自组织网络综述

自组织网络综述摘要:自组织网络（AdHoc）是一种新型、多跳、自组织的无线网络,借助于多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离,网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络,从而拓宽网络的覆盖范围,为用户提供各种服务、传输各种业务。文中介绍了自组织网络网络的发展历史、概念、主要特点、国内外的研究现状及自组织网络的应用,并指出了自组织网络管理面临的问题。关键词:AdHoc;无线网络;自组织;多跳;动态1.前言随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望,近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理来实现移动通信。为了能够在没有固定基站的地方进行通信,一种新的网络技术——AdHoc网络技术应运而生。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,同时它也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。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,甚至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。2.自组织网络的概述自组网是由一组带有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不再彼此的通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现多条通信。中间节点帮助其他节点中继时，先接受前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网。在自组网中,每个用户终端不仅能移动,而且,兼有路由器和主机两种功能。一方面,作为主机,终端需要运行各种面向用户的应用程序;另一方面,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完成数据的分组转发和路由维护工作。自组网具有以下特点：1)无中心和自组织性。AdHoc网络中所有节点的地位平等,网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为,无需人工干预和任何其它预置的网络设施,可以在任何时刻任何地点快速展开并自动组网。2)自动配置。由于网络动态变化,AdHoc网络自动配置过程需要确保网络能够正常工作,这涉及到连接Internet的网关节点的更换,簇头的更新等。3)动态变化的网络拓扑。AdHoc网络中,移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动,并可以随时关闭电台,加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化,而且变化的方式和速度都难以预测。4)受限的无线传输带宽。由于无线信道本身的物理特性,它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外,竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。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。9)存在单向的无线信道。AdHoc网络采用无线信道通信,由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。10)特殊的信道共享方式。在AdHoc网络中,广播信道是多跳共享的,一个节点的发送,只有其一跳相邻节点可以听到。11)有限的主机能源。在AdHoc网络中,主机均是一些移动设备,如PDA、便携计算机或掌上电脑,主机的能源主要由电池提供,因此AdHoc网络能源有限。3.自组织网络的发展历史AdHoc技术起源于20世纪70年代,它是在美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助研究的“战地无线分组数据网(PRNET)”项目中产生的一种新型网络技术。后来,DARPA又于1983年和1994年分别资助进行了抗毁自适应网络(SurvivableAdaptiveNetwork,SURAN)和全球移动信息系统(GlobalMobileInformationSystems,GloMo)两个项目的研究,以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。最初的动机之一就是满足战场生存的军事需求,因此能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本要素,它将分组交换网络的概念引伸到广播网络的范畴。这项工作开辟了移动自组网(MobileAdHocNetwork,简称AdHoc网络或MANET)研发的先河。在20世纪70年代到90年代早期,我们很难从公开的出版物上获得有价值的理论与技术成果。90年代中期,随着一些技术的公开,AdHoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。因特网任务工作组(IETF)于1996年成立了MANET(MobileAdHocNetworks)工作组,专门研究AdHoc网络环境下基于IP协议的路由协议规范和接口设计[10]。这使得AdHoc网络的设计思路也由传统的单一技术体系过渡到基于IP的多技术体系,从而导致该网络更具有开放性、适应性、灵活性,提高了开发速度。1998年以来,无论是国内还是国外,各科研团体对无线AdHoc网络的研究不断升温,尤其是在网络层的路由协议方面,其研究工作已经取得了很大的进展。目前AdHoc网络尚未达到完全实用阶段,大部分工作仍处在仿真和实验阶段,仿真规模在数百至数千结点,实验规模在几十个结点左右。目前，无线自组网在民用方面的应用主要体现在无线局域网与无线个域网上。自组网的应用范围不断拓展。其中一个重要的方向就是在公共移动通信系统（例如蜂窝移动通信系统）中支持自组织方式。另一个重要的发展方向是传感器网。从通信的角度来讲，传感器网属于一种特殊的自组网。4.自组织网络的研究热点90年代以来，移动AdHoc网络的研究在世界范围内方兴未艾，已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。目前，无论在国际上，还是在区域上（欧洲和亚洲等地区），周期性的AdHoc网络学术会议日益增多。总结国内外研究现状，目前无线自组织网络的主要研究领域包含MAC层协议、路由协议、如何节省能源、QoS保证、网络安全、多播、网络管理等多个方面。4.1MAC层协议在无线自组织网络中，由于节点的通信范围有限和随机移动特性，将会产生隐藏和暴露终端等问题。由于现有的CSMA协议不能直接应用于无线自组织网络，因此必须采用新型的MAC协议，以便获得较高的信道利用率和较低时延的公平接入。对于隐藏终端问题，可以采用控制报文握手协议的方法来解决。但是在单信道条件下则无法彻底解决，为此必须采用双信道方式：收发数据的数据信道和收发控制信号的控制信道。目前，已经提出了一些可以应用于无线自组织网络的MAC协议，如MACA、MACAW、FAMA和DCF以及DBTWA等。其中，多只接入冲突避免协议（MACA）采用了RTS/CTS信道的握手机制，提高了无线信道的利用率，并解决了部分隐藏终端问题，但是仍然无法避免控制分组间的冲突，不具备链路层的确认机制，协议的公平性也较差。针对MACA存在的问题，无线多址接入冲突避免协议（MACAW）进行了改进，采用乘法增加现行减少退避算法替代了二进制指数退避算法，可以获得更好的公平性，同时采用RTS和CTS的数据应答握手机制，进一步提高信道的利用率，但是协议的主要缺点是通信中控制信息交互次数太多，并且也不能完全解决暴露终端问题。FAMA是基于单信道的无线自组织网络接入协议中较成功的一种。美军在无线互联网网关中使用的信道接入协议就是FAMA，它对MACA和MACAW做了进一步改进，通过延长RTS和CTS控制报文的长度来消除控制报文的冲突，从而比较好地解决了隐藏终端问题，同时节点可发送多个报文，增加了网络的吞吐量。IEEE802.11的DCF提供了对无线自组织网络的支持，信道接入采用CSMA/CA机制，并采用了类似于MACAW的握手机制，但区别在于它使用了载波监听功能。以上的几种方法都是建立在所有相关节点都能听到RTS/CTS消息的假设条件基础上，然而在高速移动的大型网络中这种假设有时并不成立。当网络负载很高时CTS发生冲突的概率很大，为了解决这些问题，提出了双忙音多址接入协议DBTMA。通过双信道加忙音的方法，不仅解决了隐藏终端问题，而且降低了控制信号发生冲突的概率，因而网络利用率较MACAW提高一倍。上述的信道接入协议在一定程度上解决了信道接入问题，但都存在着一定的局限，一般都要求较小的网络规模和较低的移动性。现在存在着一些移动自组织网络的国际标准，例如：IEEE802.11系列、HIPERNET和Bluetooth。当前，信道接入协议的研究仍在进行之中，未来的研究方向包括如何为实时业务提高较好的支持、如何支持广播和多播业务以及考虑支持业务优先级和基于受控方式的接入机制等。4.2路由协议无线自组织网络路由协议方面的研究是无线自组织网络最重要的研究方向之一。网络中节点随时移动、网络拓扑动态变化，使得传统的距离向量和链路状态路由协议不再适用于无线自组织网络，必须根据无线自组织网络的特点进行修改，或者提出一些新的路由协议。设计良好的路由协议是建立无线自组织网络的首要问题，也是主要的研究热点和难点。至今已经提出了数十种适用于无线自组织网络的路由协议，综合起来可以分为三大类：平面路由协议、层次路由协议、位置路由协议。在平面路由协议中，各节点具有平等的地位。而在层次路由协议中，通常制定一些节点担任簇头的角色，负责其区域内节点和区域间节点的通信。位置路由则要求每个节点必须装备GPS设备，能够确定节点方位。平面路由协议中又可分为预先路由协议和按需路由协议。这里提出了一些比较典型的路由协议，如：预先路由协议中的FSR、DSDV、OLSR、TBRPF。按需路由协议中的DSR、AODV。层次路由协议中的HSR、CGSR、LANMAR、ZRP。位置路由协议中的GeoCast、DREAM、LAR、GPSR。能量路由协议中的PARO、PAMAS。平面路由协议的网络比较简单，无需任何的结构维护过程。平面路由协议中可分为预先路由协议和按需路由两类，预先式路由协议一般是表驱动的，它需要在每个节点维护一个或多个路由表，其中包含了该节点到网络中所有其他节点一致的、最新的路由信息。为了维护这样的路由表，每个节点要定期向网络广播拓扑信息，以维护一致的网络试图。采用不同数量和内容的路由表以及不同的广播策略，即形成了各种不同的具体路由协议，如：DSDV、FSR、OLSR、TBRPF。DSDV原理是基于经典的Bellman-Ford路由机制，其所做的主要改进是防止路由表产生循环路由。在DSDV协议中，每个节点维护一个路由表，其中记录了网络中所有其他节点以及到达这些节点的跳数。路由表中的记录由目的节点指定的顺序号标识，该顺序号隐含了时间顺序信息，以区分新路由和过时路由，并由此避免路由循环。FSR是预先型链路状态路由协议，其目的是通过语言效应，即进出的物体清晰，远处的物体模糊，来减少路由信息流量。FSR对链路状态算法进行了一些修改。仅在邻节点间交换链路状态信息，而不是将链路状态信息广播到整个网络。FSR对于路由表中不同的记录采用不同的时间间隔交换链路状态信息。对于较近的节点用较短间隔交换链路状态信息，对于较远的节点用较长的间隔交换状态信息。通过这些手段减少了路由信息，并降低了传输频率。OLSR是一种优化的链路状态协议，与其他表驱动的预选型路由协议一样，节点间需要有规律地交换网络拓扑信息。但不是每个节点都可以交换路