Ad hoc network

Ad hoc network

英文縮寫:Ad hoc network。中文譯名:自組織網路,特定網路,對等網路。屬於網路與交換。指臨時應變的特定網路。由若干個移動的無線通信終端構成一個臨時應變的網路。這種網路是臨時性的、無中心的,無需依靠任何基礎設施的非標準網路。因此可稱作是“自組織網路”。也有人稱它是“特定網路”,是因為它是很短距離的特定連線,並且只能用於近距離的用戶,又因為它是便於加入和離開,既能主控,又能被控的網路,所以又有人稱之為“對等網路”。

技術特點

(1)無中心化和節點之間的對等性。Adhoc網路是一個對等性網路,網路中所有結點的地位平等,無需設定任何的中心控制結點(Infrastructureless,不依賴於固定的網路設施)。網路節點既是終端,也是路由器,當某個節點要與其復蓋範圍之外的節點進行通信時,需要中間節點(普通節點)的多跳轉發(Multi-hopDistributed)。

(2)自發現(Self-Discovering)、自動配置(Self-Configuring)、自組織(Self-Organizing)、自愈(Self-Healing)。Adhoc網路節點能夠適應網路的動態變化,快速檢測其它節點的存在和探測其他節點的能力集,網路節點通過分散式算法來協調彼此的行為,無需人工干預和任何其它預置的網路設施,可以在任何時刻任何地方快速展開並自動組網。由於網路的分散式特徵、節點的冗餘性和不存在單點故障點,任何結點的故障不會影響整個網路的運行,具有很強的抗毀性和健壯性。

(1)無線傳輸頻寬有限。Adhoc網路採用無線傳輸技術作為底層通信手段,由於無線信道本身的物理特性,它所能提供的網路頻寬相對有線信道要低得多,節點間通信協定的設計必須考慮通信代價。因此路由協定設計時,減少訊息數量和頻寬需求成為重要的考慮因素。使得Adhoc網路很難採用目前IP網路中的現有路由協定進行定址。

(2)移動終端有節能要求。由於移動終端的電量有限,節點處於待機狀態有利於減少電量消耗,因此,節點通信協定設計時要儘量減少節點激活時間、較少節點的計算量(減少CPU能量消耗)。

(3)安全性較差。由於採用無線信道、有限電源、分散式控制等技術,Adhoc網路更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務、剝奪“睡眠”等網路攻擊。信道加密、抗干擾、用戶認證和其它安全措施都需要特別考慮。

(4)存在單向的無線信道。由於地形環境或發射功率等因素的影響,網路中可能存在單向無線信道,增加了節點間通信協定的設計難度。

Adhoc網路的上述特點使得Adhoc網路在體系結構、網路組織、協定設計等方面都與普通通信網路和固定通信網路有著顯著的區別。

研究熱點

在Adhoc網路中,多個網路節點共享同一無線信道,由於各節點傳送分組的隨機性,為了減少碰撞,必須由MAC層協定來建立共享信道的訪問機制。高效的MAC層協定是Adhoc網路的一個研究熱點,目前最常見的MAC層協定是載波監聽多路接入(CSMA)和多種其他機制,如IEEE802.11中所採用的基於RTS(Request to Send),CTS(Clear to Send),ACK(AC-Knowledgement)的協定等。

由於Adhoc網路具有節點節電、減少頻寬消耗、拓撲快速變化、適應單向信道環境等多方面的要求,使得現有的IP路由協定,如RIP(選路信息協定)和OSPF(開放最短路徑優先協定)等不能滿足要求,Adhoc網路路由協定的設計具有很大難度。IETF的MANET工作組重點研究無線Adhoc中的路由協定。主要有如下幾種草案:

(1)AODV(AdhoconDemand Distmce Vector Routing)Ad hoc網路的距離矢量路由算法。

(2)TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)臨時順序路由算法。

(3)DSR(DynamicSourceRouting)動態源路由協定。

(4)OLSR(OptimizedLinkStateRouting Protocol)最佳化的鏈路狀態路由協定。

(5)TBRPF(TopologyBroadcastBasedon Reverse Path Forwarding)基於拓撲廣播的反向路徑轉發。

(6)FSR(FisheyeStateRoutingProtocol)魚眼狀態路由協定。

(7)IERP(theInterzoneRoutingProtocol)區域間路由協定。

(8)IARP(theIntrazoneRoutingProtocol)區域內路由協定。

(9)DSDV(DestinationSequencedDistanceVector)目標序列距離路由矢量算法。

目前,IETF正在研究Adhoc網路中的組播協定,上述一些協定經過擴展可以支持組播,主要有AM-Route,MAODV,ODMRP,CAMP,FGMP,NSMP等。與路由協定研究密切相關的一個研究熱點就是分簇算法的研究,在分級分頻網路結構中,如何自動選舉確定簇頭,如何確定每個簇的範圍需要高效的算法支持。

Adhoc網路的特殊結構(開放的網路結構、共享的無線資源、嚴格的資源限制和高度動態的網路拓撲)決定了它只能提供較差的安全性能,極易受到主動和被動的攻擊。早期的Adhoc是假設套用在一個友好且合作的環境中,現在這種假設已經不成立了,Adhoc要套用於一個潛在的敵對環境中,並為移動節點間提供受保護的通信,安全問題已經成為倍受關注的焦點。Ad hoc網路的安全威脅主要有被動竊聽(無線鏈路使Ad hoc網路容易受到鏈路層的攻擊)、拒絕服務攻擊、禁止“睡眠”攻擊(快速消耗節點電能)、數據篡改和重發、偽造身份取得信任引入“黑洞”等。

針對這些安全威脅,傳統網路的安全解決方案不能適應Adhoc網路的特定環境,不能直接用於Adhoc網路。目前,關於Adhoc網路的安全性研究主要集中在無中心環境下節點間信任關係的建立與維護機制、安全選路機制等。

在Adhoc網路發展過程中,Adhoc網路主要是作為一個獨立的網路存在的,但隨著Adhoc網路技術的逐步成熟和套用範圍的擴大,要求Ad hoc網路能夠與有線網路互通甚至接入網際網路,這將成為Ad hoc發展不可避免的趨勢。在這種情況下,未來的Ad hoc網路要與IP網路互通、要與3G,4G,UWB等無線網路融合、要與RFID技術相銜接,這就帶來了很多難題。

(1)由於Adhoc網路所採用的路由協定不同於IP路由協定,兩類網路的互聯互通存在一定的難度。此時需要布置接入網關(AP,AccessPoint),AP是一台同時擁有有線接口和無線接口的特殊主機,通過AP的轉發和路由可以使有線網路和Adhoc網路互通。Ad hoc網路可以通過一個或多個AP連線到不同地域的有線網路。IETF的MANet工作組提出了一種利用移動IP和Ad hoc路由相結合的方法,通過外部代理和家鄉代理實現和有線網路互通。這種方法需要各個結點都支持移動IP,這在有些套用中會有一定難度。

(2)如果Adhoc網路與其他網路互聯,則其將為其他網路終端提供通信通道,而Adhoc網路的無線信道頻寬較窄、頻寬資源有限,很容易造成阻塞;一旦網路阻塞,既影響Adhoc網路自身運行,又對與其互聯的網路造成影響。而IP網路中現有的接納控制機制不能套用在無中心的Ad hoc網路中,因此互聯後網路的服務質量很難保證。

(3)Adhoc網路作為3G,4G,UWB骨幹網的無線接入網,將有效擴展這些寬頻無線網路的功能及有效復蓋範圍。因此需要研究Adhoc網路與這些寬頻無線網路的無縫切換技術。研究具有無線資源管理功能的自組網路由算法從而實現移動終端之間的直接通信、多跳通信、系統兼容、無縫切換與漫遊。

遇到問題

目前Adhoc網路雖然在學術研究領域是一個熱點,針對其MAC層協定,路由協定,安全機制,QoS機制的研究論文層出不窮,技術正在逐步完善之中,但是其產業化進程卻進展緩慢。最主要的原因是目前Adhoc網路缺乏合理的商業模式,沒有形成一個由需求拉動的、運營商和製造商積極參與的良性產業鏈條。

(1)目前Adhoc網路主要套用于軍事野戰環境,應急通信,汽車通信,家庭網路,辦公室內部通信,RFID聯網等環境,隨著通信網路(有線、移動)基礎設施的改善,通信網路復蓋範圍的擴展,Adhoc網路的套用範圍不會很廣。

(2)由於Adhoc網路的安全問題十分突出,目前尚未出現有效的解決方案,用戶會擔心自己的個人信息在通過別人的終端轉發時發生泄漏,這種安全顧慮抑制了用戶對Adhoc網路的需求。

(1)一個Adhoc網路目前只是一個獨立的網路,其採用對等方式實現封閉的小範圍內的通信,目前尚未與有線網路和行動網路互通。在這個封閉的網路中,每個節點都提供服務也享受服務,各方地位平等,因此每個節點都是免費工作的。這種免費模式很難吸引商業資本的介入,網路規模很難做大。

(2)如果Adhoc網路不與電信運營商的網路互聯互通,電信運營商很難利用自己的網路和服務優勢開展基於Adhoc網路的個性業務,即使Adhoc網路與電信運營商的網路互聯互通,但是由於Ad hoc網路的無中心性,很難評價每個節點的貢獻,合理計費模式很難確定,只能把整個Ad hoc網路作為一個末端網路,通過對AP的流量統計來收費,很難為每個節點計費。

(3)如果Adhoc網路作為一個末端網路,從用戶的角度看,這個網路內部工作時可以不利用運營商的網路資源,網路屬於用戶,運營商沒有權力從這種內部通信中收費,同時這種內部通信將對現有業務進行分流。這樣運營商就沒有建設Adhoc網路或者在現有行動網路終端中集成Adhoc網路功能的動力。

未來發展

針對目前自組織網路的研究熱點與存在的突出問題,在未來自組織網路的技術發展與試驗中應注意以下幾點:

(1)對超前市場的新技術,企業投資研發的力度一般都很小,這時候要充分發揮政府對新技術新業務的引導作用,設定專項課題進行資金支持。目前我國“八六三”計畫中已經連續兩年設定了“自組織網路”的研究課題,但是通過課題指南和項目批覆來看,項目支持的技術方向並不明確。以後應該加強Adhoc網路安全、服務質量、與其他網路融合、與RFID結合等方面的支持力度,對關鍵問題進行聚焦,爭取在這些核心問題上取得突破。

(2)在技術研發過程中,需要通過標準、智慧財產權、產業政策等手段加強產、學、研等方面相結合的力度,鼓勵結成戰略聯盟,提倡聯合攻關,聯合資助,優勢互補,加快科研成果的生產力轉化速度和質量。

(3)在國內啟動相關技術標準的研究制定工作(包括套用場景、技術需求、體系結構、關鍵模組、組網方式、檢測試驗等方面的技術標準),積極參與相關國際標準化進程。

安全性是決定Adhoc網路潛能能否得到充分發揮的關鍵。由於不依賴固定基礎設施,相對於固定IP網路,Adhoc網路更易受到各種安全威脅和攻擊,而且傳統網路的安全解決方案不能直接套用於Adhoc網路,現存的用於Ad hoc網路的大多協定和提案也沒有很好地解決安全問題。因此,要加強Ad hoc網路安全保障機制的研究,消除產業化道理上的關鍵障礙。

(1)在網路融合的發展趨勢下,封閉的Adhoc網路只有與其他網路互聯互通才能發揮更大的作用。因此,要加強Adhoc網路與IP網路,3G,4G,UWB等無線網路的融合方式的研究。

(2)隨著具有自組織特性的網路越來越多(如P2P網路、分布動態路由協定等),要加強對這些網路內在自組織機制和特性的研究,爭取形成新的網路基礎理論,從而對未來承載網和業務網的發展提供理論基礎。

(3)要加強Adhoc網路套用場景與套用需求的研究,重點研究Adhoc網路如何與應急通信需求、物聯網(RFID)需求的結合;結合NGN框架,探索新的套用領域和產業鏈各方的合作模式。

(4)在下一代網路、下一代網際網路、格線通信基礎設施上,建立面向不同套用背景的Adhoc試驗網路和相應的套用系統,分別提供商業套用、企業套用(企業內部通信)、社會公共服務(等應急通信)。重點探索Adhoc網路在企業內部的套用方式。

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