Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究與展望

2019-11-03 09:19:24

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供稿：網(wǎng)友

李浩君，邱飛岳，王麗萍
　　1引言

　　Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)又稱移動自組網(wǎng)、多跳網(wǎng)絡(luò)，最初起源于20世紀(jì)70年代的美國軍事研究領(lǐng)域，是一種特殊的在不借助中心管理的情況下，在有限的范圍內(nèi)實現(xiàn)多個移動總端的臨時互聯(lián)，它為局域網(wǎng)內(nèi)的移動通信網(wǎng)絡(luò)提供了一種靈活的互聯(lián)方式。Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、快捷，不受有線網(wǎng)絡(luò)的影響，可廣泛應(yīng)用于軍事通信、發(fā)生地震或水災(zāi)后的營救等無法或不便預(yù)先敷設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合，具有廣闊的發(fā)展前景，這方面的研究工作正在不斷展開。2Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點

　　 Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)具有自身的特殊性，在組建實際使用的無線工作網(wǎng)絡(luò)時，必須充分考慮網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用規(guī)模和擴展性，以及應(yīng)用的可靠程度及實時性要求，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。另外，由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計或組建網(wǎng)絡(luò)時應(yīng)充分考慮Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的特點，有助于我們設(shè)計出適合特定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，最大限度地發(fā)揮整個網(wǎng)絡(luò)的工作性能。

　　2.1Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

　　Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩種：對等式平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。在對等式平面結(jié)構(gòu)中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地位平等。

　　而在分級結(jié)構(gòu)的Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，整個網(wǎng)絡(luò)是以簇為子網(wǎng)組成，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，簇頭形成高一級網(wǎng)絡(luò)，高一級網(wǎng)絡(luò)又可分簇形成更高一級網(wǎng)絡(luò)。每一個簇中的簇頭和簇成員是動態(tài)變化、自動組網(wǎng)。分級結(jié)構(gòu)根據(jù)硬件的不同配置，又可以分為單頻分級結(jié)構(gòu)和多頻分級結(jié)構(gòu)。單頻分級結(jié)構(gòu)使用單一頻率通信，所有節(jié)點使用同一頻率；而在多頻分級結(jié)構(gòu)中，若存在兩級網(wǎng)絡(luò)，則低級網(wǎng)絡(luò)通信范圍小，高級網(wǎng)絡(luò)通信范圍大，簇成員用一個頻率通信，簇頭節(jié)點用一個頻率與簇成員通信，用另一個頻率來維持與簇頭之間的通信。

　　對等式平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)使用時各存在優(yōu)缺點：對等式平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，各節(jié)點地位平等，源節(jié)點與目的節(jié)點通信時存在多條路徑，不存在網(wǎng)絡(luò)瓶頸，而且網(wǎng)絡(luò)相對比較安全，但最大的缺點是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受到限制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大時路由維護的開銷指數(shù)增長而消耗掉有限的帶寬；分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不受限制，可擴充性好，而且由于分簇，路由開銷相對小一些，雖然分級結(jié)構(gòu)中需要復(fù)雜的簇頭選擇算法，但由于分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較高的系統(tǒng)吞吐量，節(jié)點定位簡單，目前Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)正逐漸呈現(xiàn)分級化的趨勢，許多網(wǎng)絡(luò)路由算法都是基于分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模式提出的。

　　2.2Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的特點

　　 Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都兼有路由器和主機兩種功能。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點主要體現(xiàn)在以下4方面：

　　（1)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有固定的通信設(shè)施和中央管理設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以隨機地以任意速度朝任何方向移動，加上無線發(fā)射裝置發(fā)送功率的變化、環(huán)境的影響以及信號之間的互相干擾等因素，都會造成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

　　（2)有限的資源：提供給Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中移動主機的工作能量是有限的，而且移動主機損耗能量越多，將降低Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)功能；另一方面，網(wǎng)絡(luò)本身提供帶寬有限以及信號之間的沖突和干擾，使移動主機可得到的有限的傳輸帶寬將遠遠小于理論上的最大帶寬。

　　（3)多跳通信：兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由于受到可用資源的限制，不能處在同一個覆蓋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多跳通信，實現(xiàn)不同覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間的源主機與目的主機之間的通信。

　　（4)較低的安全性：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信通過無線信道，傳輸?shù)男畔⒎浅Ｈ菀资艿奖O(jiān)聽、重發(fā)、篡改、偽造等各種攻擊，如果路由協(xié)議一旦遭受到上述惡意攻擊，整個自組網(wǎng)絡(luò)將無法正常工作。這些特點對設(shè)計Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法提出了特殊的要求，一個合理的路由算法必須考慮有限的網(wǎng)絡(luò)資源、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面的因素。

　　3Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

　　3.1Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計要求

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題是開發(fā)能夠在兩個節(jié)點之間提供高質(zhì)量高效率通信的路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，傳統(tǒng)的基于因特網(wǎng)的路由協(xié)議無法適應(yīng)這些特性，需要有專門的應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，根據(jù)前文對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特點的闡述，設(shè)計的路由協(xié)議必須滿足以下的條件：

　　（1)必須對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化具有快速應(yīng)變的能力，并且盡量避免路由環(huán)路的發(fā)生，提供方便簡單的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位法。

　　（2)必須高效地利用有限的帶寬資源，盡可能壓縮不必要的開銷。

　　（3)實施多跳通信的中間轉(zhuǎn)接次數(shù)也是有限的，一般不要超過3次。

　　（4)必須盡可能減少發(fā)射時間和發(fā)射的數(shù)據(jù)量，節(jié)約有限的工作能源。

　　（5)在可能的條件下，使設(shè)計的路由協(xié)議具有安全性，降低遭受攻擊的可能性。

　　3.2Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分析

　　根據(jù)Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特殊性，近年來提出了多種Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。IETF的MANET工作小組目前正專注于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究，提出了許多協(xié)議草案，如DSR，AODV，ZRP等路由協(xié)議；另外，專業(yè)研究人員也發(fā)表了大量關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的相關(guān)文章，提出了許多關(guān)于Ad Hoc的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，如DSDV，WRP等。根據(jù)路由觸發(fā)原理，目前的路由協(xié)議大致可以分為先驗式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議3種。

　　3.2.1先驗式路由協(xié)議

　　先驗式路由協(xié)議又稱表驅(qū)動路由協(xié)議，每個節(jié)點維護一張包含到達節(jié)點的路由信息的路由表，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化隨時更新路由表，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)；源節(jié)點一旦要發(fā)送報文，可以立即獲得到達目的節(jié)點的路由，這類的路由協(xié)議通常是通過修改現(xiàn)有的有線路由協(xié)議來適應(yīng)Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)要求，如通過修改路由信息協(xié)議(Rip)得到的目的節(jié)點序列距離矢量協(xié)議（DSDV）。因此這種路由協(xié)議的時延較小，但是協(xié)議需要大量的路由控制報文路由，協(xié)議的開銷較大。常用的先驗式路由協(xié)議有DSDV，HSR，GSR，WRP等。

　　 DSDV協(xié)議通過給每個路由設(shè)定序列號避免了路由環(huán)路的產(chǎn)生，采用時間驅(qū)動和事件驅(qū)動技術(shù)控制路由表的傳送，即每個移動節(jié)點在本地都保留一張路由表，其中包括所有有效信宿點、路由跳數(shù)、信宿路由序列號等信息，信宿路由序列號用于區(qū)別新舊路由以避免環(huán)路的產(chǎn)生。每個節(jié)點周期性地將本地路由表傳送給鄰近節(jié)點，或者當(dāng)其路由表發(fā)生變化時，也會將其路由信息傳給鄰近點，當(dāng)無節(jié)點移動時使用間隔較長的大數(shù)據(jù)包（包括多個數(shù)據(jù)單元）進行路由更新；鄰近節(jié)點收到包含修改的路由表信息后，先比較信源K信宿路由序列號的大小，信宿路由序列號大的路由將被采用，而信宿路由序列號小的路由則被淘汰，若相同，則采用最佳制式的路由（如最短路徑）。

　　 HSR(Hierarchical State Routing)是一種用于分級網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，高級節(jié)點保存它所有子孫節(jié)點的位置信息，沿從最高級的根節(jié)點到最低級的葉節(jié)點的路徑為節(jié)點分配邏輯序列地址，可以用序列地址進行節(jié)點尋址。

　　 GSR稱為全局狀態(tài)路由協(xié)議，其工作原理與DSDV協(xié)議類似，采用鏈路狀態(tài)路由算法，但避免了路由報文的泛洪，它包括一個鄰近節(jié)點表、網(wǎng)絡(luò)拓撲表、下一跳路由表和距離表。

　　無線路由協(xié)議WRP是一種距離—矢量路由協(xié)議，每個節(jié)點都維持一個距離表、路由表、鏈路開銷表和報文重傳表，通過其鄰近節(jié)點的最短路徑生成數(shù)SST（Short path Spanning Tree）生成自己的SST后，再向鄰節(jié)點傳遞更新信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由表沒有任何變化時，接收節(jié)點需回傳一個空閑報文以示連接，否則，修改距離表，尋找更優(yōu)路徑。這種算法的特點是當(dāng)檢測到任意相鄰節(jié)點變化時，則檢查所有相鄰節(jié)點的堅固性以消除回路，具有較快的收斂性。

　　3.2.2反應(yīng)式路由協(xié)議

　　反應(yīng)式路由協(xié)議又稱隨選路由或者按需路由，是一種當(dāng)需要時才查找路由的路由選擇方式。節(jié)點不需要維護及時準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才發(fā)起路由查找過程。與先驗式路由協(xié)議相比，反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷小，但是數(shù)據(jù)報傳送的時延較大，不適合于實時性的應(yīng)用。常用的反應(yīng)式路由協(xié)議有AODV，DSR，TORA等。AODV（Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing）協(xié)議：源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前先廣播一個路由請求消息，附近節(jié)點收到后再次廣播，直到請求消息到達目的節(jié)點或到達知道目的節(jié)點路由的中間節(jié)點，目的節(jié)點或中間節(jié)點沿原來路徑返回響應(yīng)消息，源節(jié)點收到響應(yīng)后就知道到達目的節(jié)點的路由。

　　 DSR協(xié)議稱為動態(tài)源路由協(xié)議，是一種源路由協(xié)議，每個分組的分組頭中包含了源—目的整條路由信息。它采用路由緩存技術(shù)，用于存儲源路由信息，當(dāng)學(xué)習(xí)到新的路由時則修改路由緩存內(nèi)容，該協(xié)議包含兩個方面：路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。

　　 TORA協(xié)議稱為臨時預(yù)定路由算法，是一種源初始化按需路由選擇協(xié)議，它采用鏈路反轉(zhuǎn)的分布式算法，具有高度自適應(yīng)、高效率和較好的擴充性，比較適合高度動態(tài)移動、多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，其主要特點是控制報文定位在最靠近拓撲變化的一小部分節(jié)點處，因此節(jié)點只保留鄰近點的路由信息。該算法中路由不一定是最優(yōu)的，常常使用次優(yōu)路由以減少發(fā)現(xiàn)路由的開銷。TORA協(xié)議包括3個基本模塊：路由的創(chuàng)建、路由的維護和路由的刪除。

　　3.2.3混合式路由協(xié)議

　　 Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)中單純采用先驗式或反應(yīng)式路由協(xié)議都不能完全解決路由問題，因此，許多學(xué)者提出了結(jié)合先驗式和反應(yīng)式路由協(xié)議優(yōu)點的混合式路由協(xié)議，如ZRP協(xié)議。ZRP協(xié)議是一個先驗式和反應(yīng)式路由協(xié)議的組合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點都有一個以自己為中心的虛擬區(qū)，區(qū)內(nèi)的節(jié)點數(shù)與設(shè)定的區(qū)半徑有關(guān)，因此區(qū)是重疊的，這是與分群路由的區(qū)別；在區(qū)內(nèi)使用先驗式路由算法，中心節(jié)點使用區(qū)內(nèi)路由協(xié)議IARP維持一個到區(qū)內(nèi)其他成員的路由表,對區(qū)外節(jié)點的路由使用按需路由，利用區(qū)間路由協(xié)議IERP建立臨時的路由。但是，實施混合式路由也面臨著很多困難，如族的選擇和維護、先驗式和反應(yīng)式路由協(xié)議的合理選擇以及網(wǎng)絡(luò)工作的大流量等問題。

　　4總結(jié)和展望

　　本文首先闡述了Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和特點，提出了設(shè)計Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時需要滿足的條件，并對目前存在的路由協(xié)議進行了詳細分析。但是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中路由功能是由移動主機來執(zhí)行，因此路由器的位置是移動的；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有限的工作能源也無法提供復(fù)雜的路由功能；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化性使得目前認(rèn)為是最優(yōu)的路由協(xié)議也可能會被中斷或不是最優(yōu)，這些問題使得Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由算法成為當(dāng)前研究的一個熱點。

　　近年來，越來越多的研究者開始重視移動代理技術(shù)的應(yīng)用，并有學(xué)者提出了基于移動代理技術(shù)的移動網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)造和有線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法實現(xiàn)等理論。移動代理技術(shù)具有移動性、自主性等特點，因此它適用于移動網(wǎng)絡(luò)，研究基于移動代理技術(shù)的Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議將成為今后Ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究的重點。

摘自《中國有線電視》

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