无线：未来互联网“冲击波”

上期，栏日刊载了ＮＳＦ无线移动计划编制组ＷＭＰＧ发布的研究报告中“无线网络在下一代互联网中的应用”内容，本期将刊载“无线对网络　体系结构的挑战；未来无线网络的部署策略；无线网络研究的实验基础架构”等内容。下期，栏目将刊载“小组的主要发现和建议”内容。　无线：未来互联网　ｌ￣／Ｄｉｐｍｒ　Ｒａｙｃｈａｕｄｈ　，Ｍａｎ０　Ｇｅｒｌａ　冲击未来网络结构　正在兴起的无线技术促使互联网产生　了多种新需求，同时也对未来互联网的体　系结构和协议设计提出了新挑战。具体来　说，在无线、移动和传感器网络的主要体系　结构和协议设计中应考虑以下一些问题：　命名寻址的灵活性：目前的互联网寻　址方案相当严格，很适合一个静态的分层　拓扑结构。它提供了一个非常高效的方法　去寻找这个层次中的每一个设备接口。为　了支持移动性，下一代互联网体系结构必　须提供方法去命名和路由到一个更丰富的　网络元素集合中，而不仅仅是一些点上。　它必须支持根据名字路由而不是某些特殊　的特征（如物理地址），这些名字标识了实　际想得到的终端。　移动性支持：对无线网络来说，移动　性是最基本的特征，因此在将来的网络中　提供移动性支持作为首要服务是必要的。　

ＰＤＡ应用到警务工作中　５４中国教育网络２∞７　将来的网络　中，要满足的　移动性包括　终端用户从　一个子网到　另一个子网　的简单移动　（象蜂窝或无　线局域网中　的热点服务）　以及涉及无　线路由和　ａｄ－ｈｏｃ网络群的复杂移　动模式。　定位服务：定位服务　是无线网络的另一个关键　特征。该服务提供了一个　包的源地址或目的地址定　位的信息。定位之上的寻　址机制要求体系结构必须　能使用定位信息在所有的　层上对内在网络进行优化　并且支持定位应用的开发。　自组织和发现：目前　的无线系统体系结构包括　“冲击波＂　

在环境中基于资源的机会鉴别ａｄ－ｈｏｃ网　络。所以，使用的协议应当支持发现无线　邻居和已存在的网络拓扑。自组织的ａｄ－　ｈｏｃ网被用于构建均匀的无线环境，但是　将来的网络将需要更多的能力去组织一些　混合的有线和无线组件。　安全和隐私：在新的互联网中，无线　网络被期望成为发动多种攻击的平台。在　基本水平上，无线设备可能有改进的命名　和寻址方案，确保使用的名字和地址被验　证和授权是必要的。还有与对等ａｄ－ｈｏｃ网　络相关的多种复杂安全条款，包括在纯的　分布式环境中的授权管理和信任。此外，　无线网络容易受到多种拒绝服务攻击，所　以将来对于互联网安全必须加以考虑。　分散管理：由于边缘网络受控于有线　以太网，所以边缘演变为全异无线系统　如：蜂窝、８０２．１１、蓝牙、射频识别以及　传感器网络。管理这样一个全异无线网络　需要增大现存的协议栈以便提供高效的远　层管理、诊断、配置和信任。无线设备并　不总是连接到互联网的核心。在下一代互　联网中，这些设备需要形成Ａｄ－ｈｏｃ网络，　这个网络像大的互联网一样提供相同服务，　只是连接受到限制。Ａｄ－ｈｏｃ群的管理不　仅需要了解每个群中成员的状态还需了解　群之间交互的属性。　跨层协议支持：当一个移动客户端穿　越多个不同的无线域时，其路由属性不断　变化。当支持的应用需要服务质量时，如　多媒体传输等），知道这些动态的变化（在　客户端、服务器或两者之间）可能非常有　用。重要的路径特性包括：可用的容量、留　包率、延迟、跳距离、活力、稳定性和安　全。暴露这些信息允许连接终端在不需要　复杂探测技术的情况下做更多的智能路由。　传感器网络集成：高效的集成传感器　网络和全球的互联网涉及几个额外的需求。　这些需求包括轻量传感器网络协议的接口，　

可能通过一个统一的分层框架解决。无线　维普资讯 http://www.cqvip.com 兰二三兰ｊ三兰ｊ　建设与管理　

场景的其它性能需要有非网络设计、内容　知道、数据聚集及数据的完整性机制。一　个基于动态绑定服务的属性或定位对于开　发实时传感器应用也是很重要的。总的来　说，传感器网络需要与新ｓｏｃｋｅｔ层相匹配　的标识和设计模型，这同今天的ＴＥＰ／ＩＰ　范例明显不同。　感知无线网络：感知或软件定义的无　线被期望成为推动将来无线网络的技术，　感知无线使无线设备能灵活的创造许多不　同种类的通信链路。这些链路依赖需要的　性能和频谱／接口限制，将成为下一代互　联网中一个重要的组成部分。尤其是许多　无线网络体系结构，如：Ｍｅｓｈ网，正在被　建议作为骨干架构的替代物。　经济动机：构造机会网络需要激励政　策，该网络使用第三方节点用来存储和转　发。在群的世界和连接性动态改变的城市　和商业街，使用邻居的资源来提供一系列　服务（数据转发、数据传送、信息站）是　有益的。然而，这也使邻居容量消耗、负　载增加、吞吐量减少及引发安全危机。这　时，应当由某种形式的信用或报酬作为合　作的动机，相似的动机可以用作鼓励无线　频谱的共享。　未来的部署策略　考虑到全球互联网按照访问、地区、　国家网络固有的分层，主要有三种部署选　择被考虑，分别如下：　边界路由器：即在最小的地区和国家　互联网冲突的基础上为无线和传感器网络　定制ＩＰ＋ｗ或ＩＰ＋ｓ规范，且　在与原先互联网接口处有　一个合适的边界路由器，　这个方法（在过去ＩＥＴＦ采　用它作为移动ＩＰ和ａｄ－ｈｏｃ　ＭＡＮＥＴ的规范）在传统的　网络中有特定的优势，但　是在涉及有服务器的端到　端服务中会存在潜在的网　关处理瓶颈和困难。　重叠网：在这种方法　中，新的无线／移动访问网络通过一个全　球的重叠网互联，该网络具有无线的具体　特征，如定位服务和基于属性的地址解决。　重叠网使用ＩＰ隧道作为基本的传输因而能　重复利用已存在的互联网作为它潜在的架　构。重叠网的方法有许多优点，包括用较　小的投资迅速发展新的网络服务等。　事实上，每一种网络都能被定制成满　足特殊应用需要。其主要缺点是增加的包、　处理的复杂性以及来自其余新网络层的潜　伏。事实上通过多样的重叠可能导致按应　用类别分段的网路，因此减少网络影响有　利于关联一个单一的互联网ＡＰＩ。　单一的端到端的体系结构：即对　无线／传感器访问网络和全球的互联　网被一种单一的端到端的体系结构完　全取代，这种方法需要很高的成本，要　冒很大风险，但是它在为各种需求提　供一个能被优化的轻量级的网络解决　方案时，具有很大的潜力。　未来研究的实验基础　进步，不论在量上还是在质上。灵活的和　可编程的组件是构建将来网络和改变无线　技术的关键，这些组件主要有：　１．开放的ＡＰＩ无线　该ＡＰＩ能通过不同的无线技术提供统　一的服务。ＡＰ１支持数据传输（包）和一　个无线控制和测量转换的控制接口，它在　其他一些情况下可能是多元的基于单个基　础协议。　２．感知无线　感知无线的想法扩展了硬件无线和软　件定义的无线（ＳＤＲ）的概念，从一个简　单的单一的功能设备到能对其操作环境理　解和起反应的无线。一个感知无线合并了　多个信息源，决定了它当前的操作设置并　且同无线网络中其他的感知无线合作。　３．无线ＭＡＣ的虚拟化　与传统的虚拟网络不同，无线网络中　问题非常明显，因为无线网络的特性受到　了ＭＡＣ层和ＰＨＹ层极大的影响。近来的　研究结果显示，构建一个廉价的虚拟的无　线接口用于ＭＡＣ层高效的重叠网实验是　可行的。这能被扩展成虚拟的物理层但需　要考虑额外的成本。建议的ＭｕｌｔｉＭＡＣ方　ＷＭＰＧ，＇Ｊ￣组成员建议，网络试验基础　架构应当被设计成能兼容大范围无线网络　的结构，以便提供访问无线技术和传感器　应用。此外，这样一个无线／传感器实验　床应该集成一个灵活的广域有线网络基础　架构，该架构能够用于研究端到端的体系　结构和协议，网络可编程性和虚拟化是无　线实验网设计的两个重要特征。　灵活的实验性无线网络技术　无线技术在过去的ｌ０年中有了明显的　图１　ＭｕｌｔｉＭＡＣ方法的结构　法的结构如图ｌ。　４．无线网络监控和测量　典型的无线电测量参数如：ＲＳＳＩ（无　线信号强度指示器），链路质量（包错误　率），ＭＡＣ拥塞指示器，链路吞吐量和全部　节点的吞吐量。无论从网络管理的角度还　是从终端用户在不同种类的环境中进行服　务选择的角度来说，无线测量都非常有用。　５．无线仿真模拟试验床　无线网络的研究面临着一个有关管理　２０。７　１中国教育网结５５　维普资讯 http://www.cqvip.com 效率、可重复实验的独特的挑战，　这个实验对现实世界环境进行了　适当的封闭。在过去的１０到１５年　问，许多仿真方法被研究团体所　开发，包括网络仿真，如：ｎｓ－２等，　在早期的研究中，为使实验更加　真实，竞争者被建议用真实的平台评价完　整的网络协议栈，这样避免了物理世界部　署的复杂性。　几个无线网络仿真实验床在２００３年　启动的ＮＳＦ网络研究实验床（ＮＲＴ）工　程下开发，这些实验床包括：Ｕ　ＣＬＡ的　ＷｈｙＮｅｔ　ｈｙｂｒｉｄ模拟／仿真；Ｕｔａｈ的　Ｅｍｕｌａｂ仿真实验床；Ｒｕｔｇｅｒｓ的ＯＲＢＩＴ　无线网格实验床。　无线网络平台　许多无线平台包括传感器到无线路由　器需要构建一个无线网络。无线平台的设　计目标包括：　１。设计必须支持多种无线技术，对卜　３层（ｒａｄｉｏ，ＭＡＣ和ｎｅｔｗｏｒｋ）提供开　放的ＡＰＩ，且有一个通用的开源软件架构。　２。网络节点应该支持软件下载、多协　议和与核心架构中的虚拟网络节点互操作　的能力。　３。网络节点应该支持远程监控和重新　启动特征，这对网络操作和域中设备的管　理是很重要的。　为了简化开发，无线网络实验系统的　研究应当用一个有标准组件的块，其中的　硬件组件包括商业移动平台，嵌入式ＣＰＵ　板，转换硬件，插销式的无线模块和远程　监控／控制模块。所有的这些组件（可能　除了特定的嵌入式传感器设备）共享一个　带有统一无线ＡＰＩ的基于开源Ｌｉｎｕｘ的通　用的软件模块。　以下无线平台可以被认为是实验性无　线网络：（１）具有无线接收装置如：Ｍｏｔｅ　［ＣＲＯ］，Ｚｉｇｂｅｅ的嵌入式无线传感器；（２）　外置可插的无线通讯设备，如：８０２。１１或　ＵＭＴＳ［ＵＮＩ］／ＷｉＭａｘ的移动计算设备；　（３）具有双网络接口的普通无线访问点或　转发节点；（４）具有交换结构和多个无线、　５６中国教育网络２∞７　图２灵活的无线网络实验床　有线端口的无线路由器。　螭到螭的软件体系结构　开放访问的无线网络的端到端软件体　系结构集成了一个灵活的无线网络实验　床，如图２所示。其中，控制、数据和管　理／监控功能通过网络逻辑上独立的面来　实现，这些面可能使用可用的独立的虚拟　网络。　每个无线节点运行单个控制程序和一　个或多个的实验协议以便每个虚拟化的网　络被研究，包括编码下载的实验控制通过　网络中的一个节点处理者服务处理。一旦　它被载入特定的平台，实验协议通过带有　和无线路由器上相应模块的无线ＡＰＩ和接　口来运行。管理和数据收集通过网络中单　个的服务来处理，它与独立的控制接口　（通过以太网或ＤＳＬ电缆或通用的蜂窝数　据网络，如：ＧＰＲＳ）相联系，能用作远程　诊断、重启等。进一步的工作包括协调无　线软件体系结构和实验性的有线网络结构　１　１的ｍｅｓｈ／ａｄ—ｈｏｃ网、广域的郊外无线　网络、传感器网络、感知无线网络和基于　无线网络的互联网核心架构。　除了上面的六个实验性网络，几个基　于网络服务的互联网也需要支持实验，这　些服务包括定位，频谱一致性以及传感器　地址解决服务。　未来研究方向　ＷＭＰＧ小组成员认为，设计、分析、　实现和虚拟化未来无线网络以及它与全球　互联网的集成，这是研究团体的一个主要　挑战。在过去的１０年里，无线网络研究的　单一的流行区域是ａｄ—ｈｏｃ网络路由，在　此方面取得了相当大的进步。现在，焦点　需要转移到与ａｄ—ｈｏｃ网络相联系的更广　泛的问题上，如：发现和拓扑优化或媒体　访问控制和路由问的优化。Ｌｏｃａｔｉｏｎ—　ａｗａｒｅ网络是未来互联网中的一个重要问　题，几个专家一致同意介绍定位能力不论　对边缘网络还是整个互联网来说，都是一　个重要的目标。在传感器网络领域，过去　５年产生出一个明显的研究结果可作为未　来互联网的研究基础。　移动／无线和传感器网络场景中安全　和隐私仍然是一个重要的研究问题。众所　图３无线网络场景中支持灵活的买验架构　以确保单用户接口的端到端操作的需要。　实验性无线网络　认识到许多互联网应用概念包括无线　终端用户设备和传感器，讨论人员建议研　究架构应该在多种实际的无线网络场景中　支持灵活的实验，如图３。具体的无线网络　场景可以考虑作为与研究架构相关联来实　现。从图中可以看出实验性无线网络主要　包括：无线仿真和模拟、基于Ｕｒｂａｎ　８０２。　周知，无线网络的扩散为攻击提供　了易接近的入Ｉ：１，如监听和拒绝服　务，所以无线安全问题对整个互联　网都很重要。ＷＭＰＧ成员的讨论也　集中在对这个领域的进步关键的实　验研究上。　由于得到了ＮＳＦ计划如网络研　究实验床（ＮＲＴ）和ＮｅＴＳ的支持，　无线研究团体在过去的３－＇５年中取得了明　显的进步。将来在无线网络上的实验工作　应当建立在现有的实验床和可见的平台资　源上，以便验证协议设计，评价端到端的　网络问题。毫无疑问，无线网络的下一个　主要实验步骤是建立与实验系统相似的大　规模实验系统。圆　（翻译：赵俊杰兰州大学信息科学与工程学院　审译：李贺武清华大学信息工程网络研究中心无线与　移动研究室．武文忠兰州大学信息科学与工程学院）