無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)摘要：無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)是隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn) 的一種新型網(wǎng)絡(luò)。文章詳細(xì)介紹了無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的由來、 主要特征、 關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用等方面， 并展望了它的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：Adhoc 網(wǎng)絡(luò)； 路由技術(shù)； 安全問題； 互聯(lián)；分層自組網(wǎng)； 多跳網(wǎng)ABSTRACT:Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologi es,thewirel essAdhocnetworkcomesupasanewtypeofnetwork.Thispaperdes cribestheorig in,featur

2、es,keytechnologiesandapplicationsoftheAdhocnetworki ndetail,andforecastsitsdevelopmenttrends.KEYWORDS:Adhocnetwork;Routingtechnology;Securityproblem;Interconnection;Hier archicalself-organizingnetworks;Multi-hopnetwork近幾年，無線網(wǎng)絡(luò)在支持移動(dòng)性方面的發(fā)展非常迅速。 按照移動(dòng)通信系統(tǒng)是否具有基礎(chǔ)設(shè)施，可以把移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò) 分成兩類。第 1 種類型是具有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)借助于

3、通 信范圍內(nèi)最近的基站實(shí)現(xiàn)通信。在這樣的網(wǎng)絡(luò)里，移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 相當(dāng)于移動(dòng)終端，它不具備路由功能，而只有移動(dòng)交換機(jī)負(fù) 責(zé)路由和交換功能。這種類型網(wǎng)絡(luò)的典型例子有蜂窩無線系 統(tǒng)、辦公室無線局域網(wǎng)等。移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的第 2 種類型是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)，也就是無線 Adhoc 網(wǎng)（見圖 1）。它是一種自治的無線多跳 網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，也沒有固定的路由器， 所有節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的，并且都能以任意方式動(dòng)態(tài)地保持與其 它節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。在這種環(huán)境中，由于終端的無線覆蓋范圍的 有限性，兩個(gè)無法直接進(jìn)行通信的用戶終端可以借助于其它 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以說是一個(gè)路由器，它 們要能完成發(fā)現(xiàn)和維

4、持到其它節(jié)點(diǎn)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(yè)會(huì)議，戰(zhàn)場上的信息中 繼，以及緊急通信需要。Adhoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)早在 20 多年前就已開始研究， 且研究的重點(diǎn)主要放在國防項(xiàng)目上，諸如抗毀的、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃(SURAN、低開銷的分組無線網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃(LCR。其最初的項(xiàng)目支持者是美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA和美國陸軍以及海軍研究辦公室(ONR)。現(xiàn)在，美國政府資助的這 方面的計(jì)劃仍在繼續(xù)進(jìn)行，比如戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、近距離數(shù)字無 線電臺(tái)。Adhoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)，也引起了商用領(lǐng)域的極大興趣。Internet工程任務(wù)組(IETF也成立了一個(gè)移 動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)

5、工作組(MANET)，其主要目標(biāo)就是針對(duì)無線 Adhoc 多跳網(wǎng)開發(fā)一種基于 IP 協(xié)議的路由機(jī)制， 使得 IP 協(xié)議 擴(kuò)展到這種自組織的、快速移動(dòng)的無線網(wǎng)。1 無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)是由移動(dòng)主機(jī)構(gòu)成的自主系統(tǒng)， 主要特 征如下：(1) 網(wǎng)絡(luò)自主性無線 Adhoc 網(wǎng)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)不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。 這也是個(gè)人通信的一種體現(xiàn)形式。(2) 動(dòng)態(tài)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)具有任意移動(dòng)性。 此外，無線傳播條件的快速改變，也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫枰圆豢深A(yù)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(wǎng)絡(luò)采用無線傳

6、輸技術(shù)作為底層通信手段， 其相對(duì)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(hào)干擾等多種因素，使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際 帶寬小于理論上的最大帶寬值。(4)能量限制節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)依靠電池提供工作所需的能量。減少功耗將是 影響網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的因素。(5)多跳通信由于無線收發(fā)機(jī)的信號(hào)傳播范圍有限， Adhoc 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的用戶節(jié)點(diǎn)都兼?zhèn)洫?dú)立路由和主機(jī)功 能，不存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，用戶節(jié)點(diǎn)之間的地位是平 等的，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常采用分布式控制方式，因而具有很 強(qiáng)

7、的魯棒性和抗毀性。 而在常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)中， 由于存在基站、 網(wǎng)控中心或路由器這樣一類集中控制設(shè)備，用戶終端與它們 所處的地位不是對(duì)等的。(7)有限的安全性通常，移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)由于采用無線信道、有限電源、分 布式控制等原因，會(huì)比有線網(wǎng)絡(luò)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(wù)等攻擊手段。2 無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)2.1 無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)在 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)里，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過多跳無線鏈路實(shí)現(xiàn)相互 間的通信。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，比如基站。網(wǎng)內(nèi) 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為路由器，向其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。開 發(fā)一種能有效地找到節(jié)點(diǎn)間路由的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議就成為

8、 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 Adhoc 路由協(xié)議需要能夠?qū)崿F(xiàn)以下 的功能：(1) 能感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化Adhoc 路由協(xié)議要能夠檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。因 為 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行多跳通信 , 所以路由協(xié)議必須確保路 徑中的鏈路具有很強(qiáng)的連接性。 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須知 道它的周圍環(huán)境和可以與它直接進(jìn)行通信的節(jié)點(diǎn)。 Adhoc 網(wǎng) 絡(luò)里提供網(wǎng)絡(luò)連接的方法主要有兩種：平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和 分層路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (見圖 2)。在平面路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中， 所有的 節(jié)點(diǎn)都是平級(jí)的，分組的路由是基于對(duì)等的連接。但是在分 層路由結(jié)構(gòu)中，較低層至少要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為與高層聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)(2) 維護(hù)網(wǎng)絡(luò)

9、拓?fù)涞倪B接 因?yàn)槊總€(gè)移動(dòng)主機(jī)都可以隨時(shí)改變位置，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?是頻繁變化的。這樣， Adhoc 路由協(xié)議為了維持節(jié)點(diǎn)之間的 鏈路具有較強(qiáng)的連接性，它必須動(dòng)態(tài)更新鏈路狀態(tài)和對(duì)自己 重新配置。如果采用中心控制的路由算法，為把節(jié)點(diǎn)鏈路狀 態(tài)的改變傳送到所有的節(jié)點(diǎn)，就會(huì)消耗過多的時(shí)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(yīng)的路由 相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)里的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)， Adhoc 網(wǎng)絡(luò)要求一個(gè)高 度自適應(yīng)的路由機(jī)制，來處理快速的拓?fù)渥兓?。而傳統(tǒng)的路 由協(xié)議，如距離矢量和鏈路狀態(tài)算法，要求在指定路由器間 交換大量路由信息， 因此在 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)里都不能有效地工作。 所以針

10、對(duì) Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了新的路由算法?？偟膩?說，這些路由算法可以分為 3 種類型：表驅(qū)動(dòng)算法、需求驅(qū) 動(dòng)算法、表驅(qū)動(dòng)和需求驅(qū)動(dòng)算法相混合的算法。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議采用周期性的路由分組廣播，來交換路 由信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由。主動(dòng)路由 的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)去往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組時(shí)， 只要路由存在，發(fā)送分組的延時(shí)就很??；缺點(diǎn)是表驅(qū)動(dòng)路由 協(xié)議需花費(fèi)較高代價(jià)(如帶寬、電源、CPU資源等)，使路由 表能夠跟上當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，但動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)又可能使高價(jià)得來的路由表中內(nèi)容變成無效信息，路由協(xié) 議始終處于不收斂狀態(tài)。目前，這種類型的無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò) 路由

11、協(xié)議已提出了幾種機(jī)制，用以改善這些方面的性能。需求驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議是根據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的需要，按需進(jìn)行路 由發(fā)現(xiàn)過程，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容也是按需建立的， 所以其內(nèi)容可能僅僅是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按 需路由的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定 的網(wǎng)絡(luò)資源；缺點(diǎn)是在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，因沒有去往目的節(jié) 點(diǎn)的路由，要臨時(shí)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程來尋找路由，所以數(shù)據(jù) 分組需要等待一定時(shí)間的延時(shí)，并且由于路由發(fā)現(xiàn)過程通常 采用全網(wǎng)泛洪機(jī)制進(jìn)行搜索，這在一定程度上也抵消了按需 機(jī)制帶來的好處。目前，國內(nèi)外的研究人員基于各種不同的角度提出了許 多針對(duì)無線 Adhoc 網(wǎng)的路由協(xié)議，其中一部分也提交到 A

12、dhoc網(wǎng)工作小組成為 RFC草案。下面列舉一些典型的自組 網(wǎng)路由協(xié)議： DSDV(Destination-SequencedDistance-Vector)協(xié)議 WRP(WirelessRoutingProtocol) DSR(DynamicSourceRouting 協(xié)議 ABR(AssociativityBasedRouting)協(xié)議 ZRP(ZoneRoutingProtocol) AODV(AdhoconDemandDistanceVectorRouting) 協(xié)議 TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm) 協(xié)議 LS_QoS(Link-Stat

13、eBasedQoSRouting協(xié)議2.2 無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的安全問題 與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)不同，無線 Adhoc 網(wǎng)作為一種新型的無 線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，不依賴于任何固定設(shè)施，而是通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間 的相互協(xié)作保持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。由于該網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特性，它正逐步 運(yùn)用于商業(yè)環(huán)境。設(shè)計(jì)這種網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就是它 易受到安全攻擊，比如受到竊聽、偽造、拒絕服務(wù)等攻擊。在無線 Adhoc 網(wǎng)中沒有基站或中心節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)都是 移動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)間通過無線信道相 連，沒有專門的路由器，由節(jié)點(diǎn)自身充當(dāng)路由器，同時(shí)也沒 有命名服務(wù)、目錄服務(wù)等網(wǎng)絡(luò)功能。這就導(dǎo)致了在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 中的安全機(jī)制不再適用于 Adh

14、oc 網(wǎng)，所以應(yīng)提出專門針對(duì)無 線 Adhoc 網(wǎng)的安全機(jī)制。目前提出的安全策略有：基于口令 的認(rèn)證協(xié)議，它與傳統(tǒng)的口令認(rèn)證不同的地方是密鑰和口令 的產(chǎn)生是由多臺(tái)機(jī)器決定，而不是集中由一臺(tái)機(jī)器產(chǎn)生，并 且還提供了一種完善的口令更新機(jī)制； “復(fù)活鴨子”的安全 模式，它主要針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wù)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn) （一個(gè)集合 ）來管理，而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)來管理。2.3 無線 Adhoc 網(wǎng)的互聯(lián)無線 Adhoc 網(wǎng)是一種多跳網(wǎng)， 上述的路由算法都屬于單 個(gè)網(wǎng)內(nèi)的，現(xiàn)在多數(shù)的文章也都集

15、中在這個(gè)方面討論，卻很 少涉及如何把多個(gè) Adhoc 子網(wǎng)聯(lián)接成一個(gè)大網(wǎng)及如何與有線 Internet 相結(jié)合，由此便提出將無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的問題。通過使用網(wǎng)關(guān)路由器，可以實(shí)現(xiàn)將幾個(gè) Adhoc 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 以及網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)可以訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能。這種形式可以向位于 多個(gè)分散地理位置上的工作小組提供協(xié)同通信能力。無線 Adhoc 網(wǎng)與 Internet 和廣域網(wǎng)的互聯(lián)， 從外部來看， 可以認(rèn)為 Adhoc 網(wǎng)是一個(gè) IP 子網(wǎng)。網(wǎng)內(nèi)部分分組的傳送是由 網(wǎng)內(nèi)路由協(xié)議完成 （分組到達(dá)目的地可能要經(jīng)過多跳 ），而當(dāng) 分組進(jìn)入或離開子網(wǎng)時(shí)， 采用標(biāo)準(zhǔn) IP 路由機(jī)制。 這就要求網(wǎng) 關(guān)節(jié)點(diǎn)要能運(yùn)行多種

16、路由協(xié)議。無線 Adhoc 網(wǎng)可以看作是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在特定場合下的一種 擴(kuò)展。作為 Adhoc 網(wǎng)內(nèi)部的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有訪問現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)資 源，與其他 Adhoc 網(wǎng)內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的需求，即 Adhoc 網(wǎng) 互聯(lián)。3 分層無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Adhoc 網(wǎng)絡(luò)作為一種無線自組網(wǎng)，可以用在很多方面， 如軍事通信系統(tǒng)、防汛抗洪等應(yīng)急通信系統(tǒng)、商業(yè)應(yīng)用環(huán)境 及無線接入網(wǎng)等領(lǐng)域。這里，根據(jù)無線 Adhoc 網(wǎng)的特點(diǎn)，我 們提出了它在民用中的另一種應(yīng)用：分層自組網(wǎng)。分層自組網(wǎng)在未來的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)中，可作為蜂窩 移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要補(bǔ)充。蜂窩通信系統(tǒng)的“無縫”覆 蓋能力是很強(qiáng)的，但它所能提供的高速數(shù)據(jù)

17、業(yè)務(wù)和多媒體服 務(wù)卻有限，第 3 代移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶的最大數(shù)據(jù)傳輸速率只 為 2Mbit/s ，還是不能完全滿足未來移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)需求， 特別是在業(yè)務(wù)比較集中的熱點(diǎn)小區(qū)。而分層自組網(wǎng)由于可以 采用基于 IP 的分組交換技術(shù)， 所以適合在這樣的熱點(diǎn)小區(qū)提 供高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)。圖 3 是分層自組網(wǎng)的網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。現(xiàn)有的某些接入網(wǎng)如無線局域網(wǎng) (IEEE802.11)、Bluetooth 等，在網(wǎng)絡(luò)層來看，是一個(gè)單跳的網(wǎng)絡(luò)，無路由功能，分層 自組網(wǎng)則是一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。分層自組網(wǎng)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(gè)AP(接入點(diǎn))構(gòu)成的，這些 AP 既可以作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)

18、，也可以作為用戶， 并且這些 AP 的位置是可以隨意移動(dòng)的，這一層就構(gòu)成一個(gè) 無線自組網(wǎng)， AP 之間的通信采用相互轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)， 也即多跳 通信。終端層是由移動(dòng)終端用戶組成， 它們也構(gòu)成一自組網(wǎng)，相互之間的通信也可采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)，并且可以通過AP 與其 它微小區(qū)用戶通信或接入網(wǎng)絡(luò)。分層自組網(wǎng)作為蜂窩無線系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，還有一些技 術(shù)難點(diǎn)需要突破，比如越區(qū)切換，漫游，滿足用戶在高速移 動(dòng)下的快速動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等。這些技術(shù) 的解決對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能否正常和穩(wěn)定工作是十分關(guān)鍵和必不可 少的。4 無線 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢無線 Adhoc 網(wǎng)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，將賦予其具有 巨大的發(fā)展前景。其發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：(1) 其民用領(lǐng)域?qū)⒅鸩綌U(kuò)大；(2) 由于現(xiàn)在只有涉及路由協(xié)議的相關(guān)草案， 所以標(biāo)準(zhǔn)的 制定對(duì)于無線 Adhoc 網(wǎng)的進(jìn)一步推廣起著重要作用。 標(biāo)準(zhǔn)包 括的范圍不僅僅是網(wǎng)絡(luò)層，還要涉及物理層及鏈路層；(3) 前述的某些技術(shù)只是針對(duì)特定環(huán)境下的A