分类： 系统运维
2009-12-26 22:44:38
1、简介
目前存在的无线移动网络有两种：第一种是基于网络基础设施的网络，这种网络的典型应用为无线局域网（WLAN）。第二种为无网络基础设施的网络，一般称之为自组织网（AD HOC）。这种网络没有固定的路由器，网络中的节点可随意移动并能以任意方式相互通信。每一个节点都能实现路由器的功能而在网络中搜寻、维护到另一节点的路由。
2、自组织网的发展及现状
自组织网络是自组织理论在通信网络中的具体运用。自组织网络的起源可追溯到1968年的ALOHA网络和1973年美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助研究的“无线分组数据网（PRNET）”。这些最初的自组织网络对自组织技术的发展起了奠基性的作用。20世纪80年代，美国国防部启动了可生存自适应网络（SURAN）项目，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994年，美国国防部又启动了全球信息系统（GloMo）计划，研究范围几乎覆盖无线通信所有相关领域。在该计划中，对于满足军事需要的、高抗毁灭性的自组织网络技术进行了深人的研究。20世纪90年代以来，民用的系统也逐渐出现了无线自组织网的标准和应用。IEEE 802.11委员会在开发IEEE 802.11标准时，将分组无线电网络改称为Ad Hoc（拉丁语：“专有的、特定的”之意）网络，进一步推动了自组网的发展。1994年瑞典Ericsson公司推出蓝牙技术开发计划，1999年公布了采用自组织网的蓝牙技术标准。Internet工程部（IETF）也成立了一个移动自组织网络工作组（MANET），其主要目标就是针对无线自组织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。这个工作组对自组网进行了广泛的研究并推出了一些草案。
近些年来，随着移动通信和计算机技术的发展以及用户需求的不断增长，对自组织通信网的研究得到了更为快速的发展。
目前从事自组织网络研究的机构主要有Internet工程部（IETF）、IEEE组织及美国的国防高级研究计划局（DARPA）。IETF于1997年成立了专门的研究组——MANET组，针对MANET开发基于IP协议的路由机制并解决与网络层相关的技术问题。在2000年下半年公布了一系列MANET路由协议草案，如DSDV、AODV、TORA、DSR、OLSR等。IEEE通信分会在2000年成立了专门的MANET技术分委员会。欧洲下一代移动通信系统组织（WWRF）设立了Ad Hoc组网研究小组，并于2003年发布白皮书对自组织网络进行了总结和展望。欧盟1ST下设了若干采用自组织研究解决车辆之间通信问题的项目，比较重要的有CarTALK2O00、FleetNet等。这几个研究机构为无线自组织的发展和应用都作出了重要贡献。国内对移动自组织网的研究和开发起步较晚，目前尚处于理论探讨阶段。
3、自组织网络特点
移动自组织网络能够利用移动终端的路由转发功能，在无基础设施的情况下进行通信，从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。自组网技术为计算机支持的协同工作系统提供了一种解决途径，主要特点有：
(1) 网络拓扑结构动态变化
在移动自组织网络中，由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。
(2) 自组织无中心网络
移动自组织网络没有严格的控制中心，所有节点的地位是平等的，是一种对等式网络。节点能够随时加入和离开网络，任何节点的故障都不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。
(3) 多跳网络
由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限，当终端要与覆盖范围之外的终端进行通信时，需要利用中间节点进行转发。
值得注意的是，与一般网络中的多跳不同，无线自组网中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专门的路由设备完成的。
(4) 无线传输带宽有限
无线信道本身的物理特性决定了移动自组织网络的带宽比有线信道要低很多，而竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰及信道干扰等因素使得移动终端的实际带宽远远小于理论值。
(5) 移动终端的局限性
自组织网络中的移动终端(如笔记本电脑、手机等)具有灵巧、轻便、移动性好等优点，但同时其电源有限、内存小、CPU性能低等限制，使得我们在开发应用程序时，需要考虑这些因素。
4、应用领域
1．军事领域
自组织网络由于具有无需架设网络设施、快速展开、抗毁性和灵活性等特点，被各军事强国应用于战略和战术综合通信。在现代化战场上，部队需要快速展开和推进各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中指挥、协调作战。在这些场合下的通信不能依赖于任何预设的网络设施。尤其在未来战场上，自组织网络对于高技术武器装备、集中指挥、协同作战和提高作战机动性等具有非常重要的意义。它可用作机群编队、舰队、坦克编队以及单兵之间的通信系统。目前，自组织网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。如自适应综合通信（mosale）计划。该计划是将美国DARRA资助的GloMo、SUO／SAS、CAN（空中通信结点）项目技术与陆军通信及电子司令部（CECOM）研究发展中心（RDEC）的几项研究技术结合在一起，进行移动通信演示。通过验证和筛选，把商用产品和国防部的研究成果集成在一起，目标是满足未来战斗系统（FCS）和目标部队（objective force）的通信需求以及战场指挥系统基础结构的可移动性，形成一个未来战场所需要的无缝隙通信体系结构。除此之外，美国军方已经研制出大量的无线自组织网络通信设各，并且这些设各在美国对伊拉克战争中发挥了重要作用。联合战术电台系统宽带网络波形（joint tactical radiosystem wide and networking waveform，JTRS WNW）网络就是一种自组织网络。它必须满足支持服务之间的互操作、无缝交付多媒体信息、自适应用户消息要求或网络状况、可扩展的自组织网络、自动和手工适应RF或者路由特性等要求。JTRS WNW网络现广应用于美国陆军、海军以及空军。
自组织网络技术除了用于军事移动通信外，还可以用于武器装各的智能化。如DAPRA近期资助了一项研究“自愈式雷场系统”就是一个自组织网络技术应用的实例。该系统计划采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷阵防线的突破。这些地雷均配各有无线通信与自组织联网单元，通过某种方式布撒（如通过飞机、地一地导弹或火箭弹进行远程布撒）之后，这些地雷迅速构成移动自组网络。在遭到敌方坦克突破之后，这种地雷通过对拓扑结构的判断，以及自动弹跳功能迅速“自愈”，即通过网络重构恢复连通。如此反复，直到系统无法重构为止，最后自行引爆。“自愈式雷场系统”可以大大限制敌军的机动能力，延缓敌军进攻或撤退的速度，在一段时间内封锁特定区域。
2．工业领域
无线传感器网络是移动自组织网络技术的一大应用领域。采用传感器将能够跟踪从天气到企业商品库存等各种动态事务，极大地扩充联网的功能。若将数量巨大的传感器连成网络，则可以延伸到更多的人类活动领域。传感器还可以工作在危险的环境（如化学有害物质泄漏现场），可以方便地将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外，避免救援人员进入现场，收集和辨别事故信息◇在很多的应用场合下，由于发射功率较小，同时受到体积和电池供电等等因素的限制，传感器网络只能使用无线通信技术，采用多跳转发方式来实现传感器之间和与控制中心之间的通信。
在基于自组织的无线传感器网络中，传感器结点自治，并通过无线链路连接并采用分布控制组成网络。目前，基于自组织的无线传感器网络已经开始处在实际应用阶段。如美国缅因州沿海有一个名叫大鸭的海岛，它是世界上最大的海燕繁殖地。研究人员在岛上的许多海燕巢穴内安置了一种被称作“微粒”的小型监控器。该监控器的体积小，包括微处理器、存储器和传感器等部分，能监控光、湿度和温度等。它还装有无线电收发器，其功率大小刚好能够收发相邻“微粒”的信息。这种利用自组织技术无线传感器网络向人们展示了未来流行的无线传感器网络。
日本“泛网技术未来展望调查研究会”于年发表的一份题目为“迈向泛网时代”的蓝图报告中，分别按7个项目定义了年到年所需的网络技术。这7项技术包括了第4代移动通信系统的“泛在弹 性宽带（ubiquitous flexiblebroadband）”和传感器网络的“泛在传感器网络（ubiquitous sensor network）”。在这份报告中，传感器网络将应用于物流、智能交通、医疗保健、工业监控、安全防范、生态环境等各种领域。
3．民用领域
（1）临时通信或者缺乏固定网络设施的场合
除了战场环境外，在一些特殊环境或紧急情况下，有中心的移动通信技术也不能胜任。比如，发生地震、水灾或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，但是仍要求在抢险救灾过程中实现救援人员间的通信，这时就需要自组织网络这种不依赖任何固定网络设施的技术帮助紧急救援人员完成必要的通信工作；在警察或消防队员执行紧急任务时，事故发生地不一定有固定的基础通信设施，此时也必须保障通信指挥的顺利。在以上的场合，能够不依赖固定的基础设施进行快速和灵活配置的自组织网络将充当应急或临时通信设施，用来满足这些特殊场合的应用需求。实际上，在灾难发生等紧急情况下更需要顺畅的通信来保障救灾工作的进行，这时采用自组织技术的应急移动终端可以在无设施的情况下恢复网络的连通性。
（2）企业和家用
在各种商务会议、学术交流等会议中，使用自组织网络可以使参与会议的成员通过便携式电脑或者移动终端进行信息交流、资源共享。采用自组织网络比有线以太网更为方便，比使用蜂窝网或Internet更为便宜和安全。无线局域网（WLAN）是自组织网络的一种主要应用。IEEE 802．11中有两种模式，基础网络模式和自组织模式。在基础网络模式中，用户设各和接人点进行通信，接人点和基础网络连接。而自组织模式则不需接人点，用户设各之间可以直接进行通信。自组织与WI－AN的结合，产生了网状WiFi网，其最大好处是利用多跳技术拓展了WLAN的覆盖范围。在家电方面，移动自组织网络的产品可为用户建立无线家庭网络，在通过移动自组织网络的网关设各接人Internet后，可实现对家电的远程操作、监k控和管理。
自组织网络不依赖网络基础设施，易于分布，抗毁性强，使其能满足多种应用领域的需求。它的经济驱动来自减少操作成本和劳动力成本，提高效率。可以预见，在宽带无线移动通信中，自组织网络将成为一个重要的组成部分。
5、研究热点
（1）MAC协议的研究。在Adhoc网络中，多个网络节点共享同一无线信道，由于各节点发送分组的随机性，为了减少碰撞，必须由MAC层协议来建立共享信道的访问机制。高效的MAC层协议是Adhoc网络的一个研究热点，目前最常见的MAC层协议是载波监听多路接入（CSMA）和多种其他机制，如IEEE802.11中所采用的基于RTS（RequesttoSend），CTS（CleartoSend），ACK（AC-Knowledgement）的协议等。
（2）路由协议的研究。由于Adhoc网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速变化、适应单向信道环境等多方面的要求，使得现有的IP路由协议，如RIP（选路信息协议）和OSPF（开放最短路径优先协议）等不能满足要求，Adhoc网络路由协议的设计具有很大难度。IETF的MANET工作组重点研究无线Adhoc中的路由协议。主要有如下几种草案：
1AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc网络的距离矢量路由算法。
2TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）临时顺序路由算法。
3DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。
4OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）优化的链路状态路由协议。
5TBRPF（TopologyBroadcastBasedonReversePathForwarding）基于拓扑广播的反向路径转发。
6FSR（FisheyeStateRoutingProtocol）鱼眼状态路由协议。
7IERP（theInterzoneRoutingProtocol）区域间路由协议。
8IARP（theIntrazoneRoutingProtocol）区域内路由协议。
9DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）目标序列距离路由矢量算法。
目前，IETF正在研究Adhoc网络中的组播协议，上述一些协议经过扩展可以支持组播，主要有AM-Route，MAODV，ODMRP，CAMP，FGMP，NSMP等。与路由协议研究密切相关的一个研究热点就是分簇算法的研究，在分级分频网络结构中，如何自动选举确定簇头，如何确定每个簇的范围需要高效的算法支持。
（3）网络安全保障机制的研究。Adhoc网络的特殊结构（开放的网络结构、共享的无线资源、严格的资源限制和高度动态的网络拓扑）决定了它只能提供较差的安全性能，极易受到主动和被动的攻击。早期的Adhoc是假设应用在一个友好且合作的环境中，现在这种假设已经不成立了，Adhoc要应用于一个潜在的敌对环境中，并为移动节点间提供受保护的通信，安全问题已经成为倍受关注的焦点。Adhoc网络的安全威胁主要有被动窃听（无线链路使Adhoc网络容易受到链路层的攻击）、拒绝服务攻击、禁止“睡眠”攻击（快速消耗节点电能）、数据篡改和重发、伪造身份取得信任引入“黑洞”等。
针对这些安全威胁，传统网络的安全解决方案不能适应Adhoc网络的特定环境，不能直接用于Adhoc网络。目前，关于Adhoc网络的安全性研究主要集中在无中心环境下节点间信任关系的建立与维护机制、安全选路机制等。
（4）与现有网络融合模式的研究
在Adhoc网络发展过程中，Adhoc网络主要是作为一个独立的网络存在的，但随着Adhoc网络技术的逐步成熟和应用范围的扩大，要求Ad hoc网络能够与有线网络互通甚至接入互联网，这将成为Ad hoc发展不可避免的趋势。在这种情况下，未来的Ad hoc网络要与IP网络互通、要与
（1）由于Adhoc网络所采用的路由协议不同于IP路由协议，两类网络的互联互通存在一定的难度。此时需要布置接入网关（AP，AccessPoint），AP是一台同时拥有有线接口和无线接口的特殊主机，通过AP的转发和路由可以使有线网络和Adhoc网络互通。Ad hoc网络可以通过一个或多个AP连接到不同地域的有线网络。IETF的MANet工作组提出了一种利用移动IP和Ad hoc路由相结合的方法，通过外部代理和家乡代理实现和有线网络互通。这种方法需要各个结点都支持移动IP，这在有些应用中会有一定难度。
（2）如果Adhoc网络与其他网络互联，则其将为其他网络终端提供通信通道，而Adhoc网络的无线信道带宽较窄、带宽资源有限，很容易造成阻塞；一旦网络阻塞，既影响Adhoc网络自身运行，又对与其互联的网络造成影响。而IP网络中现有的接纳控制机制不能应用在无中心的Ad hoc网络中，因此互联后网络的服务质量很难保证。
（3）Adhoc网络作为
6、自组织网络的路由技术
目前在Internet中常用的内部网关路由协议主要有两种：一种是基于距离矢量的路由协议（如RIP）；一种是基于链路状态的路由协议（如OSPF协议）。这两类协议都是针对固定网络而设计的，它们都需要周期性的交换信息来维护网络正确的路由表或网络拓扑结构图。考虑到Ad hoc网络带宽较窄、拓扑变化频繁等因素，这些传统的用于固定网络的路由协议不适应于Adhoc网络，主要体现在以下几个方面：
（1） 动态变化的网络拓扑结构。这些变化主要体现在结点加入、离开网络以及链路权值系数的变化。而对于常规有线网络，网络拓扑结构则表现较为稳定，拓扑结构的变化通常是由于链路状态的变化（如链路拥塞，或是设备故障等）而引起的。
（2） 周期性地广播拓扑信息会占用大量的无线信道资源，耗费电池能源，将会严重降低系统性能。尤其是在拓扑变化频繁的Adhoc网络环境中，可能当路由算法还未收敛时，网络的拓扑结构就又发生了变化。
（3） 单向的无线传输信道。在传统的网络路由协议中，通常认为结点间的链路是对称的双向链路。而在 Adhoc网络中，由于无线收 / 发设备不同或周围环境对无线信道的影响，可能会造成单向的无线传输信道。如图 2中，假设结点 B的传输范围较大，可以与结点 A和 C直接通信，而结点 A 由于传输范围的限制不能将报文直接发送到结点 B。结点A 在收到结点B 的拓扑信息（结点 B 可以到达结点 C）时，就不能简单地认为它可以通过结点B的转发与结点 C通信了。
正是由于以上的一些问题，使得传统的路由协议在 Adhoc网络中不再适用，路由选择和路由协议成了当前 Adhoc网络研究的一个重点问题。
现存A d hoc 网络路由协议可以分为 2 类：表驱动和源发起按需驱动
（1） 表驱动路由协议
表驱动路由协议是有线网络路由协议向A d hoc 网络的移植Λ网络中的每个节点维持一个或多个表格来存储其它节点的路由信息, 通过广播更新信息来保持路由表信息与网络拓扑的变化之间的一致性，典型的表驱动路由协议包括:DSDV,CGSR和WRP等表驱动路由协议虽然可以很快地获得到其它所有节点的路由, 但是不可避免地存在信号拥塞和能量过度消耗的问题, 而且表驱动路由协议逐渐被需驱动路由协议所替代。
（2） 源发起按需路由
按需路由协议不需要像表驱动路由协议那样实时地维持每个节点的路由信息, 而只在源节点需要路由的时候才发起路由, 从而降低了对网络带宽和能量的过度消耗Λ当源节点需要一个到达某一目的节点的路由时, 它在网络中发起一个路由发现过程; 路由建立之后, 会由一个路由维护程序进行维护, 直到每条路径都断裂或不再需要路由为止Λ典型的源发起按需路由包括:AODV,DSR,TORA等
表驱动路由协议虽然可以很快地获得到其它所有节点的路由, 但是不可避免地存在信号拥塞和能量过度消耗的问题, 而且表驱动路由协议逐渐被需驱动路由协议所替代。
附：
自组网现有路由协议性能对比
|
协议 |
优点 |
缺点 | |
|
主 动 路 由 |
DSDV |
采用了序列号机制用于区分路由的新旧程度,防止可能产生的路由环路 |
不适应变化速度快的自组网 ,不支持单向信道 |
|
按 需 路 由 |
DSR |
中间节点不用维护去往全网所有节点的路由信息 而且可以避免出现路 |
每个数据分组都携带了路径信息, 造成协议开销较大。而且也不适合网络直径大的自组网 ,网络可扩展性不强 |
|
AODV |
采用了逐跳转发分组方式, 在每个中间节点隐式保存了路由请求和回答的结果加入了组播路由协议扩展,并支持QOS |
不支持单向信道 | |
|
TORA |
在拓扑结构发生变化时能够迅速重新生成路由,并将产生的协议分组限制只在受到影响的节点中扩散 |
一是协议的有效运行依赖于网络的高连通度提供路由维护所需的多条备选路径;二是开销比其他按需路由协议大;三是它也不支持单向信道 | |
|
分类角度 |
路由类型 |
优点 |
缺点 |
典型协议 |
|
从 路 由 发 现 策 略 的 角 度 |
主动路由 |
当节点需要发送数据分组时，只要到目的节点的路由存在，所需的延时很小 |
花费开销较大，应尽可能使路由更新紧随拓扑结构变化，但动态变化的拓扑结构可能使路由更新信息变得过时，路由协议始终处于不收敛状态 |
DSDV,GSR,WRP,FSR |
|
按需路由 |
无需周期性路由信息广播，节省了一定的网络资源 |
发送数据分组时，如果没有到目的节点的路由，需进行路由发现，数据分组的发送因路由建立过程而延时 |
AODV,DSR,TORA, ABR,SSR,CBRP | |
|
从 网 络 逻 辑 视 图 的 角 度 |
平面路由 |
无特殊节点，网络中业务平均分配，路由协议鲁棒性较好，无需进行节点移动性管理 |
可扩展性较差，限制了网络的规模 |
AODV,DSR,TORA, WRP,LAR |
|
分层路由 |
网络由多个分簇组成，可扩展性较好，适合大规模的自组网 |
簇首节点的可靠性和稳定性对网络性能影响较大，为支持节点在不同分簇之间漫游所进行的移动管理将产生一定的协议开销 |
CGSR,ZRP CEDAR |
