AD Hoc網絡的應用研究

方勝吉

摘 要：移動網絡技術的飛速發展極大地影響了人們的生活和工作方式。我們通常談到的移動網絡一般是有中心的，需要提前架設網絡基礎設施才能正常運行的，如蜂窩式通信系統，移動IP網絡等。但在某些特殊場合，無法建立此類有中心的網絡。比如，在戰場上快速前進中的戰斗部隊，空中的飛行編隊等場合的移動通信就是如此。這些場合的通信不能依賴于任何事先架設好的網絡基礎設施，而需要一種能夠在短時間內快速自動組網的移動網絡支持，Ad Hoc網絡就很好地滿足了這樣的要求，而本文分析的就是Ad Hoc的體系結構，為對Ad Hoc網絡的應用提供參考。

關鍵詞：移動網絡；Ad-Hoc；網絡拓撲

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0039-02

1 Ad Hoc網絡的概念

Ad Hoc網絡是一種沒有有線基礎設施或中央控制器支持，由一組自主的無線節點或終端通過某種協議或策略結合在一起形成的移動網絡。與傳統無線網絡不同的是，Ad Hoc網絡無需任何網絡基礎設施的管理支持就可以動態地創建WLAN。在Ad Hoc網絡中，由于終端無線覆蓋取值范圍的有限性，若兩個移動主機處于彼此的通信范圍之內，它們可直接通信；當兩個無法直接通信的移動主機要建立數據連接時，需要通過這兩臺主機之間的移動主機轉發相應的數據才能實現。因此，在Ad Hoc網絡中，移動主機還應具有路由功能，即可實現尋找路由和轉發報文的功能。由于每臺主機的通信范圍有限，因此，數據需經過多跳，才能從源主機發往目的主機。故Ad Hoc網絡也被稱為多跳無線網絡。

2 Ad Hoc網絡研究的國內外現狀

Ad Hoc網絡廣闊的應用前景引起了越來越多網絡研究人員的關注，國際上對該網絡的研究使之成為了無線計算機網絡研究的熱點，移動Ad Hoc網絡的研究已經從無線通信領域中的一個小分支逐漸發展為了一個較獨立的領域。目前，整個Ad Hoc網絡研究中的熱點包括以下幾個方面：

（1）服務質量的保證：目前為了保證網絡的服務質量，通常采用兩種策略：一是提供足夠的網絡資源來避免資源競爭；二是為不同分組劃分優先級，然后根據優先級的不同提供不同的服務來保證某些特定業務的服務質量。

（2）跨層設計：有研究表明，不同的路由層協議與不同的鏈路層協議結合，或選擇不同節點的移動模型都會嚴重影響到網絡仿真實驗的結果。所以不能僅從協議分層這一單一的角度來設計協議，更要根據Ad Hoc網絡的特點，將不同協議層所特有的問題集中起來考慮。

（3）安全：鑒于Ad Hoc網絡的特點，Ad Hoc網絡面臨著各種各樣的安全問題，如黑洞攻擊、路由表溢出攻擊、假冒攻擊等主動攻擊及節點間的認證等其他安全問題。

（4）能耗：由于Ad Hoc網絡中的節點隨時可能處于移動的狀態，故而只能使用電池供電。在這種在不能更換電池、能源受限的情況下，如何有效地利用電池中的能源，成為了Ad Hoc網絡能否大規模應用的核心問題之一。

（5）信道接入技術：信道接入技術控制著節點如何接入無線信道，是Ad Hoc網絡協議的基礎。Ad Hoc網絡的無線信道不同于普通的共享廣播信道及點對點信道，是多跳共享的多點信道。

（6）與其他網絡的互連：目前，這方面研究的熱點集中在和無線局域網的連接以及和現有的移動數據通信網的連接上。研究結果表明，采用Ad Hoc方式接入，可提高網絡的吞吐量，延長網絡的壽命，但會增加端-端時延；在無線局域網中采用Ad Hoc技術，可以在發射功率不變的情況下擴大接入點的覆蓋范圍，增加無線局域網絡的性價比。

根據國內外研究現狀，Ad Hoc網絡成果主要在集中在以下幾個方面：

（1）提出新的路由協議。目前，Ad Hoc網絡中普遍得到認可的具有代表性的協議有DSDV、DSR、AODV、TORA和ZRP等協議。

（2）Ad Hoc網絡與蜂窩網的互聯。Ad Hoc網絡與現存無線蜂窩網的聯通，相當于將Ad Hoc網絡中的移動設備添加到蜂窩網中，實現兩種不同網絡的組合，達到合理資源共享的目的。

（3）提出新的基于Ad Hoc網絡的媒體接入控制（MAC）協議。比較知名的成果為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，以及針對MAC協議中的個別類進行修改，修改后的新協議主要是為了解決隱藏終端和暴露終端問題。另外還有一些研究是側重于將IEEE 802.11的MAC協議移植到Ad Hoc網絡中。

（4）在實驗和應用網絡的構建上。如何使用藍牙節點組建Ad Hoc網絡是這方面成果之一。

（5）基于Ad Hoc網絡的多播/組播路由協議、功率（節能）控制、分布式算法、安全性問題、TCP協議、QoS、地址分配等方面也有一些研究成果，但各部分成果的數量相對較少。

3 Ad Hoc網絡的特點

Ad Hoc網絡在很多方面均區別于其他通信網絡，其最大的特點是可以自動配置、自發現、自組織和自愈。網絡中的節點能夠快速檢測、探測出其他節點的存在，無需人工干預或其他預設的網絡設施的調節，通過分布式算法來協調彼此的行為，適應網絡的動態變化，在任何時刻、任何地方快速展開并自動組網。除此之外，Ad Hoc網絡還具有以下一些主要特征：

（1）動態拓撲：節點可以自由的加入或者離開Ad Hoc網絡，網絡的拓撲結構會相應地發生變化。

（2）無線多跳通信：由于無線信號的衰減特性，無線通信范圍外的數據通信需要由中間節點（普通節點）完成路由轉發功能。

（3）完全分布式：Ad Hoc網絡是由對等節點構成的網絡，不存在中心控制節點，管理和組網都非常簡單靈活。

（4）嚴格的資源限制：有限的帶寬和能源是所有無線網絡的普遍特征，但由于無線Ad Hoc網絡沒有基站的支持，依靠有限的能量——電池供電，且需要提供路由轉發功能，資源限制更為嚴峻。

（5）物理上安全性差：Ad Hoc網絡是一種特殊的無線移動網絡，更容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務、剝奪睡眠等網絡攻擊，使得Ad Hoc網絡中的安全性問題比傳統網絡復雜得多。

4 Ad Hoc網絡的體系結構

Ad Hoc網絡中，網絡拓撲結構主要分為四種：中心式控制結構、分層中心式控制結構、完全分布式控制結構和分層分布式控制結構。其中，前兩種屬于集中式控制結構，即網絡中的節點分為普通節點和中心控制節點兩種。中心控制節點相對較復雜，要有很強的運算處理能力，負責路由和流量控制等網絡調節功能。鑒于Ad Hoc網絡節點地位平等的特點，不適合采取這兩種集中控制式網絡拓撲。特別是軍事運用場合，若中心節點遭到破壞，會導致網絡大面積癱瘓，造成嚴重后果。因此，Ad Hoc網絡一般采用分布式控制結構。這種結構比較簡單，網絡中所有節點地位平等，網絡健壯性較好。由于這種網絡結構的可擴展性不是很好，在網絡中節點數目較少的情況下，這種結構的安全性較好；但是，若網絡中節點個數過多，且節點移動太頻繁，則網絡的通信開銷會呈線性增長，很難實施集中式管理和控制。所以，這種平面網絡結構經常用于規模不大的Ad Hoc網絡。

而另外一種結構為分層分布式控制結構，即分層Ad Hoc網絡拓撲結構。Ad Hoc網絡被分為了多個層及多個簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。根據不同的網絡條件、不同的算法產生簇頭，簇頭負責簇與簇之間的數據轉發，同時低層向高層傳輸數據也是通過簇頭。這種分層分布式結構的主要優點是：簇與簇之間的數據轉發由簇頭完成，普通內部成員不用維護復雜的路由信息，這樣做可大量減少網絡中路由的開銷，提高網絡的可擴展性，而且分層分布式結構適用于各種規模的網絡。但這種結構中簇頭的產生需要進行一定的計算，并且網絡中數據傳輸必須通過簇頭，就有可能使得數據不是沿著最佳路由傳輸，對網絡的性能造成一定的負面影響。同時，簇頭可能成為網絡性能的瓶頸。目前，此類網絡拓撲結構多用于軍事應用中。

5 Ad Hoc網絡的應用前景

Ad Hoc網絡的研究最初是為了滿足某些軍事需要。在戰爭中，由于通信系統易受到對方的攻擊，若采用集中式的通信系統，一旦通信中心遭到破壞，將導致整個系統的癱瘓。因此，軍隊通信系統需要具有自組性、抗毀性和機動性，需要能抵御一定程度的攻擊手段。Ad Hoc網絡正好滿足了這些要求。除過在軍事方面的應用，小規模的Ad Hoc網絡也具有很大的商業價值，其應用環境包括家庭、辦公室、教室、醫院等。例如在家庭環境中，可為用戶建立無線Ad Hoc家庭網絡，把所有的家用電器用網絡連接起來，比如把電燈、電腦、電視、洗浴用具、保安系統等連在一起，從而實現資源共享，實行統一化管理。不斷發展的無線局域網技術，像802.11、藍牙等也給Ad Hoc網絡的發展提供了動力。Ad Hoc網絡潛在的應用很多，可分為以下幾類：

個人網絡：通過Ad Hoc網絡把個人的電子通信、娛樂、辦公等設備聯系在一起，這些設備在執行用戶的某項活動時彼此通信，通過轉發將任務發送到最終的設備上。在這種情況下，移動性將不是問題。

家庭網絡：通過移動聯網的方式將家庭中的電器接入同一個Ad Hoc網絡。利用我們隨身攜帶的個人移動設備與裝備了Ad Hoc收發器的家庭電器通信，自動完成開燈、開門、開關家用電器設備等操作。

移動會議：在室內外臨時環境中，參加會議的所有成員攜帶的包含Ad Hoc收發器的移動終端設備可以通過Ad Hoc方式組成一個臨時網絡，用于實時交換信息或協同完成某一項任務。

緊急服務：在沒有網絡基礎設施的地區出現停電或自然災害，可以臨時組建一個Ad Hoc網絡幫助緊急救援人員完成必要的通信工作。

傳感器網絡：傳感器可以工作在危險的環境（如化學有害物質泄漏現場、活躍的火山口等），通過在傳感器上裝備位置指示器、Ad Hoc收發器等，將傳感器所在地區的信息傳送到危險現場以外，救援人員不必進入現場去收集和辨別有用的信息。

參考文獻

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