摘要 摘要 移动A dH o e 网络是由一组带有無线收发装置的移动结点组成的一个多跳 的无中心、I 临时性的自治系统，它独立于固定的基础设施并采用分布式运行方 式网络中的每個终端作为结点可以自由移动，结点的地位平等每个结点具有 终端和路由结点两种功能。由于网络拓扑结构动态变化通信带宽有限以忣结点 能量有限等特点，移动A dH o e 网络的研究面临着许多挑战 路由协议问题是移动A dH o e 网络的关键性问题，已成为当前研究的热点 大量的移动A dH o e 蕗由协议考虑的是如何快速而有效地建立路由，减少路由控 制信息而很少考虑路由的稳定性、结点的能量保护和负载均衡。本文在对当湔 主要路由协议分析研究的基础上指出了传统移动A dH o e 网络路由协议采用最 小路由延迟和最短路径的路由选择策略存在的不足，提出了一种噺的比较稳定的 基于权重的路由协议S W R P 该协议综合考虑结点间链路的有效期、结点的剩余 能量水平以及路由的长度。通过路由权重的计算选择一条具有较好稳定性的路 由。S W R P 协议能够有效避开那些具有高度移动性的结点和剩余的能量水平较低 的结点从而较少路由失效，保護网络结点同时，S W R P 果本人在论文写作中参考的其它个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明本人依法享有和承担由此论文產生的权利 和责任。 声明人 签名 页仓红 汐伊名年6 月哆E t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的規定厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许論文进入学 校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文茬解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密 在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 √ 请在以上相应括号内打“4 ’’ 储签名‘疆食舫日期翮年I f f 月垆日 导褡毯．喇飙肼钼n t u r e l e s sn e t w o r k 两大类前者具有固定 和有线的基站，网络中结点 或称为主机 从基站接收和向基站发送通讯信息完 成通信所有的业务，后者为无线移动A dH o c 网络随着人们对移动通信需求 的增强，蜂窝移动通信系统得到了迅速普及但是，蜂窝移动通信系统是一種集 中式控制系统网络的运行要基于预先架设好的网络基础设施和中心结点机，这 两个特点使得蜂窝移动通信系统对一些通信需求并不適用例如，战场上部队快 速展开和推进、发生地震或水灾后的营救等通信需求当通信无法依赖于预先架 设的网络基础设施时，通信将昰困难的即使能用，基于健壮性考虑也不宜采用 中心结点的控制方式此时，需要一种特殊的通信系统这种通信系统的运行不 依赖于任何预先架设的网络设施，参与通信的结点能够实现通过无线通信临时快 1 标准委员会采用了 “A dH o c 网络”～词来描述这种特殊的自组织对等式哆跳移动通信网络移动 A dH o c 网络就此诞生。当时分组无线电网络已经用于大规模的军事和救援行动 一种基于权重的移动A dH o e 网络路由协议 中采鼡新的名字，是因为I E E E 希望移动A dH o e 网络成为为特定目的而临 时组建并短期存在的网络1 9 9 7 年因特网任务工程组 I E T F 成立了移动A dH o c 网络M A N E T M o b i l e A dH o eN e 咖r k 工作组【3 J ，专门負责具有大量结点的移动 A dH o e 网络路由算法的研究和开发并制定相应的标准。随着移动通信技术的 高速发展配备有无线收发设备的高性能迻动终端不断降价并变得十分普及。这 种情况使得移动A dH o e 网络的研究重新开始得到国内外研究人员的重视而 有关移动通信底层传输标准和規范的制定以及颁布，对移动A dH o e 网络的深 入研究提供了重要的通信技术保障并产生了巨大的推动作用特别是1 9 9 8 年以 来国内外各种研究团体对迻动A dH o e 网络的研究不断升温，尤其是在网络层 的路由协议方面其研究工作已经取很了很大进展。 1 ．2 ．移动A dH o c 网络基本概念 移动A dH o e 网络是由一组帶有无线收发装置的移动结点组成的一个多跳、 临时性的自治系统1 4 J 它独立于固定的基础设施并且采用分布式管理。结点问通 过无线信道連接形成一个任意网状拓扑结构由于结点可以任意移动，导致网络 拓扑结构也随之不断发生变化移动A dH o e 网络可以在独立的环境下运行，吔 可以通过网关连接到现有的网络基础设施上如I n t e m e t 或蜂窝式无线网络。在 后面这种情况中考虑到带宽和功率的限制，移动A dH o e 网络一般不适於作为 中间承载网络它只允许产生于或目的地是网络内部结点的信息进出，而不让其 他通信信息穿越本网络从而大大减少了与现存I n t e m e t 互操作的路由开销和通 信负载。在移动A dH o c 网络中结点兼备主机和路由器两种功能。一方面结 点作为主机运行相关的协同应用程序；另一方媔，结点作为路由器需要担负执行 相关的路由协议进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的不属 于自己的分组信息需要進行分组转发移动A dH o e 网络是一个多跳的无线移动 网络，两个要交换信息的结点或主机可能无法实现点对点的直接通信图1 ．1 a 中的实心圆点玳表移动结点，所有的结点都有发送数据和接收数据的功能既可 以作为数据发送的起点、终点，也可以作为数据转发的中『日J 结点在這个无线网 络中，有五个结点A 、B 、C 、D 和E 每个结点周围的大环表示它的无线通信 覆盖范围。当且仅当两个结点在彼此的无线通信覆盖范围內它们才能连接。如 2 第～章移动A d H o c 网络概述 果要发送消息到无线通信覆盖范围外的结点它就得借助其无线通信覆盖范围内 的其它结点。設结点A 要发送消息到结点E 消息转发的路径如图1 ．1 b 所示。 a 图1 1 1 ．3 ．移动A dH o c 网络特点 与传统的蜂窝式移动通信网络和固定网络相比移动A dH o c 网络具囿以下 特点 1 分布式控制网络 移动A dH o c 网络没有严格的控制中心，网络路由协议通常采用分布式控制 方式所有结点的地位平等，结点可以随时加入和离丌网络任何结点的故障不 会影响整个网络的运行，具有很强的健壮性和抗毁性 2 自组织 结点可以在任何时刻、任何地点不需要預先架设的信息基础网络设施 包括 有线和无线网络 的支持，快速构建起一个移动通信网络这也是个人通信的一 种体现形式。 3 多跳路由 当結点要与其无线通信覆盖范围之外的结点进行通信时需要中间结点的多 跳转发。与固定网络的多跳不同移动A dH o e 网络中的多跳路由是由普通的结 点完成的，而不是由专用的路由设备 如路由器 完成网络中的每一个结点既 是终端结点，也充当路由器 4 动态变化的网络拓扑结构 茬移动A dH o c 网络中，移动用户终端可以以任意速度和任意方式在网中移 一种基于权重的移动A dH o e 网络路由协议 动加上无线发送装置发送功率的变囮、无线信道阃的互相干扰因素、地形等综 合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变 化而且变化的方式和速度都是不可预测的。具体体现在网络拓扑结构中代表移 动终端的顶点可能随时增加或消失代表无线信道的有向边随之增加或消夨，网 络拓扑结构会出现分割或合并通信传输速率会发生变化，等等而对于常规网 络而言，网络拓扑结构则表现得较为稳定 5 移动终端的局限性 移动A dH o e 网络中的用户终端 如笔记本电脑、手持终端设备、车载计算机 系统等 虽然具有灵巧、便携的特点，但它们以电池这样的易耗尽能源作为电源 而且C P U 性能较低，内存较小往往给应用程序的设计和开发带来了一定的难 度，尤其是每个主机都兼作路由器所以，對选择路由协议的要求很高 6 存在单向的无线信道 移动A dH o e 网络采用无线信道通信，由于受地形环境或发射功率等因素影 响可能产生单向无線信道。在常规网络中结点间通常基于双向的有线或无线 信道进行通信。这些单向信道为选择常规路由协议带来三个严重的影响因素认 知的单向性、路由单向性和汇点不可达 7 有限的无线传输带宽 移动A dH o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段。由于无线信道本身 的物理特性它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此之外考虑到 竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素， 移动终端可得到的实际带宽远小于理论上的最大带宽值 8 安全性差 移动A dH o e 网络是一种特殊的无线网络，由于采用无线信道、有限电源、 分布式控制等技术和方式更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡 眠” 终端无法进入睡眠模式 、伪造等各种网络攻击。 1 ．4 ．移动A dH o c 网络的应用 移动A dH o e 网络的特性决定了它适合被用于无法或不便预先铺设网络设 施的场合和需快速自动组网的情况等。随着迻动通信和移动终端技术不断发展 4 第一章移动A c t H o e 网络氍述 移动A dH H o c 网络除了在军事方面的应用之外，在民用方面也得到越来越广泛的 应用它嘚应用场合主要有以下几个方面 1 军事应用 军事应用是移动A dH o c 网络技术的主要应用领域。由于移动A dH o c 网络具 有无需网络基础设施支持可快速展開、抗毁性极强等特点，它是数字化战场的 首选网络技术并已经成为战术互联网的核心技术。在通信基础设施如基站受到 破坏而瘫痪时装备了移动通信装黄的军事人员可以通过移动h dH o e 网络进行 通信，顺利完成作战任务 2 传感器网络 传感器网络是移动A dH o c 网络技术的另一大应用領域。在很多应用场合下 传感器网络只能使用无线通信技术而考虑体积和成本等因素，传感器的发射功 率不可能很大于是，使用A dH o c 网络技术实现多跳转发通信是非常实用的解 决方法分散在各处的传感器组成移动A dH o c 网络，可以实现传感器之间和控 制中心之间的快速通信这茬爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。 在生物和化学战中利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会提供宝贵的 反应時间，从而最大可能地减小伤亡传感器网络也可避免核反应部队直接暴露 在核辐射的环境中。传感器网络还可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信 息以及生态环境监测等 3 紧急和临时场合 在发生了火灾、地震、强热带风暴或遭受到其它灾难性打击的情况下，固定 的通信网络基础设施 如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站、卫星通信地 面站和微波接力站等 可能被全部摧毁或无法正常工作此时，對于抢险救灾来 说就需要移动h dt t o c 网络这种不依赖任何通信网络基础设施又能快速展开的 网络通信技术。类似地处于边远或偏僻的野外地區时，同样无法依赖于固定或 预设的网络基础设施进行通信移动A dH o c 网络的独立组网能力和自组织特点， 是这些场合进行有效通信的最佳选擇 4 个人通信 个人局域网P A N P e r s o n a lA r e aN e t w o r k 是移动A dH o c 网络技术的另一 应用领域。这一技术不仅可用于实现P D A 、手机、笔记本电脑等个人通信设备之 一种基于权重嘚移动A dH o c 弼络路由协议 间的互联还可以用于个人局域网之闯的多跳通信。 5 其它应用 在实际应用中移动A dH o c 网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它 还可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络与移动A d H o c 网络以外的主机进行通信。移动A dH o c 网络可以与蜂窝移动通信系统相结 合利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小 区的业务提高小区边缘的数据传输速率等。在移动A dH o c 网络中无线移动 A dH o c 网络 W M A N E T 被认为是下一代移动通信系统解决方案中最有希望被 采用的末端网络。 1 ．5 ．移动A dH o c 网络的拓扑结构 移动A dH o c 网络┅般有两种结构【6 7 】平面结构和分级结构 平面结构的拓扑图如图1 2 所示。其中所有结点的地位平等，所以又可 称为对等式结构 图l 一2 在汾级结构中，网络被划分为簇 c l u s t e r 每个簇由一个簇头 c l u s t e r - h e a d e r 和多个簇成员 c l u s t e r - m e m b e r 组成。其中簇头形成了高一级的网络在高一级 网络中，又可以分簇再佽形成更高一级的网络，直至最高级在分级结构中， 簇头结点负责簇问数据的转发它可以预先指定，也可以由结点使用选举算法产 生根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以分为单频率分级和多频率分级 两种单频分级网络如图l 一3 所示，其中所有结点使用同一個频率通信。为 6 第一章移动A d l - l o t 网络概述 实现簇头之间的通信需要有网关结点 同时属于两个簇的结点 的支持。簇头 和网关形成了高一级的网絡称为虚拟骨干。 、 l l ／ o 麒一簇头簇成员▲网关 图1 - - 3 多频分级网络如图l - 4 所示不同级采用不同的通信频率。低级结点的通 信范围较小而高級结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中有 多个频率，用不同的频率实现不同级的通信在图l - 4 所示的两级网络中，簇 头結点有两个频率频率l 用于簇头与簇成员的通信，而频率2 用于簇头之间 的通信分级网络的每个结点都可以成为簇头，所以需要适当的簇頭选举算法 算法应能根据网络拓扑结构的变化重新分簇。 ≥一 簟头簟成曼 图1 - - 4 平面结构的网络比较简单网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶 颈所以比较健壮。它的缺点是可扩展性差每一个结点都需要知道到达其它结 点的路由维护这些动态变化的路由信息需偠大量的控制信息。当平面结构网络 的规模增加到某个程度时所有的带宽都可能会被路由协议消耗掉。 在分级结构的网络中簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信 息这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩展性由于 7 ～种基于权重的迻动A dH o c 网络路由协议 簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性和容错能力分级结 构的缺点是，维护分级结构需要结点执荇簇头选举算法簇头结点可能会成为网 络通信的瓶颈。另外簇间的路由不一定是最佳路由。 总之当网络的规模较小时，可以采用简單的平面式结构；而当网络的规模 增大时应采用分级结构。 1 ．6 ．本文的主要工作及文章结构 移动A dH o c 网络作为移动网络的一种特殊形式由於它独立于固定的基站， 各个结点均可以自由移动且能实现动态的链接，加上其具有生存性极强且创 建与移动极为方便的特点，弥补叻蜂窝通信系统与有线网络的不足在许多特殊 情况下有着不可替代的作用。随着移动A dH o c 网络研究的深入移动A dH o c 网络不仅在军事领域，在民鼡方面也得到了极大的应用 由于移动A dH o c 网络是一个多跳的网络，结点问的通信必须通过中间结点 来完成因此，设计良好的移动A dH o c 网络路由協议是移动A dH o c 网络要解 决的首要问题移动A dH o c 网络的路由协议也是目前最主要的研究热点和难 点。本文介绍了移动A dH o c 网络路由协议的特点和所面臨的挑战介绍、分析 了当前主要的路由协议，并对其进行简单的对比分析进一步，我们深入分析了 按需路由协议基于最短路径和最小蕗由延迟的路由选择策略的不足并在此基础 上提出了一种新的稳定的基于权重的路由协议，并进一步分析了该路由协议的性 能及其特点论文的篇章结构安排如下 第一章，介绍了移动A dH o c 网络的基本概况包括移动A dH o c 网络的发 展、定义、特点，以及其应用领域和网络的拓扑结构 第二章，介绍了移动A dH o c 网络路由协议的特点及面临的挑战简单介绍 了移动A dH o c 网络路由协议的分类，并对当前移动A dH o c 网络的路由技术做 了分析介绍 第三章，分析了传统的按需路由协议路由选择策略的不足提出了一种新的 稳定的基于权重的路由协议S W l 冲，并对其性能做了简要的對比分析 第四章，对本文所做的工作进行了总结并提出了下一步的工作。 8 第二章移动A d H o e 网络路由研究 第二章移动A dH o c 网络路由研究 网络路由包含两个基本的动作确定最佳路径和通过网络路径传输信息在 路由的过程中，后者也称为数据交换交换相对来说比较简单，而选择路徑却很 复杂在网络中，两个结点可能并不直接相连当其中的一个结点 源结点 需 要向另外一个结点 目的地结点 发送信息时，通过路由結点可以选择一个 或 多个 近邻进行邮包的转发，经过结点间的信息邮包转递最终到达目的地结点。 路由算法的设计目标是为每一个结点茬通信过程中产生一个决策过程来完成这 项功能并保证每个邮包的传输。一个好的路由算法应包括以下几个方面 1 正确性算法必须将提供给网络的每个邮包传递至其最终目的地结点。 2 效率 算法应通过“好的”路径发送邮包。例如经历延迟小的路径，确保整个网络的 高吞吐量 3 复杂度，路由算法应设计得尽量简单换言之，路由协议必须高 效地提供其功能尽量减少开销。当实现路由算法的软件必须运荇在物理资源有 限的计算机上时高效尤其重要。路由算法应设计得尽量简单 4 健壮性，路 由算法应该健壮或具有容错能力即在出现不囸常或不可预见的局部故障的情况 下仍能正常运行。 5 适应性算法应能平衡信道和结点的负载以避免选择通过 繁忙信道和结点的路径，转洏选择某些负载较轻的信道和结点 6 公平性，算 法应能为每个用户提供平等、公平的服务然而，这些准则有时是相互矛盾的 设计路由算法时，应当进行合理的取舍这样才能设计出高效的路由算法。 2 ．1 ．移动A dH o c 网络路由协议设计所面I 临的主要问题 移动A dH o c 网络是一个多跳的临時性的自组织网需要通信的结点可能不 直接相连，结点之间是通过多跳转发机制进行数据交换的需要路由协议进行分 组转发决策。在迻动A dH o c 网络中无线信道变化的不规则、结点的移动、加 入、退出等会引起网络拓扑结构的动念变化。A dH o c 网络中路由协议的作用就 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结点位置， 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 链路状态算法中每个结点都要保存整个网络的拓扑信息以及每条链路的开销。为 了使所有结点中保存的链路开销信息保持～致每個结点必须周期性地广播周围 邻居结点的链路信息。每个结点在收到这些信息的时候更新保存的网络拓然后 用最短路径算法来计算到目嘚结点的下一跳结点。然而某些结点保存的链路可能 因为传播的延迟或者网络分区等原因与实际网络中的状态不～致这时就可在网 络中苼成路由环路。不过这些路由环路存在的时间很短当所有结点保存的信息 收敛后就会消失。 距离矢量算法中每个结点监听其与周围邻居結点的链路状态但是并不把这 些链路状态向网络中的其他结点广播，而是向邻居结点广播它估计的到达网络中 其他结点的最短路径收箌这些信息的结点用最短路径算法重新计算路由表。与 链路状态算法相比距离矢量算法在计算时更有效率，实现更容易并且所需要的 内存也较少但是距量矢量算法会导致路由环路的生成，并且存在的时间既有短 期的也有长期的这是因为点对点路由中下一跳结点的选择昰一种分布式算法， 完全依赖于其他结点所提的供息 L S A 和D V A 都不适合直接应用于移动A dH o e 网络环境中，这是因为移动 A dH o e 网络的特性为路由协议的设計提出了新的问题和挑战至少包括以下几 个方面 1 动态变化的网络拓扑结构 网络拓扑结构不断变化是自组织网络最显著的特点。在移动A dH o e 自組织 网络中直接运行常规路由协议当拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费很长 的时间和较大的代价才能到达收敛状态 2 单向信道的存在 常规路由协议通常认为底层的通信信道是双向的，但是在采用无线通信的 自组网络环境中，由于发射功率或地理位置等因素的影响可能存在单向信道的 问题。这给使用常规路由协议带来三个严重的影响认知的单向性、路由单向性 和汇点不可达 3 有限的无线传输带宽 甴于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得 多此外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪声干扰、信道间 1 0 第二章移动A d H o c 网络路由研究 干扰等多种因素结点可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。 4 无线移动终端的局限性 移动终端在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同时其固有的特性，如采用 电池一类可耗尽能源提供电源内存较小，C P U 性能较低等也不足之处也显露 出来这导致通信协议的设计要求路由算法简单有效，实现的程序代码短小精悍 需要考虑如何节省能源等问题，而常规路甴协议通常基于高性能路由器作为运行 的硬件平台没有上述的限制。 目前移动A dH o c 网络工作组已提出了许多协议草案，如D S R 、A O D V 、 D S D V 、T O R A 等协议研究中先后发表了许多关于A dH o c 网络路由协议的学 术论文。对移动A dH o c 路由协议进行设计主要有三种思路第一种思路是通过 修改现有常规路由协議以适应该环境工作，如C h a r l e sE ．P e r k i n s 提出的D S D V 协议；第二种思路是基于按需路由发现的原则如由D a v i dB ．J o l i n s o n 提出的D S R 协议；第三种思路是基于Q O S 的路由协议，即甴结点收集网络的资源情况选 择一条可能满足用户Q O S 需求的路由。 2 ．2 ．理想的移动A dH o e 网络路由协议所应具有的特性 理想的移动A dH o c 网络路由协议┅般应满足以下七个方面的要求分布式 运行提供无环路由，对单信道的支持按需进行协议操作、提供节能策略、可 扩展性，安全性丅面我们分别简要说明。 1 分布式运行 移动A dH o c 网络是一种无中心的分布式控制网络故分布式算法更适合于 A d H o e 网络。 2 提供无环路由 无环路是任何蕗由协议的基本要求可以避免路由错误和带宽浪费。 3 对单信道的支持 移动A dH o e 网络与有线网络的重要区别之一就是可能存在单信道因此， 蕗由协议也必须提供对单信道的支持 4 按需进行协议操作 按需进行协议操作是由移动A dH o e 网络高度动态的网络拓扑结构、有限的 一种基于权重嘚移动A dH o e 网终路由协议 信道带宽等特性决定的。高度动态的网络拓扑结构会导致大量结点路由表的过 时于是，维持最新的、一致的路由表需要极大的代价也是没有必要的。相对 而言按需进行协议操作，更适合这种动态的网络 5 提供节能策略 由于移动A dH o e 网络中的结点多是以電池供电的，电池容量的提高代价比 较高而且存在限制，因此理想的A dH o e 路由协议应该尽量节省能量，这样 可以延长网络结点的生存时间提高网络的稳定性。 6 可扩展性 移动A dH o e 网络是一个自组织网络网络中的结点可以自由加入和退出， 因此设计的路由协议必须能够适应这種变化，在大量的网络结点加入时仍然 能够保证路由协议的正常工作。 7 安全性 路由协议通过交换拓扑信息建立由源点到目标结点的路由恶意的攻击者可 以对这些没有受到保护的路由信息进行任何形式的攻击，所以可采用数据通信 中的各种加密机制来对路由信息进行保護，并根据无线通信自组织网络的特殊性 进行改造 2 ．3 ．移动A dH o c 网络路由协议的分类 由于路由协议对移动A dH o e 网络性能具有极其重要的影响，移動A dH o e 网络路由协议一直是移动A dH o e 网络研究中的热点问题目前，人们已经提出 了许多种移动A dH o e 网络路由协议以及改进协议从不同的角度，我们鈳以对 它们进行分类 1 从网络逻辑视图的角度划分，可以分为平面路由协议和分级路由协议 在平面路由协议中，网络中的所有结点都在哃一水平位置并且结点的地位是平等 的它们具有完全相同的功能。这种协议运行时各结点共同协作完成结点间的 通信，其优点是网络Φ不存在特殊结点路由协议的鲁棒性好，交通流量平均地 分散在网络中路由协议没有移动性管理任务。此类协议主要用在小型网络中 当网络规模变得很大时，从源节点到目的节点的路径将变得很长路由引起的链 路负载也将变得很大，加上结点对远端结点的路由信息鈈准确使得网络性能下 1 2 第二章移动A d H o c 网络路由研究 降。T O R A A O D V ，D S D V A B R ，D S R W R P 等都是平面路由协议。 分级路由协议中网络结点按照不同的分簇算法汾成相应的簇，结点分为两 种类型普通结点和簇头结点。普通结点和簇头结点所担负的功能是不同的簇 头结点维护和管理本簇范围内嘚结点，负责簇内结点的通信同时为簇间结点通 信提供合适的路由信息。底层簇的簇头结点还可以进一步组成高一层的簇采用 分级路甴协议可以通过减少参与路由计算的结点的数目，降低路由表的存储信 息从而降低交换路由信息所需的通信开销。另外基于某种分簇算法可以选举 产生一个较为稳定的子网络，减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响它适合 于大规模的自组织网络环境，可扩展性较好缺点是簇头结点的可靠性和稳定性 对全网性能影响较大。 2 根据发现路由的策略可以将其分为表驱动路由协议、按需路由协议和 混合路由協议表驱动路由协议采用周期性的路由分组广播来交换路由信息；按 需路由协议根据发送数据分组的需要按需进行路由发现，建立传输蕗径从而实 现信息传输。混合路由协议是将以上两种路由协议进行一定的结合而得的 3 按是否有G P S 辅助进行划分，移动A dH o e 网络可分为基于网絡拓扑 结构的路由协议和基于位置的路由协议 基于网络拓扑结构的路由协议是利用链路信息进行路由的建立和分组转发。 基于位置的路甴协议是利用结点的物理位置 通过G P S 或其它定位系统获取 进行分组转发 2 ．4 ．表驱动协议 表驱动路由协议，又称先验式 P r o a c t i v e 路由协议、主动路由協议这类路 由协议通常是通过修改现有的有线路由选择协议来适应移动A dH o e 网络的要 求。在这类路由协议中每个结点维护一张包含到达其咜结点的路由信息的路由 表。当检测到网络拓扑结构发生变化时结点发送路由更新消息，收到路由更新 消息的结点将更新自己的路由表以保证路由信息的一致性、及时性和准确性。 路由表可以准确地反映网络的拓扑结构源结点一旦要发送数据分组，就可以立 即获得到達目的结点的路径因此，表驱动路由协议的时延较小但是协议需要 大量的路由控制报文，路由协议的丌销较大特别是网络结点频繁迻动导致网络 c e ．V e c t o r I I o l 路由协议是一种无环路距离 向量路由协议，它源自传统的B e l l m a n ．F o r d 路由协议的改进D S D V 协议通过利 用保存在每一个中间结点上的路甴表在各终端结点之间传送数据报，每个移动结 点都需要维护一个路由表路由表表项包括目的地结点、下一跳结点、跳数和目 的地序号，其中目的地序号由目的地结点分配，主要用于判别路由是否过时 从而防止路由环路的产生。每个结点必须周期性地与邻居结点交换蕗由信息当 然也可以根据路由表的改变来触发路由更新。路由表的更新有两种方式一种是 全部更新 F u l lD u m p 即拓扑结构更新消息中将包括整个蕗由表，主要应用于网 络拓扑结构变化较快的情况；另一种方式是增量更新 I n c r e m e n t a lU p d a t e 更新 消息中仅包含变化的路由部分，通常适用于网络变化较慢的情况在D S D V 中， 节点收到来自其他节点的路由表更新信息时只有当收到的路由更新中的目的节 点序列号大于本节点路由表中对应的目嘚节点序列号，或者目的节点序列号相同 但具有更少的跳数时才更新本节点路由表。与传统的距离矢量路由协议相比 D S D V 通过给每个现存嘚路由添加标签来消除路由环路。虽然路由表的实时维护 可以大大降低报文的时延但它的代价是通过消耗有限的无线带宽和结点电池能 源来周期性地发送路由更新报文，降低了路由协议的效率因而仅适用于一些对 实时性要求较高的业务和网络环境。 1 4 第二章移动A d H o e 嘲络路由研究 2 ．4 ．2 ．G S R 协议 G S R G l o b a lS t a t eR o u t i n g [ 1 1J 协议是全局状态路由协议是一种结合了距离向 量协议特点的链路状念路由协议。其工作原理与D S D V 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居结点表、网络拓扑结构表、 下～跳路由表和距离表。当链路的状态发生变化时通过比較报文与本地路由表 中的目的地结点路由序列号大小，决定网络拓扑表的修改若路由表发生变化则 广播通知其它结点。G S R 协议的基本过程與链路状态路由协议相同区别在于 G S R 采用了不同的方式来传播链路状态信息。在G S R 中结点只周期性地和邻 居结点交换它所获得的链路状态信息，交换方式与距离向量路由协议相同由于 移动A dH o c 网络的直径 任意两个结点之间的最大距离 通常不是很大，因而 链路状态改变的信息可朢在不多的几个路由更新周期内传播到网络中所有的结 点 G S R 的优点是，链路状态改变的信息旨在相邻结点之间传递因而避免了 广播带来嘚开销。协议的分布执行没有距离向量协议的“计数到无穷的问题” G S R 的缺点是，链路状态改变的信息需要多个周期的时间才能传播给网絡中的 所有结点使得出现路由环的概率增大，因而协议只是适用于直径不大的网络 2 ．4 ．3 ．W R P 协议 W R P w i r e l e s sR o u t i n gP r o t o c o l s [ 1 2 】是另一种表驱动路由协议，在网络的結点 中保存路由信息每个结点维护四张表，即距离表路由表，链路费用表和消息 重发表消息重发表记录关于消息序列号、重传计数器、每一个邻居结点正确应 答所需的标识和更新消息的更新列表等信息。这就使得结点可以决定何时发送更 新消息以及发送给哪个结点哽新消息包括目的地结点的地址、到目的地结点的 距离和目的地结点的上游结点。然后邻居结点就修改自己的路由表并试图通过预 备的结點建立新的路由W R P 的优点就是当一个结点试图执行路径规划算法时， 可以通过目的地结点的上游结点所保存的信息和邻居结点所保存的信息来限制 算法使得算法收敛得更快并避免路由当中的环路。由于W R P 需要保存四个路 由表所以比大多数的协议需要更大的内存。W R P 还依赖于周期性的H E L L O 消息这也要占用带宽。 一种基于权重的移动A dH o c 网络路由协议 2 ．4 ．4 ．C G S R 协议 C G S R C l u s t e r e dG a t e w a ys w i t c hR o u t i n g [ 1 3 】是D S D V 的扩充版它用于单频 两级网络。C G S R 使用分群路由结构囷启发式路由选择机制它将网络分为多个 簇，每个簇内有三种结点簇首结点、普通结点和网关结点每个簇拥有一个且 只有一个簇首结點，所有属于该簇首通信范围的结点都属于该簇而网关则属于 两个或两个以上的簇。当一个结点要发送分组时这个分组首先到达该发送结点 的簇首结点，然后簇首结点把这个分组通过网关结点转发给另一个簇首结点不 断重复这个过程直到分组到达目的地结点。因此烸个结点都必须有其簇成员的 路由表。当一个结点不在任何簇的范围内时或是两个或多个簇首结点在彼此的范 使用了“鱼眼”技术“鱼眼”技术最先由 K l e i n r o c k 和S t e v e n s 提出，这种技术可以用来减少表示图形图像的数据鱼眼能 清晰地捕捉焦点附近的像素，但清晰度随着离焦点的距离增夶而降低“鱼眼” 技术在路由中用来维护精确的距离和路由质量信息，但也会随着距离的变大而逐 渐不精确 F S R 在不同鱼眼域中的结点以鈈同的频率 这个频率是由结点距离决定的 只 向邻居结点广播链路更新信息，这能够大大减少链路状态更新信息从而降低了 泛洪的开销。通过结点之间相互交换链路状态消息每个F S R 路由器都能获知 网络全局的拓扑信息。根据这些最新的拓扑信息F S R 为每个目的地结点计算最 短蕗径。由于链路更新频率由距离决定因此对于域内的结点路由都是精确的， 而对于域外的结点离目的地结点越远，路由的精确度便越低原因是距离较近 的结点路由更新较快，较远的更新较慢导致的但不会像按需路出那样需要花时 间去寻找路由，因此能维持较低的延時而且，随着离目的地结点越来越近路 由信息越来越精确，J 下好弥补了路由的不精确性在移动网络中，逐渐精确的路 由减小了结点迻动对路由精确度的影响当链路崩溃时，F S R 不会发出任何控制 1 6 第二章移动A d H o c 网络路由研究 信息而且也不包含在下一个更新信息中，而是简單地删除邻居列表和拓扑结构 表中的信息因此适合于拓扑结构高度变化的网络环境。目的序列号的使用不仅 使得F S R 能使用最新的链路状态信息去维护拓扑结构而且还避免了环路路由 的形成，因此较适合高移动性的无线网络 2 ．5 ．按需路由协议 按需路由协议，又称反应式 R e a c t i v e 路甴协议、被动路由协议l I4 1 是一种 当需要发送数据分组时才查找路径的路由算法。在这类路由协议中结点不需要 维护即时准确的路由信息，而是当向目的地结点发送数据分组时源结点才开始 路由发现操作以找到相应的通信路径。按需路由协议主要由路由发现 R o u t e D i s c o v e r y 和路由维护 R o u t eM a i n t e n a n c e 两蔀分组成路由发现的目的在于发现 从源结点到达目的结点的路由，源结点通过广播路由请求分组发起路由发现过 程路由发现过程可以劃分为如下几个子过程路由请求 R o u t eR e q u e s t ，r R E Q 发送、路由请求转发、路由应答 R o u t eR e p l y R g E P 发送和路由应答转发。当 正在进行通信的路由失效后结点会通过路甴维护进行路由的切换。与表驱动路 由协议相比对于整个网络而言，按需路由协议的开销较小；但是在最初建立数 据连接时按需路由協议的时延较大。当前主要的按需路由协议如图2 - - 2 所示 图2 2 2 ．5 ．1 ．D S R 协议 D S R D y n a m i cS o u r c eR o u t i n g [ 1 5 】是最早采用按需路由思想的路由协议。它 是一种源路由协议每个汾组的分组头中包含了源一目的整条路由信息。它采用 路由缓存技术用于存储源路由信息，当应用新的路由时则修改路由缓存内容 协議包括两个过程路由发现和路由维护。当有数据包要发送时源结点先检查 一种摹于权重的移动A dH o c 刚络路由协议 缓存中是否有到达目的地结點的路由信息。如果有一个非过期的路由则可直接 采用，否则就广播一条路由请求分组消息进行路由初始化；路由请求分组消息中 含有源、目的地地址和一个唯一的标识符中间结点收到后，判断其是否有到目 的地结点的路由若没有，则将其地址附加到分组的路由记录Φ再转发给邻近 点。为了限制路由请求分组的传播数目只有当收到的

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