自组织网

自从无线网络在70年代产生后,它在计算机领域里日趋流行，尤其是最近十年无线移动通信网络的发展更是一日千里。目前存在的无线移动网络有两种：第一种是基于网络基础设施的网络，这种网络的典型应用为无线局域网（WLAN）。第二种为无网络基础设施的网络，一般称之为自组织网（AD HOC）。这种网络没有固定的路由器，网络中的节点可随意移动并能以任意方式相互通信。

简介

每一个节点都能实现路由器的功能而在网络中搜寻、维护到另一节点的路由。自组织网可用在事故的突发现场以及人们希望能迅速共享信息的会议、办公室等场所。

无线自组织网络关键技术与进展

结合无线通信无线自组织网络具有的特性

隐藏终端、 暴露终端问题

无线自组织网络的核心特征

无中心化和节点之间的对等性

Adhoc网络是一个对等性网络，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（Infrastructureless，不依赖于固定的网络设施）。网络节点既是终端，也是路由器，当某个节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点（普通节点）的多跳转发（Multi-Hop Distributed）。

自发现、自动配置、自组织、自愈

Adhoc网络节点能够适应网络的动态变化，快速检测其它节点的存在和探测其他节点的能力集，网络节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。

无线传输带宽有限

Adhoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多，节点间通信协议的设计必须考虑通信代价。因此路由协议设计时，减少消息数量和带宽需求成为重要的考虑因素。使得Adhoc网络很难采用目前IP网络中的现有路由协议进行寻址。

移动终端有节能要求

由于移动终端的电量有限，节点处于待机状态有利于减少电量消耗，因此，节点通信协议设计时要尽量减少节点激活时间、较少节点的计算量（减少CPU能量消耗）。

安全性较差

由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，Adhoc网络更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全措施都需要特别考虑。

存在单向的无线信道

由于地形环境或发射功率等因素的影响，网络中可能存在单向无线信道，增加了节点间通信协议的设计难度。

Adhoc网络的上述特点使得Adhoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通通信网络和固定通信网络有着显著的区别。

研究热点

MAC协议的研究

在Adhoc网络中，多个网络节点共享同一无线信道，由于各节点发送分组的随机性，为了减少碰撞，必须由MAC层协议来建立共享信道的访问机制。高效的MAC层协议是Adhoc网络的一个研究热点，目前最常见的MAC层协议是载波监听多路接入（CSMA）和多种其他机制，如IEEE802.11中所采用的基于RTS（RequesttoSend），CTS（CleartoSend），ACK（AC-Knowledgement）的协议等。

路由协议的研究

由于Adhoc网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速变化、适应单向信道环境等多方面的要求，使得现有的IP路由协议，如RIP（选路信息协议）和OSPF（开放最短路径优先协议）等不能满足要求，Adhoc网络路由协议的设计具有很大难度。IETF的MANET工作组重点研究无线Adhoc中的路由协议。主要有如下几种草案：

（1）AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc网络的距离矢量路由算法。

（2）TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）临时顺序路由算法。

（3）DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。

（4）OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）优化的链路状态路由协议。

（5）TBRPF（TopologyBroadcastBasedonReversePathForwarding）基于拓扑广播的反向路径转发。

（6）FSR（FisheyeStateRoutingProtocol）鱼眼状态路由协议。

（7）IERP（theInterzoneRoutingProtocol）区域间路由协议。

（8）IARP（theIntrazoneRoutingProtocol）区域内路由协议。

（9）DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）目标序列距离路由矢量算法。

目前，IETF正在研究Adhoc网络中的组播协议，上述一些协议经过扩展可以支持组播，主要有AM-Route，MAODV，ODMRP，CAMP，FGMP，NSMP等。与路由协议研究密切相关的一个研究热点就是分簇算法的研究，在分级分频网络结构中，如何自动选举确定簇头，如何确定每个簇的范围需要高效的算法支持。

网络安全保障机制的研究

Adhoc网络的特殊结构（开放的网络结构、共享的无线资源、严格的资源限制和高度动态的网络拓扑）决定了它只能提供较差的安全性能，极易受到主动和被动的攻击。早期的Adhoc是假设应用在一个友好且合作的环境中，现在这种假设已经不成立了，Adhoc要应用于一个潜在的敌对环境中，并为移动节点间提供受保护的通信，安全问题已经成为倍受关注的焦点。Adhoc网络的安全威胁主要有被动窃听（无线链路使Adhoc网络容易受到链路层的攻击）、拒绝服务攻击、禁止“睡眠”攻击（快速消耗节点电能）、数据篡改和重发、伪造身份取得信任引入“黑洞”等。

针对这些安全威胁，传统网络的安全解决方案不能适应Adhoc网络的特定环境，不能直接用于Adhoc网络。目前，关于Adhoc网络的安全性研究主要集中在无中心环境下节点间信任关系的建立与维护机制、安全选路机制等。

与现有网络融合模式的研究

在Adhoc网络发展过程中，Adhoc网络主要是作为一个独立的网络存在的，但随着Adhoc网络技术的逐步成熟和应用范围的扩大，要求Ad hoc网络能够与有线网络互通甚至接入互联网，这将成为Ad hoc发展不可避免的趋势。在这种情况下，未来的Ad hoc网络要与IP网络互通、要与3G，4G，UWB等无线网络融合、要与RFID技术相衔接，这就带来了很多难题。

（1）由于Adhoc网络所采用的路由协议不同于IP路由协议，两类网络的互联互通存在一定的难度。此时需要布置接入网关（AP，AccessPoint），AP是一台同时拥有有线接口和无线接口的特殊主机，通过AP的转发和路由可以使有线网络和Adhoc网络互通。Ad hoc网络可以通过一个或多个AP连接到不同地域的有线网络。IETF的MANet工作组提出了一种利用移动IP和Ad hoc路由相结合的方法，通过外部代理和家乡代理实现和有线网络互通。这种方法需要各个结点都支持移动IP，这在有些应用中会有一定难度。

（2）如果Adhoc网络与其他网络互联，则其将为其他网络终端提供通信通道，而Adhoc网络的无线信道带宽较窄、带宽资源有限，很容易造成阻塞；一旦网络阻塞，既影响Adhoc网络自身运行，又对与其互联的网络造成影响。而IP网络中现有的接纳控制机制不能应用在无中心的Ad hoc网络中，因此互联后网络的服务质量很难保证。

（3）Adhoc网络作为3G，4G，UWB骨干网的无线接入网，将有效扩展这些宽带无线网络的功能及有效覆盖范围。因此需要研究Adhoc网络与这些宽带无线网络的无缝切换技术。研究具有无线资源管理功能的自组网络由算法从而实现移动终端之间的直接通信、多跳通信、系统兼容、无缝切换与漫游。

现有协议

路由选择在自组织网中非常重要，它既是信息的传输策略问题，也涉及到网络的管理问题。目前自组织网的路由协议一般分为两种：路由表协议（table driven）和源始发的按需路由协议（source-initiated on-demand driven）。路由表协议包括有：DSDV、CGSR、WRP等，源始发的按需路由协议有：DSR、AODV、LMR、TORA、ABR、SSR等。

路由表协议

路由表协议需网络中的每一个节点都要周期性的向其它节点发

送最新的路由信息，并且每一个节点都要保存一个或更多的路由表来存储路由信息。当网络拓扑结构发生改变时，节点就在全网内广播路由更新信息，这样每一个节点就能连续不断地获得网络信息。

4.1.1、序列目的节点距离矢量路由协议(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)

DSDV是基于经典Bellman-Ford路由选择过程的改进型路由表

算法。DSDV以路由信息协议为基础。它仅适用于双向链路，是AD HOC 路由协议发展较早的一种。

依据DSDV，网络中的每一个节点都保存有一个记录所有目的节点和到目的节点跳数的路由表(routing table)。表中的每一个条目都有一个由目的节点注明的序列号（sequence number），序列号能帮助节点区分有效和过期的路由信息。标有更大序列号的路由信息总是被接收。如果两个更新分组有相同的序列号，则选择跳数（metric）最小的，而使路由最优（最短）。路由表更新分组在全网内周期性的广播而使路由表保持连贯性。

4.1.2、群首信关切换路由协议（Clusterhead Gateway Switch Routing）

CGSR和DSDV的不同之处在于寻址方式和网络组织过程。CSGR是有几种路由选择方式的分群的多跳移动无线网络。通过群首控制网络节点，信关隔离群，信道接入可以分配路由和带宽。群首选择算法用来选择一个节点作为群首并在群内应用分布式算法。信关为那些在两个或多个群首的通信半径之内的节点。节点发送数据包首先把它传送到群首，通过信关到另一个群首，一直重复此过程直到目的节点所在群的群首收到此数据包。然后，数据被传送到目的节点。用此方式，每个节点必须保存一个群成员表（cluster member table）和路由选择表（routing table）。群首方式的缺陷在于当群首频繁的变换时，节点忙于选择群首而不是数据转发，这样反而会影响路由协议的实行。因此，当群内成员发生变化时，产生了最小群变化协议（Least Cluster Change）。利用LCC，只有当一个群内有两个群首或一个节点在所有的群首通信范围之外时，群首才发生变换。

4.1.3、无线路由协议（The Wireless Routing Protocol）

WRP是以维护网络中所有节点间的路由信息为目的的基于表的协议。依据WRP，每一个节点都需保存距离表、路由表、链路开销表以及信息转发表（Message Retransmission List）。

节点通过更新分组告知其它节点链路的变化状况，通过接收相邻节点的确认分组以及其它信息来获知其它节点的情况。在WRP中，节点为网络中的每一个目的节点交流距离和下一跳到最后一跳的路由信息。WRP属于有特殊例外的路径搜寻算法。它通过强迫每一节点检查所有相邻节点发送的信息记录来避免无穷计（count-to-infinity）问题。这最终会消除环路现象和当链路断开时提供更快的路由收敛。

源始发按需路由选择

（Source-Initiated On Demand Routing）

这种路由选择方式只有当源节点需要时才建立路由。当一个节点需要到目的节点的路由时，它会在全网内开始路由发现过程。一旦检验完所有可能的路由排列方式或找到新的路由后就结束路由发现过程。路由建立后，由路由维护程序来维护这条路由直到它不再被需要或发生链路断开现象。

4.2.1、自适应源路由协议（Dynamic Source Routing）

DSR是基于源路由概念的按需自适应路由协议。移动节点需保留存储节点所知的源路由的路由缓冲器。当新的路由被发现时，缓冲器内的条目随之更新。

DSR主要由两部分组成：路由发现和路由维护。当一个节点欲发送数据到目的节点，它首先查询路由缓冲器看是否有到目的节点的路由。如果有，则采用此路由发送数据。另一方面，如果没有，源节点就开始路由发现程序。

路由维护通过路由错误分组（route error）和确认分组来实现。当链路层遇到传输问题时，错误分组开始传送。一旦收到错误分组，节点就会把发生错误的那一跳从路由存储缓冲器移走，并会在所有包含那一条的路由里删掉那一跳。除路由错误分组外，确认分组用来验证路由连接的正确运行。

4.2.2、自组织网按需距离矢量路由协议（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing）

AODV实质上就是DSR和DSDV的综合，它借用了DSR中路由发现和路由维护的基础程序以及DSDV中跳到跳的路由选择、序列号码及周期性的更新信息的用法。

和DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通过建立基于按需的路由来减少路由广播的次数，这是AODV对DSDV的重要改进。和DSR相比，AODV的好处在于源路由并不需包括在每一个数据包中，这样会使路由协议的开销有所降低。AODV是一个纯粹的按需路由系统，那些不在路径内的节点不保存路由信息也不参与路由表的交换。

4.2.3临时排序路由算法（Temporally-Ordered Routing Algorithm）

TORA是基于‘逆向连接’概念的高度自适应、环路开放、分布式路由算法。TORA主要应用在动态移动网络环境内。它是源始发的路由协议，能向每一对源-目的节点提供多径路由。TORA的关键思想是把路由信息的传送限制在网络拓扑结构变化处附近较小的范围内。为了实现这一点，节点必需保留一跳之远的节点的路由信息。TORA主要实现三个基本功能：路由建立、路由维护、路由删除。

在路由建立和路由维护的过程中，节点应用‘高度（height）’ metric来建立一个以目的节点为根部的指导性的非循环的图表（Directed Acyclic Graph）。这样链路根据相邻两个节点的高度值来确定向上或向下的方向。

4.2.4、基于联合的路由协议（Associativity-Based Routing）

ABR协议是环路开放的、分组复用的，它为自组织网定义一个新的度量（metric）。这个metric就是联合稳定性程度（degree of associativity stability）。在ABR，路由的选择基于节点的联合稳定性程度。节点周期性地发送信标来表明自身的情况。一旦相邻节点收到信标，它们的联合路由表就会被更新。每接收一个信标，节点就增加一个关于发送信标的节点的联合条目。联合稳定性通过节点和其它节点在时间和空间的连接稳定性来定义。高联合稳定性也许意味着节点的低移动率，而低稳定性意味着高移动率。当节点的相邻节点或节点本身移动出相邻的范围时，联合条目会被刷新。ABR的基本目标是为自组织网找出生命时间更长的路由。

4.2.5、信号稳定性路由协议（Signal Stability Routing）

SSR是基于自适应路由协议的按需路由协议。SSR选择路由是基于节点间信号的强度以及节点位置的稳定性。这种路由选择标准有选择强连接性路由的作用。SSR可分成两部分:DRP(Dynamic Routing Protocol)动态路由协议和SRP静态路由协议(Static Routing Protocol)。

DRP主要负责路由表(Routing Table)和信号稳定程度表(Signal Stability Table)的维护。所有的传送过程及接收都在DRP进行。SRP则负责处理节点接收的数据。

发展方向

针对目前自组织网络的研究热点与存在的突出问题，在未来自组织网络的技术发展与试验中应注意以下几点：

加强技术研究,探索技术方向，寻求技术突破

以便为大规模商业化应用时代的到来做准备

（1）对超前市场的新技术，企业投资研发的力度一般都很小，这时候要充分发挥政府对新技术新业务的引导作用，设置专项课题进行资金支持。目前我国“八六三”计划中已经连续两年设置了“自组织网络”的研究课题，但是通过课题指南和项目批复来看，项目支持的技术方向并不明确。以后应该加强Adhoc网络安全、服务质量、与其他网络融合、与RFID结合等方面的支持力度，对关键问题进行聚焦，争取在这些核心问题上取得突破。

（2）在技术研发过程中，需要通过标准、知识产权、产业政策等手段加强产、学、研等方面相结合的力度，鼓励结成战略联盟，提倡联合攻关，联合资助，优势互补，加快科研成果的生产力转化速度和质量。

（3）在国内启动相关技术标准的研究制定工作（包括应用场景、技术需求、体系结构、关键模块、组网方式、检测试验等方面的技术标准），积极参与相关国际标准化进程。

加强Adhoc网络安全保障机制的研究

以便解决安全隐患，消除用户使用顾虑

安全性是决定Adhoc网络潜能能否得到充分发挥的关键。由于不依赖固定基础设施，相对于固定IP网络，Adhoc网络更易受到各种安全威胁和攻击，而且传统网络的安全解决方案不能直接应用于Adhoc网络，现存的用于Ad hoc网络的大多协议和提案也没有很好地解决安全问题。因此，要加强Ad hoc网络安全保障机制的研究，消除产业化道理上的关键障碍。

寻找Adhoc网络与其他通信网络的融合之路

以便探索新的商业模式

（1）在网络融合的发展趋势下，封闭的Adhoc网络只有与其他网络互联互通才能发挥更大的作用。因此，要加强Adhoc网络与IP网络，3G，4G，UWB等无线网络的融合方式的研究。

（2）随着具有自组织特性的网络越来越多（如P2P网络、分布动态路由协议等），要加强对这些网络内在自组织机制和特性的研究，争取形成新的网络基础理论，从而对未来承载网和业务网的发展提供理论基础。

（3）要加强Adhoc网络应用场景与应用需求的研究，重点研究Adhoc网络如何与应急通信需求、物联网（RFID）需求的结合；结合NGN框架，探索新的应用领域和产业链各方的合作模式。

（4）在下一代网络、下一代互联网、网格通信基础设施上，建立面向不同应用背景的Adhoc试验网络和相应的应用系统，分别提供商业应用、企业应用（企业内部通信）、社会公共服务（等应急通信）。重点探索Adhoc网络在企业内部的应用方式。