【文章內(nèi)容簡介】 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)形成與發(fā)展 目前主流學(xué)術(shù)界認為，無需 基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò) 通信 技術(shù) 【 7】 最早 出現(xiàn)在 上世紀 70 年代 初 ， 在 開發(fā)完成 報文交換技術(shù) 之后不久 ， 美國政府出資使得相關(guān)機構(gòu)投入到了一項新的 研究 當中 —— 分組無線網(wǎng)絡(luò) 【 3】 ， 也就是將 報文交換技術(shù) 應(yīng)用在沒有 預(yù)先建設(shè)好的基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境 之中 。 現(xiàn)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(xiàn)代戰(zhàn)場中 ， 無法 像平時那樣 依靠預(yù)先建設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施進行通信，首先 ， 戰(zhàn)場上預(yù)先鋪設(shè)的網(wǎng)絡(luò)通信 設(shè)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(wǎng)絡(luò) 技術(shù) 和 其他 一般性的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的 重要區(qū)別 之一 。 在這種 網(wǎng)絡(luò)中 ，每個 結(jié)點 都保持 動態(tài)且 可以任意 分布 【 2】 ， 結(jié)點之間的 通信 通過無線的方法來實現(xiàn) 。 分組無線網(wǎng)絡(luò)的研究 項目事實上 也就是開啟了 移動自組網(wǎng)（ Mobile Ad Hoc Network，簡稱 MANET 或 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò) ） 【 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(guān) 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(xué)術(shù)資料 中得到 真正 有用 的 相關(guān)信息 。 美國政府 在 1993 年啟動高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng) 的 實際 成果加以擴展，以 便 支持 規(guī)模 更大的網(wǎng) 絡(luò) 【 5】 。 此后美國又開展了一些其他項目， 在 現(xiàn)有 的 研究 成果 上 開始全面開發(fā) 能夠滿足 現(xiàn)代化戰(zhàn)場 需要的網(wǎng)絡(luò)通信 系統(tǒng)， 這類 研發(fā) 一直持續(xù)至今。 因為 自組網(wǎng) 的各種特性與優(yōu)勢，使它 可以地應(yīng)用于 現(xiàn)代化戰(zhàn)場、 緊急情況應(yīng)對與 搶險救災(zāi)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、 家庭網(wǎng)絡(luò)、個人網(wǎng)絡(luò) 等眾多領(lǐng)域， 具有很高的應(yīng)用潛力 。 到 目前 為止 ，無線自組織 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)的發(fā)展 還沒有達到實際應(yīng)用 這一步 ， 主要 的 研發(fā) 仍處在仿真和實驗階段 【 10】 。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò) 概念及特點 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)概念 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中，如果 兩個移動 結(jié)點 在各自的通信 能力 范圍 之 內(nèi) ，那么這兩個結(jié)點就能夠 實現(xiàn)直接通信 【 6】 。不過因為 移動結(jié)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(jié)點仍需要進行 數(shù)據(jù)傳輸 ，則需要依靠 這兩個結(jié)點 之間的 其他 結(jié)點進行 轉(zhuǎn)發(fā) 來完成 通信。所以 在 無線自組織 網(wǎng)絡(luò)中， 每個結(jié)點作為 主機的同時也 是 一個路由器，承擔著 路由器所應(yīng)該進行的 工作。 與此同時， 無線自組織 網(wǎng)絡(luò) 也 可以 被當成 是 計算機網(wǎng)絡(luò) 和 無線 通信 技術(shù) 【 4】 的交叉計算機信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 6 融合下的新型技術(shù)產(chǎn)物 。 網(wǎng)絡(luò)中的移動結(jié)點 一般是 筆記本電腦 、 手機、 pad 等移動終端設(shè)備 ， 無線自組織 網(wǎng)絡(luò)不同于 普通 的移動 IP 網(wǎng)絡(luò) ： 在移動 IP 網(wǎng)絡(luò)中， 主機 需要通過預(yù)先架設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)通信 設(shè)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(wǎng)絡(luò)， 整個 IP 網(wǎng)絡(luò)中使用的路由協(xié)議與 一般 的 互聯(lián) 網(wǎng) 相同 【 4】 。而 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò) 不需要 這些設(shè)施的支持。 此外， 與移動 IP網(wǎng)絡(luò)不同， 無線自組 網(wǎng)絡(luò)中 結(jié)點 的 隨機 移動 可能 會導(dǎo)致 整個網(wǎng)絡(luò) 的 拓撲結(jié)構(gòu) 發(fā)生徹底的 改變。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)特點 由于組建方式與工作模式和傳統(tǒng)的網(wǎng) 絡(luò)有很大的差別，所以無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有很多 該網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 獨有的特點 ： 自組織 與 獨立性 ： 和一般的通信網(wǎng)絡(luò)相比 ， 無線自組織 網(wǎng)絡(luò) 最 顯著的特征 就是 不需要 預(yù)先建設(shè) 的 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)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(wǎng)絡(luò)。 無線自組織網(wǎng)絡(luò) 的建立 完全 不依賴于已 預(yù)先建設(shè)好的 通信 設(shè)備 ， 所以說 具有一定的獨立性。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)具備的這種特點決定了它 很適合 偏遠地區(qū)、搶險救災(zāi) 通信等 領(lǐng)域的 應(yīng)用 【 12】 。 無中心特性：在 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中并沒有任何 結(jié)點或者說主機來作為中心去 控制 其他結(jié)點， 網(wǎng)絡(luò)中的 所有結(jié)點 都是 通過分布式 的 協(xié)議 來 實現(xiàn) 相互連接 【 3】 。一旦 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中某個或部分結(jié)點出現(xiàn)問題不能進行通信 ， 依舊 能確保其余的移動結(jié)點 繼續(xù) 正常工作。 結(jié)點能源限制：由于組成 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點大都是一些移動設(shè)備，如筆記本電腦、手機、 pad 等。考慮到結(jié)點 不可能始終處于靜止狀態(tài)而是不斷移動的 ， 而 結(jié)點的能源就主要來自于電池 一類的設(shè)備 ，所以無線自組織網(wǎng)絡(luò)具備能源有限的特點。 無線通信帶寬 限制 ： 由于 Ad hoc網(wǎng)絡(luò) 并不依靠 有線基礎(chǔ)設(shè)施 進行通信， 所以 ，結(jié)點 間的 數(shù)據(jù)傳輸 全部 通過無線 的形式 來 實現(xiàn) 【 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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò) 一般 被 研究應(yīng) 用于臨時 或緊急的通信場合 ，與 配備有 完善的 基礎(chǔ)設(shè)施的 有線網(wǎng)絡(luò) 相比， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)都會比固定網(wǎng)絡(luò)更易受到物理安全攻擊， 同樣的 ， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)也存在 易于遭受竊聽 和 拒絕服務(wù) 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(shù) 被 廣泛 應(yīng)用于 無線自組織 網(wǎng)絡(luò) 的 通信 中，以此來來減少對網(wǎng)絡(luò)安全的威脅 【 5】 ， 不過 ，與此同時 無線自組織網(wǎng)絡(luò) 隨機 分布的 特性 讓這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 相對 于集中式的 傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò) 來說 也算是 擁有了相當?shù)?抗毀性。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以及分類 在 無線自組織 網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點 的隨機 移動 會 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 的變化甚至是徹底更新 。如何 為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳送 迅速準確地 發(fā)現(xiàn) 到達目的 地 的 路徑 ，是 無線自組織 網(wǎng)絡(luò)計算機信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 的 研究與應(yīng)用化里十分關(guān)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(wǎng)絡(luò) 是一個多跳的網(wǎng)絡(luò)， 移動結(jié)點一方面 承擔 主機 的工作 ，另一方面 承擔 路由器 的職責(zé) ， 比如進行 分組轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)與 一般的移動通信 網(wǎng)絡(luò) 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(yīng)的適用于無線自組織網(wǎng)的路由協(xié)議。 在無線自組織網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(jié)點的路由表 中的信息 來判斷和決定新的路徑 。 網(wǎng)絡(luò)中的每個無線結(jié)點間隔固定的一段時間就會發(fā)送相關(guān)的路由信息 ， 每個無線結(jié)點會 根據(jù)受到的路由 信息 來修改存儲在本結(jié)點的路由表 。當 無線自組織網(wǎng)中的 拓撲 結(jié)構(gòu) 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(wǎng)絡(luò)的結(jié)點都會收 到 關(guān)于路由改變的 信息 ，這種更新 是不間斷的，就能使得網(wǎng)絡(luò)中所有的結(jié)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(jié)點在傳送數(shù)據(jù) 包 時已經(jīng)得知到達目的結(jié)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(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點必須去不停斷 地廣播 路由信息， 這樣就非常 浪費無線網(wǎng)絡(luò)的頻寬與無線結(jié)點的 能源，同時容易造成廣播風(fēng)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(jié)點能源的浪費，那又會導(dǎo)致結(jié)點存儲的路由表無法即時回饋網(wǎng)絡(luò)的拓撲 結(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)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(xiàn)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(xiàn)和路由維護兩個過程。 采用這種協(xié)議時 ，無線結(jié)點只有在需要傳送 數(shù)據(jù)包 卻 發(fā)現(xiàn)不了到達目的結(jié)點 的 可用 路徑時，才會開始 協(xié)議 的 運作。當一個無線結(jié)點想要傳送數(shù)據(jù)給另外一個無線結(jié)點時，來源端結(jié)點會去調(diào)用一個路徑發(fā)現(xiàn)程序（ Routediscovery Process） 【 1】 ，并將此路徑保存在 結(jié)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(yīng)式路由協(xié)議在每個結(jié)點 所 需要的數(shù)據(jù)量 都比 較小 【 2】 ，且不需要保存 整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由信息，因此 反應(yīng)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(jié)點都要發(fā)送數(shù)據(jù) 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(xué)院畢業(yè)設(shè)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(jié) 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(jié) 點地址 、跳數(shù) 、下一跳結(jié)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(wǎng)絡(luò)中 結(jié) 點 會 不斷 地 與 相鄰結(jié) 點交換 路由表等 信息， 當路由表發(fā)生改變，例如當 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有很大的變化時 ，相應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(yīng) 用于網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu) 變化 不明顯 的情況。在 DSDV 路由協(xié)議 中，結(jié)點在收到 目的結(jié)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(jié)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(shè)計時 利用源路由的 思想 【 8】 ， 網(wǎng)絡(luò)中 的 每個結(jié)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)的耗費。 DSR 路由協(xié)議包含兩個主要部分 ：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。 網(wǎng)絡(luò)中某個結(jié)點想要傳送數(shù)據(jù)包給另外一個結(jié)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(jié)點的可用路徑。如果發(fā)現(xiàn) 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(xiàn)，則向其他結(jié)點廣播該路由請求。這個路由請求包含了源結(jié)點和目的結(jié)點地址的唯一標識符，收到廣播的結(jié)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(jié)點，如果沒有就記錄該目的地地址然后繼續(xù)向其他結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)此路由請求，這就是路由發(fā)現(xiàn)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(xiàn)這個過程之后 ， 目的結(jié)點 可能會 發(fā)現(xiàn) 很多 條從源結(jié)點到達目的結(jié)點的路徑， 目的結(jié)點會根據(jù)其他特性選擇最佳路徑，并將此信息發(fā)送回源結(jié)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(jié) 點 之 間的 進行請求 路由消息 時 可能會遇到重復(fù)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(xué)院畢業(yè)設(shè)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(jié)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(xiàn)的功能 。 路由 發(fā)現(xiàn)過程與 DSR 中的發(fā)現(xiàn)過程基本相同，源結(jié)點為了向目的結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)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(jié)點廣播路由請求。鄰居結(jié) 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(jié)點廣播該請求，直到出現(xiàn)一個結(jié)點發(fā)現(xiàn)目的結(jié)點地址已存儲在自己的路由表中或者目的結(jié)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(fù) 的請求分組 信息擁堵在網(wǎng)絡(luò) 當 中 。當一個結(jié) 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(zhuǎn)發(fā)路由請求分組時，該結(jié)點會將上一次請求的 ID 存儲在 路由表 中，依靠這些信息構(gòu)建一條由目的結(jié)點到達源結(jié)點的反向路由。在 AODV 中，當源結(jié)點 移動時就會重新啟動路由發(fā)現(xiàn)過程， 如果中間 結(jié) 點移動， 該結(jié)點的鄰居結(jié)點就會發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)的路徑失效 ，然后將相關(guān)失效信息向路徑中的上游節(jié)點反饋直至源結(jié)點收到該信息，源結(jié)點將據(jù)此判斷是否要再一次發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。 本章小結(jié) 本章主要是對 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的概述介紹。首先介紹了 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展 。知道了 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是上世紀 70 年代由美國開始研究以應(yīng)對軍事需要的產(chǎn)物。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，由于 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點， 相關(guān)的研究 越來越受到人們的重視，而關(guān)于Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的概念與特點。 Ad hoc 網(wǎng) 絡(luò)是對等式的 不需要預(yù)先架設(shè)好通信設(shè)備 的通信網(wǎng)絡(luò)，采用分組交換機制，每個結(jié)點既 是主機也是路由器，具備 結(jié)點移動 性 、無中心、自組織、獨立組網(wǎng)等等特點。 本章還重點介紹了 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。首先介紹了 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類， 可以分成兩大類：先驗式 和反應(yīng)式。先驗式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也稱 為表驅(qū)動協(xié)議，每個移動 結(jié)點 會周期性發(fā)送一些路由