（通信与信息系统专业论文）无线自组网中跨层组播路由协议研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着移动通信技术的发展，固定无线网络已经不能满足人们的通信需求。移 动a dh o c 网络是一种具有多跳、自组织且无基础设施等特点的无线网络，可快速 组网，在军事、救灾、个人通信以及传感器网络等领域有着广泛的应用前景，是 通信技术研究的方向之一。但是由于移动a dh o c 网络的移动多跳性以及链路带宽 和能量受限的特点，组播成为该网络中数据传输、提高带宽效率的重要传输方式。 然而，移动a dh o c 网络中网络拓扑动态变化，使得组播路径不稳定，一般组播路 由协议需要频繁的剪枝、重构等操作，带来很大的控制开销，也降低了组播协议 的性能。 本文介绍了移动a dh o c 网络中典型的组播路由协议建立路由的方法，对各种 协议的优缺点进行了分析和比较。移动a dh o c 网络中组播路由协议主要分为基于 树的组播路由和基于网格的组播路由。研究分析表明：基于树的组播路由协议数 据传输效率高，数据延时低，但是由于动态网络拓扑使得协议需要对链路进行修 补和重构，控制开销大；基于网格的组播路由协议健壮性比较好，有冗余的路径 为数据的投递提供保证，但是由于数据的冗余导致传输时延比较大。 论文对a dh o c 网络中的跨层技术做了研究，分析了a dh o c 网络的跨层设计 技术，讨论了a dh o c 网络中跨层设计的必要性。通过对分层体系各协议栈的分析， 研究了跨层设计中各层之间能够用于交互的信息以及各层之间信息交流的方法。 针对a dh o c 网络的组播技术，利用跨层思想提出一种各层参数之间相互制约和利 用的组播资源优化方案。 本文重点研究了移动a dh o c 网络中跨层组播路由协议，采用跨层设计的思想 改进一种基于网格的组播路由协议。通过网络层、数据链路层和物理层三层之间 的信息共享，实现移动a dh o c 网络中高投递率、低传输时延的组播路由。改进协 议中，网络层利用物理层的接收功率信息对邻居节点进行数据转发分级，根据信 道的状态信息调整m a c 层数据发送速率，并利用节点的邻居信息分配节点接入信 道的退避时间；数据链路层根据网络层的参数设置来发送数据，并统计数据包的 接收次数判断数据的发送以及网络中数据的重复。仿真结果表明：采用跨层思想 山东大学硕士学位论文 的路由改进协议比现有协议有更高的数据投递率、更低的数据传输时延以及更少 的控制开销。 关键词：a dh o c 网络；跨层设计；组播；网格路由 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，f i x e dc e l l u l a rn e t w o r k c a nn o tm e e tt h ec o m m u n i c a t i o n a ln e e d sa n ym o r e m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，a sa d e c e n t r a l i z e dt y p eo fn o n - 蛐c t u r e ，m u l t i h o p ，s e l f - o r g a n i z e dw i r e l e s sn e t w o r k , e s t a b l i s h i n gn e t w o r k sq u i c k l yb e t w e e nn o d e s ，i s o n eo ft h em a j o rr e s e a r c h e si n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de n j o y saw i d ef i e l do fa p p l i c a t i o nw i t hg o o dp r o s p e c t s i nv a r i o u si n d u s t r i e ss u c ha sm i l i t a r ya f f a i r s ，d i s a s t e ra s s i s t a n c e ，p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n sa n ds e n s o rn e t w o r k s h o w e v e r , b e c a u s eo fi t sm o b i l em u l t i - h o p ，l i n k b a n d w i d t ha n dp o w e rr e s t r a i n t , m u l t i c a s ti sa ni m p o r t a n tw a yt of o r w a r dd a t aa n d p r o m o t eb a n d w i d t he f f i c i e n c y b u ti n s t a b i l i t y o fm u l t i c a s tr o u t i n gr e s u l t i n gf r o m d y n a m i cc h a n g e so fn e t w o r kt o p o l o g yi naw i r e l e s sa dh o cn e t w o r kd e m a n d sg e n e r a l m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l s f r e q u e n to p e r a t i o n ss u c ha sp r u n i n ga n dr e s t r u c t u r i n g ， w h i c hb r i n g sm u c hc o n t r o lo v e r h e a da n dd e c r e a s e sm u l t i c a s tp r o t o c o l sp r o p e r t i e s c l a s s i cm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ，a n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u sp r o t o c o l sa l s o h a v e b e e na n a l y z e da n d c o m p a r e d m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l si nm o b i l ea dh o cn e t w o r k sc a nm a i n l y b e c l a s s i f i e di n t ot r e e b a s e da n dm e s h - b a s e da p p r o a c h e s a c c o r d i n gt or e s e a r c h e s ， t r e e b a s e da p p r o a c h e sh a v eh i g he f f i c i e n c ya n dl o wd e l a yi nd a t ad e l i v e r y , b u tm u c h c o n t r o lo v e r h e a d 雒t h ed y n a m i cn e t w o r kt o p o l o g ym a k e st h ep r o t o c o lr e p a i ra n d r e c o n s t r u c tl i n k s ；a n dm e s h - b a s e da p p r o a c h e sa r er o b u s t , p r o v i d i n gg u a r a n w ef o rd a t a d e f i v e r yt h r o u g hl a r g er e d u n d a n tr o u t e sw h i c ho nt h ec o n t r a r y , b r i n g sa b o u th i g h e r d e l a y i nt h i sp a p e r , as t u d yo fc r o s sl a y e rt e c h n i q u e si na dh o cn e t w o r k sh a sb e e n r e s e a r c h e d ，a u t h o ra n a l y z e dc r o s sl a y e rd e s i g n a t i o na n dd i s c u s s e di t sn e c e s s i t yi na d h o cn e t w o r k s b ya n a l y z i n gt h es t a c ko fl a y e r e ds t r u c t u r es y s t e m , t h i st h e s i sr e s e a r c h e s t h ei n f o r m a t i o nf o ri n t e r a c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tl a y e r sa n dm e t h o d sf o ri n f o r m a t i o n d e l i v e r y i na c c o r d a n c ew i t h m u l t i c a s ta dh o cp r o t o c o l s ，am e a n sf o ro p t i m i z i n g 3 山东大学硕士学位论文 m u l t i c a s ti s o u r c e sw i t hm u t u a lr e p a i n ta n du t i l i z a t i o nb e t w e e nv a r i o u sl a y e r p a r a m e t e r sh a sb e e np r o p o s e d , b ya p p l y i n gt h et h o u g h t o fc r o s sl a y e r t h ec o r eo ft h i st h e s i si st os t u d yt h ec r o s sl a y e ra dh o cr o u t i n gm u l t i c a s tp r o t o c o l s ， a n dt om a k ei m p r o v e m e n tam e s h - b a s e da p p r o a c hb yc r o s sl a y e rd e s i g n a t i o n t h r o u g h i n f o r m a t i o ns h a r i n gb e t w e e nn e t w o r k , d a t al i n ka n dp h y s i c a ll a y e r s ，m u l t i c a s tr o u t i n g w i t hh i g hd e l i v e r yr a t i oa n dv e r yl o wd e l a yc a nb er e a l i z e di nm o b i l ea dh o cn e t w o r k s i n t h ei m p r o v e dp r o t o c o l s ，t h en e t w o r kl a y e r s ，w i t ht h er e c e i v e di n f o r m a t i o nf r o m p h y s i c a ll a y e r s ，t r a n s m i ti n f o r m a t i o nt on e i g h b o rn o d e sa n dd i v i d ei n f o r m a t i o ni n t o s e v e r a ll e v e l s ，a d j u s ti n f o r m a t i o nt r a n s m i t t i n gr a t i oi nt h em a cl a y e ra c c o r d i n gt o c h a n n e ls t a t ea n db yt h en e i g h b o ri n f o r m a t i o no fn o d e sc o m p u t e sb a c k o f ft i m ef o rt h e n o d e se n t e r i n gi n t ot h ec h a n n e l t h ed a t al i n kl a y e r st r a n s m i ti n f o r m a t i o na c c o r d i n gt o t h e p a r a m e t e r so fn e t w o r kl a y e r s ，a n dj u d g e t h ei n f o r m a t i o nd e l i v e r ya n dt h e i n f o r m a t i o nr e p e t i t i o ni nn e t w o r k sb ya c c o u n t i n gp a c k e tr e c e i v i n gt i m e s s i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a ti m p r o v e dc r o s sl a y e rr o u t i n gp r o t o c o l sh a v eh i g h e rd e l i v e r yr a t i o ， l o w e rd e l a ya n dl e s sc o n t r o lo v e r h e a dt h a np r e s e n tp r o t o c o l sd o k e yw o r d s ：a dh o cn e t w o r k s ，c r o s s l a y e rd e s i g n , m u l t i c a s t , m e s hr o u t i n g 4 山东大学硕士学位论文 a c m 咿 a m r i s a m r o u t e a o d v b o d s b r c a 伊 c e d a r c l a m n 咿 d s d v e h m 限p b o d m 嘎心 g p s h c l p m a n e t m a o d v 匝g r p m s mi d n s 2 o d m r p o r a h w m 侧f 刃材 o s l p u m a q o s r l t o r t t s i d s i n r t c p z r p 符号说明 a d a p t i v ec o r e - b a s e dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l a dh o cm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l u t i l i z i n g i n c r e a s i n gi d - n u m b e r s a dh o cm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l a d - h o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g b a n d w i d t h o p t i m i z e da n dd e l a y s e n s i t i v e a l g o r i t h m b r a n c hr e c o n s t r u c t i o n c o r ea s s i s t e dm e s hp r o t o c ：0 l c o r e - e x t r a c t i o nd i s t r i b u t e da dh o cr o u t i n g c r o s s l a y e r a dh o c m u l t i p l e c h a n n e l m u l t i c a s t i n gp r o t o c o l d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e dd i s t a n c e - v e c t o r e f f i c i e n th y b r i dm u i t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l e n h a n c e do n - d e m a n dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l g l o b ep o s i t i o ns y s t e m h i e r a r c h i c a lc r o s sl a y e rp r o t o c o l m o b i l ea dh o gn e t w o r k s m u l t i c a s ta dh o co n - d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r p r o t o c o l m u l t i c a s tf o r w a r d i n gg r o u pr o u t i n gp r o t o c o l m u l t i c a s ts e s s i o nm e m b e ri d n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 o n - d e m a n dm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l o p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o nf o rh e t e r o g e n e o u s w i r e l e s sm u l t i c a s t o p t i m a l r e s o u r c ea i l o c a t i o nf o rw i r e l e s s m u l t i c a s t o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t p r o t o c o lf o ru n i f i e d m u l t i c a s t i n gt h r o u g h a n n o u n c e m e n t s q u a l i t yo fs e r v i c e r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t r o u n d t r i pt i m e s m a l i e s t - l dn o d e s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o t r a n s m i s s i o nc o n 仰o lp r o t o c o l z o n er o u t i n gp r o t o c o l 自适应核心组播路由协议 使用递增标识号的组播路由 协议 自组网组播路由协议 自组网按需距离矢量路由 带宽优化和时延感知算法 分支重构 核心辅助的格网协议 核心提取的分布a dh o c 路由 跨层多信道组播路由协议 目的节点序列号距离矢量 有效的混合组播路由协议 增强的按需组播路由协议 全球定位系统 分级跨层协议 移动自组织网络 按需距离矢量组播路由协议 前向转发的组播路由协议 组播会话成员i d 网络模拟器 按需组播路由协议 异构无线组播资源分配优化 算法 无线组播资源分配优化算法 开放系统互连 统一通告的组播协议 服务质量 重传定时器 往返时间 最小i d 节点 信号干扰加噪声比 传输控制协议 区域路由协议 5 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 网络和无线通信技术飞速发展的今天，人们对通信设备的移动性和通信的高 效性要求越来越高，“随时随地世界沟通，信息互联无处不在 的通信观念以及高 速接入、稳定通信都迫切地要求无线网络支持各种各样的宽带业务接入。这种日 益增长的社会需求具有移动、快速、稳定的通信要求，推动着无线网络技术尤其 是灵活、高速率、高稳定性的无线技术进一步发展。目前的无线通信系统主要有 蜂窝通信系统、移动a dh o c m 络( m a n e t ) 1 2 l 和无线局域网。蜂窝通信系统和无线 局域网都属于有基础设施网，而移动a dh o c 网络是无基础设施、自组织的无线网 络【3 , 4 , 5 】，在军事应用、灾难援助、个人通信以及传感器网络等领域有着广泛的应 用前景。 传统的点对点单播通信需要单独的数据通道给单一用户传输数据。当多个用 户希望同时获得这个数据包的拷贝时，主机必须向每个希望接收这个数据包的用 户都发送一份信息。这将给主机带来沉重负担，对路由器和交换机有更高的性能 要求，并且对数据通道的带宽要求也更高。尤其是在移动a dh o c 网络中，数据通 道随环境因素而变化、链路带宽资源有限，单播很难满足人们日益增长的应用需 求。而组播通信方式只需要主机发送一份信息，允许路由器复制数据包同时发送 到多个数据通道，能够很大的节约带宽、减轻主机负载。无线传输具有广播的特 性，移动a dh o e 网络可以利用这个特性实现组播传输，从而合理利用网络带宽资 源、提高网络利用效率，满足人们的通信需求。 1 1 研究背景 1 1 1a dh o e 网络特点 移动a dh o c 网络由带有收发装置的无线移动节点组成，是个动态多跳的自 治系统，不依赖预设的基础网络设施而临时建立、无中心节点的自组织无线网络【6 1 。 a dh o e 网络中的节点具备中继功能即路由和转发的功能，通过无线链路构成任意 的动态网络拓扑，实现无线网络中的多跳通信。移动a dh 0 c 网络组网功能强大， 6 山东大学硕士学位论文 可以单独的自组织网络工作；也可以与蜂窝通信网络结合，组成混合通信网络， 扩展已有网络的通信可靠性和通信范围，即目前所提的m e s h l 网络【7 1 。移动a dh o c 网络中的节点既是主机也可做路由器。由于移动节点发射功率小、通信范围有限， 不在彼此通信范围内的两个节点可借助其他中间节点的转发功能来实现通信，图 1 1 为移动a dh o c 网络的示意图。 移动a dh o c 网络主要有以下特点【3 l ： 1 、多跳性 移动a dh o c 网络中，由于节点的发射功率限制，节点通信的距离有限，当两 个通信的节点不在彼此覆盖范围之内时，需要借助中间节点中继转发才能实现通 信，即多跳通信，所以移动a dh o c 网络也叫多跳数据包网络( m u l t i - h o pp a c k e t r a d i o n e t w o r k ) 1 9 ：0 1 。区别于传统的网络，移动a dh 0 c 网络中的多跳路由是由普通的节点 完成，不需要特定功能的路由设备。 2 、动态的网络拓扑 移动a dh o c 网络中节点的互通性构成网络拓扑结构，由于节点移动的随机性 ( 即随意的速度和移动方式) 、发射功率的变化以及信道干扰和衰落的频繁变化等因 素的影响，节点之间通过无线连通方式形成的网络拓扑结构可能不断的随意变化， 并且变化的速度和方式都不可预测。 图1 1 多跳无线移动a d h o c 网络 7 山东大学硕士学位论文 3 、分布式控制和自组织性 移动a dh o c 网络没有基础设施，采用无中心控制的结构，只能使用分布式控 制来完成。网络中的节点地位平等，无主从之分，所以移动a dh o e 网络是一个对 等网络。由于移动a dh o c 网络不依赖于基础设施的支持，可以在任何时刻、任何 地点组网。移动a dh o c 网络中路由的计算和网络结构的形成都在内部进行，可随 着环境的变化而自适应调整路由和拓扑结构，节点可以随时加入网络或离开网络， 具有很好的稳定性。 4 、链路带宽和能量受限 移动a dh o e 网络的通信采用无线传输技术，与有线传输信道相比，具有相对 较差的传输环境和相对较低的网络带宽。由于采用分布式控制，节点之间信道接 入的冲突，加上信号衰落、噪声干扰等因素的影响，每个移动节点实际使用的带 宽远小于物理层提供的理论最大值。在移动a dh o c 网络中，移动节点的能量来源 一般都是电池，电池容量有限使得a dh o c 网络需要高度重视功率节省这个问题。 5 、安全性问题 移动a dh o c 网络是一种无中心、分布式控制和临时自组织的网络，比较容易 受到网络安全方面的威胁，如主动入侵、拒绝服务、被动窃听、路由表溢出、剥夺 睡眠和位置泄露等网络攻击。另外，节点本身可充当路由器，网络边界模糊，需要 特别考虑信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制和其他安全措施。 1 1 2a dh o e 网络的组播 由于无线链路的带宽受限以及移动a dh o c 网络中节点能量受限等问题，单播 传输方式不能很好满足高效通信的需求。组播通信方式是一种一对多的通信方式， 将其与移动a dh o c 网络相结合，能够提高无线网络的带宽利用效率，为用户提供 高效的无线通信。 移动a dh o e 网络的特殊性使得组播路由协议具有特殊性。a dh o c 网络的节点 移动性使得网络具有动态的拓扑结构，且由于带宽和能量的限制，组播协议需要 减少重复分组和控制开销，提高带宽的利用效率。移动a dh o c 网络中组播路由协 议的具体要求如下【1 1 】： 8 山东大学硕士学位论文 l 、功能性要求：节点的移动具有随意性，节点可任意的加入和离开组播组， 需要动态的维护组播组。 2 、健壮性要求：组播路由协议需要自适应节点移动、链路断裂和节点失效等 情况。 3 、可扩展性要求：避免全局的洪泛，使用简单的层次形成方法。 4 、可靠性要求：组播数据的传输具有一定的可靠性。 5 、q o s 要求：可提供一定的服务质量。 组播路由协议根据传输的拓扑结构不同主要分为两类：基于树的组播路由协 议和基于网格的组播路由协议。前者建立连接所有组播成员的最小代价生成树即 组播树，后者则是在成员节点之间形成网状结构的组播网。两者相比，基于树的 组播路由协议效率高但受动态拓扑的影响需要对组播树进行维护或重构，开销较 大，健壮性不佳；基于网格的组播路由协议能提供冗余路径，协议健壮性好，但 增加了节点转发和网络的负担。 1 1 3a dh o e 网络跨层设计需求 移动a dh o e 网络具有多跳和自组织的特性，在移动a dh o e 网络设计时有着 很多有线网络中没有的问题。移动a d h o c 网络必须支持快速变化的网络拓扑结构， 适应各式各样不断变化的业务类型以及q o s 要求。如何协调并融合分散在网络协 议栈中各层的特性参数，以提升整体的网络性能，成为移动a dh o e 网络设计的一 大难点。 目前，针对移动a d h o e 网络的特点，在网络的不同层有着大量的研究。但是， 这些研究基本上都是在分层设计的基础上孤立进行，没有考虑网络设计的整体需 求和各层参数之间的相关性。传统的分层协议体系结构中各层独立工作使得协议 简化，但是严格的分层设计方法没有很好的利用移动a dh o c 网络的特性【12 1 。移动 a dh o c 网络的能量消耗、q o s 支持、协议的可靠性和协议的可扩展性问题都涉及到 协议栈的各个层次，而且各层次间的独立优化只对单一层有效，不一定会带来整 个系统的性能优化【1 3 1 。因此，为了使得移动a dh o e 网络的整体性能得到优化以及 合理利用网络带宽资源，本文采用跨层交互的设计方法。近年来，在移动a dh o e 9 山东大学硕士学位论文 网络中的跨层设计m 9 】引起了越来越广泛的关注。利用跨层设计思想，可使得网 络的协议栈各层之间通过参数信息的交互，统一进行资源的规划调度；或者通过 融合某些相邻层，来提高网络的整体性能。 跨层设计的优点在于通过使用层间的信息交互，使得不同的层之间可以及时 共享本地信息，减少通信和数据处理开销，优化系统的整体性能。与传统的分层 结构相比，跨层协议栈具有更加复杂的层间交互，各层需要通过更多的专用接口 来进行层间的信息交互。对于带宽资源有限、信道参数频繁变化的移动a dh o c 网 络来说，跨层设计带来的好处远大于层间交互的复杂性带来的缺点。因此，有必 要在移动a dh o c 网络中应用跨层设计的思想来进行协议设计，优化系统性能。 1 2 研究现状 由于a dh o c 网络的灵活性特点，其应用范围和前景之广阔，成为了近几年各 国研究人员的研究热点之一。由于a dh o c 网络的特性，数据分组如何在网络中稳 定、高效的传输成了研究的重点，很多的研究集中在路由协议上。经过多年的发 展，提出了很多的路由协议【2 0 1 ，包括单播的d s d v l 2 、a o d v l 2 2 1 、c e d a r t 2 3 1 、z r p 2 4 】 路由协议以及组播的m a o d v t 2 5 1 、a m r i s t 2 6 1 、a m r o u t e 2 7 1 、p u m a t 2 引、m f g r p l 2 9 1 、 c a m p t 3 0 1 、o d m r p 3 、a c m p f 3 2 1 路由协议。在这些典型的路由协议基础上，又提 出了改进路由协议，尤其是在组播路由协议方面，如e o d m r p l 3 3 1 、b o d s t 3 4 1 、 e h m r p t 3 5 1 。然而这些协议只在网络层对协议本身进行改进，协议性能的提高有限。 随着通信技术的发展，目前提出了跨层思想来进行网络的优化。将跨层思想引入 到组播路由当中来改进协议的性能是一个研究方向，同时将路由和网络资源优化 结合起来是研究的趋势。 国际上对跨层技术在组播路由方面的研究取得了一些成果。w e i y a ng e 等人在 文献 3 6 中对无线网络中的单跳组播做了研究，在传输层使用擦除编码机制，从 数据在队列中的处理时间入手，用排队理论的知识对m a c 层的组播速率进行优化。 文献中分析了最大吞吐量与数据传输速率之间的关系以及数据包的最大可达速率 与数据传输速率之间的关系。l i j u nc h e n 和s t e v e n h l o w 等专家在文献 3 7 中对无 线a dh o c 网络中的资源优化问题做了研究，在网络层采用竞争域【3 8 】模型建模，并 i o 山东大学硕士学位论文 联合拥塞控制、路由选择以及调度控制对网络资源进行优化。利用对偶理论进行 跨层设计，并提出了跨层联合设计算法。文献【3 9 】对无线组播的速率优化做了研究， 在组播约束条件( 组播速率、信道容量) 下以网络综合效用最大化为目标进行组播速 率的优化，提出了o r a h w m 算法。文献 4 0 d f l 提出了o 凡娟m 方案，通过跨层方 法将传输层的速率和拥塞代价、m a c 层的带宽等参数融合，动态的管理组播速率。 该方案在网络层使用m a o d v 协议，利用控制包和数据包携带梯度信息( 由传输层 数据速率和m a c 层带宽等参数计算而得) ，通知组播成员进行组播速率的调整。 r a v i n d r av a i s h a m p a y a n 和j j g a r c i a - l u n a - a c e v e s 在文献 4 1 中提出了c l a m m p 协 议。该方案是在p u m a 2 8 1 基础上通过m a c 层的多信道来改变组播路由，提升了组 播吞吐量和投递率。 国内也有一些对组播和跨层组播技术的研究。文献 4 2 提出一种基于路由信 息的层次化的组通讯协议h c l p ，利用跨层优化思想提高了组播数据的投递率，降 低了带宽开销。文献 4 3 则在流量预测的基础上，提出一种基于物理层、数据链路 层和网络层的联合路由标准，在o d m r p 的基础上设计组播路由协议方案。文献 4 4 则基于o d m r p 协议，采用能量驱动的概率转发方法来减小控制开销。文献 4 5 在 物理层的信道状态信息与数据链路层的队列状态信息协作下建立离散速率集模型 用于组播系统的功率分配，基于遗传算法提出了一种改进算法，并利用该算法进 行动态功率调整和跨层优化。 1 3 论文的研究内容和章节安排 本文重点研究了移动a dh o c 网络中高效组播路由技术。采用跨层设计的思想， 基于合理利用网络资源和提高网络利用效率的目标，在现有协议的基础上提出了 基于跨层设计思想的组播路由协议。通过网络层、数据链路层和物理层之间的信 息共享和交互，选择最佳的路由路径建立组播网，动态调整数据发送速率，控制 m a c 层信道接入，减少了各个节点发送数据时的冲突以及网络中重复的数据包， 成功降低了网络中数据的传输时延，提高了组播数据的投递率。本文的结构如下： 第一章为绪论，阐述了a dh o c 网络及其组播的相关技术，跨层组播技术的研 究背景、现状以及本文的主要内容。 山东大学硕士学位论文 詈! ! 曼蔓量皇穹量鲁皇曼寡暑皇皇暑詈曼! 皇曼量毫曼鼍曼詈鼍曼曼u 皇曼量曼苎鼍! ! 皇曼! 曼皇詈喜詈皇皇詈量詈曼詈曼皇詈皇! ! 鼍! 詈皇詈鼍詈篁 第二章介绍了a dh o c 网络中现有的组播路由技术，并分析各种组播路由技术、 比较优缺点。 第三章重点分析和讨论a dh o c 网络中的跨层技术。分析分层架构下各层的信 息参数以及各层信息参数之间的影响和联系，研究跨层思想下参数的优化方法和 信息交互方法，并研究了跨层组播资源分配方案。 第四章在现有协议p u m a 的基础上提出了基于跨层协助思想的组播路由技 术，详细介绍了跨层组播路由协议的建立、数据转发及数据链路层的实现方法， 并且通过仿真和分析的方法与现有协议进行性能比较。 第五章对全文进行总结，同时提出了进一步的研究方向。 1 2 山东大学硕士学位论文 第二章a dh o e 网络组播路由技术 移动a dh o c 网络的组播路由技术具有广阔的应用前景，也是当前研究的一个 热点问题。本章简单介绍目前移动a dh o c 网络中的典型组播路由协议，并对其优 缺点进行总结和比较。 2 1o d m r p 协议 o d m r p 是一种基于网格方法的按需组播路由协议，由组播源按需发起组播路 由的建立。通过建立组播源到组播接收者之间的网格型组播路径来进行组播数据 分组的转发。组播源按需周期性的更新组播组成员和组播路由信息，组播成员的 加入和离开不要额外的控制信息，并且该协议不需要单播路由协议的支持。 o d m r p 协议引入了转发组的概念，如果一个组播成员节点位于一个组播源和另 一个组播成员之间的路径上，则该成员也是一个转发节点。o d m r p 协议中组播网的 建立与按需的单播路由协议相似，协议由请求阶段和应答阶段组成，如图2 - 1 所示。 书 j o i nt a b l e 应答 s ：组播源r ：组播接收者 图2 1 按需的组播组建立和维护过程 1 3 山东大学硕士学位论文 当组播源有组播数据发送却没有组播路由或组播成员信息的时候，它周期性 的广播j o i n d a t a 分组用来更新组播路由以及成员信息。当中间节点接收到一个 非重复的j o i n d a t a 分组时，该节点记录它的上游节点并且广播该分组。当组成 员收到j o i n d a t a 分组时，先构造一个j o i n t a b l e 消息，然后再将j o i n - 1 a b l e 消息广播给周围的邻居节点。j o i n t a b l e 消息中包含组播源地址、反向路径( 该 节点到源节点的反向路径) 的下一跳节点地址。当邻居节点收到j o i n t a b l e 消息 时，若该节点的地址和j o i n t a b l e 消息中的某个下一跳节点地址相同，则该节 点是转发节点，为转发组的一部分。然后它构造自己的j o i n t a b l e 消息并将其 广播给周围的邻居节点。如此下去，j o i n t a b l e 被转发组成员转播，直到其通过 最短路径到达组播源节点。通过这个过程，构造或更新从组播源节点到组播接收 成员的路径，并且建立转发组。 由于中间节点不能根据缓存的信息产生应答，只要有数据要发送，组播发送 者就需要周期性发送j o i n d a t a 分组来更新组播成员和路由信息，否则组播路由 信息过一段时间后会失效。节点加入和离开组播组，通过控制j o i n d a t a 分组和 j o i n t a b l e 消息的发送这种软状态方式来实现。 当有组播数据发送时，如果转发节点收到非重复的数据分组则转发这些数据。 由于所有转发节点的数据中继功能，当主要的传输路径因为节点的移动而断裂时， 冗余路径就能辅助进行数据的传递。 o d m r p 同时还支持单播，能与任一单播路由协议共存，并可以有效协作单播 路由协议。另外o d m r p 还可以通过运动预测的方法来适应节点移动。拥有全球 定位系统( g p s ) 的移动a dh o e 网络中，o d m r p 利用由g p s 获取的节点位置和运 动信息来估算路径过期时间。使用运动预测的方法，组播源可以在预测路径失效 时选择新的路径传输数据。 2 2m a o d v 协议 m a o d v 协议是按需驱动的组播路由协议，它是在单播a o d v l 墟拍1 路由协议的 基础上扩展而来。当节点想要加入某一个组播组接收组播数据或者想向组播组发 送数据时，就需要发起组播路由的建立过程。组播路由的建立过程中，m a o d v 使 1 4 山东大学硕士学位论文 用与a o d v 协议相同的r 氓, e q 和r r e p 分组，但对l 眦q 和r r e p 分组做了修改，并 且添加了一个m a c t ( m u l t i c a s ta c t i v a t i o n ) 分组用于组播路由的确认。 也q 分组格式如下： 其中，j j l a g 和r _ f l a g 分别为加入标志、路由修复标志。 r r e p 分组格式如下： 其中，r _ f l a g 和o _ f l a g 用于组播维护。 m a c t 分组格式如下： 其中，p _ f l a g 和g l _ f l a g 用于组播树的维护。 m a o d v 协议中，最先加入组播组的节点将成为l e a d e r 并周期广播序列号递 增的g r o u ph e l l o 消息以维护组播成员。g r o u ph e l l o 消息包括组播i p 地址、l e a d e r 的i p 地址、序列号和跳数等内容。协议中，节点选择离自己最近的组播组成员建 立两者之间的最短路径。首先，节点广播路由请求消息r u 良e q 分组给组播组。若 中间节点且非组播组成员收到l u 王e q ，它把这个i 眦q 广播给邻居节点。随着 m 也q 的广播，节点与单播a o d v 协议相似的建立逆向路由条目，同时更新组播 路由表。但组播路由条目不会被激活直至中间节点被确定为组播树的一部分。组 播组成员收到r r e q 后，若其当前的组播组序列号不小于i u 也q 中的组播组序列 号，则更新相应的路由和组播路由表，然后通过单播的方式发送r r e p 消息给源 节点。当r r e p 消息沿着逆向路径传递时，中间节点收到r r e p 消息后在路由表 以及组播路由表中建立相应的路由条目，这样建立起前向路由。路由发现过程如 图2 - 2 所示。 源节点广播础也q 消息一段时间后，通常会收到多个r r e p 。源节点选择具有 最大组播组序列号且离组播树成员节点最近的路由，并激活所选路由的下一跳， 然后沿着选择的路径单播m a c t 消息。当路径上的节点收到m a c t 消息后，将组 播路由表中相应条目激活，直到发送r r e p 的组播成员。通过m a c t 分组来保证 组播树路由的单径，节点只会按照组播路由表中已经激活的路由转发数据包。 山东大学硕士学位论文 i ii i i 组播成员节点 组播成 o 普通节点 控制消息 图2 - 2m a o d v 协议路由发现过程 当组播组成员想要离开组播树、终止与组播组的关系时，如果节点不是叶节 点，则离开后还需要保留作为树的一个成员；如果节点是叶节点，则向最近的组 播树成员发送带有剪枝( p r u n e ) 标志的m a c t 分组，然后删除组播表中相应组播组 的所有条目，完成组播树的脱离；上游节点收到带剪枝标志的m a c t 消息后，删 除组播表中对应的发送节点条目，假如自己是组成员或者非叶子节点，剪枝过程 就完成，否则此节点也向上游节点发送带有剪枝标志的m a c t 消息，离开组播树。 m a o d v 协议中组播树的维护采用硬状态的方式，需要追踪并处理组播树的 变化。当有成员节点离开组播组时，要对组播树进行剪枝；当组播树上节点间的 链路中断时，下游节点将负责链路的修复过程。 2 3c a m p 协议 c a m p 是基于网格的组播路由协议，组播的支持通过创建共享的网格来完成。 它需要依赖底层的单播路由协议，要求必须能在有限的时间内提供