无线自组织网络综述

无线自组织网络综述余梓奇11(中国科学技术大学计算机科学与技术系,合肥230000)摘要:无线自组织网络是一种随着无线通信技术的发展出现的新型网络，作为一种新型的无线、多跳、无中心分布式控制网络，它无需网络基础设施，具有很强的自组织性、鲁棒性、抗毁性和容易构建的特点，具有重要的军事价值和广阔的商业应用背景。论文详细介绍了无线自组织网络的路由协议、服务质量、功率控制、安全问题和互联问题进行分析和探讨，并对无线自组织网络的发展前景作了展望。关键词:无线自组织网络;路由协议;综述;1引言无线通信技术的迅速发展，使得人们对移动通信的需求越来越强烈，人们通过配有无线接口的便携式计算机或个人数字助理(PDA)来实现移动中的通信，目前的移动通信往往需要有固定基础设施的支持才能实现，例如全球通信系统(GSM)。但是当遇到医疗抢险、抗洪救灾以及军事战场等特殊紧急环境的时候，传统的无线网络就不可用了[1]。为了能够在没有固定基础设施的地方进行通信，一种被称作无线自组织网络（Adhoc网络）的技术应运而生。Adhoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信，AdHoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程。Adhoc网络组网灵活、快速，使用非常方便，但必须为其设计专门的协议和技术，因为传统固定网络和移动蜂窝网络中的技术和协议无法直接复制到Adhoc网络，这是由Adhoc网络自身特性决定的。自组织网络已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一。2无线自组织网络特点Adhoc即自组网络，它是仅靠移动站自身而不需要固定基站就能组成网络。这种自组网络没有基木服务集中的接人点而是一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络(图1)。图1中显当移动站A和E通信时，是经过A→B,B→C,C→D和最后D→E这样一连串的存储转发过程[2]。在从源结点A到目的结点E的路径中的移动站B,C和D都是转发结点，这些结点具有路由器的功能。Adhoc网络没有预先建好的网络固定基础设施(基站)，网络一般也不和外界其他网络相连接。图1自组网络节点传送示意图无线自组织网络具有以下主要特点[3]：(1)无中心：无线自组织网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加人和离开网络。仟何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。(2)自组织：网络的布设或展开无需依赖于仟何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。(3)多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，无线自组织网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。(4)动态拓扑：无线自组织网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。(5)移动终端的局限性。AdHoc网络中，移动终端存在固有缺陷,例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等，同时屏幕等外设较小,不利于开展功能较复杂的业务。(6)安全性较差。移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击,易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。(7)网络的可扩展性不强。动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个AdHoc网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在AdHoc网络环境中。(8)多跳路由。由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。AdHoc网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的,而不是由专用的路由设备完成的。3无线自组织网络关键技术3.1路由协议路由协议是无线自组织网络的重要组成部分，开发良好的路由协议是建立Adhoc网络的首要问题。与传统网络的协议相比，Adhoc网络路由协议的开发更具挑战性，这是因为传统网络的路由方案都假设网络的拓扑结构是相对稳定的，而Adhoc网络的网络拓扑结构是不断变化的。另外，传统网络的路由方案主要依靠大量的分布式数据库，这些数据库保存在某些网络节点和特定的管理节点中，而Adhoc网络中的节点不会长期存储路由信息，并且这些存储的路由信息也不总是可靠的。大量的研究表明，理想的Adhoc网络路由协议必须具备以下功能[4]：1.维护网络拓扑的连接。2.及时感知网络拓扑结构的变化。3.高度的自适应性。根据路由表的维护特点，无线自组织网络的路由协议大致可分为：1.表驱动路由协议。2.按需驱动路由协议。3.混合路由协议。表驱动路由协议又称先应式路由协议，是指网络中的节点通过周期性的广播交换路由信息，获取其他节点的路由。由于这种方式需要不断在节点之间进行路由信息的交换和更新，占用了大量的网络资源，而事实上有很多的路由信息并不是必须的，这就造成了网络资源的浪费，所以这种路由方式一般只用在传统网络中，不大适用于Adhoc网络。按需路由协议又称反应式路由协议，是指节点只对自己需要使用的路由进行维护和查找，也就是说，节点之间不必周期性的交互路由信息，解决了因交互无用的路由信息引起的网络资源浪费[5]。混合路由协议是对表驱动路由协议和按需驱动路由协议的综合，它先在局部范围内使用表驱动路由协议，缩小路由控制消息传播的范围，当目标节点较远时，再通过按需驱动路由协议查找发现路由，这样就均衡了路由协议的控制开销和时延两个性能指标。3.2功率控制功率控制是指通过调整信号的发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。由于无线自组织网络的特殊性，如果对它进行功率控制，不但可以降低网络的能量消耗，还可以减少对邻近节点的干扰，提高信道的空间复用度，从而提高整个网络的容量。目前，功率控制已成为提高Adhoc网络性能的常用机制，并逐渐成为Adhoc网络应用中不可缺少的重要手段。由于无线自组织网络是一个无任何基础设施和集中管理机构的无线多跳网络，各个节点的功率控制必须根据局部的信息做出决定[6]。通常，一种理想的Adhoc网络功率控制方法需满足以下要求：1.简单、高效、灵活、扩展性强。2.拓扑结构中节点的度要尽量小，从而减小节点间的相互干扰，增加网络吞吐量。3.能实现功率路径的最优化，从而节约能量，延长网络寿命。4.网络中的每个节点只需使用局部的信息就可以决定自己的传输半径和传输功率。实际上，功率控制问题与Adhoc网络中的物理层、链路层、网络层以及传输层都密切相关，它们都可以采取相应措施进行功率控制。目前，对Adhoc网络功率控制机制的研究主要集中在链路层功率控制、网络层功率控制和混合功率控制三个方而。3.3安全问题由于在无线自组织网络中没有可信任的中心节点和通信基础设施，并且所有的节点都是移动的，节点本身要充当主机和路由器，节点间的通信完全通过无线信道来完成，它的这些固有特性使网络安全面临巨大的挑战。与传统网络相比，Adhoc网络更容易遭受各种安全威胁，如窃听、篡改数据、拒绝服务和伪造身份等。在安全目标上，无线自组织网络与传统网络是一致的，主要包括机密性、完整性、认证性、不可否认性、可用性和访问控制等方而，但要实现这些目标相当困难。传统公钥密码体制中的数字签名、加密、报文鉴别码等技术本来可以实现信息的机密性、完整性、不可抵赖性等安全服务，但是它需要一个可信任的密钥管理中心进行密钥分配，而在Adhoc网络中不允许存在这样的认证中心节点。因为单一的认证中心节点极易成为网络的瓶颈，一旦崩溃将造成整个网络瘫痪，更为严重的是，单个认证中心节点是攻击者的首选攻击目标，一旦被攻破将使整个网络完全失去安全性。虽然可以通过备份认证中心来提高抗毁性，但同时也增加了被攻击的目标，任何一个认证中心被攻破，整个网络就会失去安全性。因此，Adhoc网络的密钥管理非常关键。目前，无线自组织网络密钥管理的研究主要集中在四个方而：1.局部分布式CA证书。2.基于多项式的秘密共享。3.基于PGP的自组织公钥管理。4.基于身份的密钥管理方案。前三者都是建立在传统公钥系统的基础上，尽管可以考虑使用对资源占用较小的公钥加密算法(如椭圆曲线加密算法)，但无论采用什么方法来实现分布性，Adhoc网络中的通信量和节点存储量都比较大。因此，在Adhoc网络中，使用对资源占用较小的基于身份的加密系统来进行密钥管理，应该是提高网络性能的有效途径。纵观网络安全的发展历史，我们可以得知任何一个方案都不可能是完全安全的，总是存在这样和那样的漏洞，因而入侵检测就顺理成章地的成为安全方案之后的第二道防线。目前，Adhoc网络的入侵检测系统主要有四种：1.分布式入侵检测系统。2.基于AODV协议的入侵检测系统。3.基于移动代理的分布式入侵检测系统。4.本地入侵检测系统。前三种入侵检测系统在节点开销、互操作性和检测新入侵模式方而存在一定缺陷，只有本地入侵检测系统比较理想，基本上符合Adhoc网络入侵检测系统的要求，但仍需要改进和加强。3.4互联问题通常，无线自组织网络是以独立的通信网络形式存在，它不与其他任何网络连接，所有节点之间通信都在网络内部进行。但是在实际应用中，Adhoc网络不可避免要与其他网络互连，特别是与Internet互连。由于Adhoc网络与Internet的路由方式不一样，如果要在它们之间实现无缝互连，就必须存在一种特殊的网关，它既能适应Internet网络的层次性路由机制，也能适应Adhoc网络中的特定路由机制，并且能实现不同网络中节点间的通信。国内外众多学者正在研究Adhoc网络与Internet的互连，提出了几种最具代表性的方案：1.基于移动子网的Adhoc接入方法[7]。2.基于中心代理的Adhoc接入方法。3.基于移动IP的Adhoc接入方法。由于研究还处于初级阶段，所以无论采用何种接入方案都存在问题，这些问题也只有随着研究的深入才能解决。4无线自组织网络应用无线自组织网络在民间和军事方面均有许多潜在的应用。移动自组网络可应用于救灾通信、WLAN扩展、传统移动通信的后备网络、信息家电互联、机器人之间的通信、个人无线网络等需要临时、快速建立通信网络的场合。主要有以下几点：(1)军事应用：军事应用是Adhoc网络技术的主要应用领域。Adhoc网络技术可用来构建战术互联网，或用于已有军事网络以提高网络的可靠性和生存性。美军在其联合作战2020规划中就采用Adhoc网络技术作为网络支撑技术。(2)传感器网络：传感器网络是Adhoc网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说，传感器网络只能使用无线通信技术，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Adhoc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Adhoc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它灾难打击后，固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，这时就需要Adhoc网络这种不依赖仟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。Adhoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。例如，我国今年发生的5·12特大地震，地震过后城镇内的数字蜂窝移动系统的基站被全部摧毁，有线通信设施也因遭受破坏而无法正常通信。当救援部队进人的时候，所有原有的通信都已瘫痪，这时就要通过Adhoc网络快速建立应急通信网络，保证救援工作的顺利进行，完成紧急通信仟务。(4)个人通信：个人局域网(PAN,PersonalAreaNetwork)是Adhoc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备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网就是一个典型的例子。5结束语无线自组织网络是一种新颖的移动计算机网络的类型，它既可以作为一种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。在无线自组织网络的研究中还存在许多有待解决的问题，设计具有节能策略、安全