网络自组织通信模式和技术研究综述

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摘要　自组织通信是最近一段时间计算机网络研究的热点。自动配置和自我组织是实现网络优化，网络自我管理，自我诊断和修复的关键技术，适应了互联网日益复杂的发展趋势，可用于支持新兴网络应用，并构建新型网络架构：移动自组织网络（MANET），无线传感器网络，自组织覆盖网络。本文介绍了自组织理论，归纳了自组织通信的特点并探讨了网络自组织通信进一步研究的方向。
1、引言
　　自组织（Self-Organizing）是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断提高自身复杂度和精细度的过程。在通信网络领域，我们可以采用下面的定义：对一个包含若干个实体的系统，如果这个系统具有某种结构和功能，那么称这个系统是有组织的。结构意味着这些实体以一种特定的方法进行组织，而且相互之间通过特定的方式进行交互。功能是指整个系统可以达到某种特定的目标。在系统范围内具有适应能力的结构，并且个体实体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。
　　在通信和计算机网络领域中，应用自组织通信模式可以产生新型通信网络支持新兴的业务需求，并促进未来网络体系结构研究的发展，优化现有网络通信机制。研究结果已经表明，大规模网络普遍表现出自组织特性，其中互联网拓扑结构的幂律特性，流量的自相似特性都体现了这一特点。而且，已有一些协议在设计时部分运用了自组织的方法，如IP地址的自动配置，TCP协议中拥塞控制机制等。在当前研究中，新型自组织通信网络引起较多的关注，主要包括移动自组织网络MANET（Mobile Ad hoc Network），无线传感器网络（Wireless Sensor Network），自组织覆盖网络（Self-Organizing Overlay Network）。本文将归纳计算机网络的自组织通信模式和新型自组织通信网络的主要特点，并探索网络的自组织特性的研究方向和自组织网络体系结构的设计原则。
2、自组织通信
　　自组织系统是一个不需要任何外部的，或者专门的集中控制的系统。单个实体直接以一种分布式的，相互同等的方式相互之间进行交互。实体之间的交互通常是本地化的。然而，自组织不止是分布式和局部化的控制这么简单。它还研究个别实体的行为（微观层次）与最终结构和整体系统的功能（宏观层次）之间的关系。在自组织系统中，在微观层次上一个相当简单的行为会导致整个系统很复杂的组织。这一现象叫做突现现象（Emergent Behavior），其成因仍不十分清楚。
　　自组织系统另一重要特性在于其对系统或者环境的变化具有适应的能力。实体不断地以一种协同的方式适应这些变化，因此系统才会不时地对各种内部或者外部所触发的变化产生重组的反应。这样，系统试图去达到一种理想的有利的结构，而不是其他结构。这种固有的适应性连同自组织系统本身的分布特性使得系统具有了其主要的特性之一，即对错误和故障的健壮性。系统不会存在单点失效的问题，并且可以在没有外界的作用下修复和纠正错误。这样，一个好的自组织系统可以优雅地退化而不会突然崩溃。
　　总之，在系统范围内具有适应能力的结构，并且个体实体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。
　　当前的通信系统和计算机网络中同样呈现出自组织特性。一个例子是：IPv4地址的DHCP自动分配和IPv6地址的自动配置。类似地，移动自组织网络中使用了分布式的自动配置技术来处理由于节点的移动特性而造成的网络合并和分离。TCP协议实现了一种分布式的处理网络拥塞的自适应机制，表现出一定的自组织特征，以少量的信息（局部的分组丢失率信息）实现控制，也说明了非集中式控制的有效和可扩展性。网络错误恢复中的自组织主要目的在于设计自组织的方式运行的通信协议，实现在链路和节点失效时网络的“自修复”和“自稳定”。
　　在新型通信网络中，自组织的特性显得尤为突出。自组织通信模式结合无线通信方式形成了移动自组织网络和无线传感器网络，结合有线通信方式形成了自组织覆盖网络。
　　自组织通信模式是新一代互联网体系结构研究的重要方面。回顾互联网在体系结构方面的演进历史可以看出，互联网经历了从最初小范围的自组织工作模式，到发展壮大后的以Client/Server为主的应用模式，再到目前P2P，Ad hoc等各种自组织形式的网络和应用异军突起并迅速发展的历程。因此，研究自组织特征在互联网发展的不同阶段对网络体系结构产生的不同影响、不同表现以及所发挥的不同作用，研究自组织特征与计算机技术、网络体系结构以及用户需求之间的内在联系，对未来互联网络体系结构的设计具有重要意义。
3、新型自组织通信网络
　　3.1　移动自组织网络（MANET）
　　移动自组织网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一组具有无线通信能力的移动节点组成的一个多跳（Multi-hops）、临时性拓扑结构的自治系统。在MANET环境中，由于节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的移动节点需要借助其它节点的分组转发实现通信。移动节点综合了传统主机和路由器的功能，能够自由运动并以任意方式进行组织，不再需要有线的核心网络支持即可运行，因此也被称为无基础设施的网络（Infrastructureless Network），呈现了显著的自组织特性。MANET突出多跳、自组织、无中心的思想，在军事通信、移动会议、个人通信等领域具有广阔的应用前景。
　　MANET是一种自组织、自配置、自管理的通信系统，可以在任何时间、任何地点不依赖任何预设的固定网络设施，通过节点之间的自我组织，快速、灵活地构建一个移动通信网络并提供一个通信支撑环境。MANET自组织研究主要关注于网络拓扑的组织形式和演化以及性能评价，当前主要有两种网络结构：平面结构和分层结构。平面结构中，所有节点处于同等地位，又称为对等结构。分层结构中，以簇（Cluster）为单位划分网络。每个簇由一个簇头节点（Cluster Header）和多个成员节点组成。簇头节点负责簇间业务的转发。根据不同的通信模式，分层结构可分为单频率分层网络和多频率分层网络。单频率分层网络只使用一个通信频率，簇头节点之间的数据通信由网关节点（同时属于两个或多个簇的节点）支持。簇头节点和网关节点形成了上一层网络（虚拟骨干层）。在多频率分层网络中，不同层采用不同的通信频率。下层节点无线覆盖范围较小，而上层节点可覆盖较大的范围。上层节点同时处于多个层次中，拥有多个通信频率，使用不同的频率实现不同层的通信。MANET因其自身独特的网络架构，有着不同于传统网络的路由机制和网络管理策略。
　　IETF于1996年成立了MANET工作组（Mobile Ad-hoc Networks Working Group），开始了MANET网络IP路由的标准化工作。当前MANET研究主要集中于自组织路由和媒体接入控制（MAC），服务质量（Quality of Service）保证、能耗控制、网络安全、网络自愈重构等。
　　3.2　无线传感器网络（Wireless Sensor Network）
　　无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由随机分布的具有数据收集、处理和无线通信功能的传感器节点以自组织方式构成的无线网络。传感器节点一般由传感器单元（数据采集）、处理单元（数据处理）、无线通信单元（数据传输）和电源这四部分组成。传感器单元类型由被监测的目标信息的形式决定。处理器通常选用嵌入式CPU和外围接口模块。无线通信单元是低功耗、短距离的无线通信模块。传感器节点散布在监测区域内，使用内置的传感器元件测量周围环境的目标信息，经过数据处理产生数据包，并通过无线多跳路由把数据包直接或经由网关节点传送给汇聚点（Sink），再由汇聚点通过Internet或卫星链路传递到数据的接收方。同时，传感器节点还负责转发相邻节点的数据包，全部的传感器节点形成一个具备自组织能力的无线网络。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗健康、数字家庭等领域有着广泛的应用前景，在空间探索、灾难拯救等特殊领域，也有其独特的技术优势。
　　与移动自组织网络相比，无线传感器网络有自身的特点：传感器节点数量通常较MANET节点多几个数量级且受限于电源功率、计算能力、内存等，节点分布更为密集和随机，节点更易于失效而拓扑频繁变化，通常使用的是广播通信方式，而在MANET较多使用的是点到点通信等。无线传感器网络中，大部分节点部署在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，处于静止状态，只有少数节点需要移动，这一点与移动自组织网络有显著区别。
　　无线传感器网络的研究主要可分为节点层面和网络层面两部分。节点层面的研究内容主要包括传感器测量、低功耗芯片、无线通信等，偏重利用微型机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）技术设计小型化的传感器节点，代表性的研究项目有Smart Dust和WINS；网络层面的研究内容主要包括低能耗路由、低能耗媒体访问控制（MAC），还包括能耗管理、协同定位、时钟同步、数据融合等。无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术，体现了自组织通信的特征，成为近期网络研究的热点。
　　3.3　自组织覆盖网络（Self-Organizing Overlay Network）
　　自组织覆盖网络是当前互联网中广泛应用且对互联网性能产生重要影响的虚拟网络形式。它呈现出大量节点动态参与、非确定方式建立并动态演化，并且节点普遍存在异构性等显著的自组织特征。典型的自组织覆盖网络以P2P网络，13架构为代表，在现有的互联网基础上运用了自组织通信技术以有效地支持新的应用。
　　（1）P2P网络
　　P2P（Peer to Peer）对等网络主要特点是不依赖网络中心节点而依靠网络边缘主机自行组织和对等协作，实现资源发现和共享，从而具备自组织特征，具有可扩展性、鲁棒性、容错性、负载均衡等优点。P2P技术广泛用于大规模的数据共享、内容发布以及应用层组播等，研究较集中于P2P覆盖网络组织结构和路由，有效搜索数据，邻居节点选取，冗余存储保证可靠性，分层的名字空间等。
　　P2P覆盖网络是一个全分布式的协作网络模型，节点之间组成一个自组织的系统结构。其网络组织形式可以分为无结构和有结构两种。有结构的P2P覆盖网络的拓扑是受控的，较典型的有Content Addressable Network（CAN），Tapestry，Chord，Pastry，Kademlia和Viceroy。无结构的P2P覆盖网络的节点是以随机图的模型组织成平面式或层次化结构，典型的有Freenet，Gnutella，FastTrack/KaZaA，BitTorrent，Overnet/eDonkey2000。
　　P2P应用正成为互联网中最重要的应用之一，同时其自组织特性带来了两个问题，一是P2P网络产生的流量和传统流量之间相互影响，二是P2P网络流量之间的彼此影响。由于P2P网络的自组织特性，P2P网络往往在应用层的Overlay采用优化的应用层路由策略，P2P流量的自身优化和ISP对网络进行的流量工程优化会形成博弈，会影响流量工程的优化效果。而不同的P2P的Overlay之间也在互相博弈，从而难以实现全局性能优化。有一些研究如OpenDHT试图建立一个公共的P2P覆盖网络的基础设施，不过由于不同的P2P应用关注点并不一样，很难实现这样公共的P2P覆盖网络。
　　（2）互联网间接访问基础架构（I3）
　　I3基础架构在Overlay的基础上提出的间接访问（Indirection）的思想，在统一的自组织模型内解决移动（Mobility），组播（Multicast）和任意播（Anycast）的问题。
　　传统单播路由点到点的简单性是Internet获得成功的重要因素，但是这种通信模式在支持其他服务类型时有很大局限性，新的Mobility，Multicast和Anycast服务的不同之处在于：Multicast和Anycast的通信发送方不知道接收方的网络标识，Mobility的通信接收方的位置不固定。目前的解决方法主要是在网络层采用了Indirection的概念：Multicast中“组”（Group）和Mobility家乡代理（Home Agent）都充当了中间者的角色。但是，在IP层来实现这几种服务在技术上（可扩展性差）和部署上（需要所有路由器都支持）都存在很大困难。
　　I3的间接访问机制在应用层上把传统单播路由过程的发送部分和接收部分分开，构建了一个应用层的自组织网络。发送方把数据发送给一个逻辑上的标识空间。而接收方向网络中该标识对应的服务器发送一个Trigger消息来请求接收哪些标识的数据。在I3网络中，移动节点位置虽然变化了，但是移动后仍然要周期性通知服务器请求信息；多个节点请求相同标识的情况就是Multicast；而对于Anycast，可以以标识的前k位（一共m位）作为组标识，所有请求方的请求标识前k位必须一致，发送方发送的标识前k位也是组标识，服务器根据最长匹配原理选择合适的接收方。I3的另一个特点是支持表示标识栈，形成虚拟分层的Overlay网络。使用I3架构把发送方、服务器、接收方组织成一个虚拟的应用层自组织网络，能够支持衍生服务、异构组播和大规模组播等。
4、自组织通信研究方向
　　4.1　网络的自组织特性研究
　　研究现有各种网络的自组织特性及其对网络体系结构的影响是自组织通信研究的重要组成部分。
　　（1）Internet流量与自相似
　　实验结果表明，Internet链路上被测量的流量表现出自相似的特性，被认为是典型的自组织系统的“突现”现象，其普遍性超乎人们预料。事实上，Mandelbrot的“Renewal Reward”过程（或与它们相似的Cox的“Immigration-birth”模型）以及它们的极限规则可以被看作是合适的框架下流量自相似特性的高度简化的方程表示，其中传输的文件是环境不稳定性的主要成因，而极限规则则表示了由TCP/IP及整个网络体系结构的限制所带来的一阶效应。
　　（2）Internet拓扑与幂律分布
　　Internet连接性方面幂律统计特性的普遍适用已经使得SFN（Scale-free Network，任意刻度网络）成为研究热点。SFN表明网络进化过程中简单的底层机制使得它们自组织成一个有着高可变连接性的结构，节点度呈幂律分布并通过偏好连接产生逐步增长，而且节点一般与高连接度的中心节点联系起来，形成“hub-like”结构。网络中有少数的对整个网络的连通性极为重要的中心路由器，大部分的流量都会通过这些中心路由器，因此也成为系统中的弱点。
　　（3）Internet在TCP/IP层的大规模行为
　　若考虑使用方程提供一个概念框架来表述Internet自组织能力，那么IP路由，TCP与应用层之间的自组织关系会表现得更为明显，这样通过以一种完全分布式的方式隐式地解决Internet全局效用最大化问题。
　　4.2　网络体系结构设计的自组织原则
　　以下四个原则描述了通信网络中实现自组织的主要思想。
　　（1）局部行为原则。实体仅对网络存在局部的认识，仅与其邻居进行交互。局部行为原则的一个应用是无线多跳网络中的拓扑控制。
　　（2）隐式协同原则。一个节点基于对其邻居节点和邻近环境的观察来得出对网络运行状态的认识，从而调整自身的通信行为。一种极端形式是“零协同”（Zero Coordination），不需要节点之间的任何协同，而是应用随机性来初始化系统或者从错误和死锁中恢复。
　　（3）长期状态信息最小化原则。节点在经常失去连接的环境中，存储并维护网络状态是困难的。为了达到更优化的自组织功能，应最小化长期性的状态。一种方法是使用发现机制，包括查询方式的被动（按需）发现或宣告方式的主动发现。
　　（4）适应变化原则。网络环境变化包括可变资源、可变用户、节点的移动性或者节点失效等。而节点适应能力分为节点可以应对变化；节点可以调节自己的参数以适应改变并优化系统性能；节点可以判断对于某种改变程度，当前的机制是否适合继续运转，并作何种优化。更高级别的适应性（例如学习算法）也可以引入到自组织通信中。
5、结束语
　　本文描述了自组织通信的特点，归纳了当前研究的一般情况，并探索了网络自组织通信的进一步研究的方向。自组织通信是一个引起普遍关注并且外延广泛的研究领域，对未来计算机网络体系结构的发展具有重要意义。