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計算機網(wǎng)絡(luò )畢業(yè)論文-Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)淺析
摘 要：Ad Hoc是隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速而出現的一種新型網(wǎng)絡(luò )。本文詳細介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的概念、特點(diǎn)、需求、與其他移動(dòng)通信系統的區別和網(wǎng)絡(luò )管理等方面的。
關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò ) 移動(dòng)IP 網(wǎng)絡(luò )管理
Abstract：Ad Hoc network is an up-to-date one emerging with the development of wireless communication technology. Conceptions， features， application scope， comparison with other wireless system and issues on network management are presented with detail.
Keywords：Ad Hoc network Mobile IP Network management
0 前言
隨著(zhù)人們對擺脫有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )束縛、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行自由通信的渴望，近幾年來(lái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信得到了迅速的發(fā)展。人們可以通過(guò)配有無(wú)線(xiàn)接口的便攜機或個(gè)人數字助理來(lái)實(shí)現移動(dòng)中的通信。的移動(dòng)通信大多需要有線(xiàn)基礎設施(如基站)的支持才能實(shí)現。為了能夠在沒(méi)有固定基站的地方進(jìn)行通信，一種新的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)——Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應運而生。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )不需要有線(xiàn)基礎設備的支持，通過(guò)移動(dòng)主機自由的組網(wǎng)實(shí)現通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的出現推進(jìn)了人們實(shí)現在任意環(huán)境下的自由通信的進(jìn)程，同時(shí)它也為軍事通信、災難救助和臨時(shí)通信提供了有效的解決方案。
1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的概念
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )是一種沒(méi)有有線(xiàn)基礎設施支持的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)均由移動(dòng)主機構成。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )最初應用于軍事領(lǐng)域，它的起源于戰場(chǎng)環(huán)境下分組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)數據通信項目，該項目由DARPA資助，其后，又在1983年和1994年進(jìn)行了抗毀可適應網(wǎng)絡(luò )SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移動(dòng)信息系統GloMo(Global Information System)項目的研究。由于無(wú)線(xiàn)通信和終端技術(shù)的不斷發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )在民用環(huán)境下也得到了發(fā)展，如需要在沒(méi)有有線(xiàn)基礎設施的地區進(jìn)行臨時(shí)通信時(shí)，可以很方便地通過(guò)搭建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。
在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，當兩個(gè)移動(dòng)主機(如圖1中的主機A和B)在彼此的通信覆蓋范圍內時(shí)，它們可以直接通信。但是由于移動(dòng)主機的通信覆蓋范圍有限，如果兩個(gè)相距較遠的主機(如圖1中的主機A和C)要進(jìn)行通信，則需要通過(guò)它們之間的移動(dòng)主機B的轉發(fā)才能實(shí)現。因此在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，主機同時(shí)還是路由器，擔負著(zhù)尋找路由和轉發(fā)報文的工作。在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數據通過(guò)多個(gè)主機的轉發(fā)才能到達目的地。故Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )也被稱(chēng)為多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。其結構如圖2所示。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以看作是移動(dòng)通信和計算機網(wǎng)絡(luò )的交叉。在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，使用計算機網(wǎng)絡(luò )的分組交換機制，而不是電路交換機制。通信的主機一般是便攜式計算機、個(gè)人數字助理(PDA)等移動(dòng)終端設備。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )不同于目前因特網(wǎng)環(huán)境中的移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò )。在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò )中，移動(dòng)主機可以通過(guò)固定有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)鏈路和撥號線(xiàn)路等方式接入網(wǎng)絡(luò )，而在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中只存在無(wú)線(xiàn)鏈路一種連接方式。在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò )中，移動(dòng)主機通過(guò)相鄰的基站等有線(xiàn)設施的支持才能通信，在基站和基站(代理和代理)之間均為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，仍然使用因特網(wǎng)的傳統路由協(xié)議。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有這些設施的支持。此外，在移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)主機不具備路由功能，只是一個(gè)普通的通信終端。當移動(dòng)主機從一個(gè)區移動(dòng)到另一個(gè)區時(shí)并不改變網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)主機的移動(dòng)將會(huì )導致拓撲結構的改變。
2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )作為一種新的組網(wǎng)方式，具有以下特點(diǎn)。
2.1 網(wǎng)絡(luò )的獨立性
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )相對常規通信網(wǎng)絡(luò )而言，最大的區別就是可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)不需要硬件基礎網(wǎng)絡(luò )設施的支持，快速構建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )。它的建立不依賴(lài)于現有的網(wǎng)絡(luò )通信設施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的這種特點(diǎn)很適合災難救助、偏遠地區通信等應用。
2.2 動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，移動(dòng)主機可以在網(wǎng)中隨意移動(dòng)。主機的移動(dòng)會(huì )導致主機之間的鏈路增加或消失，主機之間的關(guān)系不斷發(fā)生變化。在自組網(wǎng)中，主機可能同時(shí)還是路由器，因此，移動(dòng)會(huì )使網(wǎng)絡(luò )拓撲結構不斷發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。對于常規網(wǎng)絡(luò )而言，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構則相對較為穩定。
2.3 有限的無(wú)線(xiàn)通信帶寬
在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有有線(xiàn)基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸來(lái)完成。由于無(wú)線(xiàn)信道本身的物理特性，它提供的網(wǎng)絡(luò )帶寬相對有線(xiàn)信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無(wú)線(xiàn)信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動(dòng)終端可得到的實(shí)際帶寬遠遠小于中的最大帶寬值。
2.4 有限的主機能源
在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中，主機均是一些移動(dòng)設備，如PDA、便攜計算機或掌上電腦。由于主機可能處在不停的移動(dòng)狀態(tài)下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )有能源有限的特點(diǎn)。
2.5 網(wǎng)絡(luò )的分布式特性
在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有中心控制節點(diǎn)，主機通過(guò)分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡(luò )的某個(gè)或某些節點(diǎn)發(fā)生故障，其余的節點(diǎn)仍然能夠正常工作。
2.6 生存周期短
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )主要用于臨時(shí)的通信需求，相對與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，它的生存時(shí)間一般比較短。
2.7 有限的物理安全
移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通常比固定網(wǎng)絡(luò )更容易受到物理安全攻擊，易于遭受監聽(tīng)、欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊�，F有的鏈路安全技術(shù)有些已應用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中來(lái)減小安全攻擊。不過(guò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的分布式特性相對于集中式的網(wǎng)絡(luò )具有一定的抗毀性。
3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的應用需求
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的應用范圍很廣，總體上來(lái)說(shuō)，它可以用于以下場(chǎng)合：
a)沒(méi)有有線(xiàn)通信設施的地方，如沒(méi)有建立硬件通信設施或有線(xiàn)通信設施遭受破壞。
b)需要分布式特性的網(wǎng)絡(luò )通信環(huán)境。
c)現有有線(xiàn)通信設施不足，需要臨時(shí)快速建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境。
d) 作為生存性較強的后備網(wǎng)絡(luò )。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究最初是為了滿(mǎn)足軍事應用的需要，軍隊通信系統需要具有抗毀性、自組性和機動(dòng)性。在戰爭中，通信系統很容易受到敵方的攻擊，因此，需要通信系統能夠抵御一定程度的攻擊。若采用集中式的通信系統，一旦通信中心受到破壞，將導致整個(gè)系統的癱瘓。分布式的系統可以保證部分通信節點(diǎn)或鏈路斷開(kāi)時(shí)，其余部分還能繼續工作。在戰爭中，戰場(chǎng)很難保證有可靠的有線(xiàn)通信設施，因此，通過(guò)通信節點(diǎn)自己組合，組成一個(gè)通信系統是非常有必要的。此外，機動(dòng)性是部隊戰斗力的重要部分，這要求通信系統能夠根據戰事需求快速組建和拆除。
Ad Hoc滿(mǎn)足了軍事通信系統的這些需求。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )采用分布式技術(shù)，沒(méi)有中心控制節點(diǎn)的管理。當網(wǎng)絡(luò )中某些節點(diǎn)或鏈路發(fā)生故障，其他節點(diǎn)還可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)繼續通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )由移動(dòng)節點(diǎn)自己自由組合，不依賴(lài)于有線(xiàn)設備，因此，具有較強的自組性，很適合戰場(chǎng)的惡劣通信環(huán)境。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )建立簡(jiǎn)單、具有很高的機動(dòng)性。，一些發(fā)達國家為作戰人員配備了尖端的個(gè)人通信系統，在惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境中，很難通過(guò)有線(xiàn)通信機制或移動(dòng)IP機制來(lái)完成通信任務(wù)，但可以通過(guò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )對軍隊通信系統的具有重要的價(jià)值和長(cháng)遠意義。
近年來(lái)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的研究在民用和商業(yè)領(lǐng)域也受到了重視。在民用領(lǐng)域，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以用于災難救助。在發(fā)生洪水、地震后，有線(xiàn)通信設施很可能因遭受破壞而無(wú)法正常通信，通過(guò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以快速地建立應急通信網(wǎng)絡(luò )，保證救援工作的順利進(jìn)行，完成緊急通信需求任務(wù)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以用于偏遠或不發(fā)達地區通信。在這些地區，由于造價(jià)、地理環(huán)境等原因往往沒(méi)有有線(xiàn)通信設施，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以解決這些環(huán)境中的通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )還可以用于臨時(shí)的通信需求，如商務(wù)會(huì )議中需要參會(huì )人員之間互相通信交流，在現有的有線(xiàn)通信系統不能滿(mǎn)足通信需求的情況下，可以通過(guò)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成通信任務(wù)。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )在研究領(lǐng)域也很受關(guān)注，近幾年的網(wǎng)絡(luò )國際會(huì )議基本都有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)題，隨著(zhù)移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們日益增長(cháng)的自由通信需求，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )會(huì )受到更多的關(guān)注，得到更快速的發(fā)展和普及。
4與其他移動(dòng)通信系統的比較
4.1 蜂窩系統
蜂窩系統是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動(dòng)通信系統。在蜂窩系統中，覆蓋區域一般被劃分為類(lèi)似蜂窩的多個(gè)小區。每個(gè)小區內設置固定的基站，為用戶(hù)提供接入和信息轉發(fā)服務(wù)。移動(dòng)用戶(hù)之間以及移動(dòng)用戶(hù)和非移動(dòng)用戶(hù)之間的通信均需通過(guò)基站進(jìn)行�；緞t一般通過(guò)有線(xiàn)線(xiàn)路連接到主要由交換機構成的骨干交換網(wǎng)絡(luò )。蜂窩系統是一種有連接網(wǎng)絡(luò )，一旦一個(gè)信道被分配給某個(gè)用戶(hù)，通常此信道可一直被此用戶(hù)使用。蜂窩系統一般用于語(yǔ)音通信。
4.2 集群系統
集群系統與蜂窩系統類(lèi)似，也是一種有連接的網(wǎng)絡(luò )，一般屬于專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，規模不大，主要為移動(dòng)用戶(hù)提供語(yǔ)音通信。
4.3 衛星通信系統
衛星通信系統的通信范圍最廣，可以為全球每個(gè)角落的用戶(hù)提供通信服務(wù)。在此系統中，衛星起著(zhù)與基站類(lèi)似的功能。衛星通信系統按衛星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛星通信系統存在成本高、傳輸延時(shí)大、傳輸帶寬有限等不足。
上述移動(dòng)通信系統都需要有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信基礎設施的支持，如基站、交換機、衛星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，因此成本比較高，同時(shí)建設的周期也長(cháng)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )不需要基站的支持，由主機自己組網(wǎng)，因此，網(wǎng)絡(luò )建立的成本低，同時(shí)時(shí)間短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統中，移動(dòng)終端之間并不直接通信，并且移動(dòng)終端只具備收發(fā)功能，不具備轉發(fā)功能。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )由移動(dòng)主機構成，移動(dòng)主機之間可以直接通信，而移動(dòng)主機不僅收發(fā)數據，同時(shí)還轉發(fā)數據。此外目前的移動(dòng)通信系統主要為用戶(hù)提供語(yǔ)音通信功能，通常采用電路交換，拓撲結構比較穩定。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )使用分組轉發(fā)技術(shù)，主要為用戶(hù)提供數據通信服務(wù)，拓撲結構易于變化。
5 移動(dòng)IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的 結合
實(shí)現移動(dòng)和全IP是當今網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的兩大趨勢。隨著(zhù)手機使用的日益廣泛和人們對移動(dòng)所能提供的信息要求越來(lái)越高，人們更加希望能隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。
對于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )是隨時(shí)生成而且具有易構性，不需要事先存在的網(wǎng)絡(luò )來(lái)支持，因此，應用很廣泛也很簡(jiǎn)單。但是這種網(wǎng)絡(luò )有很強的獨立性，它可以單獨存在，它的特性和它所使用的主動(dòng)的、按需驅動(dòng)的路由協(xié)議都令它難以與互聯(lián)網(wǎng)通信，達到交互信息的目的。為了達到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )中的移動(dòng)主機可以在不同的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )間移動(dòng)和隨時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，我們利用移動(dòng)IP協(xié)議可在不同網(wǎng)絡(luò )中漫游的特性，結合移動(dòng)IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )，即MIPMANET，提供一種將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )使用按需驅動(dòng)的路由機制，移動(dòng)IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )接入互聯(lián)網(wǎng)的解決方案。圖3為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )接入互聯(lián)網(wǎng)的模型。
6 管理Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )面臨的問(wèn)題
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的特性決定了管理上比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )復雜許多，因為網(wǎng)絡(luò )拓撲的動(dòng)態(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò )管理也是動(dòng)態(tài)自動(dòng)配置。而且要考慮到移動(dòng)節點(diǎn)本身的限制，例如能源有限、鏈路狀態(tài)變化和有限的存儲能力等，因此，要將管理協(xié)議給整個(gè)網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的負荷考慮在內。最后還要考慮到網(wǎng)絡(luò )管理對不同環(huán)境的適用性等。
具體Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )管理需要解決的問(wèn)題為以下幾方面：
a) 網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議的一個(gè)重要任務(wù)是使網(wǎng)管知道網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，由于網(wǎng)絡(luò )變化不頻繁，所以這點(diǎn)容易做到。但在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)的移動(dòng)導致拓撲結構變化太頻繁，網(wǎng)管需定期收集節點(diǎn)的連接信息，這無(wú)疑會(huì )加大網(wǎng)絡(luò )的負荷。
b) 大多數節點(diǎn)使用電池供電，所以要保證網(wǎng)絡(luò )管理的負荷限制在最小值以節省能源。要盡量減少收發(fā)和處理的節點(diǎn)數，但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。
c) 能源的有限性和節點(diǎn)的移動(dòng)性導致節點(diǎn)隨時(shí)可能與網(wǎng)絡(luò )分離，這要求網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議能夠及時(shí)覺(jué)察節點(diǎn)的離開(kāi)和加入，而更新拓撲結構。
d) 無(wú)線(xiàn)環(huán)境下信號質(zhì)量變化大。信號的衰退和擁塞都會(huì )使網(wǎng)管誤認為節點(diǎn)已離開(kāi)，因此，網(wǎng)管必須能夠區分是由于節點(diǎn)移動(dòng)還是由于鏈路質(zhì)量的原因導致連接中斷。網(wǎng)管必須詢(xún)問(wèn)物理層，但這樣會(huì )違反OSI的層次管理結構。
f) Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )通常應用于軍事，因此，要防止監聽(tīng)、破壞和侵入。所以網(wǎng)管需要結合加密和認證過(guò)程。
由上可見(jiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )管理是與傳統網(wǎng)絡(luò )不同的，要解決的問(wèn)題包括如何有效地收集網(wǎng)絡(luò )的拓撲信息，如何處理動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )配置和安全保密問(wèn)題。
7 結論
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )是一種新穎的移動(dòng)機網(wǎng)絡(luò )的類(lèi)型，它既可以作為一種獨立的網(wǎng)絡(luò )運行，也可以作為當前具有固定設施網(wǎng)絡(luò )的一種補充形式。其自身的獨特性，賦予其巨大的發(fā)展前景。在A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )的研究中還存在許多亟待解決的問(wèn)題：設計具有節能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴展特性的路由協(xié)議，以及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )管理等。今后將重點(diǎn)致力于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )中網(wǎng)絡(luò )監視、節點(diǎn)移動(dòng)性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。
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