无线网络技术教程6-无线自组织网络(实验)
无线自组织网络
摘要Ad Hoc网络是近年来发展起来的一种无线移动分组网络，它具有动态变化的拓扑结构，网络中的节点可以任意移动，也可以动态的加入或退出网络。
Ad Hoc网络无任何中心和固定基础设施，网络中各个节点的地位平等，每个节点都具有主机与路由器的双重功能，形成了一个以中间主机节点为中继的多跳的分布式网络结构。
路由技术是Ad Hoc网络的关键技术，也是影响网络整体性能最重要的因素之一。
与单跳的无线网络不同，移动Ad Hoc网络中节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要路由协议进行分组转发决策。
无线信道变化的不规则性，节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。
路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。
本文首先介绍移动Ad Hoc网络的概念、产生、定义，详细总结了移动Ad Hoc 网络的特点、应用场合和研究热点。
然后对Ad Hoc网络体系结构和信道接入协议进行了介绍。
第三章对Ad Hoc网络的路由协议进行了研究分析，并对DSDV、DSR和AODV协议进行了详细的分析研究。
最后，介绍了Ad Hoc网络的分簇算法，详细说明了AOW算法。
关键词：Ad Hoc，自组织网络，AODV，分簇算法ABSTRACTAd hoc network is a kind of wireless and mobile network developed in recent years. It has a dynamic and variable topology, each node not only can move but can join or exit the network freely. It has no center and fix e d infrastructure distributed multi-hop structure，all nodes have an equal status and act as two roles-router and node itself.Routing technique is the key technique of the Ad Hoc network, but also one of the most important factors affect the performance of the whole network. It is different from single hop wireless network，mobile Ad hoc network nodes intercommunicate according to multi-hops data store-forward，which need the support of routing protocol packet forwarding decisions. The regular change of bandwidth and node motivation，pass in and out will lead to the dynamic changes of network topology. The routing protocols will monitor the changing topology，exchange routing information，locate the position of destination nodes，product, select and maintain routing, According to the selected routing and forwarding data to provide network connectivity.In this paper, first of all, introduces the concept, produce, definition of the MANET, summarizes the characteristics, applications, and research focus of the MANET. And then the Ad Hoc network architecture and the channel access protocol is introduced. In chapter 3, we researches and analysis routing protocol of the Ad Hoc network, and carried out a detailed analysis of the DSDV, DSR and AODV protocol. At last, introduces clustering algorithm of the Ad Hoc network, and detailed description of the AOW algorithm.KEY WORDS：Ad Hoc network, self-organizing network, AODV, clustering algorithm目录第一章绪论 (4)1.1A D H OC网络概述 (4)1.1.1 Ad Hoc网络的产生 (5)1.1.2 Ad Hoc网络的定义 (5)1.1.3 Ad Hoc网络的特点 (6)1.1.4 Ad Hoc网络的应用场合 (8)1.2A D H OC网络研究的主要问题 (9)1.3论文的主要研究内容 (10)第二章体系结构与信道接入 (10)2.1节点结构 (10)2.2网络结构 (11)2.3A D H OC协议栈 (13)2.4A D H OC网络体系结构的跨层设计 (13)2.4.1 设计策略 (13)2.4.2 设计方法 (14)2.4.3 跨层设计的优势与挑战 (15)2.5信道接入协议 (15)2.5.1简介 (15)2.5.2面临的问题 (15)2.5.3协议的分类 (18)第三章路由协议的设计 (19)3.1A D H OC网络路由协议的分类 (20)3.1.1平面式路由协议和分级式路由协议 (20)3.1.2表驱动路由协议和按需路由协议 (20)3.1.3 评价路由协议的标准 (21)3.1.4 各类路由协议之间的性能比较 (21)3.2几种典型的A D H OC网络路由协议 (23)3.2.1 DSDV路由协议 (23)3.2.2 DSR路由协议 (24)3.2.3 AODV路由协议 (27)第四章AD HOC网络的分簇算法 (30)4.1概述 (30)4.2基本概念和目标 (31)4.3A D H OC网络中分簇算法的分类和比较 (32)4.3.1 基于节点ID的分簇算法 (32)4.3.2 最高节点度分簇算法 (33)4.3.3 最低节点移动性分簇算法 (33)4.4自适应按需加权分簇算法（AOW） (33)4.4.1一般介绍 (33)4.4.2 AOW算法的特点和目标 (34)4.4.3算法描述 (35)4.4.4网络初始化和簇维护策略 (36)4.5基于分簇结构的A D H OC网络路由协议 (36)4.5.1 CBRP (37)4.5.2 CEDAR (37)4.5.3 ZHLS (37)总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)第一章绪论1.1 Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。
无线自组织网络的应用
无线网络技术及其应用无线自组织网络的应用专业：班级：姓名：学号：成绩：项目任务：1、AODV协议应用2、DSR协议应用项目分析：1、AODVAODV路由协议开始工作时，源节点首先会广播一个携带有目的节点信息的路由分组RREQ，然后邻居节点会依次向周围的节点广播这个RREQ。
广播RREQ前将会建立该节点到源节点的路由，直到路由分组到达目的节点或者下一个中间节点，这个节点包含了节点的路由信息，就不会再广播RREQ。
整个工作过程会建立一个从源节点到目的节点的反向路由。
随后该节点将沿着反向路由发回一个RREP，RREP到达源节点之后路由发现过程结束。
为了避免路由环路，每个路由分组中都包含了一个sequence ID作为唯一标志，当节点收到一个sequence ID比它当前保留的的sequence ID小的数据包时，说明这个数据包是过期的，将不会进行处理，直接丢弃。
发现多条路由时，源节点会选择一条sequence ID大，跳数最少的最佳路由路径。
AODV是一种源驱动路由协议。
当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ(路由请求)报文。
RREQ报文中记录着发起节点和目标节点的网络层地址，邻近节点收到RREQ，首先判断目标节点是否为自己。
如果是，则向发起节点发送RREP(路由回应)；如果不是，则首先在路由表中查找是否有到达目标节点的路由，如果有，则向源节点单播RREP，否则继续转发RREQ进行查找。
2、DSRDSR中移动节点都维护一个存放路由的快速缓冲区。
每当某移动节点要发送分组时，首先查询本地高速路由缓冲区，确定是否存在可用路由，如存在则沿路由发送数据，否则发送一个包含源和目标节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。
中间节点收到该请求后，查询本地缓冲区，如无到达目标节点的路由，则将本节点地址加入请求分组后转发，直至将分组转发到目标节点或有到达目标节点路由的中间节点。
无线自组织网络
074无线自组织（Ad hoc）网络的NS模拟研究首先，让我们了解什么是无限自组织网络。
无线自组织网络即MANET(Mobile Ad Hoc Network)，是一种不同于传统无线通信网络的技术。
传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。
而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。
这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。
但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。
无线自组织网络(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。
其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。
通常节点具有持续的能量供给。
在当今无线网络普及的同时，通信的发展已经不再局限于有线。
无线互联技术是目前及未来网络技术的研发热点，自组织网络处于向4G无线技术进化的中心与其他通信网络相比，无线自组织网络具有带宽有限、链路容易改变、节点的移动性以及由此带来的网络拓扑的动态性、物理安全有限、受设备限制等特点。
正是由于这些区别，无线自组织网络协议栈也产生了比传统网络协议栈更高的要求：适应移动分布节点随机收发行为的媒体接入控制(MAC)协议，基于动态拓扑结果的高效、稳健的路由算法，便利的异构网络互联技术，有效的功率控制，合理的跨层信息交互、多层协同设计，可靠的安全机制等等。
任何事物的产生都有利有弊。
当今的无线技术也不例外。
MAC协议是无线自组织网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。
目前，在无线自组织网络中MAC协议面临着隐藏终端、暴露终端，信道分配，单向链路，广播扩散等问题。
在发送节点覆盖范围以外的、存在着潜在冲突的节点问题就是信道访问中的隐藏终端问题。
实训：无线组网
实训：无线组网四、实验步骤步骤及简述：配置思想：无线路由器B作为中心无线路由器，无线路由器A、C与无线路由器B建立WDS连接。
步骤如下：一、中心无线路由器B设置登陆无线路由器设置B管理界面，在无线设置-基本设置中设置“SSID号”、“信道”，如图：LEW匚唆置本页设置LAt 口的基瑞阳参数”MAC地址：口上好匚卜L0-iC-OAIPKlli : L亚喳L-2 1子醐f码；255. 255, 255. 0 V俣存 |帮助2.启用WDS功能。
重启完毕后，用更改后的LAN 口IP地址重新登陆无线路由器A, 在无线设置-基本设置中勾选“开启WDS”。
大家注意这里的SSID跟B路由器的是不一样的，当然也可以设置成相同的，这样你在这三个路由器覆盖范围内可以漫游，也就是说只要你在这个范围内随意一点连上了网，到这个范围内的另一点也能上网，不用重新连接，重新输入SSID很方便形象的说就是三个路由器组成了一个相同的大网。
本面述置路由罂铛网络的其本参数口兆口）号! H-UHK/4:1」信道： B 7模式: 1 Ibgji nised v骊段带宽：E的7最大蜀圣速率：^iOOMhDs v回升后专覆功能回开启SS1UL播（口开启保存|帮助|3. WDS设置。
点击“扫描”，搜索周围无线信号报苴： 1 f h炉siis(=d v至境帝■宽：目•：7卷:野第F：,oora>pi v'i回开白卷1 瘫叵开吕EEID E回开后演相触!监口： |林酶J BSEIU ：Pi?tl：OO-]»-0F-ll-2?-33映四：YW密钥甲号-认证潘：用：倬忏超虹在扫描到的信号列表中选择B路由器SSID号，如下图中TP-LINK_841_B,点击“连接”位列衷日荒到的品的信息如下：城建目：5KSID SSID悟号强度信道是否D喈志拦1OO-lEO-EE-53-78Filial E6是整00-25-E6-5A-nS-06Tf-LIlfK_341_B1036是(M) 300-23-CD-24-68-28TE-UBK_24682a416告建q DD-UU-D3-lZ-C&-rS nateton511是钮500-23-CD-A4-D?-BS Pr i vat e432我[W将信道设置成与B路由器信道相同。
无线自组织网络技术
第七章 无线自组织网络技术
如果一个节点听到邻居节点在进行数据发送，它就自动禁止向 其他节点发送数据。这就是所谓的暴露终端问题。如图7.5所示的节 点A即为暴露终端。
隐藏终端问题降低了网络的可用性和系统的吞吐量。解决隐藏 终端问题可以使用控制信道和数据信道分离的方法和使用定向天线 的方法。如图7.6所示。
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短距离无线通信技术及应用 电子工业出版社
第七章 无线自组织网络技术
4．带信令的功率感知多址协议(PAMAS) 在移动Ad hoc网中，一个节点不管是在发送、接收或者处于空闲
模式都会消耗功率。一个节点处在发送的时候，其所有的邻节点都 会听到它的发送。这样，即使不是发送的目的节点，这些邻节点也 要消耗功率进行接收。基于这种现象，Raghavendra等提出PAMAS协 议。
移动Ad hoc网MAC协议的设计一定要考虑无线传输的特性。以 下是一些MAC协议的实现机制，了解协议如何解决无线链路中产生 的问题。
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第七章 无线自组织网络技术
1．隐藏终端与暴露终端问题 隐藏终端是基于竞争机制的协议中一个著名的问题，在ALOHA、
时隙ALOHA、CSMA、IEEE 802.11等协议中均存在。如图7.1所示的 节点A、C相对节点B就是隐藏终端。
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第七章 无线自组织网络技术
在PAMAS协议中，假定RTS/CTS信息交换在信令信道上进行， 数据分组在数据信道上传送，两个信道之问是分离的。信令信道 决定了节点什么时候关闭，以及关闭多长时间。如图7.12所示是 PAMAS协议的状态转换图。
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无线自组网组网实验手册
>> 地址池范围：192.168.1.100——192.168.1.254
二、路由器 2 （1）无线网络 >> 一般设置
①频率：2.4GHz ②SSID：wifi_02 ③无线模式：自动 ④频道带宽：40MHz ⑤频道：1 ⑥授权方式：Open system （2）无线网络 >> WDS(无线桥接) ①频率：2.4GHz ②AP 模式：Hybird （3）无线网络 >> WDS(无线桥接) >> 远程基地列表 >> 添加提取 4 台路由器 （4）内部网络 >> IP 地址设置 路由 1：192.168.1.2
本实验通过几个无线路由器模拟无线节点，基本实现了一个简 单的无线自组网功能。
第二章 实验
2.1 实验思想
由于无线自组网具有节点与终端一体的特点，并且现今的协议并不完善，因此我们 短时间内无法找到完美的实验设备。
所以，此次实验是由几台路由器来模拟无线自组网中节点与终端一体的设备，目的 是让我们体验到无线自组网的基本功能，让我们对无线自组网的了解更加深刻。
无线自组网组网实验手册
第一章 引言
无需任何基础设施的前提下，无线自组织网络 (Wireless Ad Hoc Network, WANET)能够快速组网来支撑用户的应用需求，具有 成本低、自愈能力高、可拓展性强等特点。目前，最初为军事应 用所提出的无线自组织网络逐渐被应用到民用领域，如无线传感 器网、无线网状网等，并发挥着越来越重要的作用。
Ps:终端①不能 ping 通终端②
图 1-2
无线自组网实训报告
无线节点自组网开发与设计综合实训姓名：陈荣荣、王娜学号： 1204333127、1204333142班级：物联1211指导教师：戴娟、何志勇课程名称：无线节点自组网开发与设计综合实训提交日期：2014 年 6月20日概要本实训通过无线节点组网系统的完整的设计，使学生理解并掌握zigbee2007协议内涵，能利用该协议完成组网、跳频、跳网编程，进一步将已学过的相关内容课程和在课程中初步掌握的单项、单元（技能）能力有机的融合在一起，培养学生完成一个实际无线节点网络系统从设计开发到功能调试完整的综合职业能力。
在此过程中充分发挥学生的主动性、创造性，经进一步培养他们在整个工作过程中的团队协作能力和敬业爱岗意识。
目录概要前言第一章 ZigBee的简介第二章无线传感器网络技术第三章自组网及协议栈各层功能第四章 CC2530常用的控制寄存器第五章 ZigBee节点自动跳频、跳网问题第六章自组网典型应用结论致谢前言通过5个星期的实训，我对无线网络技术有了更深层次的了解，对ZigBee的组网也有了进一步的认识，与此同时通过该次实训还培养了我理论联系实际的能力，提高了我分析问题和解决问题的能力，增强了独立工作的能力。
培养了我与其他同学的团队合作、共同探讨、共同前进的精神。
1.了解了无线网络技术。
2.熟悉了ZigBee的基本知识以及ZigBee的协议各层功能。
3.知道了一些基础实验的实现方法。
4.熟悉对组网典型应用的编程和相关的设置。
5.能够正确使用物联网测试仪进行数据的空中抓包并进行数据的分析。
第一章 ZigBee的简介随着国内经济的高速发展，城市的规模在不断扩大，尤其是各种交通工具的增长更迅速，从而使城市交通需求与供给的矛盾日益突出，而单靠扩大道路交通基础设施来缓解矛盾的做法已难以为继。
在这种情况下，智能公交系统(AdvancedPublicTransportationSystems，APTS)也就应运而生，并且成为国内研究的热点。
无线自组织网络路由算法及相关技术研究
3、带宽有限：无线信道带宽有限，需要有效地利用带宽资源。 4、能量限制：节点一般携带有限能量的电池，需要合理地分配能量资源。
由于这些技术特点，路由算法在无线自组织网络中的地位尤为重要。良好的 路由算法可以提高网络的通信效率和连通性，降低能耗，增强网络的鲁棒性。
算法
无线自组织网络的路由算法可以根据不同的标准进行分类。常见的分类方式 包括基于节点的路由、基于信号强度和基于拓扑的路由算法。
无线自组织网络路由算法及相关技 术研究
01 引言
03 算法 05 可扩展性
目录
02 背景 04 安全性 06 参考内容
引言
无线自组织网络是一种没有固定基础设施支持的计算机网络，节点通过无线 通信技术进行互联和通信。由于其具有自组织性、分布式性和灵活性等特点，无 线自组织网络在军事、灾害救援、智能交通等领域得到了广泛应用。路由算法是 无线自组织网络的核心技术之一，负责将数据包从源节点路由到目的节点。本次 演示将对无线自组织网络路由算法的相关技术进行简要介绍。
结论
本次演示对WMAN路由技术进行了详细阐述和技术分析。虽然WMAN路由技术在 许多方面具有优势和应用价值，但仍存在一些问题和不足。未来，针对WMAN路由 技术的研究将继续深入，并朝着提高网络的稳定性和性能、优化路由协议和算法 以及开发更为高效的数据传输技术等方向发展。随着无线通信技术和移动计算技 术的不断进步和发展，相信WMAN路由技术在未来将会得到更广泛的应用和推广。
谢谢观看
3、基于拓扑的路由算法
基于拓扑的路由算法是根据网络的拓扑结构来选择路由路径的。常见的基于 拓扑的路由算法包括最小生成树路由、最短路径路由等。这类算法的主要优点是 能够找到最优的路由路径，适用于稳定网络环境。但它们也存在着一些问题，如 需要全局信息，不适用于大规模网络等。
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DSDV路由协议
表驱动式：DSDV路由协议
☆路由表项目：目标节点地址，下一跳，最近跳计数，序
列号（区分路由的新旧）；
路由表维护规则：
☆节点周期性互相通告当前路由表； 节点A路由表
☆收到更新通知后，及时更新自己的路由表；
☆如果节点长时间未收到邻居的更新，认为链路中断；
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DSDV路由协议
DSDV示例
(a)中节点C初始路由表 目标 D 下一跳 跳计数 序列号 A 3 1000 目标 D
(b)中节点C路由表更新 下一跳 跳计数 序列号 D 1 1001
第4步，C更新A的路由 表，结果是什么？
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2 按需路由协议
按需式：AODV路由协议
中间节点不需维护路由表。 Ad Hoc应用最广泛的按需路由协议之一。
• 总结
• 网络结构
• 对等式结构 • 分级结构(簇)
• 路由协议
• 表驱动（先验式）路由协议：DSDV
•
•
速度快，开销大
• 按需（反应式）路由协议：：AODV 速度慢，开销小
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6.2.3 MANET的路由协议
MANET的两类路由协议
表驱动（先验式）路由协议：
每个节点维护路由表，包含到达其它节点路由信息；如果 拓扑变化，随时更新。 如：DSDV、WRP、FSR等
按需（反应式）路由协议：
节点平时不维护路由表，需发送数据时才查找路由。 如：AODV、TORA、DSRP、SSR等
FDBA
G
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AODV路由协议
四、G接收RREQ，按照逆向路由GFDBA，返回 路由响应包RREP给A，建立了从A到G的完整路由。
BA
B
C
E RREQ
RREP
A
D
DBA
F
FDBA
G
GFDBA
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3，典型路由协议的分析比较
表驱动和按需路由协议的性能高/低比较？
协议类别
路由协议 获取时延 控制开销 控制能耗 带宽开销 表驱动 DSDV 低 按需 AODV 高
BA
B
C
E
RREQ 逆向路径
A
D
F G
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AODV路由协议
二、D接收RREQ，并创建逆向路由，记录DBA。 C也收到了来自B的RREQ，省略未表
BA
B
C
E
RREQ 逆向路径
A
D
DBA
F
G
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AODV路由协议
三、F接收RREQ，并创建逆向路由，记录FDBA
BA
B
C
E RREQ 逆向路径
A
D
DBA
F
3
6.1.2 移动Ad Hoc网络的定义
Ad Hoc
☆定义：由若干个无线终端构成一个临时性的、无中心的 网络，不需要任何基础设施（如路由器，交换机）。
MANET (Mobile Ad-hoc Networks)
☆定义：多个移动终端构成的Ad Hoc网络。
如果单个节点通信距离不足，谁来做路由器？
路由规则
当节点有数据要发送时，广播路由请求包RREQ，等 待目标节点反馈，建立路由表。
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AODV路由协议
实例
假设节点A要向G发送数据
B C E
A
D F G
AODV示例网络拓扑
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AODV路由协议
一、A广播路由请求包RREQ ，B接收RREQ， 并创建逆向路由（记录BA，A是B的上一跳）
无线网络技术教程 ——原理、应用与仿真实验
第6章 无线自组织网络
目录
☆Ad Hoc、MANET网络概述 ☆MANET路由协议
2
6.1 Ad Hoc网络概述
Ad Hoc网络的背景
☆1972年，美国国防部，启动分组无线网项目。 ☆分组无线网是Ad Hoc的前身。 ☆Ad Hoc是无线传感器网络的前身。 ☆1990年代开始，Ad Hoc网络的研究得到长足进展。 ☆2000年之后，研究热点转换为——无线传感器。 ☆目前，尚未大规模实用，仍处试验阶段。Ad Hoc和无线 传感器网络
目标 D 下一跳 跳计数 序列号 C 2 1002
用路由序列号，解决环回现象
(b)中节点A路由表更新 目标 D 下一跳 跳计数 序列号 ∞ 1001
D
B
2
1000
(a)中节点B初始路由表 目标 D 下一跳 跳计数 序列号 D 1 1000 目标 D
(b)中节点B路由表更新 下一跳 跳计数 序列号 ∞ 1001
节点B的路由表
C C A (a) B D (b) B D
目标节点
下一跳
跳计数
A
D
A
3
在C到D的路由信息到达A之前，产生路由环回现象，即 A或B想要向D发送的数据会在A和B之间来回转发，无法 到达真正的目标。
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DSDV路由协议
(a)中节点A初始路由表
目标 下一跳 跳计数 序列号
(b)中节点A路由表更新
高
高 高
低
低 低
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发展：DTN网络
DTN (Delay Tolerant Networks，容迟网络)
2002年提出，在一些特定的网络环境下，如：星际网 络，车辆网络， 经常出现网络断开的现象，不能保持
端到端的路径。
特点：
1.长延时 2.节点资源有限 3.间歇性连接 4.不对称数据速率 5.低信噪比和高误码率
C C A (a) D
A
B
D
(b)
B
初始：A通过B与D相连 更新：D移动，D和B断开，D和C连接
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DSDV路由协议
初始状态：图(a)中节点A和节点B起始路由表
节点A的路由表 节点B的路由表 跳计数 2 目标节点 D 下一跳 D 跳计数 1 下一跳 B
目标节点 D
更新状态：图(b)中节点D移动到新位置，节点B的路由更新
6
6.2 MANET体系结构和协议原理
6.2.1 MANET的网络结构
对等式结构
如何把数据 传递过去？
☆优点：源与目标之间存在多条路径，健壮性好，相 对比较安全。 ☆缺点：关键位置节点能耗较大、寿命短。
分级结构(簇)
簇
内部节点
簇头
网关节点
对等式结构
分级结构
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第6章 无线自组织网络 目录
☆Ad Hoc、MANET网络概述 ☆MANET路由协议
4
6.1.2 移动Ad Hoc网络的定义
节点的双重角色
☆主机：采集和处理数据。 ☆路由器：运行路由协议，进行路由发现、维护、转发
等操作。
☆例如：
A和C互相不在信号范围内
需要B充当路由器的角色
5
A
B
C
6.1.3 MANET的特点
MANET协议的特点
☆拓扑结构，动态变化 无固定通信设施，网络节点随机移动 ☆资源有限 节点的能量和网络带宽有限 ☆多跳通信 无中心节点，节点之间通信，需要多跳转发 ☆安全性较低 无线信道，易受窃听、篡改、伪造等攻击