Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)：無(wú)需要固定設(shè)施的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

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在這個(gè)iPhone、Facebook、Twitter流行的時(shí)代，我們很容易想當(dāng)然地認(rèn)為，人類已經(jīng)能夠隨時(shí)與世界各地保持聯(lián)系。其實(shí)，這都只是表面現(xiàn)象，我們實(shí)際上忽視了一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，這種隨時(shí)隨地地與外界進(jìn)行溝通和聯(lián)系是基于穩(wěn)定可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施之上的，一旦這些通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，常規(guī)的通信手段都不再可行。而往往就是在這樣的時(shí)候，保持可靠的通信顯得尤為重要。例如，今年年初海地發(fā)生地震后，衛(wèi)星電話成為當(dāng)?shù)刈钪饕耐ㄐ怕?lián)絡(luò)手段。但是，這種衛(wèi)星電話通信系統(tǒng)的可靠性是很低的，常常因?yàn)橐粋€(gè)很小的事件（如最普通、最常見的停電事故）使得該系統(tǒng)陷入癱瘓，在一個(gè)非常緊要的時(shí)刻，這個(gè)救命的衛(wèi)星電話只能是一個(gè)擺飾，該是多么令人著急。

為了應(yīng)對(duì)一些特殊的需求，即為了保證在緊急、常規(guī)的通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞的情況下保持與外界或者周圍其他人的聯(lián)系，人們開發(fā)出了一個(gè)名為“Ad-hoc”的網(wǎng)絡(luò)，也稱無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。這是一種自組織的、無(wú)中心的多跳網(wǎng)絡(luò)，它由一些經(jīng)過編程的手機(jī)或者其他與之有聯(lián)系的通信設(shè)備構(gòu)成，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都同時(shí)有多種身份，既是發(fā)射器也是接收器，更為關(guān)鍵的是，每個(gè)設(shè)備還會(huì)充作其他設(shè)備的中繼，幫助其他設(shè)備傳遞信息。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，即使兩個(gè)設(shè)備不能直接通信，也可以通過其他與之相鄰的設(shè)備的中繼作用而實(shí)現(xiàn)通信，就像小朋友站成一排，把一桶水從隊(duì)首傳到隊(duì)尾一樣。換句話說，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)對(duì)自己而言是一個(gè)消息的發(fā)送和接收器，而對(duì)其他設(shè)備而言又是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施幫助傳遞信息。

救災(zāi)只是Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)最典型的應(yīng)用場(chǎng)景。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)可用于任何來不及部署固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施，或者部署這樣的基礎(chǔ)設(shè)施非常困難，或者部署成本非常高昂等場(chǎng)合。目前，軍事領(lǐng)域已投入大量資金用于研究如何把它用于戰(zhàn)場(chǎng)的通信。除了軍事領(lǐng)域以外，Ad -hoc網(wǎng)絡(luò)也可以給我們的家庭生活帶來方便。Ad -hoc網(wǎng)絡(luò)讓家中的各種設(shè)備能夠自動(dòng)彼此發(fā)現(xiàn)自己并相互通信，而無(wú)需在這些設(shè)備之間連上各種線纜。在偏遠(yuǎn)的農(nóng)村和低收入居民區(qū)，如果沒有部署寬帶，也可以通過Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)連到互聯(lián)網(wǎng)。而那些研究森林微環(huán)境和海洋海底環(huán)流的科學(xué)家也可以放心地在所研究的環(huán)境中部署各種傳感器，再也不用擔(dān)心這些傳感器的信息不能傳到自己的筆記本電腦上。

嚴(yán)格說來，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)并不是一個(gè)新事物，這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)誕生已超過三十年，但只是在過去幾年里，這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才逐漸得到完善，并且有了第一個(gè)大規(guī)模部署的實(shí)際案例：美國(guó)的初創(chuàng)公司梅拉基網(wǎng)絡(luò)（MerAki Networks）在舊金山啟動(dòng)了一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)接入項(xiàng)目，通過Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓舊金山40萬(wàn)居民訪問互聯(lián)網(wǎng)。這個(gè)項(xiàng)目讓支持藍(lán)牙的手機(jī)、筆記本電腦都能使用Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信，而無(wú)需布線或?qū)ｉT進(jìn)行配置。

今天，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署在眾多偏遠(yuǎn)的或者不適合人類居住的惡劣環(huán)境中，用于從低功率無(wú)線傳感器收集各種科研數(shù)據(jù)。不過，要讓這種網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模普及還有許多技術(shù)難點(diǎn)要突破，好在研究人員正在加緊研究，并且已經(jīng)在一些關(guān)鍵技術(shù)上有了突破。

無(wú)需固定的基礎(chǔ)設(shè)施

從已經(jīng)部署的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量上來說，Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)仍然很少。要了解為什么Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展緩慢，需要比較一下Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)與其他一些無(wú)線技術(shù)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi）在技術(shù)上的區(qū)別。

當(dāng)您使用一個(gè)普通的移動(dòng)電話給朋友打電話時(shí)，其實(shí)只有這個(gè)電話和離這個(gè)電話最近的基站之間的傳輸是無(wú)線的。該基站地理位置上是固定的，信號(hào)由這個(gè)基站接收后進(jìn)入有線網(wǎng)絡(luò)，在巨大的電信網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過多次傳遞，最后到達(dá)離目標(biāo)手機(jī)最近的基站通過無(wú)線發(fā)射出來。像Wi-Fi這樣無(wú)線本地網(wǎng)絡(luò)其實(shí)依賴的同樣也是固定的有線天線和有線通信設(shè)備來實(shí)現(xiàn)通信的。

依賴固定通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。通信需要電力，典型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備依靠電池供電（如手機(jī)和筆記本電腦），因此會(huì)盡可能地把工作留給了與電網(wǎng)相連的固定通信設(shè)備。同樣，無(wú)線帶寬是固定的、有限的資源。傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)為了節(jié)省帶寬，會(huì)盡可能地把通信信號(hào)通過有線來傳送。利用固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施，我們可以在那些通信需求非常大的地方，建設(shè)大型的、大多數(shù)情況下也是可靠的電話和Wi-Fi通信系統(tǒng)。

然而，正是因?yàn)樾枰潭ǖ幕A(chǔ)設(shè)施，使得這些網(wǎng)絡(luò)很脆弱，比如一旦停電或者核心設(shè)備壞掉都會(huì)讓整個(gè)通信系統(tǒng)停止工作，即使個(gè)人設(shè)備（如手機(jī)和筆記本電腦）都完好無(wú)損也沒有辦法實(shí)現(xiàn)通信。而Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)則沒有這一缺點(diǎn)，它是非常可靠的、高魯棒性的網(wǎng)絡(luò)。如果一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備電源用盡或電源關(guān)閉，其余的設(shè)備能夠自動(dòng)修改網(wǎng)絡(luò)配置、實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，換句話說，其他設(shè)備會(huì)替代這臺(tái)設(shè)備的工作，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)得以繼續(xù)工作。隨著移動(dòng)設(shè)備的加入和退出，Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整和修復(fù)，這正是這種網(wǎng)絡(luò)的一大特點(diǎn)。

當(dāng)然，這種自我修復(fù)能力是有代價(jià)的。在Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)中，需要用一種非常聰明的方法來發(fā)送消息，以確保即使發(fā)送者和接收者之間的連接在發(fā)送過程中中斷，消息也可以重組起來。該系統(tǒng)必須選擇一種最佳的方式接收消息并把它送達(dá)指定的設(shè)備，可能發(fā)送的設(shè)備根本就不知道接收消息的設(shè)備究竟在哪里。最后，網(wǎng)絡(luò)還必須處理由于很多設(shè)備在幾乎相同的時(shí)刻傳輸信息而帶來的相互干擾問題。

解決路由難題

Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)是如何有效地路由消息。由于一些原因這其實(shí)是很難解決問題。在傳統(tǒng)的手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)或其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，基于通信系統(tǒng)核心的是有線的基礎(chǔ)設(shè)施，它對(duì)每個(gè)設(shè)備的位置進(jìn)行跟蹤和記錄，它接收用戶的消息在需要時(shí)把這個(gè)用戶的消息直接發(fā)送給接收者。

而在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，通信設(shè)備必須自己決定采用一條什么樣的路徑傳遞消息。個(gè)人設(shè)備通常計(jì)算能力、內(nèi)存和通信能力都很有限，所以不可能讓某個(gè)個(gè)體設(shè)備來收集或處理所有的網(wǎng)絡(luò)信息——相當(dāng)于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的核心路由器。

可以用下面的例子來說明：比如，您在某個(gè)大城市的城市（如北京），你需要聯(lián)絡(luò)你的朋友，你并不知道他在哪里。假設(shè)通信設(shè)施是安裝在出租車的頂部。每個(gè)接收器的接收范圍只有1公里（與通信速度相比出租車的行駛速度幾乎可以忽略）。為了把你的信息傳給你朋友，出租車之間必須合作。當(dāng)你乘坐的出租車經(jīng)過擁擠的城市，相鄰出租車上的接收器會(huì)收到你的出租車發(fā)出的信息，這些出租車隨后又會(huì)把這個(gè)信息傳給下一個(gè)。這個(gè)過程一直持續(xù)下去直到你的朋友接收到你的信息。

即使在一個(gè)小型的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送一條小消息也是非常困難的，這種困難程度還會(huì)隨著傳輸?shù)南?shù)量以及接入的設(shè)備數(shù)量的增加而增長(zhǎng)。而要讓Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)真正可用，就必須保證它能有效地工作，而且無(wú)論網(wǎng)絡(luò)的大小。

人們提出了許多辦法來解決這個(gè)問題。其中，最核心的是辦法是“問路”。一個(gè)接收器會(huì)詢問與它連接的設(shè)備（即鄰居），看看哪些設(shè)備連接到這個(gè)鄰居，依此類推，直至你的朋友收到你的消息。你朋友的回答可以沿著相同的路徑返回，也可以再尋找一條不同的路徑。在這種方式中，每一個(gè)中間設(shè)備都創(chuàng)建了一個(gè)你和朋友之間可用路徑的列表。由于存在這張表，這樣即使你的設(shè)備并不知道你朋友的位置仍然可把消息送達(dá)你朋友。由于網(wǎng)絡(luò)處于不斷變化之中，所以網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須不斷重復(fù)“請(qǐng)求-響應(yīng)”這一過程，從而確?？捎寐窂娇偸亲钚碌?。

在可靠與節(jié)省帶寬之間平衡

在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)消息可能同時(shí)通過幾個(gè)不同的路徑傳輸，這是必要的，可以提高消息到達(dá)目的的可靠性。而問題是如何確定這種冗余度。一種極端的情況是，消息被同時(shí)發(fā)送到所有可用的路徑上。這一方法增加了該消息到達(dá)目的的機(jī)會(huì)，但也可能很快讓網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)，使得網(wǎng)絡(luò)擁堵而最終完全不可用；而另一個(gè)極端的情況是，把消息分割成為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊單獨(dú)發(fā)送。這種方式節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源，但可能有些數(shù)據(jù)塊會(huì)在傳輸過程中丟失，從而使得最后收到的信息不完整。

一種名為“網(wǎng)絡(luò)編碼”的技術(shù)采取了中間路線。它先把消息分解成多個(gè)數(shù)據(jù)塊，同時(shí)提取出這些數(shù)據(jù)塊的相關(guān)信息，然后把這些數(shù)據(jù)塊和相關(guān)信息（即元數(shù)據(jù)信息）通過多條路徑發(fā)送出去。這些元數(shù)據(jù)的作用是保證即使其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)塊在傳輸過程丟失，最后仍然可以根據(jù)元數(shù)據(jù)提供的信息重現(xiàn)原來的消息。

網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)中的一個(gè)核心問題是決定同時(shí)在多少路徑上發(fā)送消息。增加路徑數(shù)會(huì)增加參與每次通信的設(shè)備數(shù)量，進(jìn)而降低了某條路徑傳輸失敗可能帶來的影響。這種選擇讓更多的設(shè)備參與到每次通信活動(dòng)中，減少了每個(gè)設(shè)備的工作量從而節(jié)省了電力，但同時(shí)也加大了協(xié)調(diào)的工作量和工作難度。隨著網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備越來越多，如果每次通信中涉及的設(shè)備數(shù)量增加或者支持的通信數(shù)量增加，通信被干擾的機(jī)會(huì)也增大了。正如很多人同時(shí)發(fā)言時(shí)我們誰(shuí)的話也聽不清楚一樣。如果相鄰設(shè)備也在發(fā)送信息，無(wú)線設(shè)備也很難恢復(fù)正在傳輸?shù)男畔?。這些問題在Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中尤其麻煩，因?yàn)樵谶@個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，沒有一個(gè)統(tǒng)一的中央控制器對(duì)各個(gè)參與通信的設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)。

一般來說，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)付這種通信的干擾有兩種方式。第一方式是要避免沖突。如果數(shù)據(jù)傳輸并不頻繁，那么消息之間互相干擾的可能性就很小。在這種方法中，每個(gè)設(shè)備會(huì)將消息切分成很小的片段，并以很短的時(shí)間間隔發(fā)送出去。由于沒有經(jīng)過協(xié)調(diào)的相鄰設(shè)備不太可能在同一時(shí)間傳送數(shù)據(jù)，與采用穩(wěn)定但較慢的頻率傳輸數(shù)據(jù)相比，這種方法帶來的干擾會(huì)少一些。最常見的面向個(gè)人電腦的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中采用的正是這種突發(fā)性傳輸數(shù)據(jù)的方法。

第二個(gè)方法允許兩個(gè)發(fā)射器同時(shí)將信息發(fā)送到同一個(gè)接收器，但要求其中一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)的速度更快。其原理類似于，盡管旁邊也有人在竊竊私語(yǔ)，但你說話的聲音更高，這樣別人還是能夠聽清楚你在說什么。如果把這個(gè)過程記錄下來，再把傳輸速度快的這個(gè)消息剔除，還可以把傳輸慢的那個(gè)消息恢復(fù)回來。

對(duì)于只有兩個(gè)設(shè)備發(fā)送消息而第三個(gè)設(shè)備接收消息的情況，第二種方法比較合適，一旦同時(shí)發(fā)送消息的設(shè)備增加，很快就會(huì)出現(xiàn)問題。此時(shí)，系統(tǒng)必須以某種方式協(xié)調(diào)，以決定誰(shuí)應(yīng)該高速傳遞消息誰(shuí)又應(yīng)該以較低的速率傳送。協(xié)調(diào)過程本身也需要通信，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)越是依靠協(xié)調(diào)，你可用于通信的帶寬就越少。尋找最佳的數(shù)據(jù)傳輸策略仍是一個(gè)正在進(jìn)行的研究課題。

難于準(zhǔn)確測(cè)算性能

雖然Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)在很多場(chǎng)合得到了很廣泛的應(yīng)用，不過卻很難準(zhǔn)確地說清楚它們到底有多大作用。由于要對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算非常困難，因此一些看似很簡(jiǎn)單的問題對(duì)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)來說卻很難回答，比如這種網(wǎng)絡(luò)的性能到底如何，它到底能以多大速率傳輸數(shù)據(jù)？在這種傳輸速率之下需要多少設(shè)備參與以及可能會(huì)發(fā)生多少次的干擾？一旦網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都退出了怎么辦？如何在保持信息以較高速率傳輸、減少數(shù)據(jù)參與延遲以保證系統(tǒng)具有較高魯棒性之間取得最佳平衡？

然而，獲取Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的這些基本性能數(shù)據(jù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者和使用者而言都是非常重要的。利用這些數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者可以考慮是否可以把一些最新的技術(shù)引入到這種網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)也助于研究人員確定如何將該網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值最大化。此外，掌握了這些信息還可以讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者能夠在數(shù)據(jù)傳輸率、延遲和丟包率等無(wú)法同時(shí)滿足需求時(shí)做出最佳決策。例如，電話和電話會(huì)議對(duì)延誤是非常敏感的。過大延誤或不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)包傳輸率可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)中斷，或者傳輸音視頻信息時(shí)斷斷續(xù)續(xù)，從而使得對(duì)話難以順利進(jìn)行。一旦設(shè)計(jì)者明白了該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能，他們就可以根據(jù)自己的具體需要對(duì)程序進(jìn)行專門優(yōu)化，比如如果是打電話就要優(yōu)先考慮低延遲，而發(fā)送重要文檔就要保證低的數(shù)據(jù)包丟包率。

要準(zhǔn)確把握Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的性能是非常困難的，因?yàn)檫@種網(wǎng)絡(luò)處在不斷變化中。同時(shí)，了解網(wǎng)絡(luò)的各種性能數(shù)據(jù)，你不能只關(guān)心它眼前的性能，你還必須知道網(wǎng)絡(luò)在每一種可能的配置情況下的性能。

幸運(yùn)的是，研究人員已經(jīng)找到解決這一難題的辦法。他們把無(wú)線的Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)映射到我們更為了解、也更為常見的有線網(wǎng)絡(luò)上，然后利用我們熟知的有線網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)來研究Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)有了60多年的歷史，科學(xué)家們對(duì)信息如何在有線網(wǎng)絡(luò)中傳遞已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也研究出了眾多測(cè)量工具。

一般說來，有線網(wǎng)絡(luò)沒有干擾的問題，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置也不變化。我們?cè)谘芯磕硞€(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，如果把它模擬成為一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)，可以掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一些主要的行為特征。然后，我們利用這些知識(shí)去全面研究和掌握Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。這一過程可以幫助搭建一個(gè)更好的Ad-hoc網(wǎng)，因?yàn)槲覀冎烂總€(gè)選擇可能給性能帶來的影響。同時(shí)，它還讓我們可以知道現(xiàn)行做法中那些是好的，那些還有改善的余地。

然而，即使有了這些工具，我們也并不能全面了解Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)，更不能指望取代現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)。只是在一些特殊情況下，Ad - hoc網(wǎng)絡(luò)才會(huì)成為必不可少的或者說最佳的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而此時(shí)，上述工具讓我們可以充分地了解這個(gè)網(wǎng)絡(luò)到底能起到多大作用、到底能否滿足我們的需求。