注：本文根據大連理工大學《高級計算機網絡》課程整理，這部分是移動自組網專題。整理不易，對你有用的話點個贊吧！

• 《高級計算機網絡》之移動自組網——大連理工大學研究生課程整理筆記（非常詳細，通俗易懂）
• 《高級計算機網絡》之無線傳感網——大連理工大學研究生課程整理筆記（非常詳細，通俗易懂）
• 《高級計算機網絡》之物聯網——大連理工大學研究生課程整理筆記（非常詳細，通俗易懂）

mobile ad hoc network 移動自組網

名詞匯總

• MANET mobile ad hoc network 移動自組網
• DSR dynamic source routing 動態源路由
• RREQ route request 路由請求
• RREP route reply 路由回復
• RERR route error 路由錯誤信息
• hello message 用來檢測連通性的
• LAR Location Aided Routing 位置輔助路由
• bi-directional 半雙工：可發可收，但是不能同時發和收

introduction 介紹

• fromed by wireless hosts which may be mobile 由移動終端組成
• without using a pre-existing infrastructure 不用預先存在的基礎設施
• routes between nodes may potentially contain multiple hops 多路跳轉
• may need to traverse multiple links to reach a destination 可能需要遍歷多條鏈路來到達目標節點
• mobility causes route changes 移動性導致的路由變換

why mobile ad hoc network?

• easy of deployment 部署便捷
• speed of deployment 部署速度快
• decrease dependence on infrastructure 減少對基礎設施的依賴

many applications 應用

• 個人應用
  • 手機，筆記本，耳機，手環
• 軍事應用
  • 士兵，坦克，飛機
• 城市環境
  • 出租車網絡，會議室，運動場，小船，小型飛行器
• 突發事件場景
  • 搜救，警用設施，消防救援

許多變化many variations

• 完全對稱的環境
  • 所有的節點都有相同的能力和責任
• 非對稱環境
  • 傳輸范圍和雷達不同 transmission ranges and radios may differ
  • 不同節點的電池壽命不同
  • 不同節點的處理能力不同
  • 移動速度的不同（不同節點）
• 非對稱環境下各節點的責任
  • 只有一些節點發送報文 route packets
  • 一些節點負責領導附近的節點（節點集群）
• 不同的移動自組網中交通設備的特性
  • 比特率
  • 時效性約束 timeliness constraints
  • 可靠性要求 reliability requirements
  • 單播，多播，位置輔助多播
• 可能基于相同的基礎設施進行合作，共存。
• 移動模式不同
  • 人在飛機的候機室
  • 紐約的出租車
  • 孩子玩耍
  • 軍事移動
  • 個人領域的網絡 personal area network
• 移動特性
  • 速度
  • 預測
    • 移動方向
    • 移動模式
  • 不同節點之間的移動缺乏一致性

*挑戰 challenges

• 無線傳輸范圍有限
• 無線終端的廣播特性：隱藏終端問題 hidden terminal problem
• 傳輸錯誤導致丟包
• 移動導致路由變化
• 移動導致丟包
• 能量限制 batter constraints
• 潛在的大量網絡介入 potentially frequent network partitions
• 安全問題：無線網絡容易被監聽 ease of snooping on wireless transmissions(security hazard)

hidden terminal problem 隱藏終端問題

A 和 C 無法感知到對方。

解決方案 the holy grail

圣杯：極難得到的東西

• 一勞永逸的解決方案 a one-size-fits-all solution
  • 可能使用一個自適應的/混合的方案
• 許多方案提出嘗試解決一個子問題

假設：所有的環境都是對稱的

除非特別聲明 unless stated otherwise, fully symmetric environment is assumed implicitly

unicast routing 單播路由

沒有任何協議能在所有環境里都表現良好。

路由協議的分類

• 主動路由協議
  • 根據移動模式主動探測
  • 傳統的link-state和distance-vector 路由協議是主動的
• 被動路由協議
• 混合路由協議

折中方案 trade off

• 路由發現的延遲
  • 主動式路由協議低延遲：因為路由一直保持連接
  • 被動式高延遲：因為X到Y的路由只有在X嘗試發送到Y的時候才開始建立
• 路由發現或保持的開銷
  • 主動式開銷大：因為要保持路由的更新
  • 被動式開銷小：只有必要的時候才進行路由探索
• 哪一個方法達到更好的折中取決于流量和移動模式

路由協議一覽

重點關注：

洪范式路由發現過程，

動態源路由發現過程（路由緩存），

位置輔助路由發現過程，

以及DREAM算法（實際上也是基于地理位置的，圓錐區域發送），

查詢本地化（在舊的路徑的基礎上最多加入K個新節點），

還有對于廣播風暴的應對算法（距離，計數，延遲轉發，dropout)，以及查詢本地化（最多K個節點，減少洪泛范圍）

按需距離矢量路由AODV（路由信息保存在節點上，單一路徑路由，需要的時候才連接）

鏈路反轉算法（部分反轉，全反轉，可能會有多條路徑）

洪泛式數據傳輸 flooding for data delivery

• 發送節點S發送數據包P給所有的鄰接結點
• 每個收到P的節點也轉發給各自的鄰接節點
• 序列號碼用來防止傳輸相同的包兩次
• 目標節點D不用轉發package

洪泛式數據傳輸的優點

• 簡單
• 可能的高效性（低開銷）：當信息傳輸率足夠低的時候，可能會比其他協議有效，因為路由發現和保持的開銷增加。
  • 例如：當傳輸的數據包比較小的時候，而此時兩次連續傳輸之間的路由結構發生了變化
• 潛在的數據傳輸的高可靠性
  • 因為傳輸到目標節點有多條路徑

洪泛式數據傳輸的缺點

• 高開銷
  • 數據傳輸給許多不必要的節點
• 可能的低可靠性
  • 洪泛使用廣播，而廣播在不明確增加開銷的前提下是很難保證可靠性的。 IEEE802.11 MAC是不可靠的
  • 例如，節點J和K同時發送數據包給D導致數據包丟失，導致沖突。

改進：洪泛式控制包傳輸 flooding of control packets

• 許多協議只是洪泛控制包，而非數據包
• 控制包用來進行路由發現
• 被發現的路由可能用來發送數據包
• 洪泛控制包的開銷被分攤了 ？ 如何分攤：理解，可能是和之前的洪泛數據包作比較？

動態源路由 dynamic source routing(DSR)

初始節點S 通過洪泛 發送 RREQ（route request 路由請求包）

每個經過的節點都將自己的標識加入到控制包中（慢慢的形成一條路徑）

目標節點D收到第一個RREQ之后，根據RREQ中的路由反轉，發送RREP（route reply 路由回復包），RREP包含了S到D的路由信息。

• RREP 只能在半雙工傳輸鏈路中傳送，因此發送RREQ的時候應該只發送給滿足半雙工傳輸路徑的節點（即發給他，他也能發給我，全雙工是能同時收發，半雙工是雙向收發，但不能同時）
• 如果路徑中的節點允許非全雙工（非對稱）那么可能目標節點還需要發現到S的路由。（即不能反轉S到D的路由，還得重新尋找回去的路）
  • 如果路由D已經知道了到S的路由，那么RREP會經過這個路由發送

源節點S收到目標節點D的RREP之后

• S將會捕獲S到D的路由信息
• S發送給D的數據包中，在頭部將會包含整條路由信息（hence the name source routing)
• 中間負責轉發的節點根據數據包頭部的souce route來決定轉發給哪個節點

什么時候執行路由發現：當節點S要發送數據包給D但是不知道S到D的路徑的時候。（廢話）

改進DSR優化：路由緩存 route caching

在路由發現過程中可以充分利用所有涉及的節點已知的信息。

路由緩存的使用

情景一：當節點S獲知到節點D的路由中斷的時候，它會從路由緩存中找到一條可行的路由。否則就發送RREQ進行路由發現。

情景二：中間節點X如果收到了一個路由請求并且知道從X到目標節點的路由，那么X可以直接發送RREP給S。

• 可以加速路由發現
• 可以減少路由請求的傳輸

路由緩存需要注意的

• 過期的路由緩存會影響性能stale caches
• 隨著時間流逝和終端的移動，已經獲知的路由信息可能會無效/過期。
• 發送者可能需要多次嘗試才能找到一條好的路由

DSR優點

• 只有必要的節點之間才進行路由保持連接
• 路由緩存能夠進一步減少路由發現的開銷
• 一個路由發現過程可能會產生許多到目標節點的路由。因為中間節點從本地緩存中進行回復。

DSR缺點

• 路由長度過長，包的頭部過大（可能會導致負載降低，即包頭比數據還大）
• 路由請求信息洪泛可能會到達所有的節點
• 需要避免相鄰節點之間的路由請求沖突：在轉發RREQ之前設置隨機延遲（即，隱藏終端問題）
• 沖突加劇：如果大量的節點用本地緩存路由信息進行回復
  • 路由回復風暴問題 route reply storm problem（后面有風暴問題的解決方案）
  • 當一個節點獲知別的節點有更短的路由RREP已經發送的時候就不用再發RREP了，這樣可以緩解路由回復風暴問題。
• 一個中間節點的本地緩存路由信息可能是過時的，而它用這個信息進行回復會**污染其他的緩存。**polluteing other caches
• 這個問題可以通過引入某種凈化機制來緩解。
• 一些可行的凈化方案
  • 靜態超時 static timeouts設置超時時間（時間到了就清除路由緩存信息，或者使用一個隊列，將比較久的信息清除）
  • adaptive timeouts based on link stability 根據鏈接穩定性設置動態的超時時間，例如鏈接不穩定的時候超時時間短（鏈路不穩定的狀態下，路由信息失效更快）

洪泛控制包的時候

• 如何減少路由請求洪泛的范圍
  • LAR 位置輔助路由
  • Query localization 查詢本地化
• 如何減少冗余的廣播
  • 廣播風暴問題

位置輔助路由LAR

Location Aided Routing

位置可以通過GPS獲得，或者其他什么方式。

期望區域Expected Zone：即目標節點可能的區域范圍，基于之前的目標節點的位置信息以及目標節點移動的速度

請求區域Request Zone：包含目標節點期望域和發送節點的區域

LAR算法：

• 只有在請求域內的節點才轉發請求（請求域外內的節點收到請求即丟棄，不轉發，這樣能縮小洪泛范圍）
• 在請求頭中顯式地包含了路由請求的請求域（即物理劃定的范圍，節點知道自己的物理信息，能判斷自己是否在該范圍內）
• 每個節點都必須知道自己的位置以決定是否轉發收到的請求
• 如果Sender初始化的請求域太小以至于沒找到目標節點，那么一段時間后重新初始化一個較大的請求域（請求范圍），最大的范圍可能包含整個網絡（相當于完全洪泛）
• 其余的部分同DSR（動態源路由協議）

LAR優化：動態請求域 adaptive request zone

• 每個節點可以根據自己掌握的信息更改請求域（請求域逐漸縮小）
• 更新后的請求域使用的是最新的、較為準確的位置信息，可能比原始的請求域小

LAR優化：模糊請求域implicit request zone

• 之前的模式中，路由請求顯式地包含了請求域，這次不包含而是由節點決定是否轉發
• 如果節點X相對于節點Y更接近目標節點，那么節點X就轉發節點Y的請求
• 動機是：盡可能地讓路由請求在每一次轉發之后更接近目標節點
• 基于這樣一個假設：在路由發現過程中，節點X的位置Y是知道的

LAR優點

• 減少了路由請求洪泛的范圍
• 減少了路由發現的開銷

LAR缺點

• 每個節點都必須知道自己的物理位置
• 沒有考慮在信號傳輸過程中可能存在的障礙物 obstructions for radio transmissions

Distance Routing Effect Algorithm for Mobility(DREAM)

移動的距離路由效應算法

注意：LAR洪泛的是控制包，而DREAM洪泛的是數據包，不需要事先知道路由（不需要發起路由發現的過程）

• 利用位置信息和速度（同LAR）
• 直接洪泛數據包（不同于LAR）
  

如上圖所示，S發送數據包給在圓錐區域內的所有鄰接節點（它知道目標節點的大概方位，但是不知道路徑）

• 收到數據包的節點A在一個更小的圓錐區域內轉發請求（它也知道目標節點大概的方位，但是不知道路徑）
• 所有收到數據包的節點都如同A一樣操作直到找到目標節點

前提是，所有的節點都要知道自己的位置以及鄰接節點的位置

• 節點需要周期性地廣播自己的物理位置
• 廣播的范圍應該也是圓錐區域（而不是全網），所以距離自己近的節點更新頻繁，距離遠的節點更新就慢。
• Distance Effect：距離遠的節點相對于距離近的節點以較慢的角速度移動
• 使用TTL來控制廣播信息/數據包發送的距離。如果TTL短，發送的距離也短，TTL（time to live存活時間)到了就認為失敗。

Relative Distance Micro-Discovery Routing（RDMAR）

相對距離微發現路由

• 發送節點先評估到目標節點的跳數
• 根據以上的評估來設置TTL
• 評估依據是：之前的目標節點到發送節點之間的物理距離以及傳輸范圍

Gerographic Distance Routing（GEDIR）

地理距離的路由

• 假設目標節點的位置是已知的
• 每個節點都知道自己的鄰接節點的位置
• 每個節點轉發包給距離自己最近的鄰接節點
• 但是可能會存在不可達的情況，因為局部最短路徑全局不一定是最短的，甚至是不可達的
• 如果相同的邊遍歷了兩次，認為路由發現失敗（不可達），即C發給G，G又發給C。

Routing with Guaranteed Delivery

保證交付的路由

• 基于GEDIR改進：保證轉發，即提供一條確定存在的源到目標的路徑
• Guarantees delivery(using location information) provided that a path exists from source to destination
• 必要的時候路由可以繞道，回溯。routes around obstacles if necessary

Query Localization查詢本地化

• limits route request flood without using physical information 在不需要物理信息的前提下限制洪泛范圍
• route requests are propagated only alone paths that are close to the previously known route 路由請求的轉發只基于之前已知的路由路徑
• the closeness property is defined without using physical location information 所謂的最近定義不基于物理位置信息
• path locality heuristic(啟發式的，探索式的)：look for a new path that contains at most K nodes that were not present in the previously known route 尋找一條新的路徑包含最多K個新節點，這K個節點并不包含在最近已知的路徑中。
• route request is forwarded only if the accumulated route in the route request contains at most k new nodes that were absent in the old route,this limits propagation of the route request.
• 只有當路由請求頭中的節點包含至多K個新的節點（之前的路由中沒有出現過的節點）時，本次路由才會轉發，這大大限制了路由轉發的數量。

查詢本地化的優勢

• 在不用物理位置信息的前提下減少了路由轉發的開銷
• 可以在舊路由的鄰近區域搜索新路由，在有障礙物的情況下表現更好

查詢本地化的缺點

可能會產生比LAR更長的路由，最短的路由可能包含了超過K個新節點，所以找到的路由不一定是最短的。

看這個例子，之前已知道的路由SAD（舊的路由），現在D移動了位置變成了右邊的樣子。

這樣只需要在舊的路由的基礎上，最多再洪泛兩個節點，即SABE，或者SABC.失敗了就增大K。

而F節點不會轉發請求，因為加上F節點就是新增三個節點了，這樣能夠控制洪泛的范圍。

廣播風暴問題 Broadcast Storm Problem

• 冗余:一個節點可能會收到許多節點的相同信息
• 概率模式：一個節點第一次收到請求的時候，它以概率P來決定是否轉發
• 或者：不同節點延遲轉發，采取碰撞避免機制。如果同時轉發到一個節點，很容易會導致碰撞。wait a random delay when channel is idle(無事可做的)
• 計數模式：如果一個節點E接收到超過K個鄰居的路由請求，不進行轉發。（這意味著這個節點E周圍已經有很多洪泛數據了）
  • 直覺上認為這K個鄰居已經轉發給這個節點E的所有鄰居了。
• **基于距離模式：**如果E接收到節點Z的請求轉發，而節點E和Z的距離小于d,則E不進行轉發。
  • 直覺上認為：E和Z太近了，E和Z覆蓋的區域相差不大，即便E進行了轉發，所能通知到的新節點也寥寥無幾。

廣播風暴問題總結

• 概率轉發，延遲轉發，計數模式，距離模式
• 洪泛會導致：碰撞，冗余
• 碰撞問題：通過延遲轉發解決，waiting for a random interval before propagating the flood
• 冗余問題：通過選擇性的轉發來解決

Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) 按需距離矢量路由協議

總結：只有需要的時候才發起路由請求，路由信息保存在每個節點上，每個節點只保存到下一跳的信息。

• 動態源路由頭部包含了路由信息，這導致頭部越來越大，可能會讓負載有效率降低，即頭部比負載信息還大。
• AODV將路由表保存在節點，這樣數據包就不用包含路由信息了
• AODV和DSR一樣只有節點之間需要通信的時候才保持連接。
• RREQ發送的過程同DSR
• 當一個節點轉發請求的時候，它反轉路徑指向源節點，AODV假設是全雙工的
• 當目標節點接收到請求的時候，它根據反轉的路徑發送RREP
• 一個中間節點可能會發送RREP提供一個最新的到目標節點的路徑。
• 但是這個中間節點發送RREP的概率比DSR低，因為節點S發起的RREQ設置了一個更大的序列號，而中間節點的序列號較小無法發送RREP。（當序列號足夠大時才認為它掌握的信息是最新的）

timeouts

• 一個路由表維護的逆向路徑在一段時間后（timeout 超時時間）將會被清除
  • timeout的設置應該能保障RREP回到發送節點
• 一個路由表維護的逆向路徑在一段時間內（active_route_timeout 活動路由時間)沒有使用，將會被清除。
  • 即便這個路勁信息依然是有效的

Link Failure Reporting 連接失敗報告

Route Error

• 當節點X無法轉發數據包P的時候，它就生成一個RERR消息
• 節點X加大目標節點的序列號，序列號將被包含在RERR中
• 節點S收到RERR之后，重新開始路由發現過程，這時對目標節點設置的序列號至少比N大（每一跳之后序列號就增加）

AODV總結

• routes need not be inclued in packet headers包頭不用包含路由
• nodes maintain routing tables containing entries only for routes that are in active use節點只需要維護需要使用的路由表實體
• at most one next-hop per destination maintained at each node 最多只需要維護一跳的信息就行（一個節點只需要維護到鄰居的路徑即可）
  • dsr may maintain serveral routes for a single destination（DSR需要維護很多，可能是整條完整的路徑）
• unuserd routes expire enve if topology dose not change 即便網絡拓撲結構沒有發生改變，那些長期未使用的路由也會被清除

Link Reversal Algorithm 鏈路反轉算法

• 首先要求鏈路是bi-directional 半雙工的（可發可收，但是不能同時發和接收）
• 為每一個目標節點維護一個有向無環圖（Directed acyclic graph DAG)
• 除了目標節點，任何沒有出路的節點都將入的鏈路反向
• 注意到之前反向過得鄰居還會再次被反向：每次都是整個網絡滿足條件的節點反向。 full reversal method 全鏈路反向方法
• partial reversal method 局部鏈路反向算法：之前反向過得不用再反向

鏈路反向算法的優點

• link reversal methods attempt to limit updates to routing tables at nodes in the vicinity of a broken link
  • partial reversal method tends to be better than full reversal method
• each node may potentially have multiple routes to a destination 可能會有多條路徑到目標節點

缺點

• need a mechanism to detect link failure（需要引入檢測鏈路失敗的機制）
  • hello messages may be used 發送hello message來檢測連通性
  • but hello message can add to contention
• if network is partitioned（分割），link reversal continue indefinitely (陷入死循環)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《高级计算机网络》之移动自组网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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