无线自组织网络简介 |
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无线自组织网络简介
一、给大家简单介绍一下无线自组织网络无线自组织网络(MANET),是一种无中心的自组织网络。无线自组织网络——不需要物理基地站，各主机相互连通，主机即可充当服务器。其最早提出是应用在军事领域的单兵通讯，世界各国在2000年以后开始大力研究此技术。此网络具有，高移动，高便捷，容易构建等特点。在物联网，无线城市，智能家具，机器人通讯和紧急救援时快速构建通讯网等场景有着极大的发展前景。本论文将对无线自组织网络的特点，网络协议，安全问题和应用前景展开讨论。无线自组织网络是一种不同于传统无线通信的技术。传统的无线通信网络，需要一个固定的网络基站来执行用户的接入和对用户的数据进行转发，例如我们现在使用的移动互联网。这种传统的无线通信网络，在人口相对密集的地区，有着大量的基站来供给我们进行通信，而在偏远地区或者进行紧急救援大范围移动的时候，由于没有基站的覆盖，就会导致通信困难，在空间上限制了信息的传播。为了应对此种情况，无线自组织网络应运而生。 MANET是独立的网络自治系统，不依赖于固定主干网（但可以与其配合）或基站，该系统能快速部署到位，建立起一套完整、强大、高抗毁的网络通信系统，提供有效的数据和多媒体通信服务。MANET使用无线通信技术，所有主机均可以自由移动，主机间以无线链路连接。由于无线信号所能覆盖的范围有限，端-端之间的数据传递需要中间结点（其他移动主机）的中继，因此，MANET属于多跳（multihop）无线网络，所有主机既是端系统又可以用做路由器。为了进行有效的通信，移动主机间必须建立合适的路由器。 二、网络结构 Ad hoc主要是两种结构：平面形结构和分级结构。平面结构是指连接在此网络中的所有主机等级都是相等的，其拓扑结构类似于传统网络的总线结构；分级结构则是有一组最高级的平面结构的网络，网络内的每一个主机又分别是下一级组成的平面结构网络的簇头[2]，然后以此类推一层一层下去，当两个不同组的主机要通信的时候，需要先把信息传到最高层，再从最高层传到另外一个分组。两种结构对比来看，平面结构的优点是网络结构简单，当网络中成员较少的时候，结点移动几乎不需要维护，所有结点可以相互连通，安全性也较高，信息的传输会很快；但是当网络的规模不断加大的时候，结点移动，就会导致维护的开销剧增，从而降低传输速率。所以平面结构只适合于结点较少的情况。分级结构最大的优点就是可以组成大规模的网络，通过分级让网络规模不断加大，当有主机进入或者离开的时候只会对组内的连接产生非常小的影响，而对外部不产生任何影响；当一组中的簇头发生移动时候，只需要重新找到一个新的簇头就可以继续通信，降低了因为移动而产生的维护费用；但是分级结构的算法设计要更加复杂，当邻组两个主机要通信的时候，就需要将要传递的信息上传到更高级，与平面结构相比又增加了一些传输中的开销。 三、路由协议 无线自组织网络由于没有中心路由器进行转发，在网络中的每一个主机既是信息的发送者，还是信息的接受者，还要充当路由器的功能，将收到的信息再转发出去，所以Ad hoc的路由协议更加复杂，实现功能也增加了挑战性。与此同时无线自组织网络结构远没有传统网络的拓扑结构稳定，随时加入和退出的主机都可能会改变路由线路，这就会导致路由表的更新频率远远增大。 MANET的路由协议主要分为两大类：表驱动路由协议，按需路由协议。表驱动路由协议（先验式），每个节点维护一张包含到达其他路由信息的路由表，代表协议有：WRP、DSDV、FSR、OLSR；按需路由协议（反应式），当需要有信息发出时才进行路由寻找，代表协议有：AODV、TORA、DSRP、SSR等。其中按需路由协议在MANET占据主导地位。我们着重来看AODV协议。在介绍AODV协议之前先简单叙述一下DSDV协议，DSDV算法就是每一个结点都保存着一张路由表，将连接在此网络中的结点都记录在路由表中，并记下跳数和新旧程度，当有信息需要传递的时，每一个结点都会把信息从跳数较少且陈旧程度较低的点路由出去，并更新维护自己的路由表。AODV协议利用了DSDV算法中的一部分，并将其进行了改造。通过AODV协议传输信息的时候，中间结点不需要实时更新维护自己的路由表，当要发送一条信息到目的主机时，路由表中没有有效路径时，源地址主机就会先组播发送一个RREQ分组，先进行路由寻找，当找到有效的中间结点的时候，中间结点又会向源主机发送一个RREP的信息，逆着原路径返回到源地址，此时源地址再将信息发出，并且将此路由信息记录在自己的路由表中。采用AODV协议，只有源结点和目的结点会知道传输的每一条路径和结点而中间结点并不知道，只是起到了转发的功能，大大降低了路由表的维护开销。 但是AODV协议还是存在一个问题，就是源地址发送RREQ找到路由路线和返回的RREP不可能同时接受到，当源结点接到到RREP的确认信息之后，再发送信息，此时链路中的某些结点可能已经发生了移动，会导致信息无法到达目的地址。此时就需要AODV协议拥有一个自我修复功能，当发送出去的信息到达某一个中间结点的时候，发现链路断开了，则该结点就会组播发送一个类似于RREP的消息‘RERREP’[3]，当结点收到信息后，就会去查看自己的路由表，查看是否有此目的结点路径，若没有，此结点继续转发此信息；如有，但发现路径不同，则会直接丢弃，当信息发送到某一个结点的时候，路径就会重新建立起来，继续讲信息传递下去。通过上述描述可以发现，无线自组织网络路由协议主要有以下四个特点：（1） 信息的传播链路必须是双向的 （2） 链路能够有自我修复 （3） 能够自我查找路由路径 （4） 分布式建立连接 在MANET中还有一种混合式路由协议，这种协议在局部范围内使用先验式路由协议，来维护路由信息，当要传送的目的结点较远的时候，再采用按需路由协议查找发现路由，这样既减少了先验式开销过大问题，也使得网络中的时延降低。  四、安全问题 MANET在安全目标上与传统网络没有差异，都是要追求完整性、认证性、保密性、一致性、不可否认性等。一种网络形式的传输效能决定了这种网络形式的上限，而网络安全问题决定了这种网络形式的下限。在传统网络中，无论是大型公司还是个人电脑都常常会受到外界的攻击，近几年来的网络安全问题也是被频频曝出。无线自组织网络的安全问题远比传统网络的安全问题大，传统网络由于通过中心进行转发，解决网络安全问题相对容易，想要攻破网络转发中心很困难；而无线自组织网络中的每一个结点既是主机又是路由器，只要网络中有一台主机被攻破，整个系统网络中的所有主机都会面临信息被窃听，被篡改的风险。另外，如果网络内部使用者出现了对网络进行恶意破坏的情况，这对于整个网络系统是毁灭性的打击，目前针对大规模无线自组织网络中可能存在的自私节点问题以及恶意节点问题,提出一种基于贝叶斯理论的安全信任模型BTM。在BTM模型中,节点通过对邻近节点的自私或者有害行为进行监测,基于贝叶斯理论对这些直接观测数据进行分析,得到间接判定数据;然后通过节点间间接判定数据的进一步贝叶斯处理,得到节点的信任度,基于此信任度可对网络中的不良节点进行判定。仿真结果表明:BTM算法可对无线网络中的恶意攻击节点、自私节点进行较为准确的判定,能够为网络入侵检测系统、安全路由协议提供有效支持,从而有效提高多跳无线自组织网络的安全性,具有较高的实用价值。[4]除了BTM算法，还有SARO算法，SARO算法可以对自私结点和恶意结点进行隔离，来达到增加网络安全性的目的。但是不论使用什么方法对于网络中可能存在的安全问题进行监测和管控，都不可能让网络系统保持绝对的安全，更何况MANET的网络要比传统网络更加开放，移动性更加强，如果使用者没有一定的网络知识与相当的网络安全意识，很有可能会造成自己甚至网络中所有用户的信息泄漏。五、应用前景 无线自组织网络主要是通过无线电波，电磁波进行通信；在网络层面，MANET又可以与IPv6的发展完美契合，由于没有中心对网络进行管控，网络结点对于IP地址的需求大量提升，由于无线自组织网络的高移动性，不可能像传统网络一样对接入网络的IP地址进行统一的规划，仅靠现在IPv4地址的数目远远不能满足MANET。随着物联网的发展，IPv6一定是未来的主流趋势，现在MANET有很多研究与实践都是在IPv6的基础上改进。由于自组网多跳的特性，单跳网络中MIPv6现有的切换算法和操作并不能适应多跳的网络环境，应对此种情况设计出来了一套适应分级的多跳网络环境的MIPv6切换算法[5]。 MANET的应用场景也有很多，例如：1. 军事领域：进行军事行动的时候，经常要穿行无人区，通过MANET，可以迅速建立一张通信网，不再依靠卫星通信系统，更加灵活，不同国家的军队也可以通过MANET快速产生联系，让军队的协同作战能力提升。美国已经将MANET应用到了军队通信中，成为了美军互联网的核心战术。2. 紧急救援：当某一地区发生地震，海啸，台风导致基站倒塌，原来的通信设施无法使用，救援人员就可以通过MANET，构建一个救援的通信网，更加有效的实现救援。3. 科考调查：大量的科考调查都是在野外作业，通信质量差，甚至没有通信能力，导致信息交流困难。4. 个人网：物联网正在一步步走进生活，智能家居，智能汽车都可以连入网络，我们可以直接构建自己生活圈的一个小网络。就如同蓝牙系统，但是蓝牙系统的连接范围十分有限，通过MANET我们可以组成一个大范围的广域网络。除此以外MANET还有很多应用场景：远程移动会议，灾后重建构建临时网络等等。 六、结束语 无线自组织网络有其特有的优势，移动性强，便捷等特点，做为一种新型的网络模式，无线自组织网络可以和传统网络相互补充，相辅相成。虽然无线自组织网络的问题还很大，安全问题也不好掌控，但随着物联网的普及应用，MANET的使用频率将会越来越高，目前存在着的这些问题也一定有解决的办法。相信在未来MANET这种网络一定能在军事，商业，工业领域大放异彩。 |
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