Ad Hoc网络协议栈通用要求研究

日期：2007年9月5日作者：查看:[大字体中字体小字体]

摘要：Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自治系统。Ad Hoc网络与有线网络相比有很多特殊点，会导致传统的网络协议栈在Ad Hoc下不能有效使用。解决的办法是使Ad Hoc网络的网络协议栈满足比传统协议栈更高的要求: 物理层要能实现分布式多点发起的同步，媒体访问控制(MAC)层要能管理多个分布站点随机的收发行为，网络层要能高效地管理分布式的路由协议，传输层要针对各种不同的业务进行优化。

    关键词：自组织网络；协议栈；路由

    Abstract:An Ad Hoc Network is a multi-hop, temporary and autonomous system composed by mobile nodes with wireless receiving and sending functions. Compared with wired networks, the Ad Hoc network has some unique characteristics that sometimes may cause the traditional network protocol stacks not to function well in Ad Hoc networks. The solution to this problem is to make the Ad Hoc protocol stack meet mUCh higher requirements as follows, while compared with the traditional protocol stack. The physical layer is required to achieve synchronization initiated by distributed multiple nodes. The Media Access Control (MAC) layer should be able to manage the random receiving and sending at distributed multi-stations. The network layer should effectively manage the distributed routing protocols. The transport layer should have the capability to optimize the configuration for different services.

    KeyWords:Ad Hoc network; protocol stack; routing

    Ad Hoc网络是由许多带有无线收发装置的通信终端(也称为节点、站点)构成的一种自组织的自治系统。因特网工程任务组(IETF)对Ad Hoc网络的定义是：一个移动Ad Hoc网络可以看作是一个独立的自治系统或者是一个对因特网的多跳无线扩展。作为一个自治系统，它有自己的路由协议和网络管理机制；作为多跳无线扩展，它应该对因特网提供一种灵活、无缝的接入。

    与其他通信网络相比，Ad Hoc网络有很多特点：

    (1)无中心节点

    Ad Hoc是一种完全意义的分布式网络，网络中没有严格的控制中心节点，所有节点的地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入和离开网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行，因此具有很强的抗毁性。

    (2)自组织

    自组网相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需依靠基础设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。

    (3)多跳路由

    当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点完成的，而不是由专用的路由设备完成。网络中的每一个网络节点扮演着多个角色，它们可以是服务器、终端，也可以是路由器。更重要的是，由于网络拓扑结构的变化，网络路由是随时变化的。网络拓扑结构变化的不可预知性增加了路由的难度。

    (4)动态变化的网络拓扑结构

    自组网中，网络节点可以以任意速度和任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合因素的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的，网络拓扑结构会出现分割和合并。

    这些特点是传统固定网络或移动网络等需要基础设备的网络所不具备的，灵活性是Ad Hoc网络区别于其他网络的最显著的优点，但是灵活性也带来一定的缺点：

    (1)单向无线信道

    自组网采用无线信道通信，由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。在常规网络中，节点间通常基于双向的有线或无线信道进行通信。这些单向信道为常规路由协议带来3个严重的影响：感知的单向性、路由单向性和汇点不可达性。

    (2)传输带宽

    由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而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。除此之外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素，网络节点可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。随着网络节点的增加，管理开销呈指数增加，真正用于业务数据的有效传输带宽急剧下降。

    (3)安全性

    自组网是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术和方式，所以更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”、伪造等各种网络攻击。

    这些缺点增加了AdHoc网络管理的开销。正是由于AdHoc网络与传统的固定网络的巨大区别，其网络协议栈也有比传统协议栈更高的要求，物理层要能实现分布式多点发起的同步；媒体访问控制(MAC)层要能管理多个分布站点随机的收发行为；网络层要能高效地管理分布式的路由协议；传输层要针对各种不同的业务进行优化等等。本文分别从网络协议栈中的物理层、链路层、网络层、传输层和应用层等几个层次进行网络协议栈的通用要求分析。

    1 物理层

    Ad Hoc网络的物理层要解决的问题主要包括：物理信道成型、物理层同步、高吞吐量技术的采用与改造、安全性的提高等。

    物理信道成型负责频率选择、载波产生和监听、信号监测、调制、数据的发送接收等。Ad Hoc网络物理层可以选择和参考的标准包括IEEE 802.11、IEEE 802.16、蓝牙和高性能无线局域网(HiperLAN)等标准所定义的物理层。IEEE 802.11物理层标准明确地定义了无线节点的Ad Hoc工作模式；IEEE 802.16中的网格网(Mesh)工作模式与Ad Hoc类似，只是减少了移动性。

    物理层的同步是网络工作的前提。由于组网的随意性，终端的移动性，处于平等地位的Ad Hoc分布式网络中的终端的物理层同步就变得非常难以解决。以IEEE 802.11的Ad Hoc网络为例，虽然物理层是以基于预约的载波侦听/冲突避免机制实现，不像WiMAX或者GSM等同步时分系统，需要对时间进行严格等同单位的划分。但是，预约的基本单位还是时间，分布式系统的正常工作还是建立在物理层时间基准之上的，否则，时间基准差异造成的碰撞的概率就会增加。另外，具有分布式特点的Ad Hoc网络中的终端的移动性是随意的，且没有处于中心位置的固定的基础设备，每一时刻的同步基准都会更改，所以网络传输的时延就必须随时更新，为了达到物理层的同步，每个终端都要计算它与当前时刻的处于网络管理者之间的时间提前量，并持续地维持该值。物理层之上的其他各层才能在一个较为精准的基础上开展各自所负责的任务。能完成上述功能的环境是非常复杂的，由于无线信道的时变特性，Ad Hoc网络的灵活移动性，要设计出一个准确地计算各个节点的物理层同步基准的模型还需要考虑到信道的特征。
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