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摘要: 无线通信网络是按照其组网的控制方式分类,一般分为两类:一类是集中式控制,既是有中心的。这一类无线网络的运行要依赖于先部署的网络基础设施。典型的例子有:蜂窝式移动通信系统,它是依靠基站和移动交换中心等基础设施的支持,并基于接入点和有线骨干网模式工作的无线局域网。但是对于某些特殊的场合,不可能会有这种预先部署的固定设施可以利用。在这种情况下,就需要一种能临时、快速、自动组网的移动通信技术。这也就形成另一类无线通信网络技术,即Ad hoc网络通信技术。
关键词: 无中心控制;Ad hoc网络;多跳;对等式;分布式协议;抗灾害
Ad hoc网络(拉丁语,翻译为“专用的,有特定目的的”)
通常也称为“无固定设施网”或“自组织网”。由于组网特点快速、灵活、使用方便,目前Ad hoc网络已得到了国际学术界和工业界的广泛关注,并且也得到越来越广泛的应用,已经成为了移动通信技术向前发展的一个重要方向,为的是在站场或紧急应用的情况下,可以快速的组件一个通信网络并实施通信。这种网络具备很强的抗毁性、临时性、自治性和自组织性。
Ad hoc网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)。
最早对分组无线网的研究是源于军事通信的需要,并已经持续了将近20年。早在1972年,美国DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)就启用了分组无线网(PRNET,Packet Radio NETwork)项目,研究分组无线网是在战场的环境下对数据通信的应用。项目完成之后,DAPRA(Defense Advanced Research Project Agency)又在1993年启动了高残存自适应网络(SURAN,SURvivable Adaptive Network)项目。研究如何将PRNET的成果加以扩展和应用,用以支持更大规模的网络,并且还地要开发能够适应战场快速变化环境下自适应网络协议。1994年,DARPA又启动了全球移动信息系统(GloMo,Globle Mobile Information Systems)项目。在分组无线网络已有的成果基础上对能满足军事应用需要的、可快速展开的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究,并且一直持续至今。1991年成立IEEE802.11标准委员会就采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊对等式无线移动网络。
1 Ad hoc网络的特点
Ad hoc网络是一种无中心控制网络,信息流采用分组数据格式,传输采用包交换机制,基于TCP/IP协议族。若干移动终端组成一个独立的IP网络,与固定的互联网并行。同时,在必要的时候,Ad hoc网络也可以通过一定的方式接入到互联网,实现和互联网的互连。
作为一种新的组网方式,在网络的组织上根据网络实际的应用场合及条件具有以下的特点:
1.1 网络的独立性
Ad hoc网络相对于常规通信网络而言,最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点,不需要硬件的基础网络设施的支持,快速构建一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有网络通信设施,所以具有一定的独立性。Ad hoc网络的这种特点适合灾难救助和偏远地区通信等应用。同时,Ad hoc网络也可以实现在一定场合和情况下,与其他网络的互联,实现网络的灵活拓展。
1.2 网络拓扑结构的动态变化性
在Ad hoc网络中,移动主机是可以在网络中随意移动的。主机的移动会导致主机之间的链路增加或者消失,主机之间的关系会不断地发生变化,以致主机有可能同时还是路由器,因此,移动会使网络拓扑结构发生不断的变化,而且变化的方向和速度都不可预测。常规的网络,网络拓扑结构则相对较为稳定。
1.3 组网的无中心和自组织性
在无线自组网中,网络是没有严格的控制中心的,所有节点的地位平等,是一个对等式的网络。主机通过分布式协议互相连接。每个节点都可以随时加入或者离开网络,所以任何节点的故障都不会影响到网络的运行。可以随时随地根据需要建立起网络连接,而相互间的工作既相互协同又互不影响。
1.4 网络的多跳路由和动态拓扑
当结点要与覆盖范围之外的结点进行通信时,就需要中间结点的多跳转发。这与固定网络的多跳不同,Ad hoc网络中的多跳路由是由普通网络结点完成的,而并不需要由专用的路由设备(如路由器)完成的。
Ad hoc网络是动态的网络。网络结点既可以随处移动,也可以随时的开机和关机,这些都会使网络的拓扑结构随时性的发生变化。这使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等等的方面都与普通的蜂窝式移动通信网络和固定的通信网络有着显著的区别。
1.5 有限的无线通信带宽
在Ad hoc网络中因为没有有线基础设施的支持,所以,主机之间的通信都是通过无线传输来完成的。由于无线信道本身的物理特性,它所提供的网络带宽就相对有线信道要低得多。除此之外,考虑到竞争共享的无线信道而产生的碰撞、信号衰减和噪声干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽更远远小于理论中的最大带宽值。
1.6 移动终端的自主性与局限性
Ad hoc网络中的移动终端具有自主性,不同于通常的计算机网络中的移动终端,在计算机网络中,主机和路由器是两个不同的设备,分别完成了不同的功能。但正是由于这种功能的合一,给移动终端的设计带来很多的局限性,Ad hoc网络中的移动终端不仅要包含上述的两种基本的功能,向用户提供应用层程序的服务,而且还必须担当起路由表的维护和信息的转发。同时Ad hoc网络的移动终端在移动环境中工作,使硬件在实际应用中的设备条件受到一定条件的限制,比如:既要支持移动,又要便于携带,这就要求终端具有较小的体积,不可能采用较大型的能源供电设备。
1.7 网络生存周期短
Ad hoc网络主要是用于临时的通信需求,所以相对于有线网络,它的生存时间一般就比较短了。 1.8 物理安全的有限性
移动的网络通常会比固定的网络更容易遭受类似窃听、欺骗和拒绝服务等安全攻击。Ad hoc网络的特殊结构(开放网络结构、共享无线资源、严格的资源限制和高度动态的网络拓扑)决定了它只能提供相对差的安全性能,所以更容易受到主动和被动的攻击。
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。并且在现有的链路安全技术上,有些已经应用于无线网络中来减小安全攻击。但Ad hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络又具有一定的抗毁性。
2 Ad hoc网络在现代铁路中的应用
在紧急和临时场合下,比如发生了地震、水灾或是遭受了其他灾难性的打击后,固定通信网络的设施可能都无法正常的工作。这时候就需要Ad hoc网络这种既不依赖于任何固定的网络设施又能快速地布设自组织网络的技术。而铁路的沿线很多都是在边远地区,当发生灾害等紧急情况的时候,就无法依赖固定或预设的固定网络设施来进行通信。这时候,Ad hoc网络的独立组网能力和自组织特点,恰恰是这些场合的最佳选择。
3 未来发展在于和移动通信系统的结合
Ad hoc网络还可以在与蜂窝式移动通信系统相结合,利用移动台的多跳转发能力来扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围,且均衡了相邻小区的业务强度,提高小区边缘的数据率等。而在实际的应用中,Ad hoc网络除了可以单独组网来实现局部范围内的通信外,还可以作为末端子网,通过接入点来接入其他固定或移动通信网络,与Ad hoc网络以外的主机进行通信。
中国铁路因其运输生产的特点,列车运行时的移动性使得对移动通信的需求十分迫切。特别是当遇到灾害和特殊时期,这种组网方式对辅助铁路各运营部门提高运输效率、保障运输安全,起到越来越重的作用,随着铁路向现代化和信息化发展,必将对此种数据业务有着越来越迫切的需求,新兴的移动通信技术在铁路运输中也将有巨大的发展空间。
参考文献:
[1]沈尧星主编,铁路数字调度通信(修订版)[M].北京:中国铁道出版社,2006.
[2]国内数字集群技术简,http://tech.sina.com.cn/it/t2004-04-02/1102343082.shtml.
[3]蒋笑冰、卢燕飞、吴昊等编著,《现代铁路通信新技术》[M].北京:中国铁道出版社,2006.
关键词: 无中心控制;Ad hoc网络;多跳;对等式;分布式协议;抗灾害
Ad hoc网络(拉丁语,翻译为“专用的,有特定目的的”)
通常也称为“无固定设施网”或“自组织网”。由于组网特点快速、灵活、使用方便,目前Ad hoc网络已得到了国际学术界和工业界的广泛关注,并且也得到越来越广泛的应用,已经成为了移动通信技术向前发展的一个重要方向,为的是在站场或紧急应用的情况下,可以快速的组件一个通信网络并实施通信。这种网络具备很强的抗毁性、临时性、自治性和自组织性。
Ad hoc网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)。
最早对分组无线网的研究是源于军事通信的需要,并已经持续了将近20年。早在1972年,美国DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)就启用了分组无线网(PRNET,Packet Radio NETwork)项目,研究分组无线网是在战场的环境下对数据通信的应用。项目完成之后,DAPRA(Defense Advanced Research Project Agency)又在1993年启动了高残存自适应网络(SURAN,SURvivable Adaptive Network)项目。研究如何将PRNET的成果加以扩展和应用,用以支持更大规模的网络,并且还地要开发能够适应战场快速变化环境下自适应网络协议。1994年,DARPA又启动了全球移动信息系统(GloMo,Globle Mobile Information Systems)项目。在分组无线网络已有的成果基础上对能满足军事应用需要的、可快速展开的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究,并且一直持续至今。1991年成立IEEE802.11标准委员会就采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊对等式无线移动网络。
1 Ad hoc网络的特点
Ad hoc网络是一种无中心控制网络,信息流采用分组数据格式,传输采用包交换机制,基于TCP/IP协议族。若干移动终端组成一个独立的IP网络,与固定的互联网并行。同时,在必要的时候,Ad hoc网络也可以通过一定的方式接入到互联网,实现和互联网的互连。
作为一种新的组网方式,在网络的组织上根据网络实际的应用场合及条件具有以下的特点:
1.1 网络的独立性
Ad hoc网络相对于常规通信网络而言,最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点,不需要硬件的基础网络设施的支持,快速构建一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有网络通信设施,所以具有一定的独立性。Ad hoc网络的这种特点适合灾难救助和偏远地区通信等应用。同时,Ad hoc网络也可以实现在一定场合和情况下,与其他网络的互联,实现网络的灵活拓展。
1.2 网络拓扑结构的动态变化性
在Ad hoc网络中,移动主机是可以在网络中随意移动的。主机的移动会导致主机之间的链路增加或者消失,主机之间的关系会不断地发生变化,以致主机有可能同时还是路由器,因此,移动会使网络拓扑结构发生不断的变化,而且变化的方向和速度都不可预测。常规的网络,网络拓扑结构则相对较为稳定。
1.3 组网的无中心和自组织性
在无线自组网中,网络是没有严格的控制中心的,所有节点的地位平等,是一个对等式的网络。主机通过分布式协议互相连接。每个节点都可以随时加入或者离开网络,所以任何节点的故障都不会影响到网络的运行。可以随时随地根据需要建立起网络连接,而相互间的工作既相互协同又互不影响。
1.4 网络的多跳路由和动态拓扑
当结点要与覆盖范围之外的结点进行通信时,就需要中间结点的多跳转发。这与固定网络的多跳不同,Ad hoc网络中的多跳路由是由普通网络结点完成的,而并不需要由专用的路由设备(如路由器)完成的。
Ad hoc网络是动态的网络。网络结点既可以随处移动,也可以随时的开机和关机,这些都会使网络的拓扑结构随时性的发生变化。这使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等等的方面都与普通的蜂窝式移动通信网络和固定的通信网络有着显著的区别。
1.5 有限的无线通信带宽
在Ad hoc网络中因为没有有线基础设施的支持,所以,主机之间的通信都是通过无线传输来完成的。由于无线信道本身的物理特性,它所提供的网络带宽就相对有线信道要低得多。除此之外,考虑到竞争共享的无线信道而产生的碰撞、信号衰减和噪声干扰等多种因素,移动终端可得到的实际带宽更远远小于理论中的最大带宽值。
1.6 移动终端的自主性与局限性
Ad hoc网络中的移动终端具有自主性,不同于通常的计算机网络中的移动终端,在计算机网络中,主机和路由器是两个不同的设备,分别完成了不同的功能。但正是由于这种功能的合一,给移动终端的设计带来很多的局限性,Ad hoc网络中的移动终端不仅要包含上述的两种基本的功能,向用户提供应用层程序的服务,而且还必须担当起路由表的维护和信息的转发。同时Ad hoc网络的移动终端在移动环境中工作,使硬件在实际应用中的设备条件受到一定条件的限制,比如:既要支持移动,又要便于携带,这就要求终端具有较小的体积,不可能采用较大型的能源供电设备。
1.7 网络生存周期短
Ad hoc网络主要是用于临时的通信需求,所以相对于有线网络,它的生存时间一般就比较短了。 1.8 物理安全的有限性
移动的网络通常会比固定的网络更容易遭受类似窃听、欺骗和拒绝服务等安全攻击。Ad hoc网络的特殊结构(开放网络结构、共享无线资源、严格的资源限制和高度动态的网络拓扑)决定了它只能提供相对差的安全性能,所以更容易受到主动和被动的攻击。
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。并且在现有的链路安全技术上,有些已经应用于无线网络中来减小安全攻击。但Ad hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络又具有一定的抗毁性。
2 Ad hoc网络在现代铁路中的应用
在紧急和临时场合下,比如发生了地震、水灾或是遭受了其他灾难性的打击后,固定通信网络的设施可能都无法正常的工作。这时候就需要Ad hoc网络这种既不依赖于任何固定的网络设施又能快速地布设自组织网络的技术。而铁路的沿线很多都是在边远地区,当发生灾害等紧急情况的时候,就无法依赖固定或预设的固定网络设施来进行通信。这时候,Ad hoc网络的独立组网能力和自组织特点,恰恰是这些场合的最佳选择。
3 未来发展在于和移动通信系统的结合
Ad hoc网络还可以在与蜂窝式移动通信系统相结合,利用移动台的多跳转发能力来扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围,且均衡了相邻小区的业务强度,提高小区边缘的数据率等。而在实际的应用中,Ad hoc网络除了可以单独组网来实现局部范围内的通信外,还可以作为末端子网,通过接入点来接入其他固定或移动通信网络,与Ad hoc网络以外的主机进行通信。
中国铁路因其运输生产的特点,列车运行时的移动性使得对移动通信的需求十分迫切。特别是当遇到灾害和特殊时期,这种组网方式对辅助铁路各运营部门提高运输效率、保障运输安全,起到越来越重的作用,随着铁路向现代化和信息化发展,必将对此种数据业务有着越来越迫切的需求,新兴的移动通信技术在铁路运输中也将有巨大的发展空间。
参考文献:
[1]沈尧星主编,铁路数字调度通信(修订版)[M].北京:中国铁道出版社,2006.
[2]国内数字集群技术简,http://tech.sina.com.cn/it/t2004-04-02/1102343082.shtml.
[3]蒋笑冰、卢燕飞、吴昊等编著,《现代铁路通信新技术》[M].北京:中国铁道出版社,2006.