Ａｄ　Ｈｏｃ网络在西部地区商场组网的研究

[摘要] Ad hoc 网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络。本文阐述Ad hoc 网络的节点结构,比较了几种典型的网络结构,介绍了Ad hoc 网络的特点及移动IP和Ad Hoc网络的结合。并且商场组网的对管理Ad Hoc网络面临的问题进行了一些探讨。

[关键词] Ad hoc 网络 西部地区商场组网 移动IP

一、引言

在我国西部地区，地理位置比较特殊，人口分布稀疏，这对于有线网络建立有一定的困难，现有的无线网络通信大多需要有线基础设施（如基站）的支持才能实现。但在一些山区，建立基站代价也是很大的。为了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术——Ad Hoc网络技术应运而生。Ad Hoc网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现通信。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下的自由通信的进程，同时它也为西部地区的商场组网提供了有效的解决方案。

二、Ad Hoc网络的结构

Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移动信息系统GloMo（Global Information System）项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展，Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。

Ad hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。在平面结构中，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。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。在分级结构中，簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。

分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种，如图1和图2所示。单频率分级网络中，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关结点（同时属于两个簇的结点）的支持。而在多频率分组网络中，不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中，簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个结点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

平面结构的网络比较简单，网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是，维护分级结构需要结点执行簇头选举算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。因此，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模增大时，应用分级结构。

三、Ad Hoc网络的特点

Ad Hoc网络作为一种新的组网方式，具有以下特点

1.网络的独立性。Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。

2.动态变化的网络拓扑结构。在Ad Hoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言，网络拓扑结构则相对较为稳定。

3.有限的无线通信带宽。在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。

4.有限的主机能源。在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。

5.网络的分布式特性。在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。

6.生存周期短。Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。

7.有限的物理安全。移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。

四、移动IP和Ad Hoc网络的结合

西部地区商场使用手机日益广泛，员工能随时随地接入互联网。对于Ad Hoc网络，网络是随时生成而且具有易构性，不需要事先存在的网络来支持，因此，应用很广泛也很简单。但是这种网络有很强的独立性，它可以单独存在，它的特性和它所使用的主动的、按需驱动的路由协议都令它难以与互联网通信，达到交互信息的目的。为了达到Ad Hoc网络中的移动主机可以在不同的Ad Hoc网络间移动和随时接入互联网，我们利用移动IP协议可在不同网络中漫游的特性，结合移动IP和Ad Hoc网络，即MIPMANET，提供一种将Ad Hoc网络使用按需驱动的路由机制，移动IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc网络接入互联网的解决方案。图3为Ad Hoc网络接入互联网的模型。

五、管理Ad Hoc网络面临的问题

Ad Hoc网络的特性决定了管理上比有线网络复杂许多，因为网络拓扑的动态变化，要求网络管理也是动态自动配置。而且要考虑到移动节点本身的限制，例如能源有限、链路状态变化和有限的存储能力等，因此，要将管理协议给整个网络带来的负荷考虑在内。最后还要考虑到网络管理对不同环境的适用性等。

具体Ad Hoc网络管理需要解决的问题为以下几方面：

1.网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中，由于网络变化不频繁，所以这点容易做到。但在移动网络中，节点的移动导致拓扑结构变化太频繁，网管需定期收集节点的连接信息，这无疑会加大网络的负荷。

2.大多数节点使用电池供电，所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数，但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。

3.能源的有限性和节点的移动性导致节点随时可能与网络分离，这要求网络管理协议能够及时觉察节点的离开和加入，而更新拓扑结构。

4.无线环境下信号质量变化大。信号的衰退和拥塞都会使网管误认为节点已离开，因此，网管必须能够区分是由于节点移动还是由于链路质量的原因导致连接中断。网管必须询问物理层，但这样会违反OSI的层次管理结构。

5.Ad Hoc网络通常在商业上的应用要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。 Ad Hoc 网络最大不足是安全性较差。传统网络采用层次化的体系结构，具有稳定的拓扑结构，并具有相关的安全策略，如加密、认证、访问控制和权限管理、防火墙等。而由于Ad Hoc 网络中没有基站或中心节点，因此这种安全机制并不适用于Ad Hoc 网络。移动Ad Hoc 网络比固定网络更容易遭受各种安全的威胁。从传输信道角度来看，由于采用无线信号作为传输媒介，任何人都可以接收到网络中的消息，这种信道易受攻击方的干扰和注入假报文。从移动节点角度来看，节点内的密钥、报文等信息易破获，Ad Hoc 网络不仅要防范外部的入侵，还要对付内部节点的攻击。总之，把Ad Hoc 网络建设成一个安全系统已经成为研究人员关注的热点之一。在移动Ad Hoc 网络建立安全系统过程中，必须要考虑以下几个因素：

(1)容错性，也就是提供服务的系统在多少节点失效的情况下，还可以正常工作。

(2)安全性，也就是系统抵御恶意节点攻击的能力。

(3)可用性,也就是网络连通性无法保证时,节点如何进行通信。

(4)可伸缩性，也就是系统对网络规模和系统配置动态变化的适应能力。

Ad Hoc 网络的安全目标能否达到，与路由安全和加密机制的设计密切相关。Ad Hoc 网络中的攻击可分为两种情况：主动攻击和被动攻击。主动攻击中，攻击节点通过改变路由信息或虚构路有信息等手段，主动制造网络阻塞，以造成网络时间延迟，影响通信的即时性，或者使相应节点因等待而消耗有限能源导致通信中断，甚至拒绝服务。被动攻击中，攻击节点并不破坏路由信息，只是被动侦查，在网络中很难发现、防止。Ad Hoc 网络内部通信必须采用加密机制。目前常采用对称加密和非对称加密算法。节点的动态加入和离开网络，导致通信时的密钥的更换。因为节点动态加入，可能不想让新加入的节点知道在此之前该网络中已经发布的重要信息，所以需要更换密钥；节点离开后的网段的通信对退出节点也应是机密行为不能使退出成员继续解读网段中的分组信息，故需要更换密钥。因此，密钥的管理是决定该网络安全系数的重要因素。

由上可见Ad Hoc网络的网络管理是与传统网络不同的，要解决的问题包括如何有效地收集网络的拓扑信息，如何处理动态的网络配置和安全保密问题。

六、结论

AdHoc网络是一种新颖的移动计算机网络的类型，它既可以作为一种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。其自身的独特性，赋予其巨大的发展前景。在AdHoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题：设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议，以及Ad Hoc网络的网络管理等。在商业网中应用时，重点要注意AdHoc网络中网络监视、节点移动性管理、抗毁性管理和安全管理等方面的研究。

参考文献:

[1]李勇黄均才王凤碧尹峻勋:Ad hoc 网络体系结构研究[J].计算机应用,2005年1月,第25 卷第1期

[2]牛青唐宏赵卫杰:移动Ad Hoc 网络安全性研究[J]. 通信技术，2008年第01期，第41卷

[3]李昕李依鸣:一种基于负载均衡的Ad Hoc 网络接入Internet 路由机制[J].小型微型计算机系统，2008年1月第1期

[4]郑少仁王海涛赵志峰等:Ad Hoc 网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005

[5]周绪川蔡利平:移动Ad Hoc 网络的入侵检测机制[J].中国民航飞行学院学报,2007,(03):56～58

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