移动自组网介绍

随着近年来在计算机和无线通信领域的技术进步，移动无线计算将获得日益广泛的应用。传统的基于接入点（AP，AccessPoint）的移动无线网络一般只应用于有线网络的边缘，随着到处存在的计算（UbiquitousComputing）概念的提出，在一些缺乏网络基础设置、基站或ISP的场合，移动节点要互相通信，自身就必须要充当缺少的网络功能部件。通常把具有无线通信设备的移动计算机用户相互构成的临时网络称为自组织网络。移动自组织网络（MobileAdHocNetworks）的目的是通过在移动节点中增加路由功能，支持移动无线网络在缺乏基础设施的场合下高效鲁棒的运行。1．1移动自组网简介1.1.1移动自组网产生背景由于有线通信方式对应用范围的限制，人们发明了移动无线通信。近年来，无线网络在支持移动性方面的发展非常的迅速，但通常的来说，移动无线通信网通常以蜂窝移动通讯系统，无线局域网（IEEE802.11）方式出现，这样的移动网络依然要以通信基站或接入点（AP）为基础。比如在蜂窝移动网络当中，移动终端与固定基站相互通信，移动终端本身不具备路由功能，由移动交换机负责路由与交换功能，同时充当网关，以有线方式接入固定网。而在无线局域网当中，则用符合IEEE802.11协议的无线网卡把移动节点（笔记本，PDA等）通过无线接入访问点连接到现有的固定网络。这些移动通信方式都需要基站、访问服务点或者外地代理等这样的中心控制设备。但是在某些特殊环境或紧急情况下不可能有预先安置好多固定接入设备，因此在这些情况下都迫切需要一个能够动态的、能够快速部署的、不依赖或很少依赖现有的有线网络设备，能够零时快速自动组网的移动通讯技术，这也就形成了另一类无线通信网络技术既无线自组网络技术。无线自组网是由一组带有无线收发装置的可移动节点所组成的一个零时性多跳自治系统，它不依赖于预设的基础设施，具体可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点，在军事方面和民事方面和民用方面都具有广阔的应用前景，是目前网络研究中的热点问题。移动自组网（下文简称为AdHoc网络）是无线自组织网络的一个重要研究方向，现在逐渐出现了多种不同种类、服务于不同目的地AdHoc网络，在通信领域发挥着日益重要的作用。同时AdHoc网络的研究和应用也已经发展成为通信领域中的一个独立分支，被看作未来个人通讯系统的一个重要组成部分。无线移动自组网又称无线移动多跳网、无线自组网，是由一组相互协作的无线移动节点组成的、无中心控制节点、不依赖于任何固定网络设备的特殊网络。在该网络中，节点间的通信不需要固定基站的转接，所有的节点作为对等实体进行连接，每一个移动节点既是一个主机又是一个路由器，可以将网内某节点发送到数据转发给其他节点。这些节点可能包括：笔记本电脑、PDA、移动电话等。1973年美国国防部高级研究局在ALOHA基础上结合分组交换技术建立了第一个高速无线移动分组网PRNET（PacketRadiosNetwork，分组无线网），被认为是AdHoc网络的先驱。虽然提出移动自组网的初衷是用于军事目的，但这种网络技术却迅速扩展到更多的应用领域。1983年，DARPA在PRNET基础上启动了高残存自适应网络计划，用以扩展PRNET项目中的各种关键技术，使其能够支持大型网络，并设计自适应网络协议，以适应快速变化的战场环境。1991年成立的IEEE802.11委员会将分组无线网络正式命名为AdHoc网络。1994年，美国国防部启动了全球移动信息系统计划，该项目的主要哦研究目标是为陆空上的各种移动设备提供类似办公室以太网环境下的多媒体链接，保证在任何时间和任何地点彼此都能够相互通信。90年代以来，随着无线移动通信和移动终端技术的告诉发展，在民用的系统中也逐渐出现了AdHoc网络的标准和应用。IETF专门成立了MANET工作组，负责MANET网络路由协议的研究与开发，相继推出一系列的RFC文档。1999年RFC2501公布了移动AdHoc网络的特征、要求和应用环境。国内对于移动自组网的研究和应用尚处于起步阶段主要集中在路由协议、QoS等方面。移动自组网的应用领域包括：交互式商务会议、灾后救援通信、战场军事通信等。由于AdHoc网络可以广泛地应用于战场通信指挥与控制、警察与医疗部门的抢险救灾、传感网络、课题教育等众多领域，其战略意义非常重要。AdHoc网络及其特点AdHoc一词源自于拉丁语，本意是“无事先准备的、零时性的”，它是由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳临时性无中心网络。可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有的信息基础网络设施的支持，网中的每一个终端可以自由的移动并且从功能上来说都是平等的，没有中心。从技术上讲，AdHoc网络是一种移动通信技术和计算机网络技术相结合的网络。AdHoc网络中，每个移动终端兼备路由器和主机的两种功能。一方面作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序，如编辑器，浏览器等；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由工作。在部分通信网络被破坏后，这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余的通信能力，确保重要的通信指挥通畅，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。AdHoc网络使用无线通信技术进行数据传输，由于无线传输范围有限，网络中的节点相互作为其邻居的路由器，通过多个中间节点转发实现节点间的通信，即报文通过多跳（hop）才能从源端点传输到目的节点，因此它又被称为多跳网络、无固定网络设施的网络。AdHoc网络一般有两种结构：平面结构和分层结构。在平面结构中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。而分层结构中，网络被划分为若干个独立的子网，每个子网都是一个自治系统，子网之间的连接可以通过选举内网某一个节点充当无线AP，也可以由专用AP构成的分发系统负责。平面结构的网络比较简单，网络中所有节点完全对等，原则上不存在瓶颈，所以健壮性好。它的缺点就是可扩展性差，每个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息，特别是当平面结构网络的规模增加到某个程度时，大量的宽带可能会被路由协议消耗掉了。在分层结构的网络中，子网内成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩展性。分层结构不仅仅局限于同构网络之间的连接，同样适用于异构网络，随着应用的扩展，不同形式的无线网络也可以通过分层的结构组成AdHoc网络。总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；当网络的规模增大时，应该采用分层结构。与其它传统通信网络相比，AdHoc网络具有以下显著特点：多跳性：由于节点发射功率的限制，其通信范围有限。当它要与其通信范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，既要经过多跳，多跳是研究AdHoc网络协议的前提基础。另外，AdHoc网络中的多跳是由普通节点协作完成的，不需要专用的路由设备（如路由器）来完成；独立组网：AdHoc网络具有独立组网的特点，既网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络；无中心和自组织性：AdHoc网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分层的网络协议和分布式算法来协调彼此的行为自组成网，无需人工干涉和任何其它预置的网络设施。节点可以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在的单点故障点，使得AdHoc网络可以实现快速自动组网，网络的健壮性和抗毁性很好；动态拓扑：AdHoc网络中，移动终端能够以较随意的速度和方式移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰等，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑可能随时发送变化，而且变化的方式和趋势都难以预测；有限的无线传输带宽：AdHoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间的干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽；移动终端的自主性和局限性：AdHoc网络中的各个移动终端同时要充当主机和路由器两种角色，具有携带方便、轻便灵巧等好处。但是也存在固有的缺陷，例如能量有限、内存较小、CPU性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一些难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务；存在单向的无线信道：AdHoc网络采用无线信道通信，由于各个无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响，一对节点之间可能产生单向信道，使得AdHoc的无线接入时及QoS参数设计时存在着隐藏终端和暴露终端的问题；安全性较差：AdHoc网络是一种特殊的无线移动网，由于采用无线信道无中心、分布式控制和临时组织等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”、伪造等网络攻击。信道的加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑；网络的可扩展性不强：采用全向天线的非协作网络中，各节点间的相互干扰造成网络容量下降，各节点吞吐量随网络节点总数而下降，AdHoc网络中各种协议，如路由的获取、业务定位、加密密钥的交换等，都使得网络的扩展性受到限制。AdHoc网络的研究热点由于AdHoc网络的特殊性，传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用，需要为AdHoc网设计专门的协议和技术。AdHoc网络设计的技术很多，但主要体现在以下几个方面：链路层自适应技术：由于能量的限制，自适应网络的链路层设计面临许多新的挑战。由于多径衰落引起的幅度与相位的扰动、延迟扩展引起的码间串扰、来自其他节点信号的干扰等因素，使得无线信道的单位带宽容量相对较小。AdHoc网络链路层设计的目标是在相对小的能量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。链路自适应技术主要包括自适应编码、自适应调制、自适应功率控制、自适应资源分配、自适应链路调整等技术；信道接入技术：信道接入是AdHoc网络协议的基础，控制着节点如何接入无线信道，对AdHoc网络的性能起着决定的作用。AdHoc的无线信道不是普通网络的共享广播信道、点对点的无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道，它是多跳共享的多点信道。一个节点发送信息时，邻居节点（也只有邻居节点）可以收到。此外，AdHoc有独特的暴露终端和隐藏终端问题，需要专门设计的信道接入技术才能解决；路由协议：路由协议是AdHoc网络的重要组成部分，要实现多跳路由，必须有路由协议的支持。IETF成立的MANET工作组目前主要负责AdHoc网络IP层路由的标准化工作；服务质量保证QoS：随着应用的拓展，需要在AdHoc中传输话音、图像等多媒体业务。多媒体业务对宽带、延时、时延抖动等都提出来很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。在AdHoc中服务质量保证是个系统性的问题，不同层次都要提供相应的机制。比如应用层要提供自适应信源编码和压缩技术，网络层要提供QoS路由，链路层要提供资源预留策略RSVP；广播和多播：由于AdHoc网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，他们需要链路层和网络层的支持。而且由于AdHoc网络是特殊的多跳共享的多点信道，对于多播问题将很难解决；网络管理：范围较广，包括AdHoc网络中的服务发现、移动性管理、地址管理、服务管理等。要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题；传输层服务：在AdHoc网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成报文冲突和丢失，这将严重影响TCP的性能。因此，在AdHoc网络中要对传输层业务进行修改（比如ＴＣＰ），以满足数据传输的需要；网络互联技术：在很多场合下，AdHoc网络要和其它网络互联。比如在军事应用中，采用AdHoc网络技术的战斗网要接入更高级的战场通信系统。由于AdHoc网络采用了不同的路由协议和传输服务，在网络互联时需要进行相应的转换工作；安全保密问题和移动敌手问题：随着移动自组网研究的进展和其潜在的应用前景，安全问题正逐渐成为人们关注的焦点。目前的研究主要集中在认证机制和密钥管理机制方面。认证是安全的一个核心问题，是实现其它安全服务的先决条件。移动敌手作为移动自组网提供安全认证服务的重要威胁，在研究上处于重要地位。１.２移动自组网中的路由协议AdHoc网络中由于节点的移动性导致拓扑结构动态、随机且较快速地变化，传统的路由在拓扑结构变化时，会花费很大的代价重选路由，而且协议将始终处于不收敛状态，占用大量的网络资源，致使信息的传输无法实现，因此有线网络中已有的路由协议不能直接应用到移动自组网中来，而需要为移动自组网设计符合其特点的路由协议。１.２.１概述AdHoc网络上一种多跳无线网络，网络中的节点之间并不都存在直接的连接，当不相邻的节点之间有数据要传输时，数据的源节点必须按照一定的路径通过中转节点将数据发送给目的节点，那么在数据传输之前就要为数据的传输在源节点和目的节点之间寻找一条可用的路径，这个过程就是路由。从功能上讲，路由协议是通信网络中的一套将业务数据从源节点引到目的节点的机制，其主要设计目标是：满足应用需求的同时尽量降低网络开销，取得资源利用的整体有效性，扩大网络吞吐量。其中应用需求一般包括延时、延时抖动、丢包率等诸多因素。而网络容量可以看作一个函数，该函数与网络中每个节点的可以资源、网络中的节点数、节点密度、端到端通信的频率和拓扑变化的频繁程度等因素有关。设计AdHoc网络路由协议通常需要注意以下几点：AdHoc网络中由于节点所带有的收发装置的不同或周围环境对无线信道的影响，节点间的无线信道可能存在单向信道。在传统的网络路由协议中没有考虑这个问题或者必须以双向链路作为工作的前提，由此获得的路由信息不一定能准确反映自组网的拓扑结构；无线信道的广播特性使得常规路由在网络选路过程中产生许多冗余链路。由于自组网中的一个节点的传输范围通常能覆盖周围几个节点，有线环境下的常规路由协议会在各个节点之间转发数据时产生过多的冗余链路；路由协议在选路过程中，需要路由器频繁发送路由更新消息，而路由器之间是通过交换路由信息进行邻节点检测的，这将消耗大量的网络带宽，对有限的无线信道带宽带来更多的压力；常规路由协议周期性的路由更新报文会消耗节点大量的设备能源。自组网中的节点每次发送分组都会消耗设备的能源，接受分组相对发送分组消耗的能源要少，但是由于需要经常接收分组，使得节点设备很难进入“休眠”节能状态。此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得ＣＰＵ始终处于很高的负载下，这也消耗了大量的能源，并将对有限的节点能源带来更多的压力，减少节点的寿命。AdHoc网络的路由协议主要包括路径产生、路径选择、和路由维护三项核心功能。其中路径产生是指根据集中式或分布式的网络状态信息和用户业务需求生成路径，网络状态信息和用户业务状态信息的收集与分发是该过程的主要内容；路径选择是指根据网络状态信息和用户业务状态信息选择最适当的路径，在AdHoc网络中，路径产生和路径维护通常合在一起称为路由发现；路由维护是指对所选路由进行维护。综合上述分析，AdHoc网络的设计需要综合考虑用户业务需求、网络能力、网络的特点和运行环境、路由协议基本功能等诸多因素，因此一个好的路由协议对AdHoc网络来说是至关重要的。１.２.２AdHoc网络路由协议的分类目前，AdHoc网络工作组已提出了许多协议草案，如DSR、AODV、DSDV、TORA等。这些路由协议可以从不同的角度进行分类。常见的几种分类方式为：根据发现路由的驱动方式分类。按照路由发现策略的角度，可分为表驱动路由协议和按需驱动路由协议两种。表驱动路由协议采用周期性的路由分组广播来交换路由信息。按需驱动路由协议是根据发送数据分组的需要按需进行路由发现，简历传输路径，从而实现信息传送。表驱动路由协议（TableDrivenProtocols），又被称为主动式（或先验式）路由协议，是一种基于表格的路由协议。网络中的主机通过周期性地交互路由信息、得到所有其它主机的路由，而不管需不需要该路由。进行通信节点必须维护去往全网所有节点的路由，每个节点维护一张或多张路由表，这些路由表包含到达网络中所有节点的路由信息。当坚持到网络拓扑结构发送变化时，节点在网络中发送更新消息。收到更新消息的节点更新自己的表格，以维护一致、及时、准确的路由信息。表驱动路由协议不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表，所有路由表可以准确反映网络的拓扑结构。源节点一旦要发送报文，可以立即取得到达目的节点的路由。表驱动路由的优点是当节点需要发送数据报文组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时就很小，但是它需要花费较大的开销来尽可能使得路由更新能够紧随当前网络拓扑结构的变化；但当快速动态变化的拓扑结构快速变化时，会导致路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。典型的先验式路由协议有ＤＳＤＶ、OLSR、等按需驱动路由协议，又称为反应式路由，是一种当需要时才查找路由的路由选择方式。节点并不保存及时准确的路由信息。当源节点向目的节点发送报文时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文，为了提高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用。它的优点是不需要周期性地广播路由信息，节省了一定的网络资源；缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由