自组织网络技术的发展趋势

摘要　随着通信技术的快速发展和人们对通信智能性要求的提高，自组织网络成为网络技术发展的重要方向之一。本文对自组织网络技术的发展历程、发展方向进行了介绍，对自组织网络发展中遇到的问题进行了分析，并且探索了自组织网络技术的发展趋势。

1、引言

自组织网络原来只是特指无线自组织网络（Ad hoc网络），但是随着P2P等具有明显自组织特性的网络出现，自组织网络的概念逐渐宽泛化，不但包括通常所指的无线自组织网络，而且包括具有自组织特性的P2P网络和IP网络（IP动态路由）。通过与其他技术的交叉与融合，目前在讨论自组织网络的时候还会涉及RFID网络、网格技术等。比如我国"八六三"计划中就采用了比较宽泛的概念，连续两年设置"自组织网络技术"专题来支持各种具有自组织特性的网络新理念、新技术和新设施的研究与试验工作。

2、自组织网络的技术特点

2.1　无线自组织网络的核心特征

（1）无中心化和节点之间的对等性。Ad hoc网络是一个对等性网络，网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点（Infrastructureless，不依赖于固定的网络设施）。网络节点既是终端，也是路由器，当某个节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点（普通节点）的多跳转发（Multi-hop Distributed）。

（2）自发现（Self-Discovering）、自动配置（Self-Configuring）、自组织　（Self-Organizing）、自愈（Self-Healing）。Ad hoc网络节点能够适应网络的动态变化，快速检测其它节点的存在和探测其他节点的能力集，网络节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。

2.2　结合无线通信的应用场景无线自组织网络具有的特性

（1）无线传输带宽有限。Ad hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多，节点间通信协议的设计必须考虑通信代价。因此路由协议设计时，减少消息数量和带宽需求成为重要的考虑因素。使得Ad hoc网络很难采用目前IP网络中的现有路由协议进行寻址。

（2）移动终端有节能要求。由于移动终端的电量有限，节点处于待机状态有利于减少电量消耗，因此，节点通信协议设计时要尽量减少节点激活时间、较少节点的计算量（减少CPU能量消耗）。

（3）安全性较差。由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，Ad hoc网络更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺"睡眠"等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全措施都需要特别考虑。

（4）存在单向的无线信道。由于地形环境或发射功率等因素的影响，网络中可能存在单向无线信道，增加了节点间通信协议的设计难度。

Ad hoc网络的上述特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通通信网络和固定通信网络有着显著的区别。

3、自组织网络的研究热点

3.1　MAC协议的研究

在Ad hoc网络中，多个网络节点共享同一无线信道，由于各节点发送分组的随机性，为了减少碰撞，必须由MAC层协议来建立共享信道的访问机制。高效的MAC层协议是Ad hoc网络的一个研究热点，目前最常见的MAC层协议是载波监听多路接入（CSMA）和多种其他机制，如IEEE 802.11中所采用的基于RTS（Request to Send），CTS（Clear to Send），ACK（AC-Knowledgement）的协议等。

3.2　路由协议的研究

由于Ad hoc网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速变化、适应单向信道环境等多方面的要求，使得现有的IP路由协议，如RIP（选路信息协议）和OSPF（开放最短路径优先协议）等不能满足要求，Ad hoc网络路由协议的设计具有很大难度。IETF的MANET工作组重点研究无线Ad hoc中的路由协议。主要有如下几种草案：

（1）AODV（Ad hoc on Demand Distmce Vector Routing）Ad hoc网络的距离矢量路由算法。

（2）TORA（Temporally Ordered Routing Algorithm）临时顺序路由算法。

（3）DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。

（4）OLSR（Optimized Link State Routing Protocol）优化的链路状态路由协议。

（5）TBRPF（Topology Broadcast Based on Reverse Path Forwarding）基于拓扑广播的反向路径转发。

（6）FSR（Fisheye State Routing Protocol）鱼眼状态路由协议。

（7）IERP（the Interzone Routing Protocol）区域间路由协议。

（8）IARP（the Intrazone Routing Protocol）区域内路由协议。

（9）DSDV（Destination Sequenced Distance Vector）目标序列距离路由矢量算法。

目前，IETF正在研究Ad hoc网络中的组播协议，上述一些协议经过扩展可以支持组播，主要有AM-Route，MAODV，ODMRP，CAMP，FGMP，NSMP等。与路由协议研究密切相关的一个研究热点就是分簇算法的研究，在分级分频网络结构中，如何自动选举确定簇头，如何确定每个簇的范围需要高效的算法支持。

3.3　网络安全保障机制的研究

Ad hoc网络的特殊结构（开放的网络结构、共享的无线资源、严格的资源限制和高度动态的网络拓扑）决定了它只能提供较差的安全性能，极易受到主动和被动的攻击。早期的Ad hoc是假设应用在一个友好且合作的环境中，现在这种假设已经不成立了，Ad hoc要应用于一个潜在的敌对环境中，并为移动节点间提供受保护的通信，安全问题已经成为倍受关注的焦点。Ad hoc网络的安全威胁主要有被动窃听（无线链路使Ad hoc网络容易受到链路层的攻击）、拒绝服务攻击、禁止"睡眠"攻击（快速消耗节点电能）、数据篡改和重发、伪造身份取得信任引入"黑洞"等。

针对这些安全威胁，传统网络的安全解决方案不能适应Ad hoc网络的特定环境，不能直接用于Ad hoc网络。目前，关于Ad hoc网络的安全性研究主要集中在无中心环境下节点间信任关系的建立与维护机制、安全选路机制等。

3.4　与现有网络融合模式的研究

在Ad hoc网络发展过程中，Ad hoc网络主要是作为一个独立的网络存在的，但随着Ad hoc网络技术的逐步成熟和应用范围的扩大，要求Ad hoc网络能够与有线网络互通甚至接入互联网，这将成为Ad hoc发展不可避免的趋势。在这种情况下，未来的Ad hoc网络要与IP网络互通、要与3G，4G，UWB等无线网络融合、要与RFID技术相衔接，这就带来了很多难题。

（1）由于Ad hoc网络所采用的路由协议不同于IP路由协议，两类网络的互联互通存在一定的难度。此时需要布置接入网关（AP，Access Point），AP是一台同时拥有有线接口和无线接口的特殊主机，通过AP的转发和路由可以使有线网络和Ad hoc网络互通。Ad hoc网络可以通过一个或多个AP连接到不同地域的有线网络。IETF的MANet工作组提出了一种利用移动IP和Ad hoc路由相结合的方法，通过外部代理和家乡代理实现和有线网络互通。这种方法需要各个结点都支持移动IP，这在有些应用中会有一定难度。

（2）如果Ad hoc网络与其他网络互联，则其将为其他网络终端提供通信通道，而Ad hoc网络的无线信道带宽较窄、带宽资源有限，很容易造成阻塞；一旦网络阻塞，既影响Ad hoc网络自身运行，又对与其互联的网络造成影响。而IP网络中现有的接纳控制机制不能应用在无中心的Ad hoc网络中，因此互联后网络的服务质量很难保证。

（3）Ad hoc网络作为3G，4G，UWB骨干网的无线接入网，将有效扩展这些宽带无线网络的功能及有效覆盖范围。因此需要研究Ad hoc网络与这些宽带无线网络的无缝切换技术。研究具有无线资源管理功能的自组网络由算法从而实现移动终端之间的直接通信、多跳通信、系统兼容、无缝切换与漫游。

4、自组织网络发展遇到的问题

目前Ad hoc网络虽然在学术研究领域是一个热点，针对其MAC层协议，路由协议，安全机制，QoS机制的研究论文层出不穷，技术正在逐步完善之中，但是其产业化进程却进展缓慢。最主要的原因是目前Ad hoc网络缺乏合理的商业模式，没有形成一个由需求拉动的、运营商和制造商积极参与的良性产业链条。

4.1　需求不足

（1）目前Ad hoc网络主要应用于军事野战环境，应急通信，汽车通信，家庭网络，办公室内部通信，RFID联网等环境，随着通信网络（有线、移动）基础设施的改善，通信网络覆盖范围的扩展，Ad hoc网络的应用范围不会很广。

（2）由于Ad hoc网络的安全问题十分突出，目前尚未出现有效的解决方案，用户会担心自己的个人信息在通过别人的终端转发时发生泄漏，这种安全顾虑抑制了用户对Ad hoc网络的需求。

4.2　缺乏利润来源

（1）一个Ad hoc网络目前只是一个独立的网络，其采用对等方式实现封闭的小范围内的通信，目前尚未与有线网络和移动网络互通。在这个封闭的网络中，每个节点都提供服务也享受服务，各方地位平等，因此每个节点都是免费工作的。这种免费模式很难吸引商业资本的介入，网络规模很难做大。

（2）如果Ad hoc网络不与电信运营商的网络互联互通，电信运营商很难利用自己的网络和服务优势开展基于Ad hoc网络的个性业务，即使Ad hoc网络与电信运营商的网络互联互通，但是由于Ad hoc网络的无中心性，很难评价每个节点的贡献，合理计费模式很难确定，只能把整个Ad hoc网络作为一个末端网络，通过对AP的流量统计来收费，很难为每个节点计费。

（3）如果Ad hoc网络作为一个末端网络，从用户的角度看，这个网络内部工作时可以不利用运营商的网络资源，网络属于用户，运营商没有权力从这种内部通信中收费，同时这种内部通信将对现有业务进行分流。这样运营商就没有建设Ad hoc网络或者在现有移动网络终端中集成Ad hoc网络功能的动力。

5、自组织网络技术的发展

针对目前自组织网络的研究热点与存在的突出问题，在未来自组织网络的技术发展与试验中应注意以下几点：

5.1　加强技术研究，探索技术方向，寻求技术突破，为大规模商业化应用时代的到来做准备

（1）对超前市场的新技术，企业投资研发的力度一般都很小，这时候要充分发挥政府对新技术新业务的引导作用，设置专项课题进行资金支持。目前我国"八六三"计划中已经连续两年设置了"自组织网络"的研究课题，但是通过课题指南和项目批复来看，项目支持的技术方向并不明确。以后应该加强Ad hoc网络安全、服务质量、与其他网络融合、与RFID结合等方面的支持力度，对关键问题进行聚焦，争取在这些核心问题上取得突破。

（2）在技术研发过程中，需要通过标准、知识产权、产业政策等手段加强产、学、研等方面相结合的力度，鼓励结成战略联盟，提倡联合攻关，联合资助，优势互补，加快科研成果的生产力转化速度和质量。

（3）在国内启动相关技术标准的研究制定工作（包括应用场景、技术需求、体系结构、关键模块、组网方式、检测试验等方面的技术标准），积极参与相关国际标准化进程。

5.2　加强Ad hoc网络安全保障机制的研究，解决安全隐患，消除用户使用顾虑

安全性是决定Ad hoc网络潜能能否得到充分发挥的关键。由于不依赖固定基础设施，相对于固定IP网络，Ad hoc网络更易受到各种安全威胁和攻击，而且传统网络的安全解决方案不能直接应用于Ad hoc网络，现存的用于Ad hoc网络的大多协议和提案也没有很好地解决安全问题。因此，要加强Ad hoc网络安全保障机制的研究，消除产业化道理上的关键障碍。

5.3　寻找Ad hoc网络与其他通信网络的融合之路，探索新的商业模式

（1）在网络融合的发展趋势下，封闭的Ad hoc网络只有与其他网络互联互通才能发挥更大的作用。因此，要加强Ad hoc网络与IP网络，3G，4G，UWB等无线网络的融合方式的研究。

（2）随着具有自组织特性的网络越来越多（如P2P网络、分布动态路由协议等），要加强对这些网络内在自组织机制和特性的研究，争取形成新的网络基础理论，从而对未来承载网和业务网的发展提供理论基础。

（3）要加强Ad hoc网络应用场景与应用需求的研究，重点研究Ad hoc网络如何与应急通信需求、物联网（RFID）需求的结合；结合NGN框架，探索新的应用领域和产业链各方的合作模式。

（4）在下一代网络、下一代互联网、网格通信基础设施上，建立面向不同应用背景的Ad hoc试验网络和相应的应用系统，分别提供商业应用、企业应用（企业内部通信）、社会公共服务（等应急通信）。重点探索Ad hoc网络在企业内部的应用方式。

6、结束语

本文对自组织网络的技术特点、发展方向、遇到的问题和发展趋势进行了分析。目前，随着无线自组织网络研究的深入，引发了业界对网络自组织特性的研究，今后通过对Ad hoc网络、P2P网络以及IP网络中的自组织相关技术的综合分析，有望形成一套自组织网络的新型体系结构（包括链路层、网络层和业务层），这是一个值得关注的研究方向。