【文章內容簡介】 Ad hoc網絡形成與發(fā)展 目前主流學術界認為，無需 基礎設施的網絡 通信 技術 【 7】 最早 出現在 上世紀 70 年代 初 ， 在 開發(fā)完成 報文交換技術 之后不久 ， 美國政府出資使得相關機構投入到了一項新的 研究 當中 —— 分組無線網絡 【 3】 ， 也就是將 報文交換技術 應用在沒有 預先建設好的基礎設施的環(huán)境 之中 。 現在可以認為 進行這個項目 的 目的 主要 就是滿足戰(zhàn)場 上的 通信的 需求。在 現代戰(zhàn)場中 ， 無法 像平時那樣 依靠預先建設好的網絡通信設施進行通信，首先 ， 戰(zhàn)場上預先鋪設的網絡通信 設施 幾乎不 會 存在， 其次 ， 即使有 也會隨時 受到 毀滅性 的 破壞 【 3】 。 所以 ，能 自組織 、 無 中心 是這種網絡 技術 和 其他 一般性的通信網絡技術 的 重要區(qū)別 之一 。 在這種 網絡中 ，每個 結點 都保持 動態(tài)且 可以任意 分布 【 2】 ， 結點之間的 通信 通過無線的方法來實現 。 分組無線網絡的研究 項目事實上 也就是開啟了 移動自組網（ Mobile Ad Hoc Network，簡稱 MANET 或 Ad Hoc 網絡 ） 【 5】 的 研發(fā) 。 此外 ，美國政府還 在這個時期開始了其他一些相關 項目 的研究 。 然而 ， 此類 研究 項目在當時是嚴格保密的 ， 所以 從 上世紀 70 年代 一直 到 90 年代 初這段時間里 ，很難 通過當時 公開的 學術資料 中得到 真正 有用 的 相關信息 。 美國政府 在 1993 年啟動高殘存性自適應網絡項目 的研究 。 開始這個項目的 目的是研究如何將 分組無線網 的 實際 成果加以擴展，以 便 支持 規(guī)模 更大的網 絡 【 5】 。 此后美國又開展了一些其他項目， 在 現有 的 研究 成果 上 開始全面開發(fā) 能夠滿足 現代化戰(zhàn)場 需要的網絡通信 系統(tǒng)， 這類 研發(fā) 一直持續(xù)至今。 因為 自組網 的各種特性與優(yōu)勢，使它 可以地應用于 現代化戰(zhàn)場、 緊急情況應對與 搶險救災、傳感器網絡、 家庭網絡、個人網絡 等眾多領域， 具有很高的應用潛力 。 到 目前 為止 ，無線自組織 網絡 技術的發(fā)展 還沒有達到實際應用 這一步 ， 主要 的 研發(fā) 仍處在仿真和實驗階段 【 10】 。 Ad hoc 網絡 概念及特點 Ad hoc 網絡概念 Ad hoc 網絡中，如果 兩個移動 結點 在各自的通信 能力 范圍 之 內 ，那么這兩個結點就能夠 實現直接通信 【 6】 。不過因為 移動結點的通信覆蓋范圍有限制 ，如果兩個 互相超出通信覆蓋范圍的結點仍需要進行 數據傳輸 ，則需要依靠 這兩個結點 之間的 其他 結點進行 轉發(fā) 來完成 通信。所以 在 無線自組織 網絡中， 每個結點作為 主機的同時也 是 一個路由器，承擔著 路由器所應該進行的 工作。 與此同時， 無線自組織 網絡 也 可以 被當成 是 計算機網絡 和 無線 通信 技術 【 4】 的交叉計算機信息工程學院畢業(yè)設計說明書 6 融合下的新型技術產物 。 網絡中的移動結點 一般是 筆記本電腦 、 手機、 pad 等移動終端設備 ， 無線自組織 網絡不同于 普通 的移動 IP 網絡 ： 在移動 IP 網絡中， 主機 需要通過預先架設好的網絡通信 設施 才能 完成與保持 通信 正常進行 ， 而 基站和基站 之間 采用的均為 有線網絡， 整個 IP 網絡中使用的路由協(xié)議與 一般 的 互聯 網 相同 【 4】 。而 Ad hoc 網絡 不需要 這些設施的支持。 此外， 與移動 IP網絡不同， 無線自組 網絡中 結點 的 隨機 移動 可能 會導致 整個網絡 的 拓撲結構 發(fā)生徹底的 改變。 Ad hoc 網絡特點 由于組建方式與工作模式和傳統(tǒng)的網 絡有很大的差別，所以無線自組織網絡具有很多 該網絡技術 獨有的特點 ： 自組織 與 獨立性 ： 和一般的通信網絡相比 ， 無線自組織 網絡 最 顯著的特征 就是 不需要 預先建設 的 網絡通信設備 的支持， 也能夠 隨時隨地、迅速組織起 一個 可 移動 的 通信網絡。 無線自組織網絡 的建立 完全 不依賴于已 預先建設好的 通信 設備 ， 所以說 具有一定的獨立性。 Ad hoc 網絡具備的這種特點決定了它 很適合 偏遠地區(qū)、搶險救災 通信等 領域的 應用 【 12】 。 無中心特性：在 Ad hoc 網絡中并沒有任何 結點或者說主機來作為中心去 控制 其他結點， 網絡中的 所有結點 都是 通過分布式 的 協(xié)議 來 實現 相互連接 【 3】 。一旦 Ad hoc 網絡中某個或部分結點出現問題不能進行通信 ， 依舊 能確保其余的移動結點 繼續(xù) 正常工作。 結點能源限制：由于組成 Ad hoc 網絡的結點大都是一些移動設備，如筆記本電腦、手機、 pad 等?？紤]到結點 不可能始終處于靜止狀態(tài)而是不斷移動的 ， 而 結點的能源就主要來自于電池 一類的設備 ，所以無線自組織網絡具備能源有限的特點。 無線通信帶寬 限制 ： 由于 Ad hoc網絡 并不依靠 有線基礎設施 進行通信， 所以 ，結點 間的 數據傳輸 全部 通過無線 的形式 來 實現 【 13】 ， 因為 無線 通信 信道 自身 的 物理 條件限制 ， 這種信道 能夠 提供 的網絡帶寬 與 有線 通信 信道 相比肯定 低得多。 生存周期短 ： 無線自組織 網絡 一般 被 研究應 用于臨時 或緊急的通信場合 ，與 配備有 完善的 基礎設施的 有線網絡 相比， Ad hoc 網絡的生存 周期總體 來說都比 較短。 易受攻擊性 ： 一般而言，移動網絡都會比固定網絡更易受到物理安全攻擊， 同樣的 ， Ad hoc 網絡也存在 易于遭受竊聽 和 拒絕服務 等 等 攻擊 的問題 【 5】 。 為了解決這個問題， 目前已有不斷 開發(fā)出的 新型 安全技術 被 廣泛 應用于 無線自組織 網絡 的 通信 中，以此來來減少對網絡安全的威脅 【 5】 ， 不過 ，與此同時 無線自組織網絡 隨機 分布的 特性 讓這種網絡技術 相對 于集中式的 傳統(tǒng) 網絡 來說 也算是 擁有了相當的 抗毀性。 Ad hoc 網絡路由協(xié)議以及分類 在 無線自組織 網絡中，結點 的隨機 移動 會 導致網絡拓撲結構 的變化甚至是徹底更新 。如何 為網絡中的數據傳送 迅速準確地 發(fā)現 到達目的 地 的 路徑 ，是 無線自組織 網絡計算機信息工程學院畢業(yè)設計說明書 7 的 研究與應用化里十分關鍵的一個 問題。 通過上面章節(jié)的介紹我們了解到， 無線自組織 網絡 是一個多跳的網絡， 移動結點一方面 承擔 主機 的工作 ，另一方面 承擔 路由器 的職責 ， 比如進行 分組轉發(fā)和路由維護等工作 。 所以說，在采取路由策略方面 Ad hoc 網絡與 一般的移動通信 網絡 有明顯的不同，為了 解決此 類的問題 需要 開發(fā)與 采用相應的適用于無線自組織網的路由協(xié)議。 在無線自組織網絡中，路由協(xié)議可以分成以下兩大類： 先驗式（ Proactive Routing Protocl）路由協(xié)議 【 1】 ：這一類路由協(xié)議也被稱為基于路由表驅動（ Table Driven）的路由協(xié)議 。 路由 表在每次路 由信息有改變時都 會被更新， 并且 利用已存儲在 每個結點的路由表 中的信息 來判斷和決定新的路徑 。 網絡中的每個無線結點間隔固定的一段時間就會發(fā)送相關的路由信息 ， 每個無線結點會 根據受到的路由 信息 來修改存儲在本結點的路由表 。當 無線自組織網中的 拓撲 結構 發(fā)生改變使得原本的可用路徑失效 ，或 者建立了新的傳輸路徑 ， 網絡的結點都會收 到 關于路由改變的 信息 ，這種更新 是不間斷的，就能使得網絡中所有的結點都能找到可用的路徑來進行通信 。 采用先驗式路由協(xié)議，源結點在傳送數據 包 時已經得知到達目的結點 的 完整 路徑，從而不會有延遲存在 。采用這類 協(xié)議 的缺點是網絡中的結點必須去不停斷 地廣播 路由信息， 這樣就非常 浪費無線網絡的頻寬與無線結點的 能源，同時容易造成廣播風暴、信息泛洪等。如果增加廣播之間的間隔時間，以此來減少對頻寬和結點能源的浪費，那又會導致結點存儲的路由表無法即時回饋網絡的拓撲 結構的變化， 目的序列距離矢量路由協(xié)議 DestinationSequenced DistanceVector Protocol（ DSDV） 就屬于這一類 路由協(xié)議 。 反應式（ Reactive Routing Protocol）路由 協(xié)議 【 1】 ：這一類路由協(xié)議也被稱為按需驅動（ OnDemand Driven）的路由協(xié)議， 因為它只有在有需要時才會主動發(fā)現路徑，而不是被動或持續(xù)不斷地持續(xù)著， 包括了路由發(fā)現和路由維護兩個過程。 采用這種協(xié)議時 ，無線結點只有在需要傳送 數據包 卻 發(fā)現不了到達目的結點 的 可用 路徑時，才會開始 協(xié)議 的 運作。當一個無線結點想要傳送數據給另外一個無線結點時，來源端結點會去調用一個路徑發(fā)現程序（ Routediscovery Process） 【 1】 ，并將此路徑保存在 結點的 緩存器中，直到過期或是發(fā)生路徑無效等狀況。 和 先驗式路由協(xié)議 比較起來 ，反應式路由協(xié)議在每個結點 所 需要的數據量 都比 較小 【 2】 ，且不需要保存 整個網絡環(huán)境的路由信息，因此 反應式協(xié)議的主要優(yōu)點 就是 占用頻寬較少，但其缺點是未必每一個無線結點都要發(fā)送數據 包，所以平均端到端延時會較長。 動態(tài)源路由協(xié)議 Dynamic Source Routing（ DSR）和 按需距離矢量路由協(xié)議 Ad hoc OnDemand Distance Vector Routing（ AODV）等就屬于這一類 路由協(xié)議 。 DSDV 路由協(xié)議 計算機信息工程學院畢業(yè)設計說明書 8 目的序列距離矢量路由協(xié)議（ DSDV） 是傳統(tǒng)的距離向量算法的改進版本 【 6】 。在 DSDV中， 每個移動結 點都需要維護 （存儲并持續(xù)更新） 一個路由表， 路由表 會將目的結 點地址 、跳數 、下一跳結點 和目的地序號 等等 存儲在表項之中 ， 目的地序號 也被稱為循序號碼，每筆通信記錄都包含著目的地序號， 記錄目的地序號 主要 是用來 判別 當前的路徑是否 已過期 ，以此來 避免 路由環(huán)路情況 的發(fā)生。 網絡中 結 點 會 不斷 地 與 相鄰結 點交換 路由表等 信息， 當路由表發(fā)生改變，例如當 網絡拓撲結構有很大的變化時 ，相應的路由信息也會被廣播并更新 。 所以路由表的更新具備由事件引發(fā)和由時間引發(fā)兩種特性。 DSDV 提供兩種主動式的無線環(huán)境更新信息策略：如果網絡拓撲變化較快， 就將完整的路徑表信息傳送給鄰居，稱為 全部更新（ Full dump） ； 還有一個 方式 被稱為 部分更新（ Incremental update），更新消息只是從上次交換至今所更改的部分信息發(fā)送出去 ， 所以 通常 被應 用于網絡 拓撲結構 變化 不明顯 的情況。在 DSDV 路由協(xié)議 中，結點在收到 目的結點的序列號后會與路由表中 已有 的序列號進行比較，然后選擇 序列號最高的路由， 更新該節(jié)點的路由表。 如果兩個 目的結點序列號相同 ，那么將 比較其他特性來 選擇最優(yōu)的路由（ 比 如 系統(tǒng) 開銷最少 等 ） 【 6】 。 DSR 路由協(xié)議 動態(tài)源路由協(xié)議 （ DSR）， 設計時 利用源路由的 思想 【 8】 ， 網絡中 的 每個結點都會維護一個路徑緩存器來記錄它所存儲的源路由 【 1】 ，當該節(jié)點發(fā)現新 的 路由時就會更新自己的路徑緩存 ， 因此 是一種基于源路由的按需路由協(xié)議。 因為 DSR 中的結點只在需要尋找路徑時 ， 才會 嘗試 去動態(tài)尋找路徑，所以大大減 少了協(xié)議開銷以及路由發(fā)現的耗費。 DSR 路由協(xié)議包含兩個主要部分 ：路由發(fā)現和路由維護。 網絡中某個結點想要傳送數據包給另外一個結點時，首先會檢查自己的路徑緩存中是否有能夠達到目的結點的可用路徑。如果發(fā)現 路徑 存在且 沒有過期，那么就 直接 采用這條 路徑。如果未發(fā)現，則向其他結點廣播該路由請求。這個路由請求包含了源結點和目的結點地址的唯一標識符，收到廣播的結點將這些信息對照自己的路徑緩存，如果有就把路徑回饋給源結點，如果沒有就記錄該目的地地址然后繼續(xù)向其他結點轉發(fā)此路由請求，這就是路由發(fā)現的過程。由于每一個跳躍（ Hop）都會被路徑記錄所存儲，所以在完成 路由發(fā)現這個過程之后 ， 目的結點 可能會 發(fā)現 很多 條從源結點到達目的結點的路徑， 目的結點會根據其他特性選擇最佳路徑，并將此信息發(fā)送回源結點。在 DSR 協(xié)議 中，由于 是 采用洪泛方式 進行 廣播路由請求 【 3】 ， 所以相鄰結 點 之 間的 進行請求 路由消息 時 可能會遇到重復廣播和傳播沖突 等等 問題。 AODV 路由協(xié)議 計算機信息工程學院畢業(yè)設計說明書 9 按需距離矢量路由協(xié)議（ AODV） 是 DSDV 路由協(xié)議和 DSR 路由協(xié)議 的 結合與 改進 【 9】 ，既有 DSDV 中的周期廣播、序列號、逐跳路由等，又有 DSR 按需進行路由維護和路由發(fā)現的功能 。 路由 發(fā)現過程與 DSR 中的發(fā)現過程基本相同，源結點為了向目的結點發(fā)送數據包，將首先檢查自己的路由表中是否有可用路徑。如沒有，則向鄰居結點廣播路由請求。鄰居結 點 收到請求后會檢查路由請求中的目的地址是否是自己，如果不是則修改路由表信息，然后繼續(xù)向周圍結點廣播該請求，直到出現一個結點發(fā)現目的結點地址已存儲在自己的路由表中或者目的結點就是自己本身 。 在 AODV 協(xié)議中， 路由請求分組中的序列號 被用來防止循環(huán)路由的發(fā)生，此外， 每一個請求都會被分配有一個 ID，這是用來 避免重復 的請求分組 信息擁堵在網絡 當 中 。當一個結 點 收到路由請求分 組時，它首先會判斷之前是否收到過， 若是之前 收到過就將其拋棄。在轉發(fā)路由請求分組時，該結點會將上一次請求的 ID 存儲在 路由表 中，依靠這些信息構建一條由目的結點到達源結點的反向路由。在 AODV 中，當源結點 移動時就會重新啟動路由發(fā)現過程， 如果中間 結 點移動， 該結點的鄰居結點就會發(fā)現與其相關的路徑失效 ，然后將相關失效信息向路徑中的上游節(jié)點反饋直至源結點收到該信息，源結點將據此判斷是否要再一次發(fā)起路由發(fā)現過程。 本章小結 本章主要是對 Ad hoc 網絡的概述介紹。首先介紹了 Ad hoc 網絡的形成與發(fā)展 。知道了 Ad hoc 網絡是上世紀 70 年代由美國開始研究以應對軍事需要的產物。隨著現代科技的發(fā)展，由于 Ad hoc 網絡的優(yōu)點， 相關的研究 越來越受到人們的重視，而關于Ad hoc 網絡的研發(fā)目前主要處在仿真和實驗的階段。 本章 然后介紹了 Ad hoc 網絡的概念與特點。 Ad hoc 網 絡是對等式的 不需要預先架設好通信設備 的通信網絡，采用分組交換機制，每個結點既 是主機也是路由器，具備 結點移動 性 、無中心、自組織、獨立組網等等特點。 本章還重點介紹了 Ad hoc 網絡的路由協(xié)議。首先介紹了 Ad hoc 網絡路由協(xié)議的分類， 可以分成兩大類：先驗式 和反應式。先驗式網絡協(xié)議也稱 為表驅動協(xié)議，每個移動 結點 會周期性發(fā)送一些路由