无线自组织网络

拆解无线通信中最具韧性的形态——**无线自组织网络。

它不依赖基站，而是通过设备间的信任与多跳转发，在动态环境下构建连接。

Ad Hoc 网络溯源与核心定义：去中心化的力量

Ad Hoc（无线自组织） 网络源于军事对“抗毁性”的极致追求。前身是分组无线网(Packet Radio Network)

1.1 核心定义解析

Ad Hoc网络由若干个无线终端构成一个临时性的、 无中心的网络，网络中亦不需要任何基础设施。

而MANET（移动多跳网/对等网） 是一种特殊的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终端临时互联互通的网络。

其本质特征在于：

• 无需基础设施：不依赖预设的 AP 或路由器。
• 节点双重身份：每个节点既是产生数据的“主机”，也是负责中继转发的“路由器”。

MANET 核心特征对比表（高频填空考点）

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体系结构与协议映射：逻辑重构

MANET 的体系结构决定了协议设计的自由度。在架构上，我们需要权衡“平等”与“效率”。

2.1 拓扑逻辑对比

• 对等式结构（Flat）：所有节点地位对等。健壮性极佳（无单点故障），但可扩展性差。
• 分级结构（Hierarchical）：划分为簇（Cluster），由簇头、网关节点和簇成员组成。节点定位简单，吞吐量高，但层级维护极其复杂。对于通信频率也有区别，多频分级网络中，不同级采用不同通信频率

2.2 协议栈映射（考点：与 OSI 七层模型区别）

在 MANET 中，应用层通常合并了 OSI 的上三层，简化处理以降低开销。

路由协议：主动、被动与地理位置

在无线自组网（MANET）中，由于没有中心基站且节点随时在移动（拓扑动态变化），传统的有线路由协议完全失效。

1. 主动型路由（表驱动型，Proactive）

   代表协议：DSDV。

   工作原理：类似于有线网络，每个节点周期性地向周围邻居广播并交换路由信息，在本地时刻维护一张到达全网所有节点的完整路由表。

   优点：发送延迟极低。当有数据包需要发送时，直接查表就能发，不需要等待寻找路径的时间。

   缺点：系统开销极大，浪费资源。由于 MANET 节点移动频繁，为了维持路由表最新，必须不断发送广播报文。即使很多路由从来没被使用过，也会白白消耗极其珍贵的无线带宽和节点电池电量。

   • DSDV 是 MANET 中主动型（表驱动）路由协议
     • 路由表四大件：每个节点都维护一张路由表，里面记录了去往全网节点的四个关键信息：目标地址、最小跳数（度量值）、下一跳是谁、目标节点相关序列号。更新方式：节点会周期性地广播自己的路由表。为了节省带宽，它分为完全转存（把整个表广播出去）和递增更新（只广播发生变化的部分）两类报文。
     • 选路“铁律”（🌟必考采分点）：看新旧（序列号优先）：节点在收到邻居给的路由信息时，优先选择序列号最大的。序列号越大，说明这条路的情报越“新鲜”。看远近（跳数次之）：如果收到的两条路由情报序列号相等，则选择度量值最佳（跳数最少）的那条路
     • 存在失效标签（∞），当两个节点断开，比如当D移动导致B和D断开时，B不仅会立刻将去往D的跳数设为无限大（∞），还会把D的序列号加1（比如从1000变成1001，根据老师补充，通常奇数代表失效，偶数代表有效）
     • 全网广播死讯：B把 [目标D, 跳数∞, 序列号1001] 的更新发给A。A收到后，发现1001大于自己表里的1000，根据“序列号大者优先更新”原则，A也会立刻把去往D的路由更新为跳数无限大（∞）。这样，A和B之间的环路被彻底切断了
     • 重建新路：当D跑到新位置跟C连上后，网络里产生了新的有效路由 [目标D, 跳数1, 序列号1001]。当A收到C的更新时，A一看序列号1001和自己表里的一样，但C给的跳数是1（小于自己的∞），根据“序列号相等选跳数少”的原则，A果断把下一跳指向C，一条无环路的新路由就此打通
   • WRP (Wireless Routing Protocol)
     • 它的路由表除了距离和路由外，比 DSDV 多了链路开销和重传消息列表（MRL）。它也能避免路由环路，并且算法的收敛速度非常快（节点适应变化的速度快）
     • 比大多数协议需要更大的内存来存储复杂的表格（比如 MRL）；此外，它严重依赖周期性的 Hello 消息来维持心跳

2. 被动型路由（按需型，Reactive）

   代表协议：AODV、DSR。

   工作原理：平时“按兵不动”，节点内部根本不维护全局路由表。只有当源节点确实有数据包需要发送时，才临时向全网发起“路由请求（RREQ）”去寻找目标。

   优点：极大地节省了开销与带宽。没有数据发送时就不浪费资源，具有更好的网络可扩展性。

   缺点：首包延迟较高。每次发包前都必须先经历一轮“路由发现”的过程，增加了整体的通信时延。

   • AODV（自组织按需距离向量）路由协议
     • 不维护全局路由表；只有当源节点真的要发送数据时，才临时发起寻找目标的过程
     • 依赖 4 种报文来探路：RREQ（路由请求）、RREP（路由响应）、RERR（路由错误）和 HELLO（邻居探测）
     • 找人 (RREQ 广播)：源节点先查询路由表没路时，向全网洪泛广播寻找目标，沿途节点顺手记下“包从哪来”以建立逆向路径。回信 (RREP 单播)：目标节点（或认路的中间节点）收到后，顺着刚才记下的逆向路径，原路单播传回，正向路由打通。维护 (HELLO + RERR)：平时靠 HELLO 报文互发心跳探活；一旦节点移动导致断线，立刻发 RERR 报错通知大家。
   • DSR（动态源路由）协议
     • 完整的路径由“源节点”全权决定并写死在数据包的报头里
     • DSR 的运作完全依赖它的“路由快速缓冲区 (Route Cache)”
     • 发车先查“备忘录”（优先查缓存）：当节点要发数据时，第一步绝对不是去全网盲目广播，而是先翻看自己本地的“路由快速缓冲区”，看看以前有没有走过这条路。如果有，直接拿来用。没有才去“问路”（启动路由发现）：如果缓存里没找到，才会像 AODV 一样发送“路由请求”分组去全网寻找目标节点。顺手牵羊（缓存的奇效）：这也是课件里强调的重点。在一次洪泛找路的过程中，节点会收到来自不同方向的回信，这就使得“一次路由发现，能顺便在缓存里存下好几条到达目标的备用路径”（自带多路径路由属性）

3. 地理位置路由：GPSR（基于位置转发）

   • 工作原理：不需要繁琐的路由表，而是依赖 GPS 无线定位技术。源节点只要知道目标节点的地理坐标点（经纬度），就会直接把数据包朝着那个“物理方向”扔过去
   • 优点：不需要了解整个网络拓扑，极大减少了网络开销，容错性极强
   • 缺点：需要额外的地理位置服务
   • 贪婪转发（Greedy）：始终发给离目标坐标最近的邻居。
   • 周边转发（Perimeter Forwarding）：当陷入局部最优（Local Minimum）死胡同时，利用“右手法则”沿障碍物边缘旋转转发，跳出陷阱。

4. 地理位置多播：把数据发给“特定地理区域”内的一组节点（比如把包发给“正前方300米范围内的所有车”）。

5. 分层路由（簇路由）：把网络划分成一个个的“簇（小团体）”，选出“簇头”和“网关”。簇成员只跟簇头通信，簇头负责跨簇转发。适合高密度的大型网络。

6. 多路径路由：同时找出多条路去往目的地。如果一条路断了，马上换另一条，容错性极好，还能实现负载均衡。

7. 能耗感知路由：MANET 节点都是靠电池供电的，这种路由在选路时会特意避开那些“快没电”的节点，以延长整个网络的寿命

8. 混合路由（Hybrid）：取长补短。在局部范围内（比如几跳以内）使用主动路由，在全局范围（较远距离）使用被动洪泛路由，结合了两者低延迟和低开销的优点。

无线网状网（WMN，Wireless Mesh Network）

WMN 是从 MANET（移动自组织网络）发展而来的动态、自配置、多跳宽带网络

ANET 是一群到处乱跑的移动设备临时组建的“无中心通信群”，没有固定基站，也不一定能连上外网。

WMN 则引入了位置相对固定的“无线网状网路由器”，不仅能在内部多跳互联，还能通过网关节点直接接入高速有线因特网（骨干网）

WMN 能够完美运作，依赖于网络中三种身份的节点各司其职：

• 网关节点 (Gateway)：网络的“总出口”，负责把整个无线网络与外部的有线宽带（Internet）连接起来。
• WMN 路由器节点 (Router)：这是骨干力量，位置相对固定。它们身兼两职：既可以作为 AP 给用户的手机电脑发信号，又能作为路由器在彼此之间进行“多跳”接力转发。
• 客户节点 (Client)：普通的移动设备（如手机、电脑、或者带路由转发功能的特殊终端）。

即插即用的快速部署；极强的健壮性（自愈能力）