7 移动Ad hoc网络

对移动自组网有用的拓扑假设是：
物理上靠近的节点在网络拓扑上也可能靠近。
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MANET单播路由协议的分类
取决于路由决策所依据的信息：
基于拓扑的路由：基于节点的连接关系计算路由表：
基于地理位臵的路由：根据节点的地理位臵进行转发决策，不
需要路由表。
按照触发路由计算的条件，基于拓扑的路由分为：
若非第一个RREP，仅当目的序号大于之前的RREP，或目 的序号相同但跳数更小时，才更新路由表项并传播新的 RREP，否则丢弃RREP。
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路由表管理
每个路由表项除包含常见的目的地址、下一跳、跳数等 信息之外，还包括： 目的序号：所有路由用目的序号进行标记； 过期时间：该路由表项未被使用的时间；
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MANET的协议层次
MANET协议层次
上层引用协议 传输层
ISO/OSI层次结构 应用层
表示层
会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 网络层 数据链路层 物理层
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MANET的特点
带宽有限：频谱受限，共享链路。（带宽优化是关键） 存在单向链路：传输功率及环境噪声差异可能在节点间形成单向链 路。（传统路由算法一般基于对称链路假设） 拓扑动态变化：节点移动、链路时变、节点失效等。（传统路由算 法会出现路由振荡、难以收敛的问题） 节点能量有限：节点使用电池供电，充电困难。（所有设计均要求
具有有限跳数的路由时，节点用“真实”的序号代替该 路由，并触发一次路由更新广播。
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如何减少路由更新的开销？
从路由收敛的角度考虑，当节点发现路由信息有较大变 动时，应立即将更新信息广播出去。然而，当节点快速 移动时，这会导致大量的广播，降低无线信道的可用性。 为减少路由更新的开销，DSDV定义了两种路由更新分 组：
转发结点 转发结点
转发结点 B
C 自组网络
D E
目的结点
A 源结点
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F
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MANET中的节点
移动Ad Hoc网络各个网络节点相互协作、通过无线链路进行通信、交 换信息，实现信息和服务的共享。 移动Ad Hoc网络中，每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。
节点作为主机，可运行相关应用程序，以获取或处理数据； 节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行路由发现、路由维护等常见 操作，对收到的并非发给自身的分组予以转发。
民用领域：
临时性工作场合的通信，如会议、庆典、展览等； 灾难环境中提供通信支持 野外工作中的通信，如科考、边防站等 个人区域网络应用，实现PDA、手机等个人电子通信设备之间的 通信。 家庭无线网络、移动医疗监护系统等。
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MANET应用：现场布控/紧急通信
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Full dump：携带完整的路由表 Incremental：只携带上一次full dump之后变化的路由信息
协议假设节点能够根据路由变化的重要程度来决定是否 触发一次增量更新，根据增量更新的数据量来决定是否 进行一次full dump 。
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环路与计数至无穷问题
已有的距离矢量路由算法（如RIP）没有解决好路由环路 及计数至无穷的问题。
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要解决的主要问题
什么时候发送路由更新：周期性更新 + 触发式更新，异步更 新；由于更新的异步性、消息传输延迟、由扩散造成的迂 回传输等各种因素的影响，网络中充斥了不同时期发布的 路由。
如何区分路由更新消息的新旧：使用消息序号，由发送节点 产生；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如何区分路由的新旧：每条路由携带一个目的序号，由目的 节点产生和发布，其它节点不能修改。这个序号是DSDV协 议新增的内容。
先应式路由：主动维护到网络中所有节点的路由。 反应式（按需）路由：仅当节点间需要通信时才建立路由。
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MANET由协议分类
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先应式路由协议--DSDV
目的序号距离矢量路由算法(Destination-Sequenced Distance Vector，DSDV）采用经典的距离矢量路由算法， 保存到每个节点的最小跳数路由。 因特网中的距离矢量算法：
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路由更新的原则
回想：在DV协议中，路由更新原则是怎样的？
采用目的序号最新的路由，丢弃较早序号的路由； 若目的序号相等，采用较小跳数的路由 被采纳的路由跳数加1，目的序号不变， 在下一次路由 更新中发布。
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检测链路中断
当节点检测到与某个邻居节点的链路中断时，将以该邻 居为下一跳的所有路由的跳数标记为∞，并为这些路由 分配新的序号。 为与目的节点产生的序号相区分，规定目的节点产生的 序号为偶数，中间节点产生的序号为奇数。 当节点收到一个∞跳数，随后又收到一个序号更高的、
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RREQ的处理和反向路径建立
源节点发送一个RREQ消息； 邻居节点收到RREQ后，有三种可能：
该RREQ已收到过(根据<源地址，广播ID>可判断)：丢弃该 消息；
路由表中有到目的节点的路由，且该路由的目的序号不小 于RREQ的目的序号：向收到RREQ的邻居发送一个RREP消 息； 其余情况：将RREQ的跳数加1，继续向邻居转发RREQ，并 建立到源节点的反向路径（记录RREQ到来的前一跳邻居）。
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要解决的问题
如何使RREP返回源节点：所有转发RREQ消息的节点要 记录到源节点的路径（反向路径）； 如何区分路由的新旧：路由序号。 RREQ消息包含<源地址，源序号，广播ID，目的地址， 目的序号，跳数>6个域：
<源地址，广播ID>二元组唯一标识一个RREQ 源序号：用于维护反向路径的新鲜性 目的序号：可被源节点接受的正向路径的新鲜程度 跳数：每次转发RREQ时，将跳数加1
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反向路径示意
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RREP的处理和正向路径建立
RREP消息包含<源地址，目的地址，目的序号，跳数，生 存时间>；
收到RREP消息后：
若为第一个RREP拷贝，建立到目的节点的正向路径（记 录RREP到来的邻居节点），记录目的节点的最新序号， 向源节点传播；
Ad-hoc On-demand Distance Vector（AODV）也是基于距离
矢量的路由协议，但是仅当需要一条路由通信时，才由源节 点启动路由发现过程。
与DSDV相比，不在活跃路径上的节点不维护任何路由信息，
也不参与任何周期性的路由表交换，因此可极大地减小路由 消息的开销。
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MANET的结构
对等式结构
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 缺点是可扩充性略差
分级结构
分单频分级和多频分级
簇
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内部节点
簇头
网关节点
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MANET的主要应用领域
军事领域：
该技术的初衷是应用于军事领域，是美国军方战术网络技术的核 心，“自愈式雷场系统”是其典型实例。
活跃邻居集合：在最近一段时间内向目的节点发送/转 发过分组的邻居；
正向及反向路径的超时时间：在该时间之后路由失效。
每条反向路径有一个路由请求过期定时器，用于清除不 在RREP传输路径上的节点保存的反向路径。
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路由重建
如果在活跃的会话过程中源节点发生了移动，源节点可 以发送RREQ重建路由。 若目的节点或某个中间节点发生了移动（路由发生了中 断）：
断点上游的节点向所有活跃的上游邻居发送一个RREP消 息，消息序号比之前知道的序号大1，跳数为∞； 收到消息的节点向它的活跃邻居转发该消息，直至所有的 活跃节点被通知； 需要重建路由的节点发送目的序号比之前大1的RREQ消息， 以确保建立的是一条新路由。
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AODV的基本思想
当源节点希望向某个目的节点发送数据，但当前路由表 中并无该节点的路由信息时，启动路由发现过程；
源节点向其邻居广播一个RREQ（路由请求）消息，进 行路由探测； 每个收到RREQ消息的节点向其邻居扩散该消息，直至 消息到达一个知晓目的节点路由的节点（中间节点或目 的节点）； 该中间节点或目的节点向源节点发送一个RREP（路由响 应）消息，当RREP消息到达源节点时，建立起源节点到 目的节点的路由。
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MANET的应用：会议场景演示
自组织网络
移动设备F
移动设备A
移动设备B 移动设备E
移动设备C
移动设备D
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MANET的应用：与其它网络互连
3G/HSDPA/WiMAX
Wi-Fi
Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi
Wi-Fi
每个节点维护一张路由表，网络中每个节点在此表中占有一 个表项。
每个表项包括两部分内容：去往该目的节点的最佳输出线路 （下一跳）以及估计到该目的节点的最短距离。 每隔一段时间，每个节点向其所有邻居发送一个距离矢量， 通报从本节点到其它各个节点的估算距离。 每个节点利用从邻居节点收到的距离矢量来更新自己的路由 表。
A
B
C
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单跳与多跳Ad Hoc
多跳的优势 增强了网络的扩展性； 减少了干扰； 提高了整个网络的吞吐量； 降低了应用所关心的时延； 降低了数据传输中的能量消耗。
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分组无线网络发展
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分组网技术的发展
军用 ARPANET 民用 无线分组网 ALOHANET 民用 因特网 Internet 民用 局域网 Ethernet 民用 IEEE 802.11 WLAN 军用/民用 军用 无线分组网 PRNET 军用 移动自组网 （Ad Hoc） 无线传感器网 络（WSN） 民用 无线网格网络 （WMN）
第七章 移动Ad hoc网络
了解MANET的定义、特点、发展与应用
了解MANET路由协议的特点，理解并掌握主要的路由协议
DSDV AODV GPRS
了解MANET的MAC的特点及MAC算法分类 理解MACAW算法 了解MANET的安全问题
移动Ad Hoc网络的定义
移动Ad Hoc网络(MANET) (又称移动多跳网或移动对等网)是由一组无 线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、能 够迅速展开使用的网络体系，是没有任何中心实体、自组织、自愈的网 络。 网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络，而常常不需要 事先示警或通知，而且不会破坏网络中其他节点的通信。
困难：分布式认证与密钥管理，防御入侵。
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MANET的单播路由技术
因特网中的路由技术利用了静态网络拓扑的特性： 网络拓扑信息在节点间主动传播，每个节点可以使用 较低代价的算法预先计算好该拓扑下的路由； 节点地址中隐含了路由线索（网络号）。 这两种技术均不适合移动自组网： 节点移动使得拓扑信息的有效性降低； 永久性的节点地址无法包含动态的位臵信息。
DSDV使用目的序号解决了该问题：
节点总是使用最新最好的路由，避免路由环路的发生；
使用奇数序号表示链路中断，避免了计数至无穷的问题。
DSDV的缺点：
消息开销大，限制了网络的规模 节点需要维护大量当前不活跃的路由，浪费了不少资源
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反应式路由协议--AODV
节省能量，延长网络生存时间）
安全性差：开放的无线信道，有限的电源供应，分布式控制。（易 遭受窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击 ）
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MANET的主要研究问题
信道接入（MAC协议）：
困难：多跳共享广播信道的介质访问控制。
路由协议： 困难：网络拓扑的动态变化导致路由信息收集困难，路 由算法难收敛，路由经常中断需要重建。 服务质量保证： 困难：网络的动态性（链路质量、带宽、路由不稳定） 及分布式控制很难保证传输质量。 网络安全：