无线Adhoc网络技术综述.docx

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无线Adhoc网络技术综述

无线Adhoc网络技术综述

摘要Adhoc种有特殊用途的对等式网络，具有无中心、自组织、可快速展开、可移动等特点，这些特点使得它在战场、救灾等特殊场合的应用日渐受到人们的重视。

本文首先分析了Adhoc网络的特点和对协议的特殊需求，然后对网络构造和路由协议作了详细的分析和讨论，并对Adhoc网络平安及性能进展了分析，最后总结了下网络的实际应用意义。

关键词Adhoc网络网络构造路由协议平安性能

引言

随着人们对移动通信要求的增强，蜂窝移动通信系统得到了迅速普及。

但蜂窝移动通信系统是集中式控制的（有中心的），网络的运行要基于预先架设好的网络设施。

这两个特点使得蜂窝移动通信系统对有些特殊场合来说并不适用，例如，战场上部队快速展开和推进、发生地震或水灾后的营救。

这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，基于强健性考虑也不能采取有中心的控制方式。

此时，需要一种特殊的通信系统，这种通信系统的运行不能基于任何预先架设好的网络设施，要能实现临时快速自动组网，节点要能移动。

Adhoc网络的出现满足了这些要求。

Adhoc网络是一种有特殊用途的对等式网络，使用无线通信技术，网络中的节点互相作为其邻居（在其直接通信X围内的节点）的路由器，通过节点转发实现节点间的通信。

它又被称为多跳网络（multi-hopnetwork）、无固定网络设施的网络（infrastructurelessnetwork）或自组织网络〔self-organizednetwork〕。

1Adhoc网络特点

Adhoc网络是一种特殊的无线移动网络。

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。

网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。

与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点：

1.网络自主性：

网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。

结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

网络没有严格的控制中心。

所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。

结点可以随时加人和离开网络。

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。

2.动态拓扑：

网络是一个动态的网络。

网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑构造随时发生变化。

3.多跳路由：

当结点要与其覆盖X围之外的结点进展通信时，需要中间结点的多跳转发。

与固定网络的多跳不同，Adhoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

4.链路带宽受限、容量时变：

由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变特征。

5.分布式控制：

无线Adhoc网络中的用户节点都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。

而在常规通信网络中，由于存在基站、网控中心或路由器这样一类集中控制设备，用户终端与它们所处的地位不是对等的。

6.有限的平安性：

通常，移动无线网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等原因，比有线网络更易受到平安性的威胁。

这些平安性的攻击包括窃听、电子欺骗和拒绝效劳等攻击手段

这些特点使得Adhoc网络在体系构造、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别[1]。

2网络构造

Adhoc网络一般有两种构造[2]：

平面构造（见图1）和分级构造（见图2和图3）。

平面构造中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式构造。

而分级构造中，网络被划分为簇（cluster），每个簇由一个簇头（cluster-header）和多个簇成员（cluster-member）组成，这些簇头形成了高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。

分级构造中，簇头节点负责簇间数据的转发。

比方当簇1中的节点A要与簇2中的节点B通信时，节点A先把数据发送给簇1的簇头;簇1的簇头分析发现B在簇2中，把数据转发给簇2的簇头（可能要经过其它簇头的转发）;簇2的簇头收到数据后，发现B是自己簇的成员，把数据发送给B。

图1平面构造

图2单频分级构造

图3多频分级构造

3路由协议

由于Adhoc网络的多跳特性，节点要有报文转发功能，这就要求节点实现适宜的路由协议。

Adhoc网络中节点是移动的，网络的拓扑构造不断变化，传统的基于因特网的路由协议无法适应拓扑快速变化的需要，所以要设计适用于Adhoc网络的路由协议。

鉴于路由协议的重要性，IETF的MANET工作组目前专注于Adhoc网络路由协议的研究。

AdHoc网络的路由协议大致可以分为先应式（Proactive）路由协议、反响式（Reactive）路由协议以及混合式路由协议。

在此简单的介绍下：

1.先应式路由协议

先应式路由协议又称为表驱动路由协议，在这种路由协议中，每个节点维护一X包含到达其它节点的路由信息的路由表。

当检测到网络拓扑构造发生变化时，节点在网络中发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，以维护一致的、及时的、准确的路由信息，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑构造。

这类的路由协议主要包括DSDV〔DestinationsequencedDistanceVector〕，CGSR〔ClusterheadGatewaySwitchRouting〕和WRP〔TheWirelessRoutingProtocol〕

2.反响式路由协议

反响式路由协议又称为按需路由协议，是一种当需要发送数据时才查找路由的路由算法。

在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。

与先验式路由协议相比，反响式路由协议的开销较小，但是数据报传送的时延较大。

这类的协议主要包括DSR（DynamicSourceRouting），AODV（AdHocOnDemandVectorRouting）和TOAR（TemporallyOrderedRoutingAgorithm）。

以下简单的〔表格1〕分析下两种方式的路由协议性能比拟：

表驱动

按需

路由协议

DSDV，CGSR，WRP

AODV，DSR，TORA，ABR

路由获取延时

低

高

控制负载

高

低

耗电量

高

低

带宽开销

高

低

表格1表驱动和按需方式路由协议的性能比拟

由于移动Adhoc网络多跳的特点，一般网络中会更多的用到AODV和DSR协议，在此，我们将这两种协议进展了比拟。

如〔表格2〕：

特性

DSR

AODV

周期性路由更新

否

发送Hello消息

维护多跳路由

是

否

支持单项链路

是

否

分组转发机制

源路由

逐跳

支持多播功能

否

是

Qos

否

是

表格2AODV与DSR的根本性能比拟

基于以上的比拟，AODV和DSR的另一个主要区别是DSR支持多经路由而AODV不支持，因此在中间节点发现路径中断时，AODV只能将分组丢弃；而DSR却可以在路由缓存中寻找其他的路径对分组进展补救，这一点在移Adhoc网络中尤为重要。

为了实时跟踪网络拓扑构造的变化，并且快速修复故障路由，M.Spohn和J.J.Garcia-Luna-Aceves在2001年提出了邻域自意识的源路由协议，NSR（NeighborhoodAwareSourceRouting）。

NSR是对DSR的拓展。

它通过让每个节点周期性交换Hello消息〔其中包含此节点的邻居节点信息〕，使每个节点管理两跳X围内的节点信息。

这样，每个节点可以实时跟踪邻域（两跳X围）的拓扑构造变化。

当路由出现故障时，破损链路的上游节点就可以利用自己维护的邻域节点信息和数据分组的源路由信息，快速修复故障路由。

而且文献[3]在这根底上引入了一种改良的路由协议——NSR-AODV混合路由协议。

它是一种基于AODV的按需驱动路由协议，并且借鉴了NSR的路由修复思想。

在NSR-AODV协议中通过周期性交换Hello消息〔其中包含此节点的邻居节点信息〕，节点实时维护两跳X围内的邻居节点信息；当路由出现故障时，节点就可借助于自己维护的邻居节点信息和路由表信息，快速修复故障路由。

因此，NSR-AODV兼备了AODV和NSR的优点；同时，又克制了NSR和DSR的源路由的缺点。

并且在实验仿真中，NSR-AODV在系统吞吐量和端到端延时等方面，比AODV都有了明显的改善。

4平安性能

移动Adhoc网络是由移动节点自组织形成的网络，由于其动态拓扑、无线通信的特点，容易遭受各种平安威胁.该文介绍了移动Adhoc网络平安研究的最新研究进展.首先从传输信道、移动节点、动态拓扑、平安机制、路由协议几方面，文献[4]分析了移动Adhoc网络的平安弱点，然后将移动Adhoc网络平安方面的研究分为三个方向：

密钥分配与管理、入侵检测、增强合作。

在密钥分配与管理首先介绍两种具有代表性的密钥管理方案：

4.1分布式的密钥管理

LidongZhou和ZygmuntJ.Haas提出一种基于门限密码理论，实现分布式的CA来进展密钥管理的算法[5]。

所谓（n，k）门限密码，即将密钥分为n份子密钥，其中任意k份子密钥联合起来即可完成加解密操作，而当份数小于k时那么不能执行加解密操作。

该算法优点是防止了单点的失败，提高了网络的强健性。

只要攻陷节点少于k个，整个网络依然是平安的。

但是，仍然存在两个缺点：

其一是增加了网络的计算负载，其二是增加了网络传输负载，因为在集中式的CA中，节点只需与一个CA联系返回一份证书，而分布式那么需要到k个持有系统密钥的节点去申请，返回k份证书。

基于上述缺乏，熊焰等人[6]对门限加密算法进展了改良，提出了一种多跳步加密签名函数签名的方法，将移动密码学与门限加密分布式认证相结合，用以提高门限加密的平安性。

4.2自组织的密钥管理

Jean-PierreHubaux等人首先在文献[7]中提出该算法并进展了概要介绍，SrdjanCapkun等有在文献[8]中对该算法进展了详细论述并进展了模拟实验。

该算法不需要公认的CA来发布证书，节点自己发布并维护证书，用户通过证书链来实现认证。

本算法的优点在于完全不需要CA来发布和维护证书，防止了单点失败。

缺点有三点，其一，由于没有CA来验证身份，任何能发布证书的节点均能参加网络，攻击者可假冒合法节点或编造节点标识发布证书参加网络。

其二，因为节点存储证书信息不完全，不能保证100%认证，其认证成功率与证书数据库形成密切相关。

其三算法的扩展性不好，当网络扩大时，证书数据库的形成、维护和认证的花费会明显增加。

在入侵检测中一种基于时间自动机的入侵检测算法。

其算法为，将整个网络划分为一个个区域，每个区域随机选出一个节点作为监视节点。

然后，按照路由协议构筑节点正常行为和入侵行为的时间自动机，监视节点收集其邻居节点的行为信息，利用时间自动机分析节点的行为，确定入侵者。

本算法不需要事先进展数据训练并能够实时检测入侵行为。

增强网络节点的合作机制也应该是网络平安的一个研究方向。

在对付自私行为，增强合作方面的论文主要分为两类，第一类是基于鼓励的机制，其根本原理为节点转发报文后，即可得筹码或虚拟货币用于自己报文的发送。

第二类是基于惩罚的机制。

邻居相互监视,发现不良行为的节点,那么将被排除出网络。

5总结与展望

AdHoc网络是指一组带有无线收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的临时性无中心的自治系统，这样的系统可以在任何时刻、任何地点快速地构起建一个移动通信网络，并且不需要现有信息根底网络设施的支持，网络中的每个终端可以自由移动，地位相等。

AdHoc网络作为移动网络的一种特殊形式，由十它不需要固定的基站，各节点均可以自由移动，且能实现动态的，加上其具有生存性极强，且创立与移动极为方便的特点，弥补了蜂窝系统与有线网络的缺乏，在许多特殊情况下有着不可替代的作用。

可广泛应用十国防战备、灾难援助等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络。

因此，AdHoc网络的研究对科技进步具有重大促进作用。

同时，随着AdHoc网络研究的开展和相关产品的成熟，AdHoc网络必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与开展前景。

而路由协议作为影响网络的一个重要因素，是确保AdHoc网络运行的关键。

基于Adhoc网络的多跳的特点，只有克制了Adhoc网络中存在时变特性和节点对于信道信息获取的程度不一致性。

我们才能实现Adhoc网络在各种场合的广泛应用。

进而应用于真正实现无所不在的计算和智能环境，实现人们对“无论何时、无论何地、无论何人以任何方式进展任何内容的通信〞的理想通信目标的追求。

参考文献

[1]X少仁，王海涛等，AdHoc网络技术，人民邮电，2005年1月，11-25.

[2]王金龙，王呈贵.AdHoc移动无线网络[M].：

国防工业：

2004.45-50.

[3]X天明，王培康；“移动adhoc网络AODV协议的分析与改良[J]〞；?

计算机辅助工程?

，2008年第3期.

[4]易平，钟亦平，X世永.移动Adhoc网络中DOS攻击及其防御机制[J].计算机研究与开展，2005.42（4）：

697-704.

[5]LidongZhou，ZygmuntJHaas.Securingadhocnetworks[J].IEEENetworksSpecialIssueonNetworkSecurity，1999，13（6）：

24-30.

[6]熊焰，苗付友，X伟超，王行甫.移动自组网中基于多跳步加密签名函数签名的分布式认证[J].电子学报，2003，31

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[7]Jean-PierreHubaux，LeventeBttyan，SrdjanCapkun.ThequestforsecurityinmobileAdHocnetworks[A].Procofthe2001ACMInternationalSymposiumonadhocnetworking&puting2001[C].LongBeach，CA，USA，2001.146-155.

[8]SrdjanCapkun，LeventeNuttyan，Jean-PierreHubaux.Self-organizedpublic-keyManagementformobileadhocnetworks[J].IEEETransactionsonmobileputing，January-March，2003，2

（1）：

52-64.