注：本文根据大连理工大学《高级计算机网络》课程整理，这部分是移动自组网专题。整理不易，对你有用的话点个赞吧！

《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）
《高级计算机网络》之无线传感网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂）
《高级计算机网络》之物联网——大连理工大学研究生课程整理笔记（非常详细，通俗易懂）

mobile ad hoc network 移动自组网

名词汇总

MANET mobile ad hoc network 移动自组网
DSR dynamic source routing 动态源路由
RREQ route request 路由请求
RREP route reply 路由回复
RERR route error 路由错误信息
hello message 用来检测连通性的
LAR Location Aided Routing 位置辅助路由
bi-directional 半双工：可发可收，但是不能同时发和收

introduction 介绍

fromed by wireless hosts which may be mobile 由移动终端组成
without using a pre-existing infrastructure 不用预先存在的基础设施
routes between nodes may potentially contain multiple hops 多路跳转
may need to traverse multiple links to reach a destination 可能需要遍历多条链路来到达目标节点
mobility causes route changes 移动性导致的路由变换

why mobile ad hoc network?

easy of deployment 部署便捷
speed of deployment 部署速度快
decrease dependence on infrastructure 减少对基础设施的依赖

many applications 应用

个人应用
- 手机，笔记本，耳机，手环
军事应用
- 士兵，坦克，飞机
城市环境
- 出租车网络，会议室，运动场，小船，小型飞行器
突发事件场景
- 搜救，警用设施，消防救援

许多变化many variations

完全对称的环境
- 所有的节点都有相同的能力和责任
非对称环境
- 传输范围和雷达不同 transmission ranges and radios may differ
- 不同节点的电池寿命不同
- 不同节点的处理能力不同
- 移动速度的不同（不同节点）
非对称环境下各节点的责任
- 只有一些节点发送报文 route packets
- 一些节点负责领导附近的节点（节点集群）
不同的移动自组网中交通设备的特性
- 比特率
- 时效性约束 timeliness constraints
- 可靠性要求 reliability requirements
- 单播，多播，位置辅助多播
可能基于相同的基础设施进行合作，共存。
移动模式不同
- 人在飞机的候机室
- 纽约的出租车
- 孩子玩耍
- 军事移动
- 个人领域的网络 personal area network
移动特性
- 速度
- 预测
  - 移动方向
  - 移动模式
- 不同节点之间的移动缺乏一致性

*挑战 challenges

无线传输范围有限
无线终端的广播特性：隐藏终端问题 hidden terminal problem
传输错误导致丢包
移动导致路由变化
移动导致丢包
能量限制 batter constraints
潜在的大量网络介入 potentially frequent network partitions
安全问题：无线网络容易被监听 ease of snooping on wireless transmissions(security hazard)

hidden terminal problem 隐藏终端问题

A 和 C 无法感知到对方。

解决方案 the holy grail

圣杯：极难得到的东西

一劳永逸的解决方案 a one-size-fits-all solution
- 可能使用一个自适应的/混合的方案
许多方案提出尝试解决一个子问题

假设：所有的环境都是对称的

除非特别声明 unless stated otherwise, fully symmetric environment is assumed implicitly

unicast routing 单播路由

没有任何协议能在所有环境里都表现良好。

路由协议的分类

主动路由协议
- 根据移动模式主动探测
- 传统的link-state和distance-vector 路由协议是主动的
被动路由协议
混合路由协议

折中方案 trade off

路由发现的延迟
- 主动式路由协议低延迟：因为路由一直保持连接
- 被动式高延迟：因为X到Y的路由只有在X尝试发送到Y的时候才开始建立
路由发现或保持的开销
- 主动式开销大：因为要保持路由的更新
- 被动式开销小：只有必要的时候才进行路由探索
哪一个方法达到更好的折中取决于流量和移动模式

路由协议一览

重点关注：

洪范式路由发现过程，

动态源路由发现过程（路由缓存），

位置辅助路由发现过程，

以及DREAM算法（实际上也是基于地理位置的，圆锥区域发送），

查询本地化（在旧的路径的基础上最多加入K个新节点），

还有对于广播风暴的应对算法（距离，计数，延迟转发，dropout)，以及查询本地化（最多K个节点，减少洪泛范围）

按需距离矢量路由AODV（路由信息保存在节点上，单一路径路由，需要的时候才连接）

链路反转算法（部分反转，全反转，可能会有多条路径）

洪泛式数据传输 flooding for data delivery

发送节点S发送数据包P给所有的邻接结点
每个收到P的节点也转发给各自的邻接节点
序列号码用来防止传输相同的包两次
目标节点D不用转发package

洪泛式数据传输的优点

简单
可能的高效性（低开销）：当信息传输率足够低的时候，可能会比其他协议有效，因为路由发现和保持的开销增加。
- 例如：当传输的数据包比较小的时候，而此时两次连续传输之间的路由结构发生了变化
潜在的数据传输的高可靠性
- 因为传输到目标节点有多条路径

洪泛式数据传输的缺点

高开销
- 数据传输给许多不必要的节点
可能的低可靠性
- 洪泛使用广播，而广播在不明确增加开销的前提下是很难保证可靠性的。 IEEE802.11 MAC是不可靠的
- 例如，节点J和K同时发送数据包给D导致数据包丢失，导致冲突。

改进：洪泛式控制包传输 flooding of control packets

许多协议只是洪泛控制包，而非数据包
控制包用来进行路由发现
被发现的路由可能用来发送数据包
洪泛控制包的开销被分摊了 ？如何分摊：理解，可能是和之前的洪泛数据包作比较？

动态源路由 dynamic source routing(DSR)

初始节点S 通过洪泛 发送 RREQ（route request 路由请求包）

每个经过的节点都将自己的标识加入到控制包中（慢慢的形成一条路径）

目标节点D收到第一个RREQ之后，根据RREQ中的路由反转，发送RREP（route reply 路由回复包），RREP包含了S到D的路由信息。

RREP 只能在半双工传输链路中传送，因此发送RREQ的时候应该只发送给满足半双工传输路径的节点（即发给他，他也能发给我，全双工是能同时收发，半双工是双向收发，但不能同时）
如果路径中的节点允许非全双工（非对称）那么可能目标节点还需要发现到S的路由。（即不能反转S到D的路由，还得重新寻找回去的路）
- 如果路由D已经知道了到S的路由，那么RREP会经过这个路由发送

源节点S收到目标节点D的RREP之后

S将会捕获S到D的路由信息
S发送给D的数据包中，在头部将会包含整条路由信息（hence the name source routing)
中间负责转发的节点根据数据包头部的souce route来决定转发给哪个节点

什么时候执行路由发现：当节点S要发送数据包给D但是不知道S到D的路径的时候。（废话）

改进DSR优化：路由缓存 route caching

在路由发现过程中可以充分利用所有涉及的节点已知的信息。

路由缓存的使用

情景一：当节点S获知到节点D的路由中断的时候，它会从路由缓存中找到一条可行的路由。否则就发送RREQ进行路由发现。

情景二：中间节点X如果收到了一个路由请求并且知道从X到目标节点的路由，那么X可以直接发送RREP给S。

可以加速路由发现
可以减少路由请求的传输

路由缓存需要注意的

过期的路由缓存会影响性能stale caches
随着时间流逝和终端的移动，已经获知的路由信息可能会无效/过期。
发送者可能需要多次尝试才能找到一条好的路由

DSR优点

只有必要的节点之间才进行路由保持连接
路由缓存能够进一步减少路由发现的开销
一个路由发现过程可能会产生许多到目标节点的路由。因为中间节点从本地缓存中进行回复。

DSR缺点

路由长度过长，包的头部过大（可能会导致负载降低，即包头比数据还大）
路由请求信息洪泛可能会到达所有的节点
需要避免相邻节点之间的路由请求冲突：在转发RREQ之前设置随机延迟（即，隐藏终端问题）
冲突加剧：如果大量的节点用本地缓存路由信息进行回复
- 路由回复风暴问题 route reply storm problem（后面有风暴问题的解决方案）
- 当一个节点获知别的节点有更短的路由RREP已经发送的时候就不用再发RREP了，这样可以缓解路由回复风暴问题。
一个中间节点的本地缓存路由信息可能是过时的，而它用这个信息进行回复会**污染其他的缓存。**polluteing other caches
这个问题可以通过引入某种净化机制来缓解。
一些可行的净化方案
- 静态超时 static timeouts设置超时时间（时间到了就清除路由缓存信息，或者使用一个队列，将比较久的信息清除）
- adaptive timeouts based on link stability 根据链接稳定性设置动态的超时时间，例如链接不稳定的时候超时时间短（链路不稳定的状态下，路由信息失效更快）

洪泛控制包的时候

如何减少路由请求洪泛的范围
- LAR 位置辅助路由
- Query localization 查询本地化
如何减少冗余的广播
- 广播风暴问题

位置辅助路由LAR

Location Aided Routing

位置可以通过GPS获得，或者其他什么方式。

期望区域Expected Zone：即目标节点可能的区域范围，基于之前的目标节点的位置信息以及目标节点移动的速度

请求区域Request Zone：包含目标节点期望域和发送节点的区域

LAR算法：

只有在请求域内的节点才转发请求（请求域外内的节点收到请求即丢弃，不转发，这样能缩小洪泛范围）
在请求头中显式地包含了路由请求的请求域（即物理划定的范围，节点知道自己的物理信息，能判断自己是否在该范围内）
每个节点都必须知道自己的位置以决定是否转发收到的请求
如果Sender初始化的请求域太小以至于没找到目标节点，那么一段时间后重新初始化一个较大的请求域（请求范围），最大的范围可能包含整个网络（相当于完全洪泛）
其余的部分同DSR（动态源路由协议）

LAR优化：动态请求域 adaptive request zone

每个节点可以根据自己掌握的信息更改请求域（请求域逐渐缩小）
更新后的请求域使用的是最新的、较为准确的位置信息，可能比原始的请求域小

LAR优化：模糊请求域implicit request zone

之前的模式中，路由请求显式地包含了请求域，这次不包含而是由节点决定是否转发
如果节点X相对于节点Y更接近目标节点，那么节点X就转发节点Y的请求
动机是：尽可能地让路由请求在每一次转发之后更接近目标节点
基于这样一个假设：在路由发现过程中，节点X的位置Y是知道的

LAR优点

减少了路由请求洪泛的范围
减少了路由发现的开销

LAR缺点

每个节点都必须知道自己的物理位置
没有考虑在信号传输过程中可能存在的障碍物 obstructions for radio transmissions

Distance Routing Effect Algorithm for Mobility(DREAM)

移动的距离路由效应算法

注意：LAR洪泛的是控制包，而DREAM洪泛的是数据包，不需要事先知道路由（不需要发起路由发现的过程）

利用位置信息和速度（同LAR）
直接洪泛数据包（不同于LAR）

如上图所示，S发送数据包给在圆锥区域内的所有邻接节点（它知道目标节点的大概方位，但是不知道路径）

收到数据包的节点A在一个更小的圆锥区域内转发请求（它也知道目标节点大概的方位，但是不知道路径）
所有收到数据包的节点都如同A一样操作直到找到目标节点

前提是，所有的节点都要知道自己的位置以及邻接节点的位置

节点需要周期性地广播自己的物理位置
广播的范围应该也是圆锥区域（而不是全网），所以距离自己近的节点更新频繁，距离远的节点更新就慢。
Distance Effect：距离远的节点相对于距离近的节点以较慢的角速度移动
使用TTL来控制广播信息/数据包发送的距离。如果TTL短，发送的距离也短，TTL（time to live存活时间)到了就认为失败。

Relative Distance Micro-Discovery Routing（RDMAR）

相对距离微发现路由

发送节点先评估到目标节点的跳数
根据以上的评估来设置TTL
评估依据是：之前的目标节点到发送节点之间的物理距离以及传输范围

Gerographic Distance Routing（GEDIR）

地理距离的路由

假设目标节点的位置是已知的
每个节点都知道自己的邻接节点的位置
每个节点转发包给距离自己最近的邻接节点
但是可能会存在不可达的情况，因为局部最短路径全局不一定是最短的，甚至是不可达的
如果相同的边遍历了两次，认为路由发现失败（不可达），即C发给G，G又发给C。

Routing with Guaranteed Delivery

保证交付的路由

基于GEDIR改进：保证转发，即提供一条确定存在的源到目标的路径
Guarantees delivery(using location information) provided that a path exists from source to destination
必要的时候路由可以绕道，回溯。routes around obstacles if necessary

Query Localization查询本地化

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围
route requests are propagated only alone paths that are close to the previously known route 路由请求的转发只基于之前已知的路由路径
the closeness property is defined without using physical location information 所谓的最近定义不基于物理位置信息
path locality heuristic(启发式的，探索式的)：look for a new path that contains at most K nodes that were not present in the previously known route 寻找一条新的路径包含最多K个新节点，这K个节点并不包含在最近已知的路径中。
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.
只有当路由请求头中的节点包含至多K个新的节点（之前的路由中没有出现过的节点）时，本次路由才会转发，这大大限制了路由转发的数量。

查询本地化的优势

在不用物理位置信息的前提下减少了路由转发的开销
可以在旧路由的邻近区域搜索新路由，在有障碍物的情况下表现更好

查询本地化的缺点

可能会产生比LAR更长的路由，最短的路由可能包含了超过K个新节点，所以找到的路由不一定是最短的。

看这个例子，之前已知道的路由SAD（旧的路由），现在D移动了位置变成了右边的样子。

这样只需要在旧的路由的基础上，最多再洪泛两个节点，即SABE，或者SABC.失败了就增大K。

而F节点不会转发请求，因为加上F节点就是新增三个节点了，这样能够控制洪泛的范围。

广播风暴问题 Broadcast Storm Problem

冗余:一个节点可能会收到许多节点的相同信息
概率模式：一个节点第一次收到请求的时候，它以概率P来决定是否转发
或者：不同节点延迟转发，采取碰撞避免机制。如果同时转发到一个节点，很容易会导致碰撞。wait a random delay when channel is idle(无事可做的)
计数模式：如果一个节点E接收到超过K个邻居的路由请求，不进行转发。（这意味着这个节点E周围已经有很多洪泛数据了）
- 直觉上认为这K个邻居已经转发给这个节点E的所有邻居了。
**基于距离模式：**如果E接收到节点Z的请求转发，而节点E和Z的距离小于d,则E不进行转发。
- 直觉上认为：E和Z太近了，E和Z覆盖的区域相差不大，即便E进行了转发，所能通知到的新节点也寥寥无几。

广播风暴问题总结

概率转发，延迟转发，计数模式，距离模式
洪泛会导致：碰撞，冗余
碰撞问题：通过延迟转发解决，waiting for a random interval before propagating the flood
冗余问题：通过选择性的转发来解决

Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) 按需距离矢量路由协议

总结：只有需要的时候才发起路由请求，路由信息保存在每个节点上，每个节点只保存到下一跳的信息。

动态源路由头部包含了路由信息，这导致头部越来越大，可能会让负载有效率降低，即头部比负载信息还大。
AODV将路由表保存在节点，这样数据包就不用包含路由信息了
AODV和DSR一样只有节点之间需要通信的时候才保持连接。
RREQ发送的过程同DSR
当一个节点转发请求的时候，它反转路径指向源节点，AODV假设是全双工的
当目标节点接收到请求的时候，它根据反转的路径发送RREP
一个中间节点可能会发送RREP提供一个最新的到目标节点的路径。
但是这个中间节点发送RREP的概率比DSR低，因为节点S发起的RREQ设置了一个更大的序列号，而中间节点的序列号较小无法发送RREP。（当序列号足够大时才认为它掌握的信息是最新的）

timeouts

一个路由表维护的逆向路径在一段时间后（timeout 超时时间）将会被清除
- timeout的设置应该能保障RREP回到发送节点
一个路由表维护的逆向路径在一段时间内（active_route_timeout 活动路由时间)没有使用，将会被清除。
- 即便这个路劲信息依然是有效的

Link Failure Reporting 连接失败报告

Route Error

当节点X无法转发数据包P的时候，它就生成一个RERR消息
节点X加大目标节点的序列号，序列号将被包含在RERR中
节点S收到RERR之后，重新开始路由发现过程，这时对目标节点设置的序列号至少比N大（每一跳之后序列号就增加）

AODV总结

routes need not be inclued in packet headers包头不用包含路由
nodes maintain routing tables containing entries only for routes that are in active use节点只需要维护需要使用的路由表实体
at most one next-hop per destination maintained at each node 最多只需要维护一跳的信息就行（一个节点只需要维护到邻居的路径即可）
- dsr may maintain serveral routes for a single destination（DSR需要维护很多，可能是整条完整的路径）
unuserd routes expire enve if topology dose not change 即便网络拓扑结构没有发生改变，那些长期未使用的路由也会被清除

Link Reversal Algorithm 链路反转算法

首先要求链路是bi-directional 半双工的（可发可收，但是不能同时发和接收）
为每一个目标节点维护一个有向无环图（Directed acyclic graph DAG)
除了目标节点，任何没有出路的节点都将入的链路反向
注意到之前反向过得邻居还会再次被反向：每次都是整个网络满足条件的节点反向。 full reversal method 全链路反向方法
partial reversal method 局部链路反向算法：之前反向过得不用再反向

链路反向算法的优点

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 可能会有多条路径到目标节点

缺点

need a mechanism to detect link failure（需要引入检测链路失败的机制）
- hello messages may be used 发送hello message来检测连通性
- but hello message can add to contention
if network is partitioned（分割），link reversal continue indefinitely (陷入死循环)

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