AdHoc網路

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更新時間: 2013-12-04

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Ad hoc網是一種多跳的、無中心的、自組織無線網路,又稱為多跳網(Multi-hop Network)、無基礎設施網(Infrastructureless Network)或自組織網(Self-or-ganizing Network)。整個網路沒有固定的基礎設施,每個節點都是移動的,並且都能以任意方式動態地保持與其它節點的聯繫。在這種網路中,由於終端無線覆蓋取值範圍的有限性,兩個無法直接進行通信的用戶終端可以藉助其它節點進行分組轉發。每一個節點同時是一個路由器,它們能完成發現以及維持到其它節點路由的功能。

AdHoc網路 -AdHoc網路的概念

  Ad Hoc網路是一種沒有有線基礎設施支持的移動網路,網路中的節點均由移動主機構成。Ad Hoc網路最初應用于軍事領域,它的研究起源於戰場環境下分組無線網數據通信項目,該項目由DARPA資助,其後,又在1983年和1994年進行了抗毀可適應網路SURAN(Survivable AdaptiveNetwork)和全球移動信息系統GloMo(Global Information System)項目的研究。由於無線通信和終端技術的不斷發展,Ad Hoc網路在民用環境下也得到了發展,如需要在沒有有線基礎設施的地區進行臨時通信時,可以很方便地通過搭建Ad Hoc網路實現。

  在Ad Hoc網路中,當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋範圍內時,它們可以直接通信。但是由於移動主機的通信覆蓋範圍有限,如果兩個相距較遠的主機要進行通信,則需要通過它們之間的移動主機B的轉發才能實現。因此在Ad Hoc網路中,主機同時還是路由器,擔負著尋找路由和轉發報文的工作。在Ad Hoc網路中,每個主機的通信範圍有限,因此路由一般都由多跳組成,數據通過多個主機的轉發才能到達目的地。故Ad Hoc網路也被稱為多跳無線網路。

  Ad Hoc網路可以看作是移動通信和計算機網路的交叉。在Ad Hoc網路中,使用計算機網路的分組交換機制,而不是電路交換機制。通信的主機一般是攜帶型計算機、個人數字助理(PDA)等移動終端設備。Ad Hoc網路不同於目前網際網路環境中的移動IP網路。在移動IP網路中,移動主機可以通過固定有線網路、無線鏈路和撥號線路等方式接入網路,而在Ad Hoc網路中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網路中,移動主機通過相鄰的基站等有線設施的支持才能通信,在基站和基站(代理和代理)之間均為有線網路,仍然使用網際網路的傳統路由協議。而Ad Hoc網路沒有這些設施的支持。此外,在移動IP網路中移動主機不具備路由功能,只是一個普通的通信終端。當移動主機從一個區移動到另一個區時並不改變網路拓撲結構,而Ad Hoc網路中移動主機的移動將會導致拓撲結構的改變。

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AdHoc網路 -Ad Hoc網路的特點

  Ad Hoc網路作為一種新的組網方式,具有以下特點。

2.1、網路的獨立性

  Ad Hoc網路相對常規通信網路而言,最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬體基礎網路設施的支持,快速構建起一個移動通信網路。它的建立不依賴於現有的網路通信設施,具有一定的獨立性。Ad Hoc網路的這種特點很適合災難救助、偏遠地區通信等應用。

2.2、動態變化的網路拓撲結構

  在Ad Hoc網路中,移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消失,主機之間的關係不斷發生變化。在自組網中,主機可能同時還是路由器,因此,移動會使網路拓撲結構不斷發生變化,而且變化的方式和速度都是不可預測的。對於常規網路而言,網路拓撲結構則相對較為穩定。

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2.3、有限的無線通信帶寬

  在Ad Hoc網路中沒有有線基礎設施的支持,因此,主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由於無線通道本身的物理特性,它提供的網路帶寬相對有線通道要低得多。除此以外,考慮到競爭共享無線通道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素,移動終端可得到的實際帶寬遠遠小於理論中的最大帶寬值。

2.4、有限的主機能源

  在Ad Hoc網路中,主機均是一些移動設備,如PDA、便攜計算機或掌上電腦。由於主機可能處在不停的移動狀態下,主機的能源主要由電池提供,因此Ad Hoc網路有能源有限的特點。

2.5、網路的分散式特性

  在Ad Hoc網路中沒有中心控制節點,主機通過分散式協議互聯。一旦網路的某個或某些節點發生故障,其餘的節點仍然能夠正常工作。

2.6、生存周期短

  Ad Hoc網路主要用於臨時的通信需求,相對與有線網路,它的生存時間一般比較短。

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2.7、有限的物理安全

  移動網路通常比固定網路更容易受到物理安全攻擊,易於遭受竊聽、欺騙和拒絕服務等攻擊。現有的鏈路安全技術有些已應用於無線網路中來減小安全攻擊。不過Ad Hoc網路的分散式特性相對於集中式的網路具有一定的抗毀性。

AdHoc網路 -Ad Hoc網路的應用需求

  Ad Hoc網路的應用範圍很廣,總體上來說,它可以用於以下場合:

  a)沒有有線通信設施的地方,如沒有建立硬體通信設施或有線通信設施遭受破壞。

  b)需要分散式特性的網路通信環境。

  c)現有有線通信設施不足,需要臨時快速建立一個通信網路的環境。

  d)作為生存性較強的後備網路。

  Ad Hoc網路技術的研究最初是為了滿足軍事應用的需要,軍隊通信系統需要具有抗毀性、自組性和機動性。在戰爭中,通信系統很容易受到敵方的攻擊,因此,需要通信系統能夠抵禦一定程度的攻擊。若採用集中式的通信系統,一旦通信中心受到破壞,將導致整個系統的癱瘓。分散式的系統可以保證部分通信節點或鏈路斷開時,其餘部分還能繼續工作。在戰爭中,戰場很難保證有可靠的有線通信設施,因此,通過通信節點自己組合,組成一個通信系統是非常有必要的。此外,機動性是部隊戰鬥力的重要部分,這要求通信系統能夠根據戰事需求快速組建和拆除。

  Ad Hoc網路滿足了軍事通信系統的這些需求。Ad Hoc網路採用分散式技術,沒有中心控制節點的管理。當網路中某些節點或鏈路發生故障,其他節點還可以通過相關技術繼續通信。Ad Hoc網路由移動節點自己自由組合,不依賴於有線設備,因此,具有較強的自組性,很適合戰場的惡劣通信環境。Ad Hoc網路建立簡單、具有很高的機動性。目前,一些發達國家為作戰人員配備了尖端的個人通信系統,在惡劣的戰場環境中,很難通過有線通信機制或移動IP機制來完成通信任務,但可以通過Ad Hoc網路來實現。因此,研究Ad Hoc網路對軍隊通信系統的發展具有重要的應用價值和長遠意義。

  近年來,Ad Hoc網路的研究在民用和商業領域也受到了重視。在民用領域,Ad Hoc網路可以用於災難救助。在發生洪水、地震后,有線通信設施很可能因遭受破壞而無法正常通信,通過Ad Hoc網路可以快速地建立應急通信網路,保證救援工作的順利進行,完成緊急通信需求任務。Ad Hoc網路可以用於偏遠或不發達地區通信。在這些地區,由於造價、地理環境等原因往往沒有有線通信設施,Ad Hoc網路可以解決這些環境中的通信問題。Ad Hoc網路還可以用於臨時的通信需求,如商務會議中需要參會人員之間互相通信交流,在現有的有線通信系統不能滿足通信需求的情況下,可以通過Ad Hoc網路來完成通信任務。

  Ad Hoc網路在研究領域也很受關注,近幾年的網路國際會議基本都有Ad Hoc網路專題,隨著移動技術的不斷發展和人們日益增長的自由通信需求,Ad Hoc網路會受到更多的關注,得到更快速的發展和普及。

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AdHoc網路 -與其他移動通信系統的比較

4.1、蜂窩系統

  蜂窩系統是覆蓋範圍最廣的陸地公用移動通信系統。在蜂窩系統中,覆蓋區域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區。每個小區內設置固定的基站,為用戶提供接入和信息轉發服務。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進行。基站則一般通過有線線路連接到主要由交換機構成的骨幹交換網路。蜂窩系統是一種有連接網路,一旦一個通道被分配給某個用戶,通常此通道可一直被此用戶使用。蜂窩系統一般用於語音通信。

4.2、集群系統

  集群系統與蜂窩系統類似,也是一種有連接的網路,一般屬於專用網路,規模不大,主要為移動用戶提供語音通信。

4.3、衛星通信系統

  衛星通信系統的通信範圍最廣,可以為全球每個角落的用戶提供通信服務。在此系統中,衛星起著與基站類似的功能。衛星通信系統按衛星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛星通信系統存在成本高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等不足。

  上述移動通信系統都需要有線網路通信基礎設施的支持,如基站、交換機、衛星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力,因此成本比較高,同時建設的周期也長。Ad Hoc網路不需要基站的支持,由主機自己組網,因此,網路建立的成本低,同時時間短,一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統中,移動終端之間並不直接通信,並且移動終端只具備收發功能,不具備轉發功能。而Ad Hoc網路由移動主機構成,移動主機之間可以直接通信,而移動主機不僅收發數據,同時還轉發數據。此外目前的移動通信系統主要為用戶提供語音通信功能,通常採用電路交換,拓撲結構比較穩定。而Ad Hoc網路使用分組轉發技術,主要為用戶提供數據通信服務,拓撲結構易於變化。

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AdHoc網路 -移動IP和Ad Hoc網路的結合

  實現移動和全IP是當今網路發展的兩大趨勢。隨著手機使用的日益廣泛和人們對移動所能提供的信息要求越來越高,人們更加希望能隨時隨地接入互聯網。

  對於Ad Hoc網路,網路是隨時生成而且具有易構性,不需要事先存在的網路來支持,因此,應用很廣泛也很簡單。但是這種網路有很強的獨立性,它可以單獨存在,它的特性和它所使用的主動的、按需驅動的路由協議都令它難以與互聯網通信,達到交互信息的目的。為了達到Ad Hoc網路中的移動主機可以在不同的Ad Hoc網路間移動和隨時接入互聯網,我們利用移動IP協議可在不同網路中漫遊的特性,結合移動IP和Ad Hoc網路,即MIPMANET,提供一種將Ad Hoc網路使用按需驅動的路由機制,移動IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網路接入互聯網的解決方案。

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AdHoc網路 -管理Ad Hoc網路面臨的問題

  Ad Hoc網路的特性決定了管理上比有線網路複雜許多,因為網路拓撲的動態變化,要求網路管理也是動態自動配置。而且要考慮到移動節點本身的限制,例如能源有限、鏈路狀態變化和有限的存儲能力等,因此,要將管理協議給整個網路帶來的負荷考慮在內。最後還要考慮到網路管理對不同環境的適用性等。

  具體Ad Hoc網路管理需要解決的問題為以下幾方面:

  a) 網路管理協議的一個重要任務是使網管知道網路的拓撲結構。在有線網路中,由於網路變化不頻繁,所以這點容易做到。但在移動網路中,節點的移動導致拓撲結構變化太頻繁,網管需定期收集節點的連接信息,這無疑會加大網路的負荷。

  b) 大多數節點使用電池供電,所以要保證網路管理的負荷限制在最小值以節省能源。要盡量減少收發和處理的節點數,但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。

  c) 能源的有限性和節點的移動性導致節點隨時可能與網路分離,這要求網路管理協議能夠及時覺察節點的離開和加入,而更新拓撲結構。

  d) 無線環境下信號質量變化大。信號的衰退和擁塞都會使網管誤認為節點已離開,因此,網管必須能夠區分是由於節點移動還是由於鏈路質量的原因導致連接中斷。網管必須詢問物理層,但這樣會違反OSI的層次管理結構。

  f) Ad Hoc網路通常應用于軍事,因此,要防止竊聽、破壞和侵入。所以網管需要結合加密和認證過程。

  由上可見Ad Hoc網路的網路管理是與傳統網路不同的,要解決的問題包括如何有效地收集網路的拓撲信息,如何處理動態的網路配置和安全保密問題。

AdHoc網路 -結論

  Ad Hoc網路是一種新穎的移動計算機網路的類型,它既可以作為一種獨立的網路運行,也可以作為當前具有固定設施網路的一種補充形式。其自身的獨特性,賦予其巨大的發展前景。在Ad Hoc網路的研究中還存在許多亟待解決的問題:設計具有節能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴展特性的路由協議,以及Ad Hoc網路的網路管理等。今後將重點致力於Ad Hoc網路中網路監視、節點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。

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