Ad-hoc网络：无需要固定设施的无线移动网络

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在这个iPhone、Facebook、Twitter流行的时代，我们很容易想当然地认为，人类已经能够随时与世界各地保持联系。其实，这都只是表面现象，我们实际上忽视了一个简单的事实，这种随时随地地与外界进行沟通和联系是基于稳定可靠的通信基础设施之上的，一旦这些通信基础设施遭到破坏，常规的通信手段都不再可行。而往往就是在这样的时候，保持可靠的通信显得尤为重要。例如，今年年初海地发生地震后，卫星电话成为当地最主要的通信联络手段。但是，这种卫星电话通信系统的可靠性是很低的，常常因为一个很小的事件（如最普通、最常见的停电事故）使得该系统陷入瘫痪，在一个非常紧要的时刻，这个救命的卫星电话只能是一个摆饰，该是多么令人着急。

为了应对一些特殊的需求，即为了保证在紧急、常规的通信基础设施遭到破坏的情况下保持与外界或者周围其他人的联系，人们开发出了一个名为“Ad-hoc”的网络，也称无线移动网络。这是一种自组织的、无中心的多跳网络，它由一些经过编程的手机或者其他与之有联系的通信设备构成，其中每个网络设备都同时有多种身份，既是发射器也是接收器，更为关键的是，每个设备还会充作其他设备的中继，帮助其他设备传递信息。在这样的网络中，即使两个设备不能直接通信，也可以通过其他与之相邻的设备的中继作用而实现通信，就像小朋友站成一排，把一桶水从队首传到队尾一样。换句话说，这个网络中每个功能节点对自己而言是一个消息的发送和接收器，而对其他设备而言又是网络基础设施帮助传递信息。

救灾只是Ad-hoc网络最典型的应用场景。Ad-hoc网络可用于任何来不及部署固定的通信基础设施，或者部署这样的基础设施非常困难，或者部署成本非常高昂等场合。目前，军事领域已投入大量资金用于研究如何把它用于战场的通信。除了军事领域以外，Ad -hoc网络也可以给我们的家庭生活带来方便。Ad -hoc网络让家中的各种设备能够自动彼此发现自己并相互通信，而无需在这些设备之间连上各种线缆。在偏远的农村和低收入居民区，如果没有部署宽带，也可以通过Ad-hoc网络连到互联网。而那些研究森林微环境和海洋海底环流的科学家也可以放心地在所研究的环境中部署各种传感器，再也不用担心这些传感器的信息不能传到自己的笔记本电脑上。

严格说来，Ad-hoc网络并不是一个新事物，这种网络技术诞生已超过三十年，但只是在过去几年里，这种网络技术才逐渐得到完善，并且有了第一个大规模部署的实际案例：美国的初创公司梅拉基网络（MerAki Networks）在旧金山启动了一个互联网接入项目，通过Ad-hoc网络技术让旧金山40万居民访问互联网。这个项目让支持蓝牙的手机、笔记本电脑都能使用Ad-hoc网络网络技术实现设备之间的通信，而无需布线或专门进行配置。

今天，Ad-hoc网络已经部署在众多偏远的或者不适合人类居住的恶劣环境中，用于从低功率无线传感器收集各种科研数据。不过，要让这种网络大规模普及还有许多技术难点要突破，好在研究人员正在加紧研究，并且已经在一些关键技术上有了突破。

无需固定的基础设施

从已经部署的网络数量上来说，Ad - hoc网络仍然很少。要了解为什么Ad - hoc网络进展缓慢，需要比较一下Ad - hoc网络与其他一些无线技术（如蜂窝网络和Wi-Fi）在技术上的区别。

当您使用一个普通的移动电话给朋友打电话时，其实只有这个电话和离这个电话最近的基站之间的传输是无线的。该基站地理位置上是固定的，信号由这个基站接收后进入有线网络，在巨大的电信网络中经过多次传递，最后到达离目标手机最近的基站通过无线发射出来。像Wi-Fi这样无线本地网络其实依赖的同样也是固定的有线天线和有线通信设备来实现通信的。

依赖固定通信设备实现通信有优点也有缺点。通信需要电力，典型的无线网络设备依靠电池供电（如手机和笔记本电脑），因此会尽可能地把工作留给了与电网相连的固定通信设备。同样，无线带宽是固定的、有限的资源。传统的无线系统为了节省带宽，会尽可能地把通信信号通过有线来传送。利用固定的通信基础设施，我们可以在那些通信需求非常大的地方，建设大型的、大多数情况下也是可靠的电话和Wi-Fi通信系统。

然而，正是因为需要固定的基础设施，使得这些网络很脆弱，比如一旦停电或者核心设备坏掉都会让整个通信系统停止工作，即使个人设备（如手机和笔记本电脑）都完好无损也没有办法实现通信。而Ad - hoc网络则没有这一缺点，它是非常可靠的、高鲁棒性的网络。如果一台移动设备电源用尽或电源关闭，其余的设备能够自动修改网络配置、实现补偿，换句话说，其他设备会替代这台设备的工作，使得整个网络得以继续工作。随着移动设备的加入和退出，Ad - hoc网络能够自动进行调整和修复，这正是这种网络的一大特点。

当然，这种自我修复能力是有代价的。在Ad - hoc网络中，需要用一种非常聪明的方法来发送消息，以确保即使发送者和接收者之间的连接在发送过程中中断，消息也可以重组起来。该系统必须选择一种最佳的方式接收消息并把它送达指定的设备，可能发送的设备根本就不知道接收消息的设备究竟在哪里。最后，网络还必须处理由于很多设备在几乎相同的时刻传输信息而带来的相互干扰问题。

解决路由难题

Ad - hoc网络是一个不断变化的网络，这样的网络面临的一个很大的挑战是如何有效地路由消息。由于一些原因这其实是很难解决问题。在传统的手机通信网络或其他无线网络中，基于通信系统核心的是有线的基础设施，它对每个设备的位置进行跟踪和记录，它接收用户的消息在需要时把这个用户的消息直接发送给接收者。

而在Ad-hoc网络中，通信设备必须自己决定采用一条什么样的路径传递消息。个人设备通常计算能力、内存和通信能力都很有限，所以不可能让某个个体设备来收集或处理所有的网络信息——相当于传统的无线网络中的核心路由器。

可以用下面的例子来说明：比如，您在某个大城市的城市（如北京），你需要联络你的朋友，你并不知道他在哪里。假设通信设施是安装在出租车的顶部。每个接收器的接收范围只有1公里（与通信速度相比出租车的行驶速度几乎可以忽略）。为了把你的信息传给你朋友，出租车之间必须合作。当你乘坐的出租车经过拥挤的城市，相邻出租车上的接收器会收到你的出租车发出的信息，这些出租车随后又会把这个信息传给下一个。这个过程一直持续下去直到你的朋友接收到你的信息。

即使在一个小型的网络中发送一条小消息也是非常困难的，这种困难程度还会随着传输的消息数量以及接入的设备数量的增加而增长。而要让Ad-hoc网络技术真正可用，就必须保证它能有效地工作，而且无论网络的大小。

人们提出了许多办法来解决这个问题。其中，最核心的是办法是“问路”。一个接收器会询问与它连接的设备（即邻居），看看哪些设备连接到这个邻居，依此类推，直至你的朋友收到你的消息。你朋友的回答可以沿着相同的路径返回，也可以再寻找一条不同的路径。在这种方式中，每一个中间设备都创建了一个你和朋友之间可用路径的列表。由于存在这张表，这样即使你的设备并不知道你朋友的位置仍然可把消息送达你朋友。由于网络处于不断变化之中，所以网络中的设备必须不断重复“请求-响应”这一过程，从而确保可用路径总是最新的。

在可靠与节省带宽之间平衡

在Ad-hoc网络中，一个消息可能同时通过几个不同的路径传输，这是必要的，可以提高消息到达目的的可靠性。而问题是如何确定这种冗余度。一种极端的情况是，消息被同时发送到所有可用的路径上。这一方法增加了该消息到达目的的机会，但也可能很快让网络不堪重负，使得网络拥堵而最终完全不可用；而另一个极端的情况是，把消息分割成为一个个数据块，每个数据块单独发送。这种方式节约了网络资源，但可能有些数据块会在传输过程中丢失，从而使得最后收到的信息不完整。

一种名为“网络编码”的技术采取了中间路线。它先把消息分解成多个数据块，同时提取出这些数据块的相关信息，然后把这些数据块和相关信息（即元数据信息）通过多条路径发送出去。这些元数据的作用是保证即使其中的部分数据块在传输过程丢失，最后仍然可以根据元数据提供的信息重现原来的消息。

网络编码技术中的一个核心问题是决定同时在多少路径上发送消息。增加路径数会增加参与每次通信的设备数量，进而降低了某条路径传输失败可能带来的影响。这种选择让更多的设备参与到每次通信活动中，减少了每个设备的工作量从而节省了电力，但同时也加大了协调的工作量和工作难度。随着网络中的设备越来越多，如果每次通信中涉及的设备数量增加或者支持的通信数量增加，通信被干扰的机会也增大了。正如很多人同时发言时我们谁的话也听不清楚一样。如果相邻设备也在发送信息，无线设备也很难恢复正在传输的信息。这些问题在Ad-hoc网络中尤其麻烦，因为在这个网络中，没有一个统一的中央控制器对各个参与通信的设备进行协调。

一般来说，无线网络对付这种通信的干扰有两种方式。第一方式是要避免冲突。如果数据传输并不频繁，那么消息之间互相干扰的可能性就很小。在这种方法中，每个设备会将消息切分成很小的片段，并以很短的时间间隔发送出去。由于没有经过协调的相邻设备不太可能在同一时间传送数据，与采用稳定但较慢的频率传输数据相比，这种方法带来的干扰会少一些。最常见的面向个人电脑的无线网络标准中采用的正是这种突发性传输数据的方法。

第二个方法允许两个发射器同时将信息发送到同一个接收器，但要求其中一个传输数据的速度更快。其原理类似于，尽管旁边也有人在窃窃私语，但你说话的声音更高，这样别人还是能够听清楚你在说什么。如果把这个过程记录下来，再把传输速度快的这个消息剔除，还可以把传输慢的那个消息恢复回来。

对于只有两个设备发送消息而第三个设备接收消息的情况，第二种方法比较合适，一旦同时发送消息的设备增加，很快就会出现问题。此时，系统必须以某种方式协调，以决定谁应该高速传递消息谁又应该以较低的速率传送。协调过程本身也需要通信，网络系统的正常运转越是依靠协调，你可用于通信的带宽就越少。寻找最佳的数据传输策略仍是一个正在进行的研究课题。

难于准确测算性能

虽然Ad-hoc网络在很多场合得到了很广泛的应用，不过却很难准确地说清楚它们到底有多大作用。由于要对相关的数据进行测算非常困难，因此一些看似很简单的问题对Ad-hoc网络来说却很难回答，比如这种网络的性能到底如何，它到底能以多大速率传输数据？在这种传输速率之下需要多少设备参与以及可能会发生多少次的干扰？一旦网络中的设备都退出了怎么办？如何在保持信息以较高速率传输、减少数据参与延迟以保证系统具有较高鲁棒性之间取得最佳平衡？

然而，获取Ad-hoc网络的这些基本性能数据对于网络的设计者和使用者而言都是非常重要的。利用这些数据，网络设计者可以考虑是否可以把一些最新的技术引入到这种网络中，同时也助于研究人员确定如何将该网络的价值最大化。此外，掌握了这些信息还可以让网络设计者能够在数据传输率、延迟和丢包率等无法同时满足需求时做出最佳决策。例如，电话和电话会议对延误是非常敏感的。过大延误或不稳定的数据包传输率可能会导致信号中断，或者传输音视频信息时断断续续，从而使得对话难以顺利进行。一旦设计者明白了该网络的实际性能，他们就可以根据自己的具体需要对程序进行专门优化，比如如果是打电话就要优先考虑低延迟，而发送重要文档就要保证低的数据包丢包率。

要准确把握Ad-hoc网络的性能是非常困难的，因为这种网络处在不断变化中。同时，了解网络的各种性能数据，你不能只关心它眼前的性能，你还必须知道网络在每一种可能的配置情况下的性能。

幸运的是，研究人员已经找到解决这一难题的办法。他们把无线的Ad - hoc网络映射到我们更为了解、也更为常见的有线网络上，然后利用我们熟知的有线网络的知识来研究Ad-hoc网络。对有线网络的研究已经有了60多年的历史，科学家们对信息如何在有线网络中传递已经积累了丰富的经验，同时也研究出了众多测量工具。

一般说来，有线网络没有干扰的问题，而且网络节点的位置也不变化。我们在研究某个无线网络时，如果把它模拟成为一个有线网络，可以掌握无线网络的一些主要的行为特征。然后，我们利用这些知识去全面研究和掌握Ad-hoc网络的特点。这一过程可以帮助搭建一个更好的Ad-hoc网，因为我们知道每个选择可能给性能带来的影响。同时，它还让我们可以知道现行做法中那些是好的，那些还有改善的余地。

然而，即使有了这些工具，我们也并不能全面了解Ad - hoc网络，更不能指望取代现有的蜂窝网。只是在一些特殊情况下，Ad - hoc网络才会成为必不可少的或者说最佳的网络架构，而此时，上述工具让我们可以充分地了解这个网络到底能起到多大作用、到底能否满足我们的需求。