Ad Hoc无线网络路由协议研究与展望

2019-11-03 09:19:24

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供稿：网友

李浩君，邱飞岳，王丽萍
　　1引言

　　Ad Hoc无线网络又称移动自组网、多跳网络，最初起源于20世纪70年代的美国军事研究领域，是一种特殊的在不借助中心管理的情况下，在有限的范围内实现多个移动总端的临时互联，它为局域网内的移动通信网络提供了一种灵活的互联方式。Ad Hoc无线网络组网灵活、快捷，不受有线网络的影响，可广泛应用于军事通信、发生地震或水灾后的营救等无法或不便预先敷设网络设施的场合，具有广阔的发展前景，这方面的研究工作正在不断展开。2Ad Hoc无线网络的结构和特点

　　 Ad Hoc无线网络具有自身的特殊性，在组建实际使用的无线工作网络时，必须充分考虑网络的应用规模和扩展性，以及应用的可靠程度及实时性要求，选择合适的网络拓扑结构。另外，由于Ad Hoc网络自身结构的特殊性，设计或组建网络时应充分考虑Ad Hoc无线网络的特点，有助于我们设计出适合特定网络结构的路由协议，最大限度地发挥整个网络的工作性能。

　　2.1Ad Hoc无线网络的结构

　　Ad Hoc无线网络的拓扑结构可分为两种：对等式平面结构和分级结构。在对等式平面结构中，所有网络节点地位平等。

　　而在分级结构的Ad Hoc无线网络拓扑结构中，整个网络是以簇为子网组成，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头形成高一级网络，高一级网络又可分簇形成更高一级网络。每一个簇中的簇头和簇成员是动态变化、自动组网。分级结构根据硬件的不同配置，又可以分为单频分级结构和多频分级结构。单频分级结构使用单一频率通信，所有节点使用同一频率；而在多频分级结构中，若存在两级网络，则低级网络通信范围小，高级网络通信范围大，簇成员用一个频率通信，簇头节点用一个频率与簇成员通信，用另一个频率来维持与簇头之间的通信。

　　对等式平面结构和分级结构使用时各存在优缺点：对等式平面结构网络结构简单，各节点地位平等，源节点与目的节点通信时存在多条路径，不存在网络瓶颈，而且网络相对比较安全，但最大的缺点是网络规模受到限制，当网络规模扩大时路由维护的开销指数增长而消耗掉有限的带宽；分级结构网络规模不受限制，可扩充性好，而且由于分簇，路由开销相对小一些，虽然分级结构中需要复杂的簇头选择算法，但由于分级网络结构具有较高的系统吞吐量，节点定位简单，目前Ad Hoc无线网络正逐渐呈现分级化的趋势，许多网络路由算法都是基于分级结构网络模式提出的。

　　2.2Ad Hoc无线网络的特点

　　 Ad Hoc无线网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络中的每个节点都兼有路由器和主机两种功能。Ad Hoc网络的特点主要体现在以下4方面：

　　（1)动态变化的网络拓扑结构：Ad Hoc网络中没有固定的通信设施和中央管理设备，网络节点可以随机地以任意速度朝任何方向移动，加上无线发射装置发送功率的变化、环境的影响以及信号之间的互相干扰等因素，都会造成网络拓扑结构的动态变化。

　　（2)有限的资源：提供给Ad Hoc网络中移动主机的工作能量是有限的，而且移动主机损耗能量越多，将降低Ad Hoc网络功能；另一方面，网络本身提供带宽有限以及信号之间的冲突和干扰，使移动主机可得到的有限的传输带宽将远远小于理论上的最大带宽。

　　（3)多跳通信：两个网络节点由于受到可用资源的限制，不能处在同一个覆盖网络内，可采用Ad Hoc网络多跳通信，实现不同覆盖网络之间的源主机与目的主机之间的通信。

　　（4)较低的安全性：Ad Hoc网络节点间通信通过无线信道，传输的信息非常容易受到监听、重发、篡改、伪造等各种攻击，如果路由协议一旦遭受到上述恶意攻击，整个自组网络将无法正常工作。这些特点对设计Ad Hoc网络路由算法提出了特殊的要求，一个合理的路由算法必须考虑有限的网络资源、动态变化的网络拓扑结构、提高网络吞吐量等方面的因素。

　　3Ad Hoc无线网络路由协议

　　3.1Ad Hoc无线网络路由协议的设计要求

　　Ad Hoc网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的基于因特网的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于Ad Hoc网络的路由协议，根据前文对Ad Hoc网络结构和特点的阐述，设计的路由协议必须满足以下的条件：

　　（1)必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路由环路的发生，提供方便简单的网络节点定位法。

　　（2)必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销。

　　（3)实施多跳通信的中间转接次数也是有限的，一般不要超过3次。

　　（4)必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源。

　　（5)在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能性。

　　3.2Ad Hoc无线网络的路由协议分析

　　根据Ad Hoc无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种Ad hoc网络路由协议。IETF的MANET工作小组目前正专注于Ad Hoc网络路由协议的研究，提出了许多协议草案，如DSR，AODV，ZRP等路由协议；另外，专业研究人员也发表了大量关于Ad Hoc网络路由协议的相关文章，提出了许多关于Ad Hoc的网络路由协议，如DSDV，WRP等。根据路由触发原理，目前的路由协议大致可以分为先验式路由协议、反应式路由协议和混合式路由协议3种。

　　3.2.1先验式路由协议

　　先验式路由协议又称表驱动路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构；源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由，这类的路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应Ad Hoc无线网络要求，如通过修改路由信息协议(Rip)得到的目的节点序列距离矢量协议（DSDV）。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需要大量的路由控制报文路由，协议的开销较大。常用的先验式路由协议有DSDV，HSR，GSR，WRP等。

　　 DSDV协议通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生，采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路由表，其中包括所有有效信宿点、路由跳数、信宿路由序列号等信息，信宿路由序列号用于区别新旧路由以避免环路的产生。每个节点周期性地将本地路由表传送给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近点，当无节点移动时使用间隔较长的大数据包（包括多个数据单元）进行路由更新；邻近节点收到包含修改的路由表信息后，先比较信源K信宿路由序列号的大小，信宿路由序列号大的路由将被采用，而信宿路由序列号小的路由则被淘汰，若相同，则采用最佳制式的路由（如最短路径）。

　　 HSR(Hierarchical State Routing)是一种用于分级网络的路由协议，高级节点保存它所有子孙节点的位置信息，沿从最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址，可以用序列地址进行节点寻址。

　　 GSR称为全局状态路由协议，其工作原理与DSDV协议类似，采用链路状态路由算法，但避免了路由报文的泛洪，它包括一个邻近节点表、网络拓扑表、下一跳路由表和距离表。

　　无线路由协议WRP是一种距离—矢量路由协议，每个节点都维持一个距离表、路由表、链路开销表和报文重传表，通过其邻近节点的最短路径生成数SST（Short path Spanning Tree）生成自己的SST后，再向邻节点传递更新信息。当网络路由表没有任何变化时，接收节点需回传一个空闲报文以示连接，否则，修改距离表，寻找更优路径。这种算法的特点是当检测到任意相邻节点变化时，则检查所有相邻节点的坚固性以消除回路，具有较快的收敛性。

　　3.2.2反应式路由协议

　　反应式路由协议又称随选路由或者按需路由，是一种当需要时才查找路由的路由选择方式。节点不需要维护及时准确的路由信息，当需要发送数据时才发起路由查找过程。与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销小，但是数据报传送的时延较大，不适合于实时性的应用。常用的反应式路由协议有AODV，DSR，TORA等。AODV（Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing）协议：源节点发送数据前先广播一个路由请求消息，附近节点收到后再次广播，直到请求消息到达目的节点或到达知道目的节点路由的中间节点，目的节点或中间节点沿原来路径返回响应消息，源节点收到响应后就知道到达目的节点的路由。

　　 DSR协议称为动态源路由协议，是一种源路由协议，每个分组的分组头中包含了源—目的整条路由信息。它采用路由缓存技术，用于存储源路由信息，当学习到新的路由时则修改路由缓存内容，该协议包含两个方面：路由发现和路由维护。

　　 TORA协议称为临时预定路由算法，是一种源初始化按需路由选择协议，它采用链路反转的分布式算法，具有高度自适应、高效率和较好的扩充性，比较适合高度动态移动、多跳的无线网络，其主要特点是控制报文定位在最靠近拓扑变化的一小部分节点处，因此节点只保留邻近点的路由信息。该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现路由的开销。TORA协议包括3个基本模块：路由的创建、路由的维护和路由的删除。

　　3.2.3混合式路由协议

　　 Ad hoc无线网络中单纯采用先验式或反应式路由协议都不能完全解决路由问题，因此，许多学者提出了结合先验式和反应式路由协议优点的混合式路由协议，如ZRP协议。ZRP协议是一个先验式和反应式路由协议的组合，网络内的所有节点都有一个以自己为中心的虚拟区，区内的节点数与设定的区半径有关，因此区是重叠的，这是与分群路由的区别；在区内使用先验式路由算法，中心节点使用区内路由协议IARP维持一个到区内其他成员的路由表,对区外节点的路由使用按需路由，利用区间路由协议IERP建立临时的路由。但是，实施混合式路由也面临着很多困难，如族的选择和维护、先验式和反应式路由协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。

　　4总结和展望

　　本文首先阐述了Ad Hoc无线网络结构和特点，提出了设计Ad Hoc网络协议时需要满足的条件，并对目前存在的路由协议进行了详细分析。但是Ad Hoc网络中路由功能是由移动主机来执行，因此路由器的位置是移动的；Ad Hoc网络有限的工作能源也无法提供复杂的路由功能；网络拓扑结构的动态变化性使得目前认为是最优的路由协议也可能会被中断或不是最优，这些问题使得Ad hoc网络中的路由算法成为当前研究的一个热点。

　　近年来，越来越多的研究者开始重视移动代理技术的应用，并有学者提出了基于移动代理技术的移动网络拓扑结构构造和有线网络动态路由算法实现等理论。移动代理技术具有移动性、自主性等特点，因此它适用于移动网络，研究基于移动代理技术的Ad hoc无线网络路由协议将成为今后Ad hoc无线网络路由技术研究的重点。

摘自《中国有线电视》

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