移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

宋青松（1.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西 西安 710043；2.長安大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西 西安 710064）

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是一種不需要基礎(chǔ)設(shè)施投入的自主無線通信網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)移動(dòng)設(shè)備分布式協(xié)同工作，提供必要的網(wǎng)絡(luò)通信功能。除無線通信固有問題（比如比有線介質(zhì)更低的可靠性，有限的物理安全，時(shí)變頻率，干擾等）之外，由于通信節(jié)點(diǎn)可自由加入或離開，并可任意移動(dòng)，導(dǎo)致MANET拓?fù)淇焖俚夭豢深A(yù)知地發(fā)生改變[1]。MANET這一特性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。物理層必須處理數(shù)據(jù)鏈路層的快速變化。介質(zhì)訪問控制子層（MAC層）必須允許信道直接接入，并且最小化數(shù)據(jù)包的碰撞以及處理潛在的和已知的通信節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)層，節(jié)點(diǎn)需要合作起來計(jì)算路徑。傳輸層必須能夠處理與有線網(wǎng)絡(luò)特性不同的數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)延遲問題。應(yīng)用層應(yīng)當(dāng)能夠處理不可連接以及重連接問題。還有，所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開發(fā)必須和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融為一體，并將安全問題考慮在內(nèi)。

文中將圍繞MANET設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)，著重闡述路由，服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)，尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入，安全等MANET關(guān)鍵問題，這對(duì)促進(jìn)MANET研發(fā)具有重要意義。

1 MANET與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)

移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）是指由移動(dòng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式臨時(shí)組成，這些節(jié)點(diǎn)互相充當(dāng)路由器進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，而不依賴于任何固定的基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。MANET可以獨(dú)立運(yùn)行，也可接入Internet。與2G蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及3G網(wǎng)絡(luò)相比，MANET機(jī)動(dòng)性高、可部署快速、抗毀性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于軍事、救災(zāi)、會(huì)議等諸多場(chǎng)合，如表1所示，是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一[2-4]。

表1 MANET的應(yīng)用領(lǐng)域Tab.1 Application fields of MANET

在基于基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)中，比如現(xiàn)有移動(dòng)通信運(yùn)營商運(yùn)營的電信網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)終端直接與接入點(diǎn)或基站通信。而MANET的運(yùn)轉(zhuǎn)依靠智能手機(jī)、筆記本電腦、個(gè)人電子助手（PDAs）、甚至MP3播放器、GPS等通信節(jié)點(diǎn)，通過無線鏈接進(jìn)行自主地短暫聯(lián)合從而完成數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)自組網(wǎng)中，位于有效距離范圍內(nèi)的通信節(jié)點(diǎn)，首先相互動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，之后直接通信；而位于有效距離之外的通信節(jié)點(diǎn)，依賴自覺充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)分組路由器的中間節(jié)點(diǎn)完成通信，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)設(shè)施通信網(wǎng)（左）與MANET（右）示意圖Fig.1 Infrastructure network（left）and MANET（right）

2 路 由

由于通信節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)，導(dǎo)致MANET拓?fù)淇焖侔l(fā)生改變。因此，在對(duì)通信節(jié)點(diǎn)不施加過度的控制與計(jì)算代價(jià)前提下，必須設(shè)計(jì)高效的路由協(xié)議以建立節(jié)點(diǎn)間的通信路徑[5-6]。MANET路由協(xié)議可分為如下4類。

1）主動(dòng)式路由協(xié)議。與?有線網(wǎng)絡(luò)中鏈接狀態(tài)或距離向量路由協(xié)議類似，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全體節(jié)點(diǎn)始終周期性地更新路由控制信息。事實(shí)上大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，沒有必要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由信息更新。

2）反應(yīng)式路由協(xié)議。僅僅設(shè)置發(fā)生通信的節(jié)點(diǎn)之間的路由，以及只要被需要就保持活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)間路由。

3）混合式路由協(xié)議。組合主動(dòng)式與反應(yīng)式兩種路由協(xié)議，鄰近路由（比如最多兩跳的路由）被主動(dòng)更新，而遠(yuǎn)距離路由反應(yīng)式更新。

4）基于位置的路由協(xié)議。不同于上述3種協(xié)議，數(shù)據(jù)包的傳送基于節(jié)點(diǎn)通信對(duì)象的位置。位置信息服務(wù)器提供節(jié)點(diǎn)位置信息，基于該信息數(shù)據(jù)包被傳往目的節(jié)點(diǎn)。

路由協(xié)議的性能（吞吐量，包丟失率，網(wǎng)絡(luò)延遲等）受通信負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性、以及節(jié)點(diǎn)密度等網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀況制約，開發(fā)自適應(yīng)的路由協(xié)議是關(guān)鍵。

3 服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)

MANET中的節(jié)點(diǎn)對(duì)通信對(duì)象能提供的服務(wù)知之甚少甚至一無所知。因而，需要制定服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制，使得節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行定位，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)廣播對(duì)外提供的服務(wù)。服務(wù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問數(shù)據(jù)庫、獲取計(jì)算能力等[7]。

一般分為基于目錄式的與非目錄式的服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制兩類?；谀夸浭降姆?wù)與資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制核心組成是目錄代理，它進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)并且完成對(duì)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求服務(wù)的處理。這種機(jī)制下，服務(wù)與資源被動(dòng)態(tài)或靜態(tài)地分配到一個(gè)節(jié)點(diǎn)子集中并且保持實(shí)時(shí)更新。非目錄式的服務(wù)和資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制對(duì)缺少基礎(chǔ)設(shè)施的MANET更有吸引力，在這種機(jī)制中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要被服務(wù)時(shí)才會(huì)請(qǐng)求服務(wù)，并且會(huì)主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)通知其能提供的服務(wù)。

MANET的服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)還沒有成熟的解決方案。UPnP等基于目錄的機(jī)制不能有效處理MANET中的動(dòng)態(tài)特性。為改善性能，該協(xié)議的制定應(yīng)結(jié)合路由協(xié)議完成，并且需要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、鄰域以及用戶偏好等情景的感知能力。

4 尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入

MANET中每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要分配一個(gè)地址以進(jìn)行通信。如果MANET獨(dú)立運(yùn)行，可使用唯一的MAC地址對(duì)節(jié)點(diǎn)編制。而Internet應(yīng)用都基于TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，并且MANET將于Internet互聯(lián)互通，因此，MANET使用IP地址是必然的。但由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，像固定網(wǎng)絡(luò)用前綴和范圍組成內(nèi)部地址在MANET中是難以實(shí)現(xiàn)的。存在3種典型的MANET尋址與Internet接入算法[8-9]，如圖2所示。

圖2 Internet接入與尋址典型算法示意圖Fig.2 Typical algorithms for Internet connectivity and addressing

算法1：假定MANET內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)共享一個(gè)被事先靜態(tài)分配的全局唯一的IPv4或IPv6地址，該地址稱為這些節(jié)點(diǎn)的居所地址（HoA），如圖2（a）所示。此外，對(duì)應(yīng)該MANET配備一個(gè)居所代理（HA）和一個(gè)Internet網(wǎng)關(guān)[10]。對(duì)于傳入通信，所有發(fā)送到該HoA的通信首先到達(dá)該MANET的居所代理（HA）。當(dāng)該MANET中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)告知該居所代理，該Internet網(wǎng)關(guān)的IP地址正是其監(jiān)督地址（CoA），則居所代理將所有通信傳入到該MANET內(nèi)部。進(jìn)一步由MANET內(nèi)部的Ad-hoc路由協(xié)議將通信傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于傳出通信，MANET內(nèi)部節(jié)點(diǎn)將通信路由到Internet網(wǎng)關(guān)即可。MANET內(nèi)部的通信由其Ad－h(huán)oc路由協(xié)議完成。該算法的主要問題在于，需要一個(gè)高效的算法使得MANET內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能夠確定當(dāng)前時(shí)刻該MANET是否具有一個(gè)可用的HoA。

算法2：假定給MANET中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)指派一個(gè)地址，該地址從一個(gè)非常大的地址空間中隨機(jī)抽取，并且通過實(shí)施復(fù)制地址檢測(cè)（DAD）技術(shù)保證該MANET內(nèi)部節(jié)點(diǎn)地址的唯一性。DAD技術(shù)分為強(qiáng)DAD與弱DAD兩類。強(qiáng)DAD能夠絕對(duì)避免重復(fù)，但由于計(jì)算代價(jià)大導(dǎo)致在大型網(wǎng)絡(luò)中難以實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于弱DAD，如果包可以到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，則允許一定程度的地址重復(fù)。Internet接入時(shí)，使用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)MANET可實(shí)現(xiàn)通信輸出。但是如果有多個(gè)Internet網(wǎng)關(guān)，則NAT無法奏效：當(dāng)節(jié)點(diǎn)切換到另一個(gè)網(wǎng)關(guān)，則使用新的IP地址，正在進(jìn)行的TCP連接被終止?？梢娫撍惴ǖ暮诵膯栴}在于設(shè)計(jì)高效的DAD與NAT技術(shù)。

算法3：同動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）服務(wù)器分配地址的方式類似，給MANET的節(jié)點(diǎn)指派一些特定的地址。當(dāng)接入Internet時(shí)，MANET被視為Internet分割出的一個(gè)可尋址子網(wǎng)。但對(duì)于MANET的合并與劃分，以及多點(diǎn)接入Internet，這個(gè)算法還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

MANET的尋址與Internet接入還沒有被普遍認(rèn)可的高效算法，難點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)命名空間與具有路由功能的主機(jī)的設(shè)計(jì)。

5 安 全

MANET本質(zhì)是無線網(wǎng)絡(luò)，并且網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)建立在節(jié)點(diǎn)相互合作的基礎(chǔ)上，這兩方面因素導(dǎo)致MANET本質(zhì)上更容易受到安全攻擊。攻擊可分為被動(dòng)與主動(dòng)兩類。被動(dòng)攻擊中，攻擊者僅是監(jiān)聽信道以獲取信息。由于不產(chǎn)生新的網(wǎng)絡(luò)流量，導(dǎo)致這類攻擊很難被檢測(cè)到。而對(duì)于主動(dòng)攻擊，攻擊者主動(dòng)參與到破壞網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，攻擊動(dòng)作涉及刪除，修改，復(fù)制，重定向和偽造協(xié)議控制包和數(shù)據(jù)包。

保護(hù)MANET不受惡意攻擊很難實(shí)現(xiàn)，通常采用預(yù)防手段，比如信息來源的授權(quán)、數(shù)據(jù)完整性以及消息次序保護(hù)等。預(yù)防手段一般都建立在公鑰密碼學(xué)上基礎(chǔ)上。但因?yàn)槿鄙俳y(tǒng)一的密碼發(fā)布中心或者受信的驗(yàn)證管理機(jī)構(gòu)，公鑰密碼機(jī)制還有待于進(jìn)一步改進(jìn)[11－12]。

6 結(jié)束語

MANET由移動(dòng)設(shè)備自行組建、自我組織、并且自我管理的一類無線網(wǎng)絡(luò)。它具有高度靈活性、無需基礎(chǔ)設(shè)施投入并且易于部署，是未來普適計(jì)算環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。MANET與其他無線網(wǎng)絡(luò)或基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，是將來4G通信網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)。盡管MANET在理論與應(yīng)用上已取得相當(dāng)發(fā)展，但在路由，服務(wù)與資源發(fā)現(xiàn)，尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入，安全等關(guān)鍵問題上仍然存在大量技術(shù)難點(diǎn)。

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