宋青松（1.陜西汽車集團有限責任公司 陜西 西安 710043；2.長安大學信息工程學院 陜西 西安 710064）

移動自組織網(wǎng)絡（MANET）是一種不需要基礎設施投入的自主無線通信網(wǎng)絡，多個移動設備分布式協(xié)同工作，提供必要的網(wǎng)絡通信功能。除無線通信固有問題（比如比有線介質更低的可靠性，有限的物理安全，時變頻率，干擾等）之外，由于通信節(jié)點可自由加入或離開，并可任意移動，導致MANET拓撲快速地不可預知地發(fā)生改變[1]。MANET這一特性導致網(wǎng)絡協(xié)議棧設計具有挑戰(zhàn)性。物理層必須處理數(shù)據(jù)鏈路層的快速變化。介質訪問控制子層（MAC層）必須允許信道直接接入，并且最小化數(shù)據(jù)包的碰撞以及處理潛在的和已知的通信節(jié)點。在網(wǎng)絡層，節(jié)點需要合作起來計算路徑。傳輸層必須能夠處理與有線網(wǎng)絡特性不同的數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)延遲問題。應用層應當能夠處理不可連接以及重連接問題。還有，所有網(wǎng)絡協(xié)議的開發(fā)必須和傳統(tǒng)網(wǎng)絡融為一體，并將安全問題考慮在內(nèi)。

文中將圍繞MANET設計與開發(fā)過程中面臨的關鍵技術，著重闡述路由，服務與資源發(fā)現(xiàn)，尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入，安全等MANET關鍵問題，這對促進MANET研發(fā)具有重要意義。

1 MANET與基礎設施網(wǎng)絡

移動自組網(wǎng)（MANET）是指由移動計算節(jié)點通過無線通信方式臨時組成，這些節(jié)點互相充當路由器進行分組轉發(fā)，而不依賴于任何固定的基礎設施和服務的網(wǎng)絡。MANET可以獨立運行，也可接入Internet。與2G蜂窩網(wǎng)絡以及3G網(wǎng)絡相比，MANET機動性高、可部署快速、抗毀性強，可廣泛應用于軍事、救災、會議等諸多場合，如表1所示，是當前網(wǎng)絡研究的熱點之一[2-4]。

表1 MANET的應用領域Tab.1 Application fields of MANET

在基于基礎設施的無線網(wǎng)絡中，比如現(xiàn)有移動通信運營商運營的電信網(wǎng)絡，每一個終端直接與接入點或基站通信。而MANET的運轉依靠智能手機、筆記本電腦、個人電子助手（PDAs）、甚至MP3播放器、GPS等通信節(jié)點，通過無線鏈接進行自主地短暫聯(lián)合從而完成數(shù)據(jù)傳輸。移動自組網(wǎng)中，位于有效距離范圍內(nèi)的通信節(jié)點，首先相互動態(tài)發(fā)現(xiàn)，之后直接通信；而位于有效距離之外的通信節(jié)點，依賴自覺充當轉發(fā)分組路由器的中間節(jié)點完成通信，如圖1所示。

圖1 基礎設施通信網(wǎng)（左）與MANET（右）示意圖Fig.1 Infrastructure network（left）and MANET（right）

2 路 由

由于通信節(jié)點可移動，導致MANET拓撲快速發(fā)生改變。因此，在對通信節(jié)點不施加過度的控制與計算代價前提下，必須設計高效的路由協(xié)議以建立節(jié)點間的通信路徑[5-6]。MANET路由協(xié)議可分為如下4類。

1）主動式路由協(xié)議。與?有線網(wǎng)絡中鏈接狀態(tài)或距離向量路由協(xié)議類似，對網(wǎng)絡中全體節(jié)點始終周期性地更新路由控制信息。事實上大多數(shù)時間內(nèi)，沒有必要對網(wǎng)絡中全體節(jié)點進行路由信息更新。

2）反應式路由協(xié)議。僅僅設置發(fā)生通信的節(jié)點之間的路由，以及只要被需要就保持活動的節(jié)點間路由。

3）混合式路由協(xié)議。組合主動式與反應式兩種路由協(xié)議，鄰近路由（比如最多兩跳的路由）被主動更新，而遠距離路由反應式更新。

4）基于位置的路由協(xié)議。不同于上述3種協(xié)議，數(shù)據(jù)包的傳送基于節(jié)點通信對象的位置。位置信息服務器提供節(jié)點位置信息，基于該信息數(shù)據(jù)包被傳往目的節(jié)點。

路由協(xié)議的性能（吞吐量，包丟失率，網(wǎng)絡延遲等）受通信負荷、網(wǎng)絡移動性、以及節(jié)點密度等網(wǎng)絡實時狀況制約，開發(fā)自適應的路由協(xié)議是關鍵。

3 服務與資源發(fā)現(xiàn)

MANET中的節(jié)點對通信對象能提供的服務知之甚少甚至一無所知。因而，需要制定服務與資源發(fā)現(xiàn)機制，使得節(jié)點能夠自動地對網(wǎng)絡服務進行定位，并且對網(wǎng)絡廣播對外提供的服務。服務包括數(shù)據(jù)存儲、訪問數(shù)據(jù)庫、獲取計算能力等[7]。

一般分為基于目錄式的與非目錄式的服務與資源發(fā)現(xiàn)機制兩類。基于目錄式的服務與資源發(fā)現(xiàn)機制核心組成是目錄代理，它進行服務注冊并且完成對節(jié)點請求服務的處理。這種機制下，服務與資源被動態(tài)或靜態(tài)地分配到一個節(jié)點子集中并且保持實時更新。非目錄式的服務和資源發(fā)現(xiàn)機制對缺少基礎設施的MANET更有吸引力，在這種機制中，當節(jié)點需要被服務時才會請求服務，并且會主動向其它節(jié)點通知其能提供的服務。

MANET的服務與資源發(fā)現(xiàn)還沒有成熟的解決方案。UPnP等基于目錄的機制不能有效處理MANET中的動態(tài)特性。為改善性能，該協(xié)議的制定應結合路由協(xié)議完成，并且需要實現(xiàn)對位置、鄰域以及用戶偏好等情景的感知能力。

4 尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入

MANET中每個節(jié)點需要分配一個地址以進行通信。如果MANET獨立運行，可使用唯一的MAC地址對節(jié)點編制。而Internet應用都基于TCP/IP或UDP/IP協(xié)議，并且MANET將于Internet互聯(lián)互通，因此，MANET使用IP地址是必然的。但由于節(jié)點的移動性，像固定網(wǎng)絡用前綴和范圍組成內(nèi)部地址在MANET中是難以實現(xiàn)的。存在3種典型的MANET尋址與Internet接入算法[8-9]，如圖2所示。

圖2 Internet接入與尋址典型算法示意圖Fig.2 Typical algorithms for Internet connectivity and addressing

算法1：假定MANET內(nèi)所有的節(jié)點共享一個被事先靜態(tài)分配的全局唯一的IPv4或IPv6地址，該地址稱為這些節(jié)點的居所地址（HoA），如圖2（a）所示。此外，對應該MANET配備一個居所代理（HA）和一個Internet網(wǎng)關[10]。對于傳入通信，所有發(fā)送到該HoA的通信首先到達該MANET的居所代理（HA）。當該MANET中的某個節(jié)點告知該居所代理，該Internet網(wǎng)關的IP地址正是其監(jiān)督地址（CoA），則居所代理將所有通信傳入到該MANET內(nèi)部。進一步由MANET內(nèi)部的Ad-hoc路由協(xié)議將通信傳遞到目標節(jié)點。對于傳出通信，MANET內(nèi)部節(jié)點將通信路由到Internet網(wǎng)關即可。MANET內(nèi)部的通信由其Ad－h(huán)oc路由協(xié)議完成。該算法的主要問題在于，需要一個高效的算法使得MANET內(nèi)部節(jié)點能夠確定當前時刻該MANET是否具有一個可用的HoA。

算法2：假定給MANET中的每個節(jié)點指派一個地址，該地址從一個非常大的地址空間中隨機抽取，并且通過實施復制地址檢測（DAD）技術保證該MANET內(nèi)部節(jié)點地址的唯一性。DAD技術分為強DAD與弱DAD兩類。強DAD能夠絕對避免重復，但由于計算代價大導致在大型網(wǎng)絡中難以實現(xiàn)。而對于弱DAD，如果包可以到達目的節(jié)點，則允許一定程度的地址重復。Internet接入時，使用網(wǎng)絡地址轉換（NAT）技術MANET可實現(xiàn)通信輸出。但是如果有多個Internet網(wǎng)關，則NAT無法奏效：當節(jié)點切換到另一個網(wǎng)關，則使用新的IP地址，正在進行的TCP連接被終止。可見該算法的核心問題在于設計高效的DAD與NAT技術。

算法3：同動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCP）服務器分配地址的方式類似，給MANET的節(jié)點指派一些特定的地址。當接入Internet時，MANET被視為Internet分割出的一個可尋址子網(wǎng)。但對于MANET的合并與劃分，以及多點接入Internet，這個算法還有待于進一步改進。

MANET的尋址與Internet接入還沒有被普遍認可的高效算法，難點在于動態(tài)命名空間與具有路由功能的主機的設計。

5 安 全

MANET本質是無線網(wǎng)絡，并且網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)建立在節(jié)點相互合作的基礎上，這兩方面因素導致MANET本質上更容易受到安全攻擊。攻擊可分為被動與主動兩類。被動攻擊中，攻擊者僅是監(jiān)聽信道以獲取信息。由于不產(chǎn)生新的網(wǎng)絡流量，導致這類攻擊很難被檢測到。而對于主動攻擊，攻擊者主動參與到破壞網(wǎng)絡的正常運行，攻擊動作涉及刪除，修改，復制，重定向和偽造協(xié)議控制包和數(shù)據(jù)包。

保護MANET不受惡意攻擊很難實現(xiàn)，通常采用預防手段，比如信息來源的授權、數(shù)據(jù)完整性以及消息次序保護等。預防手段一般都建立在公鑰密碼學上基礎上。但因為缺少統(tǒng)一的密碼發(fā)布中心或者受信的驗證管理機構，公鑰密碼機制還有待于進一步改進[11－12]。

6 結束語

MANET由移動設備自行組建、自我組織、并且自我管理的一類無線網(wǎng)絡。它具有高度靈活性、無需基礎設施投入并且易于部署，是未來普適計算環(huán)境的一個關鍵組成部分。MANET與其他無線網(wǎng)絡或基礎設施網(wǎng)絡的無縫集成，是將來4G通信網(wǎng)絡中的重要一環(huán)。盡管MANET在理論與應用上已取得相當發(fā)展，但在路由，服務與資源發(fā)現(xiàn)，尋址與互聯(lián)網(wǎng)接入，安全等關鍵問題上仍然存在大量技術難點。

[1]張宇，田英明.Ad hoc網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)算法綜述[J].自動化與儀器儀表，2009（1）：8－9.ZHANG Yu，TIAN Ying-ming.The review on topology farming technology in Ad-hoc networks[J].Automation&Instrumentation，2009（1）：8－9.

[2]于宏毅.無線移動自組織網(wǎng)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3]鄭少仁，王海濤，趙志峰.Ad hoc網(wǎng)絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[4]王海濤，宋麗華.Ad hoc網(wǎng)絡的可生存性及設計挑戰(zhàn)[J].電信科學，2006，22（4）：59－63.WANG Hai-tao，SONG Li-hua.Survivability of ad hoc network and its design challenges[J].Telecommunications Science，2006，22（4）：59－63.

[5]安輝耀，盧錫城.移動自主網(wǎng)絡多路徑技術研究進展[J].計算機工程與科學，2006，28（2）：4－9.AN Hui-yao，LU Xi-cheng.A review of routing protocols for mobile ad hoc networks[J].Computer Engineering&Science，2006，28（2）：4－9.

[6]仰燕蘭，葉樺，費樹岷，等.樹狀－多層次無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2012（2）：108－112.YANG Yan-lan，YE Hua，F(xiàn)EI Shu-min，et al.Research on the tree-structured and multi-levels routing protocol[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（2）：108－112.

[7]鄒敏，歐鋒.移動Ad hoc網(wǎng)絡中的資源發(fā)現(xiàn)[J].計算機工程，2005，31（9）：121－123.ZOU Min，OU Feng.Resources discovery in mobile ad hoc networks[J].Computer Engineering，2005，31（9）：121－123.

[8]劉孝劍.Ad hoc網(wǎng)絡與因特網(wǎng)互聯(lián)的實現(xiàn)[J].數(shù)據(jù)通信，2009（3）：36－38.LIU Xiao-jian.Implements of Ad hoc network and Internet connectivity[J].Data Communications，2009（3）：36－38.

[9]楊盈霄.移動Ad hoc網(wǎng)絡互聯(lián)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2009.

[10]何曉妮，肖兵.基于TCP/IP新型高性能網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011（2）：38－40，100.HE Xiao-ni，XIAO Bing.Design and implementation of new high performance gateway based on TCP/IP[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（2）：38－40，100.

[11]譚樂，李婧婧，龍冬陽.基于組合公鑰的移動自組網(wǎng)密鑰管理方案[J].計算機工程，2009，35（10）：132－134.TAN Le，LI Qian-qian，LONG Dong-yang.Key management scheme for mobile ad hoc network based on combined public key[J].Computer Engineering，2009，35（10）：132－134.

[12]周晗.MANET網(wǎng)絡密鑰管理及其安全策略研究[D].長沙：南大學出版社，2006.