移动Ad Hoc网络关键技术研究

1 引言

　　移动ad hoc网络是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的自组织网络。由于两个 (点对点)或多个(组播)需要通信的节点之间常常没有直接的链路而需要其他节点的多次中继 转发，所以也可称之为“移动多跳网络”。其基本思想始于70年代由美国政府和军方资助的 一些研究项目，英文缩写为“MANET”。为了突出其无线特征，习惯上也称之为“无线移动a d hoc网络”。

　　作为移动通信的两种基本组网模式之一，移动ad hoc网络可以用于没有无线基础设施存 在或出于费用和安全方面的考虑不方便设置无线基础设施的场合。它与传统的蜂窝技术的根 本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进 行的，系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的。由于这类网络的组织 和控制并不依赖于某些重要的节点，所以它们允许节点发生故障、离开网络或加入网络，也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与 其他实体的通信，因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求 。

　　移动ad hoc网络的研究源于美国，当前的研究成果也主要集中在美国，卡内基·梅隆大 学的MONARCH工程组[1]已经建立了移动ad hoc网络的测试床。不过，欧洲也已经开始考虑将 移动ad hoc网络作为中继，以扩大第2代及第3代移动通信系统的覆盖范围和提高在网络或链 路故障时系统的健壮性，目前已建立了一种称为A－GSM的实验系统[2]。 另外，Internet工 程任务组(IETF)也已经成立了专门的研究小组——MANET工作组负责移动ad hoc网络的相关 协议的标准化工作[3]。

　　2 应用领域

　　随着技术的进步和社会的发展，特别是人们对个人通信日益增长的需求，使得移动ad hoc网络的应用范围正逐步扩大，其中包括军用和民用等许多领域。在军用领域，它可以支持 野外联络、独立战斗群和舰队战斗群通信、无人侦察与情报传输等；在民用领域，它支持诸 如移动会议、移动网络、个域网络、自然或人为灾难营救过程中的信息交换以及临时交互式 通信组等[4]。可以预测，这种技术在未来移动通信的市场上将扮演非常重要的角色。

　　(1)军用通信

　　在现代化的战场上，由于没有基站等基础设施可用，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ad hoc网络进行信息交换、保持密切联系，以 协作完成作战任务，而装备音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也能够通过移动ad hoc网 络，将在目标区域收集的重要位置和环境信息传送到处理节点。需要通信的舰队战斗群之间 也可以通过移动ad hoc网络建立通信而不必依赖陆地或卫星通信系统。移动ad hoc网络的初 衷是为军事应用服务，今后ad hoc网络仍然是军事领域最直接的应用对象[5,6]。

　　(2)移动会议

　　目前，越来越多的人携带手提电脑、PDA(个人数字助理)等便携式设备参加各种会议。 如果与会者不用借助路由器、集线器或基站，就能将各种移动终端快速地组织成无线网络，从而完成提问、交流以及资料的分发，无疑具有重要的意义，而移动ad hoc网络就具有这样 的功能。当一些移动用户聚集在办公室外的某个环境时，他们也可以借助移动ad hoc网络来 协同工作。借助于移动ad hoc网络，还可以实现分布式会议。

　　(3)移动网络

　　配备有无线装置的便携式计算机常常被携带到办公室或旅途中，由于这些计算机根本就 没有与拓朴相关的固定IP地址，所以通过传统的移动IP协议无法为其提供连接，而是要采用 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 节点仍然如同连接在标准的计算环境中一样。

　　(4)个域网络

　　个域网络(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。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的通信，然而移动ad hoc网络则能够为建立室外更大范围的PAN与PAN 之间的互联提供了技术可能性。

　　(5)紧急服务和灾难恢复

　　在自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障或无法使用时，快速地恢复通信 是非常重要的。借助于移动ad hoc网络技术和协议，可以快速地建立临时网络，延伸网络基 础设施，从而为营救赢得时间，减少灾难所带来的危害。例如，在因地震而使得基站、通信 干线等基础通信设施无法使用时，可以形成移动ad hoc网络来快速地建立联系，以积极组织营救。

　　3 关键技术

　　3.1 路由选择

　　这里的路由选择指的是单播(Unicast)选路，即为点对点通信而进行的路由选择。移动ad hoc网络中的路由选择问题比传统网络更加富有挑战性，主要有以下两方面的原因[5]：第一，传统的解决方案(如在Internet和蜂窝网中的一些方案)都是假定网络拓扑结构是相对稳 定的，而移动ad hoc网络的拓扑是不断变化的；第二，传统的路由方案依赖于保存在某些网 络节点或特定管理节点中的分布式路由数据库，而对于移动ad hoc网络，节点不可能永久存 储路由信息，而且它们存储的信息也并不是一直真实可靠的。目前，研究人员已经为移动ad hoc网络提出了许多路由协议，主要包括以下两类[7]：基于表格的协议和基于需求的协议 。

　　3.2 组播

　　在移动ad hoc网络中，移动节点通常以群组的方式进行工作来完成某项任务，因此组播 在其中具有非常重要的作用。移动ad hoc网络的组播协议大体可分为3类：

　　(1)基于树结构的组播协议，比如AMRoute协议和AMRIS协议[8]；
　　(2)基于'结构的组播协议，比如CAMP协议和ODMRP协议[8]；
　　(3)扩散组播协议，比如扩散(flooding)协议和LBM协议[9]。
　　
　　3.3无线TCP

　　鉴于TCP/IP已经成为事实上的Internet标准协议栈，作为Internet扩展的移动ad hoc网 络也必将采用它。因此，分析TCP在移动ad hoc网络中的性能，并研究如何使其适应移动ad hoc网络的环境就变得尤为重要。

　　由无线链路的错误突发与信道时变、节点的移动与频繁切换而引起的突发性分组丢失会 降低TCP的性能，这是因为移动ad hoc网络中的分组丢失主要由无线差错和节点移动性所致，而传统的TCP将所有的分组丢失都看作网络拥塞而重传丢失分组和启动拥塞控制机制，进 行网络的恢复，如：降低传输窗口的大小，减少发送分组的数目；激活Slow－Start算法， 限制窗口增大到原来水平的速率；采用二进制指数后退策略，重新设置重传定时器。这些措 施都无谓地压制了传输，进一步降低了网络性能。因此，在移动ad hoc网络中不能直接采用 传统的TCP协议，必须采取机制来区分分组丢失是由于网络拥塞、无线链路差错，还是由于 移动切换，并采取相应的快速恢复机制。目前，TCP支持蜂窝无线环境的改进机制主要有链 路层机制和分段机制[10]两种。这两种机制对提高移动ad hoc网络中TCP的性能都有较大意义，但是都还不够完善。

　　3.4 功率管理

　　功率管理一直是无线网络中比较难以解决的问题，在移动ad hoc网络中更是如此。在这类网络中主要考虑两方面的问题[5]：

　　第一，为了使网络吞吐量最大，必须按照一定的方案调整移动节点的功率，以便在传输范围和干扰之间进行折衷。功率越小，干扰越小，但传输范围也越小；功率越大，传输范围 越大，但带来的干扰也就越大。

　　第二，既然移动节点通常都是以电池为能源的，所以减少它们的电池消耗是非常重要的 。一种方案是当节点无需收发和转发信息时就将其转入睡眠或空闲状态。目前也有一些学者 正在考虑最小能量消耗路由选择[11]和组播[12]方案。

　　3.5 安全管理

　　安全管理对许多网络都是一个非常重要的问题，在移动ad hoc网络中更是如此。在移动ad hoc网络中实现保密性、完整性、服务有效性以及鉴权和认证等安全需求方面将面临极大 的挑战，这是因为节点的移动性给鉴权中心的确定和密钥管理带来很大困难。目前基于看家 狗(Watchdog)的方案和防侵害硬件都在研究之中。

　　4 目前的研究工作

　　4.1 无线TCP的研究

　　4.1.1 对TCP SACK的改进

　　作为TCP Reno[13]的一个选项，选择确认(SACK)通过接收者对接收到的数据进行有选择 地确认来提高TCP的性能[14]。当接收到的数据不连续时，接收者发送承载有SACK选项的确 认(ACK)来通知发送者，哪些数据已正确接收或正在接收缓冲区中排队。

　　一个SACK选项最多包括3个SACK块，每一块表示一组已经被接收到的序列号连续的段(每 一段包含固定数量的字节)，用左边界(即该块中第一个字节的序列号)和右边界(即最后一个 字节的序列号＋1)来标识，末尾序列号为左边界－1的段和初始序列号为右边界的段均为已 经丢失，需要重传。SACK选项的第一个块表示最近收到的一组连续段，其他的块则用于报告 先前收到的一些连续段的信息。发送者可以根据SACK选项信息只重传真正丢失的段而不重传 那些序列号大于丢失段且已被正确接收的段，这大大减少了TCP NewReno[15]中的无谓重传 ，同时也使得发送者不用等待定时器超时就可以恢复多个丢失段的数据。但是，当因采用其 他TCP选项使得SACK块的数目减少到2甚至1时，SACK选项将无法报告序列号大于丢失段且已 被正确接收的那些段的信息，这将导致大量分组的无谓重传。因此，如何充分利用SACK选项 就成为一个非常重要的研究课题。

　　我们提出了一种新的优于传统SACK的选项格式ASACK， 即改进的SACK。ASACK没有采用 占用太多字节的右边界(占用4个字节)，而是采用No_seg表示每一块中所包含的段数，其中 每一段包含500个字节。显然，一般不会超过127个段，所以每个块只需用1个字节来表示No_seg。由于每个块的左边界占4个字节，所以一个定义了n块的SACK选项只需要用5×n个字节 来表示，再加上用于表示TCP选项长度和种类的2个字节，共5×n＋2个字节。 因此，对于有 40个字节可用的TCP选项来说，最大可定义7个块，即使是和用于RTTM[16]的时间戳选项(它占用12个字节，其中有两个字节的填充)一起使用，也可定义5个块。这与传统SACK最多有3 个SACK块相比，大大增加了可用SACK块的数目，从而使得移动ad hoc网络环境中多个丢失分组的重传效率有较大幅度的提高。ASACK选项格式如图1所示。我们的仿真结果[17]表明，由 于TCP ASACK能提供更多的信息，所以其吞吐量比其他TCP Reno变种(包括TCP SACK)的吞吐量都高，特别是在节点高速移动时更是如此。

图1 TCP SACK选项格式

　　4.1.2 对TCP Vegas的改进

　　当TCP Vegas[18]应用于移动ad hoc网络时将会出现一些新的问题，其中最主要的是路 由重选。TCP Vegas根据传播延迟的最小值base_RTT来修改窗口尺寸，因此对这一参数的准 确估计是非常重要的。但由于移动ad hoc网络中因高度移动性而产生的路由重选比传统有线 网络中多得多，所以base_RTT的精确性是难以得到保证的。假如新路由的RTT小于base_RTT ，那么TCP Vegas将会自动用这个RTT替换base_RTT，这不会产生什么严重问题。然而实际上 新路由的RTT常常大于base_RTT， 因此TCP Vegas也就不会自动去修改base_RTT。 此时，由 于TCP Vegas不能区分是路由重选还是拥塞导致了RTT增大，所以发送者就会统一看作是拥塞 而缩小滑动窗口的尺寸。但是根据文献[18]，为了将缓冲器队列的长度保持在α和β之间， TCP Vegas此时是应当增大滑动窗口尺寸的。由此可见，路由重选严重影响了TCP Vegas的性能。我们采用由选路协议向TCP Vegas 提供有关新路由的base_RTT信息的方法来解决这一问 题，这样的TCP Vegas可称为采RTT通知(RN)的TCP Vegas。RN的工作过程可以简述如下：

　　(1)在路由发现阶段，每个中间节点(IN)都将其缓冲延迟的估计值Buffer_Delay添加到用于建立路由的分组(例如广播查询分组[19])当中。一旦发现新的路由，这些Buffer_Delay 就通过回复分组(REPLY)返回给发送者。由于各段链路的延迟Link_Delay已知，发送者就可 以重新计算base_RTT。

　　(2)当路由的链路因发送者、接收者或IN的移动而断裂时，则启动路由恢复过程。在此过程中，通过采用了诸如局部查询(LQ)的恢复机制， 接收者或IN把新的部分路由中相关IN 的Buffer_Delay值传回发送者使其更改base_RTT。

　　从上面的描述可以看出，RN技术有助于发送者区分路由重选和拥塞，从而精确地估计ba se_RTT。我们的仿真结果表明[17]，在节点高速移动时，RN可以使TCP Vegas的吞吐量显著提高。

　　另外，我们还据此得出了由于对base_RTT估计不够精确，使得TCP Vegas在移动ad hoc 网络中相对于TCP Reno而言并没有什么优势的结论。

　　4.2 组播的研究

　　先前的组播研究工作都是围绕固定计算机网络进行的，典型的都是以 Internet为原型 的，多播结构也是以组播树为基础的，因此目前研究学者为移动ad hoc网络所提出的多播算 法大多也都是基于多播树的。但是在移动ad hoc网络中，由于节点经常移动，链路经常断裂 ，而组播树本身非常脆弱，所以组播树经常需要修复甚至重构，这样会使得计算复杂性大大 增加。因此传统的基于树的组播选路算法(例如CBT、PIM 和MOSPF)在移动ad hoc网络中性能 就会有很大下降而不适合应用于其中。鉴于图结构比树有更为丰富的连接，一些学者为移动 ad hoc网络提出了一些基于图或称为网孔(Mesh)的组播选路算法，如CAMP和ODMRP算法[8]。 但是这些协议没有考虑为组播通信构造最小能量的图结构。考虑到使便携设备能量消耗最小 已经成为当今IC设计的一个非常重要的设计目标，我们提出了一种基于图的最小能量组播选 路协议(MEGBM)。目前仿真实验正在进行当中。

　　5 结束语

　　随着个人通信的蓬勃发展，作为实现个域网的候选关键技术之一的移动ad hoc网络必将发挥越来越重要的作用。目前，对移动ad hoc网络的研究还处于仿真和实验阶段，中国在这一方面的研究也刚刚起步，希望有更多的人力、物力投入到移动ad hoc网络的各项关键技术 研究之中。

参考文献

1 Home Page of CMU Monarch Project. http://monarch.cs.cmu.edu
2 George N and Rahim T. On the Relaying capability of Next－Generation GSM Cellu lar Networks. IEEE Personal Commun Mag, Feb 2001: 40－47
3 IETF MANET Working Group. http://www.ietf.org/html.charters/manet－charter.htm l
4 刘元安. 未来移动通信系统概论. 北京: 北京邮电大学出版社, 1999
5 Hubaux J P, Gross T, Le Boudec J Y and Vetterli M. Toward Self－orgnized Mobil e Ad Hoc Networks: The Terminodes Project. IEEE Communications Magzine, Jan 2001 : 118－225
6 Perkins C E. Ad hoc networking. Addsion Wesley, Dec 2000
7 Elizabeth M R, Toh C K. A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobil e Wireless Networks. IEEE Personal Commun Mag, Apr 1999: 46－53
8 Lee S J, Su W,Hsu J, et al. A Performance Comparison Study of Ad Hoc Wireless Multicast Protocols. Proceedings of IEEE INFOCOM2000, 2000: 565－574
9 Ko Y B, Vaidya N H. Geocasting in Mobile Ad Hoc Networks: Location－Based Multicast Algorithms. Proceedings of IEEE WMCSA'99, 1999: 101－110
10 庄宏成等. 移动IP和无线TCP . 无线电工程, 2001, 31(1): 31－35
11 Toh C K. Maximum Battery Life Routing to Support Ubiquitous Mobile Computing in Wireless Ad Hoc Networks. IEEE Communications Magzine, Jan 2001: 138－147
12 Wan P J, Calinescu G, Li X Y ,et al. Minimum－Energy Broadcast Routing in Static Ad Hoc Wireless Networks. Proceedings of IEEE INFOCOM 2001, 2001: 1162－1171
13 Stevens W R. TCP Slow Start, Congestion Avoidance, Fast Retransmission, and Fast Recovery Algorithms. IETF RFC 2001, Jan 1997
14 Mathis M, Mahdavi J, Floyd S, et al. TCP Selective Acknowledgment options. IETF RFC 2018, Oct 1996
15 Hoe J C. Improving the Start－up Behavior of a Congestion Control Scheme for TCP. SIGCOMM'96 ACM California USA, 1996: 270－280
16 Jacobson V, Braden R, Borman D. TCP Extensions for High Performance. RFC 1323, May 1992
17 姜海等. 无线ad hoc网中的TCP SACK和TCP Vegas. 电路与系统学报, 2001, 16(1): 35－39
18 Brakmo L, Peterson L. TCP Vegas: End－to－End Congestion Control in a Global Internet. IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), Oct 1995, 13(8): 1465－1480
19 Toh C K. Associativity－Based Routing for Ad Hoc Mobile Networks. Wireless Personal Commun, Mar 1997, 4(2): 103－109

[摘要] 文章介绍了移动ad hoc网络的概念、各种应用以及关键技术，着重对无线TCP进行了研 究：对TCP Reno中选择确认(SACK)的缺点提出一种新的ASACK方法，使吞吐量得以提高，在 节点高速移动时效果尤为明显；对TCP Vegas作了改进，提出一种采用RTT通知的TCP Vegas 方案，结果使节点高速移动时系统吞吐量明显提高。

[关键词] ad hoc网络 传输控制协议 组播

[Abstract] The concept, implementation, and key technologies of mobile ad hoc networks are introduced in this paper. Emphasis is put on wireless TCP. As a new techniqu e, ASACK is adopted to overcome the shortcomings of SACK, which is an option of TCP Reno. Using ASACK we can obtain high throughput especially when nodes move a t a high speed. A new TCP Vegas implementation using RTT notification is also pu t forward, which can increase system throughput remarkably when nodes move at a high speed.

[Keywords] Ad hoc network TCP Multicast