Ad Hoc网络综述

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  摘要:Ad Hoc网络是一种新型、多跳、自组织的无线网络,借助于多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离,网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络,从而拓宽网络的覆盖范围,为用户提供各种服务、传输各种业务。文中介绍了Ad Hoc网络的发展历史、概念、主要特点、国内外的研究现状及Ad Hoc网络的应用,并指出了Ad Hoc网络管理面临的问题。
  关键词:Ad Hoc;无线网络;自组织;多跳;动态
  中图分类号:TN915.0文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)22-pppp-0c
  
  1 引言
  
  随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望,近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理来实现移动通信。为了能够在没有固定基站的地方进行通信,一种新的网络技术——Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持,通过移动主机自由的组网实现通信。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程,同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。自组织网络已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一,甚至有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起,从而实现世界通信网络的大统一。
  
  2 Ad Hoc网络的概念及特点
  
  Ad Hoc 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的、临时性自治系统,整个网络没有固定的基础设施。
  在自组网中,每个用户终端不仅能移动,而且,兼有路由器和主机两种功能。一方面,
  作为主机,终端需要运行各种面向用户的应用程序;另一方面,作为路由器,终端需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。在Ad Hoc网络中,每个主机的通信范围有限,因此路由一般都由多跳组成,数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。
  Ad Hoc网络作为一种新的组网方式,具有以下特点:
  1) 无中心和自组织性。Ad Hoc网络中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它预置的网络设施,可以在任何时刻任何地点快速展开并自动组网。
  2) 自动配置。由于网络动态变化,Ad Hoc网络自动配置过程需要确保网络能够正常工作,这涉及到连接Internet的网关节点的更换,簇头的更新等。
  3) 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、无线信道间的互相干扰、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。
  4) 受限的无线传输带宽。由于无线信道本身的物理特性,它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外,竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
  5) 移动终端的局限性。Ad Hoc网络中,移动终端存在固有缺陷,例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等,同时屏幕等外设较小,不利于开展功能较复杂的业务。
  6) 安全性较差。移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击,易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。
  7) 网络的可扩展性不强。动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个Ad Hoc网络中,因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在Ad Hoc网络环境中。
  8) 多跳路由。由于节点发射功率的限制,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。Ad Hoc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完成的。
  9) 存在单向的无线信道。Ad Hoc网络采用无线信道通信,由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。
  10) 特殊的信道共享方式。在Ad Hoc网络中,广播信道是多跳共享的,一个节点的发送,只有其一跳相邻节点可以听到。
  11) 有限的主机能源。在Ad Hoc网络中,主机均是一些移动设备,如PDA、便携计算机或掌上电脑,主机的能源主要由电池提供,因此Ad Hoc网络能源有限。
  
  3 Ad Hoc网络的发展历史
  
  Ad Hoc技术起源于20世纪70年代,它是在美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助研究的“战地无线分组数据网(PRNET) ”[7]项目中产生的一种新型网络技术。后来,DARPA 又于1983年和1994年分别资助进行了抗毁自适应网络(Survivable Adaptive Network , SURAN)[8]和全球移动信息系统( Global Mobile Information Systems , GloMo)[9]两个项目的研究,以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。最初的动机之一就是满足战场生存的军事需求,因此能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本要素,它将分组交换网络的概念引伸到广播网络的范畴。这项工作开辟了移动自组网(Mobile Ad Hoc Network,简称Ad Hoc网络或MANET)研发的先河。
  在20世纪70年代到90年代早期,我们很难从公开的出版物上获得有价值的理论与技术成果。90年代中期,随着一些技术的公开,Ad Hoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。因特网任务工作组(IETF)于1996年成立了MANET (Mobile Ad Hoc Networks)工作组,专门研究Ad Hoc网络环境下基于IP协议的路由协议规范和接口设计[10]。这使得Ad Hoc网络的设计思路也由传统的单一技术体系过渡到基于IP的多技术体系,从而导致该网络更具有开放型、适应性、灵活性,提高了开发速度。1998年以来,无论是国内还是国外,各科研团体对无线Ad Hoc网络的研究不断升温,尤其是在网络层的路由协议方面,其研究工作已经取得了很大的进展。目前Ad Hoc网络尚未达到完全实用阶段,大部分工作仍处在仿真和实验阶段,仿真规模在数百至数千结点,实验规模在几十个结点左右。
  
  4 Ad Hoc网络的研究热点
  
  目前关于Ad Hoc网络研究中的主要热点问题为路由协议、服务质量、MAC协议、与蜂窝移动通信系统的整合、安全性问题。
  1) 路由协议。
  传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构高度动态变化的Ad Hoc网络。理想的Ad Hoc网络的路由协议应该具有以下性能:分布式运行、无环路、按需运行、考虑安全性、高效地利用电池能量、支持单向链路、维护多条路由。Ad Hoc网络的路由协议可以分为表驱动路由和按需路由两大类。目前研究的最为深入的表驱动路由协议为DSDV(Destination Sequenced Distance Vector),按需路由协议为DSR(Dynamic Source Routing)、AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector Routing)、TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)。其中DSR路由协议已经在装有IEEE 802. 11 WaveLAN卡的笔记本电脑组成的Ad Hoc 网络中实现。此外开发了一些多播路由协议, 但是所有路由协议至今还没有一个能完全符合MANET的要求。
  2) 服务质量QoS
  Ad Hoc网络的QoS支持主要面临以下问题:无线信道的时变性、无线信道的带宽受限、路由机制、有限的电池能量。
  3) 基于Ad Hoc网络的媒体接入控制(MAC)协议
  主要是解决隐藏终端和暴露终端问题,影响比较大的有MACA协议,即RTS/CTS/ACK方案,控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议,以及一些改进类的MAC协议。有一些研究则是侧重于将IEEE 802.11的MAC协议移植到Ad Hoc网络中。基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越,但在技术上实现的难度较大。
  4) Ad Hoc网络与蜂窝移动通信系统的整合
  目前国外已经开展了一定研究工作,其中主要包括:ODMA,A-GSM,SOPRANO,ICAR等。
  5) 安全性问题
  Ad Hoc网络容易受到链路层的攻击,包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏;节点在敌方环境(如战场)漫游时缺乏物理保护;与移动IP相比, Ad Hoc网络没有值得信任的第三方的证书的帮助。
  
  5 Ad Hoc网络管理面临的问题
  
  具体Ad Hoc网络管理需要解决的问题为以下几方面:
  1)网络协议管理。在移动网络中,节点的移动导致拓扑结构变化太频繁,网管需定期收集节点的连接信息,这无疑会加大网络的负荷。
  2)功率管理。大多数节点使用电池供电,所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数,但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。
  3)QoS管理。在Internet 网络中,最常用的QoS资源预留协议包括集中服务(RSVP)和区分服务(Diffserv)。可以对他们修改以应用于Ad Hoc网络。资源预留时根据最大带宽和最小带宽要求决定数据流的接入与否,当网络趋于拥塞时,每个接入流只保证最小要求带宽,当网络空闲时,逐步扩大使用带宽。QoS资源管理协议可以和QoS路由联合起来提供服务保障。
  4)安全管理。Ad Hoc网络无法建立固定的安全服务和认证中心,从而提出了新的安全设计,包括基于口令的认证模式,分布式密钥产生,分级保密等级等。Ad Hoc网络通常应用于军事,因此,要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。
  5)网络互联管理。Ad Hoc互联管理包括两个Ad Hoc网络直接相连, Ad Hoc与IP 网或蜂窝网互联,两个Ad Hoc网通过IP网互联。与其他网络相连, Ad Hoc网只能作为末端网络,即只允许出自本网节点或终结于本网节点的数据流通过。两个Ad Hoc网通过IP 网互联时, IP网作为通信隧道传输Ad Hoc网的信息。
  总之,Ad Hoc网络的网络管理是与传统网络不同的,要解决的问题包括如何有效地收集网络的拓扑信息,如何处理动态的网络配置和安全保密问题。
  
  6 Ad Hoc网络的应用:
  
  Ad Hoc网络潜在的应用很多,可分为以下几类:
  1) 民用方面:
  例如移动会议,家庭关网,紧急服务,个人域网络等。
  2) 军事方面:
  在现代化战场上,各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系,以完成集中指挥,协调作战。这样的通信网络是一种典型的Ad Hoc网络。
  3) 传感器网络:
  传感器网络只能使用无线通信技术,并且传感器的发射功率很小。分散的传感器通过Ad Hoc网络技术组成一个网络,可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。
  4) 商业应用:
  如商场内顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到某种商品和价格。这种设备已由NCR公司生产。
  5) 其它应用:
  考虑到Ad Hoc网络具有很多优良特性,它的应用领域还有很多,这需要我们进一步去挖掘。比如它可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围,用于辅助教学和构建未来的移动无线城域网和自组织广域网等。
  
  7 结束语
  
  Ad Hoc网络既可以作为一种独立的网络运行,也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输,应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合。在Ad Hoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题:设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议,以及Ad Hoc网络的网络管理等。今后将重点致力于Ad Hoc网络中网络监视、节点移动性管理、抗毁性管理和安全管理等方面的研究。
  
  参考文献:
  [1] 王海涛.未来个人通信的关键技术—移动Ad Hoc网络[EB/OL].[2005-06-26].http://tech.csai.cn/net/No000040.htm.
  [2] 与非网.Ad Hoc网络的关键技术[EB/OL].[2008-05-15].http://www.eefocus.com/article/08-03/35405s.html.
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  [4] 张蕾.Ad Hoc综述[J].电子科学技术评论, 2005(5):35-38.
  [5] 肖永康,山秀明,任勇.无线Ad Hoc网络及其研究难点[J].电信科学,2002(6):12-14.
  [6] 方旭明.移动Ad Hoc网络研究与发展现状[EB/OL].[2007-03-26].http://www.gz183.com.cn/Info/98/info12048_1.htm.
  [7]J.Jubin and J.D.Tornow ,“The DARPA packet radio network protocols,”Proc. IEEE,vol.75,no.1,Jan.1978,pp.21-32.
  [8]G.Lauer,Advanced protocols for the SURAN packet radio network, Proc.of the SHAPE Packet Radio Symposium(1989).
  [9]B.M.Leiner,R.J .Ruth and A.R.Sastry,“Goals and Challenges of the DARPA Glomo Program,”IEEE Personal Commun,Dec.1996,pp.34-43.
  [10]http://www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html,2003-05-06.
  [11] 通信百科.Ad Hoc网络[EB/OL].http://baike.c114.net/view.asp?AdHoc
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