自組織網絡（Ad hoc）
自組織網絡(Ad Hoc)是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡，是移動計算機網絡的一種，用戶終端可以在網內隨意移動而保持通信。作為一種多跳的臨時性自治系統，在軍事、民用、商用等許多重要領域都具有獨特優勢，隨着移動技術的不斷發展和人們日益增長的自由通信需求，Ad Hoc網絡會受到更多的關注，得到更快速的發展和普及。
現將收集的有關Ad Hoc基礎知識及信息整理如下：
自組織網絡(Ad Hoc)
（一）概述
移動自組織(Ad Hoc)網絡是一種多跳的臨時性自治系統，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網絡和之后於1973提出的PR(Packet Radio)網絡。IEEE在開發802.11標准時，提出將PR網絡改名為Ad Hoc網絡，也即今天我們常說的移動自組織網絡。
移動自組織網絡。一方面，網絡信息交換采用了計算機網絡中的分組機制，而不是電話交換網中的電路交換機制;另一方面，用戶終端是可以移動的便攜式終端，如筆記本、手機等，用戶可以隨時處於移動或者靜止狀態。無線自組網中的每個用戶終端都兼有路由器和主機兩種功能。作為主機，終端可以運行各種面向用戶的應用程序;作為路由器，終端需要運行相應的路由協議，這種分布式控制和無中心的網絡結構能夠在部分通信網絡遭到破壞后維持剩余的通信能力，具有很強的魯棒性和抗毀性。
作為一種分布式網絡，移動自組織網絡是一種自治、多跳網絡，整個網絡沒有固定的基礎設施，能夠在不能利用或者不便利用現有網絡基礎設施(如基站、AP)的情況下，提供終端之間的相互通信。由於終端的發射功率和無線覆蓋范圍有限，因此距離較遠的兩個終端如果要進行通信就必須借助於其它節點進行分組轉發，這樣節點之間構成了一種無線多跳網絡。
網絡中的移動終端具有路由和分組轉發功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲。移動自組織網絡既可以作為單獨的網絡獨立工作，也可以以末端子網的形式接入現有網絡，如Internet網絡和蜂窩網。
注：網絡拓撲(Network Topology)結構是指用傳輸介質互連各種設備的物理布局。指構成網絡的成員間特定的物理的即真實的、或者邏輯的即虛擬的排列方式。如果兩個網絡的連接結構相同我們就說它們的網絡拓撲相同，盡管它們各自內部的物理接線、節點間距離可能會有不同（總線拓撲、星型拓撲、環形拓撲、樹形拓撲，網絡拓撲）。
（二）特點
移動自組織網絡能夠利用移動終端的路由轉發功能，在無基礎設施的情況下進行通信，從而彌補了無網絡通信基礎設施可使用的缺陷。自組網技術為計算機支持的協同工作系統提供了一種解決途徑，主要特點有：
·網絡拓撲結構動態變化
在移動自組織網絡中，由於用戶終端的隨機移動、節點的隨時開機和關機、無線發信裝置發送功率的變化、無線信道間的相互干擾以及地形等綜合因素的影響，移動終端間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時可能發生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。
·自組織無中心網絡
移動自組織網絡沒有嚴格的控制中心，所有節點的地位是平等的，是一種對等式網絡。節點能夠隨時加入和離開網絡，任何節點的故障都不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。
·多跳網絡
由於移動終端的發射功率和覆蓋范圍有限，當終端要與覆蓋范圍之外的終端進行通信時，需要利用中間節點進行轉發。值得注意的是，與一般網絡中的多跳不同，無線自組網中的多跳路由是由普通節點共同協作完成的，而不是由專門的路由設備完成的。
·無線傳輸帶寬有限
無線信道本身的物理特性決定了移動自組織網絡的帶寬比有線信道要低很多，而競爭共享無線信道產生的碰撞、信號衰減、噪音干擾及信道干擾等因素使得移動終端的實際帶寬遠遠小於理論值。
·移動終端的局限性
自組織網絡中的移動終端(如筆記本電腦、手機等)具有靈巧、輕便、移動性好等優點，但同時其電源有限、內存小、CPU性能低等限制，使得我們在開發應用程序時，需要考慮這些因素。
·生存周期
Ad Hoc網絡主要用於臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比較短。
（三）網絡路由協議
Ad hoc網絡中，由於通信半徑的限制，網絡節點之間是通過多跳數據轉發機制進行數據交互的，需要路由協議完成分組轉發決策。與傳統路由協議相比，Ad hoc路由協議的設計面臨着網絡拓撲動態變化、帶寬受限、信道容量變化、移動終端有限的可用資源等新的問題和挑戰。
早在1996年，因特網工程任務組(IETF)就成立了移動Ad hoc網絡工作小組(MANET WG)，其核心任務就是研究無線自組織網絡環境下基於IP協議的路由協議規范和接口設計。IETF RFC2501詳細給出了無線Ad hoc網絡的應用場合、特征和性能要求。目前，MANET WG已經公布了一系列的有關Ad hoc路由的草案，如動態源路由算法(DSR)、基於反向路徑轉發的拓撲分發協議(TBRPF)、優化鏈路狀態路由算法(OLSR)、按需距離矢量路由算法(AODV)、臨時按序路由算法(TORA)、區域路由算法(ZRP)；此外，研究還提出了許多Ad hoc路由協議，如目的序列距離矢量路由算法(DSDV)、無線路由協議(WRP)、陸標路由協議(LANMAR)、位置輔助路由(LAR)、魚眼狀態路由算法(FSR)。
這些路由協議根據所采用的基本路由機制的不同，可分為基於鏈路狀態的路由協議、基於距離矢量的路由協議、源路由協議及反向鏈路協議；按照網絡邏輯結構的不同，可分為平面結構的路由協議和分層結構的路由協議；按照路由發現策略的不同，可分為表驅動路由協議、按需路由協議以及混合路由協議。
（四）網絡中的路由技術
Ad hoc網絡規模性的研究可以廣義地定義為：研究當網絡中有大量節點存在時，網絡能否為分組提供可以接受的服務，它與網絡大小、節點分布的密度、運行的環境(傳播模型、地型環境等)及移動性相關。
對於中小規模(通常為幾十個節點)Ad hoc網絡路由協議的研究已取得了重要進展，而大規模Ad hoc網絡的路由技術是Ad hoc網絡研究的一個難點，它是指可以支持數百到數千個網絡節點的路由算法。國際上早期的一些初步研究結果，如Santivanez等人提出的基於鏈路狀態法的模糊鏈路狀態(FSLS)算法，研究了節點數為100～400時的部分性能；Woo和Singh提出了一個基於位置修正的SLURP算法，研究了節點數為50～1000時的算法性能；Jinying Li等提出了基於區域的網格(Grid)系統，研究了100～600個節點時的算法性能；RahulJain等人提出了基於地理位置的路由算法，研究10～1000個節點的算法性能。
現有的路由協議或者利用全網泛洪(Globalflooding)或者利用分層的方法完成路由的發現。但是，前者由於開銷太大並不適合大規模的網絡；后者在分層的過程中需要交互大量信息，而且可能由於節點的移動造成性能的急劇惡化。為了克服這些缺陷Nitin Nahata等人提出了一種基於連接(Contact)點的適用於大規模Ad hoc網絡的高效的路由發現策略。它基於“小世界(Small world)”的概念，采用了一種混合的方式：在節點的R跳(通常是3～5跳)范圍內采用先驗式的路由算法，如DSDV，而在R跳以外通過Contact點進行反應式的路由發現。Contact點是一些捷徑點，它通過減小分割度來把網絡划分成為一些“小世界”。
（五）基於新物理層技術的Ad Hoc
為了滿足人們日益增長的通信需求，能夠提供更大帶寬的物理層傳輸技術層出不窮，如認知無線電技術、協同通信技術以及多輸入多輸出(MIMO)天線技術等。它們的出現為Ad hoc網絡路由技術的進一步發展帶來新的契機。
·基於認知無線電的路由協議
眾所周知，頻譜資源十分有限，一些非授權頻段占用擁擠，而那些授權頻段卻經常空閑，因此，可以考慮在授權用戶不用自己的頻率資源時，讓一些非授權用戶去暫時性地有效利用該空閑頻譜，認知無線電就是基於這種想法提出來的一種更智能的頻譜共享技術，它可以感知無線通信環境，依據一定的學習和決策算法，動態地檢測和有效地利用空閑頻譜，大大降低了頻譜和帶寬對無線技術發展的束縛。它要求非授權用戶和授權用戶在對頻譜資源利用時達到一個平衡，使得非授權用戶能在不影響授權用戶的前提下進行一些自己的通信。
認知無線電技術的特點使得節點間的鏈路可能經常發生變化，因此，這樣的路由協議首先應該是魯棒的(Robustness)，這種魯棒性是基於多路徑分析的。多一條備選的路由可以大大降低一條路徑失效對網絡造成的影響，使得網絡具備魯棒性。此外，這樣的路由協議還應滿足3點要求：
(1)路由協議應該是先驗式的
如果采用了反應式的路由協議，更新路由表太浪費時間，分組若要以最小的時延傳輸就需要采用先驗式的路由算法。但是，先驗式路由協議會引入更多的控制分組數，而且路由信息的不斷更新反而會縮短節點能量的持續時間。
(2)路由協議應該是基於鏈路狀態的
由於物理層的參數經常變化，節點的移動性及傳輸半徑也可能改變，節點的認知能力也有所差異，因此，節點間的鏈路可以通過計算鏈路的可靠性來進行選擇。
(3)路由協議應該是分級的
分級的路由協議支持不同的移動組。目前認知無線電環境下，以信道的切換次數以及信道的切換頻率為衡量標准，已經有基於控制信道的路由算法以及基於空時分組碼的路由算法。
·基於協同通信的路由協議
協同通信利用節點間的相互協作進行數據通信。它充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網絡中的節點相互協作形成了虛擬的天線陣列來獲得傳統多輸入多輸出天線技術的空間分集增益，當前協同通信的主要方式有：編碼協同，放大中繼，解碼中繼等方式。相對於其他協同方式，編碼協同方式將協同通信技術和信道編碼技術相結合，在不消耗更多系統資源(帶寬等)的前提下獲得完全的分集增益。
目前，基於協同技術的路由可大致分為兩類，分別是基於能量的路由策略和基於帶寬的路由策略。基於能量的路由策略主要針對單個源和目的節點的應用環境，在保證源節點發射信號在接收節點處能達到接收信噪比門限的基礎上，通過為協同節點最優化地分配功率，從而達到降低網絡總能量開銷的目的。基於帶寬的路由策略主要是通過引入協同通信技術，以最大化源節點到目的節點間路徑的帶寬為目標完成路由決策。協同技術在該種路由機制中主要有兩種應用方式。一種是在選擇好一條源到目的節點路由的基礎上，通過在每一跳節點間根據對帶寬的改善程度有選擇地進行協同，達到提升路由傳輸能力的目的。這種方式可稱為基於協同的路由。另一種方式是在路由選擇的同時就考慮到協同技術對每跳傳輸帶寬的影響，從而決定每跳傳輸是否采用協同通信技術，並選擇該情況下帶寬最大的路由進行數據傳輸。該方式稱為動態協同路由。
·基於MIMO的路由協議
MIMO系統利用空分復用和分集，在不增加額外功率和帶寬的前提下提供高的頻譜利用率，作為智能天線技術中一個最復雜的技術，MIMO鏈路現在被普遍應用，並且已經進入了無線局域網(WLAN)、WiMAX及Ad hoc領域，與其相關的路由技術也是現在研究的一個熱點問題。
目前基於MIMO的適應於無線自組織網絡的路由協議並不多見。K.Sundaresan等人在2005年的IEEE 的國際會議(ICNP)上，發表了論文《Routing in Ad-Hoc Networks with MIMO Links》。該文給出了一種適應於MIMO信道條件的自適應路由協議。該協議通過利用MIMO系統兩種不同的工作模式：空間復用和空間分集來實現路由的自適應選擇。在空間復用模式中，節點通過每個天線發射不同的數據流，能夠獲得復用增益，提高鏈路以及整個路由的傳輸容量。在空間分集模式中，節點在每根天線上發送相同的數據流，以獲得分集增益。這種分集技術能夠有效地提高通信系統的抗干擾能力，降低系統傳輸的誤比特率，提高鏈路及路由傳輸的可靠性，能夠滿足無線信道條件較差環境的應用要求。
（六）對比
·蜂窩系統
蜂窩系統是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統。在蜂窩系統中，覆蓋區域一般被划分為類似蜂窩的多個小區。每個小區內設置固定的基站，為用戶提供接入和信息轉發服務。移動用戶之間以及移動用戶和非移動用戶之間的通信均需通過基站進行。基站則一般通過有線線路連接到主要由交換機構成的骨干交換網絡。蜂窩系統是一種有連接網絡，一旦一個信道被分配給某個用戶，通常此信道可一直被此用戶使用。蜂窩系統一般用於語音通信。
·集群系統
集群系統與蜂窩系統類似，也是一種有連接的網絡，一般屬於專用網絡，規模不大，主要為移動用戶提供語音通信。
·通信系統
衛星通信系統的通信范圍最廣，可以為全球每個角落的用戶提供通信服務。在此系統中，衛星起着與基站類似的功能。衛星通信系統按衛星所處位置可分為靜止軌道、中軌道和低軌道3種。衛星通信系統存在成本高、傳輸延時大、傳輸帶寬有限等不足。
上述移動通信系統都需要有線網絡通信基礎設施的支持，如基站、交換機、衛星等。這些設施的建立和運轉需要大量的人力和物力，因此成本比較高，同時建設的周期也長。Ad Hoc網絡不需要基站的支持，由主機自己組網，因此，網絡建立的成本低，同時時間短，一般只要幾秒鍾或幾分鍾。上述通信系統中，移動終端之間並不直接通信，並且移動終端只具備收發功能，不具備轉發功能。而Ad Hoc網絡由移動主機構成，移動主機之間可以直接通信，而移動主機不僅收發數據，同時還轉發數據。此外移動通信系統主要為用戶提供語音通信功能，通常采用電路交換，拓撲結構比較穩定。而Ad Hoc網絡使用分組轉發技術，主要為用戶提供數據通信服務，拓撲結構易於變化。
（七）網絡結合
實現移動和全IP是當今網絡發展的兩大趨勢。隨着手機使用的日益廣泛和人們對移動所能提供的信息要求越來越高，人們更加希望能隨時隨地接入互聯網。
對於AdHoc網絡，網絡是隨時生成而且具有易構性，不需要事先存在的網絡來支持，因此，應用很廣泛也很簡單。但是這種網絡有很強的獨立性，它可以單獨存在，它的特性和它所使用的主動的、按需驅動的路由協議都令它難以與互聯網通信，達到交互信息的目的。為了達到Ad Hoc網絡中的移動主機可以在不同的Ad Hoc網絡間移動和隨時接入互聯網，我們利用移動IP協議可在不同網絡中漫游的特性，結合移動IP和Ad Hoc網絡，即MIPMANET，提供一種將Ad Hoc網絡使用按需驅動的路由機制，移動IP提供代理地址和反向隧道的Ad Hoc網絡接入互聯網的解決方案。
（八）問題
Ad Hoc網絡的特性決定了管理上比有線網絡復雜許多，因為網絡拓撲的動態變化，要求網絡管理也是動態自動配置。而且要考慮到移動節點本身的限制，例如能源有限、鏈路狀態變化和有限的存儲能力等，因此，要將管理協議給整個網絡帶來的負荷考慮在內。最后還要考慮到網絡管理對不同環境的適用性等。
具體AdHoc網絡管理需要解決的問題為以下幾方面：
1）網絡管理協議的一個重要任務是使網管知道網絡的拓撲結構。在有線網絡中，由於網絡變化不頻繁，所以這點容易做到。但在移動網絡中，節點的移動導致拓撲結構變化太頻繁，網管需定期收集節點的連接信息，這無疑會加大網絡的負荷。
2） 大多數節點使用電池供電，所以要保證網絡管理的負荷限制在最小值以節省能源。要盡量減少收發和處理的節點數，但這是與需要拓撲結構的定期更新相矛盾的。
3） 能源的有限性和節點的移動性導致節點隨時可能與網絡分離，這要求網絡管理協議能夠及時覺察節點的離開和加入，而更新拓撲結構。
4） 無線環境下信號質量變化大。信號的衰退和擁塞都會使網管誤認為節點已離開，因此，網管必須能夠區分是由於節點移動還是由於鏈路質量的原因導致連接中斷。網管必須詢問物理層，但這樣會違反OSI的層次管理結構。
5）Ad Hoc網絡通常應用於軍事，因此，要防止竊聽、破壞和侵入。所以網管需要結合加密和認證過程。
由上可見Ad Hoc網絡的網絡管理是與傳統網絡不同的，要解決的問題包括如何有效地收集網絡的拓撲信息，如何處理動態的網絡配置和安全保密問題。
（九）應用領域
Ad Hoc網絡的應用范圍很廣，總體上來說，它可以用於以下場合：
1）沒有有線通信設施的地方，如沒有建立硬件通信設施或有線通信設施遭受破壞。
2）需要分布式特性的網絡通信環境。
3）現有有線通信設施不足，需要臨時快速建立一個網絡通信的環境。
4）作為生存性較強的后備網絡。
·軍事通信
在現代化的戰場上，由於沒有基站等基礎設施可以利用，裝備了移動通信裝置的軍事人員、軍事車輛以及各種軍事設備之間可以借助移動自組織網絡進行信息交換，以保持密切聯系，協同完成作戰任務;裝備了音頻傳感器和攝像頭的軍事車輛和設備也可以通過移動自組織網絡，將目標區域收集到的位置和環境信息傳輸到處理節點;需要通信的艦隊戰斗群之間也可以通過移動自組織網絡建立通信，而不必依賴陸地或者衛星通信系統。移動自組網技術已成為美軍戰術互聯網的核心技術，美軍的數字電台和無線互聯網控制器等主要通信裝備都使用了移動自組網技術
·移動會議
當前，人們經常攜帶筆記本、PDA(個人數字助理)等便攜式終端參加各種會議。通過移動自組網技術，可以在不借助路由器、集線器或基站的情況下，就將各種移動終端快速組織成無線網絡，以完成提問、交流和資料的分發。
·移動網絡
移動終端一般沒有與拓撲相關的固定IP地址，所以通過傳統的移動IP協議無法為其提供連接，需要采用移動多跳方式聯網。由於采用的是平面拓撲，因而沒有地址變更的問題，從而使得這些移動終端仍然像在標准的計算機環境中一樣。
此外，在實際應用中，移動自組網除了可以單獨組網實現局部通信以外，還可以作為末端子網通過網關連接到現有的網絡基礎設施上，例如Internet或者蜂窩網。作為末端子網，只允許產生於或者目的地是自治系統內部節點的信息進出，而不准許其它信息穿越自治系統。由此可見，移動自組網可以成為各種通信網絡的一種無線接入手段。
·連接個域網絡
個域網絡(PAN)只包含與某個人密切相關的裝置，這些裝置無法與廣域網連接。藍牙技術當前一種典型的個域網技術，但是它只能實現室內近距離的通信，因此，移動自組織網絡就為建立PAN與PAN之間的多跳互連提供了可能性。
·緊急服務和災難恢復
在由於自然災害或其它各種原因導致網絡基礎設施出現故障而無法使用時，快速恢復通信是非常重要的。借助於移動自組網絡技術，能夠快速建立臨時網絡，延伸網絡基礎設施，從而減少營救時間和災難帶來的危害。
·無線傳感器網絡
無線傳感網絡是移動自組織網絡技術的一大應用領域。傳感器網絡使用無線通信技術，由於發射功率較小，只能采用多跳轉發方式進行通信。分布在各處的傳感器節點自組織成網絡，以完成各種應用任務。
（十）總結
Ad Hoc網絡是一種新穎的移動計算機網絡的類型，它既可以作為一種獨立的網絡運行，也可以作為當前具有固定設施網絡的一種補充形式。其自身的獨特性，賦予其巨大的發展前景。在Ad Hoc網絡的研究中還存在許多亟待解決的問題：設計具有節能策略、安全保障、組播功能和QoS支持等擴展特性的路由協議，以及Ad Hoc網絡的網絡管理等。今后將重點致力於Ad Hoc網絡中網絡監視、節點移動性管理、抗毀性管理和安全管理等方面的研究。
參考內容：
百度百科：http://baike.baidu.com/
Ad Hoc網絡路由技術：http://blog.csdn.net/CNnumen/article/details/5818168/