第8章 Ad hoc网络

8.1 Ad hoc网络概述

8.1.1 Ad hoc网络产生背景

无线网络按照组网控制方式可以分为两类。其中一类是具有预先部署的网络基础设施的移动网络（见图8-1）。例如，移动蜂窝网络、无线局域网等。

然而，这种形式的网络并不适用于任何场合。想象一下这些情形：你正在参加野外科学考察，你想和其他队员之间进行网络通信。这时，似乎不能期待有架好基础设施的网络等着我们。再如战场上协同作战的部队相互进行通信，地震之后的营救工作，都不能期望拥有搭建好的网络架构。在这些情况下，我们需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术。于是，Ad hoc网络应运而生。

Ad hoc一词起源于拉丁语，意思是“专用的，特定的”。Ad hoc网络也常常称为“无固定设施网”“自组织网”“多跳网络”、MANET（Mobile Ad hoc Network）。迄今为止，Ad hoc网络已经受到学术界和工业界的广泛关注，如图8-2所示。

8.1.2 Ad hoc网络发展历史

1968年，世界上最早的无线电计算机通信网Aloha在美国夏威夷大学诞生。Aloha本是夏威夷大学的一项研究计划的名字，Aloha是夏威夷人表示致意的问候语。这项研究计划的目的是要解决夏威夷群岛之间的通信问题。

自主网最初应用于军事领域。1972年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）资助研究分组无线网络（Packet Radio network，PRnet）。其后，又由DARPA资助，在1993年和1994年进行了高残存性自适网络（SURvivable Adaptive Network，SURAN）和全球移动信息系统（GLObal MObile information systems，GLOMO）。

其实，Ad hoc是网络吸收了PRnet、SURAN和GLOMO 3个项目的组网思想而产生的新型网络架构，随后被IEEE 802.11委员会称为Ad hoc Network。

8.1.3 Ad hoc网络定义

Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的、临时性的自治系统，整个网络没有固定的基础设施。在自组网中，每个用户终端不仅能够移动，而且兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端需要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，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。Ad hoc网络中的信息流采用分组数据格式，传输采用包交换机制。基于TCP/IP。因此，Ad hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机通信网络的模型。

8.1.4 Ad hoc网络特点

1．动态变化的网络拓扑结构

在自组网中，由于用户终端的随机移动，节点随时开机、关机，无线发射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变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的，如图8-3所示。

2．无中心网络的自组性

自组网没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点随时都可以加入或离开网络，任何节点的故障都不会影响整个网络。正因为如此，网络很难损毁，抗损毁能力很强。

3．多跳组网方式

当网络中的节点要与其覆盖范围之外的节点通信时，需要通过中间节点的多跳转发。与固定的多跳路由不同，自组网的多条路由是由普通的网络节点完成，而不是专用路由设备（路由器）。

4．有限的传输带宽

由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而无线信道本身的物理特性决定了它所能提供的网络带宽要比有线信道低得多，再加上竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、信道间干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。

5．移动终端的自主性和局限性

自主性来源于所承担的角色。在自组网中，终端需要承担主机和路由器两种功能，这意味着参与自组网的移动终端之间存在某种协同工作的关系，这种关系使得每个终端都承担为其他终端进行分组转发的义务。

6．安全性差，扩展性不强

由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等因素，自组网更容易被窃听、入侵、拒绝服务等。自身节点充当路由器，不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在网络边界概念，使得Ad hoc网络中的安全问题非常复杂，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等安全措施都需要特别考虑。

7．存在单向的无线信道

在自组网环境中，由于各个无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响，可能产生单向的信道。如图8-4所示，由于环境差异，A节点的传输范围比B节点大，因此产生单向的无线信道。

8.1.5 Ad hoc网络的应用

（1）军事通信。军事应用是Ad hoc网络应用的一个重要领域。因为其特有的无架构设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字化战场通信的首选技术，并已经成为战术互联网的核心技术。在通信基础设施如基站受到破坏而瘫痪时，装备了移动通信装置的军事人员可以通过Ad hoc网络进行通信，顺利完成作战任务。

（2）传感器网络。传感器网络是Ad hoc网络技术应用的另一大应用领域。对于很多应用场合来说，传感器网络只能使用无线通信技术，并且考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。分散在各处的传感器组成一个Ad hoc网络，可以实现传感器之间和控制中心之间的通信。在战场上，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点融合成完备的战区态势图。在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡，传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。传感器网络还可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息以及生态环境监测等。

（3）移动会议。现在，笔记本电脑等便携式设备越来越普及。在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过Ad hoc方式组成一个临时网络来协同工作。借助Ad hoc网络，还可以实现分布式会议。

（4）紧急服务。在遭遇自然灾害或其他各种灾难后，固定的通信网络设施都可能无法正常工作，快速地恢复通信尤为重要。此时，Ad hoc网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供临时通信，从而为营救赢得时间，对抢险和救灾工作具有重要意义。

（5）个人域网络。个人域网络（Personal Area Network，PAN）的概念是由IEEE 802.15提出的，该网络只包含与某个人密切相关的装置，如PDA、手机、掌上电脑等，这些装置可能不与广域网相连，但它们在进行某项活动时又确实需要通信。目前，蓝牙技术只能实现室内近距离通信，Ad hoc网络为建立室外更大范围的PAN与PAN之间的多跳互连提供了技术可能性。

（6）其他应用。Ad hoc网络的应用领域还有很多，如Ad hoc网络与蜂窝移动通信网络相结合，利用Ad hoc网络的多跳转发能力，扩大蜂窝移动通信网络的覆盖范围、均衡相邻小区的业务等，作为移动通信网络的一个重要补充，为用户提供更加完善的通信服务。

8.1.6 Ad hoc网络面临的问题

Ad hoc网络作为一种新型无线通信网络，已经引起了人们广泛关注。但同时它又是一个复杂的网络，所涉及的研究内容非常广泛。Ad hoc网络的实用化还有许多要解决的问题。

（1）可扩展性。一个大规模的Ad hoc网络可能包含成百上千甚至更多的节点。在这样一个网络中，节点间存在相互干扰，这样网络容量就会下降，而且网络中各节点的吞吐量也会下降；同时不断变化的网络拓扑也会对现有的Ad hoc网络路由协议提出严峻考验。可扩展性问题的解决最终需要智能天线和多用户检测技术的支持。

（2）跨层设计。Ad hoc网络的跨层设计是相对于OSI的分层思想而言的（下文会进行讲解）。严格的分层方法的好处是层与层间相对独立，协议设计简单。它通过增加“水平方向”的通信量，降低“垂直方向”的处理开销。但对于Ad hoc网络环境，频率资源非常宝贵，最大限度地降低通信开销是一个首要问题。通过跨层设计可以降低协议栈的信息冗余度，同时层与层之间的协作更加紧密，缩短响应时间。这样就能节约有限的无线带宽资源，达到优化系统的目的。Ad hoc网络跨层优化的目标是使网络的整体性能得到优化，因此，需要把传统的分层优化的各个要求转化到跨层优化中。同时，跨层优化还面临复杂的建模和仿真，这些都需要进一步研究和解决。

（3）与现有网络的融合。随着Ad hoc网络组网技术的不断发展，Ad hoc网络与现有网络的融合已经成为网络互连的重要内容。Ad hoc网络与现有网络融合的主要目的是完成异构网络的无缝互连，Ad hoc网络可以看成现有网络在特定场合的一种扩展。Ad hoc网络通常以一个末端网络的方式进入现有网络，这样就要考虑Ad hoc网络与现有网络的兼容性问题，其他网络是否可以通过Ad hoc网络技术将最后一跳扩展为多跳无线连接。将传统的有基础设施的无线网络中的移动IP协议加以改进，与Ad hoc网络技术有机结合起来，是解决融合问题的一个重要方向。

Ad hoc网络自身的独特性，使得它在军事领域的应用中保持重要地位，在民用领域中的作用逐步扩大。然而，它作为一种新型网络，还存在很多问题，新的应用也对它的研究和发展不断提出新的挑战。随着研究的深入，Ad hoc网络将在无线通信领域中有着更加广阔的前景。