移动Adhoc网络的特点及应用

移动Adhoc⽹络的特点及应⽤

移动Ad hoc⽹络的特点及应⽤1 Ad hoc⽹络的定义

Ad hoc⽹是⼀种多跳的、⽆中⼼的、⾃组织⽆线⽹络，⼜称为多跳⽹（Multi-hop Network）、⽆基础设施⽹（Infrastructureless Network）或⾃组织⽹（Self-organizing Network）。整个⽹络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意⽅式动态地保持与其它节点的联系。在这种⽹络中，由于终端⽆线覆盖取值范围的有限性，两个⽆法直接进⾏通信的⽤户终端可以借助其它节点进⾏分组转发。每⼀个节点同时是⼀个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。Ad hoc⽹络凭借其基于IP的分组交换技术，可以提供⾼速率（现有的移动蜂窝⽹的传输速率不超过2Mbit/s，⽽Ad hoc⽹络在2～6GHz频段上可提供2～50Mbit/s的数据速率）的数据业务和多媒体业务，从⽽成为第三代全球移动通信系统的⼀个重要补充；另⼀⽅⾯，Ad hoc⽹络也可以作为Internet⽹络的⽆线延伸。2 Ad hoc⽹络的特点

Ad hoc⽹络的主要特征有以下⼏点：

1)最⼩化的基础设施⽀持。

2)⾃组织和⾃管理。既然⽹络基础结构是不具可⽤性的，这些节点必须通

过⾃⼰组织和维护⽹络（要求有⾃主的分布式控制）。节点能侦测到其

它节点的存在，并和它们⼀起加⼊⽹络。3)⼤部分甚⾄所有节点都在移动，导致⽹络拓扑动态变化。当节点移动时，

⽹络拓扑变化，新的节点加⼊，⼀些节点离开，或者是⼀些路由中断。

经常出现频繁的、临时的、突发性的⽹络连接损失。4)⽆线链路。既然⼤多数节点是移动的，那就意味着只能是⽆线通信⽅式。

5)节点既是⼀个主机，⼜是⼀个路由器。⼀个节点可能想连接到超出单跳

距离外的另⼀个节点，那么对每⼀个节点⽽⾔，路由功能是必需的，因

为⽹络没有下部结构⽀持，节点不必是同⼀类型（可以是电话、PDA、

膝上型电脑、传感器等）。6)多跳性。既然每⼀个节点能为其它节点发送通信量，多跳性是可能的。

在Ad hoc⽹络⾥多跳是所希望的能⼒，因为在单跳Ad hoc⽹络⾥空间

不会按⽐例增⼤，也就限制了节点之间的通信。7)能量受限。既然节点能移动，它们就不能依靠线路供能，⽽只能靠电池

提供动⼒。8)异质性。每个节点可以有不同的性能。为了能连接基于下部结构的⽹络

（形成⼀个混合⽹络），⼀些节点能和不⽌⼀种类型的⽹络通信。9)有限的安全性。Ad hoc⽹络由于采⽤的是⽆线传播⽅式，因⽽会⽐有线

⽹络更易受到敌⽅的⼲扰、窃听和攻击。3 Ad hoc⽹络的拓扑结构

Ad hoc⽹络的拓扑结构可划分为两种形式：平⾯结构（Flat Architecture）和分层结构（Hierarchical Architecture）。

3.1平⾯结构

3.1.1结构描述Ad hoc⽹络的平⾯结构如图1所⽰。

图1

平⾯结构的⽹络是全分布式的结构，源节点和⽬的节点之间⼀般存在多条路径，可实现负载平衡，也可为不同的业务类型选择适当的路径，⽹络中的所有节点都是对等的，所有的节点由单个的全向电台组成，在⽹络中共享同⼀个随机接⼊⽆线信道。平⾯结构中各节点的覆盖取值范围较⼩，信号被侦听/截获的概率较⼩，因此这种⽹络具有⼀定的安全性和健壮性（Robust）。

然⽽，平⾯结构的扩展性却很差。理论分析显⽰，即使⽹络的结构已经是最优的设计，每个节点的吞吐量仍是随着⽹络中节点数的增⼤⽽急剧下降，甚⾄到

零。

另外，从协议的⾓度来考虑，路由协议也影响了⽹络的容量。现在的许多协议都是基于平⾯结构来设计的，研究已经证明，当⽹络的规模很⼩时（在⼤多数情况下，节点数不超过100个），路由协议是很有效的。然⽽，在很多场合（例如，战场和灾区）需要⼤规模的⽹络，这时，再采⽤平⾯结构的路由协议，性能就要下降。具体原因主要有以下3个⽅⾯。

（1）⼤规模的⽹络中，从源节点到⽬的节点的路径变得很长。例如，在战场上，每个电台的传播取值范围是受限的，⽽战场上的节点数却有⼏百个，从源节点到⽬的节点的平均跳数将会超过10个，任何⼀条链路（Link）的破坏就会引起整条路径（Path）的失败。即使没有路径的失败，由于时延很⼤，在⼀些对时间要求严格的场合，这种时延是不能接受的。

（2）路由引起的链路负载变得很⼤。平⾯⽹络的路由协议可以分成两部分：先应式路由（Proactive）（⼜称为表驱动路由（Table-driven））和后应式路由（Reactive）（⼜称为按需路由（On-demand））。先应式路由协议需要周期地向全⽹⼴播交换路由信息，这会造成很⼤的信息量，当在移动环境下，为了保持准确的路由信息，需要对路由表频繁地更新，这也会产⽣很⼤的控制负载。在⼤规模的通信⽹中使⽤按需路由，虽然只在需要的时候才产⽣信息负载，但是，当节点的Cache中⽆相关路由信息时，则需要通过洪泛（Flooding）⽅式来搜寻路径信息，这就会产⽣⼤的负载。由于移动性和Cache路由器的中⽌，长路径更容易中断，这⼜会引起新的洪泛搜索新的路由。（3）在⼤规模的平⾯⽹中，移动⽹络使得对远端节点的路由信息是不准确的。由于⽹络很⼤，路由信息需要花费很长时间才能到达远端节点，当到达时，该信息可能就过时了，这种过时的路由信息就会使数据包在传输途中丢失。3.1.2路由协议（算法）

Ad hoc⽹络平⾯结构中的路由协议（算法）可以分为先应式路由和后应式路由，具体的路由协议如图2所⽰。

图23.1.3适⽤环境

从上⾯分析的Ad hoc⽹络平⾯结构的特点可以看出，这种结构的扩展性很差，当⽹络变得很⼤的时候，链路的负载变得很⼤，链路的容量受到很⼤的影响，因此，平⾯结构只适⽤于节点较少的场合，例如海军海上舰艇编队等。3.2分层结构

为了改善Ad hoc⽹络的扩展性问题，可以采⽤两种⽅法。⼀种⽅法就是在⽹络结构保持不变的前提下，对现有的平⾯⽹络路由算法进⾏改进，使平⾯结构更具有扩展性（实际上，这也可以被看作逻辑分层）。例如，在鱼眼状态路由（FSR）中对搜索取值范围内外的节点分别采⽤不同的频率进⾏搜索；优化链路状态路由（OLSR）则通过对部分的邻节点进⾏分组⼴播减⼩控制分组负载；基于随机的⽬的序列距离向量（R-DSDV）引⼊了拥塞控制来减⼩控制负载；路标路由（LANMAR）使⽤⼀个路标（Landmark）可减少节点的跳数。在⼀些按需路由中采取就地修复中断的办法，减⼩了控制负载。⼀些基于地理位置的路由，如定位辅助路由（LAR）和贪⼼周长⽆状态路由（GPSR）则利⽤地理位置信息（如GPS）增加了可扩展性。

另⼀种⽅法就是从物理上改变它的结构，利⽤分层⽹络代替平⾯⽹络，从根本上改变⽹络的扩展性问题。3.2.1结构描述Ad hoc⽹络的分层结构如图3所⽰。

图3

在这种结构中，⽹络被分成了3个层次。Level1：地⾯Ad hoc⽆线⽹。在这个层次上既有普通的地⾯⽆线节点，也有⾻⼲节点（BackboneNode）。⾻⼲节点是嵌⼊到地⾯⽆线⽹中的。在该层次中主要考虑3个问题：⾻⼲节点的最优个数；⾻⼲节点的展开和路由；群⾸（Cluster Head）的选择算法。Level2：地⾯嵌⼊式移动⾻⼲⽹。在战术环境中，⼀些特殊的战⽃单元，如卡车、坦克、相对战⼠可以携带更多的电台装备。这些移动的节点，采⽤波束形成天线，能形成⾼速的定向⽆线通信链路。因此可以选择这些节点作为⾻⼲节点，形成⾻⼲⽹嵌⼊到地⾯⽆线⽹中。在这个层次中，定向点对点的天线主要负责邻近⾻⼲节点之间的互通。每个⾻⼲节点⾄少应当有3组频率分别与普通节点、⾻⼲节点及上⼀层的UA V通信。Level3：空中移动⾻⼲⽹。由⼀组⽆⼈飞⾏器（Unmanned Aerial Vehicle，UA V）组成，采⽤相控阵天线保持与地⾯⾻⼲⽹的联系，同时利⽤波束形成技术保持与UA V之间的互联。这些UA V位于地⾯5万到6万英尺的⾼度，以8海⾥为直径的圆绕⾏。借助空中移动⾻⼲⽹可以实现跨区域的通信。

在这种结构中，低层节点之间的通信利⽤了⾼层次的链路，减少了节点通信之间的跳数，可以很好地⽤在⼤规模通信⽹中，但是，这种结构在改善⽹络扩展性的同时，也出现了⼀些其他的局限。

（1）所有的通信量，即使是同⼀个群内的通信，也要经过⾻⼲节点，这就会在⾻⼲节点处引起拥塞和争⽤。

（2）每个群实际上是⼀个单跳群，这就限制了群的规模，同时会引起频繁

的HID（HierarchicalID）的更新。

（3）在分层⽹中，由于⼀些节点的位置重要（如⾻⼲节点和UA V），易受到攻击，可能对整个⽹络的性能造成很⼤的影响。3.2.2路由算法

图4

分层⽹中的路由算法有区域路由算法（ZoneRoutingProtocol，ZRP），分层状态路由算法（HierarchicalStateRouting，HSR）及其扩展形式EHSR、H-LANMAR等。它们的基本原理都是相似的，下⾯以EHSR为例解释。

在EHSR中，低层的群⾸在⾼层中组成新的群。在图4中，地⾯的节点被分成了许多群，⾻⼲节点被选为群⾸，这些⾻⼲节点在第⼆层中组成新的群，第三层的UA V是第⼆层的群的默认的节点。

每个节点都有惟⼀的地址HID，HID可由物理硬件地址（例如介质接⼊控制（MAC）地址）来表⽰，在EHSR中HID可以这样表⽰：（UA V地址，⾻⼲节点地址，节点⾃⾝地址）。例如，节点5可以表⽰成（51，1，5），⾻⼲节点21可以表⽰成（52，21，21），UA V可以定义成（UA V地址，0，0）。

借助于这些分组地址就可以进⾏数据包的传送，以节点5和节点25之间的传送为例，⾸先节点5把数据包发到它所在的群的群⾸节点1，然后再传到该区域的UA V51，再到对⽅的UA V52，对⽅的⾻⼲节点21，最后到⽬的节点25。整个过程可记做（5，1，51，52，21，25），只⽤5跳就可到达⽬的节点，⼤⼤节省了传输距离。由于节点的移动性，节点可以从⼀个群移动到另⼀个群，那么节点的HID 就要改变，这个改变应当通知给所有的节点。这时可以借助移动IP或蜂窝系统

的家区的概念，每个节点赋予⼀个逻辑地址和⼀个家代理（HA）来登记该节点当前的HID，在分层Ad hoc⽹中，UA V可以作为该区域的家代理。每个⾻⼲节点定期地向所在群⼴播⼀个信标（beacon），⼀个节点收到这个信标后，就可以知道它应当属于哪个群，如果新的群地址与原来的不⼀样，就在HA中更新该节点的HID。3.2.3适⽤环境

从分层⽹络的结构上可以看出，分层⽹络在扩展性和⽹络的容量⽅⾯有了很⼤的改善，因此它能构建很⼤的⽹络，但是由于⾻⼲节点易受攻击，因⽽，Ad hoc ⽹络的这种分层结构⽐较适合于民⽤，当⽤到军事上时，就要采取⼀些措施来尽量减少⾻⼲节点被攻击的可能。例如，可以利⽤群⾸选择算法选择多个备⽤⾻⼲节点，当原来的⾻⼲节点受到攻击时，第⼆优先级的⾻⼲节点可以代替原来那个继续执⾏⾻⼲节点的功能。4 两种结构的⽐较

在上⾯的分析中，已经提到了两种结构的⼀些特点，现把这些特点总结如下。

平⾯结构的优点：⑴⽹络为全分布式结构，源节点和⽬的节点之间⼀般存在多条路径，可实现负载平衡，也可为不同的业务类型选择适当的路径；⑵⽹络中所有的节点都是对等的，原则上不存在瓶颈问题，且具有⼀定的健壮性；⑶平⾯结构中各节点的覆盖范围较⼩，信号被侦听/截获的概率较⼩，⽹络具有⼀定的安全性。