ADHoc网络的应用研究

AD Hoc网络的应用研究
作者：方胜吉
来源：《中国科技纵横》2018年第24期
摘要：移动网络技术的飞速发展极大地影响了人们的生活和工作方式。

我们通常谈到的移动网络一般是有中心的，需要提前架设网络基础设施才能正常运行的，如蜂窝式通信系统，移动IP网络等。

但在某些特殊场合，无法建立此类有中心的网络。

比如，在战场上快速前进中的战斗部队，空中的飞行编队等场合的移动通信就是如此。

这些场合的通信不能依赖于任何事先架设好的网络基础设施，而需要一种能够在短时间内快速自动组网的移动网络支持，Ad Hoc网络就很好地满足了这样的要求，而本文分析的就是Ad Hoc的体系结构，为对Ad Hoc网络的应用提供参考。

关键词：移动网络；Ad-Hoc；网络拓扑
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0039-02
1 Ad Hoc网络的概念
Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施或中央控制器支持，由一组自主的无线节点或终端通过某种协议或策略结合在一起形成的移动网络。

与传统无线网络不同的是，Ad Hoc网络无需任何网络基础设施的管理支持就可以动态地创建WLAN。

在Ad Hoc网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，若两个移动主机处于彼此的通信范围之内，它们可直接通信；当两个无法直接通信的移动主机要建立数据连接时，需要通过这两台主机之间的移动主机转发相应的数据才能实现。

因此，在Ad Hoc网络中，移动主机还应具有路由功能，即可实现寻找路由和转发报文的功能。

由于每台主机的通信范围有限，因此，数据需经过多跳，才能从源主机发往目的主机。

故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。

2 Ad Hoc网络研究的国内外现状
Ad Hoc网络广阔的应用前景引起了越来越多网络研究人员的关注，国际上对该网络的研究使之成为了无线计算机网络研究的热点，移动Ad Hoc网络的研究已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐发展为了一个较独立的领域。

目前，整个Ad Hoc网络研究中的热点包括以下几个方面：
（1）服务质量的保证：目前为了保证网络的服务质量，通常采用两种策略：一是提供足够的网络资源来避免资源竞争；二是为不同分组划分优先级，然后根据优先级的不同提供不同的服务来保证某些特定业务的服务质量。

（2）跨层设计：有研究表明，不同的路由层协议与不同的链路层协议结合，或选择不同节点的移动模型都会严重影响到网络仿真实验的结果。

所以不能仅从协议分层这一单一的角度来设计协议，更要根据Ad Hoc网络的特点，将不同协议层所特有的问题集中起来考虑。

（3）安全：鉴于Ad Hoc网络的特点，Ad Hoc网络面临着各种各样的安全问题，如黑洞攻击、路由表溢出攻击、假冒攻击等主动攻击及节点间的认证等其他安全问题。

（4）能耗：由于Ad Hoc网络中的节点随时可能处于移动的状态，故而只能使用电池供电。

在这种在不能更换电池、能源受限的情况下，如何有效地利用电池中的能源，成为了Ad Hoc网络能否大规模应用的核心问题之一。

（5）信道接入技术：信道接入技术控制着节点如何接入无线信道，是Ad Hoc网络协议的基础。

Ad Hoc网络的无线信道不同于普通的共享广播信道及点对点信道，是多跳共享的多点信道。

（6）与其他网络的互连：目前，这方面研究的热点集中在和无线局域网的连接以及和现有的移动数据通信网的连接上。

研究结果表明，采用Ad Hoc方式接入，可提高网络的吞吐量，延长网络的寿命，但会增加端-端时延；在无线局域网中采用Ad Hoc技术，可以在发射功率不变的情况下扩大接入点的覆盖范围，增加无线局域网络的性价比。

根据国内外研究现状，Ad Hoc网络成果主要在集中在以下几个方面：
（1）提出新的路由协议。

目前，Ad Hoc网络中普遍得到认可的具有代表性的协议有DSDV、DSR、AODV、TORA和ZRP等协议。

（2）Ad Hoc网络与蜂窝网的互联。

Ad Hoc网络与现存无线蜂窝网的联通，相当于将Ad Hoc网络中的移动设备添加到蜂窝网中，实现两种不同网络的组合，达到合理资源共享的目的。

（3）提出新的基于Ad Hoc网络的媒体接入控制（MAC）协议。

比较知名的成果为MACA协议，即RTS/CTS/ACK方案，控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议，以及针对MAC协议中的个别类进行修改，修改后的新协议主要是为了解决隐藏终端和暴露终端问题。

另外还有一些研究是侧重于将IEEE 802.11的MAC协议移植到Ad Hoc网络中。

（4）在实验和应用网络的构建上。

如何使用蓝牙节点组建Ad Hoc网络是这方面成果之一。

（5）基于Ad Hoc网络的多播/组播路由协议、功率（节能）控制、分布式算法、安全性问题、TCP协议、QoS、地址分配等方面也有一些研究成果，但各部分成果的数量相对较少。

3 Ad Hoc网络的特点
Ad Hoc網络在很多方面均区别于其他通信网络，其最大的特点是可以自动配置、自发现、自组织和自愈。

网络中的节点能够快速检测、探测出其他节点的存在，无需人工干预或其他预设的网络设施的调节，通过分布式算法来协调彼此的行为，适应网络的动态变化，在任何时刻、任何地方快速展开并自动组网。

除此之外，Ad Hoc网络还具有以下一些主要特征：
（1）动态拓扑：节点可以自由的加入或者离开Ad Hoc网络，网络的拓扑结构会相应地发生变化。

（2）无线多跳通信：由于无线信号的衰减特性，无线通信范围外的数据通信需要由中间节点（普通节点）完成路由转发功能。

（3）完全分布式：Ad Hoc网络是由对等节点构成的网络，不存在中心控制节点，管理和组网都非常简单灵活。

（4）严格的资源限制：有限的带宽和能源是所有无线网络的普遍特征，但由于无线Ad Hoc网络没有基站的支持，依靠有限的能量——电池供电，且需要提供路由转发功能，资源限制更为严峻。

（5）物理上安全性差：Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动网络，更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠等网络攻击，使得Ad Hoc网络中的安全性问题比传统网络复杂得多。

4 Ad Hoc网络的体系结构
Ad Hoc网络中，网络拓扑结构主要分为四种：中心式控制结构、分层中心式控制结构、完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。

其中，前两种属于集中式控制结构，即网络中的节点分为普通节点和中心控制节点两种。

中心控制节点相对较复杂，要有很强的运算处理能力，负责路由和流量控制等网络调节功能。

鉴于Ad Hoc网络节点地位平等的特点，不适合采取这两种集中控制式网络拓扑。

特别是军事运用场合，若中心节点遭到破坏，会导致网络大面积瘫痪，造成严重后果。

因此，Ad Hoc网络一般采用分布式控制结构。

这种结构比较简单，网络中所有节点地位平等，网络健壮性较好。

由于这种网络结构的可扩展性不是很好，在网络中节点数目较少的情况下，这种结构的安全性较好；但是，若网络中节点个数过多，且节点移动太频繁，则网络的通信开销会呈线性增长，很难实施集中式管理和控制。

所以，这种平面网络结构经常用于规模不大的Ad Hoc网络。

而另外一种结构为分层分布式控制结构，即分层Ad Hoc网络拓扑结构。

Ad Hoc网络被分为了多个层及多个簇。

每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。

根据不同的网络条件、不同的算法产生簇头，簇头负责簇与簇之间的数据转发，同时低层向高层传输数据也是通过簇头。

这种分层分布式结构的主要优点是：簇与簇之间的数据转发由簇头完成，普通内部成员不用维护复杂的路由信息，这样做可大量减少网络中路由的开销，提高网络的可扩展性，而且分层分布式结构适用于各种规模的网络。

但这种结构中簇头的产生需要进行一定的计算，并且网络中数据传输必须通过簇头，就有可能使得数据不是沿着最佳路由传输，对网络的性能造成一定的负面影响。

同时，簇头可能成为网络性能的瓶颈。

目前，此类网络拓扑结构多用于军事应用中。

5 Ad Hoc网络的应用前景
Ad Hoc网络的研究最初是为了满足某些军事需要。

在战争中，由于通信系统易受到对方的攻击，若采用集中式的通信系统，一旦通信中心遭到破坏，将导致整个系统的瘫痪。

因此，军队通信系统需要具有自组性、抗毁性和机动性，需要能抵御一定程度的攻击手段。

Ad Hoc 网络正好满足了这些要求。

除过在军事方面的应用，小规模的Ad Hoc网络也具有很大的商业价值，其应用环境包括家庭、办公室、教室、医院等。

例如在家庭环境中，可为用户建立无线Ad Hoc家庭网络，把所有的家用电器用网络连接起来，比如把电灯、电脑、电视、洗浴用具、保安系统等连在一起，从而实现资源共享，实行统一化管理。

不断发展的无线局域网技术，像802.11、蓝牙等也给Ad Hoc网络的发展提供了动力。

Ad Hoc网络潜在的应用很多，可分为以下几类：
个人网络：通过Ad Hoc网络把个人的电子通信、娱乐、办公等设备联系在一起，这些设备在执行用户的某项活动时彼此通信，通过转发将任务发送到最终的设备上。

在这种情况下，移动性将不是问题。

家庭网络：通过移动联网的方式将家庭中的电器接入同一个Ad Hoc网络。

利用我们随身携带的个人移动设备与装备了Ad Hoc收发器的家庭电器通信，自动完成开灯、开门、开关家用电器设备等操作。

移动会议：在室内外临时环境中，参加会议的所有成员携带的包含Ad Hoc收发器的移动终端设备可以通过Ad Hoc方式组成一个临时网络，用于实时交换信息或协同完成某一项任务。

紧急服务：在没有网络基础设施的地区出现停电或自然灾害，可以临时组建一个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：传感器可以工作在危险的环境（如化学有害物质泄漏现场、活跃的火山口等），通過在传感器上装备位置指示器、Ad Hoc收发器等，将传感器所在地区的信息传送到危险现场以外，救援人员不必进入现场去收集和辨别有用的信息。

参考文献
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