無線Ａｄｈｏｃ網絡技術

摘要：

無線Adhoc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。文章詳細介紹了無線Adhoc網絡的由來、主要特征、關鍵技術和應用等方面，并展望了它的發展前景。

關鍵詞：

Adhoc網絡；路由技術；安全問題；互聯；分層自組網；多跳網

ABSTRACT:

Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies，thewirel

essAdhocnetworkcomesupasanewtypeofnetwork.Thispaperdescribestheorig

in，features，keytechnologiesandapplicationsoftheAdhocnetworkindetail

，andforecastsitsdevelopmenttrends.

KEYWORDS:

Adhocnetwork;Routingtechnology;Securityproblem;Interconnection;Hier

archicalself-organizingnetworks;Multi-hopnetwork

近幾年，無線網絡在支持移動性方面的發展非常迅速。按照移動通信系統是否具有基礎設施，可以把移動無線網絡分成兩類。

第1種類型是具有基礎設施的網絡。移動節點借助于通信范圍內最近的基站實現通信。在這樣的網絡里，移動節點相當于移動終端，它不具備路由功能，而只有移動交換機負責路由和交換功能。這種類型網絡的典型例子有蜂窩無線系統、辦公室無線局域網等。

移動無線網絡的第2種類型是一種無基礎設施的移動網絡，也就是無線Adhoc網(見圖1)。它是一種自治的無線多跳網，整個網絡沒有固定的基礎設施，也沒有固定的路由器，所有節點都是移動的，并且都能以任意方式動態地保持與其它節點的聯系。在這種環境中，由于終端的無線覆蓋范圍的有限性，兩個無法直接進行通信的用戶終端可以借助于其它節點進行分組轉發。每一個節點都可以說是一個路由器，它們要能完成發現和維持到其它節點路由的功能。典型例子有交互式的講演，可以共享信息的商業會議，戰場上的信息中繼，以及緊急通信需要。

Adhoc網絡技術早在20多年前就已開始研究，且研究的重點主要放在國防項目上，諸如抗毀的、自適應的網絡研究計劃(SURAN)、低開銷的分組無線網絡研究計劃(LCR)。其最初的項目支持者是美國國防高級研究計劃局(DARPA)和美國陸軍以及海軍研究辦公室(ONR)。現在，美國政府資助的這方面的計劃仍在繼續進行，比如戰術互聯網、近距離數字無線電臺。

Adhoc網絡技術在軍事領域發展的同時，也引起了商用領域的極大興趣。Internet工程任務組(IETF)也成立了一個移動Adhoc網絡工作組(MANET)，其主要目標就是針對無線Adhoc多跳網開發一種基于IP協議的路由機制，使得IP協議擴展到這種自組織的、快速移動的無線網。

1無線Adhoc網絡的特點

無線Adhoc網絡是由移動主機構成的自主系統，主要特征如下：

(1)網絡自主性

無線Adhoc網相對常規通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要現有信息基礎網絡設施。這也是個人通信的一種體現形式。

(2)動態拓撲

節點具有任意移動性。此外，無線傳播條件的快速改變，也導致了網絡拓撲需以不可預測的方式任意和快速地改變。

(3)帶寬限制和變化的鏈路容量

無線Adhoc網絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段，其相對于有線信道具有較低的容量；并且由于多路訪問、多徑衰落、噪聲和信號干擾等多種因素，使得移動節點的實際帶寬小于理論上的最大帶寬值。

(4)能量限制節點

移動節點依靠電池提供工作所需的能量。減少功耗將是影響網絡協議設計的一個非常重要的因素。

(5)多跳通信

由于無線收發機的信號傳播范圍有限，Adhoc網絡要求支持多跳通信。這種多跳通信由此也帶來了隱藏終端、暴露終端和公平性等問題。

(6)分布式控制

無線Adhoc網絡中的用戶節點都兼備獨立路由和主機功能，不存在一個網絡中心控制點，用戶節點之間的地位是平等的，網絡路由協議通常采用分布式控制方式，因而具有很強的魯棒性和抗毀性。而在常規通信網絡中，由于存在基站、網控中心或路由器這樣一類集中控制設備，用戶終端與它們所處的地位不是對等的。

(7)有限的安全性

通常，移動無線網絡由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等原因，會比有線網絡更易受到安全性的威脅。這些安全性的攻擊包括竊聽、電子欺騙和拒絕服務等攻擊手段。

2無線Adhoc網絡的關鍵技術

2.1無線Adhoc網絡的路由技術

在Adhoc網絡里，移動節點通過多跳無線鏈路實現相互間的通信。整個網絡沒有固定的基礎設施，比如基站。網內每一個節點都可作為路由器，向其它節點轉發數據分組。開發一種能有效地找到節點間路由的動態路由協議就成為Adhoc網絡設計的關鍵。Adhoc路由協議需要能夠實現以下的功能：

(1)能感知網絡拓撲結構的變化

Adhoc路由協議要能夠檢測到網絡拓撲的動態變化。因為Adhoc網絡需要進行多跳通信，所以路由協議必須確保路徑中的鏈路具有很強的連接性。Adhoc網絡中的節點必須知道它的周圍環境和可以與它直接進行通信的節點。Adhoc網絡里提供網絡連接的方法主要有兩種：平面路由網絡結構和分層路由網絡結構(見圖2)。在平面路由網絡結構中，所有的節點都是平級的，分組的路由是基于對等的連接。但是在分層路由結構中，較低層至少要有一個節點作為與高層聯系的網關。

(2)維護網絡拓撲的連接

因為每個移動主機都可以隨時改變位置，所以網絡拓撲是頻繁變化的。這樣，Adhoc路由協議為了維持節點之間的鏈路具有較強的連接性，它必須動態更新鏈路狀態和對自己重新配置。如果采用中心控制的路由算法，為把節點鏈路狀態的改變傳送到所有的節點，就會消耗過多的時間和精力，顯然是不適合的。所以要采用一種全分布式的路由算法。

(3)高度自適應的路由

相對于有線網絡里的靜態節點，Adhoc網絡要求一個高度自適應的路由機制，來處理快速的拓撲變化。而傳統的路由協議，如距離矢量和鏈路狀態算法，要求在指定路由器間交換大量路由信息，因此在Adhoc網絡里都不能有效地工作。所以針對Adhoc網絡的特點，提出了新的路由算法。總的來說，這些路由算法可以分為3種類型：表驅動算法、需求驅動算法、表驅動和需求驅動算法相混合的算法。

表驅動路由協議采用周期性的路由分組廣播，來交換路由信息。每個節點維護去往全網所有節點的路由。主動路由的優點是當節點需要發送一個去往其他節點的數據分組時，只要路由存在，發送分組的延時就很小；缺點是表驅動路由協議需花費較高代價(如帶寬、電源、CPU資源等)，使路由表能夠跟上當前網絡拓撲結構的變化，但動態變化的拓撲結構又可能使高價得來的路由表中內容變成無效信息，路由協議始終處于不收斂狀態。目前，這種類型的無線Adhoc網絡路由協議已提出了幾種機制，用以改善這些方面的性能。

需求驅動路由協議是根據發送節點的需要，按需進行路由發現過程，網絡拓撲結構和路由表內容也是按需建立的，所以其內容可能僅僅是整個網絡拓撲結構信息的一部分。按需路由的優點是不需要周期性的廣播路由信息，節省了一定的網絡資源；缺點是在發送數據分組時，因沒有去往目的節點的路由，要臨時啟動路由發現過程來尋找路由，所以數據分組需要等待一定時間的延時，并且由于路由發現過程通常采用全網泛洪機制進行搜索，這在一定程度上也抵消了按需機制帶來的好處。

目前，國內外的研究人員基于各種不同的角度提出了許多針對無線Adhoc網的路由協議，其中一部分也提交到Adhoc網工作小組成為RFC草案。下面列舉一些典型的自組網路由協議：

●DSDV(Destination-SequencedDistance-Vector)協議

●WRP(WirelessRoutingProtocol)

●DSR(DynamicSourceRouting)協議

●ABR(AssociativityBasedRouting)協議

●ZRP(ZoneRoutingProtocol)

●AODV(AdhoconDemandDistanceVectorRouting)協議

●TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)協議

●LS_QoS(Link-StateBasedQoSRouting)協議

2.2無線Adhoc網絡的安全問題

與傳統的無線網不同，無線Adhoc網作為一種新型的無線移動網絡，不依賴于任何固定設施，而是通過移動節點間的相互協作保持網絡互聯。由于該網絡的獨特性，它正逐步運用于商業環境。設計這種網絡面臨的一個主要挑戰就是它易受到安全攻擊，比如受到竊聽、偽造、拒絕服務等攻擊。

在無線Adhoc網中沒有基站或中心節點，所有節點都是移動的，網絡的拓撲結構動態變化。節點間通過無線信道相連，沒有專門的路由器，由節點自身充當路由器，同時也沒有命名服務、目錄服務等網絡功能。這就導致了在傳統網絡中的安全機制不再適用于Adhoc網，所以應提出專門針對無線Adhoc網的安全機制。目前提出的安全策略有：基于口令的認證協議，它與傳統的口令認證不同的地方是密鑰和口令的產生是由多臺機器決定，而不是集中由一臺機器產生，并且還提供了一種完善的口令更新機制；“復活鴨子”的安全模式，它主要針對傳感器網絡里，傳感器與控制者之間可能存在的不安全問題，提出傳感器在“死亡”之前，只受其擁有者的控制；異步的分布式密鑰管理，它提出密鑰管理服務是由多個節點(一個集合)來管理，而不是單個節點來管理。

2.3無線Adhoc網的互聯

無線Adhoc網是一種多跳網，上述的路由算法都屬于單個網內的，現在多數的文章也都集中在這個方面討論，卻很少涉及如何把多個Adhoc子網聯接成一個大網及如何與有線Internet相結合，由此便提出將無線Adhoc網絡互聯的問題。

通過使用網關路由器，可以實現將幾個Adhoc網絡互聯以及網內節點可以訪問互聯網的功能。這種形式可以向位于多個分散地理位置上的工作小組提供協同通信能力。

無線Adhoc網與Internet和廣域網的互聯，從外部來看，可以認為Adhoc網是一個IP子網。網內部分分組的傳送是由網內路由協議完成(分組到達目的地可能要經過多跳)，而當分組進入或離開子網時，采用標準IP路由機制。這就要求網關節點要能運行多種路由協議。

無線Adhoc網可以看作是現有網絡在特定場合下的一種擴展。作為Adhoc網內部的移動節點有訪問現有有線網絡資源，與其他Adhoc網內的移動節點通信的需求，即Adhoc網互聯。

3分層無線Adhoc網絡的應用

Adhoc網絡作為一種無線自組網，可以用在很多方面，如軍事通信系統、防汛抗洪等應急通信系統、商業應用環境及無線接入網等領域。這里，根據無線Adhoc網的特點，我們提出了它在民用中的另一種應用：分層自組網。

分層自組網在未來的全球移動通信系統中，可作為蜂窩移動通信系統的一個重要補充。蜂窩通信系統的“無縫”覆蓋能力是很強的，但它所能提供的高速數據業務和多媒體服務卻有限，第3代移動通信系統用戶的最大數據傳輸速率只為2Mbit/s，還是不能完全滿足未來移動用戶的業務需求，特別是在業務比較集中的熱點小區。而分層自組網由于可以采用基于IP的分組交換技術，所以適合在這樣的熱點小區提供高速率的數據業務和多媒體業務。圖3是分層自組網的網絡結構圖。

現有的某些接入網如無線局域網(IEEE802.11)、Bluetooth等，在網絡層來看，是一個單跳的網絡，無路由功能，分層自組網則是一個多跳的網絡。分層自組網可以分為兩層，一層是接入層，一層是終端層。接入層是由多個AP(接入點)構成的，這些AP既可以作為網絡接入點，也可以作為用戶，并且這些AP的位置是可以隨意移動的，這一層就構成一個無線自組網，AP之間的通信采用相互轉發來實現，也即多跳通信。終端層是由移動終端用戶組成，它們也構成一自組網，相互之間的通信也可采用多跳轉發，并且可以通過AP與其它微小區用戶通信或接入網絡。

分層自組網作為蜂窩無線系統的重要補充，還有一些技術難點需要突破，比如越區切換，漫游，滿足用戶在高速移動下的快速動態路由技術，移動網絡管理技術等。這些技術的解決對于網絡能否正常和穩定工作是十分關鍵和必不可少的。

4無線Adhoc網絡的發展趨勢

無線Adhoc網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，將賦予其具有巨大的發展前景。其發展趨勢主要有以下幾個方面：

(1)其民用領域將逐步擴大；

(2)由于現在只有涉及路由協議的相關草案，所以標準的制定對于無線Adhoc網的進一步推廣起著重要作用。標準包括的范圍不僅僅是網絡層，還要涉及物理層及鏈路層；

(3)前述的某些技術只是針對特定環境下的Adhoc網，因此提出一種能自適應于任何環境下的相關協議將很有應用前景。

參考文獻

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2蘭嵐.無線多跳網網絡技術研究:[學位論文].西安:電子科技大學通信與信息系統系

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(收稿日期：2001-11-30)

作者簡介

李少謙，電子科技大學教授，博士生導師，通信抗干擾技術國防重點實驗室和移動通信信息產業部重點實驗室副主任，國家“863”計劃通信技術主題專家組成員。主要研究領域包括移動通信、個人通信、擴頻通信、抗干擾通信等。

蘭嵐，電子科技大學通信抗干擾技術國防重點實驗室和移動通信信息產業部重點實驗室講師。主要從事無線網絡等方面的研究。