。

2.3無線Adhoc網(wǎng)的互聯(lián)

無線Adhoc網(wǎng)是一種多跳網(wǎng)，上述的路由算法都屬于單個網(wǎng)內(nèi)的，現(xiàn)在多數(shù)的文章也都集中在這個方面討論，卻很少涉及如何把多個Adhoc子網(wǎng)聯(lián)接成一個大網(wǎng)及如何與有線Internet相結(jié)合，由此便提出將無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題。

通過使用網(wǎng)關(guān)路由器，可以實(shí)現(xiàn)將幾個Adhoc網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能。這種形式可以向位于多個分散地理位置上的工作小組提供協(xié)同通信能力。

無線Adhoc網(wǎng)與Internet和廣域網(wǎng)的互聯(lián)，從外部來看，可以認(rèn)為Adhoc網(wǎng)是一個IP子網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)部分分組的傳送是由網(wǎng)內(nèi)路由協(xié)議完成(分組到達(dá)目的地可能要經(jīng)過多跳)，而當(dāng)分組進(jìn)入或離開子網(wǎng)時，采用標(biāo)準(zhǔn)IP路由機(jī)制。這就要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要能運(yùn)行多種路由協(xié)議。

無線Adhoc網(wǎng)可以看作是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在特定場合下的一種擴(kuò)展。作為Adhoc網(wǎng)內(nèi)部的移動節(jié)點(diǎn)有訪問現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)資源，與其他Adhoc網(wǎng)內(nèi)的移動節(jié)點(diǎn)通信的需求，即Adhoc網(wǎng)互聯(lián)。

3分層無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

Adhoc網(wǎng)絡(luò)作為一種無線自組網(wǎng)，可以用在很多方面，如軍事通信系統(tǒng)、防汛抗洪等應(yīng)急通信系統(tǒng)、商業(yè)應(yīng)用環(huán)境及無線接入網(wǎng)等領(lǐng)域。這里，根據(jù)無線Adhoc網(wǎng)的特點(diǎn)，我們提出了它在民用中的另一種應(yīng)用：分層自組網(wǎng)。

分層自組網(wǎng)在未來的全球移動通信系統(tǒng)中，可作為蜂窩移動通信系統(tǒng)的一個重要補(bǔ)充。蜂窩通信系統(tǒng)的“無縫”覆蓋能力是很強(qiáng)的，但它所能提供的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體服務(wù)卻有限，第3代移動通信系統(tǒng)用戶的最大數(shù)據(jù)傳輸速率只為2Mbit/s，還是不能完全滿足未來移動用戶的業(yè)務(wù)需求，特別是在業(yè)務(wù)比較集中的熱點(diǎn)小區(qū)。而分層自組網(wǎng)由于可以采用基于IP的分組交換技術(shù)，所以適合在這樣的熱點(diǎn)小區(qū)提供高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)。圖3是分層自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

現(xiàn)有的某些接入網(wǎng)如無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)、Bluetooth等，在網(wǎng)絡(luò)層來看，是一個單跳的網(wǎng)絡(luò)，無路由功能，分層自組網(wǎng)則是一個多跳的網(wǎng)絡(luò)。分層自組網(wǎng)可以分為兩層，一層是接入層，一層是終端層。接入層是由多個AP(接入點(diǎn))構(gòu)成的，這些AP既可以作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，也可以作為用戶，并且這些AP的位置是可以隨意移動的，這一層就構(gòu)成一個無線自組網(wǎng)，AP之間的通信采用相互轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)，也即多跳通信。終端層是由移動終端用戶組成，它們也構(gòu)成一自組網(wǎng)，相互之間的通信也可采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)，并且可以通過AP與其它微小區(qū)用戶通信或接入網(wǎng)絡(luò)。

分層自組網(wǎng)作為蜂窩無線系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，還有一些技術(shù)難點(diǎn)需要突破，比如越區(qū)切換，漫游，滿足用戶在高速移動下的快速動態(tài)路由技術(shù)，移動網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等。這些技術(shù)的解決對于網(wǎng)絡(luò)能否正常和穩(wěn)定工作是十分關(guān)鍵和必不可少的。

4無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

無線Adhoc網(wǎng)是一種新穎的移動計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充形式。其自身的獨(dú)特性，將賦予其具有巨大的發(fā)展前景。其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：

(1)其民用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大；

(2)由于現(xiàn)在只有涉及路由協(xié)議的相關(guān)草案，所以標(biāo)準(zhǔn)的制定對于無線Adhoc網(wǎng)的進(jìn)一步推廣起著重要作用。標(biāo)準(zhǔn)包括的范圍不僅僅是網(wǎng)絡(luò)層，還要涉及物理層及鏈路層；

(3)前述的某些技術(shù)只是針對特定環(huán)境下的Adhoc網(wǎng)，因此提出一種能自適應(yīng)于任何環(huán)境下的相關(guān)協(xié)議將很有應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期：2001-11-30)

作者簡介

李少謙，電子科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，通信抗干擾技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和移動通信信息產(chǎn)業(yè)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國家“863”計(jì)劃通信技術(shù)主題專家組成員。主要研究領(lǐng)域包括移動通信、個人通信、擴(kuò)頻通信、抗干擾通信等。

蘭嵐，電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和移動通信信息產(chǎn)業(yè)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師。主要從事無線網(wǎng)絡(luò)等方面的研究。