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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是隨著無線通信技術(shù)的快速而出現(xiàn)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、需求、與其他移動通信系統(tǒng)的區(qū)別和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的。
關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 移動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
隨著人們對擺脫有線網(wǎng)絡(luò)束縛、隨時隨地可以進行自由通信的渴望，近幾年來無線網(wǎng)絡(luò)通信得到了迅速的發(fā)展。人們可以通過配有無線接口的便攜機或個人數(shù)字助理來實現(xiàn)移動中的通信。的移動通信大多需要有線基礎(chǔ)設(shè)施(如基站)的支持才能實現(xiàn)。為了能夠在沒有固定基站的地方進行通信，一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運而生。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持，通過移動主機自由的組網(wǎng)實現(xiàn)通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)推進了人們實現(xiàn)在任意環(huán)境下的自由通信的進程，同時它也為軍事通信、災(zāi)難救助和臨時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)是一種沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點均由移動主機構(gòu)成。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，它的起源于戰(zhàn)場環(huán)境下分組無線網(wǎng)數(shù)據(jù)通信項目，該項目由DARPA資助，其后，又在1983年和1994年進行了抗毀可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移動信息系統(tǒng)GloMo(Global Information System)項目的研究。由于無線通信和終端技術(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，如需要在沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)進行臨時通信時，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個移動主機(如圖1中的主機A和B)在彼此的通信覆蓋范圍內(nèi)時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋范圍有限，如果兩個相距較遠的主機(如圖1中的主機A和C)要進行通信，則需要通過它們之間的移動主機B的轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)。因此在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，主機同時還是路由器，擔(dān)負(fù)著尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)報文的工作。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，每個主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數(shù)據(jù)通過多個主機的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的地。故Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也被稱為多跳無線網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以看作是移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)的交叉。在Ad 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、個人數(shù)字助理(PDA)等移動終端設(shè)備。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不同于目前因特網(wǎng)環(huán)境中的移動IP網(wǎng)絡(luò)。在移動IP網(wǎng)絡(luò)中，移動主機可以通過固定有線網(wǎng)絡(luò)、無線鏈路和撥號線路等方式接入網(wǎng)絡(luò)，而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中只存在無線鏈路一種連接方式。在移動IP網(wǎng)絡(luò)中，移動主機通過相鄰的基站等有線設(shè)施的支持才能通信，在基站和基站(代理和代理)之間均為有線網(wǎng)絡(luò)，仍然使用因特網(wǎng)的傳統(tǒng)路由協(xié)議。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有這些設(shè)施的支持。此外，在移動IP網(wǎng)絡(luò)中移動主機不具備路由功能，只是一個普通的通信終端。當(dāng)移動主機從一個區(qū)移動到另一個區(qū)時并不改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中移動主機的移動將會導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。
2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)方式，具有以下特點。
2.1 網(wǎng)絡(luò)的獨立性
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相對常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡(luò)。它的建立不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的這種特點很適合災(zāi)難救助、偏遠地區(qū)通信等應(yīng)用。
2.2 動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動主機可以在網(wǎng)中隨意移動。主機的移動會導(dǎo)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，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測的。對于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則相對較為穩(wěn)定。
2.3 有限的無線通信帶寬
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有有線基礎(chǔ)設(shè)施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于中的最大帶寬值。
2.4 有限的主機能源
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，主機均是一些移動設(shè)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。
2.5 網(wǎng)絡(luò)的分布式特性
在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點，主機通過分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡(luò)的某個或某些節(jié)點發(fā)生故障，其余的節(jié)點仍然能夠正常工作。
2.6 生存周期短
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主要用于臨時的通信需求，相對與有線網(wǎng)絡(luò)，它的生存時間一般比較短。
2.7 有限的物理安全
移動網(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(jiān)聽、欺騙和拒絕服務(wù)等攻擊�，F(xiàn)有的鏈路安全技術(shù)有些已應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)中來減小安全攻擊。不過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(yīng)用需求
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍很廣，總體上來說，它可以用于以下場合：
a)沒有有線通信設(shè)施的地方，如沒有建立硬件通信設(shè)施或有線通信設(shè)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(xiàn)有有線通信設(shè)施不足，需要臨時快速建立一個通信網(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足軍事應(yīng)用的需要，軍隊通信系統(tǒng)需要具有抗毀性、自組性和機動性。在戰(zhàn)爭中，通信系統(tǒng)很容易受到敵方的攻擊，因此，需要通信系統(tǒng)能夠抵御一定程度的攻擊。若采用集中式的通信系統(tǒng)，一旦通信中心受到破壞，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。分布式的系統(tǒng)可以保證部分通信節(jié)點或鏈路斷開時，其余部分還能繼續(xù)工作。在戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場很難保證有可靠的有線通信設(shè)施，因此，通過通信節(jié)點自己組合，組成一個通信系統(tǒng)是非常有必要的。此外，機動性是部隊?wèi)?zhàn)斗力的重要部分，這要求通信系統(tǒng)能夠根據(jù)戰(zhàn)事需求快速組建和拆除。
Ad Hoc滿足了軍事通信系統(tǒng)的這些需求。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用分布式技術(shù)，沒有中心控制節(jié)點的管理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點或鏈路發(fā)生故障，其他節(jié)點還可以通過相關(guān)技術(shù)繼續(xù)通信。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由移動節(jié)點自己自由組合，不依賴于有線設(shè)備，因此，具有較強的自組性，很適合戰(zhàn)場的惡劣通信環(huán)境。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)建立簡單、具有很高的機動性。，一些發(fā)達國家為作戰(zhàn)人員配備了尖端的個人通信系統(tǒng)，在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，很難通過有線通信機制或移動IP機制來完成通信任務(wù)，但可以通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對軍隊通信系統(tǒng)的具有重要的價值和長遠意義。
近年來，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(zāi)難救助。在發(fā)生洪水、地震后，有線通信設(shè)施很可能因遭受破壞而無法正常通信，通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以快速地建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，保證救援工作的順利進行，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(qū)通信。在這些地區(qū)，由于造價、地理環(huán)境等原因往往沒有有線通信設(shè)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)還可以用于臨時的通信需求，如商務(wù)會議中需要參會人員之間互相通信交流，在現(xiàn)有的有線通信系統(tǒng)不能滿足通信需求的情況下，可以通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來完成通信任務(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)國際會議基本都有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)專題，隨著移動技術(shù)的不斷發(fā)展和人們?nèi)找嬖鲩L的自由通信需求，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)會受到更多的關(guān)注，得到更快速的發(fā)展和普及。
4與其他移動通信系統(tǒng)的比較
4.1 蜂窩系統(tǒng)
蜂窩系統(tǒng)是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統(tǒng)。在蜂窩系統(tǒng)中，覆蓋區(qū)域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區(qū)。每個小區(qū)內(nèi)設(shè)置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進行。基站則一般通過有線線路連接到主要由交換機構(gòu)成的骨干交換網(wǎng)絡(luò)。蜂窩系統(tǒng)是一種有連接網(wǎng)絡(luò)，一旦一個信道被分配給某個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統(tǒng)一般用于語音通信。
4.2 集群系統(tǒng)
集群系統(tǒng)與蜂窩系統(tǒng)類似，也是一種有連接的網(wǎng)絡(luò)，一般屬于專用網(wǎng)絡(luò)，規(guī)模不大，主要為移動用戶提供語音通信。
4.3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)
衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信范圍最廣，可以為全球每個角落的用戶提供通信服務(wù)。在此系統(tǒng)中，衛(wèi)星起著與基站類似的功能。衛(wèi)星通信系統(tǒng)按衛(wèi)星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在成本高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等不足。
上述移動通信系統(tǒng)都需要有線網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的支持，如基站、交換機、衛(wèi)星等。這些設(shè)施的建立和運轉(zhuǎn)需要大量的人力和物力，因此成本比較高，同時建設(shè)的周期也長。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，同時時間短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。上述通信系統(tǒng)中，移動終端之間并不直接通信，并且移動終端只具備收發(fā)功能，不具備轉(zhuǎn)發(fā)功能。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由移動主機構(gòu)成，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發(fā)數(shù)據(jù)，同時還轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。此外目前的移動通信系統(tǒng)主要為用戶提供語音通信功能，通常采用電路交換，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。而Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)使用分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，主要為用戶提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于變化。
5 移動IP和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的 結(jié)合
實現(xiàn)移動和全IP是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的兩大趨勢。隨著手機使用的日益廣泛和人們對移動所能提供的信息要求越來越高，人們更加希望能隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。
對于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是隨時生成而且具有易構(gòu)性，不需要事先存在的網(wǎng)絡(luò)來支持，因此，應(yīng)用很廣泛也很簡單。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的、按需驅(qū)動的路由協(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)中的移動主機可以在不同的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)間移動和隨時接入互聯(lián)網(wǎng)，我們利用移動IP協(xié)議可在不同網(wǎng)絡(luò)中漫游的特性，結(jié)合移動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(qū)動的路由機制，移動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)面臨的問題
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性決定了管理上比有線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜許多，因為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，要求網(wǎng)絡(luò)管理也是動態(tài)自動配置。而且要考慮到移動節(jié)點本身的限制，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)議給整個網(wǎng)絡(luò)帶來的負(fù)荷考慮在內(nèi)。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)管理需要解決的問題為以下幾方面：
a) 網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議的一個重要任務(wù)是使網(wǎng)管知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在有線網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)變化不頻繁，所以這點容易做到。但在移動網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的移動導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化太頻繁，網(wǎng)管需定期收集節(jié)點的連接信息，這無疑會加大網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。
b) 大多數(shù)節(jié)點使用電池供電，所以要保證網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷限制在最小值以節(jié)省能源。要盡量減少收發(fā)和處理的節(jié)點數(shù)，但這是與需要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定期更新相矛盾的。
c) 能源的有限性和節(jié)點的移動性導(dǎo)致節(jié)點隨時可能與網(wǎng)絡(luò)分離，這要求網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議能夠及時覺察節(jié)點的離開和加入，而更新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
d) 無線環(huán)境下信號質(zhì)量變化大。信號的衰退和擁塞都會使網(wǎng)管誤認(rèn)為節(jié)點已離開，因此，網(wǎng)管必須能夠區(qū)分是由于節(jié)點移動還是由于鏈路質(zhì)量的原因?qū)е逻B接中斷。網(wǎng)管必須詢問物理層，但這樣會違反OSI的層次管理結(jié)構(gòu)。
f) Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于軍事，因此，要防止監(jiān)聽、破壞和侵入。所以網(wǎng)管需要結(jié)合加密和認(rèn)證過程。
由上可見Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的，要解決的問題包括如何有效地收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔�，如何處理動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)配置和安全保密問題。
7 結(jié)論
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種新穎的移動機網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨立的網(wǎng)絡(luò)運行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究中還存在許多亟待解決的問題：設(shè)計具有節(jié)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。今后將重點致力于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、節(jié)點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。
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