自组织网络（Adhoc）

   自组织网络(Ad Hoc)是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。作为一种多跳的临时性自治系统，在军事、民用、商用等许多重要领域都具有独特优势，随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求，Ad Hoc网络会受到更多的关注，得到更快速的发展和普及。

 现将收集的有关Ad Hoc基础知识及信息整理如下：

自组织网络(Ad Hoc)

（一）概述 

      移动自组织(Ad Hoc)网络是一种多跳的临时性自治系统，它的原型是美国早在1968年建立的ALOHA网络和之后于1973提出的PR(Packet Radio)网络。IEEE在开发802.11标准时，提出将PR网络改名为Ad Hoc网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。  

 移动自组织网络。一方面，网络信息交换采用了计算机网络中的分组机制，而不是电话交换网中的电路交换机制;另一方面，用户终端是可以移动的便携式终端，如笔记本、手机等，用户可以随时处于移动或者静止状态。无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端可以运行各种面向用户的应用程序;作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，这种分布式控制和无中心的网络结构能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性。

 作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。

 网络中的移动终端具有路由和分组转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。移动自组织网络既可以作为单独的网络独立工作，也可以以末端子网的形式接入现有网络，如Internet网络和蜂窝网。

注：网络拓扑(Network Topology)结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。指构成网络的成员间特定的物理的即真实的、或者逻辑的即虚拟的排列方式。如果两个网络的连接结构相同我们就说它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、节点间距离可能会有不同（总线拓扑、星型拓扑、环形拓扑、树形拓扑，网络拓扑）。

（二）特点 

     移动自组织网络能够利用移动终端的路由转发功能，在无基础设施的情况下进行通信，从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。自组网技术为计算机支持的协同工作系统提供了一种解决途径，主要特点有：

 ·网络拓扑结构动态变化

   在移动自组织网络中，由于用户终端的随机移动、节点的随时开机和关机、无线发信装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等综合因素的影响，移动终端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。

  ·自组织无中心网络

   移动自组织网络没有严格的控制中心，所有节点的地位是平等的，是一种对等式网络。节点能够随时加入和离开网络，任何节点的故障都不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

  ·多跳网络

   由于移动终端的发射功率和覆盖范围有限，当终端要与覆盖范围之外的终端进行通信时，需要利用中间节点进行转发。值得注意的是，与一般网络中的多跳不同，无线自组网中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专门的路由设备完成的。

 ·无线传输带宽有限

   无线信道本身的物理特性决定了移动自组织网络的带宽比有线信道要低很多，而竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰及信道干扰等因素使得移动终端的实际带宽远远小于理论值。

  ·移动终端的局限性

   自组织网络中的移动终端(如笔记本电脑、手机等)具有灵巧、轻便、移动性好等优点，但同时其电源有限、内存小、CPU性能低等限制，使得我们在开发应用程序时，需要考虑这些因素。

  ·生存周期

   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。

（三）网络路由协议 

      Ad hoc网络中，由于通信半径的限制，网络节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交互的，需要路由协议完成分组转发决策。与传统路由协议相比，Ad hoc路由协议的设计面临着网络拓扑动态变化、带宽受限、信道容量变化、移动终端有限的可用资源等新的问题和挑战。

   早在1996年，因特网工程任务组(IETF)就成立了移动Ad hoc网络工作小组(MANET WG)，其核心任务就是研究无线自组织网络环境下基于IP协议的路由协议规范和接口设计。IETF RFC2501详细给出了无线Ad hoc网络的应用场合、特征和性能要求。目前，MANET WG已经公布了一系列的有关Ad hoc路由的草案，如动态源路由算法(DSR)、基于反向路径转发的拓扑分发协议(TBRPF)、优化链路状态路由算法(OLSR)、按需距离矢量路由算法(AODV)、临时按序路由算法(TORA)、区域路由算法(ZRP)；此外，研究还提出了许多Ad hoc路由协议，如目的序列距离矢量路由算法(DSDV)、无线路由协议(WRP)、陆标路由协议(LANMAR)、位置辅助路由(LAR)、鱼眼状态路由算法(FSR)。

   这些路由协议根据所采用的基本路由机制的不同，可分为基于链路状态的路由协议、基于距离矢量的路由协议、源路由协议及反向链路协议；按照网络逻辑结构的不同，可分为平面结构的路由协议和分层结构的路由协议；按照路由发现策略的不同，可分为表驱动路由协议、按需路由协议以及混合路由协议。

（四）网络中的路由技术 

 Ad hoc网络规模性的研究可以广义地定义为：研究当网络中有大量节点存在时，网络能否为分组提供可以接受的服务，它与网络大小、节点分布的密度、运行的环境(传播模型、地型环境等)及移动性相关。

       对于中小规模(通常为几十个节点)Ad hoc网络路由协议的研究已取得了重要进展，而大规模Ad hoc网络的路由技术是Ad hoc网络研究的一个难点，它是指可以支持数百到数千个网络节点的路由算法。国际上早期的一些初步研究结果，如Santivanez等人提出的基于链路状态法的模糊链路状态(FSLS)算法，研究了节点数为100～400时的部分性能；Woo和Singh提出了一个基于位置修正的SLURP算法，研究了节点数为50～1000时的算法性能；Jinying Li等提出了基于区域的网格(Grid)系统，研究了100～600个节点时的算法性能；RahulJain等人提出了基于地理位置的路由算法，研究10～1000个节点的算法性能。

       现有的路由协议或者利用全网泛洪(Globalflooding)或者利用分层的方法完成路由的发现。但是，前者由于开销太大并不适合大规模的网络；后者在分层的过程中需要交互大量信息，而且可能由于节点的移动造成性能的急剧恶化。为了克服这些缺陷Nitin Nahata等人提出了一种基于连接(Contact)点的适用于大规模Ad hoc网络的高效的路由发现策略。它基于“小世界(Small world)”的概念，采用了一种混合的方式：在节点的R跳(通常是3～5跳)范围内采用先验式的路由算法，如DSDV，而在R跳以外通过Contact点进行反应式的路由发现。Contact点是一些捷径点，它通过减小分割度来把网络划分成为一些“小世界”。

（五）基于新物理层技术的Ad Hoc 

  为了满足人们日益增长的通信需求，能够提供更大带宽的物理层传输技术层出不穷，如认知无线电技术、协同通信技术以及多输入多输出(MIMO)天线技术等。它们的出现为Ad hoc网络路由技术的进一步发展带来新的契机。

  ·基于认知无线电的路由协议 

     众所周知，频谱资源十分有限，一些非授权频段占用拥挤，而那些授权频段却经常空闲，因此，可以考虑在授权用户不用自己的频率资源时，让一些非授权用户去暂时性地有效利用该空闲频谱，认知无线电就是基于这种想法提出来的一种更智能的频谱共享技术，它可以感知无线通信环境，依据一定的学习和决策算法，动态地检测和有效地利用空闲频谱，大大降低了频谱和带宽对无线技术发展的束缚。它要求非授权用户和授权用户在对频谱资源利用时达到一个平衡，使得非授权用户能在不影响授权用户的前提下进行一些自己的通信。

认知无线电技术的特点使得节点间的链路可能经常发生变化，因此，这样的路由协议首先应该是鲁棒的(Robustness)，这种鲁棒性是基于多路径分析的。多一条备选的路由可以大大降低一条路径失效对网络造成的影响，使得网络具备鲁棒性。此外，这样的路由协议还应满足3点要求：

 (1)路由协议应该是先验式的

  如果采用了反应式的路由协议，更新路由表太浪费时间，分组若要以最小的时延传输就需要采用先验式的路由算法。但是，先验式路由协议会引入更多的控制分组数，而且路由信息的不断更新反而会缩短节点能量的持续时间。

 (2)路由协议应该是基于链路状态的

   由于物理层的参数经常变化，节点的移动性及传输半径也可能改变，节点的认知能力也有所差异，因此，节点间的链路可以通过计算链路的可靠性来进行选择。

 (3)路由协议应该是分级的

    分级的路由协议支持不同的移动组。目前认知无线电环境下，以信道的切换次数以及信道的切换频率为衡量标准，已经有基于控制信道的路由算法以及基于空时分组码的路由算法。

·基于协同通信的路由协议

   协同通信利用节点间的相互协作进行数据通信。它充分利用了无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相互协作形成了虚拟的天线阵列来获得传统多输入多输出天线技术的空间分集增益，当前协同通信的主要方式有：编码协同，放大中继，解码中继等方式。相对于其他协同方式，编码协同方式将协同通信技术和信道编码技术相结合，在不消耗更多系统资源(带宽等)的前提下获得完全的分集增益。

   目前，基于协同技术的路由可大致分为两类，分别是基于能量的路由策略和基于带宽的路由策略。基于能量的路由策略主要针对单个源和目的节点的应用环境，在保证源节点发射信号在接收节点处能达到接收信噪比门限的基础上，通过为协同节点最优化地分配功率，从而达到降低网络总能量开销的目的。基于带宽的路由策略主要是通过引入协同通信技术，以最大化源节点到目的节点间路径的带宽为目标完成路由决策。协同技术在该种路由机制中主要有两种应用方式。一种是在选择好一条源到目的节点路由的基础上，通过在每一跳节点间根据对带宽的改善程度有选择地进行协同，达到提升路由传输能力的目的。这种方式可称为基于协同的路由。另一种方式是在路由选择的同时就考虑到协同技术对每跳传输带宽的影响，从而决定每跳传输是否采用协同通信技术，并选择该情况下带宽最大的路由进行数据传输。该方式称为动态协同路由。

·基于MIMO的路由协议

   MIMO系统利用空分复用和分集，在不增加额外功率和带宽的前提下提供高的频谱利用率，作为智能天线技术中一个最复杂的技术，MIMO链路现在被普遍应用，并且已经进入了无线局域网(WLAN)、WiMAX及Ad hoc领域，与其相关的路由技术也是现在研究的一个热点问题。

   目前基于MIMO的适应于无线自组织网络的路由协议并不多见。K.Sundaresan等人在2005年的IEEE 的国际会议(ICNP)上，发表了论文《Routing in Ad-Hoc Networks with MIMO Links》。该文给出了一种适应于MIMO信道条件的自适应路由协议。该协议通过利用MIMO系统两种不同的工作模式：空间复用和空间分集来实现路由的自适应选择。在空间复用模式中，节点通过每个天线发射不同的数据流，能够获得复用增益，提高链路以及整个路由的传输容量。在空间分集模式中，节点在每根天线上发送相同的数据流，以获得分集增益。这种分集技术能够有效地提高通信系统的抗干扰能力，降低系统传输的误比特率，提高链路及路由传输的可靠性，能够满足无线信道条件较差环境的应用要求。

（六）对比 

   ·蜂窝系统

     蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。蜂窝系统一般用于语音通信。

  ·集群系统

   集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通信。

  ·通信系统

   卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统按卫星所处位置可分为静止轨道、中轨道和低轨道3种。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。

   上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持，如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此成本比较高，同时建设的周期也长。Ad Hoc网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的成本低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。而Ad Hoc网络由移动主机构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。此外移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑结构比较稳定。而Ad Hoc网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信服务，拓扑结构易于变化。

（七）网络结合 

    实现移动和全IP是当今网络发展的两大趋势。随着手机使用的日益广泛和人们对移动所能提供的信息要求越来越高，人们更加希望能随时随地接入互联网。

    对于AdHoc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。

（八）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AdHoc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网络通常应用于军事，因此，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。

    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。

（九）应用领域 

    Ad Hoc网络的应用范围很广，总体上来说，它可以用于以下场合：

    1）没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。

    2）需要分布式特性的网络通信环境。

    3）现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个网络通信的环境。

    4）作为生存性较强的后备网络。

  ·军事通信

   在现代化的战场上，由于没有基站等基础设施可以利用，装备了移动通信装置的军事人员、军事车辆以及各种军事设备之间可以借助移动自组织网络进行信息交换，以保持密切联系，协同完成作战任务;装备了音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也可以通过移动自组织网络，将目标区域收集到的位置和环境信息传输到处理节点;需要通信的舰队战斗群之间也可以通过移动自组织网络建立通信，而不必依赖陆地或者卫星通信系统。移动自组网技术已成为美军战术互联网的核心技术，美军的数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了移动自组网技术

  ·移动会议

    当前，人们经常携带笔记本、PDA(个人数字助理)等便携式终端参加各种会议。通过移动自组网技术，可以在不借助路由器、集线器或基站的情况下，就将各种移动终端快速组织成无线网络，以完成提问、交流和资料的分发。

  ·移动网络

    移动终端一般没有与拓扑相关的固定IP地址，所以通过传统的移动IP协议无法为其提供连接，需要采用移动多跳方式联网。由于采用的是平面拓扑，因而没有地址变更的问题，从而使得这些移动终端仍然像在标准的计算机环境中一样。

    此外，在实际应用中，移动自组网除了可以单独组网实现局部通信以外，还可以作为末端子网通过网关连接到现有的网络基础设施上，例如Internet或者蜂窝网。作为末端子网，只允许产生于或者目的地是自治系统内部节点的信息进出，而不准许其它信息穿越自治系统。由此可见，移动自组网可以成为各种通信网络的一种无线接入手段。

  ·连接个域网络

    个域网络(PAN)只包含与某个人密切相关的装置，这些装置无法与广域网连接。蓝牙技术当前一种典型的个域网技术，但是它只能实现室内近距离的通信，因此，移动自组织网络就为建立PAN与PAN之间的多跳互连提供了可能性。

  ·紧急服务和灾难恢复

    在由于自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障而无法使用时，快速恢复通信是非常重要的。借助于移动自组网络技术，能够快速建立临时网络，延伸网络基础设施，从而减少营救时间和灾难带来的危害。

  ·无线传感器网络

    无线传感网络是移动自组织网络技术的一大应用领域。传感器网络使用无线通信技术，由于发射功率较小，只能采用多跳转发方式进行通信。分布在各处的传感器节点自组织成网络，以完成各种应用任务。  

（十）总结 

      Ad Hoc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Ad　Hoc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。今后将重点致力于Ad　Hoc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。

参考内容：

    百度百科：http://baike.baidu.com/

    Ad Hoc网络路由技术：http://blog.csdn.net/CNnumen/article/details/5818168/