自組織網

自從無線網路在70年代產生後,它在計算機領域裡日趨流行，尤其是最近十年無線移動通信網路的發展更是一日千里。目前存在的無線行動網路有兩種：第一種是基於網路基礎設施的網路，這種網路的典型套用為無線區域網路（WLAN）。第二種為無網路基礎設施的網路，一般稱之為自組織網（AD HOC）。這種網路沒有固定的路由器，網路中的節點可隨意移動並能以任意方式相互通信。

基本介紹

• 中文名：自組織網
• 生產時間：70年代產生後
• 套用：計算機領域
• 性質：任意方式相互通信

簡介

每一個節點都能實現路由器的功能而在網路中搜尋、維護到另一節點的路由。自組織網可用在事故的突發現場以及人們希望能迅速共享信息的會議、辦公室等場所。

無線自組織網路關鍵技術與進展

結合無線通信無線自組織網路具有的特性

隱藏終端、 暴露終端問題

無線自組織網路的核心特徵

無中心化和節點之間的對等性

Adhoc網路是一個對等性網路，網路中所有結點的地位平等，無需設定任何的中心控制結點（Infrastructureless，不依賴於固定的網路設施）。網路節點既是終端，也是路由器，當某個節點要與其覆蓋範圍之外的節點進行通信時，需要中間節點（普通節點）的多跳轉發（Multi-Hop Distributed）。

自發現、自動配置、自組織、自愈

Adhoc網路節點能夠適應網路的動態變化，快速檢測其它節點的存在和探測其他節點的能力集，網路節點通過分散式算法來協調彼此的行為，無需人工干預和任何其它預置的網路設施，可以在任何時刻任何地方快速展開並自動組網。由於網路的分散式特徵、節點的冗餘性和不存在單點故障點，任何結點的故障不會影響整個網路的運行，具有很強的抗毀性和健壯性。

無線傳輸頻寬有限

Adhoc網路採用無線傳輸技術作為底層通信手段，由於無線信道本身的物理特性，它所能提供的網路頻寬相對有線信道要低得多，節點間通信協定的設計必須考慮通信代價。因此路由協定設計時，減少訊息數量和頻寬需求成為重要的考慮因素。使得Adhoc網路很難採用目前IP網路中的現有路由協定進行定址。

移動終端有節能要求

由於移動終端的電量有限，節點處於待機狀態有利於減少電量消耗，因此，節點通信協定設計時要儘量減少節點激活時間、較少節點的計算量（減少CPU能量消耗）。

安全性較差

由於採用無線信道、有限電源、分散式控制等技術，Adhoc網路更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務、剝奪“睡眠”等網路攻擊。信道加密、抗干擾、用戶認證和其它安全措施都需要特別考慮。

存在單向的無線信道

由於地形環境或發射功率等因素的影響，網路中可能存在單向無線信道，增加了節點間通信協定的設計難度。

Adhoc網路的上述特點使得Adhoc網路在體系結構、網路組織、協定設計等方面都與普通通信網路和固定通信網路有著顯著的區別。

研究熱點

MAC協定的研究

在Adhoc網路中，多個網路節點共享同一無線信道，由於各節點傳送分組的隨機性，為了減少碰撞，必須由MAC層協定來建立共享信道的訪問機制。高效的MAC層協定是Adhoc網路的一個研究熱點，目前最常見的MAC層協定是載波監聽多路接入（CSMA）和多種其他機制，如IEEE802.11中所採用的基於RTS（RequesttoSend），CTS（CleartoSend），ACK（AC-Knowledgement）的協定等。

路由協定的研究

由於Adhoc網路具有節點節電、減少頻寬消耗、拓撲快速變化、適應單向信道環境等多方面的要求，使得現有的IP路由協定，如RIP（選路信息協定）和OSPF（開放最短路徑優先協定）等不能滿足要求，Adhoc網路路由協定的設計具有很大難度。IETF的MANET工作組重點研究無線Adhoc中的路由協定。主要有如下幾種草案：

（1）AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc網路的距離矢量路由算法。

（2）TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）臨時順序路由算法。

（3）DSR（DynamicSourceRouting）動態源路由協定。

（4）OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）最佳化的鏈路狀態路由協定。

（5）TBRPF（TopologyBroadcastBasedonReversePathForwarding）基於拓撲廣播的反向路徑轉發。

（6）FSR（FisheyeStateRoutingProtocol）魚眼狀態路由協定。

（7）IERP（theInterzoneRoutingProtocol）區域間路由協定。

（8）IARP（theIntrazoneRoutingProtocol）區域內路由協定。

（9）DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）目標序列距離路由矢量算法。

目前，IETF正在研究Adhoc網路中的組播協定，上述一些協定經過擴展可以支持組播，主要有AM-Route，MAODV，ODMRP，CAMP，FGMP，NSMP等。與路由協定研究密切相關的一個研究熱點就是分簇算法的研究，在分級分頻網路結構中，如何自動選舉確定簇頭，如何確定每個簇的範圍需要高效的算法支持。

網路安全保障機制的研究

Adhoc網路的特殊結構（開放的網路結構、共享的無線資源、嚴格的資源限制和高度動態的網路拓撲）決定了它只能提供較差的安全性能，極易受到主動和被動的攻擊。早期的Adhoc是假設套用在一個友好且合作的環境中，現在這種假設已經不成立了，Adhoc要套用於一個潛在的敵對環境中，並為移動節點間提供受保護的通信，安全問題已經成為倍受關注的焦點。Adhoc網路的安全威脅主要有被動竊聽（無線鏈路使Adhoc網路容易受到鏈路層的攻擊）、拒絕服務攻擊、禁止“睡眠”攻擊（快速消耗節點電能）、數據篡改和重發、偽造身份取得信任引入“黑洞”等。

針對這些安全威脅，傳統網路的安全解決方案不能適應Adhoc網路的特定環境，不能直接用於Adhoc網路。目前，關於Adhoc網路的安全性研究主要集中在無中心環境下節點間信任關係的建立與維護機制、安全選路機制等。

與現有網路融合模式的研究

在Adhoc網路發展過程中，Adhoc網路主要是作為一個獨立的網路存在的，但隨著Adhoc網路技術的逐步成熟和套用範圍的擴大，要求Ad hoc網路能夠與有線網路互通甚至接入網際網路，這將成為Ad hoc發展不可避免的趨勢。在這種情況下，未來的Ad hoc網路要與IP網路互通、要與3G，4G，UWB等無線網路融合、要與RFID技術相銜接，這就帶來了很多難題。

（1）由於Adhoc網路所採用的路由協定不同於IP路由協定，兩類網路的互聯互通存在一定的難度。此時需要布置接入網關（AP，AccessPoint），AP是一台同時擁有有線接口和無線接口的特殊主機，通過AP的轉發和路由可以使有線網路和Adhoc網路互通。Ad hoc網路可以通過一個或多個AP連線到不同地域的有線網路。IETF的MANet工作組提出了一種利用移動IP和Ad hoc路由相結合的方法，通過外部代理和家鄉代理實現和有線網路互通。這種方法需要各個結點都支持移動IP，這在有些套用中會有一定難度。

（2）如果Adhoc網路與其他網路互聯，則其將為其他網路終端提供通信通道，而Adhoc網路的無線信道頻寬較窄、頻寬資源有限，很容易造成阻塞；一旦網路阻塞，既影響Adhoc網路自身運行，又對與其互聯的網路造成影響。而IP網路中現有的接納控制機制不能套用在無中心的Ad hoc網路中，因此互聯後網路的服務質量很難保證。

（3）Adhoc網路作為3G，4G，UWB骨幹網的無線接入網，將有效擴展這些寬頻無線網路的功能及有效覆蓋範圍。因此需要研究Adhoc網路與這些寬頻無線網路的無縫切換技術。研究具有無線資源管理功能的自組網路由算法從而實現移動終端之間的直接通信、多跳通信、系統兼容、無縫切換與漫遊。

現有協定

路由選擇在自組織網中非常重要，它既是信息的傳輸策略問題，也涉及到網路的管理問題。目前自組織網的路由協定一般分為兩種：路由表協定（table driven）和源始發的按需路由協定（source-initiated on-demand driven）。路由表協定包括有：DSDV、CGSR、WRP等，源始發的按需路由協定有：DSR、AODV、LMR、TORA、ABR、SSR等。

路由表協定

路由表協定需網路中的每一個節點都要周期性的向其它節點發

送最新的路由信息，並且每一個節點都要保存一個或更多的路由表來存儲路由信息。當網路拓撲結構發生改變時，節點就在全網內廣播路由更新信息，這樣每一個節點就能連續不斷地獲得網路信息。

4.1.1、序列目的節點距離矢量路由協定(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)

DSDV是基於經典Bellman-Ford路由選擇過程的改進型路由表

算法。DSDV以路由信息協定為基礎。它僅適用於雙向鏈路，是AD HOC 路由協定發展較早的一種。

依據DSDV，網路中的每一個節點都保存有一個記錄所有目的節點和到目的節點跳數的路由表(routing table)。表中的每一個條目都有一個由目的節點註明的序列號（sequence number），序列號能幫助節點區分有效和過期的路由信息。標有更大序列號的路由信息總是被接收。如果兩個更新分組有相同的序列號，則選擇跳數（metric）最小的，而使路由最優（最短）。路由表更新分組在全網內周期性的廣播而使路由表保持連貫性。

4.1.2、群首信關切換路由協定（Clusterhead Gateway Switch Routing）

CGSR和DSDV的不同之處在於定址方式和網路組織過程。CSGR是有幾種路由選擇方式的分群的多跳移動無線網路。通過群首控制網路節點，信關隔離群，信道接入可以分配路由和頻寬。群首選擇算法用來選擇一個節點作為群首並在群內套用分散式算法。信關為那些在兩個或多個群首的通信半徑之內的節點。節點傳送數據包首先把它傳送到群首，通過信關到另一個群首，一直重複此過程直到目的節點所在群的群首收到此數據包。然後，數據被傳送到目的節點。用此方式，每個節點必須保存一個群成員表（cluster member table）和路由選擇表（routing table）。群首方式的缺陷在於當群首頻繁的變換時，節點忙於選擇群首而不是數據轉發，這樣反而會影響路由協定的實行。因此，當群內成員發生變化時，產生了最小群變化協定（Least Cluster Change）。利用LCC，只有當一個群內有兩個群首或一個節點在所有的群首通信範圍之外時，群首才發生變換。

4.1.3、無線路由協定（The Wireless Routing Protocol）

WRP是以維護網路中所有節點間的路由信息為目的的基於表的協定。依據WRP，每一個節點都需保存距離表、路由表、鏈路開銷表以及信息轉發表（Message Retransmission List）。

節點通過更新分組告知其它節點鏈路的變化狀況，通過接收相鄰節點的確認分組以及其它信息來獲知其它節點的情況。在WRP中，節點為網路中的每一個目的節點交流距離和下一跳到最後一跳的路由信息。WRP屬於有特殊例外的路徑搜尋算法。它通過強迫每一節點檢查所有相鄰節點傳送的信息記錄來避免無窮計（count-to-infinity）問題。這最終會消除環路現象和當鏈路斷開時提供更快的路由收斂。

源始發按需路由選擇

（Source-Initiated On Demand Routing）

這種路由選擇方式只有當源節點需要時才建立路由。當一個節點需要到目的節點的路由時，它會在全網內開始路由發現過程。一旦檢驗完所有可能的路由排列方式或找到新的路由後就結束路由發現過程。路由建立後，由路由維護程式來維護這條路由直到它不再被需要或發生鏈路斷開現象。

4.2.1、自適應源路由協定（Dynamic Source Routing）

DSR是基於源路由概念的按需自適應路由協定。移動節點需保留存儲節點所知的源路由的路由緩衝器。當新的路由被發現時，緩衝器內的條目隨之更新。

DSR主要由兩部分組成：路由發現和路由維護。當一個節點欲傳送數據到目的節點，它首先查詢路由緩衝器看是否有到目的節點的路由。如果有，則採用此路由傳送數據。另一方面，如果沒有，源節點就開始路由發現程式。

路由維護通過路由錯誤分組（route error）和確認分組來實現。當鏈路層遇到傳輸問題時，錯誤分組開始傳送。一旦收到錯誤分組，節點就會把發生錯誤的那一跳從路由存儲緩衝器移走，並會在所有包含那一條的路由里刪掉那一跳。除路由錯誤分組外，確認分組用來驗證路由連線的正確運行。

4.2.2、自組織網按需距離矢量路由協定（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing）

AODV實質上就是DSR和DSDV的綜合，它借用了DSR中路由發現和路由維護的基礎程式以及DSDV中跳到跳的路由選擇、序列號碼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通過建立基於按需的路由來減少路由廣播的次數，這是AODV對DSDV的重要改進。和DSR相比，AODV的好處在於源路由並不需包括在每一個數據包中，這樣會使路由協定的開銷有所降低。AODV是一個純粹的按需路由系統，那些不在路徑內的節點不保存路由信息也不參與路由表的交換。

4.2.3臨時排序路由算法（Temporally-Ordered Routing Algorithm）

TORA是基於‘逆向連線’概念的高度自適應、環路開放、分散式路由算法。TORA主要套用在動態行動網路環境內。它是源始發的路由協定，能向每一對源-目的節點提供多徑路由。TORA的關鍵思想是把路由信息的傳送限制在網路拓撲結構變化處附近較小的範圍內。為了實現這一點，節點必需保留一跳之遠的節點的路由信息。TORA主要實現三個基本功能：路由建立、路由維護、路由刪除。

在路由建立和路由維護的過程中，節點套用‘高度（height）’ metric來建立一個以目的節點為根部的指導性的非循環的圖表（Directed Acyclic Graph）。這樣鏈路根據相鄰兩個節點的高度值來確定向上或向下的方向。

4.2.4、基於聯合的路由協定（Associativity-Based Routing）

ABR協定是環路開放的、分組復用的，它為自組織網定義一個新的度量（metric）。這個metric就是聯合穩定性程度（degree of associativity stability）。在ABR，路由的選擇基於節點的聯合穩定性程度。節點周期性地傳送信標來表明自身的情況。一旦相鄰節點收到信標，它們的聯合路由表就會被更新。每接收一個信標，節點就增加一個關於傳送信標的節點的聯合條目。聯合穩定性通過節點和其它節點在時間和空間的連線穩定性來定義。高聯合穩定性也許意味著節點的低移動率，而低穩定性意味著高移動率。當節點的相鄰節點或節點本身移動出相鄰的範圍時，聯合條目會被刷新。ABR的基本目標是為自組織網找出生命時間更長的路由。

4.2.5、信號穩定性路由協定（Signal Stability Routing）

SSR是基於自適應路由協定的按需路由協定。SSR選擇路由是基於節點間信號的強度以及節點位置的穩定性。這種路由選擇標準有選擇強連線性路由的作用。SSR可分成兩部分:DRP(Dynamic Routing Protocol)動態路由協定和SRP靜態路由協定(Static Routing Protocol)。

DRP主要負責路由表(Routing Table)和信號穩定程度表(Signal Stability Table)的維護。所有的傳送過程及接收都在DRP進行。SRP則負責處理節點接收的數據。

發展方向

針對目前自組織網路的研究熱點與存在的突出問題，在未來自組織網路的技術發展與試驗中應注意以下幾點：

加強技術研究,探索技術方向，尋求技術突破

以便為大規模商業化套用時代的到來做準備

（1）對超前市場的新技術，企業投資研發的力度一般都很小，這時候要充分發揮政府對新技術新業務的引導作用，設定專項課題進行資金支持。目前我國“八六三”計畫中已經連續兩年設定了“自組織網路”的研究課題，但是通過課題指南和項目批覆來看，項目支持的技術方向並不明確。以後應該加強Adhoc網路安全、服務質量、與其他網路融合、與RFID結合等方面的支持力度，對關鍵問題進行聚焦，爭取在這些核心問題上取得突破。

（2）在技術研發過程中，需要通過標準、智慧財產權、產業政策等手段加強產、學、研等方面相結合的力度，鼓勵結成戰略聯盟，提倡聯合攻關，聯合資助，優勢互補，加快科研成果的生產力轉化速度和質量。

（3）在國內啟動相關技術標準的研究制定工作（包括套用場景、技術需求、體系結構、關鍵模組、組網方式、檢測試驗等方面的技術標準），積極參與相關國際標準化進程。

加強Adhoc網路安全保障機制的研究

以便解決安全隱患，消除用戶使用顧慮

安全性是決定Adhoc網路潛能能否得到充分發揮的關鍵。由於不依賴固定基礎設施，相對於固定IP網路，Adhoc網路更易受到各種安全威脅和攻擊，而且傳統網路的安全解決方案不能直接套用於Adhoc網路，現存的用於Ad hoc網路的大多協定和提案也沒有很好地解決安全問題。因此，要加強Ad hoc網路安全保障機制的研究，消除產業化道理上的關鍵障礙。

尋找Adhoc網路與其他通信網路的融合之路

以便探索新的商業模式

（1）在網路融合的發展趨勢下，封閉的Adhoc網路只有與其他網路互聯互通才能發揮更大的作用。因此，要加強Adhoc網路與IP網路，3G，4G，UWB等無線網路的融合方式的研究。

（2）隨著具有自組織特性的網路越來越多（如P2P網路、分布動態路由協定等），要加強對這些網路內在自組織機制和特性的研究，爭取形成新的網路基礎理論，從而對未來承載網和業務網的發展提供理論基礎。

（3）要加強Adhoc網路套用場景與套用需求的研究，重點研究Adhoc網路如何與應急通信需求、物聯網（RFID）需求的結合；結合NGN框架，探索新的套用領域和產業鏈各方的合作模式。

（4）在下一代網路、下一代網際網路、格線通信基礎設施上，建立面向不同套用背景的Adhoc試驗網路和相應的套用系統，分別提供商業套用、企業套用（企業內部通信）、社會公共服務（等應急通信）。重點探索Adhoc網路在企業內部的套用方式。