Ａｄ　Ｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)綜述

尹　彪

摘要:Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型、多跳、自組織的無線網(wǎng)絡(luò),借助于多跳轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來彌補無線設(shè)備的有限傳輸距離,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠動態(tài)地、隨意地、頻繁地進入和離開網(wǎng)絡(luò),從而拓寬網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,為用戶提供各種服務(wù)、傳輸各種業(yè)務(wù)。文中介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史、概念、主要特點、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,并指出了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)管理面臨的問題。

關(guān)鍵詞:Ad Hoc;無線網(wǎng)絡(luò);自組織;多跳;動態(tài)

中圖分類號:TN915.0文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)22-pppp-0c

1 引言

隨著人們對擺脫有線網(wǎng)絡(luò)束縛、隨時隨地可以進行自由通信的渴望,近幾年來無線網(wǎng)絡(luò)通信得到了迅速的發(fā)展。人們可以通過配有無線接口的便攜計算機或個人數(shù)字助理來實現(xiàn)移動通信。為了能夠在沒有固定基站的地方進行通信,一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持,通過移動主機自由的組網(wǎng)實現(xiàn)通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)推進了人們實現(xiàn)在任意環(huán)境下的自由通信的進程,同時它也為軍事通信、災(zāi)難救助和臨時通信提供了有效的解決方案。自組織網(wǎng)絡(luò)已被認為是未來移動通信技術(shù)的核心組成部分之一,甚至有不少人認為自組織網(wǎng)絡(luò)的思想將會把所有我們能想到的網(wǎng)絡(luò)組合在一起,從而實現(xiàn)世界通信網(wǎng)絡(luò)的大統(tǒng)一。

2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的概念及特點

Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳的、臨時性自治系統(tǒng),整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施。

在自組網(wǎng)中,每個用戶終端不僅能移動,而且,兼有路由器和主機兩種功能。一方面,

作為主機,終端需要運行各種面向用戶的應(yīng)用程序;另一方面,作為路由器,終端需要運行相應(yīng)的路由協(xié)議,根據(jù)路由策略和路由表完成數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護工作。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,每個主機的通信范圍有限,因此路由一般都由多跳組成,數(shù)據(jù)通過多個主機的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的地。故Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也被稱為多跳無線網(wǎng)絡(luò)。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)方式,具有以下特點:

1) 無中心和自組織性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的地位平等,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此的行為,無需人工干預(yù)和任何其它預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,可以在任何時刻任何地點快速展開并自動組網(wǎng)。

2) 自動配置。由于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)自動配置過程需要確保網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作,這涉及到連接Internet的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的更換,簇頭的更新等。

3) 動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,移動終端能夠以任意速度和任意方式在網(wǎng)中移動,并可以隨時關(guān)閉電臺,加上無線發(fā)送裝置的天線類型多種多樣、發(fā)送功率的變化、無線信道間的互相干擾、地形和天氣等綜合因素的影響,移動終端間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲隨時可能發(fā)生變化,而且變化的方式和速度都難以預(yù)測。

4) 受限的無線傳輸帶寬。由于無線信道本身的物理特性,它提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低得多。此外,競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素,移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。

5) 移動終端的局限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,移動終端存在固有缺陷,例如能源受限、內(nèi)存較小、CPU性能較低等,同時屏幕等外設(shè)較小,不利于開展功能較復(fù)雜的業(yè)務(wù)。

6) 安全性較差。移動網(wǎng)絡(luò)通常比固定網(wǎng)絡(luò)更容易受到物理安全攻擊,易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊。

7) 網(wǎng)絡(luò)的可擴展性不強。動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)使得具有不同子網(wǎng)地址的移動終端可能同時處于一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,因而子網(wǎng)技術(shù)所帶來的可擴展性無法應(yīng)用在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

8) 多跳路由。由于節(jié)點發(fā)射功率的限制,節(jié)點的覆蓋范圍有限。當(dāng)它要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時,需要中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通節(jié)點協(xié)作完成的,而不是由專用的路由設(shè)備完成的。

9) 存在單向的無線信道。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用無線信道通信,由于地形環(huán)境或發(fā)射功率等因素影響可能產(chǎn)生單向無線信道。

10) 特殊的信道共享方式。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,廣播信道是多跳共享的,一個節(jié)點的發(fā)送,只有其一跳相鄰節(jié)點可以聽到。

11) 有限的主機能源。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中,主機均是一些移動設(shè)備,如PDA、便攜計算機或掌上電腦,主機的能源主要由電池提供,因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能源有限。

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史

Ad Hoc技術(shù)起源于20世紀70年代,它是在美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助研究的“戰(zhàn)地?zé)o線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)(PRNET) ”[7]項目中產(chǎn)生的一種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。后來,DARPA 又于1983年和1994年分別資助進行了抗毀自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(Survivable Adaptive Network , SURAN)[8]和全球移動信息系統(tǒng)( Global Mobile Information Systems , GloMo)[9]兩個項目的研究,以便能夠建立某些特殊環(huán)境或緊急情況下的無線通信網(wǎng)絡(luò)。最初的動機之一就是滿足戰(zhàn)場生存的軍事需求,因此能快速裝備、自組織的移動基礎(chǔ)設(shè)施是這種網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他商業(yè)蜂窩系統(tǒng)的基本要素,它將分組交換網(wǎng)絡(luò)的概念引伸到廣播網(wǎng)絡(luò)的范疇。這項工作開辟了移動自組網(wǎng)(Mobile Ad Hoc Network,簡稱Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)或MANET)研發(fā)的先河。

在20世紀70年代到90年代早期,我們很難從公開的出版物上獲得有價值的理論與技術(shù)成果。90年代中期,隨著一些技術(shù)的公開,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)開始成為移動通信領(lǐng)域一個公開的研究熱點。因特網(wǎng)任務(wù)工作組(IETF)于1996年成立了MANET (Mobile Ad Hoc Networks)工作組,專門研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于IP協(xié)議的路由協(xié)議規(guī)范和接口設(shè)計[10]。這使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計思路也由傳統(tǒng)的單一技術(shù)體系過渡到基于IP的多技術(shù)體系,從而導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)更具有開放型、適應(yīng)性、靈活性,提高了開發(fā)速度。1998年以來,無論是國內(nèi)還是國外,各科研團體對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究不斷升溫,尤其是在網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議方面,其研究工作已經(jīng)取得了很大的進展。目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)尚未達到完全實用階段,大部分工作仍處在仿真和實驗階段,仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千結(jié)點,實驗規(guī)模在幾十個結(jié)點左右。

4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究熱點

目前關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究中的主要熱點問題為路由協(xié)議、服務(wù)質(zhì)量、MAC協(xié)議、與蜂窩移動通信系統(tǒng)的整合、安全性問題。

1) 路由協(xié)議。

傳統(tǒng)的距離向量和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議并不適用于拓撲結(jié)構(gòu)高度動態(tài)變化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。理想的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議應(yīng)該具有以下性能:分布式運行、無環(huán)路、按需運行、考慮安全性、高效地利用電池能量、支持單向鏈路、維護多條路由。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可以分為表驅(qū)動路由和按需路由兩大類。目前研究的最為深入的表驅(qū)動路由協(xié)議為DSDV(Destination Sequenced Distance Vector),按需路由協(xié)議為DSR(Dynamic Source Routing)、AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing)、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)。其中DSR路由協(xié)議已經(jīng)在裝有IEEE 802. 11 WaveLAN卡的筆記本電腦組成的Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)。此外開發(fā)了一些多播路由協(xié)議, 但是所有路由協(xié)議至今還沒有一個能完全符合MANET的要求。

2) 服務(wù)質(zhì)量QoS

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS支持主要面臨以下問題:無線信道的時變性、無線信道的帶寬受限、路由機制、有限的電池能量。

3) 基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制(MAC)協(xié)議

主要是解決隱藏終端和暴露終端問題,影響比較大的有MACA協(xié)議,即RTS/CTS/ACK方案,控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協(xié)議,以及一些改進類的MAC協(xié)議。有一些研究則是側(cè)重于將IEEE 802.11的MAC協(xié)議移植到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中?；诙ㄏ蛱炀€的MAC協(xié)議在理論上性能較為優(yōu)越,但在技術(shù)上實現(xiàn)的難度較大。

4) Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩移動通信系統(tǒng)的整合

目前國外已經(jīng)開展了一定研究工作,其中主要包括:ODMA,A-GSM,SOPRANO,ICAR等。

5) 安全性問題

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容易受到鏈路層的攻擊,包括被動竊聽和主動假冒、信息重放和信息破壞;節(jié)點在敵方環(huán)境(如戰(zhàn)場)漫游時缺乏物理保護;與移動IP相比, Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有值得信任的第三方的證書的幫助。

5 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)管理面臨的問題

具體Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)管理需要解決的問題為以下幾方面:

1)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議管理。在移動網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點的移動導(dǎo)致拓撲結(jié)構(gòu)變化太頻繁,網(wǎng)管需定期收集節(jié)點的連接信息,這無疑會加大網(wǎng)絡(luò)的負荷。

2)功率管理。大多數(shù)節(jié)點使用電池供電,所以要保證網(wǎng)絡(luò)管理的負荷限制在最小值以節(jié)省能源。要盡量減少收發(fā)和處理的節(jié)點數(shù),但這是與需要拓撲結(jié)構(gòu)的定期更新相矛盾的。

3)QoS管理。在Internet 網(wǎng)絡(luò)中,最常用的QoS資源預(yù)留協(xié)議包括集中服務(wù)(RSVP)和區(qū)分服務(wù)(Diffserv)?？梢詫λ麄冃薷囊詰?yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。資源預(yù)留時根據(jù)最大帶寬和最小帶寬要求決定數(shù)據(jù)流的接入與否,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于擁塞時,每個接入流只保證最小要求帶寬,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時,逐步擴大使用帶寬。QoS資源管理協(xié)議可以和QoS路由聯(lián)合起來提供服務(wù)保障。

4)安全管理。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無法建立固定的安全服務(wù)和認證中心,從而提出了新的安全設(shè)計,包括基于口令的認證模式,分布式密鑰產(chǎn)生,分級保密等級等。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于軍事,因此,要防止竊聽、破壞和侵入。所以網(wǎng)管需要結(jié)合加密和認證過程。

5)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)管理。Ad Hoc互聯(lián)管理包括兩個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)直接相連, Ad Hoc與IP 網(wǎng)或蜂窩網(wǎng)互聯(lián),兩個Ad Hoc網(wǎng)通過IP網(wǎng)互聯(lián)。與其他網(wǎng)絡(luò)相連, Ad Hoc網(wǎng)只能作為末端網(wǎng)絡(luò),即只允許出自本網(wǎng)節(jié)點或終結(jié)于本網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)流通過。兩個Ad Hoc網(wǎng)通過IP 網(wǎng)互聯(lián)時, IP網(wǎng)作為通信隧道傳輸Ad Hoc網(wǎng)的信息。

總之,Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的,要解決的問題包括如何有效地收集網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息,如何處理動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)配置和安全保密問題。

6 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用:

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用很多,可分為以下幾類:

1) 民用方面:

例如移動會議,家庭關(guān)網(wǎng),緊急服務(wù),個人域網(wǎng)絡(luò)等。

2) 軍事方面:

在現(xiàn)代化戰(zhàn)場上,各種軍事車輛之間、士兵之間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯(lián)系,以完成集中指揮,協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。這樣的通信網(wǎng)絡(luò)是一種典型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

3) 傳感器網(wǎng)絡(luò):

傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù),并且傳感器的發(fā)射功率很小。分散的傳感器通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個網(wǎng)絡(luò),可以實現(xiàn)傳感器之間和與控制中心之間的通信。

4) 商業(yè)應(yīng)用:

如商場內(nèi)顧客若攜帶手持無線設(shè)備可以很容易地找到某種商品和價格。這種設(shè)備已由NCR公司生產(chǎn)。

5) 其它應(yīng)用:

考慮到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)良特性,它的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多,這需要我們進一步去挖掘。比如它可以用來擴展現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍,用于輔助教學(xué)和構(gòu)建未來的移動無線城域網(wǎng)和自組織廣域網(wǎng)等。

7 結(jié)束語

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)既可以作為一種獨立的網(wǎng)絡(luò)運行,也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補充形式。在惡劣環(huán)境中支持移動節(jié)點之間的數(shù)據(jù)、語音、圖像和圖形等業(yè)務(wù)的無線傳輸,應(yīng)用范圍可以覆蓋工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、家庭、辦公環(huán)境、軍事等各種場合。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究中還存在許多亟待解決的問題:設(shè)計具有節(jié)能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴展特性的路由協(xié)議,以及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理等。今后將重點致力于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、節(jié)點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。

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