网络自组织通信模式和技术研究综述

摘要　自组织通信是最近一段时间计算机网络研究的热点。自动配置和自我组织是实现网络优化，网络自我管理，自我诊断和修复的关键技术，适应了互联网日益复杂的发展趋势，可用于支持新兴网络应用，并构建新型网络架构：移动自组织网络（MANET），无线传感器网络，自组织覆盖网络。本文介绍了自组织理论，归纳了自组织通信的特点并探讨了网络自组织通信进一步研究的方向。

1、引言

　　自组织（Self-Organizing）是指一个系统在内在机制的驱动下，自行从简单向复杂、从粗糙向细致方向发展，不断提高自身复杂度和精细度的过程。在通信网络领域，我们可以采用下面的定义：对一个包含若干个实体的系统，如果这个系统具有某种结构和功能，那么称这个系统是有组织的。结构意味着这些实体以一种特定的方法进行组织，而且相互之间通过特定的方式进行交互。功能是指整个系统可以达到某种特定的目标。在系统范围内具有适应能力的结构，并且个体实体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。

　　在通信和计算机网络领域中，应用自组织通信模式可以产生新型通信网络支持新兴的业务需求，并促进未来网络体系结构研究的发展，优化现有网络通信机制。研究结果已经表明，大规模网络普遍表现出自组织特性，其中互联网拓扑结构的幂律特性，流量的自相似特性都体现了这一特点。而且，已有一些协议在设计时部分运用了自组织的方法，如IP地址的自动配置，TCP协议中拥塞控制机制等。在当前研究中，新型自组织通信网络引起较多的关注，主要包括移动自组织网络MANET（Mobile Ad hoc Network），无线传感器网络（Wireless Sensor Network），自组织覆盖网络（Self-Organizing Overlay Network）。本文将归纳计算机网络的自组织通信模式和新型自组织通信网络的主要特点，并探索网络的自组织特性的研究方向和自组织网络体系结构的设计原则。

2、自组织通信

　　自组织系统是一个不需要任何外部的，或者专门的集中控制的系统。单个实体直接以一种分布式的，相互同等的方式相互之间进行交互。实体之间的交互通常是本地化的。然而，自组织不止是分布式和局部化的控制这么简单。它还研究个别实体的行为（微观层次）与最终结构和整体系统的功能（宏观层次）之间的关系。在自组织系统中，在微观层次上一个相当简单的行为会导致整个系统很复杂的组织。这一现象叫做突现现象（Emergent Behavior），其成因仍不十分清楚。

　　自组织系统另一重要特性在于其对系统或者环境的变化具有适应的能力。实体不断地以一种协同的方式适应这些变化，因此系统才会不时地对各种内部或者外部所触发的变化产生重组的反应。这样，系统试图去达到一种理想的有利的结构，而不是其他结构。这种固有的适应性连同自组织系统本身的分布特性使得系统具有了其主要的特性之一，即对错误和故障的健壮性。系统不会存在单点失效的问题，并且可以在没有外界的作用下修复和纠正错误。这样，一个好的自组织系统可以优雅地退化而不会突然崩溃。

　　总之，在系统范围内具有适应能力的结构，并且个体实体间具有简单的局部交互的功能，这样的系统可以称作自组织系统。

　　当前的通信系统和计算机网络中同样呈现出自组织特性。一个例子是：IPv4地址的DHCP自动分配和IPv6地址的自动配置。类似地，移动自组织网络中使用了分布式的自动配置技术来处理由于节点的移动特性而造成的网络合并和分离。TCP协议实现了一种分布式的处理网络拥塞的自适应机制，表现出一定的自组织特征，以少量的信息（局部的分组丢失率信息）实现控制，也说明了非集中式控制的有效和可扩展性。网络错误恢复中的自组织主要目的在于设计自组织的方式运行的通信协议，实现在链路和节点失效时网络的"自修复"和"自稳定"。

　　在新型通信网络中，自组织的特性显得尤为突出。自组织通信模式结合无线通信方式形成了移动自组织网络和无线传感器网络，结合有线通信方式形成了自组织覆盖网络。

　　自组织通信模式是新一代互联网体系结构研究的重要方面。回顾互联网在体系结构方面的演进历史可以看出，互联网经历了从最初小范围的自组织工作模式，到发展壮大后的以Client/Server为主的应用模式，再到目前P2P，Ad hoc等各种自组织形式的网络和应用异军突起并迅速发展的历程。因此，研究自组织特征在互联网发展的不同阶段对网络体系结构产生的不同影响、不同表现以及所发挥的不同作用，研究自组织特征与计算机技术、网络体系结构以及用户需求之间的内在联系，对未来互联网络体系结构的设计具有重要意义。

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