Ａｄ Ｈｏｃ網絡的教育應用研究

摘 要 對教育網絡平臺的現狀進行了分析，介紹了Ad Hoc網絡，提出應用Ad Hoc搭建教育網絡平臺，做到對現有教育網絡平臺的補充。

關鍵詞 Ad Hoc；網絡平臺；教育應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：1671-489X（2007）08－0058-04

Education Application Research based onAd Hoc//Liu Biao

Abstract The paper analyzes the present situation of education network platform.Ad Hoc is a temporary network which formed of a lot of wireless host and based on no concentrating infrastructure. In the paper， we discuss using Ad Hoc to construct an education network platform.

Key words Ad Hoc;network platform; education application

Author's address Communication Media Science Technology Department， University of Science Technology of Suzhou， Suzhou 215011

1引言

網絡的出現，對教育產生了深遠的影響。當前大多數教育機構已經構建了網絡教育支撐平臺。然而，現有網絡平臺還在一定程度上存在這樣那樣的問題。Ad Hoc網絡是一種無中心的臨時性自組織網絡，是全新體系結構的網絡，將其應用于教育中，是對現有教育網絡平臺的有益補充。研究Ad Hoc網絡對構建教育平臺具有現實意義。

2 現有教育網絡平臺

現有的教育網絡平臺主要有兩種：有線局域網和無線局域網。

2.1 有線局域網

2.1.1 簡介

有線局域網絡是目前教育支撐系統中主要的網絡平臺。1980年（美國）電氣電子工程師學會（IEEE）成立了專門負責制定局域網絡標準的IEEE 802委員會。該委員會開始研究一系列局域網（LAN）和城域網（MAN）標準，這些標準統稱為IEEE 802標準，其中802.3針對整個CSMA/CD網絡，802.4針對令牌總線網絡，802.5針對令牌環網絡。目前CSMA/CD的媒體接入方式占主流，因此本文僅對IEEE 802.3作介紹。IEEE 802.3對于基于總線型的局域網進行了規定。

在局域網中，多個節點共享傳輸介質，必須有某種機制來決定下一個時刻，哪個設備占用傳輸介質傳送數據。因此，局域網的數據鏈路層要有介質訪問控制的功能。數據鏈路層又劃分成兩個子層：邏輯鏈路控制（LLC，Logic Line Control）子層和介質訪問控制（MAC，Media Access Control）子層。其中，LLC子層負責向其上層提供服務；MAC子層的主要功能包括數據幀的封裝及卸裝，幀的尋址和識別，幀的接收與發送，鏈路的管理，幀的差錯控制等。該局域網技術采用具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection，CSMA/CD）這種介質訪問方法。802.3局域網根據傳輸介質和傳輸速率區分，主要有以下幾種標準：標準以太網：10Base2、10Base5、10BaseT；快速以太網：100Base-TX、100Base-F、100Base-T4；千兆以太網：1000Base-SX，1000Base-LX，1000Base-CX

1000Base-T。2000年3月，IEEE專門成立了IEEE 802.3ae特別工作組，負責制定10 G以太網，即萬兆以太網標準。

這些網絡的傳輸介質主要有雙絞線，同軸電纜，光纖等有線介質，故把這些網絡統稱為有線局域網。

2.1.2有線局域網的不足

1) 受地理環境的限制。不是任何地方，任何環境都適合布線，架設有線網絡。比如很多老建筑物布線非常困難，并且布線繁瑣，工作學習環境容易造成電纜線泛濫。

2）有線介質固有的物理缺陷。有線介質傳輸距離、傳輸速率會有一個極限；金屬接頭容易生銹、滲水、接觸不良、人為或意外造成線路中斷，網絡維護困難。

3)可重用性不高，升級困難。原有網絡需要升級時，成本很高，基本要重新布局，重新安裝。

4) 移動性、靈活性不高，無法真正實現從移動設備訪問局域網。

2.2無線局域網

2.2.1簡介

無線局域網(WLAN，wireless local area network)是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。它以無線多址信道作為傳輸媒介，利用電磁波完成數據交互，實現傳統有線局域網的功能。目前，很多教育機構也開始建設無線局域網絡教育平臺。無線局域網技術主要有IEEE 802.11 系列、HiperLAN技術等。HiperLAN是歐盟在1992年提出的一個WLAN標準，HiperLAN2是它的后續版本。HiperLAN2部分建立在GSM基礎上，使用頻段為5 GHz。它采用OFDM技術，最大數據速率為54 Mbps。HiperLAN2采用TDMA結構。目前得到廣泛應用的技術是IEEE 802.11 系列。IEEE的802.11標準由很多子集構成，它詳細定義了WLAN中從物理層到MAC層的通信協議。表1是802.11系列標準的一個簡單總結。

2.2.2無線局域網的不足

1)標準、設備眾多，不統一。正如上文介紹，無線局域網絡當前標準較多，各自為政，網絡設備不兼容。為適應網絡以后的擴展和升級， 必須要慎重考慮選擇網絡所使用的協議標準和設備。

2）傳輸介質易受干擾。由于無線局域網依靠無線電波的傳播， 易受天氣、環境的影響；電波發射時， 受墻壁、大型用具和其他障礙物阻礙， 也會使得網絡的性能降低；傳輸穩定性不高。

3) 網絡建設、維護較為困難。無線網絡達到一定規模會遇到功率控制、頻率選擇、環境噪聲等很多問題，應妥善考慮無線網絡的支撐系統(包括無線網管、無線計費等) ，否則會對網絡管理造成很大困難。

4）網絡安全差。如果獲得網絡的訪問代碼， 那么， 在無線電波廣播范圍內的任何人， 都可以監聽網絡的通信。因此， 要加強數據的安全性。

5)性價比不高。無線網絡速率相對有線網絡較慢，價格較高，因而它主要面向有特定需求的用戶和特定的環境。

3 Ad Hoc網絡

3.1簡介

Ad Hoc網絡在國內被譯為“自組網”或“多跳網絡”，它是一種不依賴任何基礎設施支持的移動網絡，網絡中的節點均由移動設備構成。Ad Hoc網絡最初的研究起源于戰場環境下分組無線網數據通信項目，該項目由ＤＡＲＰＡ資助，其后，又在1983年和1994年進行了抗毀可適應網絡和全球移動信息系統項目的研究。在Ad Hoc網絡中，當兩個移動主機在彼此的通信覆蓋范圍內時，它們可以直接通信。但是由于移動主機的通信覆蓋范圍有限，兩個相距較遠的主機通信則需要通過它們之間的第三方的轉發才能實現。因此在Ad Hoc網絡中，主機同時還是路由器，擔負著尋找路由和轉發報文的工作。在Ad Hoc網絡中，每個主機的通信范圍有限，因此路由一般都由多跳組成，數據通過多個主機的轉發才能到達目的地。Ad Hoc網絡可以看作是移動通信和計算機網絡的交叉。在Ad Hoc網絡中，使用計算機網絡的分組交換機制，而不是電路交換機制。通信的主機一般是便攜式計算機、個人數字助理（ＰＤＡ）等移動終端設備。

3.2特點

Ad Hoc 網絡具有以下特點：

1)網絡的自組性。Ad Hoc網絡可以在任何時刻任何地方構建，而不需要現有的信息基礎網絡設施的支持，形成一個自由移動的通信網絡。

2)動態網絡的拓撲結構。從網絡的網絡層來看，Ad Hoc 網絡中，移動用戶可以以任意的速度和任意方式在網中移動，加上無線發送裝置發送功率的變化、無線信道間的相互干擾因素、地形因素等的影響，節點間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時都會發生變化。

3)有限的無線傳輸帶寬。無線信道本身的物理特性使Ad Hoc 網絡的網絡帶寬相對有線方式要低的多，另外還要考慮無線信道競爭時所產生的信號衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素，這使得實際帶寬要小的多。

4)移動終端的有限性。Ad Hoc網絡中的移動用戶終端內存小、CPU 處理能力低、所帶電源有限使得Ad Hoc 網絡的設計更加困難。

5)安全性差。Ad Hoc網絡是一種無線方式的分布式結構，所以更加容易被竊聽、入侵、網絡攻擊和拒絕服務等。

6)網絡的分布式。Ad Hoc網絡中的移動節點都兼有獨立路由和主機功能，不存在類似于基站的網絡中心控制點，節點地位平等，采用分布式控制方式，增強了網絡健壯性。

7)網絡的可擴展性不強。由于采用TCP/IP 協議中的子網技術，使得Internet具有網絡的可擴展性，而Ad Hoc網絡動態變化的拓撲結構使得子網技術所帶來的網絡可擴展性不能得到應用。

8)單向無線信道的存在。

9)生存時間短。組網通常是由于某個特定原因而臨時創建的，使用結束后，網絡環境將會自動消失。Ad Hoc網絡的生存時間相對于固定網絡而言是短暫的。

4Ad Hoc網絡的教育應用

4.1 Ad Hoc與現有網絡的比較

通過上文分析，現有網絡還存在著一些不足。我們可進一步對現有網絡與Ad Hoc網絡進行比較：

1）現有網絡平臺都需要通信基礎設施的支持，如基站、交換機等，這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，成本比較高，同時建設的周期較長；Ad Hoc網絡不需要基站的支持，由主機自己組網，因此，網絡建立的成本低，同時時間也短，一般只要幾秒鐘或幾分鐘。

2）現有網絡平臺系統中終端之間并不直接通信，只屬于資源子網節點，不具備通信功能；Ad Hoc網絡中，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發數據，同時還轉發數據，具備路由通信功能。

3）現有網絡平臺系統拓撲結構比較穩定；Ad Hoc拓撲結構易于變化，具有自組性、靈活性、臨時性的優點，不受時間、空間的限制。

4.2 Ad Hoc的教育應用場合及方式

針對現有網絡的不足以及Ad Hoc網絡的特點，Ad Hoc 網絡可以作為現有網絡的補充，用于搭建網絡教育平臺。Ad Hoc網絡可以用于以下教育應用場合：

1）沒有或者不適和搭建有線通信設施的地方，如偏遠或不發達地區，古舊的教學樓，操場等。在這些地區，由于造價、地理環境等原因往往沒有有線通信設施，Ad Hoc網絡可以解決這些環境中的通信問題。

2）現有通信設施不足，需要臨時快速建立一個通信網絡的環境，如臨時教育課堂，臨時教育資源傳輸，臨時教育會議等。

Ad Hoc 網絡用于構建教育平臺可以有兩種方式：第一種，獨立組網，用于本網內部移動節點的通信，交換數據；第二種，通過網關連接到現有的網絡基礎設施上，與本網外用戶通信。第二種情況Ad Hoc 網絡通常作為末端網絡，即它只允許產生于或目的地是自治系統內部節點的信息進出，而不會讓其他信息穿越自治系統。

4.3實例：“隨時隨地”的教與學活動

傳統的基于網絡平臺的教育都只是在特定的時間、特定的地點出現，如某節課在某個固定的網絡教室進行教育活動，或者必須在某個安裝無線設備的特定場所才能使用無線局域網絡進行交互。這些活動不同程度地受到時間、空間的限制。文中所提到的“隨時隨地”的教與學活動在任何時間、任何地點都是可行的。通過移動Ad Hoc設備，教育者與學習者在一定范圍內按照一定規則互相匹配，進行教育活動。學習者在教學樓、圖書館、操場等任何地點，都可通過Ad Hoc 設備在周圍進行掃描，尋找相匹配的移動節點。任何Ad Hoc設備都可以成為教育資源提供者或使用者。根據Ad Hoc節點持有者的興趣、學科查找的資源等進行分類，按照設備之前定義好的規則、連接條件等進行查找與匹配。一旦相互匹配成功，網絡會提醒用戶并請求對等體相互聯系，進行網絡交互，達到學習與交流的目的。可以用圖1來表示此過程：

Ad Hoc網絡也是分層的。低層協議與傳統網絡相似，網絡層采用與傳統網絡不同的路由協議，應用層采用相應的應用協議，用戶的匹配可由面向應用的具體軟件實現。如圖1，用戶1與用戶4采用相同的軟件架構，兩者進入網絡通訊范圍，就可以根據條件進行匹配，驗證通過即可進行通信交流。

5 結束語

Ad Hoc網絡是一種新型的移動計算機網絡類型，它既可以作為一種獨立的網絡運行，也可以作為分支連入當前具有固定設施的網絡。其自身的特性使它可以應用于教育之中，搭建教育支撐平臺。當然，Ad Hoc網絡還存在許多要進一步解決的問題，如路由協議、安全問題、節點電源能量消耗以及傳輸帶寬等。Ad Hoc不是對現有教育網絡平臺的替代，而是對現有教育網絡平臺的補充。隨著Ad Hoc技術的不斷成熟以及相關產品設備的不斷推出和成本的下降，“隨時隨地的教育”將會得到很好的發展，對教育產生深遠的影響。