自组织网络应.docx

移动自组织通信网络技术概况及应用程相荣 2015110154 2282507242摘要：本文对移动自组织网络技术的概念,特征和应用进行了介绍,分析了目前无线移动自组织网络的关键技术,与现有通信网的融合及其技术的实现等,同时对自组织网络的前景进行了简单的调研.关键词:自组织网络,路由方法,安全,应用 1 引言 移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network: MANET)出现之初指的是一种小型无线局域网.这种小型局域网的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信.而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时,网内其它节点可以帮助中继信号,以实现网络内各节点的相互通信.由于无线节点是在随时移动着的,因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的.它们之间的通信模式也就无法直接照搬目前有基础设施的通信网的通信模式,至少在寻址模式上是如此.具体说来,无基础设施需求的MANET有着下面一些主要特征:分布式自组管理与控制;物理通信链路是带宽受约束的无线链路; 物理拓扑动态变化; 功耗是重要的约束条件(由于无线移动); 物理安全性有限(无线信道的开放性造成). 2001年以前,Ad Hoc还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念.但3年后的现在, 自组织网络 Ad Hoc 已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术，因为MANET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一,甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起,从而实现世界通信网络的大统一.为什么就在短短的两三年内Ad Hoc会流行起来呢,下面两点是主要原因:技术进步使其具有了可实现性: （1）各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流; （2）无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大提高，并使其成了一种日用消费品;（3）军事战争的需要,自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用.作为移动通信的一种基本组网模式,移动Ad Hoc网络与传统的蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进行的.系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的.由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点,所以它们允许节点发生故障,离开网络或加入网络.也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动,而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接.因此具备动态搜索,定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求.也正是由于这些原因,自组织网络的设计实现十分困难.现在用于固网的很多通信机制都无法用于Ad Hoc网络中.本文就目前自组织网络技术方方面面的研究挑战进行介绍，对自组织网络的未来应用进行了简单分析。 2 移动自组织网络的研究挑战移动自组织网络的研究主要集中在组网理论，路由算法,接入控制,安全管理等方面.下面我们简单的进行说明.2.1 自组织网络理论 自组织网络的运行不能依赖于任何预设的固定网络设施.结点可以随意移动,可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境.自组织网络可以分成两种结构:平面结构和分级结构。平面结构中,所有结点的地位平等,所以又称为对等式结构.而分级结构中,网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个成员节点组成。簇头结点负责簇间业务的转发.根据不同的硬件配置,分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种.单频率分级网络只有一个通信频率,所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，需要有网关结点(同时属于两个或多个簇的结点)的支持。簇头和网关形成了高一级的网络, 称为虚拟骨干.而在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率.低级结点的通信范围较小,而高级结点要覆盖较大的范围.高级的结点同时处于多个级中,有多个频率,用不同的频率实现不同级的通信.两级网络中,簇头结点有两个频率.频率1用于簇头与簇成员的通信.而频率2用于簇头之间的通信.在平面结构中,每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由.由于结点的移动性,维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息.网络规模越大,路由维护和网络管理的开销就越大,网络的可扩充性较差.分级结构克服了平面结构可扩充性差的缺点,网络规模不受限制.分级结构中,簇头的功能相对较强,而普通节点的功能比较简单,基本上不需要维护路由.这大大减少了网络中路由控制信息的数量. 此外,分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构.2.2自组织网络中的路由实现 自组织网络中分组传输的路由算法是当前受到最为广泛研究的问题.我们知道现在的无线通信网都是有固定基础设施的,因此在移动过程中其分组路由的实现相对比较容易.而在自组织网络中,当节点移动时不再存在本地代理或外部代理帮助其实现路由分组.网络中不再存在缺省的路由,网络中的每个节点都要求具有独立查寻路由并转发分组的能力.因此传统路由算法无法直接应用到自组织网络中,需要为其专门设计研究新的路由算法.我们先来看看传统的路由算法.传统的路由算法有两类,一是距离矢量路由算法,另一类是链路状态算法。距离矢量路由算法的特点是: 周期性地与所有物理相邻的节点交换可达性消息; 当有多条可达路径时选择一个最短的. 链路状态算法的特点是: 周期性地向网中所有的路由器通知当前所有物理链路的状态; 每个路由器都得到一张完整的网络拓扑图.传统路由算法在有基础设施的网络中运行得很好,但是在自组网中却存在如下的问题: 网络拓扑变化太快,传统算法将会给网络造成很大控制负荷;限制了移动自组织网络的性能:周期性的路由刷新加大了移动节点的能量消耗,固定网的睡眠模式无法应用于自组织网络中;路由消息的交换大大减少有效系统带宽; 针对固定网路由算法的缺点,人们提出了多种能应用于自组织网络中的路由算法,主要可分表驱动路由算法如DSDV,WRP(Wireless Routing Protocol无线路由协议)等,按需驱 动路由算法如AODV(Ad hoc On-Demand Vector),TORA,DSR,ABR(Associativity Based Routing基于关联性的路由算法),SSR(Signal Stability Routing信号稳定度的路由算法)等, 区域路由算法如ZRP.但是这些算法所能支持的节点数目有限.当网络节点数增多时,网络性能将严重下降.同时这些算法没有考虑到节点的功耗,以及对服务质量的支持.2.3 自组织网络服务质量与安全 Ad Hoc网络一方面作为自治系统,有自身特殊的路由协议和网络管理机制;另一方面作为互联网在无线和移动范畴的扩展和延伸,它又必须能够提供到互联网的无缝的接入机制.当前互联网已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量.近年来随着多媒体应用的普及和Ad Hoc网络在商业应用的进展,人们很自然地会产生在Ad Hoc网络上传送综合业务的需求,并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障.因此 Ad Hoc网络QoS保障的支持显得越来越迫切和重要.但是与固定的有线网络不同,Ad Hoc网络中提QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战.与其它通信网络一样,Ad Hoc网络中的服务质量保证也是个系统性问题,不同层都要提供相应的机制.其实现至今仍是一个待解决的问题. 除了服务质量,安全也是自组织网络中的一个大问题.Ad Hoc网络的特点之一就是安全性较差,易受窃听和攻击.因此,需要研究适用于Ad Hoc网络的安全体系结构和安全技术.目前在安全方面主要集中WEP(Wired Equivalent Privacy等效于有线加密),WEP1密码协议安全性分析与攻击方法的研究,消息认证和完整性技术研究等几个方面.3 移动自组织网络的应用 自组织网络的应用主要包括以下几个方面: （1）移动会议:在室外临时环境中,工作团体的所有成员可以通过Ad Hoc方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务,或协同完成某个计算任务.在室内办公环境中,办公人员 携带的包含Ad Hoc收发器的PDA可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件,更新 工作日程表等.（2）家庭网:通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭,必要时在家庭办公.或者利用我们随身携带的个人无线Ad Hoc设备与装备了Ad Hoc收发器的家庭电器通信,自动完成开锁,开灯,打开娱乐设备,调节空调等操作. （3）紧急服务:由于停电或其他灾害出现,网络基础设施遭到破坏时,组建一个Ad Hoc网络帮助紧急救援人员完成必要的通信工作.传感器网络:最近,人们开始关注大量分布的传感器协调工作问题.传感器可以工作在 危险的环境(如化学有害物质泄漏现场),通过在传感器上装备位置指示器,Ad Hoc收发器等,将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外,收集和辨别事故信息,避免救援人员进入现场.（4）个人域网络:通过Ad Hoc网络把个人通信,娱乐,办公等设备联网,这些设备可以与 互联网网相连,也可以不与互联网相连,但在执行用户的某项活动时肯定需要彼此通信.在 这种情况下,移动性不是主要问题. 其他商业应用:如未来装备Ad Hoc收发设备的机场预约和登机系统可以自动地与乘客携带的个人无线Ad Hoc设备通信,完成目前的换登机牌等手续.如商场内商品RF标签, 廉价的RF标签可以通过无线接口由Ad Hoc设备动态刷新.顾客若携带手持无线设备可以 很容易地找到某