尹　彪

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

關鍵詞:Ad Hoc;無線網絡;自組織;多跳;動態(tài)

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

1 引言

隨著人們對擺脫有線網絡束縛、隨時隨地可以進行自由通信的渴望,近幾年來無線網絡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字助理來實現移動通信。為了能夠在沒有固定基站的地方進行通信,一種新的網絡技術——Ad Hoc網絡技術應運而生。Ad Hoc網絡不需要有線基礎設備的支持,通過移動主機自由的組網實現通信。Ad Hoc網絡的出現推進了人們實現在任意環(huán)境下的自由通信的進程,同時它也為軍事通信、災難救助和臨時通信提供了有效的解決方案。自組織網絡已被認為是未來移動通信技術的核心組成部分之一,甚至有不少人認為自組織網絡的思想將會把所有我們能想到的網絡組合在一起,從而實現世界通信網絡的大統一。

2 Ad Hoc網絡的概念及特點

Ad Hoc 網絡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,整個網絡沒有固定的基礎設施。

在自組網中,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用程序;另一方面,作為路由器,終端需要運行相應的路由協議,根據路由策略和路由表完成數據的分組轉發(fā)和路由維護工作。在Ad Hoc網絡中,每個主機的通信范圍有限,因此路由一般都由多跳組成,數據通過多個主機的轉發(fā)才能到達目的地。故Ad Hoc網絡也被稱為多跳無線網絡。

Ad Hoc網絡作為一種新的組網方式,具有以下特點:

1) 無中心和自組織性。Ad Hoc網絡中所有節(jié)點的地位平等,網絡中的節(jié)點通過分布式算法來協調彼此的行為,無需人工干預和任何其它預置的網絡設施,可以在任何時刻任何地點快速展開并自動組網。

2) 自動配置。由于網絡動態(tài)變化,Ad Hoc網絡自動配置過程需要確保網絡能夠正常工作,這涉及到連接Internet的網關節(jié)點的更換,簇頭的更新等。

3) 動態(tài)變化的網絡拓撲。Ad Hoc網絡中,移動終端能夠以任意速度和任意方式在網中移動,并可以隨時關閉電臺,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絡拓撲隨時可能發(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,它提供的網絡帶寬相對有線信道要低得多。此外,競爭共享無線信道產生的碰撞、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網絡中,移動終端存在固有缺陷,例如能源受限、內存較小、CPU性能較低等,同時屏幕等外設較小,不利于開展功能較復雜的業(yè)務。

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

7) 網絡的可擴展性不強。動態(tài)變化的拓撲結構使得具有不同子網地址的移動終端可能同時處于一個Ad Hoc網絡中,因而子網技術所帶來的可擴展性無法應用在Ad Hoc網絡環(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)點的轉發(fā)。Ad Hoc網絡中的多跳路由是由普通節(jié)點協作完成的,而不是由專用的路由設備完成的。

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

10) 特殊的信道共享方式。在Ad Hoc網絡中,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網絡中,主機均是一些移動設備,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網絡能源有限。

3 Ad Hoc網絡的發(fā)展歷史

Ad Hoc技術起源于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)地無線分組數據網(PRNET) ”[7]項目中產生的一種新型網絡技術。后來,DARPA 又于1983年和1994年分別資助進行了抗毀自適應網絡(Survivable Adaptive Network , SURAN)[8]和全球移動信息系統( 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絡。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、自組織的移動基礎設施是這種網絡區(qū)別于其他商業(yè)蜂窩系統的基本要素,它將分組交換網絡的概念引伸到廣播網絡的范疇。這項工作開辟了移動自組網(Mobile Ad Hoc Network,簡稱Ad Hoc網絡或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成果。90年代中期,隨著一些技術的公開,Ad Hoc網絡開始成為移動通信領域一個公開的研究熱點。因特網任務工作組(IETF)于1996年成立了MANET (Mobile Ad Hoc Networks)工作組,專門研究Ad Hoc網絡環(huán)境下基于IP協議的路由協議規(guī)范和接口設計[10]。這使得Ad Hoc網絡的設計思路也由傳統的單一技術體系過渡到基于IP的多技術體系,從而導致該網絡更具有開放型、適應性、靈活性,提高了開發(fā)速度。1998年以來,無論是國內還是國外,各科研團體對無線Ad Hoc網絡的研究不斷升溫,尤其是在網絡層的路由協議方面,其研究工作已經取得了很大的進展。目前Ad Hoc網絡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)模在數百至數千結點,實驗規(guī)模在幾十個結點左右。

4 Ad Hoc網絡的研究熱點

目前關于Ad Hoc網絡研究中的主要熱點問題為路由協議、服務質量、MAC協議、與蜂窩移動通信系統的整合、安全性問題。

1) 路由協議。

傳統的距離向量和鏈路狀態(tài)路由協議并不適用于拓撲結構高度動態(tài)變化的Ad Hoc網絡。理想的Ad Hoc網絡的路由協議應該具有以下性能: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網絡的路由協議可以分為表驅動路由和按需路由兩大類。目前研究的最為深入的表驅動路由協議為DSDV(Destination Sequenced Distance Vector),按需路由協議為DSR(Dynamic Source Routing)、AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing)、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)。其中DSR路由協議已經在裝有IEEE 802. 11 WaveLAN卡的筆記本電腦組成的Ad Hoc 網絡中實現。此外開發(fā)了一些多播路由協議, 但是所有路由協議至今還沒有一個能完全符合MANET的要求。

2) 服務質量QoS

Ad Hoc網絡的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網絡的媒體接入控制(MAC)協議

主要是解決隱藏終端和暴露終端問題,影響比較大的有MACA協議,即RTS/CTS/ACK方案,控制信道和數據信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協議,以及一些改進類的MAC協議。有一些研究則是側重于將IEEE 802.11的MAC協議移植到Ad Hoc網絡中。基于定向天線的MAC協議在理論上性能較為優(yōu)越,但在技術上實現的難度較大。

4) Ad Hoc網絡與蜂窩移動通信系統的整合

目前國外已經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網絡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網絡沒有值得信任的第三方的證書的幫助。

5 Ad Hoc網絡管理面臨的問題

具體Ad Hoc網絡管理需要解決的問題為以下幾方面:

1)網絡協議管理。在移動網絡中,節(jié)點的移動導致拓撲結構變化太頻繁,網管需定期收集節(jié)點的連接信息,這無疑會加大網絡的負荷。

2)功率管理。大多數節(jié)點使用電池供電,所以要保證網絡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,但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。

3)QoS管理。在Internet 網絡中,最常用的QoS資源預留協議包括集中服務(RSVP)和區(qū)分服務(Diffserv)?？梢詫λ麄冃薷囊詰糜贏d Hoc網絡。資源預留時根據最大帶寬和最小帶寬要求決定數據流的接入與否,當網絡趨于擁塞時,每個接入流只保證最小要求帶寬,當網絡空閑時,逐步擴大使用帶寬。QoS資源管理協議可以和QoS路由聯合起來提供服務保障。

4)安全管理。Ad Hoc網絡無法建立固定的安全服務和認證中心,從而提出了新的安全設計,包括基于口令的認證模式,分布式密鑰產生,分級保密等級等。Ad Hoc網絡通常應用于軍事,因此,要防止竊聽、破壞和侵入。所以網管需要結合加密和認證過程。

5)網絡互聯管理。Ad Hoc互聯管理包括兩個Ad Hoc網絡直接相連, Ad Hoc與IP 網或蜂窩網互聯,兩個Ad Hoc網通過IP網互聯。與其他網絡相連, Ad Hoc網只能作為末端網絡,即只允許出自本網節(jié)點或終結于本網節(jié)點的數據流通過。兩個Ad Hoc網通過IP 網互聯時, IP網作為通信隧道傳輸Ad Hoc網的信息。

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

6 Ad Hoc網絡的應用:

Ad Hoc網絡潛在的應用很多,可分為以下幾類:

1) 民用方面:

例如移動會議,家庭關網,緊急服務,個人域網絡等。

2) 軍事方面:

在現代化戰(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系,以完成集中指揮,協調作戰(zhàn)。這樣的通信網絡是一種典型的Ad Hoc網絡。

3) 傳感器網絡:

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

4) 商業(yè)應用:

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

5) 其它應用:

考慮到Ad Hoc網絡具有很多優(yōu)良特性,它的應用領域還有很多,這需要我們進一步去挖掘。比如它可以用來擴展現有蜂窩移動通信系統的覆蓋范圍,用于輔助教學和構建未來的移動無線城域網和自組織廣域網等。

7 結束語

Ad Hoc網絡既可以作為一種獨立的網絡運行,也可以作為當前具有固定設施網絡的一種補充形式。在惡劣環(huán)境中支持移動節(jié)點之間的數據、語音、圖像和圖形等業(yè)務的無線傳輸,應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網絡的研究中還存在許多亟待解決的問題:設計具有節(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議,以及Ad Hoc網絡的網絡管理等。今后將重點致力于Ad Hoc網絡中網絡監(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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[10]http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html,2003-05-06.

[11] 通信百科.Ad Hoc網絡[EB/OL].http://baike.c114.net/view.asp?AdHoc%CD%F8%C2%E7.