自组织网络及其路由技术

自组织网络及其路由技术

一、背景及概念

1.发展历史

无线通信网一般都是有中心的，要基于预设的网络基础架构才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有接入点（AP）和有线骨干网的模式下。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。无线自组织网络即可以满足这样的应用。

自组织网络技术的研究始于20 世纪70 年代。美国DARPA 出于军事需要，开始研究分组无线网（PRNET）在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA 又在1993 年启动了高残存性自适应网络项目。研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994 年，DARPA 又启动了全球移动信息系统项目。在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991 年成立的IEEE 802.11 标准委员会采用了“无线自组织网络”一词描述这种特殊的对等式无线移动网络。

美国《福布斯》杂志报道了加州大学洛杉矶分校的无线传感器网络的研究项目，指出通过无线传感器网络，我们将实实在在地掌握这个物理世界。2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪改变世界的10大技术之一。美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络排名第一。另外，像IEEE((ComPuter》等众多杂志也都发表了一些关于无限传感器网络的论文。我国也非常重视无线传感器网络的研究，中国国家自然科学基金委员会在2003年已经开始对无线传感器网络的研究进行了资助，并于2004年将其列为重点项目。2005年我国开始传感网络标准化研究工作。2006年，国家973计划，国家863高技术计划等国家和省部级科技发展“十一五”规划也设专项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。

同年，我国政府将发展无线传感器网络列入未来15年的《国家中长期科学

和技术发展规划纲要(2006一2020年)》。2008年9月启动的国家16个重大专项中03专项设立7个方向，无线传感器网络为第6个一“短距离无线互联与传感器网络研发”。未来科学家预言无线传感器将引发新的信息革命，一些专家将传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官并称为全球未来的三大高科技产业，它们将掀起新的产业浪潮。这些都预示着未来到处是以电池为能源的无线传感器网络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。

在自组织网络中，节点具有报文转发能力，节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即经过多跳，这是自组织网络与其它移动网络的最根本区别。节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。

2.自组织网络特点

无线自组织网络具有无中心和自组织性。网络中没有绝对的控制中心，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方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。所以与传统网络相比，无线自组织网络有以下特性：

1.自动配置：自动配置是无线自组织网络的一个特征，节点必须检测其它节点以及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，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。在网络形成阶段，节点可以就网络拓扑进行协商（星形、环形、点到点、点到多点、平面和分级），这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。

2 .多跳性:由于节点发射功率的限制，其通信范围有限。当它要与其通信范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。另外，Adhoc网络中的多跳是由普通节点协作完成的，而不需要专用的路由设备(如路由器)来完成。

3.无中心和自组织性:网络中没有绝对的控制中心，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自组成网，无需人工干预和任何其它预置的网络设施。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。

4.动态拓扑:网络中，移动终端能够以较随意的速度和方式移动，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可能随时发生变化，而且变化的方式和趋势都难以预测。

5.带宽的限制:自组织网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，同时无线自组织网络受限于无线传输带宽，由于采用无线传输技术作为底层通信手段，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。

6.移动终端的局限性:自组织网络中的移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处，但是也存在固有缺陷，例如能量有限、内存较小、CPU性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。

7.存在单向信道:自组织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，一对节点之间可能产生单向信道。

8.安全性较差:自组织网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、无中心、分布式控制和临时组织等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全措施都需要特别考虑。

3.Ad-hoc网络

AdHoc网络是目前讨论的最多的自组织网技术。这种网络不需要固定的基站设备和路由器，应此不依赖于蜂窝移动通信网络。网络中的节点可在一定区域内随意移动并能于网络中的任意站点相互通信。每一个节点都能实现路由器的功能而在网络中搜寻、维护到另一节点的路由。自组织网可用在事故的突发现场以及人们希望能迅速共享信息的会议、办公室等场所。

AdHoc网络根据站点间的逻辑关系可以分为两种网络结构:平面网络结构、分级网络结构。如图1-1所示，左边的自组织网络是一个平面结构的网络，而右边的则是一个二级结构的自组织网络。平面结构中，所有节点地位平等，也被称为是对等式结构。与之相对的分级结构中，网络被划分为多个簇(cluster)，每个簇由一个簇首(cluster一header)和多个簇成员(cluster一member)组成。这些簇首

在逻辑上组成了一个高一级的网络，而在这个高一级的网络中又可以分簇，形成更高一级的网络，直至最高级。任意两个不在一个簇之内的簇成员之间的通信都要通过各自的簇首来中转。