Ad hoc网络的关键技术

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摘要　Ad hoc网络是一种独具特色的网络，作为一种新型的无线、多跳、无中心分布式控制网络，它无需网络基础设施，具有很强的自组织性、鲁棒性、抗毁性和容易构建的特点，其关键技术一直是研究的热点和难点。文章主要对Ad hoc网络的路由协议、服务质量、功率控制、安全问题和互联问题进行分析和探讨，最后展望了Ad hoc网络的发展前景。
1、Ad hoc网络特点
　　随着移动通信技术的飞速发展和普及，人们对移动通信的需求越来越强烈，涌现出了众多的移动通信技术，Ad hoc就是其中之一。Ad hoc网络是一种无线多跳网络，与传统的无线网络相比，它不依赖于任何固定的基础设施和管理中心，而是由一组自主的移动节点临时组成，通过移动节点间的相互协作和自我组织，保持网络连接和实现数据的传递，主要应用于军事战场、医疗抢险以及抗洪救灾等特殊紧急环境。
　　Ad hoc网络组网灵活、快速，使用非常方便，但必须为Ad hoc设计专门的协议和技术，因为传统固定网络和移动蜂窝网络中的技术和协议无法直接复制到Ad hoc网络，这是由Ad hoc网络自身特性决定的。因此有必要对Ad hoc网络的路由协议、服务质量和功率控制等关键技术进行探讨。
2、关键技术探讨
　　2.1　路由协议
　　路由协议是Ad hoc网络的重要组成部分，开发良好的路由协议是建立Ad hoc网络的首要问题。与传统网络的协议相比，Ad hoc网络路由协议的开发更具挑战性，这是因为传统网络的路由方案都假设网络的拓扑结构是相对稳定的，而Ad hoc网络的网络拓扑结构是不断变化的。另外，传统网络的路由方案主要依靠大量的分布式数据库，这些数据库保存在某些网络节点和特定的管理节点中，而Ad hoc网络中的节点不会长期存储路由信息，并且这些存储的路由信息也不总是可靠的。大量的研究表明，理想的Ad hoc网络路由协议必须具备以下功能：a）维护网络拓扑的连接。b）及时感知网络拓扑结构的变化。c）高度的自适应性。
　　根据路由表的维护特点，Ad hoc网络的路由协议大致可分为：a）表驱动路由协议。b）按需驱动路由协议。c）混合路由协议。表驱动路由协议又称先应式路由协议，是指网络中的节点通过周期性的广播交换路由信息，获取其他节点的路由。由于这种方式需要不断在节点之间进行路由信息的交换和更新，占用了大量的网络资源，而事实上有很多的路由信息并不是必须的，这就造成了网络资源的浪费，所以这种路由方式一般只用在传统网络中，不大适用于Ad hoc网络。按需路由协议又称反应式路由协议，是指节点只对自己需要使用的路由进行维护和查找，也就是说，节点之间不必周期性的交互路由信息，解决了因交互无用的路由信息引起的网络资源浪费。混合路由协议是对表驱动路由协议和按需驱动路由协议的综合，它先在局部范围内使用表驱动路由协议，缩小路由控制消息传播的范围，当目标节点较远时，再通过按需驱动路由协议查找发现路由，这样就均衡了路由协议的控制开销和时延两个性能指标。
　　目前，大多数Ad hoc网络路由协议采用的是按需驱动路由方式，其中，具有代表性的有动态资源路由协议（DSR）、Ad hoc请求距离向量协议（AODV）和定位辅助路由协议（LAR）等，而目的序列距离矢量路由协议（DSDV）则是表驱动路由协议的代表。
　　2.2　服务质量
　　服务质量（QoS）指网络在传输数据流时必须满足的一系列性能指标，主要包括时延、可用带宽、丢包率和抖动等。目前，很多业务（如实时多媒体业务、交互式业务等）都要求网络提供QoS保障，虽然人们对QoS保障问题的研究取得了许多进展，但大多数方案都是针对固定网络特性而设计的，无法直接用到Ad hoc网络中。Ad hoc网络链路质量差、网络拓扑动态变化、信道访问存在竞争的特点使得QoS保障问题变得更加复杂。Ad hoc网络的QoS支持主要面临以下问题：a）无线信道的时变性。b）无线信道的带宽受限。c）路由机制。d）有限的电池能量。
　　为了更加合理地利用Ad hoc网络资源，获取更好的数据传输性能，为多媒体业务的QoS提供保障，研究人员提出了3种QoS模型，所提出的模型不但要求能适应Ad hoc网络拓扑的动态变化和无线信道的时变性，同时还能保证与其他网络互连。
　　1）集成服务模型
　　集成服务模型是从Internet网络环境中发展起来的，借鉴了电话网络和ATM中的虚连接机制。该模型的特点是在路由器中不能高速处理大量的数据流，否则会导致主干路由器成为网络瓶颈，但可采用资源预留协议为每个流预留端到端的网络资源，网络中的路由器也采用相应的资源管理机制，从而提供定量的QoS。
　　2）区分服务模型
　　区分服务模型将网络分为边缘和核心两部分，它们的分工各有不同，前者主要负责业务的分类、标记等，后者主要利用IP数据包头中的服务类型字段（ToS），把服务模型对资源预留协议的使用限制在用户网络侧。主干路由器只需检查数据包中的ToS字段来判断其业务类型，然后为不同的业务提供不同的QoS保障策略。
　　3）集成区分服务模型
　　虽然集成服务和区分服务有着各自不同的特点，但同时也存在相应的缺陷，特别是将它们应用到Ad hoc网络中时，问题就越发明显。集成区分服务模型是对集成服务和区分服务的综合，融合了两者的特点，它既可以控制每流服务的细粒度，又可以根据不同的业务类型提供相应的服务，是一种更优化的服务模型。FQMM模型就是一种典型的集成区分模型，该模型是专门针对Ad hoc网络设计的，可以很好地优化Ad hoc网络的性能。
　　2.3　功率控制
　　功率控制是指通过调整信号的发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。由于Ad hoc网络的特殊性，如果对它进行功率控制，不但可以降低网络的能量消耗，还可以减少对邻近节点的干扰，提高信道的空间复用度，从而提高整个网络的容量。目前，功率控制已成为提高Ad hoc网络性能的常用机制，并逐渐成为Ad hoc网络应用中不可缺少的重要手段。
　　由于Ad hoc网络是一个无任何基础设施和集中管理机构的无线多跳网络，各个节点的功率控制必须根据局部的信息做出决定。通常，一种理想的Ad hoc网络功率控制方法需满足以下要求：a）简单、高效、灵活、扩展性强。b）拓扑结构中节点的度要尽量小，从而减小节点间的相互干扰，增加网络吞吐量。c）能实现功率路径的最优化，从而节约能量，延长网络寿命。d）网络中的每个节点只需使用局部的信息就可以决定自己的传输半径和传输功率。
　　实际上，功率控制问题与Ad hoc网络中的物理层、链路层、网络层以及传输层都密切相关，它们都可以采取相应措施进行功率控制。目前，对Ad hoc网络功率控制机制的研究主要集中在链路层功率控制、网络层功率控制和混合功率控制三个方面。
　　1）链路层功率控制
　　主要通过介质控制（MAC）层上的协议来完成，发送节点根据每个报文的目的节点距离、信道状况等动态调整发射功率，以便提高网络容量和降低节点的能量消耗。一般来讲，链路层功率控制要经常调整，有可能每发送一个数据报文都得进行功率控制。
　　2）网络层功率控制
　　主要通过改变发射功率动态调整网络的拓扑结构和选路，最终使全网性能达到最优化。与链路层功率控制相比，网络层功率控制调整频率较低，较长时间才进行一次调整。
　　3）混合功率控制
　　随着研究的深入，研究人员发现了一种更优的功率控制，即混合功率控制，它可以进一步提高网络性能。混合功率控制是对链路层功率控制和网络层功率控制的综合，用网络层的功率控制调整网络拓扑结构和选路，而在发送报文时，链路层功率控制根据目的节点的远近调整发送功率。
　　2.4　安全问题
　　由于在Ad hoc网络中没有可信任的中心节点和通信基础设施，并且所有的节点都是移动的，节点本身要充当主机和路由器，节点间的通信完全通过无线信道来完成，它的这些固有特性使网络安全面临巨大的挑战。与传统网络相比，Ad hoc网络更容易遭受各种安全威胁，如窃听、篡改数据、拒绝服务和伪造身份等。
　　在安全目标上，Ad hoc网络与传统网络是一致的，主要包括机密性、完整性、认证性、不可否认性、可用性和访问控制等方面，但要实现这些目标相当困难。传统公钥密码体制中的数字签名、加密、报文鉴别码等技术本来可以实现信息的机密性、完整性、不可抵赖性等安全服务，但是它需要一个可信任的密钥管理中心进行密钥分配，而在Ad hoc网络中不允许存在这样的认证中心节点。因为单一的认证中心节点极易成为网络的瓶颈，一旦崩溃将造成整个网络瘫痪，更为严重的是，单个认证中心节点是攻击者的首选攻击目标，一旦被攻破将使整个网络完全失去安全性。虽然可以通过备份认证中心来提高抗毁性，但同时也增加了被攻击的目标，任何一个认证中心被攻破，整个网络就会失去安全性。因此，Ad hoc网络的密钥管理非常关键。
　　目前，Ad hoc网络密钥管理的研究主要集中在四个方面：a）局部分布式CA证书。b）基于多项式的秘密共享。c）基于PGP的自组织公钥管理。d）基于身份的密钥管理方案。前三者都是建立在传统公钥系统的基础上，尽管可以考虑使用对资源占用较小的公钥加密算法（如椭圆曲线加密算法），但无论采用什么方法来实现分布性，Ad hoc网络中的通信量和节点存储量都比较大。因此，在Ad hoc网络中，使用对资源占用较小的基于身份的加密系统来进行密钥管理，应该是提高网络性能的有效途径。
　　纵观网络安全的发展历史，我们可以得知任何一个方案都不可能是完全安全的，总是存在这样和那样的漏洞，因而入侵检测就顺理成章地的成为安全方案之后的第二道防线。目前，Ad hoc网络的入侵检测系统主要有四种：a）分布式入侵检测系统。b）基于AODV协议的入侵检测系统。c）基于移动代理的分布式入侵检测系统。d）本地入侵检测系统。前三种入侵检测系统在节点开销、互操作性和检测新入侵模式方面存在一定缺陷，只有本地入侵检测系统比较理想，基本上符合Ad hoc网络入侵检测系统的要求，但仍需要改进和加强。
　　2.5　互联问题
　　通常，Ad hoc网络是以独立的通信网络形式存在，它不与其他任何网络连接，所有节点之间通信都在网络内部进行。但是在实际应用中，Ad hoc网络不可避免要与其他网络互连，特别是与Internet互连。由于Ad hoc网络与Internet的路由方式不一样，如果要在它们之间实现无缝互连，就必须存在一种特殊的网关，它既能适应Internet网络的层次性路由机制，也能适应Ad hoc网络中的特定路由机制，并且能实现不同网络中节点间的通信。国内外众多学者正在研究Ad hoc网络与Internet的互连，提出了几种最具代表性的方案：a）基于移动子网的Ad hoc接入方法。b）基于中心代理的Ad hoc接入方法。c）基于移动IP的Ad hoc接入方法。由于研究还处于初级阶段，所以无论采用何种接入方案都存在问题，这些问题也只有随着研究的深入才能解决。
3、展望
　　尽管Ad hoc网络还存在许多问题，但随着通信技术的进步和相关标准算法的日趋成熟，这些问题肯定会随之化解。可以预见，Ad hoc网络的应用范围将逐步扩大，无论是在军用领域还是在民用领域，其应用前景都是非常广阔的，在未来移动通信的市场上必将扮演非常重要的角色。