Ａｄ Ｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)在西部地區(qū)商場(chǎng)組網(wǎng)的研究

[摘要] Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。本文闡述Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，比較了幾種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，介紹了Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及移動(dòng)IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。并且商場(chǎng)組網(wǎng)的對(duì)管理Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)面臨的問題進(jìn)行了一些探討。

[關(guān)鍵詞] Ad hoc 網(wǎng)絡(luò) 西部地區(qū)商場(chǎng)組網(wǎng) 移動(dòng)IP

一、引言

在我國(guó)西部地區(qū)，地理位置比較特殊，人口分布稀疏，這對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)建立有一定的困難，現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信大多需要有線基礎(chǔ)設(shè)施（如基站）的支持才能實(shí)現(xiàn)。但在一些山區(qū)，建立基站代價(jià)也是很大的。為了能夠在沒有固定基站的地方進(jìn)行通信，一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持，通過移動(dòng)主機(jī)自由的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)推進(jìn)了人們實(shí)現(xiàn)在任意環(huán)境下的自由通信的進(jìn)程，同時(shí)它也為西部地區(qū)的商場(chǎng)組網(wǎng)提供了有效的解決方案。

二、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均由移動(dòng)主機(jī)構(gòu)成。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，它的研究起源于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下分組無(wú)線網(wǎng)數(shù)據(jù)通信項(xiàng)目，該項(xiàng)目由DARPA資助，其后，又在1983年和1994年進(jìn)行了抗毀可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移動(dòng)信息系統(tǒng)GloMo（Global Information System）項(xiàng)目的研究。由于無(wú)線通信和終端技術(shù)的不斷發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在民用環(huán)境下也得到了發(fā)展，如需要在沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)進(jìn)行臨時(shí)通信時(shí)，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一般有兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。在平面結(jié)構(gòu)中，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，又可以分簇，再次形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級(jí)。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由結(jié)點(diǎn)使用算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。

分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以被分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種，如圖1和圖2所示。單頻率分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，所有結(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)（同時(shí)屬于兩個(gè)簇的結(jié)點(diǎn)）的支持。而在多頻率分組網(wǎng)絡(luò)中，不同級(jí)采用不同的通信頻率。低級(jí)結(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)結(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級(jí)的結(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信。在兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，簇頭結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信。而頻率2用于簇頭之間的通信。分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可以成為簇頭，所以需要適當(dāng)?shù)拇仡^選舉算法，算法要能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓匦路执亍?/p>

平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)是完全對(duì)等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差：每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有結(jié)點(diǎn)的路由。維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。在分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，簇成員的功能比較簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。由于簇頭結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，分級(jí)結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的抗毀性。分級(jí)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，維護(hù)分級(jí)結(jié)構(gòu)需要結(jié)點(diǎn)執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí)，可以采用簡(jiǎn)單的平面式結(jié)構(gòu)；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，應(yīng)用分級(jí)結(jié)構(gòu)。

三、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)方式，具有以下特點(diǎn)

1.網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相對(duì)常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。它的建立不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，具有一定的獨(dú)立性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的這種特點(diǎn)很適合災(zāi)難救助、偏遠(yuǎn)地區(qū)通信等應(yīng)用。

2.動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)主機(jī)可以在網(wǎng)中隨意移動(dòng)。主機(jī)的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致主機(jī)之間的鏈路增加或消失，主機(jī)之間的關(guān)系不斷發(fā)生變化。在自組網(wǎng)中，主機(jī)可能同時(shí)還是路由器，因此，移動(dòng)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測(cè)的。對(duì)于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.有限的無(wú)線通信帶寬。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施的支持，因此，主機(jī)之間的通信均通過無(wú)線傳輸來(lái)完成。由于無(wú)線信道本身的物理特性，它提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)有線信道要低得多。除此以外，考慮到競(jìng)爭(zhēng)共享無(wú)線信道產(chǎn)生的碰撞、信號(hào)衰減、噪音干擾等多種因素，移動(dòng)終端可得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論中的最大帶寬值。

4.有限的主機(jī)能源。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)均是一些移動(dòng)設(shè)備，如PDA、便攜計(jì)算機(jī)或掌上電腦。由于主機(jī)可能處在不停的移動(dòng)狀態(tài)下，主機(jī)的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有能源有限的特點(diǎn)。

5.網(wǎng)絡(luò)的分布式特性。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，主機(jī)通過分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，其余的節(jié)點(diǎn)仍然能夠正常工作。

6.生存周期短。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主要用于臨時(shí)的通信需求，相對(duì)與有線網(wǎng)絡(luò)，它的生存時(shí)間一般比較短。

7.有限的物理安全。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通常比固定網(wǎng)絡(luò)更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊。現(xiàn)有的鏈路安全技術(shù)有些已應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中來(lái)減小安全攻擊。不過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分布式特性相對(duì)于集中式的網(wǎng)絡(luò)具有一定的抗毀性。

四、移動(dòng)IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

西部地區(qū)商場(chǎng)使用手機(jī)日益廣泛，員工能隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是隨時(shí)生成而且具有易構(gòu)性，不需要事先存在的網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持，因此，應(yīng)用很廣泛也很簡(jiǎn)單。但是這種網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的獨(dú)立性，它可以單獨(dú)存在，它的特性和它所使用的主動(dòng)的、按需驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議都令它難以與互聯(lián)網(wǎng)通信，達(dá)到交互信息的目的。為了達(dá)到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)主機(jī)可以在不同的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)間移動(dòng)和隨時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，我們利用移動(dòng)IP協(xié)議可在不同網(wǎng)絡(luò)中漫游的特性，結(jié)合移動(dòng)IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，即MIPMANET，提供一種將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)使用按需驅(qū)動(dòng)的路由機(jī)制，移動(dòng)IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。圖3為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的模型。

五、管理Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)面臨的問題

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性決定了管理上比有線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜許多，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò)管理也是動(dòng)態(tài)自動(dòng)配置。而且要考慮到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)本身的限制，例如能源有限、鏈路狀態(tài)變化和有限的存儲(chǔ)能力等，因此，要將管理協(xié)議給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的負(fù)荷考慮在內(nèi)。最后還要考慮到網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)不同環(huán)境的適用性等。

具體Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)管理需要解決的問題為以下幾方面：

1.網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的一個(gè)重要任務(wù)是使網(wǎng)管知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在有線網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)變化不頻繁，所以這點(diǎn)容易做到。但在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化太頻繁，網(wǎng)管需定期收集節(jié)點(diǎn)的連接信息，這無(wú)疑會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

2.大多數(shù)節(jié)點(diǎn)使用電池供電，所以要保證網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)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(diǎn)數(shù)，但這是與需要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定期更新相矛盾的。

3.能源的有限性和節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能與網(wǎng)絡(luò)分離，這要求網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議能夠及時(shí)覺察節(jié)點(diǎn)的離開和加入，而更新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.無(wú)線環(huán)境下信號(hào)質(zhì)量變化大。信號(hào)的衰退和擁塞都會(huì)使網(wǎng)管誤認(rèn)為節(jié)點(diǎn)已離開，因此，網(wǎng)管必須能夠區(qū)分是由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)還是由于鏈路質(zhì)量的原因?qū)е逻B接中斷。網(wǎng)管必須詢問物理層，但這樣會(huì)違反OSI的層次管理結(jié)構(gòu)。

5.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常在商業(yè)上的應(yīng)用要防止竊聽、破壞和侵入。所以網(wǎng)管需要結(jié)合加密和認(rèn)證過程。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)最大不足是安全性較差。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用層次化的體系結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并具有相關(guān)的安全策略，如加密、認(rèn)證、訪問控制和權(quán)限管理、防火墻等。而由于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中沒有基站或中心節(jié)點(diǎn)，因此這種安全機(jī)制并不適用于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)比固定網(wǎng)絡(luò)更容易遭受各種安全的威脅。從傳輸信道角度來(lái)看，由于采用無(wú)線信號(hào)作為傳輸媒介，任何人都可以接收到網(wǎng)絡(luò)中的消息，這種信道易受攻擊方的干擾和注入假報(bào)文。從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)角度來(lái)看，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的密鑰、報(bào)文等信息易破獲，Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)不僅要防范外部的入侵，還要對(duì)付內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的攻擊。總之，把Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成一個(gè)安全系統(tǒng)已經(jīng)成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)建立安全系統(tǒng)過程中，必須要考慮以下幾個(gè)因素：

(1)容錯(cuò)性，也就是提供服務(wù)的系統(tǒng)在多少節(jié)點(diǎn)失效的情況下，還可以正常工作。

(2)安全性，也就是系統(tǒng)抵御惡意節(jié)點(diǎn)攻擊的能力。

(3)可用性，也就是網(wǎng)絡(luò)連通性無(wú)法保證時(shí)，節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行通信。

(4)可伸縮性，也就是系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和系統(tǒng)配置動(dòng)態(tài)變化的適應(yīng)能力。

Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的安全目標(biāo)能否達(dá)到，與路由安全和加密機(jī)制的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的攻擊可分為兩種情況：主動(dòng)攻擊和被動(dòng)攻擊。主動(dòng)攻擊中，攻擊節(jié)點(diǎn)通過改變路由信息或虛構(gòu)路有信息等手段，主動(dòng)制造網(wǎng)絡(luò)阻塞，以造成網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲，影響通信的即時(shí)性，或者使相應(yīng)節(jié)點(diǎn)因等待而消耗有限能源導(dǎo)致通信中斷，甚至拒絕服務(wù)。被動(dòng)攻擊中，攻擊節(jié)點(diǎn)并不破壞路由信息，只是被動(dòng)偵查，在網(wǎng)絡(luò)中很難發(fā)現(xiàn)、防止。Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信必須采用加密機(jī)制。目前常采用對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密算法。節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和離開網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致通信時(shí)的密鑰的更換。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入，可能不想讓新加入的節(jié)點(diǎn)知道在此之前該網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)發(fā)布的重要信息，所以需要更換密鑰；節(jié)點(diǎn)離開后的網(wǎng)段的通信對(duì)退出節(jié)點(diǎn)也應(yīng)是機(jī)密行為不能使退出成員繼續(xù)解讀網(wǎng)段中的分組信息，故需要更換密鑰。因此，密鑰的管理是決定該網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的重要因素。

由上可見Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的，要解決的問題包括如何有效地收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ绾翁幚韯?dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)配置和安全保密問題。

六、結(jié)論

AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種新穎的移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充形式。其自身的獨(dú)特性，賦予其巨大的發(fā)展前景。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究中還存在許多亟待解決的問題：設(shè)計(jì)具有節(jié)能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴(kuò)展特性的路由協(xié)議，以及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理等。在商業(yè)網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，重點(diǎn)要注意AdHoc網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。

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