【文章內(nèi)容簡介】 問題 由于 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一就是安全性較差，易受竊聽和攻擊，因此需要研究適用于 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的安全體系結(jié)構(gòu)和安全技術(shù)。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 網(wǎng)絡(luò)管理 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)管理涉及面較廣，包括移動(dòng)性管理、地址管理和服務(wù)管理等，需要相應(yīng)的機(jī)制來解決節(jié)點(diǎn)定位和地址自動(dòng)配置等問題 。 節(jié)能控制 可以采用自動(dòng)功率控制機(jī)制來調(diào)整移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功率，以便在傳輸范圍和干擾之間進(jìn)行折衷；還可以通過智能休眠機(jī)制，采用功率意識(shí)路由和使用功耗很小的硬件來減少節(jié)點(diǎn) 的能量消耗 [4]。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。與普通的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)相比，它具有以下特點(diǎn) [4]： 無中心 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心。所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，即是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)。任何結(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。 自組織 網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)或展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。結(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，結(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。 多跳路由 當(dāng)結(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間結(jié)點(diǎn)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。與固定網(wǎng)絡(luò)的多跳不同， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)完成的，而不是由專用的路由設(shè)備（如路由器）完成的。 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 動(dòng)態(tài)拓?fù)? Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，也可以隨時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。 這些特點(diǎn)使得 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)在體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組織、協(xié)議設(shè) 計(jì)等方面都與普通的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和固定通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域 由于 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的特殊性，它的應(yīng)用領(lǐng)域與普通的通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別。它適合被用于無法或不便預(yù)先鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合、需 要 快速自動(dòng)組網(wǎng)的場合等。針對 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的研究是因國事應(yīng)用而發(fā)起的。因此，軍事應(yīng)用仍是 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，但是民用方面， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)也有非常廣泛的應(yīng)用前景 [78]。 軍事應(yīng)用 軍事應(yīng)用是 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。因其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、 可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，它是數(shù)字人戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。美軍的近期數(shù)字電臺(tái)和無線互聯(lián)網(wǎng)控制器等主要通信裝備都使用了 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器網(wǎng)絡(luò)是 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。對于很多應(yīng)用場合來說傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)。而考慮到體積和節(jié)能等因素，傳感器的發(fā)射功率不可能很大。使用 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多跳通信是非常實(shí)用的解決方法。分散在各處的傳感器組成 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間和與控制中心之間的通信。 這在爆炸殘留物檢測等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 緊急和臨時(shí)場合 在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或遭受其他災(zāi)難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 等）可能被全部摧毀或無法正常工作，對于搶險(xiǎn)救災(zāi)來說，這時(shí)就需要 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施又能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。類似地，處于邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)時(shí)，同樣無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信。 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)立組網(wǎng)能力和自組織特點(diǎn)，是這些場合通信的最佳選擇。 個(gè)人通信 個(gè)人局域網(wǎng)是 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一應(yīng)用領(lǐng)域。不僅可用于實(shí)現(xiàn) PDA、手機(jī)、手提電腦等個(gè)人電子通信設(shè)備之間的通信，還可用于個(gè)人局域網(wǎng)之間的多跳通信。藍(lán)牙技術(shù)中的超網(wǎng)（ Scatter）就是一個(gè)典型的例子。 與移動(dòng)通信系統(tǒng)的結(jié)合 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)還可以與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合，利用移動(dòng)臺(tái)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴(kuò)大蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率等。 在實(shí)際應(yīng)用中， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)除了可以單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，它帶可以作為末端子網(wǎng)通過接入點(diǎn)接入其他 的固定或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，與 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)以外的主機(jī)進(jìn)行通信。因此， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)也可以作為各種通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入手段之一。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅要具備普通移動(dòng)終端的功能，還要具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力，即要具備路由器的功能。就完成的功能而言可以將結(jié)點(diǎn)分為主機(jī)、路由器和電臺(tái)。主機(jī)部分完成普通移動(dòng)終端的功能，包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件；路由器部分主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由 信息，完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)功能；電臺(tái)部分為信息傳輸提供無線信道支持。從物理結(jié)構(gòu) 上分，結(jié)構(gòu)可以被分為以下 4類：單主機(jī)單電臺(tái)、單主機(jī)多電臺(tái)、多主機(jī)單電臺(tái)和多主機(jī)多電臺(tái)。手持機(jī)一般采用的單主機(jī)單電臺(tái)的簡單結(jié)構(gòu)； 復(fù)雜的車載臺(tái)，一個(gè)結(jié)點(diǎn)可能包括通信車內(nèi)的青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 多個(gè)主機(jī)；多電臺(tái)不僅可以用來構(gòu)建疊加的網(wǎng)絡(luò)，還可用作網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)來互聯(lián)多 個(gè)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò) [68]。 2． 6． 2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)一般有兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu) （圖 ） [6][17]。 在平面結(jié)構(gòu)中，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所有又可以成為對等式結(jié)構(gòu)。 圖 Ad Hoc兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和 多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。在高一級網(wǎng)絡(luò)中，又可以分簇，再次形成更高一級的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級。在分級結(jié)構(gòu)中，簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。簇頭可以預(yù)先指定，也可以由結(jié)點(diǎn)使用算法自動(dòng)選舉產(chǎn)生。 分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網(wǎng)絡(luò)中，所有結(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn) (同時(shí)屬于兩個(gè)簇的結(jié)點(diǎn) )的支持。而在多頻率分組網(wǎng)絡(luò)中，不同級采用不同的通信頻率。低級結(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級結(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級的結(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級中，有多個(gè)頻率，用不 同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級的通信。在兩極網(wǎng)絡(luò)中，簇頭結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率 1 用于簇頭與簇成員的通信。而頻率 2 用于簇頭之間的通信。分級網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都可以成為簇頭，所以需要適當(dāng)?shù)拇仡^選舉算法，算法要能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓匦路执亍? 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單，網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差：每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有結(jié)點(diǎn)的路由。維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。在分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息 。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路 由 控制信息 的數(shù)量，因此具有很好的可擴(kuò)充性。由 于 簇頭結(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，分級結(jié)構(gòu)也具有很強(qiáng)的抗毀性。分級結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：維護(hù)分級結(jié)構(gòu)需要結(jié)點(diǎn)執(zhí)行簇頭選舉算法，簇頭結(jié)點(diǎn)可以成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸 [2][17]。 2． 6． 3 協(xié)議棧 根據(jù) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)特征，參照 OSI 的經(jīng)典 7 層協(xié)議棧模型和 TCP／ 1P 的體系結(jié)構(gòu)，可以將 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧劃分為五層，即應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層 (如圖 )[2][17]。 圖 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 Ad Hoc 路由協(xié)議 自從 1970 年美國 國防部高級研究規(guī)劃署 (DAR． PA)資助了一項(xiàng)特別的研究 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 分組無線網(wǎng)絡(luò) (Packet Radio Network)開始， Ad hoc 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的大量協(xié)議就在不斷的開發(fā)和發(fā)展之中．這些協(xié)議必須處理這些網(wǎng)絡(luò)的典型限制，這些限制包括大量的能量損耗，較低的帶寬和較高的誤碼率．由圖 [4]我們可以看到． Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以分為兩類： (a)表驅(qū)動(dòng) 路由協(xié)議 ．包括 DSDV(Destination— Sequenced Distance— Vector Routing)等等． (b)源發(fā)起按需 (on— demand)路由協(xié)議 ．包括AODV(Ad— Hoc On— Distance Vector Routing)， DSR(Dynamic Source Routing)等等．盡管這些協(xié)議是為相同的底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，但是它們的特點(diǎn)確是大不相同． 圖 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)圖 表驅(qū)動(dòng) 路由 協(xié)議 (Table Driven) 表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議又稱為先驗(yàn)式路由協(xié)議，在這種路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)在 網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表，以維護(hù)一致的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的路由信息，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此這種路由協(xié)議的時(shí)延較小，但是路由協(xié)議的開銷較大 ．典型的表驅(qū)動(dòng)協(xié)議有： DSDV(Destination 青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 Sequenced Distance Victor)． 1． DSDV(目的節(jié)點(diǎn)序列距離向量協(xié)議 ) DSDV 對 BellmanFord 路由算法進(jìn)行了 改進(jìn)． 在 DSDV 中，每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)路由表。路由表表項(xiàng)包括目 的節(jié)點(diǎn)、跳數(shù)和目的地序號，其中目的地序號由目的節(jié)點(diǎn)分配，主要用于判別路由是否過時(shí)，并可防止路由環(huán)路的產(chǎn)生。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性必須與鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息，當(dāng)然也可以根據(jù)路由表的改變來觸發(fā)路由更新。路由表更新有兩種方式：一種是全部更新（ Full dump），即拓?fù)涓孪⒅袑ㄕ麄€(gè)路由表，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)變化較快的情況；另一種方式是部分更新（ Incremental update），更新消息中僅包含變化的路由部分，通常適用于網(wǎng)絡(luò)變化較慢的情況。在 DSDV 中只使用序列號最高的路由，如果兩個(gè)路由具有相同的序列號，那么將選擇 最優(yōu)的路由（如跳數(shù)最短）。 NS 實(shí)現(xiàn) DSDV 路由協(xié)議的具體策略如下：一個(gè)沒有找到路由的分組到達(dá)節(jié)點(diǎn)后首先被緩存，同時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由查詢消息，直到接收到來自接收端的路由響應(yīng)消息。當(dāng)緩存溢出時(shí)，新來的分組將被丟棄。分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后將直接由地址解復(fù)用器送到相應(yīng)的端口，而后由端口將分組送到目的代理 [6][8]。 源發(fā)起按需路由協(xié)議 (Source— initiated On— demand) 按需路由協(xié)議又稱為反應(yīng)式路由協(xié)議，是一種當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的 路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。 按需路由協(xié)議 開銷較小 ， 但是數(shù)據(jù)報(bào)傳送的時(shí)延較大。典型的源發(fā)起按需路由包括： DSR(dynamic source routing) 、 AODV(Ad hoc on— demand distance vector)等 1． DSR(動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議 ) DSR 是一種基于源路由的按需路由協(xié)議，它使用源路由算法而不是逐跳路由的方法。 DSR 主要包括兩個(gè)過程：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn) S 向節(jié)點(diǎn) D 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它首先檢查緩存是否存在未過期的到目 的節(jié)點(diǎn)的路由，如果存在，則直青島理工大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 接使用可用的路由，否則啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。具體過程如下：源節(jié)點(diǎn) S 將使用洪泛法發(fā)送路由請求消息（ RREQ）， RREQ 包含源和目的節(jié)點(diǎn)地址以及唯一的標(biāo)志號，中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā) RREQ，并附上自己的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)。當(dāng) RREQ 消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D 或任何一個(gè)到目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)（此時(shí)， RREQ 中已記錄了從 S 到 D或該中間節(jié)點(diǎn)的所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)）， D 或該中間節(jié)點(diǎn)將向 S 發(fā)送路由應(yīng)答消息（ RREP），該消息中將包含 S 到 D 的路由信息，并反轉(zhuǎn) S 到 D 的路由供 RREP消息使用。此外，中間節(jié)點(diǎn)也可以使用路由緩存技術(shù)（ Routing Cache）來對協(xié)議作進(jìn)一步優(yōu)化。 DSR 的優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)點(diǎn)僅需要維護(hù)與之通信的節(jié)點(diǎn)的路由，減少了協(xié)議開銷；②使用路由緩存技術(shù)減少了路由發(fā)現(xiàn)的耗費(fèi)；③一次路由發(fā)現(xiàn)過程可能會(huì)產(chǎn)生多條到目的點(diǎn)的路由。 DSR 的缺點(diǎn)：①每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文的頭部都需要攜帶路由信息，數(shù)據(jù)包的額外開銷較大；②路由請求消息采用洪泛方式，相鄰節(jié)點(diǎn)路由請求消息可能發(fā)生傳播沖突并可能會(huì)產(chǎn)生重復(fù)廣播；③由于緩存，過期路由會(huì)影響路由選擇的準(zhǔn)確性。 NS 實(shí)現(xiàn)的 DSR 協(xié)議中，采用 DSR 的節(jié)點(diǎn)與其它移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有些不同，在 DSR 節(jié)點(diǎn)中，所有分組被送到路由代 理，路由信息可通過數(shù)據(jù)分組進(jìn)行捎帶確認(rèn) [6][8]。 2． AODV(按需距離矢量路由協(xié)議 ) AODV 是 DSDV 算法的改進(jìn)，但它與 DSDV 的區(qū)別在于它是反應(yīng)式路由協(xié)議。為了找到通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，源端將廣播一個(gè)路由請求分組，鄰居節(jié)點(diǎn)依次向周圍節(jié)點(diǎn)廣播此分組直到該分組被送到一個(gè)知道目的節(jié)點(diǎn)路由信息中間節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)本身。一個(gè)節(jié)點(diǎn)將丟棄重復(fù)收到的請求分組，路由請求分組中的序列號用來防止路由環(huán)路，并能判斷中間節(jié)點(diǎn)是否響應(yīng)了相應(yīng)的路由請求