摘 要： 分析了由蜂窩移動(dòng)通信提供的移動(dòng)Internet的缺陷。根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，結(jié)合移動(dòng)IP，提出了一種新的體系結(jié)構(gòu)——基于Ad Hoc的移動(dòng)Internet，并分析了該體系結(jié)構(gòu)中的Ad Hoc與Internet的互連性問題、QoS問題和網(wǎng)絡(luò)安全問題。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)Internet Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) QoS 網(wǎng)絡(luò)安全
移動(dòng)Internet是指終端用戶能夠以移動(dòng)的方式訪問Internet。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠支持移動(dòng)終端訪問Internet，但是對(duì)于電子商務(wù)、視頻電話、遠(yuǎn)程教育、多媒體信息等服務(wù)還不能夠很好地支持。因?yàn)檫@些服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、安全性和帶寬提出了很高的要求。在3G的UMTS框架中，雖然進(jìn)一步提供了對(duì)Internet的有效支持，并提供了4類QoS保證機(jī)制，但它還是與Internet的特性不相適應(yīng)，主要表現(xiàn)在以下方面。
(1)體系結(jié)構(gòu)。Internet是無中心控制、分布式的網(wǎng)絡(luò)，以自由、開放的方式接入；蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是中心控制、分層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，由運(yùn)營商經(jīng)營，網(wǎng)絡(luò)的接入受到嚴(yán)格控制。
(2)數(shù)據(jù)速率。Internet提供了許多寬帶接入方式，如Ethernet能以10Mbps接入，xDSL也能以幾個(gè)Mbps接入。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，GPRS最多能提供171Kbps的數(shù)據(jù)傳輸率，未來的EDGE也只能達(dá)到384Kbps。這些都限制了多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。
(3)計(jì)費(fèi)。Internet中許多應(yīng)用和服務(wù)的價(jià)格比較低廉，很多豐富多彩的應(yīng)用和服務(wù)都是免費(fèi)的；而移動(dòng)通信中的計(jì)費(fèi)一般比較高。移動(dòng)通信計(jì)費(fèi)的另一個(gè)特點(diǎn)是按照距離來計(jì)費(fèi)，例如2個(gè)歸屬地在南京的用戶到北京后，從路由技術(shù)上來說，雖然他們可以通過北京的某個(gè)交換機(jī)通信，但他們卻要被收取額外的“漫游”費(fèi)。
用戶需要的移動(dòng)Internet不僅要有傳統(tǒng)Internet所具有的足夠大的帶寬、足夠高的數(shù)據(jù)速率、豐富多彩的應(yīng)用和服務(wù)以及自由寬松的接入，還要有很高的性價(jià)比及低廉的價(jià)格。
對(duì)此，本文提出了一種新的體系結(jié)構(gòu)，即基于Ad Hoc的移動(dòng)Internet，并對(duì)該體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討。
1 體系結(jié)構(gòu)
Ad Hoc是近些年發(fā)展起來的一種無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，不需要有線基礎(chǔ)設(shè)施的支持，具有無中心、自組織的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)終端，又具有路由功能。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，無線信號(hào)范圍之內(nèi)的2個(gè)節(jié)點(diǎn)能直接通信，否則通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的這些特性，可用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)Internet，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中路由器R連接Internet和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，終端T處于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。Ad Hoc只實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)接口層的移動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)，還必須有移動(dòng)IP的支持。移動(dòng)IP提供了對(duì)傳輸層及以上各層的透明數(shù)據(jù)傳輸。R可兼作移動(dòng)IP的外代理。與蜂窩移動(dòng)通信提供的移動(dòng)Internet相比，這種解決方案具有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1)體系結(jié)構(gòu)。符合傳統(tǒng)Internet的特點(diǎn)，無中心控制，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好。由于是從傳統(tǒng)的Internet擴(kuò)展而來，所以與Internet的銜接很好，容易繼承傳統(tǒng)Internet的優(yōu)點(diǎn)。
(2)接入靈活。終端可以自由靈活地接入Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，并通過路由器R接入Internet，也可以隨意退出網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，終端可以隨意“漫游”到其他Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。
(3)通信路由優(yōu)化。在無線信號(hào)范圍之內(nèi)的2個(gè)終端可以直接通信。這解決了上述關(guān)于南京用戶到北京后的“漫游”計(jì)費(fèi)問題。
(4)數(shù)據(jù)速率。Ad Hoc能提供接近10Mbps的數(shù)據(jù)速率。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以快速組網(wǎng)，自由接入。一個(gè)典型的例子是：校園內(nèi)的所有用戶可以組成一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶可以直接通信，而不需要運(yùn)營商的介入，因此費(fèi)用相應(yīng)較低。從數(shù)據(jù)流量來說，一位同學(xué)會(huì)有相當(dāng)大一部分通信只在本校園內(nèi)的同學(xué)和老師之間。所以，這種體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化了本地通信，這對(duì)一些本地通信量很大的用戶來說非常有利。
2 關(guān)鍵技術(shù)
為了實(shí)現(xiàn)基于Ad Hoc的移動(dòng)Internet，需要有一些關(guān)鍵技術(shù)的支持：Ad Hoc與Internet的有效連接是其中最基本的技術(shù)；為了實(shí)現(xiàn)多媒體通信的要求，還要有QoS的保證機(jī)制；由于終端可以自由靈活地接入，因此網(wǎng)絡(luò)的安全和認(rèn)證也是一個(gè)重要方面。
2.1 與Internet的連接
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)T要連接Internet時(shí)，必須先發(fā)現(xiàn)外代理R，從R中獲取轉(zhuǎn)交地址，然后將這個(gè)轉(zhuǎn)交地址告訴家代理。以后家代理就可以通過隧道將數(shù)據(jù)包傳給T。傳統(tǒng)移動(dòng)IP的方法是外代理R周期性地向整個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)廣播它的存在。這樣，Ad Hoc中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道外代理R的地址。但是，并不是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有連接Internet的需求，因此向整個(gè)Ad Hoc廣播R的地址會(huì)浪費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)資源。另一種方法是按需請(qǐng)求的方法，即只有當(dāng)T要連接Internet時(shí)才發(fā)送外代理請(qǐng)求，獲取外代理R的地址。這種方法節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)開銷，但卻增加了延遲。
一種有效的解決方法是限制外代理R在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中廣播的范圍。即將它的廣播報(bào)文的TTL值設(shè)為n（n的大小根據(jù)Ad Hoc中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量而定）。這樣，只有在R的n跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才能收到R的廣播報(bào)文。當(dāng)n跳外的節(jié)點(diǎn)T要連接Internet時(shí)，則通過代理機(jī)制來獲取R的地址，即發(fā)送一個(gè)TTL值為1的代理請(qǐng)求報(bào)文，詢問外代理R的地址，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。如果定時(shí)器超時(shí)后T還沒有收到來自周圍節(jié)點(diǎn)的回答，就遞增TTL的值，發(fā)送一個(gè)TTL值為2的代理請(qǐng)求報(bào)文，再次啟動(dòng)定時(shí)器……如果當(dāng)TTL的值遞增到某一值m時(shí)，T還沒有收到周圍節(jié)點(diǎn)的回答，就向整個(gè)Ad Hoc廣播它的代理請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到代理請(qǐng)求報(bào)文時(shí)，首先檢查它是否保存有外代理R的信息。如果有，則向T發(fā)送一個(gè)單播回答報(bào)文，告訴它外代理R的地址。中間節(jié)點(diǎn)可以偵聽外代理回答報(bào)文。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)目的地址不是自己的外代理回答報(bào)文時(shí)，可以提取外代理R的信息，以便需要時(shí)使用。
上面這種方法有效地結(jié)合了傳統(tǒng)移動(dòng)IP和按需請(qǐng)求的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)開銷，縮短了時(shí)延。當(dāng)然，對(duì)于如何選擇n、m的最佳值還有待進(jìn)一步的研究。
2.2 適合Ad Hoc的QoS保證機(jī)制
已經(jīng)有相當(dāng)多的協(xié)議和機(jī)制來保證QoS。但是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變，將這些機(jī)制運(yùn)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。一種有效的解決方法就是采用本地路由修補(bǔ)技術(shù)。例如，假設(shè)已經(jīng)在發(fā)送端S和接收端D之間建立了一條鏈路（S，A，B，C，E，F(xiàn)，G，D），并且已經(jīng)在A、B、C、E、F、G之間預(yù)留了資源，但是在某個(gè)時(shí)候由于某種原因，C和F之間的連接斷開了。一種可能的解決方法是S重新發(fā)起向D的連接請(qǐng)求，并進(jìn)行資源預(yù)留。顯然這種方法不是最優(yōu)的。另一種可能的方法是當(dāng)鏈路的上游節(jié)點(diǎn)檢測到鏈路斷開時(shí)，發(fā)起向接收端的路由重建工作，并重新在下游進(jìn)行資源預(yù)留，即節(jié)點(diǎn)C發(fā)起向D的路由重建和資源預(yù)留請(qǐng)求。這種方法使得在鏈路斷開處的節(jié)點(diǎn)即C之前的所有路由都不必重建。一種更優(yōu)的方法是采用本地路由修補(bǔ)技術(shù)，在鏈路斷開處的上游節(jié)點(diǎn)（即C），發(fā)送一個(gè)路由修補(bǔ)請(qǐng)求報(bào)文，尋找一條到D的路由。這條路由與先前到D的路由有最多的重合節(jié)點(diǎn)。在這個(gè)鏈路修補(bǔ)報(bào)文中包含C到D的先前的路由信息（E，F(xiàn)，G，D），并設(shè)置該報(bào)文的TTL值為某個(gè)合適的值t（如2或3）。這樣，限制了該報(bào)文到達(dá)的范圍。當(dāng)在該范圍之內(nèi)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，如K恰好與E相連時(shí)，K就向C發(fā)送路由修補(bǔ)回答報(bào)文。C收到K的回答后，就建立起同K的連接，并在K處進(jìn)行資源預(yù)留，最終本地路由修補(bǔ)的結(jié)果就是(S，A，B，C，K，E，F(xiàn)，G，D)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，降低延時(shí)。
應(yīng)當(dāng)注意到，在節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行本地路由修補(bǔ)的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)C繼續(xù)收到B傳來的數(shù)據(jù)包時(shí)，不應(yīng)該將其丟掉，而應(yīng)該將其放在緩沖器中。當(dāng)路由修補(bǔ)完后，用比正常情況下的傳輸速率r更高的速率R來傳輸，以便將緩沖器中積累的數(shù)據(jù)清空，然后再恢復(fù)到正常速率r。假設(shè)T代表路由修補(bǔ)的時(shí)間，t代表清空緩沖器的時(shí)間，則在t內(nèi)傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)為R×t，也等于r×T＋r×t，可以得到：
可以用(PCR，SCR，MBS)來刻劃一個(gè)發(fā)送端S到接收端D的流特性。其中PCR代表峰值信元速率，SCR代表持續(xù)信元速率，MBS代表最大突發(fā)長度，那么采用本地路由修補(bǔ)之后流的特性將有所變化。對(duì)于固定傳輸速率的流來說，峰值信元速率和持續(xù)信元速率分別是R和r。對(duì)于最大突發(fā)長度，由于清空緩沖器的時(shí)間是t，所以最大突發(fā)長度是r×t，則固定傳輸速率的流特性可表示為：（R，r，r×
）。
對(duì)于具有可變傳輸速率的流來說，假如原來的特性為（PCR，SCR，MBS），則采用本地路由修補(bǔ)之后，顯然，峰值信元速率是R，持續(xù)信元速率不變?nèi)詾镾CR。對(duì)于最大突發(fā)長度，由于在路由修補(bǔ)和清空緩沖器這段時(shí)間內(nèi)，流入數(shù)據(jù)速率最大不會(huì)超過PCR，因此有t×R≤t×PCR＋T×
從以上分析可以看出，R和T是2個(gè)重要參數(shù)，直接影響到QoS的性能和流特性。
2.3 網(wǎng)絡(luò)安全
網(wǎng)絡(luò)安全是該體系結(jié)構(gòu)中的又一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。由于Ad Hoc采用無線鏈路，信號(hào)容易被竊聽和干擾，所以數(shù)據(jù)的保密性和完整性是網(wǎng)絡(luò)安全需要考慮的2個(gè)重要方面。同時(shí)，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，終端可以自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的成員性管理和認(rèn)證也是一個(gè)重要的方面。
對(duì)于數(shù)據(jù)的保密性和完整性問題，需要設(shè)計(jì)安全的路由協(xié)議。目前已提出了很多路由協(xié)議，能有效適應(yīng)Ad Hoc拓?fù)涞亩嘧冃浴５?，這些路由協(xié)議很少考慮到安全問題。路由信息的泄漏和截取是Ad Hoc的薄弱點(diǎn)。例如，一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中后，它可以向網(wǎng)絡(luò)中注入一些錯(cuò)誤的路由信息，致使網(wǎng)絡(luò)路由不可達(dá)；或者修改路由信息，使自己成為所有數(shù)據(jù)包的接收者，在網(wǎng)絡(luò)中形成數(shù)據(jù)黑洞。當(dāng)前安全的路由協(xié)議仍是Ad Hoc的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
對(duì)終端的成員性管理，即身份認(rèn)證有2種。一種是全局認(rèn)證，終端要與Internet上的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，必須進(jìn)行全局認(rèn)證；另一種是本地認(rèn)證，終端只與本網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，只進(jìn)行本地認(rèn)證即可。現(xiàn)在有很多有效的加密算法和認(rèn)證機(jī)制，如數(shù)字簽名和PKI等。但是，這些方法需要做些改動(dòng)，以適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦浴Ｔ贏d Hoc網(wǎng)絡(luò)中只讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任認(rèn)證任務(wù)是非常危險(xiǎn)的。這個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為整個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的脆弱性所在。所以，一種基本的思想就是：同時(shí)讓n個(gè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)認(rèn)證任務(wù)，只要在n個(gè)節(jié)點(diǎn)(S1，S2，S3，……Sn)中有一定數(shù)目的節(jié)點(diǎn)（如t＋1個(gè)節(jié)點(diǎn)）給予終端T認(rèn)證，則T就在整個(gè)Ad Hoc網(wǎng)內(nèi)得到認(rèn)證。如果≤t個(gè)節(jié)點(diǎn)給予認(rèn)證，則認(rèn)證就沒有通過。這種思想在現(xiàn)實(shí)生活中也是十分常見的。實(shí)現(xiàn)這種思想的一種可能的方法就是將PKI中的認(rèn)證中心（CA）用于簽署認(rèn)證的私鑰k分給網(wǎng)內(nèi)n個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)i獲得k的一個(gè)部分ki，這樣就形成了私鑰k的n個(gè)分私鑰（k1，k2，k3，……kn）。當(dāng)給予終端T認(rèn)證時(shí)，n個(gè)節(jié)點(diǎn)用各自的分私鑰ki產(chǎn)生各自的分簽名。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)能收集到t＋1個(gè)分簽名，則能計(jì)算出對(duì)整網(wǎng)有效的簽名。能實(shí)現(xiàn)這種思想的一種算法叫作閾值加密算法，稱這樣的規(guī)則為（n，t＋1）配置。但是為了進(jìn)一步的安全考慮，n個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該動(dòng)態(tài)更新自己的分私鑰ki，以防止當(dāng)有多達(dá)t＋1個(gè)節(jié)點(diǎn)的分私鑰ki被泄漏時(shí)，產(chǎn)生假冒簽名。另一方面，考慮到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化，例如這n個(gè)認(rèn)證節(jié)點(diǎn)中有節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)，或者有新的節(jié)點(diǎn)加入，使得能提供認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化為n′
時(shí)，其閾值加密
3 結(jié) 論
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)正受到越來越多的重視和研究。隨著其優(yōu)越性逐漸體現(xiàn)出來，本文提出的基于Ad Hoc的移動(dòng)Internet方案也將受到越來越多的支持。本方案解決了蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的移動(dòng)Internet在體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)速率和計(jì)費(fèi)等方面存在的問題。其優(yōu)點(diǎn)在于符合人們的生活模式，優(yōu)化了本地通信。當(dāng)然有許多問題還有待研究和優(yōu)化，如路由協(xié)議的安全性，更優(yōu)化的認(rèn)證方法以及Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的IP編址等。
參考文獻(xiàn)
1 Zhou L D，Haas Z J.Securing Ad Hoc Networks.IEEE Network，1999;13(6)
2 Ratanchadani P，Kravets R.A Hybrid Approach to Internet Connectivity for Mobile Ad Hoc Networks.In：Proceedings of Wireless Communications and Networking Conference，New Orleams，LA USA，2003
3 Gupta A，Sanghi D.QoS Support in Mobile Ad Hoc Networks. In：Proceedings of IEEE International Conference on Personal Wireless Communications，Hyderabad，India，2000
4 Schefstrom D.Architecture of a Mobile Internet.In：Proceedings of the 36th Annual Hawaii International Conference on System Sciences，Hawaii，2003