Ad Hoc網絡技術淺析

2019-11-03 09:24:57

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供稿：網友

鄭麗娜，吳同強

　　Ad Hoc ＮｅｔｗｏｒｋＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

　　摘　要：Ad Hoc網絡是隨著無線通信技術的快速發展而出現的一種新型網絡。本文詳細介紹了Ad Hoc網絡的概念、特點、應用需求、與其他移動通信系統的區別和網絡管理等方面的問題。

　　關鍵詞：Ad Hoc網絡移動ip 網絡管理

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ad Hoc ｎｅｔｗｏｒｋｉｓａｎｕｐ－ｔｏ－ｄａｔｅｏｎｅｅｍｅｒｇｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｓ，ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｏｐｅ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｏｔｈｅｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｓｓｕｅｓｏｎｎｅｔｗｏｒｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｗｉｔｈｄｅｔａｉｌ．

　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ad Hoc ｎｅｔｗｏｒｋＭｏｂｉｌｅ IP Ｎｅｔｗｏｒｋｍａｎａｇｅｍｅｎｔ

　　0 前言

　　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中的通信。目前的移動通信大多需要有線基礎設施（如基站）的支持才能實現。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。

　　1 Ad Hoc網絡的概念

　　Ad Hoc網絡是一種沒有有線基礎設施支持的移動網絡，網絡中的節點均由移動主機構成。Ad Hoc網絡最初應用于軍事領域，它的研究起源于戰場環境下分組無線網數據通信項目，該項目由ＤＡＲＰＡ資助，其后，又在1983年和1994年進行了抗毀可適應網絡ＳＵＲＡＮ（ＳｕｒｖｉｖａｂｌｅＡｄａｐｔｉｖｅＮｅｔｗｏｒｋ）和全球移動信息系統ＧｌｏＭｏ（ＧｌｏｂａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）項目的研究。由于無線通信和終端技術的不斷發展，Ad Hoc網絡在民用環境下也得到了發展，如需要在沒有有線基礎設施的地區進行臨時通信時，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網絡實現。

　　在Ad Hoc網絡中，當兩個移動主機（如圖1中的主機Ａ和Ｂ）在彼此的通信覆蓋范圍內時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋范圍有限，如果兩個相距較遠的主機（如圖1中的主機Ａ和Ｃ）要進行通信，則需要通過它們之間的移動主機Ｂ的轉發才能實現。因此在Ad Hoc網絡中，主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發報文的工作。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才能到達目的地。故Ad Hoc網絡也被稱為多跳無線網絡。其結構如圖2所示。

　　Ad Hoc網絡可以看作是移動通信和計算機網絡的交叉。在Ad Hoc網絡中，使用計算機網絡的分組交換機制，而不是電路交換機制。通信的主機一般是便攜式計算機、個人數字助理（ＰＤＡ）等移動終端設備。Ad Hoc網絡不同于目前因特網環境中的移動IP網絡。在移動IP網絡中，移動主機可以通過固定有線網絡、無線鏈路和撥號線路等方式接入網絡，而在Ad Hoc網絡中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網絡中，移動主機通過相鄰的基站等有線設施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之間均為有線網絡，仍然使用因特網的傳統路由協議。而Ad Hoc網絡沒有這些設施的支持。此外，在移動IP網絡中移動主機不具備路由功能，只是一個普通的通信終端。當移動主機從一個區移動到另一個區時并不改變網絡拓撲結構，而Ad Hoc網絡中移動主機的移動將會導致拓撲結構的改變。

　　2 Ad Hoc網絡的特點

　　Ad Hoc網絡作為一種新的組網方式，具有以下特點。

　　2．1 網絡的獨立性

　　Ad Hoc網絡相對常規通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬件基礎網絡設施的支持，快速構建起一個移動通信網絡。它的建立不依賴于現有的網絡通信設施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網絡的這種特點很適合災難救助、偏遠地區通信等應用。

　　2．2 動態變化的網絡拓撲結構

　　在Ad Hoc網絡中，移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發生變化。在自組網中，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網絡拓撲結構不斷發生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。對于常規網絡而言，網絡拓撲結構則相對較為穩定。

　　2．3 有限的無線通信帶寬

　　在Ad Hoc網絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。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。除此以外，考慮到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。

　　2．4 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。由于主機可能處在不停的移動狀態下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網絡有能源有限的特點。

　　2．5 網絡的分布式特性

　　在Ad Hoc網絡中沒有中心控制節點，主機通過分布式協議互聯。一旦網絡的某個或某些節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作。

　　2．6 生存周期短

　　Ad Hoc網絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比較短。

　　2．7 有限的物理安全

　　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。現有的鏈路安全技術有些已應用于無線網絡中來減小安全攻擊。不過Ad Hoc網絡的分布式特性相對于集中式的網絡具有一定的抗毀性。

　　3 Ad Hoc網絡的應用需求

　　Ad Hoc網絡的應用范圍很廣，總體上來說，它可以用于以下場合：

　　ａ）沒有有線通信設施的地方，如沒有建立硬件通信設施或有線通信設施遭受破壞。

　　ｂ）需要分布式特性的網絡通信環境。

　　ｃ）現有有線通信設施不足，需要臨時快速建立一個通信網絡的環境。

　　ｄ）作為生存性較強的后備網絡。

　　Ad Hoc網絡技術的研究最初是為了滿足軍事應用的需要，軍隊通信系統需要具有抗毀性、自組性和機動性。在戰爭中，通信系統很容易受到敵方的攻擊，因此，需要通信系統能夠抵御一定程度的攻擊。若采用集中式的通信系統，一旦通信中心受到破壞，將導致整個系統的癱瘓。分布式的系統可以保證部分通信節點或鏈路斷開時，其余部分還能繼續工作。在戰爭中，戰場很難保證有可靠的有線通信設施，因此，通過通信節點自己組合，組成一個通信系統是非常有必要的。此外，機動性是部隊戰斗力的重要部分，這要求通信系統能夠根據戰事需求快速組建和拆除。

　　Ad Hoc網絡滿足了軍事通信系統的這些需求。Ad Hoc網絡采用分布式技術，沒有中心控制節點的管理。當網絡中某些節點或鏈路發生故障，其他節點還可以通過相關技術繼續通信。Ad Hoc網絡由移動節點自己自由組合，不依賴于有線設備，因此，具有較強的自組性，很適合戰場的惡劣通信環境。Ad Hoc網絡建立簡單、具有很高的機動性。目前，一些發達國家為作戰人員配備了尖端的個人通信系統，在惡劣的戰場環境中，很難通過有線通信機制或移動IP機制來完成通信任務，但可以通過Ad Hoc網絡來實現。因此，研究Ad Hoc網絡對軍隊通信系統的發展具有重要的應用價值和長遠意義。

　　近年來，Ad Hoc網絡的研究在民用和商業領域也受到了重視。在民用領域，Ad Hoc網絡可以用于災難救助。在發生洪水、地震后，有線通信設施很可能因遭受破壞而無法正常通信，通過Ad Hoc網絡可以快速地建立應急通信網絡，保證救援工作的順利進行，完成緊急通信需求任務。Ad Hoc網絡可以用于偏遠或不發達地區通信。在這些地區，由于造價、地理環境等原因往往沒有有線通信設施，Ad Hoc網絡可以解決這些環境中的通信問題。Ad Hoc網絡還可以用于臨時的通信需求，如商務會議中需要參會人員之間互相通信交流，在現有的有線通信系統不能滿足通信需求的情況下，可以通過Ad Hoc網絡來完成通信任務。

　　Ad Hoc網絡在研究領域也很受關注，近幾年的網絡國際會議基本都有Ad Hoc網絡專題，隨著移動技術的不斷發展和人們日益增長的自由通信需求，Ad Hoc網絡會受到更多的關注，得到更快速的發展和普及。

　　4與其他移動通信系統的比較

　　4．1 蜂窩系統

　　蜂窩系統是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統。在蜂窩系統中，覆蓋區域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區。每個小區內設置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉發服務。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進行。基站則一般通過有線線路連接到主要由交換機構成的骨干交換網絡。蜂窩系統是一種有連接網絡，一旦一個信道被分配給某個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統一般用于語音通信。

　　4．2 集群系統

　　集群系統與蜂窩系統類似，也是一種有連接的網絡，一般屬于專用網絡，規模不大，主要為移動用戶提供語音通信。

　　4．3 衛星通信系統

　　衛星通信系統的通信范圍最廣，可以為全球每個角落的用戶提供通信服務。在此系統中，衛星起著與基站類似的功能。衛星通信系統按衛星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛星通信系統存在成本高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等不足。

　　上述移動通信系統都需要有線網絡通信基礎設施的支持，如基站、交換機、衛星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，因此成本比較高，同時建設的周期也長。Ad Hoc網絡不需要基站的支持，由主機自己組網，因此，網絡建立的成本低，同時時間短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統中，移動終端之間并不直接通信，并且移動終端只具備收發功能，不具備轉發功能。而Ad Hoc網絡由移動主機構成，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發數據，同時還轉發數據。此外目前的移動通信系統主要為用戶提供語音通信功能，通常采用電路交換，拓撲結構比較穩定。而Ad Hoc網絡使用分組轉發技術，主要為用戶提供數據通信服務，拓撲結構易于變化。

　　5 移動IP和Ad Hoc網絡的結合

　　實現移動和全IP是當今網絡發展的兩大趨勢。隨著手機使用的日益廣泛和人們對移動所能提供的信息要求越來越高，人們更加希望能隨時隨地接入互聯網。

　　對于Ad Hoc網絡，網絡是隨時生成而且具有易構性，不需要事先存在的網絡來支持，因此，應用很廣泛也很簡單。但是這種網絡有很強的獨立性，它可以單獨存在，它的特性和它所使用的主動的、按需驅動的路由協議都令它難以與互聯網通信，達到交互信息的目的。為了達到Ad Hoc網絡中的移動主機可以在不同的Ad Hoc網絡間移動和隨時接入互聯網，我們利用移動IP協議可在不同網絡中漫游的特性，結合移動IP和Ad Hoc網絡，即ＭIPＭＡＮＥＴ，提供一種將Ad Hoc網絡使用按需驅動的路由機制，移動IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網絡接入互聯網的解決方案。圖3為Ad Hoc網絡接入互聯網的模型。

　　6 管理Ad Hoc網絡面臨的問題

　　Ad Hoc網絡的特性決定了管理上比有線網絡復雜許多，因為網絡拓撲的動態變化，要求網絡管理也是動態自動配置。而且要考慮到移動節點本身的限制，例如能源有限、鏈路狀態變化和有限的存儲能力等，因此，要將管理協議給整個網絡帶來的負荷考慮在內。最后還要考慮到網絡管理對不同環境的適用性等。

　　具體Ad Hoc網絡管理需要解決的問題為以下幾方面：

　　ａ）網絡管理協議的一個重要任務是使網管知道網絡的拓撲結構。在有線網絡中，由于網絡變化不頻繁，所以這點容易做到。但在移動網絡中，節點的移動導致拓撲結構變化太頻繁，網管需定期收集節點的連接信息，這無疑會加大網絡的負荷。

　　ｂ）大多數節點使用電池供電，所以要保證網絡管理的負荷限制在最小值以節省能源。要盡量減少收發和處理的節點數，但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。

　　ｃ）能源的有限性和節點的移動性導致節點隨時可能與網絡分離，這要求網絡管理協議能夠及時覺察節點的離開和加入，而更新拓撲結構。

　　ｄ）無線環境下信號質量變化大。信號的衰退和擁塞都會使網管誤認為節點已離開，因此，網管必須能夠區分是由于節點移動還是由于鏈路質量的原因導致連接中斷。網管必須詢問物理層，但這樣會違反ＯＳＩ的層次管理結構。

　　ｆ） 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。

　　由上可見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，如何處理動態的網絡配置和安全保密問題。

　　7 結論

　　Ad Hoc網絡是一種新穎的移動計算機網絡的類型，它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。其自身的獨特性，賦予其巨大的發展前景。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網絡中網絡監視、節點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。

　　
摘自《郵電設計技術》

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