无线自组织网络路由协议概述

无线自组织网络路由协议概述 唐敏赵贵摘要：移动自组网由一组带有无线收发装置的移动节点组成，用来为远程操作、战场和地震或者洪水救援等紧急通信和易变的移动通信提供服务。由于移动自组网与有线网的区别，使得为移动自组网设计一个合适的分布式路由协议具有一定程度上的难度。本文主要是介绍了DSR和ADOV协议以及与有线网络中DV路由协议的区别。关键词：无线自组网、DSR、ADOV无线自组织网络即MANET(Mobile Ad Hoc Network)，是一种不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。 无线自组织网络(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。由于Adhoc网络具有节点节电、减少带宽消耗、拓扑快速变化、适应单向信道环境等多方面的要求，使得现有的IP路由协议，如RIP（选路信息协议）和OSPF（开放最短路径优先协议）等不能满足要求，Adhoc网络路由协议的设计具有很大难度。IETF的MANET工作组重点研究无线Adhoc中的路由协议。主要有如下几种草案： 1.AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc网络的距离矢量路由算法。 2.TORA（TemporallyOrderedRoutingAlgorithm）临时顺序路由算法。 3.DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。 4.OLSR（OptimizedLinkStateRoutingProtocol）优化的链路状态路由协议。 5.TBRPF（TopologyBroadcastBasedonReversePathForwarding）基于拓扑广播的反向路径转发。 6.FSR（FisheyeStateRoutingProtocol）鱼眼状态路由协议。 7.IERP（theInterzoneRoutingProtocol）区域间路由协议。 8.IARP（theIntrazoneRoutingProtocol）区域内路由协议。 9.DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）目标序列距离路由矢量算法。下面我将重点就DSR和AODV两种协议进行介绍。(一)DSR（DynamicSourceRouting）动态源路由协议。DSR是基于源路由概念的按需自适应路由协议。移动节点需保留存储节点所知的源路由的路由缓冲器。当新的路由被发现时，缓冲器内的条目随之更新。 DSR路由协议有两个主要机制组成路由寻找(Route Discovery）机制和路由维护(Route Maintenance)机制。路由寻找机制在源节点需要给目的节点发送一个分组并且还不知道到达目的节点的路由的时候使用。当源节点正在使用一条到达目的节点的源路由的时候，源节点使用路由维护机制可以检测出因为拓扑变化不能使用的路由，当路由维护指出一条源路由已经中断而不再起作用的时候，为了将随后的数据分组传输到目的节点，源节点能够尽力使用一条偶然获知的到达目的节点的路由，或者重新调用路由寻找机制找到一条新路由。在DSR路由协议中，路由寻找机制和路由维护机制均是完全按需操作，不需要某个网络层次的某种周期分组，如DSR不需要任何周期性的路由广播分组、链路状态探测分组。DSR路由协议的的所有状态都是“软状态”，因为任何状态的丢失都不会影响DSR路由协议的正确操作，因为所有状态都是按需建立，所有状态在丢失之后如果仍然需要的话则能够很容易得到迅速恢复。DSR路由协议的路由寻找机制和路由维护机制的操作是的单向链和不对称路由很容易得到支持。DSR路由协议的完整版本直接使用“源路由”，节点使用路由缓冲器存储节点所知的源路由，当发现新路由时，更新缓冲器内的条目。节点所发送的每个数据分组均在其分组头中携带其将要通过的一个完整的、按序排列的路由信息。DSR选项头格式如下：(二). AODV（AdhoconDemandDistmceVectorRouting）Adhoc网络的距离矢量路由算法。AODV路由协议是一种按需路由协议，实质上是DSR和DSDV的综合，它借用了DSR中路由发现和路由维护的方法，及DSDV的逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制，以DSDV为基础，结合DSR中的按需路由思想并加以改进。和DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通过建立基于按需路由来减少路由广播的次数，这是AODV对DSDV的重要改进。和DSR相比，AODV的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据分组中，这样会使路由协议的开销有所降低。AODV是一个纯粹的按需路由系统，那些不在路径内的节点不保存路由信息，也不参与路由表的交换。 AODV协议可以实现在移动终端间动态的、自发的路由，使移动终端很快获得通向所需目的的路由，同时又不用维护当前没有使用的路由信息，并且还能很快对断链的拓扑变化做出反应。AODV的操作是无环路的，在避免了无穷计数问题的同时，还提供了很快的收敛速度。AODV有别于其他协议的最显著的特点是路由表中每个项都使用了目的序列号(Destination sequenceNumber)。目的序列号是目的节点创建，并在发给发起节点的路由信息中使用的。使用目的序列号可以避免环路的发生。AODV协议主要包括两个阶段：路由发现阶段和路由维护阶段。路由发现阶段的主要任务是建立与期望目的节点之间的可靠路由，这个路由可能是以前有的，也可能是通过算法新建立的；路由维护阶段的主要任务是维护和更新节点路由表中保存的路由表项。AODV协议中有五类控制消息：路由查询消息(RREQ)、路由回复消息(RREP)、路由错误消息(RERR)、RREP应答消息(RREPACK)，HELLO消息。当源节点需要和目的节点通信时，如果在路由表中已经存在了对应的路由，AODV不会进行任何操作。当源节点需要和新的目的通信时，它就会发起路由发现过程，通过广播刚姬Q信息来查找相应路由。当这个RREQ到达目的节点本身，或者是一个拥有足够新的到目的节点路由的中间节点时，路由就可以确定了。所谓“足够新”就是通过目的序列号来判断的。目的节点或中间节点通过原路返回一个RREP信息来向源节点确定路由的可用性。AODV使用了分布式的、基于路由表的路由方式，所以建立路由表后，在路由中的每个节点都要执行路由维持、管理路由表的任务，在路由表中都需要保持一个相应目的地址的路由表，实现逐跳转发，这就与DSR所采用的源路由方式有很大的不同。后者在路由时，只有源节点知道到目的节点的完整路由，而中间节点都不知道有关的路由信息。在维护路由表的过程中，当路由不再被使用时，节点就会从路由表中删除相应的项。同时，节点会监视一个活动路由(activeroute，有限跳的，可用于数据转发的路由表)中下一跳节点的状况。当发现有链路断开的情况时，上游的节点就会使用RERR通知更上游的节点。在RERR消息中，指明了由于断链而导致无法达到目的节点。每个节点都保留了一个“前驱列表”(precursor list)来帮助完成错误报告的功能，这个列表中保存了把自己作为到当前不可达节点的下一跳的相邻节点(可以通过记录RERR获得)。RREPACK由源节点应目的节点的要求发出，主要用于应答目的节点的RREP消息；HELLO消息是一类特殊的一跳RREP消息，该消息用于节点保持和邻居节点之间的有效链路。AODV协议中规定节点保存的数据结构主要有：路由表、先驱表、单向链路黑名单(black list)。路由表中保存节点到每一个目的节点的路由。先驱表用来保存使用相对应的路由的所有邻居节点，使得一旦出现链路失效，本节点能够快速的通知到相关的邻居节点。单向链路黑名单主要用于记录于本节点间存在单向链路的上游节点。在路由表中，针对每一个表项，需要记录如下的内容：目的IP地址(DestinationIp Address)；目的序列号(Destination Sequence No)；接口(Interface)；跳数计数(Hop Count)；上一次的跳数(Last Hop Count)；下一跳(NextHop)；前驱列表(List ofprecursors)；生存时间(Life Time)；路由标记(RoutingFlags)。其中，对序列号进行管理是防止路由环路的关键所在。当发生断链时，通过增加序列号和度量值(跳数)来使路由表项无效。（三） .Adhoc与有线网络中DV路由的区别Adhoc是由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端节点组成的一个多跳临时性自治系统;每个(移动)终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议;节点间路由通常由多跳(Hop)组成;不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建.其特点是1.独立组网，不需要任何预先网络基础设施；2.动态拓扑，节点移动，节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响；3.自组织，无控制中心，节点故障不会影响到整个网络。4.多跳路由，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，因此节省了能量消耗，通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范围5.特殊的无线信道特征,无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多,竞争无线共享信道产生碰撞,信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等；6.终端的局限性,能量、存储、计算等资源受限；7.安全性差,无线链路的开放性,移动性导致节点之间信任关系的变化;8.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;9.存在单向无线信道,终端发射功率的不同及地形环境的影响.而DV协议的通用属性则是：定期更新（Priodic Updates）：DV协议每经过特定时间就发送更新信息，周期为10秒（AppleTalk的RTMP）到90秒（Cisco的IGRP）；更新信息发送间隔过短会造成拥塞，而过长又会失去意义；邻居（Neighbour）：即共享相同数据链路的一组路由器；DV协议在信息上是依赖于邻居的逐跳更新方式；广播更新（Broadcast Updates）：向广播地址（IP网为255.255.255.255）发送更新信息；相同路由协议的邻接路由器收包后回应，不同路由协议的邻接路由器丢弃；更新信息包含整个路由表，邻居会搜集自己需要的信息（跳数1），丢弃不需要的；网络矢量算法只给出了网络上的路标也就是方向和直线距离，但是没有给出沿路径行走的细节，就像叉路口的路标一样，它很容易受到意外或故意的破坏；广播更新有一个失效计时器，也就是一定时间（deadtime）内hello包无回应即删除该邻居；水平分隔（Split Horizon）：路由器向外发送包含了整个路由表的更新信息不仅浪费了带宽，还有可能造成Full Mesh网络的网络回路也就是不断把从邻居路由器学到的路由回发给邻居路由器（你收到并发出后经过Full Mesh回路往往会再发给邻居，邻居有更新了按照RIP的协议规则也会不断发给你，于是很可能一直循环下去浪费资源造成拥塞甚至导致段网），这并不必要，因此规定只发送路由矢量方向的路由也就是只延续收到的路由，而与路由矢量方向相反的路由是逆向路由（Reverse Route）默认被水平分隔阻挡；分成简单水平分隔（发送更新时接口不能发送从本接口得到的跟新信息）和毒性逆转水平分隔（发送更新时通过指定跳数的inf无穷大来指定向该接口发送此更新信息的网络不可达）；跳数的无穷大：Full Mesh网络的环路下会不断循环更新某路由使跳数直到无穷大而使路由不可达（默认跳数16的网络不可达），解决方法是设定最大跳数15；但收敛速度大大降低！其他解决方法是触发更新和抑制计时器；触发更新（Triggered Update）：路由在发生变化时立刻发布更新而不等到计时器超时；抑制计时器（Holddown Timer）：路由跳数变化时立刻抑制（不收发有关其的更新信息）等时间结束后再查看，这是折中的方法，虽然有效解决了跳数无穷大问题但是抑制时间过短会造成拥塞，而过长又会失去意义，不建议低端路由器使用；异步更新（Asynchronous Update）：MP子接口中避免碰撞。DV路由协议是为小型网络环境设计的。在大型网络环境下，这类协议在学习路由及保持路由将产生较大的流量，占用过多的带宽。如果在9 0秒内没有收到相邻站点发送的路由选择表更新，它才认为相邻站点不可达。每隔30秒，距离向量路由协议就要向相邻站点发送整个路由选择表，使相邻站点的路由选择表得到更新。这样，它就能从别的站点（直接相连的或其他方式连接的）收集一个网络的列表，以便进行路由选择。距离向量路由协议使用跳数作为度量值，来计算到达目的地要经过的路由器数。