无线和移动网络Wireless and Mobile Networks可提供因特网接入的无线网络o蜂窝移动网络：n面向个人移动用户，主营话音业务，也可提供数据通信业务。覆盖范围广，带宽较低。o无线局域网（WLAN，Wi-Fi）：n面向个人用户，用于数据通信。覆盖范围小，带宽高。o宽带无线网络（WiMAX）：n面向建筑物内的固定用户，提供综合服务（话音、视频、数据）。带宽高，覆盖范围广。提供无线骨干和因特网接入o无线网状网络（Wireless Mesh Network）：n利用无线路由器组成较大范围的无线骨干网，为固定及移动用户提供因特网宽带接入。n带宽高、易组网、成本低、覆盖广，性能稳定。n可能的应用包括无线宽带服务、社区网络、实时监视系统、高速城域网等。n结合蜂窝移动网络覆盖广、无线局域网带宽高和组网灵活的优点，是WiMAX的有力竞争者。无线网状网图示无基础设施的网络o自组织（Ad Hoc）网络n由一群兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的临时性自治系统。n网络中不存在专门的基础设施，也称无基础设施的网络。n不以接入因特网为目的，为临时性应用而建，通常覆盖范围较小。无基础设施的网络（续）o无线传感器网络：n以环境监视为目的，每个节点均安装了传感器，具有感知、计算和无线通信能力。n应用包括战场感知、环境监测、智能交通等。传感网、互联网和物联网o物联网是“物物相连的互联网”：n物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络n用户端延伸和扩展到了任何物品o物联网（Internet of Things）的定义：n通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，以实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。传感网和物联网的区别o传感网的用途是监视环境，感兴趣的是节点采集的环境数据而不是节点本身；物联网的用途是物品的智能管理，要求识别节点。o传感网中的节点具有计算智能，能够进行信息处理；而物联网的处理主要在数据中心。o传感网是一种自组织网络；而物联网是建立在互联网基础之上的，并且需要强大的数据中心作为支撑。有缺陷的网络o基于TCP/IP协议的因特网服务模型基于以下假设：n在通信持续时间里，源和目的之间存在端-端路径n任何一对节点之间的最大往返时间不会太长n丢包率较小o有缺陷的网络：n不满足以上一个或几个基本假设，如间歇性连接、长延迟、高误码率、不对称数据速率等。主要内容o无线自组织网络o无线网状网络o无线传感器网络o延迟容忍网络1 无线自组织网络o无线自组网是由一群兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的无中心、多跳、临时性自治系统。n多跳：节点发射功率有限，远距离通信需要依靠其它节点中继，每个节点既是终端又是路由器。n无中心：网络中不存在任何控制中心，节点之间相互协作构成网络。n临时性：为特殊目的而建立，应用完成即拆除。o当节点可移动时，称为移动自组网。自组网的主要应用领域o军事领域：n该技术最初应用于军事领域，是美国军方战术网络技术的核心，如自愈式雷场系统。o民用领域：n临时性场合的通信，如会议、庆典、展览等。n灾难环境中提供通信支持。n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。无线自组网的特点o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）o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）o节点能量有限：节点使用电池供电，充电困难。（所有设计均要求节省能量，延长网络生存时间）o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、拒绝服务攻击等）无线自组网的主要研究问题o信道接入（MAC协议）：n困难：多跳共享广播信道的介质访问控制。o路由协议：n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。o网络安全：n困难：分布式认证与密钥管理，防御入侵。1.1 无线自组网的路由o因特网的静态网络拓扑特性：n网络拓扑变化较少；n节点地址中隐含了路由线索（网络号），方便路由。o因特网路由技术利用了静态网络拓扑的特性：n节点主动收集链路状态信息（拓扑、代价），预先计算好该拓扑下的路由。因特网路由技术不适合无线自组网o无线自组网的动态拓扑特性：n节点移动、失效及链路时变等导致网络拓扑经常变化，拓扑信息的有效性降低（路由难收敛、失效快）。n永久性的节点地址无法包含动态的位置信息。o对移动自组网有用的拓扑假设是：n物理上靠近的节点在网络拓扑上也可能靠近。自组网路由协议的分类o单播路由和多播路由o单路径路由和多路径路由o单路径路由n基于拓扑的路由：基于节点间连接关系计算路由表。o积极（proactive）路由：主动维护到网络中所有节点的路由。o按需（on-demand）路由：仅当节点间需要通信时才建立和维护路由。n基于位置的路由：根据节点的地理位置进行转发决策，不需要路由表。（1）积极路由协议-DSDV Destination-Sequenced Distance Vectoro因特网中的距离矢量算法：n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。n每个表项包括：去往该目的节点的最佳输出线路（下一跳），估计到该目的节点的最短距离。n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。n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。要解决的问题oDSDV采用经典的距离矢量路由算法，各节点在路由更新消息中广播到各目的节点的最新路由。o需要解决以下问题：n节点什么时候发送路由更新消息：周期性更新+触发式更新，异步更新。n如何区分（同一个节点发布的）路由更新消息的新旧：使用消息序号，由发送节点产生。n如何区分（不同节点发布的）路由的新旧：每条路由携带一个由目的节点产生和发布的序号，其它节点不能修改。（DSDV新增内容）DSDV选择路由的原则o节点选择路由的原则：n采用目的序号最新的路由，丢弃较早序号的路由。n若目的序号相等，采用较小跳数的路由。o路由发布：n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给邻居节点。检测链路中断o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。o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。o当节点收到一个跳数，随后又收到一个序号更高的、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。如何减少路由更新的开销？o路由更新的频率和效率：n快速更新有利于路由收敛；但当节点快速移动时，快速更新导致大量广播，降低无线信道的有用性。oDSDV定义了两种路由更新分组：nFull dump：携带完整的路由表nIncremental：只携带上一次full dump之后变化的路由信息，且可以装入一个报文中传输。o协议假设节点能够根据路由变化的重要程度决定是否触发一次增量更新，根据增量更新的数据量决定是否进行一次full dump。MH1离开MH2之前，MH4的转发表 MH4发布的距离矢量 MH1离开MH2之前，MH4的转发表 MH4的新转发表 MH4发布的增量路由更新 环路与计数至无穷问题o已有的距离矢量路由算法（如RIP）都没有解决好路由环路及计数至无穷的问题。oDSDV使用目的序号解决了该问题：n节点总是使用最新最好的路由，避免路由环路的发生；n使用奇数序号表示链路中断，避免计数至无穷的问题。环路与计数至无穷问题示例DSDV的缺点o消息开销大（O(n2)），限制了网络的规模。o节点需维护大量当前不活跃的路由，浪费了不少资源（积极路由的共同缺点）。（2）按需路由协议AODV Ad-hoc On-demand Distance VectoroAODV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。o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（按需路由的共同优点）。oAODV借鉴DSDV中目的节点序号的概念来维护最新的路由信息。AODV的基本思想o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。o源节点向其邻居广播一个RREQ（路由请求）消息，进行路由探测。o每个收到RREQ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）。o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，RREP在返回源节点的过程中，在每个中间节点建立起到目的节点的路由。要解决的问题o如何使RREP返回源节点：n所有转发RREQ消息的节点记录到源节点的路径（反向路径）n收到RREP消息后，沿反向路径发往源节点。o如何区分路由的新旧：路由序号。o如何区分消息的新旧：消息序号反向路径和正向路径的图示RREQ消息的组成oRREQ消息包含6个域：n二元组唯一标识一个RREQ消息。n源序号：用于维护反向路径的新鲜性。n目的序号：可被源节点接受的正向路径的新鲜程度。n跳数：距离源节点的跳数。RREQ的处理和反向路径建立o源节点发送一个RREQ消息。o节点收到RREQ后，有三种可能：n该RREQ已收到过：丢弃该消息。n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。n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）。RREP的处理和正向路径建立oRREP消息包含。o节点收到RREP消息后：n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、最新的目的序号、跳数加1），向源节点传播。n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。路由表管理o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：n目的序号：所有路由用目的序号进行标记。n过期时间：若路由表项在该时间内未被使用，则过期。n活跃邻居集合：在最近时间内向目的节点发送/转发过分组的邻居。路由重建o如果在活跃的会话过程中源节点发生了移动，源节点发送RREQ重建路由。o若目的节点或中间节点发生了移动（路由中断）：n断点上游的节点向所有活跃的上游邻居发送RREP消息，消息序号比之前知道的序号大1，跳数为。n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。n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。（3）基于拓扑的路由算法的扩放性o对路由算法扩放性影响最大的两个因素：n网络拓扑的变化频率n路由域中的节点数目o直观上，拓扑改变产生的更新开销等于状态改变频率乘以节点数量。o因此，基于拓扑的路由算法一般而言对于节点移动的适应性较差。（4）基于地理位置的路由o假设：n节点能够通过GPS或其它方式知道自己的位置坐标n源节点知道目的节点的位置坐标，并将其标记在数据包头中n每个节点知道其所有一跳邻居的位置坐标贪婪转发o基于位置的路由一般使用贪婪转发：n与目的节点距离最近的邻居成为下一跳，数据包在物理距离上不断接近直至到达目的节点。o贪婪转发的优点：n只需知道一跳邻居的位置，从而节点需要维护的状态数（一跳邻居集合）很少。贪婪转发的图示o与目的节点距离最近的邻居成为下一跳。局部最大问题o转发节点比任何邻居节点都更靠近目的节点。边缘转发o使用右手法则按（x-w-v-D-z-y-x）的顺序沿空洞行进，直至到达比x更靠近D的节点（包括D本身）。基于地理位置路由的特点o进行转发决策时，只需局部位置信息，不需要路由表o不需要维护网络拓扑信息o但需要解决节点的位置更新问题1.2 无线自