3.1 移动自组织网络概述

随着移动通信技术的迅猛发展，移动自组织网络技术作为一种重要的无线网络形式应运而生。由于具有无须基础设施支持、高度动态、支持移动通信等优点，移动自组织网络在军事、移动会议、灾难援助、智能办公环境等领域具有广泛的应用 ^[5] 。本节将介绍移动自组织网络的基本概念、特点、体系结构和关键技术。

3.1.1 移动自组织网络的基本概念

移动自组织网络（Mobile Ad-hoc Network，MANET）是不依赖于任何固定基础设施的移动节点的联合体，是一种自组织、无线、多跳、对等式、动态的移动网络。一个移动自组织网络由一组移动节点组成，不需要借助基站等已建立好的基础设施进行集中控制。各个移动节点处于移动状态，通过无线传输技术与距离为一跳的邻居节点直接进行数据通信，再由该邻居节点决定如何将数据传送到下一跳，直至目的节点为止。在移动自组织网络中，每个移动节点同时承担了主机和路由器的功能，作为主机收发上层应用业务数据的同时，也作为路由器为其他主机进行数据转发。

在移动自组织网络中，每个移动节点需要同时拥有通信装置和计算装置，能够参与移动自组织网络的信息传输和计算，如带有无线网卡的笔记本计算机、智能手机等。在移动自组织网络的数据传送中，源节点是指数据传送的起始节点，也就是所要传送的数据包得以形成的节点；目的节点是数据传送的结束节点，也就是数据传送的最终目标；中间节点是位于源节点和目的节点之间并且参与数据传送的节点。

移动节点通过相互通信，联合构成移动自组织网络，如图3-2所示，其中图3-2a为实际网络，图3-2b为根据每个节点的无线信号覆盖范围构成的逻辑拓扑图。该网络没有任何用于集中控制的固定基础设施，并且这些移动节点的位置动态变化。这些移动节点与一跳邻居节点进行数据通信，如图3-2中，标号为H的PDA与相邻的智能手机F、带有无线网卡的计算机E的距离均为一跳，因此移动节点H与这两个一跳邻居节点进行数据通信。由于节点能量和无线信号覆盖范围有限，因此移动节点很难与距离太远的节点进行数据通信。例如，图3-2中标号为H的PDA难以与智能手机B进行直接通信，只能通过节点F进行多跳通信。在这次通信中，节点H是源节点，节点B是目的节点，而节点F则相当于路径上的路由器，它为节点H和B进行数据转发。

3.1.2 移动自组织网络的特点

与互联网等固定结构网络相比，移动自组织网络具有如下特点。

1.移动性

移动自组织网络由移动节点构成，各个节点的地理位置随时可能会发生变化，节点能够以可变的速率移动。节点的不断移动可能导致网络拓扑结构的不断变化，但不应当影响整体网络的运行，这为移动自组织网络的路由技术带来了很大的挑战。

2.无线性

因为移动自组织网络具有移动性，所以各个移动节点之间必须采用无线传输方式。相比有线网络，移动自组织网络的无线信道不稳定、信道发射频率有限、容易受干扰、误码率高，为服务质量控制带来了很大挑战。由于无线信道容易受到干扰和监听，因此安全性问题成为移动自组织网络中需要重点关注的问题。

3.多跳性

移动自组织网络中节点的无线发射功率和信号覆盖范围有限，当需要与信号覆盖范围之外的其他节点进行通信时，必须借助中间节点进行多跳转发。这种多跳无线传输特性使得每个节点充当路由器，因此移动自组织网络的路由技术显得尤为重要。另外，这种多跳无线传输方式也使得移动自组织网络具有较长的延迟和较高的丢包率。

4.节点对等性

移动自组织网络是移动节点的联合体，各个移动节点同时充当主机和路由器，移动节点之间具有对等性。移动自组织网络中不存在具有管理其他节点职能的“超级”节点，也不存在专门用于路由和转发消息的路由器。

5.分布性

由于移动自组织网络具有的节点对等性，各个移动节点同时充当主机和路由器，因此，网络中的路由选择等操作所涉及的计算多采用分布式计算方式。也就是说，通过无线网络连接起来的多个节点互相共享信息，将需要较大计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些分配给多个节点进行处理。

6.自组织性

移动自组织网络不需要预先架设任何无线通信的基础设施，各个移动节点快速、自主、独立地组成网络，所有节点按照分布式算法进行协调。

7.高动态性

在移动自组织网络中，每个节点的移动性、连通状态和信号影响等因素使得移动自组织网络的拓扑结构极易动态变化。

8.能量和资源的有限性

移动自组织网络中的移动节点通常将自带电池作为能量供应源，每个移动节点中的电池容量有限，而有限的电池容量不但用于存储和处理节点本身的数据，而且需要用于接收、路由和转发来自其他节点的数据。受体积、无线通信等的限制，移动节点的存储资源、通信资源有限，移动节点的数据处理能力常常远低于通常的计算机，移动节点之间无线通信的带宽常常远低于有线网络的带宽。因此，移动自组织网络中的移动节点具有能量和资源有限性，在路由选择、安全支持、服务质量保证等方面，均需要考虑节省能量，以及减轻计算和通信负担。

3.1.3 移动自组织网络的体系结构

移动自组织网络将简化的OSI参考模型作为其体系结构，包括以下五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。由于移动自组织网络具有节点对等性，因此各个节点都具有相同的体系结构。

1.物理层

物理层主要对无线信道的传输特性作出规定。为了保证数据的高速传输，防止出现通信“瓶颈”，要求移动自组织网络的物理层能够提供高带宽、低干扰的传输，且具有高效的频谱利用率。在物理层中，超带宽（UWB）利用极窄脉冲传输数据，可以在近距离范围内提供高达500Mbit/s的数据传输速率。

2.数据链路层

数据链路层主要负责链路控制和信道接入，可以分为链路控制子层和信道接入子层。链路控制子层主要负责链路连接控制；信道接入子层（又称MAC子层）负责为链路控制子层提供快速、可靠的帧传送，并控制接入无线信道的时机。

3.网络层

网络层主要负责将消息分组沿着网络上的特定路径从源节点传送到目的节点，即路由选择和分组转发。

4.传输层

传输层主要负责在源节点和目的节点之间提供尽量可靠的、性价比合理的数据传送功能，为应用层提供服务。传统的TCP用于在不可靠的网络上提供可靠的端对端数据传输。由于TCP最初是为有线网络设计的，因此无线链路上运行的TCP存在较大缺陷，因为现有TCP认为分组丢失是由网络拥塞造成的，而在移动自组织网络中，移动产生的路由失效或无线信道高误码率，都会频繁导致分组丢失。

5.应用层

应用层主要为应用程序提供不同的服务，如电子邮件服务、文件共享服务等。移动自组织网络的应用层相关技术与互联网的应用层相关技术差别不大，不再详细讨论。

3.1.4 移动自组织网络的关键技术

移动自组织网络的上述特点，使得其数据链路层、网络层、传输层中存在很多问题需要研究，主要涉及链路控制、信道接入、路由选择算法、无线环境下的TCP技术、服务质量保证机制和安全保障机制六个方面。图3-3给出了移动自组织网络的关键技术。