无线网络：无线自组织网络

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无线自组织网络

Ad Hoc 网络的定义

无线自组织（Ad Hoc）网络又称无线对等网络，是由若干个无线终端构成的一个临时性、无中心的网络，网络中亦不需要任何基础设施。Ad Hoc 网络最初源于军事通信的需要，具有其独特优点和用途，可便捷地实现相互联接和资源共享。

Ad Hoc 网络的研究成果主要包括以下几个方面：

研究成果 说明
路由协议 主要以广播或组播方式建立网络路由
MAC 协议 包括 RTS/CTS/ACK 方案、控制信道和数据信道分裂的双信道方案、定向天线 MAC 协议等
与蜂窝网络相结合 拓宽 WLAN 与蜂窝通信系统的应用范围
用蓝牙节点组建 应用蓝牙技术可组成微微网，再通过桥节点互连，形成多跳网络，可称为蓝牙散射网

移动 Ad Hoc 网络

MANET（ Mobile Ad Hoc Network, MANET）又称移动多跳网或移动对等网，它在不借助任何中间网络设备的情况下，可在有限范围内实现多个移动节点临时互联互通。它为较短距离范围内的移动节点通信提供了一种灵活的互联方式，可看作是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个临时性多跳自治系统。
MANET 中每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。一方面节点作为主机可运行相关应用程序，以获取或处理数据。另一方面，节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行路由发现和维护等操作。

MANET 结合了移动通信和计算机网络的特点，网络的特点主要体现在以下几方面：

特点 说明
拓扑结构动态变化 无固定通信设施，网络节点随机移动
资源有限 节点能量和网络带宽有限，但组网灵活，网络构建和扩展无需依赖任何预设的基础设施或设备
多跳通信 实现不同覆盖网络间的源与目标间通信，二者距离超过无线信号覆盖范围，则需中间节点转发数据
安全性较低 无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击威胁

MANET 体系结构

MANET 的拓扑结构

通常 MANET 的拓扑结构可分两种：平面结构和分级结构。平面结构中的所有节点平等，结构简单，所有节点完全对等。源节点与目标节点通信时存在多条路径，健壮性好，相对比较安全，但缺点是可扩充性略差。

分级结构中，网络会划分为多个簇，各簇包含一个簇头和多个簇成员。簇头形成高一级网络，高一级网络中可再分簇，簇头负责簇间数据转发。簇头可由节点应用算法自动产生，也可预先指定。

分级结构网络分单频分级和多频分级：

分级结构网络类型 说明
单频分级 所有节点使用同一频率通信，需要网关节点支持
多频分级网络 不同级采用不同通信频率，簇成员的功能较简单，不需维护复杂的路由信息

分级网络结构具有较高的系统吞吐量，节点定位简单，但是需要额外的开销用于维护簇头节点。一般当网络规模较小时，可采用简单的平面结构；而当网络规模较大时，应采用分级结构。

MANET 的协议层次

协议层次 说明
物理层 根据实际应用需要，通信频段、良好收发信功能、多频段、多模式的无线传输方式
数据链路层 MAC 子层和 LLC 子层，CSMA/CA、RTS/CTS
网络层 邻居发现、分组路由、拥塞控制、网络互联等
传输层 可靠端到端服务，隔离上层与通信子网，寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制
应用层 提供面向用户的各种应用服务

IP 地址分配

MANET 必须考虑如何为新加入节点分配 IP 地址，MANET 中 IP 地址分配主要有以下几种技术。

IP 地址分配技术 说明
基于伙伴系统的分布式动态地址分配协议 最初网络的一个结点拥有整个 IP 地址池，当某个无地址的节点加入网络时将地址池的一半地址分配给它
改进的 DHCP 协议 为每部分网络选择一个领导，通过其向新加入节点分配地址
基于硬件地址的 IP 地址分配 采用硬件 MAC 地址的已知网络前缀和后缀组成相应的 IP 地址

MANET 路由协议

MANET 节点除保持连通性之外，也能执行路由。但移动环境网络拓扑动态变化，路由动态变化，路由较为复杂。一个好的路由方案应具备分散性、自组织、自修复等特点，并对无线频谱带宽限制有适应性，能利用多跳属性更好负载均衡。

MANET 路由协议分类

MANET 路由协议较多，按算法的不同性质和执行过程可分为主动路由、被动路由、地理位置路由、地理位置多播路由、分层路由、多路径路由、能耗感知路由及混合路由等。

主动路由

主动（表驱动）路由的基本思想如下：

  1. 每个节点与其他节点交换路由信息，并根据交换信息构建本节点的路由表；
  2. 节点间定期交换路由更新信息，以维护和更新路由表；
  3. 节点查找自身路由表来确定一个数据包从源地址到目标地址的路由。

主动路由协议中，虽然能很快确定路由，但维护最新的网络信息需要较大的系统开销。此外，即使没有数据流量通过这些路由，仍需要连续不断地维护路由。

被动路由

被动路由的基本思想如下：

  1. 数据包发送时需确定一条从源至目标的路由，需向目标节点发送路由请求。
  2. 节点无预先建立的路由表（全局信息）可供使用，可能存在部分路由信息。

被动路由协议的路由发现过程频繁，但和主动路由算法相比，路由消息的控制开销更少，具有更好的可扩展性。使用被动路由协议，节点每次尝试发送信息时，都必须进行路由发现，增加了数据传输的整体时延。

其他类型路由协议

路由协议类型 说明
地理位置路由 依据节点的定位信息确定下一跳节点，地理位置信息能改善路由性能，但无线定位技术有误差
地理位置多播 源向一组目标节点发送信息时，利用其它节点地理位置信息进行多播转发，融合多播和地理位置
分层路由 簇头维护簇内所有节点的连通性，用网关连接两个相邻簇，网络复杂时分层路由性能更好，但维护困难
多路径路由 多条路径对源发往目标的信息进行路由，发生故障时减少找到新路由时延，但算法复杂性较高
能耗感知路由 电池寿命决定节点运行时间，因此路由应兼顾能耗和移动性，这类路由协议考虑了降低能耗
混合路由 开始建立路由时执行主动方法，然后通过被动洪泛为之后激活的节点提供服务

DSDV 路由协议

DSDV 原理

目标序列距离向量（Destination Sequenced Distance Vector, DSDV）协议基于 Bellman Ford 算法，是距离向量路由协议的改进。DSDV 的路由表项包括目标地址、到达目标节点的度量值（最少跳数）、去往目标节点的下一跳以及目标节点相关序列号。各节点向邻节点周期性通告自身当前路由表，从而减少了通告信息量。
DSDV 路由选择的依据为序列号或度量值，节点对比更新信息和节点的路由表，选择序列号大的路由信息，以保证到达目标节点的路由信息最新。序列号相等时，选择度量值最佳（如最少跳数）的路由信息。

DSDV 样例

例如当前移动自组织网络有 A、B、C、D 四个结点，网络拓扑结构如下：

如果节点 D 移动到新位置，节点 B 的路由更新，路由环回现象产生。A 或 B 想要向 D 发送的数据会在 A 和 B 之间来回转发，无法到达真正目标。

包含序号的路由更新，就可以解决环回现象。原结点的 A、B 路由表如下所示：

节点 D 移动到新位置，B 和 D 连接中断，B 到 D 的路由信息会被更新。此时交换的路由信息序列号会加 1，A 收到 B 的更新信息后也会更新自己的路由表，C 和 D 建立连接后也会更新路由表。更新后的路由表为：

由于 A 和 C 周期性交换路由信息，当 A 收到 C 的路由更新后。序列号相同时，根据 DV 算法 A 会更新路由。当 A 想发送报文给D时，会把下一跳信息设置为 C，这样就可成功发送。

DSDV 特点

DSDV 通过目标序列号来区分新旧路由，可消除路由环路，提高算法效率。DSDV 能适应拓扑变化，当路由表发生重大改变时立即广播路由通告，延迟了对不稳定路由的广播通告。其缺点是不能适应快速变化的网络，资源开销可能浪费，多数路由信息可能从未使用。

AODV 路由协议

自组织按需距离向量(Ad Hoc On-demand Distance Vector，AODV)是应用广泛的按需路由协议之一，包括路由请求、路由响应和路由维护 3 个过程，依赖 RREQ(路由请求)、RREP(路由响应)、RERR(路由错误)及 HELLO 共 4 类报文。各节点维护路由表，分别对不同报文进行处理，维护路由信息的正确有效。

路由请求

  1. 源节点向目标节点发送数据时，先在路由表中查找去往目标的路由表条目；
  2. 如找到则选用该路由进行传输，否则构造 RREQ 报文并广播寻找去往目标的路由；
  3. 其它节点收到该 RREQ 后，先判断自身是否是目标节点；
  4. 若是则生成 RREP 报文并沿反向路径返回给请求节点，否则查找路由表以确定自身是否有去往目标节点的有效路由条目；
  5. 有则向反向邻节点返回 RREP，无则继续广播 RREQ。

路由响应

  1. 节点收到 RREQ 后进行检查，若为目标节点或路由表中有去往目标的有效路由，产生 RREP 并沿反向路径返回；
  2. 上游节点收到 RREP 后，先建立到目标节点的路由，并查看自身是否为请求节点；
  3. 若是则停止转发，否则继续转发 RREP。

路由维护

  1. 路由中断时，节点先启动本地路由修复；
  2. 若无效则向相关邻节点发送 RERR，告知路由中断。

此外路由缓存计时器会周期性把超时的路由条目从路由表中删除，邻居节点计时器也会周期性广播 HELLO 报文检测邻节点的连通性，及时清除中断路由。

AODV 协议特点

  1. 基于传统距离向量路由机制，算法简单清晰；
  2. 使用目标序列号防止循环发生，解决了无穷计数问题，易于编程实现；
  3. 支持中间主机回答，能使源主机快速获得路由，但可能会有过时路由；
  4. 周期性广播报文，需要消耗一定的能量和网络带宽。

DSR 协议

动态源路由(Dynamic Source Routing，DSR)协议的每个移动节点维护一个存放路由快速缓冲区，节点发送分组时，首先查询本地缓冲区确定是否存在可用路由。存在则使用该路由，否则发送含源和目标节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。
DSR 协议的特点是：

  1. 仅在需要通信的节点间维护路由，减少了路由维护代价；
  2. 路由缓冲可进一步减少路由发现的开销；
  3. 路由缓冲使得在一次路由发现过程中，产生多个到达目标的路径；
  4. 支持非对称传输信道模式。

其他路由协议

路由协议 说明
LAR 协议 融合地理位置和可选的按需源路由算法，利用节点位置信息限制路由发现区域，请求区域更小，减少路由请求信息数量
ZRP 协议 属混合分层路由，融合主动和被动因素，并基于移动节点间分隔距离生成重叠区域
GPSR 协议 转发决策使用直接邻居位置信息，相隔一跳邻节点交换控制信息来更新信息，限制控制信息开销
DART 协议 属于层次路由协议，不使用平面寻址方法，节点地址分成静态唯一节点 ID 和动态路由地址两部分
TORA 协议 采用链路反转分布式算法，将路由信息的传递限制在离拓扑变化最近的少部分节点，节点只保存邻节点路由信息

无线网状网

无线网状网(Wireless Mesh Network, WMN)是一种从 MANET 中发展起来的新型网络技术，也是一种动态、自组织、自配置的多跳宽带无线网络。相比于 MANET，WMN 利用位置相对固定的无线路由器，将多种网络进行互联，并接入高速骨干网。

WMN 的组成

WMN 由客户节点、路由器节点和网关节点组成：

组件 功能
客户节点 可分为普通 WLAN 客户节点和具有路由与信息转发功能的客户节点两类
WMN 路由器 与传统无线路由器相比在很多方面都有所增强，包括提升多跳环境下的路由功能、MAC 协议、多无线接口等
网关节点 通过有线宽带连接因特网

WMN 的性能

任何无线节点都可同时作为 AP 和路由器，每个节点可发送和接收信号，与一或多个对等节点直接通信。如最近的 AP 因流量过大而拥塞，数据包可自动重新路由到一个流量较小邻节点传输。与传统有线交换网络相比，WMN 无需节点间布线，但仍具有分布式网络的冗余机制和重新路由功能。如需添加新设备，简单接上电源即可。

WMN 的优势

相对于传统 WLAN，WMN 具有如下几个优势：

优势 说明
快速部署和易于安装 安装节点简单，很容易新增节点来扩大覆盖范围和网络容量
健壮性 通常使用多路由器传输数据，如果某个路由器故障，数据通过备用路径传输
结构灵活 多跳 WMN 中可通过不同节点同时连接到网络，不会导致系统性能降低
高带宽 无线传输距离越短，通常越容易获得高带宽，因为可减少各种干扰和其他不利因素
低干扰 每个短跳距离短，传输数据所需功率小,节点间的无线信号干扰也较小

Ad Hoc 的应用

应用场景 说明
大型 Ad Hoc 独立网络 包括成百上千个节点，适于某些特定场合，用非常少的数据传输重要信息，如战场传达命令和交通管理等
大规模 Ad Hoc 网络 并不适合传输大量信息，因为会产生高风险、高成本、低效率等问题
小型 Ad Hoc 独立网络 具明显商业价值，应用环境包括家庭、商务会议区、医院等
家庭环境中 Ad Hoc 网络 所有家电如电脑/电话/厨房家电/安保系统等连接成网络，方便交流，资源共享

参考资料

《无线网络技术教程(第3版)——原理、应用与实验》，金光、江先亮编著，清华大学出版社

posted @ 2022-01-08 02:00  乌漆WhiteMoon  阅读(4020)  评论(0)  编辑  收藏  举报