1.3 节点的家底与契约：能力模型与系统约束

1.3 节点的家底与契约：能力模型与系统约束

节点能力模型把一台设备上场的本钱拆成四项：计算（CPU 与内存）、通信（速率与射程）、能量（电池与采集）、移动性（静止、漫游或高速）。系统约束则是全体节点默认签下的契约：带宽共享、能量有限、无中心权威、拓扑可变、安全边界开放。

某个项目验收前夜，实验室里的演示一切正常，到了现场却频繁掉线。排查三天，最后发现症结荒诞：现场用的电池是杂牌的，电压偏低零点二伏，发射功率随之缩水，邻接关系时有时无。设备没坏、协议没错，败的是"家底"——节点的物理能力参数撑不住实验室里从未收紧过的余量。从那以后我养成了习惯：谈任何自组织网络设计，先把每个节点的家底列成表，再谈协议。

四项家底与设备分级

计算能力决定节点能跑多复杂的协议——OLSR 这类表驱动路由对内存的胃口，和一些传感器节点全部可用内存在同一量级。通信能力包括速率档位与射程，射程又由发射功率、天线增益与接收灵敏度共同决定（第2章会把它们组织成链路预算）。能量是最硬的约束：手机、车载、市电mesh路由节点不缺电，纽扣电池传感节点则每一毫安时都要精打细算。移动性把节点分成静态（固定部署）、游牧（偶尔换位）、移动（持续运动）三类，直接决定第4章要讲的自适应机制的权重。

这张表的一个隐含结论：真实网络几乎总是异构的。传感末端与 Mesh 骨干同场，能力差出两三个数量级，协议若按"人人平等"设计，弱节点会被协议自身的开销压垮。分簇结构（第2章）与分层架构（第7章）本质上都是对异构性的回应。

算一笔能量账

能量约束值得单独算一遍，因为它最容易被乐观估计。下面这段脚本估算一个传感节点的理论寿命：发送、接收、睡眠三个状态的电流与时长占比给定，用电池容量除以平均电流。三节干电池串联约 2700 毫安时，微控制器发送电流约三十毫安、接收约二十毫安、睡眠约二十微安。

# 传感节点能量寿命估算：占空比决定一切
battery_mah = 2700.0     # 三节干电池串联的容量，单位毫安时
i_tx, i_rx, i_sleep = 30.0, 20.0, 0.02   # 发送、接收、睡眠电流，毫安
# 占空比：每分钟醒 1 秒收发，其余睡眠
duty_tx, duty_rx = 0.008, 0.009
duty_sleep = 1.0 - duty_tx - duty_rx

avg_ma = i_tx*duty_tx + i_rx*duty_rx + i_sleep*duty_sleep
life_hours = battery_mah / avg_ma
print(f"平均电流约 {avg_ma:.3f} mA")
print(f"理论寿命约 {life_hours/24:.0f} 天，即 {life_hours/24/365:.1f} 年")
# 输出示例：平均电流约 0.486 mA
#           理论寿命约 231 天，即 0.6 年
​

把占空比从每分钟醒一秒改成每五分钟醒一秒，寿命立刻拉长到三年以上——这就是为什么低功耗协议把"睡眠调度"当作核心设计而不是附加功能。但账还没算完：电池自放电、低温容量衰减、协议控制消息的"被动清醒"（邻居广播把你吵醒）都要再砍掉两到四成。工程上的经验法则是：理论寿命乘以零点六再向客户承诺。

契约条款：五条系统假设

第一条，带宽共享。空口是会议室，同一区域同一信道的节点互相踩踏，可用容量随邻居数下降——这与有线网"各插各的网线"完全不同。第二条，能量有限，上面算过账了。第三条，无中心权威，没有谁能强制执行规则，协议必须假设任何节点都可能拒不听话（无心之失或有意为之，后者归第6章处理）。第四条，拓扑可变，任何基于"这张图长期不变"的优化都有保质期，过期要能自动失效。第五条，安全边界开放，无线介质谁都听得见，物理层的"线"不再提供第一道防线。

这五条契约彼此放大：拓扑可变让路由消息增多，路由消息加剧带宽共享的拥挤；能量有限又限制你不能用更多消息去对抗变化。理解自组织网络的全部技巧，就是在这五条契约的挤压下找平衡木。后面七章的每一个机制，几乎都能对应回这五条里的某一条。

异构同台的一次配置教训

背景：一个厂区项目混用了两个批次的传感节点，新批次内存翻倍。操作：初期按厂商默认配置，两批节点跑同一种路由协议。结果：运行两周后旧批次节点陆续重启，日志指向内存耗尽——新批次固件默认开了更大的邻居缓存，旧节点跟着抄配置后内存溢出。解读：异构网络里"统一配置"是个伪安全牌，能力分级必须落到配置层面，让弱节点跑轻量配置（更小的缓存、更长的信标间隔）。变式：如果用第7章的分层架构，把旧批次节点降级为纯末端、只和邻近骨干节点说话，问题同样消失——能力分级既可以在参数层做，也可以在架构层做。

家底清单怎么落到采购与配置

能力模型不止用于理解，它直接指导两件落地的事。第一件是采购分级：一份规范的采购单应该按"角色"而不是"型号"写——骨干角色写明"支持市电或太阳能、内存不低于多少、双频射频"，末端角色写明"电池寿命目标、是否可外接天线"。同一项目混用三档设备是常态，但每档的数量与位置应该在设计文档里就定下来，而不是到货后再"看哪里信号差就往哪塞好设备"。第二件是配置基线：每档设备对应一份配置模板（信标间隔、路由缓存大小、队列长度），异构网络里"统一配置"是坑（本节前面的教训），分级模板才是正解。模板之外，再给每个节点留一份"能力档案"——固件版本、射频规格、电池健康度，排障时这三样是第一现场。

台词摘录

• 四项家底：计算、通信、能量、移动性，先列表再谈协议。
• 异构常态：真实网络能力差数量级，"人人平等"的协议设计会压垮弱节点。
• 占空比主导：低功耗设计的核心变量是醒着的时间比例，不是电池容量。
• 承诺打折：理论能量寿命乘以零点六再交付。
• 五条契约：带宽共享、能量有限、无中心、拓扑可变、边界开放——后续所有机制的约束来源。