Ａｄ Ｈｏｃ網絡在西部地區商場組網的研究

[摘要] Ad hoc 網絡是一種沒有有線基礎設施支持的移動網絡。本文闡述Ad hoc 網絡的節點結構，比較了幾種典型的網絡結構，介紹了Ad hoc 網絡的特點及移動IP和Ad Hoc網絡的結合。并且商場組網的對管理Ad Hoc網絡面臨的問題進行了一些探討。

[關鍵詞] Ad hoc 網絡 西部地區商場組網 移動IP

一、引言

在我國西部地區，地理位置比較特殊，人口分布稀疏，這對于有線網絡建立有一定的困難，現有的無線網絡通信大多需要有線基礎設施（如基站）的支持才能實現。但在一些山區，建立基站代價也是很大的。為了能夠在沒有固定基站的地方進行通信，一種新的網絡技術——Ad Hoc網絡技術應運而生。Ad Hoc網絡不需要有線基礎設備的支持，通過移動主機自由的組網實現通信。Ad Hoc網絡的出現推進了人們實現在任意環境下的自由通信的進程，同時它也為西部地區的商場組網提供了有效的解決方案。

二、Ad Hoc網絡的結構

Ad Hoc網絡是一種沒有有線基礎設施支持的移動網絡，網絡中的節點均由移動主機構成。Ad Hoc網絡最初應用于軍事領域，它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SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移動信息系統GloMo（Global Information System）項目的研究。由于無線通信和終端技術的不斷發展，Ad Hoc網絡在民用環境下也得到了發展，如需要在沒有有線基礎設施的地區進行臨時通信時，可以很方便地通過搭建Ad Hoc網絡實現。

Ad hoc網絡一般有兩種結構：平面結構和分級結構。在平面結構中，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。分級結構中，網絡被劃分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。在高一級網絡中，又可以分簇，再次形成更高一級的網絡，直至最高級。在分級結構中，簇頭結點負責簇間數據的轉發。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。

分級結構的網絡又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種，如圖1和圖2所示。單頻率分級網絡中，所有結點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關結點（同時屬于兩個簇的結點）的支持。而在多頻率分組網絡中，不同級采用不同的通信頻率。低級結點的通信范圍較小，而高級結點要覆蓋較大的范圍。高級的結點同時處于多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信。在兩級網絡中，簇頭結點有兩個頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信。而頻率2用于簇頭之間的通信。分級網絡的每個結點都可以成為簇頭，所以需要適當的簇頭選舉算法，算法要能根據網絡拓撲的變化重新分簇。

平面結構的網絡比較簡單，網絡中所有結點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點是可擴充性差：每一個結點都需要知道到達其他所有結點的路由。維護這些動態變化的路由信息需要大量的控制消息。在分級結構的網絡中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。由于簇頭結點可以隨時選舉產生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是，維護分級結構需要結點執行簇頭選舉算法，簇頭結點可能會成為網絡的瓶頸。因此，當網絡的規模較小時，可以采用簡單的平面式結構；而當網絡的規模增大時，應用分級結構。

三、Ad Hoc網絡的特點

Ad Hoc網絡作為一種新的組網方式，具有以下特點

1.網絡的獨立性。Ad Hoc網絡相對常規通信網絡而言，最大的區別就是可以在任何時刻、任何地點不需要硬件基礎網絡設施的支持，快速構建起一個移動通信網絡。它的建立不依賴于現有的網絡通信設施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網絡的這種特點很適合災難救助、偏遠地區通信等應用。

2.動態變化的網絡拓撲結構。在Ad Hoc網絡中，移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發生變化。在自組網中，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網絡拓撲結構不斷發生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。對于常規網絡而言，網絡拓撲結構則相對較為穩定。

3.有限的無線通信帶寬。在Ad Hoc網絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網絡帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。

4.有限的主機能源。在Ad Hoc網絡中，主機均是一些移動設備，如PDA、便攜計算機或掌上電腦。由于主機可能處在不停的移動狀態下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網絡有能源有限的特點。

5.網絡的分布式特性。在Ad Hoc網絡中沒有中心控制節點，主機通過分布式協議互聯。一旦網絡的某個或某些節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作。

6.生存周期短。Ad Hoc網絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比較短。

7.有限的物理安全。移動網絡通常比固定網絡更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務等攻擊。現有的鏈路安全技術有些已應用于無線網絡中來減小安全攻擊。不過Ad Hoc網絡的分布式特性相對于集中式的網絡具有一定的抗毀性。

四、移動IP和Ad Hoc網絡的結合

西部地區商場使用手機日益廣泛，員工能隨時隨地接入互聯網。對于Ad Hoc網絡，網絡是隨時生成而且具有易構性，不需要事先存在的網絡來支持，因此，應用很廣泛也很簡單。但是這種網絡有很強的獨立性，它可以單獨存在，它的特性和它所使用的主動的、按需驅動的路由協議都令它難以與互聯網通信，達到交互信息的目的。為了達到Ad Hoc網絡中的移動主機可以在不同的Ad Hoc網絡間移動和隨時接入互聯網，我們利用移動IP協議可在不同網絡中漫游的特性，結合移動IP和Ad Hoc網絡，即MIPMANET，提供一種將Ad Hoc網絡使用按需驅動的路由機制，移動IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網絡接入互聯網的解決方案。圖3為Ad Hoc網絡接入互聯網的模型。

五、管理Ad Hoc網絡面臨的問題

Ad Hoc網絡的特性決定了管理上比有線網絡復雜許多，因為網絡拓撲的動態變化，要求網絡管理也是動態自動配置。而且要考慮到移動節點本身的限制，例如能源有限、鏈路狀態變化和有限的存儲能力等，因此，要將管理協議給整個網絡帶來的負荷考慮在內。最后還要考慮到網絡管理對不同環境的適用性等。

具體Ad Hoc網絡管理需要解決的問題為以下幾方面：

1.網絡管理協議的一個重要任務是使網管知道網絡的拓撲結構。在有線網絡中，由于網絡變化不頻繁，所以這點容易做到。但在移動網絡中，節點的移動導致拓撲結構變化太頻繁，網管需定期收集節點的連接信息，這無疑會加大網絡的負荷。

2.大多數節點使用電池供電，所以要保證網絡管理的負荷限制在最小值以節省能源。要盡量減少收發和處理的節點數，但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。

3.能源的有限性和節點的移動性導致節點隨時可能與網絡分離，這要求網絡管理協議能夠及時覺察節點的離開和加入，而更新拓撲結構。

4.無線環境下信號質量變化大。信號的衰退和擁塞都會使網管誤認為節點已離開，因此，網管必須能夠區分是由于節點移動還是由于鏈路質量的原因導致連接中斷。網管必須詢問物理層，但這樣會違反OSI的層次管理結構。

5.Ad Hoc網絡通常在商業上的應用要防止竊聽、破壞和侵入。所以網管需要結合加密和認證過程。 Ad Hoc 網絡最大不足是安全性較差。傳統網絡采用層次化的體系結構，具有穩定的拓撲結構，并具有相關的安全策略，如加密、認證、訪問控制和權限管理、防火墻等。而由于Ad Hoc 網絡中沒有基站或中心節點，因此這種安全機制并不適用于Ad Hoc 網絡。移動Ad Hoc 網絡比固定網絡更容易遭受各種安全的威脅。從傳輸信道角度來看，由于采用無線信號作為傳輸媒介，任何人都可以接收到網絡中的消息，這種信道易受攻擊方的干擾和注入假報文。從移動節點角度來看，節點內的密鑰、報文等信息易破獲，Ad Hoc 網絡不僅要防范外部的入侵，還要對付內部節點的攻擊。總之，把Ad Hoc 網絡建設成一個安全系統已經成為研究人員關注的熱點之一。在移動Ad Hoc 網絡建立安全系統過程中，必須要考慮以下幾個因素：

(1)容錯性，也就是提供服務的系統在多少節點失效的情況下，還可以正常工作。

(2)安全性，也就是系統抵御惡意節點攻擊的能力。

(3)可用性，也就是網絡連通性無法保證時，節點如何進行通信。

(4)可伸縮性，也就是系統對網絡規模和系統配置動態變化的適應能力。

Ad Hoc 網絡的安全目標能否達到，與路由安全和加密機制的設計密切相關。Ad Hoc 網絡中的攻擊可分為兩種情況：主動攻擊和被動攻擊。主動攻擊中，攻擊節點通過改變路由信息或虛構路有信息等手段，主動制造網絡阻塞，以造成網絡時間延遲，影響通信的即時性，或者使相應節點因等待而消耗有限能源導致通信中斷，甚至拒絕服務。被動攻擊中，攻擊節點并不破壞路由信息，只是被動偵查，在網絡中很難發現、防止。Ad Hoc 網絡內部通信必須采用加密機制。目前常采用對稱加密和非對稱加密算法。節點的動態加入和離開網絡，導致通信時的密鑰的更換。因為節點動態加入，可能不想讓新加入的節點知道在此之前該網絡中已經發布的重要信息，所以需要更換密鑰；節點離開后的網段的通信對退出節點也應是機密行為不能使退出成員繼續解讀網段中的分組信息，故需要更換密鑰。因此，密鑰的管理是決定該網絡安全系數的重要因素。

由上可見Ad Hoc網絡的網絡管理是與傳統網絡不同的，要解決的問題包括如何有效地收集網絡的拓撲信息，如何處理動態的網絡配置和安全保密問題。

六、結論

AdHoc網絡是一種新穎的移動計算機網絡的類型，它既可以作為一種獨立的網絡運行，也可以作為當前具有固定設施網絡的一種補充形式。其自身的獨特性，賦予其巨大的發展前景。在AdHoc網絡的研究中還存在許多亟待解決的問題：設計具有節能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴展特性的路由協議，以及Ad Hoc網絡的網絡管理等。在商業網中應用時，重點要注意AdHoc網絡中網絡監視、節點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。

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