摘 要： 分析了由蜂窝移动通信提供的移动Internet的缺陷。根据Ad Hoc网络的特性，结合移动IP，提出了一种新的体系结构——基于Ad Hoc的移动Internet，并分析了该体系结构中的Ad Hoc与Internet的互连性问题、QoS问题和网络安全问题。
关键词： 移动Internet Ad Hoc网络 QoS 网络安全
移动Internet是指终端用户能够以移动的方式访问Internet。蜂窝移动通信系统能够支持移动终端访问Internet，但是对于电子商务、视频电话、远程教育、多媒体信息等服务还不能够很好地支持。因为这些服务对网络的实时性、安全性和带宽提出了很高的要求。在3G的UMTS框架中，虽然进一步提供了对Internet的有效支持，并提供了4类QoS保证机制，但它还是与Internet的特性不相适应，主要表现在以下方面。
(1)体系结构。Internet是无中心控制、分布式的网络，以自由、开放的方式接入；蜂窝移动通信系统是中心控制、分层结构的网络，由运营商经营，网络的接入受到严格控制。
(2)数据速率。Internet提供了许多宽带接入方式，如Ethernet能以10Mbps接入，xDSL也能以几个Mbps接入。蜂窝移动通信系统中，GPRS最多能提供171Kbps的数据传输率，未来的EDGE也只能达到384Kbps。这些都限制了多媒体数据业务的发展。
(3)计费。Internet中许多应用和服务的价格比较低廉，很多丰富多彩的应用和服务都是免费的；而移动通信中的计费一般比较高。移动通信计费的另一个特点是按照距离来计费，例如2个归属地在南京的用户到北京后，从路由技术上来说，虽然他们可以通过北京的某个交换机通信，但他们却要被收取额外的“漫游”费。
用户需要的移动Internet不仅要有传统Internet所具有的足够大的带宽、足够高的数据速率、丰富多彩的应用和服务以及自由宽松的接入，还要有很高的性价比及低廉的价格。
对此，本文提出了一种新的体系结构，即基于Ad Hoc的移动Internet，并对该体系结构中的关键技术进行了初步探讨。
1 体系结构
Ad Hoc是近些年发展起来的一种无线移动网络，不需要有线基础设施的支持，具有无中心、自组织的特点。网络中每个节点既是数据终端，又具有路由功能。在Ad Hoc网络中，无线信号范围之内的2个节点能直接通信，否则通过中间节点转发数据包。
Ad Hoc网络的这些特性，可用于实现移动Internet，其体系结构如图1所示。其中路由器R连接Internet和Ad Hoc网络，终端T处于Ad Hoc网络中。Ad Hoc只实现了网络接口层的移动，要实现网络层的移动，还必须有移动IP的支持。移动IP提供了对传输层及以上各层的透明数据传输。R可兼作移动IP的外代理。与蜂窝移动通信提供的移动Internet相比，这种解决方案具有如下优点。
(1)体系结构。符合传统Internet的特点，无中心控制，网络扩展性好。由于是从传统的Internet扩展而来，所以与Internet的衔接很好，容易继承传统Internet的优点。
(2)接入灵活。终端可以自由灵活地接入Ad Hoc网络，并通过路由器R接入Internet，也可以随意退出网络。同时，终端可以随意“漫游”到其他Ad Hoc网络。
(3)通信路由优化。在无线信号范围之内的2个终端可以直接通信。这解决了上述关于南京用户到北京后的“漫游”计费问题。
(4)数据速率。Ad Hoc能提供接近10Mbps的数据速率。
Ad Hoc网络的最大优点是可以快速组网，自由接入。一个典型的例子是：校园内的所有用户可以组成一个Ad Hoc网络，网络内用户可以直接通信，而不需要运营商的介入，因此费用相应较低。从数据流量来说，一位同学会有相当大一部分通信只在本校园内的同学和老师之间。所以，这种体系结构优化了本地通信，这对一些本地通信量很大的用户来说非常有利。
2 关键技术
为了实现基于Ad Hoc的移动Internet，需要有一些关键技术的支持：Ad Hoc与Internet的有效连接是其中最基本的技术；为了实现多媒体通信的要求，还要有QoS的保证机制；由于终端可以自由灵活地接入，因此网络的安全和认证也是一个重要方面。
2.1 与Internet的连接
Ad Hoc网络中的节点T要连接Internet时，必须先发现外代理R，从R中获取转交地址，然后将这个转交地址告诉家代理。以后家代理就可以通过隧道将数据包传给T。传统移动IP的方法是外代理R周期性地向整个Ad Hoc网络广播它的存在。这样，Ad Hoc中每个节点都知道外代理R的地址。但是，并不是每个节点都有连接Internet的需求，因此向整个Ad Hoc广播R的地址会浪费大量的网络资源。另一种方法是按需请求的方法，即只有当T要连接Internet时才发送外代理请求，获取外代理R的地址。这种方法节约了网络开销，但却增加了延迟。
一种有效的解决方法是限制外代理R在Ad Hoc网络中广播的范围。即将它的广播报文的TTL值设为n（n的大小根据Ad Hoc中节点的数量而定）。这样，只有在R的n跳内的节点才能收到R的广播报文。当n跳外的节点T要连接Internet时，则通过代理机制来获取R的地址，即发送一个TTL值为1的代理请求报文，询问外代理R的地址，同时启动定时器。如果定时器超时后T还没有收到来自周围节点的回答，就递增TTL的值，发送一个TTL值为2的代理请求报文，再次启动定时器……如果当TTL的值递增到某一值m时，T还没有收到周围节点的回答，就向整个Ad Hoc广播它的代理请求。当一个节点收到代理请求报文时，首先检查它是否保存有外代理R的信息。如果有，则向T发送一个单播回答报文，告诉它外代理R的地址。中间节点可以侦听外代理回答报文。当一个节点收到一个目的地址不是自己的外代理回答报文时，可以提取外代理R的信息，以便需要时使用。
上面这种方法有效地结合了传统移动IP和按需请求的优点，节约了网络开销，缩短了时延。当然，对于如何选择n、m的最佳值还有待进一步的研究。
2.2 适合Ad Hoc的QoS保证机制
已经有相当多的协议和机制来保证QoS。但是Ad Hoc网络拓扑结构多变，将这些机制运用于Ad Hoc网络时，必须考虑到这一点。一种有效的解决方法就是采用本地路由修补技术。例如，假设已经在发送端S和接收端D之间建立了一条链路（S，A，B，C，E，F，G，D），并且已经在A、B、C、E、F、G之间预留了资源，但是在某个时候由于某种原因，C和F之间的连接断开了。一种可能的解决方法是S重新发起向D的连接请求，并进行资源预留。显然这种方法不是最优的。另一种可能的方法是当链路的上游节点检测到链路断开时，发起向接收端的路由重建工作，并重新在下游进行资源预留，即节点C发起向D的路由重建和资源预留请求。这种方法使得在链路断开处的节点即C之前的所有路由都不必重建。一种更优的方法是采用本地路由修补技术，在链路断开处的上游节点（即C），发送一个路由修补请求报文，寻找一条到D的路由。这条路由与先前到D的路由有最多的重合节点。在这个链路修补报文中包含C到D的先前的路由信息（E，F，G，D），并设置该报文的TTL值为某个合适的值t（如2或3）。这样，限制了该报文到达的范围。当在该范围之内的某个节点，如K恰好与E相连时，K就向C发送路由修补回答报文。C收到K的回答后，就建立起同K的连接，并在K处进行资源预留，最终本地路由修补的结果就是(S，A，B，C，K，E，F，G，D)。这种方法的优点是节约网络资源，降低延时。
应当注意到，在节点C进行本地路由修补的时间内，当C继续收到B传来的数据包时，不应该将其丢掉，而应该将其放在缓冲器中。当路由修补完后，用比正常情况下的传输速率r更高的速率R来传输，以便将缓冲器中积累的数据清空，然后再恢复到正常速率r。假设T代表路由修补的时间，t代表清空缓冲器的时间，则在t内传输的总的数据为R×t，也等于r×T＋r×t，可以得到：
可以用(PCR，SCR，MBS)来刻划一个发送端S到接收端D的流特性。其中PCR代表峰值信元速率，SCR代表持续信元速率，MBS代表最大突发长度，那么采用本地路由修补之后流的特性将有所变化。对于固定传输速率的流来说，峰值信元速率和持续信元速率分别是R和r。对于最大突发长度，由于清空缓冲器的时间是t，所以最大突发长度是r×t，则固定传输速率的流特性可表示为：（R，r，r×
）。
对于具有可变传输速率的流来说，假如原来的特性为（PCR，SCR，MBS），则采用本地路由修补之后，显然，峰值信元速率是R，持续信元速率不变仍为SCR。对于最大突发长度，由于在路由修补和清空缓冲器这段时间内，流入数据速率最大不会超过PCR，因此有t×R≤t×PCR＋T×
从以上分析可以看出，R和T是2个重要参数，直接影响到QoS的性能和流特性。
2.3 网络安全
网络安全是该体系结构中的又一个关键技术。由于Ad Hoc采用无线链路，信号容易被窃听和干扰，所以数据的保密性和完整性是网络安全需要考虑的2个重要方面。同时，由于Ad Hoc网络拓扑结构动态变化，终端可以自由灵活地加入和离开网络，因此对终端节点的成员性管理和认证也是一个重要的方面。
对于数据的保密性和完整性问题，需要设计安全的路由协议。目前已提出了很多路由协议，能有效适应Ad Hoc拓扑的多变性。但是，这些路由协议很少考虑到安全问题。路由信息的泄漏和截取是Ad Hoc的薄弱点。例如，一个恶意节点加入网络中后，它可以向网络中注入一些错误的路由信息，致使网络路由不可达；或者修改路由信息，使自己成为所有数据包的接收者，在网络中形成数据黑洞。当前安全的路由协议仍是Ad Hoc的一个研究热点。
对终端的成员性管理，即身份认证有2种。一种是全局认证，终端要与Internet上的节点通信时，必须进行全局认证；另一种是本地认证，终端只与本网内的节点进行通信时，只进行本地认证即可。现在有很多有效的加密算法和认证机制，如数字签名和PKI等。但是，这些方法需要做些改动，以适应Ad Hoc网络的动态拓扑特性。在Ad Hoc网络中只让一个节点担任认证任务是非常危险的。这个节点将会成为整个Ad Hoc网络的脆弱性所在。所以，一种基本的思想就是：同时让n个节点承担认证任务，只要在n个节点(S1，S2，S3，……Sn)中有一定数目的节点（如t＋1个节点）给予终端T认证，则T就在整个Ad Hoc网内得到认证。如果≤t个节点给予认证，则认证就没有通过。这种思想在现实生活中也是十分常见的。实现这种思想的一种可能的方法就是将PKI中的认证中心（CA）用于签署认证的私钥k分给网内n个节点，每个节点i获得k的一个部分ki，这样就形成了私钥k的n个分私钥（k1，k2，k3，……kn）。当给予终端T认证时，n个节点用各自的分私钥ki产生各自的分签名。如果一个节点能收集到t＋1个分签名，则能计算出对整网有效的签名。能实现这种思想的一种算法叫作阈值加密算法，称这样的规则为（n，t＋1）配置。但是为了进一步的安全考虑，n个节点应该动态更新自己的分私钥ki，以防止当有多达t＋1个节点的分私钥ki被泄漏时，产生假冒签名。另一方面，考虑到网络中节点数目的变化，例如这n个认证节点中有节点离开网络，或者有新的节点加入，使得能提供认证的节点数目变化为n′
时，其阈值加密
3 结 论
Ad Hoc网络正受到越来越多的重视和研究。随着其优越性逐渐体现出来，本文提出的基于Ad Hoc的移动Internet方案也将受到越来越多的支持。本方案解决了蜂窝移动通信系统提供的移动Internet在体系结构、数据速率和计费等方面存在的问题。其优点在于符合人们的生活模式，优化了本地通信。当然有许多问题还有待研究和优化，如路由协议的安全性，更优化的认证方法以及Ad Hoc网络中节点的IP编址等。
参考文献
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