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  • Ad hoc 网络

    2015-10-28 14:19:02
    Ad hoc网络是一种多跳、无中心、自组织无线网络,没有固定的基础设施,采用计算机网络的分组交换机制,主机通过分布式协议互联,可快速建立,具有一定的抗自毁性。 它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由...
    Ad hoc网络是一种多跳、无中心、自组织无线网络,没有固定的基础设施,采用计算机网络的分组交换机制,主机通过分布式协议互联,可快速建立,具有一定的抗自毁性。
    它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由协议都令它难以与互联网通信,达到交互信息的目的。为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网,我们利用移动IP协议可在不同网络中漫游的特性,结合移动IP和Ad Hoc网络,即MIPMANET,提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制,移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接入互联网的解决方案。Ad hoc网络成果主要在以下几个方面:

    (1)提出新的路由协议。Ad hoc路由面临的主要挑战是:传统的保存在节点中的分布式路由数据库如何适应网络拓扑的动态变化。新协议一般以广播或组播方式建立网络路由,核心是减少广播风暴。目前,一般普遍得到认可的代表性成果有DSDV, WRP, AODV, DSR, TORA和ZRP等。源头性的创新性研究主要集中在2001年以前,后续的成果多为这些协议的改进,目前,路由协议的研究仍然是Ad hoc网络成果最集中的部分。不过,从实现的难度来看,这些协议离适用性还有一定的距离。

    (2)提出基于Ad hoc网络的媒体接入控制(MAC)协议。主要是解决隐藏终端和暴露终端问题,影响比较大的有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,以及一些改进类的MAC协议。有一些研究则是侧重于将IEEE 802.11的MAC协议移植到Ad hoc网络中。基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越,但在技术上实现的难度较大。

    (3)Ad hoc网络与蜂窝网的互连互通。有文章提出了一种iCAR(internet Cellular
    and Ad hoc Realy)系统,提供蜂窝小区内信号的补盲。该方案给出了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价。从结果看,该系统只是针对2G系统,尚无法联系到基于IP方式的分组网络。最近,有人提出了一种在蜂窝网上覆盖一个无线多跳网络的方案,其中用一些无线路由器来代替蜂窝网络中的一些节点。通过优化路由、信道规划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化,其他方面没有太多的贡献。

    (4)基于Ad hoc网络的多播/组播协议、TCP协议、地址分配、功率控制、安全性问题、QoS等方面有一些研究成果,但各部分的数量相对较少。其中,有些研究试图把移动IP扩展到Ad hoc网络,基本方案是要用特定的RIP协议(RoutingInformation Protocol)作为路由协议,但这种方案与Ad hoc网络的其他路由协议不相容。
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  • Ad Hoc网络

    千次阅读 2009-12-19 16:24:00
    一、AdHoc网络的概念 Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络,网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域,它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目,该项目由DARPA资助,...

    一、AdHoc网络的概念

    Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络,网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域,它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目,该项目由DARPA资助,其后,又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移动信息系统GloMo(Global Information System)项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展,Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展,如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时,可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。
    在Ad Hoc网络中,当两个移动主机(如图1中的主机A和B)在彼此的通信覆盖范围内时,它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限,如果两个相距较远的主机(如图1中的主机A和C)要进行通信,则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中,主机同时还是路由器,担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中,每个主机的通信范围有限,因此路由一般都由多跳组成,数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。其结构如图2所示。
    Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中,使用计算机网络的分组交换机制,而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理(PDA)等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中,移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络,而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中,移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信,在基站和基站(代理和代理)之间均为有线网络,仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外,在移动IP网络中移动主机不具备路由功能,只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构,而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

    二、Ad Hoc网络的特点

    Ad Hoc网络作为一种新的组网方式,具有以下特点。
    2.1 网络的独立性
    Ad Hoc网络相对常规通信网络而言,最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持,快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施,具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。
    2.2 动态变化的网络拓扑结构
    在Ad Hoc网络中,移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失,主机之间的关系不断发生变化。在自组网中,主机可能同时还是路由器,因此,移动会使网络拓扑结构不断发生变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言,网络拓扑结构则相对较为稳定。
    2.3 有限的无线通信带宽
    在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持,因此,主机之间的通信均通过无线传输来完成。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。除此以外,考虑到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。
    2.4 有限的主机能源
    在Ad Hoc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。由于主机可能处在不停的移动状态下,主机的能源主要由电池提供,因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。
    2.5 网络的分布式特性
    在Ad Hoc网络中没有中心控制节点,主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障,其余的节点仍然能够正常工作。
    2.6 生存周期短
    Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求,相对与有线网络,它的生存时间一般比较短。
    2.7 有限的物理安全
    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。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。

    三、Ad Hoc网络的应用需求

    Ad Hoc网络的应用范围很广,总体上来说,它可以用于以下场合:
    a)没有有线通信设施的地方,如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。
    b)需要分布式特性的网络通信环境。
    c)现有有线通信设施不足,需要临时快速建立一个通信网络的环境。
    d) 作为生存性较强的后备网络。
    Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要,军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。在战争中,通信系统很容易受到敌方的攻击,因此,需要通信系统能够抵御一定程度的攻击。若采用集中式的通信系统,一旦通信中心受到破坏,将导致整个系统的瘫痪。分布式的系统可以保证部分通信节点或链路断开时,其余部分还能继续工作。在战争中,战场很难保证有可靠的有线通信设施,因此,通过通信节点自己组合,组成一个通信系统是非常有必要的。此外,机动性是部队战斗力的重要部分,这要求通信系统能够根据战事需求快速组建和拆除。
    Ad Hoc网络满足了军事通信系统的这些需求。Ad Hoc网络采用分布式技术,没有中心控制节点的管理。当网络中某些节点或链路发生故障,其他节点还可以通过相关技术继续通信。Ad Hoc网络由移动节点自己自由组合,不依赖于有线设备,因此,具有较强的自组性,很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前,一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统,在恶劣的战场环境中,很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务,但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此,研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。
    近年来,Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域,Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后,有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信,通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络,保证救援工作的顺利进行,完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。在这些地区,由于造价、地理环境等原因往往没有有线通信设施,Ad Hoc网络可以解决这些环境中的通信问题。Ad Hoc网络还可以用于临时的通信需求,如商务会议中需要参会人员之间互相通信交流,在现有的有线通信系统不能满足通信需求的情况下,可以通过Ad Hoc网络来完成通信任务。
    Ad Hoc网络在研究领域也很受关注,近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题,随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求,Ad Hoc网络会受到更多的关注,得到更快速的发展和普及。

    四、与其他移动通信系统的比较

    4.1 蜂窝系统
    蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中,覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站,为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络,一旦一个信道被分配给某个用户,通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。
    4.2 集群系统
    集群系统与蜂窝系统类似,也是一种有连接的网络,一般属于专用网络,规模不大,主要为移动用户提供语音通信。
    4.3 卫星通信系统
    卫星通信系统的通信范围最广,可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中,卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。
    上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持,如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力,因此成本比较高,同时建设的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持,由主机自己组网,因此,网络建立的成本低,同时时间短,一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中,移动终端之间并不直接通信,并且移动终端只具备收发功能,不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机构成,移动主机之间可以直接通信,而移动主机不仅收发数据,同时还转发数据。此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能,通常采用电路交换,拓扑结构比较稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术,主要为用户提供数据通信服务,拓扑结构易于变化。

    五、移动IPAd Hoc网络的 结合

    实现移动和全IP是当今网络发展的两大趋势。随着手机使用的日益广泛和人们对移动所能提供的信息要求越来越高,人们更加希望能随时随地接入互联网。
    对于Ad Hoc网络,网络是随时生成而且具有易构性,不需要事先存在的网络来支持,因此,应用很广泛也很简单。但是这种网络有很强的独立性,它可以单独存在,它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由协议都令它难以与互联网通信,达到交互信息的目的。为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网,我们利用移动IP协议可在不同网络中漫游的特性,结合移动IP和Ad Hoc网络,即MIPMANET,提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制,移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接入互联网的解决方案。图3为Ad Hoc网络接入互联网的模型。

    六、管理Ad Hoc网络面临的问题

    Ad Hoc网络的特性决定了管理上比有线网络复杂许多,因为网络拓扑的动态变化,要求网络管理也是动态自动配置。而且要考虑到移动节点本身的限制,例如能源有限、链路状态变化和有限的存储能力等,因此,要将管理协议给整个网络带来的负荷考虑在内。最后还要考虑到网络管理对不同环境的适用性等。
    具体Ad Hoc网络管理需要解决的问题为以下几方面:
    a) 网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中,由于网络变化不频繁,所以这点容易做到。但在移动网络中,节点的移动导致拓扑结构变化太频繁,网管需定期收集节点的连接信息,这无疑会加大网络的负荷。
    b) 大多数节点使用电池供电,所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数,但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。
    c) 能源的有限性和节点的移动性导致节点随时可能与网络分离,这要求网络管理协议能够及时觉察节点的离开和加入,而更新拓扑结构。
    d) 无线环境下信号质量变化大。信号的衰退和拥塞都会使网管误认为节点已离开,因此,网管必须能够区分是由于节点移动还是由于链路质量的原因导致连接中断。网管必须询问物理层,但这样会违反OSI的层次管理结构。
    f) Ad Hoc网络通常应用于军事,因此,要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。
    由上可见Ad Hoc网络的网络管理是与传统网络不同的,要解决的问题包括如何有效地收集网络的拓扑信息,如何处理动态的网络配置和安全保密问题。

    七、结论

    Ad Hoc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。其自身的独特性,赋予其巨大的发展前景。在Ad Hoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题:设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议,以及Ad Hoc网络的网络管理等。今后将重点致力于Ad Hoc网络中网络监视、节点移动性管理、抗毁性管理和安全管理等方面的研究。

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  • A-ADHOC:车载Ad Hoc网络的自适应实时分布式MAC协议
  • 移动Ad Hoc网络

    2013-12-04 23:35:04
    本书系统阐述移动Ad Hoc网络(即自组织分组无线网络)的基本理论与技术。主要包括六个部分的内容:移动Ad Hoc网络的基本概念、发展历史、特点及应用;移动Ad Hoc网络的MAC技术;移动Ad Hoc网络的网络层路由技术;...
  • 自组织网络(Ad Hoc)是一种移动通信和计算机网络相结合的网络,是移动计算机网络的一种,用户终端可以在网络内随意移动而保持通信。 早在上世纪,随着 IEEE 802.11标准的开发,Ad Hoc 的概念就已经诞生了,IETF 标准...

    一、概述

    自组织网络(Ad Hoc)是一种移动通信和计算机网络相结合的网络,是移动计算机网络的一种,用户终端可以在网络内随意移动而保持通信。

    早在上世纪,随着 IEEE 802.11标准的开发,Ad Hoc 的概念就已经诞生了,IETF 标准化的 Ad Hoc 网络称为 MANET,现在通常用 MANET 描述一切 Ad Hoc 网络。在随后的几十年中,Ad Hoc 相关技术稳步发展,在军事、民用、商业等许多重要领域都具有独特优势。

    在5G 和人工智能浪潮迭起的今天,车联网、无人机网络等新兴技术的兴起,Ad Hoc 网络又焕发了新的生命力。

    Ad Hoc 网络采用分组交换机制,网络中的每个用户终端都建有路由器和主机两种功能。作为主机,终端可以运行各种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。

    在这里插入图片描述

    这种分布式控制和无中心的网络结构额能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力,具有很强的鲁棒性和抗毁性。

    网络中的移动终端具有路由和分组转发功能,因此移动自组网既可以作为单独的网络独立工作,也可以以末端子网的形式接入现有网络,如 Internet 和蜂窝网。

    二、特点

    Ad Hoc 网络能够利用移动终端的路由转发功能,在无基础设施的情况下进行通信,从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。自组网技术为计算机支持的协同工作系统提供了一种解决途径,主要特点有:

    1. 网络拓扑结构动态变化

    在移动自组织网络中,由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响,移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的。

    2. 自组织无中心网络

    移动自组织网络没有严格的控制中心,所有节点的地位是平等的,是一种对等式网络。节点能够随时加入和离开网络,任何节点的故障都不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

    3. 移动终端、传输带宽的局限性

    自组织网络中的移动终端(如笔记本电脑、手机等)具有灵巧、轻便、移动性好等优点,但同时其电源有限、内存小、CPU 性能低等限制,使得我们在开发应用程序时,需要考虑这些因素。

    无线信道本身的物理特性决定了移动自组织网络的带宽比有线信道要低很多,而竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰及信道干扰等因素使得移动终端的实际带宽远远小于理论值。

    4. 多跳网络

    由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限,当终端要与覆盖范围之外的终端进行通信时,需要利用中间节点进行转发。值得注意的是,与一般网络中的多跳不同,无线自组网中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的,而不是由专门的路由设备完成的。

    三、路由协议

    1. 网络路由协议

    路由协议的目的是找到一个或多个最佳的路径,一般包括两个阶段:

    • 路由发现阶段,路由节点初始化并构成路由表。
    • 路由更新阶段,路由节点彼此交换信息,比如路由表。

    距离向量路由协议与其相邻节点交换路由表。这种协议带宽和能耗低,但有伸缩性和覆盖性方面的问题,且网络容易出现“环”。

    连接状态路由协议中每个路由节点都有整个网络的路由表,使用 Dijkstra 最短路算法计算路径。这种协议适用于大规模复杂网络,且不存在“环”的问题,但能耗和存储空间需求高,而且初始化比较慢。

    在 MANET 中,节点能耗和存储空间的限制都很高,节点的活跃性可能导致某个重要节点断开连接,无线连接相较于有线连接受干扰程度更剧烈,同时安全问题也值得考虑,所以传统的网络路由协议不适用于 MANET。

    早在1996年,因特网工程任务组(IETF)就成立了移动 Ad Hoc 网络工作小组(MANET WG),其核心任务就是研究无线自组织网络环境下基于 IP 协议的路由协议规范和接口设计。IETF RFC2501详细给出了无线 Ad hoc 网络的应用场合、特征和性能要求。

    目前,MANET WG 已经公布了一系列的有关 Ad Hoc 路由的草案,下面将逐个介绍主要的七类。

    2. 表驱动路由协议

    DSDV 是基于距离向量的表驱动路由协议,它只与相邻节点交换信息,为了避免“环”的出现,路由表中的路由多了一项 k,每经过一跳 k 的值就加一。

    OLSR 是基于状态链接的表驱动路由协议,虽然所有节点都会接收信息,但是只有很少的节点有权利传播信息。

    RFC 3626 定义了 OLSR 的一个核心函数和其他辅助函数。

    核心函数具有以下功能:

    • 定义包格式和传输格式
    • 连接检测
    • 相邻节点检测
    • MPR 的选择
    • 监视消息的传播
    • 计算路由

    辅助函数具有以下功能:

    • 与使用非 OLSR 协议的网络协同
    • 多余拓扑数据的传播
    • 提前连接检测

    为了避免“环”的出现,OLSR 引入了 MPR 的概念,节点忽略了与路由计算无关的链接和邻节点,MPR 是一个节点的邻节点的最小子集,它可以使该节点在两跳之内到达其所有邻节点。

    3. 按需驱动路由协议

    这种路由协议在发送信息时才发送寻找路由的请求,包括路由发现和路由保持两个机制。

    DSR 是一个按需驱动路由协议,节点发送消息前寻找路由时,向相邻节点发送路由请求消息 RREQ,如果未找到这些相邻节点再向它们的相邻节点转发 RREQ,直至找到为止。目的节点接收到消息后,按原路径发送回消息,路径中的节点记录该条路由。

    AODV 是基于距离向量的按需路由协议,在 RFC 3561中定义。

    4. 混合路由协议

    ZRP 是这种路由协议的代表,它将网络分成互连的路由区域,区域间使用按需加载路由协议,区域内使用表驱动路由协议。

    5. 分级路由协议

    基于簇的协议将网络分为多个簇,并定义每个簇的头节点,RREQ 信息首先发往头节点,然后再决定在簇中还是簇外。

    6. 基于地理位置的路由协议

    这种路由协议模糊了 IP 的概念,根据地理位置传播数据。

    7. 能量控制的路由协议

    8. 多点传送路由协议

    9. 路由协议总结

    实际上,MANET 路由协议大多经过基础网路由协议进行一定修改而得,所以理解起来不会很难。其中 AODV 和 OLSR 两种协议最基础、使用最广泛,所以后面的文章中将着重介绍这两种。而对于其他路由协议,可以直接查找相应的 RFC,会有一个权威的认识。

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  • Ad hoc网络安全综述

    2020-07-30 01:08:27
    移动Ad hoc网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的网络,由于其动态拓扑、无线通信的特点,容易遭受各种安全威胁。从传输信道、移动节点、动态拓扑、安全机制、路由协议几方面,分析了移动Ad Hoc网络的...
  • 展开全部Ad hoc Ad hoc网络摘要:本文首先介绍了Ad hoc网络的特点和应32313133353236313431303231363533e58685e5aeb931333238656665用领域。然后对Ad hoc网络的体系结构进行了研究,给出了结点和网络的几种组织结构...

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    Ad hoc Ad hoc网络

    摘要:本文首先介绍了Ad hoc网络的特点和应32313133353236313431303231363533e58685e5aeb931333238656665用领域。然后对Ad hoc网络的体系结构进行了研究,给出了结点和网络的几种组织结构。最后对Ad hoc网络面临的特殊问题进行了深入分析,并对这些问题的影响及引发的研究方向进行了讨论。

    关键词 Ad hoc网络 自组织 多跳 体系结构

    1 引言

    我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的,要基于预设的网络设施才能运行。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AP接入点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。Ad hoc网络可以满足这样的要求。

    Ad hoc网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)。对分组无线网的研究源于军事通信的需要,并已经持续了近20年。早在1972年,美国DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)就启动了分组无线网(PRNET,Packet Radio NETwork)项目,研究分组无线网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(SURAN,SURvivable Adaptive Network)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(GloMo,Globle Mobile Information Systems)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IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。

    在Ad hoc网络中,结点具有报文转发能力,结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发,即经过多跳(MultiHop),这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结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。因此它也被称为多跳无线网(MultiHop Wireless Network)、自组织网络(SelfOrganized Network)或无固定设施的网络(Infrastructureless Network)。

    2 Ad hoc网络的特点和应用

    2.1 Ad hoc网络的特点

    Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等,无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能,而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比,它具有以下特点:

    1.无中心:Ad hoc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。结点可以随时加入和离开网络。任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任何预设的网络设施。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,Ad hoc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:Ad hoc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。

    这些特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。

    2.2 Ad hoc网络的应用领域

    由于Ad hoc网络的特殊性,它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。针对Ad hoc网络的研究是因国事应用而发起的。因此,军事应用仍是Ad hoc网络的主要应用领域,但是民用方面,Ad hoc网络也有非常广泛的应用前景。它的应用场合主要有以下几类:

    2 Ad hoc网络

    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,它是数字人战场通信的首选技术。Ad hoc网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了Ad hoc网络技术。

    2.传感器网络:传感器网络是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。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。

    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,对于抢险救灾来说,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,是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(Scatternet)就是一个典型的例子。

    5.与移动通信系统的结合:Ad hoc网络还可以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网络除了可以单独组网实现局部的通信外,它带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。因此,Ad hoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之一。

    3 Ad hoc网络的体系结构

    3.1 结点结构

    Ad hoc网络中的结点不仅要具备普通移动终端的功能,还要具有服文转发能力,即要具备路由器的功能。因此,就完成的功能而言可以将结点分为主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的功能,包括人机接口、数据处理等应用软件。而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息,完成报文的转发功能。电台部分为信息传输提供无线信道支持。从物理结构上分,结构可以被分为以下几类:单机机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用的单主机单电台的简单结构。作为复杂的车载台,一个结点可能包括通信车内的多个主机。多电台不仅可以用来构建叠加的网络,还可用作网关结点来互联多个Ad hoc网络。

    3.2 网络结构

    Ad hoc网络一般有两种结构:平面结构和分级结构。

    在平面结构中,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。

    分级结构中,网络被刈分为簇。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,簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定,也可以由结点使用算法自动选举产生。

    分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中,所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信,要有网关结点(同时属于两个簇的结点)的支持。而在多频率分组网络中,不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小,而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中,有多个频率,用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中,簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个结点都可以成为簇头,所以需要适当的簇头选举算法,算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

    平面结构的网络比较简单,网络中所有结点是完全对等的,原则上不存在瓶颈,所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差:每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在分级结构的网络中,簇成员的功能比较简单,不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生,分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是,维护分级结构需要结点执行簇头选举算法,簇头结点可能会成为网络的瓶颈。

    因此,当网络的规模较小时,可以采用简单的平面式结构;而当网络的规模增大时,应用分级结构。美军在其战术互联网中使用近期数字电台(NTDR,Near Term Digital Radio)组网时采用的就是双频分级结构。

    [编辑本段]Ad Hoc类问题

    个性化问题,就是那些不能用一种已经被充分研究的算法来解决的问题。每个个性化问题都是不同的;没有具体的或者一般的算法能够解决这类问题。

    当然,这使得问题个个有趣,而后让每个人面对一个新的挑战。解决此问题可能需要一种新的数据结构或者一套不寻常的循环或条件的组合。有时候,这些问题所需要的解决方案是十分罕见的,或至少很少遇到的。

    个性化问题通常需要认真审题,有时候做题者会因要将题目中的细枝末节仔细联系起来而放弃此题。

    个性化问题仍然需要合理的优化和某种程度上的分析,例如避免使用五层嵌套的循环。

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