无线网络技术导论知识点

无线网络技术导论

主讲教师：张亮老师

https://blog.csdn.net/Wjwstruggle/article/details/93243754

目录

无线网络技术导论

第一讲 无线网络概述

1、计算机网络的协议体系

2、TCP/IP模型

3、无线网络：从覆盖范围分类

4、重要的无线网络组织

第二讲 无线传输技术基础

1、传输媒体分类

2、波长和频率

3、电磁波分类

4、传播方式

5、无线传输损伤方式

6、信号编码技术——基本概念

7、信息通过数据通信系统进行传输的过程

8、编码调制的区别

9、信道复用技术

10、码分复用CDM

11、什么是扩频

12、扩频使用的两种信号构建技术

第三讲 无线个域网

1、无线个域网分类

2、无线个域网种类

3、蓝牙

4、IEEE 802.15

5、UWB

6、Zigbee

7、HomeRF

8、各无线个域网的优势

第四讲 无线局域网

1、无线局域网的组成

2、无线局域网技术模式

3、IEEE802.11三大标准

4、IEEE802.11三大标准比较

5、什么是Wi-Fi

6、IEEE802.11媒体访问控制

7、无线介质访问控制方式

8、分布协调功能（DCF）

9、点协调功能（PCF）

10、802.11安全机制

第五讲 无线自组织网络

1、移动Ad Hoc网络特点

2、ad hoc网络面临的问题

3、Ad hoc网络体系结构

4、平面结构的优缺点

5、层次结构的优缺点

6、距离矢量（Distance-Vector）

7、路由通告（route advertisement）

8、对拓扑变化的响应

9、ROUTE REPLY风暴

10、移动Ad Hoc网络MAC层有哪几种协议

第六讲 无线传感网络

1、WSN概述

2、传感器网络的分类

3、无线传感网络的路由协议（3个）

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第一讲 无线网络概述

1、计算机网络的协议体系

网络技术中为数据交换而设置的标准、规则和约定的集合称协议。

具体某个协议往往关注具体某一层，用于同层实体间通信的相关规则约定的集合。

协议三要素：语义、语法和定时。

语义——协议控制信息的具体含义；

语法——数据和控制信息的格式、编码规则；

时序——数据和控制信息的收发同步和排序。

 

2、TCP/IP模型

 

3、无线网络：从覆盖范围分类

（1）无线个域网(WPAN) 通过短距离无线电，连接PC各部件如显示器、键盘和鼠标等。典型蓝牙技术，可将这些部件，或手机、相机、耳机、音箱、扫描仪、打印机等其它外设连接到PC。

（2）无线局域网(WLAN) 分两大类：固定基础设施，预先建立且能覆盖一定范围的固定基站；无固定基础设施，自组织网络(Ad hoc Network)，移动自组织网络简称MANET。

（3）无线城域网，IEEE 802.16为代表。单个基站覆盖范围可达几十公里，传输速率接近无线局域网，移动性、高效切换等功能特点。

（4）无线广域网，蜂窝移动通信网络是地面上最大的无线广域网，而卫星通信网络也开始大量用于传输数字信息，卫星网络堪称覆盖范围最大的无线广域网。

 

4、重要的无线网络组织

（1）电信领域的标准化组织

A、国际电信联盟(ITU) 总部在日内瓦。下设三部门：电信标准化部(ITU-T)、无线通信部(ITU-R)、开发部(ITU-D)。ITU-T最具影响，下设14个研究组：网络运营、电信管理、外设、电视、终端传输、多媒体等方面。ITU成员主要是各国电信主管部门，私营电信机构、工业和科学组织、金融机构、开发机构和电信实体等也可参与活动。每4年召开代表大会、世界电信标准大会和世界电信发展大会，每2年召开世界无线电通信大会。

B、ISO是自愿、非条约性组织，包括160多个成员国。已发布17000多个标准，包括ISO/OSI模型。近千个涉及各个专门领域的技术委员会。电信领域，ISO和ITU协调。

C、电工电子领域，国际电工委员会(IEC)颁布国际标准。

（2）网络和通信领域的权威组织

A、IEEE：电气和电子工程师学会，电子电气、计算机、通信、自动化等领域，世界上最大的专业技术学会，电子数据库Xplore 。

B、IEEE 802委员会：成立于1980年2月，最初工作围绕LAN数据链路层和物理层，现在承担许多无线网络技术的标准制定工作。

（3）ISOC/IAB/IETF

A、因特网协会(Internet Society，ISOC)主管因特网的非政府、非盈利的国际组织，促进因特网开放发展，负责网络架构标准。ISOC下属因特网架构委员会(IAB)和因特网工程任务组(IETF)。

B、IAB从宏观角度探讨和确认因特网结构有关问题，包括架构、技术标准、地址分配等。

C、具体标准制定由IETF负责，地址、编号等由IANA负责。IETF下设多个工作组，涉及因特网相关标准制定和更新、技术成果推广、信息交流等。

（4）ACM

美国计算机协会(ACM)创立于1947年，世界上最大的科学及教育型计算机学会。专注计算机科学与技术创新发展。每年的ACM图灵奖影响力堪比诺贝尔奖，2000年度图灵奖被授予理论计算机科学家姚期智(美籍华人)。ACM分设35个特殊兴趣组，关注不同领域技术发展。ACM数字图书馆提供了学术会议和期刊的学术论文。ACM国际学术会议影响力很大，如SIGCOMM、MOBICOM体现了网络和无线网络领域全球最高水平。

（5）中国计算机学会(CCF)

我国计算机专业领域的学术团体，开展学术会议、论坛、评奖、学术出版、竞赛、培训、科普、工程教育认证等工作，在计算机专业人士中拥有很大的影响力。下属30多个不同专业委员会，发行《中国计算机学会通讯》等学术刊物10余种。

（6）3GPP和ETSI

3GPP：权威的第3代移动通信(3G)技术规范机构，成立于1998年，也主导了4G、5G以及物联网等相关网络通信技术的技术标准制定。

ETSI：欧洲电信标准化协会，是欧盟主导的电信标准化组织，主要负责电信业、信息及广播技术领域的欧洲标准化活动。

 

 

 

 

第二讲 无线传输技术基础

1、传输媒体分类

A、引导性媒体(线缆媒体)

电磁波沿着一个固态媒体传播。

例如：金属导体、玻璃或plastic 。

B、非引导性媒体(无线媒体)

提供了传输电磁信号的手段，但不加以引导。

例如：大气层、外层空间。

 

2、波长和频率

波长(λ)：两个相邻的波峰之间的距离

波长和频率的关系

光速(c)：电磁波在真空中的传播速度(3*10⒏m/s)

频率(f)：电磁波每秒震动的次数

 

3、电磁波分类

（1）无线电

频率范围在10kHz~1GHz之间,波长在几百米至一厘米之间，射频信号的能量可由天线和收发器决定。能穿透墙壁，也可到达普遍网络线无法到达的地方。不受雪、雨天气的干扰。可全方向广播，也可定向广播。

VLF、LF、MF波段的无线电波沿着地面传播：低频可传1000公里高频范围小些。

HF、VHF波段无线电波被电离层折射回来（地面波会被地球吸收）。电视、移动电话、无线网络和业余无线电，都使用无线电波来传递信息。为了便利大众能够和谐地共同使用无线电波为传递信息的媒介，政府会采取频率分配(frequency allocation)制度来规划管理无线电波频域。

（2）微波

频率较高的无线电波(电磁频谱较低GHz级频率)不能很好地穿透建筑物，微波按照直线传播，发射端和接收端的天线必须精确对准。微波频率：2GHz ~40GHz。定向传播（directional）天线把所有的能量集中于一小束电磁波

（3）红外线

利用红外光波传送信号。采用电磁频谱的THz范围。发光二极管或激光二极管用于发射信号；光电管则能接收信号。信号不能穿透墙壁等固体物体，易受强烈光源的影响。

应用与优点：短距离通信（TV、录像机、DVD、音响等），不同房间内的红外系统互不干扰，防窃听安全性比无线电系统好

 

4、传播方式

信号从天线出发通过三种路由发射

1. 地面波（ground wave）

沿着地球轮廓线，可以传播很远，频率高达2MHz。例如：AM radio调幅无线电

（2）天空波（sky wave）

信号从大气电离层反射回地球，信号能传播上几个来回，在电离层和地球表面之间上下，比地面波范围还要远，反射效果由折射引发。例如：业余无线电，民用波段无线电

（3）直线传播（line of sight）

又叫视距传播，传输和接收天线必须在视线内。视距传播的距离一般为20～50Km

 

5、无线传输损伤方式

衰退、反射、衍射、散射

 

6、信号编码技术——基本概念

数据（Data）：传递（携带）信息的实体。

信息（Information）：数据的内容或解释。

信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播

模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值

数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号

周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）

非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。

信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等

数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为

 

7、信息通过数据通信系统进行传输的过程

把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输。

编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错

调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位

解调：接收波形→数字信号

解码：数字信号→原始数据

 

8、编码调制的区别

编码：用数字信号承载数字或模拟数据

调制：用模拟信号承载数字或模拟数据

 

9、信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

波分复用 WDM ：波分复用就是光的频分复用。

码分复用 CDM

 

10、码分复用CDM

常用的名词是码分多址 CDMA   (Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

（1）码片序列

每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。

如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

发送比特 1 时，就发送序列 00011011，

发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

（2）CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

（3）码片序列的正交关系

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

（4）码片序列的正交关系举例

令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。

把向量 S 和 T 的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。

（5）正交关系的另一个重要特性

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

 

（5）CDMA 的工作原理

 

11、什么是扩频

扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

 

12、扩频使用的两种信号构建技术

直接序列扩频（DSSS）：使用调幅技术合并数据信号和载波信号的波形

跳频扩频（FHSS）：不断的在频道之间切换载波信号来发射信号

 

 

 

 

第三讲 无线个域网

1、无线个域网分类

按传输速率分为低速、高速和超高速三类

2、无线个域网种类

蓝牙、IrDA、HomeRF、UWB、Zigbee

3、蓝牙

（1）技术的诞生与发展

Bluetooth

1994，Ericsson发起该技术的研究；

1998，Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba组成SIG，目标是将计算、通信设备以及附加设备通过短程、低耗、低成本的无线电波连接起来；后Lucent、3Com、Microsoft和Motorola加入SIG；现SIG成员超过2500个；

1999， Blutooth 1.0发布；

2002，IEEE采纳了蓝牙的物理层和数据链路层，发布了IEEE802.15.1；

（2）蓝牙传输特性

2.4GHz频带，传输距离为10米，连接便携式和固定设备，点— 点和点— 多点模式

数据速率：

同步（电路交换技术），64kbps

异步（分组交换技术），433.9kbps(对称)，723.2kbps(非对称)

 

（3）蓝牙的联网模式

点-点模式：两个蓝牙设备直接通信

Piconet（微微网）：共享相同信道，8个蓝牙设备可在小型网络内通信

Scatternet（散网）：多达256个piconet可连接成更大的网络

 

（4）蓝牙系统

蓝牙技术规范(核心)：蓝牙技术操作和协议体系结构

蓝牙应用规范(概要)：蓝牙的应用范围

 

4、IEEE 802.15

1998年，IEEE 802.15 工作组成立, 专门从事WPAN标准化工作。它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网(WPANs)。1999，正式成为802.15工作组

 

5、UWB

UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。 工作在3.1～10.6GHz，传输距离10m，数率100Mbps，TDM复用方式，低功耗，宽频谱，不会干扰其他系统相对于蓝牙系统来讲，无线UWB技术要简单的多，而且在传输速率、成本上有巨大优势。

 

6、Zigbee

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。 工作在2.4GHz，速率20Kbps，40Kbps，250Kbps，传输距离30m，扩展模式134m。由飞利浦公司创建，节能特性

 

7、HomeRF

都有家庭射频工作组发布，HomeRF是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802.11规范中支持TCP/IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话)标准。无线以太网传输规范子集，传输距离40m，带宽1.2Mbps，物理层和MAC区别

 

8、各无线个域网的优势

蓝牙与红外的区别

（1）距离

红外：对准、直接、1—2米，单对单
蓝牙：10米左右，可加强信号，可以绕弯，可以不对准，可以不在同一间房间，链接最大数目可达7个，同时区分硬件。

（2）产业
红外：很普及。蓝牙：普及

（3）速度
红外：慢。蓝牙：快

（4）安全
红外：无区别。蓝牙：加密

（5）成本
红外：几元---几十元。蓝牙：400—800元

UWB：

抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、保密性好、发送功率非常小

ZigBee：

HomeRF：

 

 

第四讲 无线局域网

1、无线局域网的组成

（1）站（主机或者终端）：无线局域网的最基本组成单元，包括（元素）：终端用户设备，无线网络接口，网络软件。

（2）无线介质

（3）无线接入点（AP）：无线网络核心，无线AP是移动计算机用户进入有线网络的接入点，主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米

（4）分布式系统：扩展业务区

 

2、无线局域网技术模式

（1）Ad-hoc(无线自组织)无线网络

对等模式，设备间可直接通信，无需接入点支持，每个节点都有从一个节点转发到另一个节点的能力，独立的基本服务集。

（2）基础结构无线网络

无线站点处于相对固定的位置，指定接入点，有接入点桥接如有线以太网，BSS包含至少一个AP和两台移动设备

（3）基础结构网络

集中的安全性，可扩展性，较好的运作范围，路由简单，抗毁性差

（4）基础结构网络拓展

ESS：多个BSS组成的多区网，有分布式系统链接组成

 

3、IEEE802.11三大标准

（1）IEEE802.11a

物理层：用OFDM（正交频分多路复用）技术，工作频段是5GHz，数据速率为54Mbps，用了54个频率（48个用于数据，4个用于同步控制）

MAC层与其他802.11标准相同

（2）IEEE802.11b

物理层：采用HR-DSSS(高速率直接序列扩频)技术，工作频段是2.4GHz，数据速率为1、2、5.5Mbps/11Mbps，覆盖范围是11a的7倍

产品：已经发展到第四或第五代，大部分缺陷已经得到解决，1~6Mbps的吞吐量能满足多种应用的需求

（3）IEEE802.11g

物理层：采用OFDM（正交频分多路复用）技术，工作频段是2.4GHz，数据速率最大为54Mbps

兼备802.11a和802.11b的特点，比802.11a的功耗小、传输距离长、穿透力强

 

4、IEEE802.11三大标准比较

信道数量

802.11a在美国可提供8个无重叠的信道

802.11b/802.11g则共享3个

带宽

吞吐量会因距离、障碍和干扰而产生很大的变化

802.11a和802.11b带宽之间的差距理论上是43Mbps，而实际上只有30Mbps

频带

802.11b/g所用的2.4GHz频带正日益拥挤

5.8GHz系统的相互干扰要比2.4GHz系统低

 

5、什么是Wi-Fi

“Wireless Fidelity”(无线相容性认证)

Wi-Fi联盟是一个非盈利组织，致力于802.11 WLAN发展和实现

通过促进使用标准化IEEE802.11技术来鼓励全球Wi-Fi，促进和推广家庭，小型办公和企业使用Wi-Fi产品，测试和保证Wi-Fi产品质量

 

6、IEEE802.11媒体访问控制

分布接入协议：AD网络

集中接入协议：基础结构网络

分组无线MAC：分布协调功能（DCF）、点协调功能（PCF）

协调功能是决定在BSS内工作的一个站，通过无线介质何时允许发送和可能接收协议单元的逻辑功能

 

7、无线介质访问控制方式

分布式访问方式（DCF）

它采用具有冲突避免的载波侦听多路访问CSMA/CA协议进行无线介质的共享访问（RTS/CTS为辅）。是物理层兼容的工作站和访问节点（AP）之间自动共享无线介质的主要的访问协议。 

中心网络控制方式（PCF）/ 点协调功能

中心网络控制方式是一个无竞争访问协议，适用于节点安装有点控制器(中心控制器)的网络。 所有的工作站均服从中心控制器的控制，中心控制器用轮询法（polling）询问每个站有没有数据要发送，由于完全控制了各个站的发送顺序，因此不会有冲突产生。

 

8、分布协调功能（DCF）

（1）基于CSMA/CA的基本方法

载波侦听（CSMA）

规则：有载波，不发送；无载波，发送

上述规则不适用于无线环境，解决方法： RTS/CTS

碰撞检测（CD）

无线环境下不能工作，采用碰撞避免（CA）：Random后退

（2）通过确认机制来提高可靠性

RTS（Request to sent）、CTS(Clear to sent)

RTS/CTS保证一个数据报的完整传输过程

（3）“隐藏”节点问题

（4）“暴露”终端问题

 

（5）如何解决“隐藏节点”问题？

隐藏终端：A和C互不知道

障碍物导致信号衰减，如果多于两个节点同时发送将在B处冲突

用RTS-CTS解决隐藏节点问题

 

RTS/CTS：首先，A向B发送RTS信号，表明A要向B发送若干数据，B收到RTS后，向所有基站发出CTS信号，表明已准备就绪，A可以发送，而其余欲向B发送数据的基站则暂停发送；双方在成功交换RTS/CTS信号（即完成握手）后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收站点发送信号时，实际只能是收到接收站点回应CTS的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。

 

（6）CSMA/CA

采用带有冲突避免的CSMA：如果媒体为空，则节点传输帧；如果媒体为忙，则等待直到当前传输完全结束。

能降低冲突概率，有效的后退算法（高负载时），优先级服务

后退过程

当空闲时间>= IFS立即传输

当介质忙，延迟直到当前传输结束+ IFS时间

开始后退过程：选择一个随机数( 0, Cwindow)，冲突则重复尝试，随机时间的平均值加倍，避免空闲时间同时传输

 

（7）控制等待时间的参数（优先级）

SIFS (Short IFS)

PIFS (PCF IFS)

DIFS (DCF IFS

（8）使用CSMA/CA的基本DCF

如果媒体持续为空的时间大于DIFS，则节点可以立即访问媒体。网络负载较轻时可缩短访问延迟，网络规模增大时需要其他机制的协助

如果媒体为忙，则等待一段随机时间。

 

9、点协调功能（PCF）

需要一个集中的轮询站点：以循环的方式轮询所有配置成polling的站点，被询问的站点利用SIFS返回响应，如果收到响应则用另一个PIFS发出另一个polling，如果没有收到响应，则polling其他站

 

10、802.11安全机制

基于服务集标识（SSID）的网络访问控制

MAC地址过滤

有线等效协议（WEP）：数据加密、共享密钥认证

 

 

第五讲 无线自组织网络

1、移动Ad Hoc网络特点

移动Ad hoc网络/多跳无线网络：由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成，网络中每个终端可以自由移动、地位相等，是一个多跳、临时、无中心网络，不需要现有信息基础网络设施的支持，可以在任何时候、任何地点快速构建起来的移动通信网络

（1）具备移动通信网络和计算机网络的特点：移动通信和计算机网络相结合，报文交换采用分组交换机制，用户终端是配有无线收发设备的移动便携式终端，作为主机要运行面向用户的应用程序，作为路由器要运行相应的路由协议，终端之间的路由通常通过多个中间节点的转发来完成。

（2）网络拓扑动态变化：用户终端随意移动，节点的开机/关机，无线电发送功率变化，无线信道间互相干扰，地形等综合因素影响

（3）多跳组网方式：接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此大大节约电池能量的消耗。中间节点参与分组转发，能有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组网络的覆盖范围。

（4）有限的无线传输带宽：无线信道能提供的网络带宽比有线信道要低很多，竞争共享无线信道产生的碰撞，信号衰落、噪声干扰以及信道之间干扰等

（5）移动终端的自主性：自组网络的移动终端之间存在某种协同工作关系，每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务

（6）安全性差：无线链路使ad hoc网络容易受到链路层的攻击，节点漫游时缺乏物理保护，移动性使得节点之间的信任关系经常变化

（7）网络的可扩展性不强：节点之间的相互干扰造成网络容量下降，各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降

（8）存在单向的无线信道：无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响

（9）生存时间短

 

2、ad hoc网络面临的问题

（1）特殊的信道共享方式：共享信道，“隐藏终端”/“暴露终端”

（2）动态变化网络拓扑：常规路由协议花较高代价（带宽、能源、CPU等）获得的路由信息可能已经陈旧

（3）有限的无线传输带宽：减少节点之间交换的信息量，减少控制信息带来的附加开销

（4）节能问题：功率控制，电池供电

（5）安全问题：无线信道更容易受到各种攻击，缺乏物理保护使得攻击可能来自内部，移动性使得节点之间的信任关系不断变化，安全策略应具有可扩展性

（6）网络管理：拓扑管理，确定一种将一组节点组织成网络的机制

（7）移动性管理：跟踪网络内移动节点的位置

（8）服务质量保证：多跳拓扑动态变化的移动ad hoc网络中服务质量保证仍然是个问题

（9）地址自动配置

 

3、Ad hoc网络体系结构

网络结构：平面结构（完全分布式），所有节点的地位平等

层次结构（分层分布式）：网络被划分为簇（cluster），每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头可形成更高一级的网络

 

4、平面结构的优缺点

优点

简单:所有节点能力相同,网络控制、路由选择、流量管理

健壮:只要存在多条路径就能通信

相对安全

节点覆盖范围较小

缺点

路由开销大:节点数目多移动性强的环境下，维持网络最新拓扑的控制开销大。

可扩充性差

 

5、层次结构的优缺点

优点

Cluster成员功能简单

路由信息局部化：减少路由协议开销

节点定位简单

可扩展性好

抗毁性好

缺点

Cluster头需要选择

所有传输都通过头：路由不一定最短

Closter头是瓶颈

 

6、距离矢量（Distance-Vector）

基于分布式的Bellman-Ford算法

每个节点维持一张路由表：所有可达目的地，到目的地的下一跳，到达目的地的跳计数

定期把路由表发给所有的邻居一边

DV的固有缺点

无法发现路由回路

“无穷计算”问题

可选方法：DSDV协议

没有全局拓扑视图、主动先应式路由、每个节点维护到所有已知目的地的路由信息、路由信息必须定期更新、即使网络拓扑没有变化也有通信开销、维护的路由可能从来不用

 

7、路由通告（route advertisement）

向每个邻居通告自己的路由信息：目的地地址，metric = 到目的地的跳计数，目的地的序号。

设置序号的规则：每次通告递增自己的目的地序号（只用偶数值），如果一个节点不再可达(timeout)，则将该节点的序号递增1(奇数值)并置metric = ∞

 

路由选择(Route Selection)

将收到的路由更新信息与自己的路由表比较：选择目的地序号大的路由(这样能确保使用的总是来自目的地的最新路由信息)，如果目的地序号相同，则选择具有较好metric值的路由。

 

 

8、对拓扑变化的响应

立即通告

有关新路由、链路中断、metric变化的信息立即传播给邻居i

完全/增量更新

Full Update、发送自己路由表的全部路由信息

Incremental Update、仅发送路由表中有变化的表项(使得可用一个分组完成更新)

 

9、ROUTE REPLY风暴

节点广播一个针对某目标端的路由请求，当其邻居的cache中都有该目标端的路由时，每个邻居都试图以自己的缓存路由响应，由此造成应答风暴；

风暴将浪费网络带宽、风暴将加剧局部网络冲突

预防ROUTE REPLY风暴：节点将网络接口置于promiscuous接收方式；延迟发送ROUTE REPLY；同时侦听路由请求端是否在用更短的路径发送；

 

10、移动Ad Hoc网络MAC层有哪几种协议

在移动Ad Hoc网络中，节点移动、无线信道脆弱、缺乏中心协调机制是在设计MAC协议时必须仔细考虑的问题。 目前有以下三类：

竞争协议(Contention Protocol)；

分配协议(Allocation Protocol )；

混合协议(Hybrid Protocol)(竞争协议和分配协议的组合协议)。

 

竞争协议(Contention Protocol)：

使用直接竞争来决定信道访问权，通过重传机制解决碰撞问题；目前有以下四种协议：

ALOHA协议；

载波侦听多址访问协议(CSMA)；

基于控制分组握手的访问控制协议；

忙音类多址访问协议。

 

分配类协议：

静态分配协议：集中式传输时间安排算法，事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间安排。

动态分配协议：使用分布式传输时间安排算法，按需计算传输时间安排。

时分多址访问协议(TDMA)：可分为固定分配类TDMA和动态分配类TDMA两种：

五步预留协议(FPRP)

跳频预留多址访问协议(HRMA)

 

混合类协议:

混合时分多址访问协议(HTDMA)

TDMA和CSMA的混合协议

ADAPT协议

ABROAD协议

AGENT协议

Meta-协议

 

 

 

第六讲 无线传感网络

1、WSN概述

无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）

就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。

传感器网络(sensor network)

由大量广泛分布的小型轻量无线节点组成，这些节点通过测量诸如温度、压力和相对湿度等物理参数来监控环境或系统。

传感器节点组成

传感子系统：感测环境

处理子系统：对感测数据进行本地处理

通信子系统：负责与邻近节点交换消息

无线传感器系统

传感器节点

汇聚节点

管理节点

 

2、传感器网络的分类

先应式网络：连续操作模式，节点定期打开传感器和发送器、感测环境并将感性需的数据发送出去，是用于需要定期监测数据的应用

反应式网络：查询-响应模式，节点根据操作员发来查询命令给予立即响应，节点根据网络某些属性值发生的激烈变化立即予以响应

 

3、无线传感网络的路由协议（3个）

（1）洪泛路由（Flooding）

最简单、最基本、最健壮

基本思想：当网络中的节点在任何时刻收到其它节点传输过来的数据时，它将向它的所有邻居进行转发。

特点：无需知道局部拓扑、地理信息等；无需维护路由

洪泛路由的不足：

信息爆炸(Implosion)问题：一个节点可能得到一个数据的多个副本的现象；

重叠(Overlap)现象：处于同一观测环境的两个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点将收到双份数据副本；

资源的盲目使用：不考虑节点可用能量、位置等

适用范围：小规模、共享信道、健壮性，军事应用

应用状况：资源浪费严重，很少直接使用，作为衡量标准评价其他算法

 

（2）能量感知路由

最早的路由机制之一

主要思想：根据节点的可用能量（power available, PA）或者传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径

基本原理：在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点的通信能耗及剩余能量，依概率选路

主要过程：

路径建立阶段：建立从源节点到目的节点的多条路径，并确定能量代价

数据传播阶段：根据上一阶段建立的路由信息，实现数据分组从源节点到目的节点的传送，中间节点按照与能量代价相关的转发概率进行转发

路由维护阶段：目的节点发起源-目的洪泛查询，以维持路径畅通

 

（3）基于查询的路由-基于内容的访问

基于IP地址的访问

“地址为13, 47, 2225,14592和14593的节点温度是多少？他们的平均温度是多少？”

根据IP地址找到相应的节点

提供点到点的报文转发以支持传输层端到端无失真信息传输

基于内容的访问

“逸夫教学楼11阶的平均温度是多少？”

根据用户的兴趣属性找到相应的节点

属性：数据特征

数据在网络协议的操作中有意义

 

兴趣（Interest：Sink 下达的感知任务，需要的数据类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等

举例：类型＝温度，阈值＝20，时间间隔＝50ms，持续时间＝10s，区域＝[0，0，20，20 ]