Ad Hoc网络技术浅析

摘　要：Ad Hoc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。本文详细介绍了Ad Hoc网络的概念、特点、应用需求、与其他移动通信系统的区别和网络管理等方面的问题。
　　关键词：Ad Hoc网络移动IP 网络管理
　　Abstract：Ad Hoc network is an up-to-date one emerging with the development of wireless communication technology. Conceptions， features， application scope， comparison with other wireless system and issues on network management are presented with detail.
　　Keywords：Ad Hoc network Mobile IP Network management
　　0 前言
　　随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望，近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理来实现移动中的通信。目前的移动通信大多需要有线基础设施(如基站)的支持才能实现。为了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术——Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程，同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。
　　1 Ad Hoc网络的概念
　　Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移动信息系统GloMo(Global Information System)项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展，Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。
　　在Ad Hoc网络中，当两个移动主机(如图1中的主机A和B)在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机(如图1中的主机A和C)要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。其结构如图2所示。
　　Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理(PDA)等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站(代理和代理)之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。
　　2 Ad Hoc网络的特点
　　Ad Hoc网络作为一种新的组网方式，具有以下特点。
　　2.1 网络的独立性
　　Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。
　　2.2 动态变化的网络拓扑结构
　　在Ad Hoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言，网络拓扑结构则相对较为稳定。
　　2.3 有限的无线通信带宽
　　在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
　　2.4 有限的主机能源
　　在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。
　　2.5 网络的分布式特性
　　在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。
　　2.6 生存周期短
　　Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。
　　2.7 有限的物理安全
　　移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。
3 Ad Hoc网络的应用需求
　　Ad Hoc网络的应用范围很广，总体上来说，它可以用于以下场合：
　　a)没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。
　　b)需要分布式特性的网络通信环境。
　　c)现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。
　　d) 作为生存性较强的后备网络。
　　Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要，军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。在战争中，通信系统很容易受到敌方的攻击，因此，需要通信系统能够抵御一定程度的攻击。若采用集中式的通信系统，一旦通信中心受到破坏，将导致整个系统的瘫痪。分布式的系统可以保证部分通信节点或链路断开时，其余部分还能继续工作。在战争中，战场很难保证有可靠的有线通信设施，因此，通过通信节点自己组合，组成一个通信系统是非常有必要的。此外，机动性是部队战斗力的重要部分，这要求通信系统能够根据战事需求快速组建和拆除。

　　Ad Hoc网络满足了军事通信系统的这些需求。Ad Hoc网络采用分布式技术，没有中心控制节点的管理。当网络中某些节点或链路发生故障，其他节点还可以通过相关技术继续通信。Ad Hoc网络由移动节点自己自由组合，不依赖于有线设备，因此，具有较强的自组性，很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前，一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统，在恶劣的战场环境中，很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务，但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此，研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。
　　近年来，Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域，Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后，有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信，通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络，保证救援工作的顺利进行，完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。在这些地区，由于造价、地理环境等原因往往没有有线通信设施，Ad Hoc网络可以解决这些环境中的通信问题。Ad Hoc网络还可以用于临时的通信需求，如商务会议中需要参会人员之间互相通信交流，在现有的有线通信系统不能满足通信需求的情况下，可以通过Ad Hoc网络来完成通信任务。
　　Ad Hoc网络在研究领域也很受关注，近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题，随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求，Ad Hoc网络会受到更多的关注，得到更快速的发展和普及。
　　4与其他移动通信系统的比较
　　4.1 蜂窝系统
　　蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。
　　4.2 集群系统
　　集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通信。
　　4.3 卫星通信系统
　　卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。
　　上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持，如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此成本比较高，同时建设的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的成本低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑结构比较稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信服务，拓扑结构易于变化。
　　5 移动IP和Ad Hoc网络的结合
　　实现移动和全IP是当今网络发展的两大趋势。随着手机使用的日益广泛和人们对移动所能提供的信息要求越来越高，人们更加希望能随时随地接入互联网。
　　对于Ad Hoc网络，网络是随时生成而且具有易构性，不需要事先存在的网络来支持，因此，应用很广泛也很简单。但是这种网络有很强的独立性，它可以单独存在，它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由协议都令它难以与互联网通信，达到交互信息的目的。为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网，我们利用移动IP协议可在不同网络中漫游的特性，结合移动IP和Ad Hoc网络，即MIPMANET，提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制，移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接入互联网的解决方案。图3为Ad Hoc网络接入互联网的模型。
　　6 管理Ad Hoc网络面临的问题
　　Ad Hoc网络的特性决定了管理上比有线网络复杂许多，因为网络拓扑的动态变化，要求网络管理也是动态自动配置。而且要考虑到移动节点本身的限制，例如能源有限、链路状态变化和有限的存储能力等，因此，要将管理协议给整个网络带来的负荷考虑在内。最后还要考虑到网络管理对不同环境的适用性等。
　　具体Ad Hoc网络管理需要解决的问题为以下几方面：
　　a) 网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中，由于网络变化不频繁，所以这点容易做到。但在移动网络中，节点的移动导致拓扑结构变化太频繁，网管需定期收集节点的连接信息，这无疑会加大网络的负荷。
　　b) 大多数节点使用电池供电，所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数，但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。
　　c) 能源的有限性和节点的移动性导致节点随时可能与网络分离，这要求网络管理协议能够及时觉察节点的离开和加入，而更新拓扑结构。
　　d) 无线环境下信号质量变化大。信号的衰退和拥塞都会使网管误认为节点已离开，因此，网管必须能够区分是由于节点移动还是由于链路质量的原因导致连接中断。网管必须询问物理层，但这样会违反OSI的层次管理结构。
　　f) Ad Hoc网络通常应用于军事，因此，要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。
　　由上可见Ad Hoc网络的网络管理是与传统网络不同的，要解决的问题包括如何有效地收集网络的拓扑信息，如何处理动态的网络配置和安全保密问题。
　　7 结论
　　Ad Hoc网络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，赋予其巨大的发展前景。在Ad Hoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题：设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议，以及Ad Hoc网络的网络管理等。今后将重点致力于Ad Hoc网络中网络监视、节点移动性管理、抗毁性管理和安全管理等方面的研究。