AD Hoc網絡的應用研究

方勝吉

摘 要：移動網絡技術的飛速發(fā)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(tǒng)，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(zhàn)場上快速前進中的戰(zhàn)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(jié)點或終端通過某種協(xié)議或策略結合在一起形成的移動網絡。與傳統(tǒng)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(tài)地創(chuàng)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(shù)據(jù)連接時，需要通過這兩臺主機之間的移動主機轉發(fā)相應的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)。因此，在Ad Hoc網絡中，移動主機還應具有路由功能，即可實現(xiàn)尋找路由和轉發(fā)報文的功能。由于每臺主機的通信范圍有限，因此，數(shù)據(jù)需經過多跳，才能從源主機發(fā)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(xiàn)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(fā)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(yōu)先級，然后根據(jù)優(yōu)先級的不同提供不同的服務來保證某些特定業(yè)務的服務質量。

（2）跨層設計：有研究表明，不同的路由層協(xié)議與不同的鏈路層協(xié)議結合，或選擇不同節(jié)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(xié)議分層這一單一的角度來設計協(xié)議，更要根據(jù)Ad Hoc網絡的特點，將不同協(xié)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(jié)點間的認證等其他安全問題。

（4）能耗：由于Ad Hoc網絡中的節(jié)點隨時可能處于移動的狀態(tài)，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(guī)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(jié)點如何接入無線信道，是Ad Hoc網絡協(xié)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(xiàn)有的移動數(shù)據(jù)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(fā)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(jù)國內外研究現(xiàn)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(xié)議。目前，Ad Hoc網絡中普遍得到認可的具有代表性的協(xié)議有DSDV、DSR、AODV、TORA和ZRP等協(xié)議。

（2）Ad Hoc網絡與蜂窩網的互聯(lián)。Ad Hoc網絡與現(xiàn)存無線蜂窩網的聯(lián)通，相當于將Ad Hoc網絡中的移動設備添加到蜂窩網中，實現(xiàn)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(xié)議。比較知名的成果為MACA協(xié)議，即RTS/CTS/ACK方案，控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協(xié)議，以及針對MAC協(xié)議中的個別類進行修改，修改后的新協(xié)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(xié)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(jié)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(xié)議、功率（節(jié)能）控制、分布式算法、安全性問題、TCP協(xié)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(shù)量相對較少。

3 Ad Hoc網絡的特點

Ad Hoc網絡在很多方面均區(qū)別于其他通信網絡，其最大的特點是可以自動配置、自發(fā)現(xiàn)、自組織和自愈。網絡中的節(jié)點能夠快速檢測、探測出其他節(jié)點的存在，無需人工干預或其他預設的網絡設施的調節(jié)，通過分布式算法來協(xié)調彼此的行為，適應網絡的動態(tài)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(tài)拓撲：節(jié)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(fā)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(shù)據(jù)通信需要由中間節(jié)點（普通節(jié)點）完成路由轉發(fā)功能。

（3）完全分布式：Ad Hoc網絡是由對等節(jié)點構成的網絡，不存在中心控制節(jié)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(fā)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(tǒng)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(jié)點分為普通節(jié)點和中心控制節(jié)點兩種。中心控制節(jié)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(jié)功能。鑒于Ad Hoc網絡節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)點數(shù)目較少的情況下，這種結構的安全性較好；但是，若網絡中節(jié)點個數(shù)過多，且節(jié)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(guī)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(jù)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(shù)據(jù)轉發(fā)，同時低層向高層傳輸數(shù)據(jù)也是通過簇頭。這種分層分布式結構的主要優(yōu)點是：簇與簇之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)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(guī)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(shù)據(jù)傳輸必須通過簇頭，就有可能使得數(shù)據(jù)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(zhàn)爭中，由于通信系統(tǒng)易受到對方的攻擊，若采用集中式的通信系統(tǒng)，一旦通信中心遭到破壞，將導致整個系統(tǒng)的癱瘓。因此，軍隊通信系統(tǒng)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(guī)模的Ad Hoc網絡也具有很大的商業(yè)價值，其應用環(huán)境包括家庭、辦公室、教室、醫(yī)院等。例如在家庭環(huán)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(tǒng)等連在一起，從而實現(xiàn)資源共享，實行統(tǒng)一化管理。不斷發(fā)展的無線局域網技術，像802.11、藍牙等也給Ad Hoc網絡的發(fā)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(lián)系在一起，這些設備在執(zhí)行用戶的某項活動時彼此通信，通過轉發(fā)將任務發(fā)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(lián)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(fā)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(huán)境中，參加會議的所有成員攜帶的包含Ad Hoc收發(fā)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(xié)同完成某一項任務。

緊急服務：在沒有網絡基礎設施的地區(qū)出現(xiàn)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(huán)境（如化學有害物質泄漏現(xiàn)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(fā)器等，將傳感器所在地區(qū)的信息傳送到危險現(xiàn)場以外，救援人員不必進入現(xiàn)場去收集和辨別有用的信息。

參考文獻

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