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网络安全Ad hoc网络技术1. Ad hoc网络概述Ad Hoc源于拉丁语，意思是“for this”，即“专用的、特定的”。Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad Hoc网络中，节点间的路由通常由多个网段（跳）组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信,所以又称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。图1所示为Ad Hoc网络的一种典型结构。 图1 Ad Hoc网络的一种典型结构Ad Hoc网络目前有着广泛应用前景。主要有：1)军事应用：军事应用是Ad Hoc网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，成为战场通信的首选技术。2)探测网络：探测网络是Ad Hoc网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说探测网络只能使用无线通信技术。由于探测网络往往由各式各样的传感器构成，而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大，使用Ad Hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成Ad Hoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。 3)紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能被全部摧毁或无法正常工作，这时就需要Ad Hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。Ad Hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，成为这些场合通信的最佳选择。4)个人通信：个人局域网(PAN, Personal Area Network)是Ad Hoc网络技术的另一应用领域.不仅可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设各之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。5)与移动通信系统的结合：Ad Hoc网络与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。在实际应用中，Ad Hoc网络除单独组网实现局部的通信外，还可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与Ad Hoc网络以外的主机进行通信。 补充：蜂窝移动通信蜂窝移动通信方式是把移动电话的服务区别分为一个个正六边形的子区，每个小区设一个基站。形成了形状酷似“蜂窝”的结构，它由移动台，基站，移动交换中心三部分组成。如图2所示。蜂窝网络被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称作蜂窝网络。 图2 蜂窝网络示意图2. Ad hoc网络体系结构 2.1 网络逻辑结构Ad Hoc网络一般采用分布式控制结构，即完全分布式网络结构和分层分布式网络结构，又称为平面结构和分级结构，如图3所示。 在平面结构中，所有节点的地位平等，又称为对等式结构。分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由节点使用算法自动选举产生。 平面结构 分级结构图3 平面和分级路由网络结构2.2 网络层次结构 Ad Hoc网络的协议栈分为5层，分别为：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层，如图4所示。应用层传输层网络层数据链路层物理层图4 Ad Hoc网络的协议栈3. 关键技术 3.1 信道接入技术基于单信道的MAC协议Ad hoc网络根据信道接入时握手协议的发起者可以分为发方主动协议和收方主动协议。 发方主动协议是发送节点主动发起信道预约，即发送者要发送数据时先发送一个RTS（Request to Send）控制分组来与接收者预约信道。大多数信道接入协议都属于这一类，如MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）、MACAW（MACA for Wireless）等。 收方主动协议是由接收方主动发起信道预约的。接收节点主动向发送节点发送RTR（Ready To Receive）控制分组，通知发方已经准备好接收数据，发送节点如果有数据就直接发送。这种信道接入协议减少了控制分组的数目，可以降低额外的开销，从而提高网络的吞吐量。这类协议包括MACA-BI（MACA By Invitation）和RICH（Receiver-Initiated Channel-Hopping）协议等。 根据Ad Hoc网络信道接入协议使用的信道数目，可分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类。 基于单信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的控制分组和数据分组都在同一个信道上发送和接收。典型的基于单信道的Ad Hoc网络信道接入协议有CSMA、MACA、MACAW协议等。 受传播时延、隐藏终端和节点移动等因素的影响，单信道的Ad Hoc网络中有可能发生控制分组之间、控制分组和数据分组、数据分组之间的冲突，容易造成信道带宽的浪费，在网络负载较重时效率很低。基于双信道的MAC协议 基于双信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。 两个信道分别为控制信道和数据信道。控制信道只传送控制分组，而数据信道只传送数据分组。通过适当的控制机制，可以完全消除隐藏终端和暴露终端的影响，避免数据分组的冲突。 目前已有的基于双信道的Ad Hoc网络信道接入协议主要有双忙音多址接入协议DBTMA、节能意识多址接入协议 PAMAS等几种协议。 基于多信道的MAC协议基于多信道的Ad Hoc网络信道接入协议用于具有多个信道的Ad Hoc网络。由于网络中有多个信道，可以给不同节点分配不同的信道，使得更多的节点可以同时并行传输。在额定的信道接入时间条件下，多信道的使用可以减少冲突的发生，提高网络吞吐量，并降低潜在的延迟，因而提供更高的带宽利用率。 典型的基于多信道的Ad Hoc网络信道接入协议有HRMA（Hop-Reservation Multiple Access）协议、多信道CSMA协议、DPC（Dynamic Private Channel）协议等。 3.2 功率控制技术功率控制是移动Ad Hoc网络中的能量保护策略的一种，是指在保证一定通信质量的前提下，尽量降低节点的发射功率。由于功率控制不是通过被动地关闭无线收发器，而是主动地采取某种优化操作得到的，所以又称为主动能量保护机制。在IEEE 802.11协议中，不管源节点与控制节点距离的远近，始终采用最大传输功率发送各控制和数据分组信息，如图5(a)中所示，将会产生如下问题： CA BEFDCA BEFD（a）最大传输功率（b）功率控制图5 采用功率控制对节点间通信的影响图中节点A要向节点B发送数据时，根据IEEE 802.11协议，节点A首先要向节点B发送RTS控制包，然后节点B回复CTS包，当节点A接收到该CTS包后开始向节点B发送数据包，此时如果:1.节点C要向节点D发送数据，节点C会先发送一个RTS分组，但由于节点D位于节点A的覆盖范围内，因此会接收到来自节点A的RTS分组而进入延迟状态，所以节点D不会向节点C响应CTS分组，这样，节点C和D之间就不能建立通信。2. 节点E有数据要向节点F发送，但由图5(a)可知，节点E在节点B的覆盖范围内，因此会接收到节点B发出的CTS分组而进入延迟状态，在延迟时间内，节点E不能向节点F发送RTS分组，因此此时两者之间的通信也不会建立。 若采用功率控制技术，保证源节点所发送的数据能在目的节点