无线Adhoc网络技术.docx

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无线Adhoc网络技术

无线Adhoc网络技术

　　摘要：

　　无线Adhoc网络是随着无线通信技术的快速发展而出现的一种新型网络。

文章详细介绍了无线Adhoc网络的由来、主要特征、关键技术和应用等方面，并展望了它的发展前景。

　　关键词：

　　Adhoc网络；路由技术；安全问题；互联；分层自组网；多跳网

　　ABSTRACT:

Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies,thewirel

essAdhocnetworkcomesupasanewtypeofnetwork.Thispaperdescribestheorig

in,features,keytechnologiesandapplicationsoftheAdhocnetworkindetail

andforecastsitsdevelopmenttrends.

　　KEYWORDS:

Adhocnetwork;Routingtechnology;Securityproblem;Interconnection;Hier

archicalself-organizingnetworks;Multi-hopnetwork

　　近几年，无线网络在支持移动性方面的发展非常迅速。

按照移动通信系统是否具有基础设施，可以把移动无线网络分成两类。

　　第1种类型是具有基础设施的网络。

移动节点借助于通信范围内最近的基站实现通信。

在这样的网络里，移动节点相当于移动终端，它不具备路由功能，而只有移动交换机负责路由和交换功能。

这种类型网络的典型例子有蜂窝无线系统、办公室无线局域网等。

　　移动无线网络的第2种类型是一种无基础设施的移动网络，也就是无线Adhoc网（见图1）。

它是一种自治的无线多跳网，整个网络没有固定的基础设施，也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。

在这种环境中，由于终端的无线覆盖范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助于其它节点进行分组转发。

每一个节点都可以说是一个路由器，它们要能完成发现和维持到其它节点路由的功能。

典型例子有交互式的讲演，可以共享信息的商业会议，战场上的信息中继，以及紧急通信需要。

　　Adhoc网络技术早在20多年前就已开始研究，且研究的重点主要放在国防项目上，诸如抗毁的、自适应的网络研究计划（SURAN）、低开销的分组无线网络研究计划（LCR）。

其最初的项目支持者是美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国陆军以及海军研究办公室（ONR）。

现在，美国政府资助的这方面的计划仍在继续进行，比如战术互联网、近距离数字无线电台。

　　Adhoc网络技术在军事领域发展的同时，也引起了商用领域的极大兴趣。

Internet工程任务组（IETF）也成立了一个移动Adhoc网络工作组（MANET），其主要目标就是针对无线Adhoc多跳网开发一种基于IP协议的路由机制，使得IP协议扩展到这种自组织的、快速移动的无线网。

　　1无线Adhoc网络的特点

　　无线Adhoc网络是由移动主机构成的自主系统，主要特征如下：

（1）网络自主性

　　无线Adhoc网相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施。

这也是个人通信的一种体现形式。

（2）动态拓扑

　　节点具有任意移动性。

此外，无线传播条件的快速改变，也导致了网络拓扑需以不可预测的方式任意和快速地改变。

　　（3）带宽限制和变化的链路容量

　　无线Adhoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，其相对于有线信道具有较低的容量；并且由于多路访问、多径衰落、噪声和信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽小于理论上的最大带宽值。

　　（4）能量限制节点

　　移动节点依靠电池提供工作所需的能量。

减少功耗将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素。

　　（5）多跳通信

　　由于无线收发机的信号传播范围有限，Adhoc网络要求支持多跳通信。

这种多跳通信由此也带来了隐藏终端、暴露终端和公平性等问题。

　　（6）分布式控制

　　无线Adhoc网络中的用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。

而在常规通信网络中，由于存在基站、网控中心或路由器这样一类集中控制设备，用户终端与它们所处的地位不是对等的。

　　（7）有限的安全性

　　通常，移动无线网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等原因，会比有线网络更易受到安全性的威胁。

这些安全性的攻击包括窃听、电子欺骗和拒绝服务等攻击手段。

　　2无线Adhoc网络的关键技术

　　2.1无线Adhoc网络的路由技术

　　在Adhoc网络里，移动节点通过多跳无线链路实现相互间的通信。

整个网络没有固定的基础设施，比如基站。

网内每一个节点都可作为路由器，向其它节点转发数据分组。

开发一种能有效地找到节点间路由的动态路由协议就成为Adhoc网络设计的关键。

Adhoc路由协议需要能够实现以下的功能：

（1）能感知网络拓扑结构的变化

　　Adhoc路由协议要能够检测到网络拓扑的动态变化。

因为Adhoc网络需要进行多跳通信,所以路由协议必须确保路径中的链路具有很强的连接性。

Adhoc网络中的节点必须知道它的周围环境和可以与它直接进行通信的节点。

Adhoc网络里提供网络连接的方法主要有两种：

平面路由网络结构和分层路由网络结构（见图2）。

在平面路由网络结构中，所有的节点都是平级的，分组的路由是基于对等的连接。

但是在分层路由结构中，较低层至少要有一个节点作为与高层联系的网关。

（2）维护网络拓扑的连接

　　因为每个移动主机都可以随时改变位置，所以网络拓扑是频繁变化的。

这样，Adhoc路由协议为了维持节点之间的链路具有较强的连接性，它必须动态更新链路状态和对自己重新配置。

如果采用中心控制的路由算法，为把节点链路状态的改变传送到所有的节点，就会消耗过多的时间和精力，显然是不适合的。

所以要采用一种全分布式的路由算法。

　　（3）高度自适应的路由

　　相对于有线网络里的静态节点，Adhoc网络要求一个高度自适应的路由机制，来处理快速的拓扑变化。

而传统的路由协议，如距离矢量和链路状态算法，要求在指定路由器间交换大量路由信息，因此在Adhoc网络里都不能有效地工作。

所以针对Adhoc网络的特点，提出了新的路由算法。

总的来说，这些路由算法可以分为3种类型：

表驱动算法、需求驱动算法、表驱动和需求驱动算法相混合的算法。

　　表驱动路由协议采用周期性的路由分组广播，来交换路由信息。

每个节点维护去往全网所有节点的路由。

主动路由的优点是当节点需要发送一个去往其他节点的数据分组时，只要路由存在，发送分组的延时就很小；缺点是表驱动路由协议需花费较高代价（如带宽、电源、CPU资源等），使路由表能够跟上当前网络拓扑结构的变化，但动态变化的拓扑结构又可能使高价得来的路由表中内容变成无效信息，路由协议始终处于不收敛状态。

目前，这种类型的无线Adhoc网络路由协议已提出了几种机制，用以改善这些方面的性能。

　　需求驱动路由协议是根据发送节点的需要，按需进行路由发现过程，网络拓扑结构和路由表内容也是按需建立的，所以其内容可能仅仅是整个网络拓扑结构信息的一部分。

按需路由的优点是不需要周期性的广播路由信息，节省了一定的网络资源；缺点是在发送数据分组时，因没有去往目的节点的路由，要临时启动路由发现过程来寻找路由，所以数据分组需要等待一定时间的延时，并且由于路由发现过程通常采用全网泛洪机制进行搜索，这在一定程度上也抵消了按需机制带来的好处。

　　目前，国内外的研究人员基于各种不同的角度提出了许多针对无线Adhoc网的路由协议，其中一部分也提交到Adhoc网工作小组成为RFC草案。

下面列举一些典型的自组网路由协议：

　　●DSDV（Destination-SequencedDistance-Vector）协议

　　●WRP（WirelessRoutingProtocol）

　　●DSR（DynamicSourceRouting）协议

　　●ABR（AssociativityBasedRouting）协议

　　●ZRP（ZoneRoutingProtocol）

　　●AODV（AdhoconDemandDistanceVectorRouting）协议

　　●TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）协议

　　●LS_QoS（Link-StateBasedQoSRouting）协议

　　2.2无线Adhoc网络的安全问题

　　与传统的无线网不同，无线Adhoc网作为一种新型的无线移动网络，不依赖于任何固定设施，而是通过移动节点间的相互协作保持网络互联。

由于该网络的独特性，它正逐步运用于商业环境。

设计这种网络面临的一个主要挑战就是它易受到安全攻击，比如受到窃听、伪造、拒绝服务等攻击。

　　在无线Adhoc网中没有基站或中心节点，所有节点都是移动的，网络的拓扑结构动态变化。

节点间通过无线信道相连，没有专门的路由器，由节点自身充当路由器，同时也没有命名服务、目录服务等网络功能。

这就导致了在传统网络中的安全机制不再适用于Adhoc网，所以应提出专门针对无线Adhoc网的安全机制。

目前提出的安全策略有：

基于口令的认证协议，它与传统的口令认证不同的地方是密钥和口令的产生是由多台机器决定，而不是集中由一台机器产生，并且还提供了一种完善的口令更新机制；“复活鸭子”的安全模式，它主要针对传感器网络里，传感器与控制者之间可能存在的不安全问题，提出传感器在“死亡”之前，只受其拥有者的控制；异步的分布式密钥管理，它提出密钥管理服务是由多个节点（一个集合）来管理，而不是单个节点来管理。

　　2.3无线Adhoc网的互联

　　无线Adhoc网是一种多跳网，上述的路由算法都属于单个网内的，现在多数的文章也都集中在这个方面讨论，却很少涉及如何把多个Adhoc子网联接成一个大网及如何与有线Internet相结合，由此便提出将无线Adhoc网络互联的问题。

　　通过使用网关路由器，可以实现将几个Adhoc网络互联以及网内节点可以访问互联网的功能。

这种形式可以向位于多个分散地理位置上的工作小组提供协同通信能力。

　　无线Adhoc网与Internet和广域网的互联，从外部来看，可以认为Adhoc网是一个IP子网。

网内部分分组的传送是由网内路由协议完成（分组到达目的地可能要经过多跳），而当分组进入或离开子网时，采用标准IP路由机制。

这就要求网关节点要能运行多种路由协议。

　　无线Adhoc网可以看作是现有网络在特定场合下的一种扩展。

作为Adhoc网内部的移动节点有访问现有有线网络资源，与其他Adhoc网内的移动节点通信的需求，即Adhoc网互联。

　　3分层无线Adhoc网络的应用

　　Adhoc网络作为一种无线自组网，可以用在很多方面，如军事通信系统、防汛抗洪等应急通信系统、商业应用环境及无线接入网等领域。

这里，根据无线Adhoc网的特点，我们提出了它在民用中的另一种应用：

分层自组网。

　　分层自组网在未来的全球移动通信系统中，可作为蜂窝移动通信系统的一个重要补充。

蜂窝通信系统的“无缝”覆盖能力是很强的，但它所能提供的高速数据业务和多媒体服务却有限，第3代移动通信系统用户的最大数据传输速率只为2Mbit/s，还是不能完全满足未来移动用户的业务需求，特别是在业务比较集中的热点小区。

而分层自组网由于可以采用基于IP的分组交换技术，所以适合在这样的热点小区提供高速率的数据业务和多媒体业务。

图3是分层自组网的网络结构图。

　　现有的某些接入网如无线局域网（IEEE802.11）、Bluetooth等，在网络层来看，是一个单跳的网络，无路由功能，分层自组网则是一个多跳的网络。

分层自组网可以分为两层，一层是接入层，一层是终端层。

接入层是由多个AP（接入点）构成的，这些AP既可以作为网络接入点，也可以作为用户，并且这些AP的位置是可以随意移动的，这一层就构成一个无线自组网，AP之间的通信采用相互转发来实现，也即多跳通信。

终端层是由移动终端用户组成，它们也构成一自组网，相互之间的通信也可采用多跳转发，并且可以通过AP与其它微小区用户通信或接入网络。

　　分层自组网作为蜂窝无线系统的重要补充，还有一些技术难点需要突破，比如越区切换，漫游，满足用户在高速移动下的快速动态路由技术，移动网络管理技术等。

这些技术的解决对于网络能否正常和稳定工作是十分关键和必不可少的。

　　4无线Adhoc网络的发展趋势

　　无线Adhoc网是一种新颖的移动计算机网络的类型，它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。

其自身的独特性，将赋予其具有巨大的发展前景。

其发展趋势主要有以下几个方面：

（1）其民用领域将逐步扩大；

（2）由于现在只有涉及路由协议的相关草案，所以标准的制定对于无线Adhoc网的进一步推广起着重要作用。

标准包括的范围不仅仅是网络层，还要涉及物理层及链路层；

　　（3）前述的某些技术只是针对特定环境下的Adhoc网，因此提出一种能自适应于任何环境下的相关协议将很有应用前景。

　　参考文献

　　1TohCK.MaximumBatteryLifeRoutingtoSupportUbiquitousMobileComputingi

nWirelessAdhocNetworks,IEEECommunMag,2001,39（6）:

138―147

　　2兰岚.无线多跳网网络技术研究:

[学位论文].西安:

电子科技大学通信与信息系统系

　　3ElizabthMR,TohCK.AreviewofCurrentRoutingProtocolsforAdhocMobileWir

elessNetworks.IEEEPersonalCommunications,1999,6

（2）:

46―55

　　4MackerJ,CorsonS.MobileAdhocnetworks（MANET）.http:

//www.ietf.org/htm

l.charter/manet-charter.html,1997

　　（收稿日期：

2001-11-30）

　　作者简介

　　李少谦，电子科技大学教授，博士生导师，通信抗干扰技术国防重点实验室和移动通信信息产业部重点实验室副主任，国家“863”计划通信技术主题专家组成员。

主要研究领域包括移动通信、个人通信、扩频通信、抗干扰通信等。

　　兰岚，电子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室和移动通信信息产业部重点实验室讲师。

主要从事无线网络等方面的研究。