（计算机系统结构专业论文）无线mesh网可靠路由技术研究.pdf

f “ ， t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签- 7 - ) ：7 - 毛孙 日期：弘fd 年弓月t 7 日 哈尔滨工程大学 、 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：王弓荡导师( 签字) ： 名彩 日期：，0 年弓月j ) 日 、o10 年月j 7 日 i。1卜 r 五 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 无线m e s h 网是一种基于多跳路由、支持多点对多点技术的新型网络结 构，具有动态扩展、自组网、自管理、自修复、移动宽带的特性，是一种大 容量、高速率、覆盖范围广的网络，可以成为宽带接入的一种有效手段。其 先期投入低、渐进部署、易维护、网络健壮以及可靠的服务范围等等这些特 点更有助于无线m e s h 网成为未来的核心通信网络之一。 拜占庭原理是可信计算中的一个容错原理，该原理可以使得系统能够在 一个或者多个系统部件工作异常的情况下，仍然能够不受影响的正常工作。 拜占庭原理在可信计算、容错以及网络安全等方面有非常广泛的应用。 本文首先根据拜占庭原理的特点，以互联网为研究对象，分析该原理应 用于网络可靠性的可行性。然后根据无线m e s h 网的结构特点，给出无线m e s h 网应用拜占庭原理的适应性结构，同时提出适合应用于无线m e s h 网的拜占 、 庭算法，该算法包括无线m e s h 网骨干网节点的拜占庭单元的查找、建立、 维护，选择备份的数据信息的存储与容错判断，以及原理应用的特殊情况的 应对策略三部分。 本文还提出了对无线m e s h 网路由协议的改进思想，给出对现有两种网 络协议的改进性策略，提出b a o d v 协议和b d s r 协议，并对改进的路由协 议针对不同的实际情况而采用不同备份信息的容错效果进行实例分析。最后 通过仿真实验，对路由协议改进前后的性能进行对比，验证改进后路由协议 的实用性和有效性。 关键词：无线m e s h 网；网络可靠性；可靠路由；拜占庭单元 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a bs t r a c t t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) i sb a s e do nt h em u l t ir o u t i n g ，m u l t i 一 j p e e r st om u l t ip e e r s i ti sd y n a m i ce x p a n s i o n ，a dh o cn e t w o r k s ，s e l f - m a n a g e m e n t ， s e l f - h e a l i n g ，m o b i l eb r o a d b a n dw i t hh i g h c a p a c i t y , h i g h s p e e d ，a n dc a nb eu s e da s l a s t m i l en e t w o r kt os o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m i ta l s oi sl o wi n v e s t m e n t ， i n c r e m e n t a ld e p l o y m e n t ，e a s ym a i n t e n a n c e ，n e t w o r kr o b u s ta n dr e l i a b l er a n g eo f s e r v i c e s a l lt h ea d v a n t a g e sf i r mi t sc o r es t a t u si nf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s d o m a i n t h eb y z a n t i n eg e n e r a l sp r o b l e mi saf a u l t t o l e r a n t p r i n c i p l ei nt r u s t e d c o m p u t i n g ；t h ep r i n c i p l ec a nm a k et h es y s t e ms t i l lb ea b l et ow o r ku n a f f e c t e dw i t h o n eo rm o r es y s t e mc o m p o n e n t sa b n o r m a l i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si n t r u s t e dc o m p u t i n g ，f a u l tt o l e r a n c ea n dn e t w o r k s e c u r i t y i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb y z a n t i n et h e o r y , a n a l y z et h e f e a s i b i l i t yo fp r i n c i p l e sa p p l i e dt on e t w o r kr e l i a b i l i t y t h e na c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew m n ，g i v i n gt h ea d a p t i v eb y z a n t i n es t r u c t u r e ， a n dt h e nc o n s t r u c ts u i t a b l eb y z a n t i n ea l g o r i t h mf o r t h ew m n t h ea l g o r i t h m i n c l u d i n g w m nb a c k b o n en o d e si nt h e s e a r c h ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n dt h e m a i n t e n a n c eo ft h eb y z a n t i n eu n i t ，i ta l s oi n c l u d e s s e l e c t i n gt h eb a c k u pd a t a s t o r a g ea n df a u l t t o l e r a n tj u d g m e n t s ，a n d ，i ts h o w st h es p e c i a lc i r c u m s t a n c e so f 气the s t r a t e g i e s t h i sp a p e ra l s og i v e st w ok i n d so fn e t w o r kp r o t o c o l so f s t r a t e g yf o r m u l a t i o n b a o d vp r o t o c o la n db d s rp r o t o c o l b yt h ea g r e e m e n t o nt h ew m n i m p r o v e m e n t s ，a n dt h ea n a l y s i so nd i f f e r e n tr o u t i n gp r o t o c o l st oi m p r o v et h e a c t u a l s i t u a t i o no fd i f f e r e n tb a c k u pe x a m p l e so ff a u l t t o l e r a n t e f f e c t f i n a l l y , t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，p a i r so fr o u t i n gp r o t o c o l st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e ，v e r i f yr o u t i n gp r o t o c o l st oi m p r o v et h er e l e v a n c e ，e f f e c t i v e n e s sa n d ，| ( j _ - 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a d v a n t a g e s k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ；n e t w o r kr e l i a b i l i t y ；r e l i a b l er o u t i n g ； b y z a n t i n eu n i t ，l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 无线m e s h 网概述1 1 1 1 无线m e s h 网的组成与网络结构2 1 1 2 无线m e s h 网的实际应用4 1 1 3 无线m e s h 网的优缺点5 1 2 无线m e s h 网路由协议特点7 1 3 无线m e s h 网可靠路由的设计目标8 1 4 国内外研究现状9 1 4 1a dh o c 网络路由研究9 1 4 2 无线m e s h 网路由协议的研究1 1 1 5 论文的主要内容与结构安排1 4 第2 章拜占庭原理在网络可靠性中应用的可行性1 5 2 1 拜占庭原理简介15 2 1 1 口头信息解决方案1 6 2 1 2 签名信息解决方案1 8 2 2 可行性分析19 2 2 1 网络可靠性及需求1 9 2 2 2 应用拜占庭原理的可行性分析2 1 2 3 本章小结一2 3 第3 章适用无线m e s h 网路由协议的拜占庭算法2 4 3 1 算法中的一些定义2 4 3 2 无线m e s h 骨干网适应性结构2 6 3 3 拜占庭算法描述：2 7 3 3 1 拜占庭单元的查找、建立及维护2 7 3 3 2 数据备份与容错策略3 5 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 3 3 异常情况的处理3 9 3 4 本章小结4 0 第4 章拜占庭算法在提高无线m e s h 网路由可靠性方面的应用4 2 4 1 路由协议的改进思路与路由选择4 2 4 1 1 改进的思路4 2 4 1 2 用于改进的路由协议的选择4 2 4 2 针对节点容错情况的改进协议b a o d v 4 3 4 2 1a o d v 协议简介4 3 4 2 2 改进策略4 4 4 2 3 实例分析4 6 4 2 4 实验仿真4 8 4 3 针对链路容错情况的改进协议b d s r 5 2 4 3 1d s r 协议简介5 2 4 3 2 改进策略、5 3 4 3 3 实例分析5 4 4 3 4 实验仿真5 6 4 4 本章小结一5 9 结论6 0 参考文献6 1 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果6 7 致谢6 8 哈尔滨丁程大学硕十学佗论文 第1 章绪论 自1 9 6 9 年世界上第一个互联网a r p a n e t 【】( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c yn e t w o r k ，美国国防部高级研究计划署d a r p a 联合计算机公司和大学 共同研制而发展起来的网络) 诞生至今，网络通信技术已经历了6 0 年的发展 历程。从四台主机互联到全球网络互联，从局域网到全球网络，从有线网络 到无线网络，网络通信技术从未停止其高速发展的脚步。 随着网络通信技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高( 如手机， p d a 和笔记本电脑大量使用) ，网络通信技术的应用变得越来越平民化，人 们对于网络的依赖亦不断加强，网络已渗透到人们生活的方方面面，无处不 在。如今，人们对网络通信提出了更高的需求：希望不论何时、何地、与任 何人都能够进行快速、准确的通信【2 】。为了提高工作效率，并且克服现有通 信系统的缺点，达到通信的“无所不在”，迫切要求无线网络支持各种宽带 业务的接入，特别是高速因特网业务的接入。这种日益增强的社会需求极大 的推动着无线网络技术的进一步发展。其中，一种新型宽带无线网络结构 无线m e s h 网络成为无线网络研究中的一个热点课题。 1 1 无线m e s h 网概述 无线m e s h l 网( 3 1 ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，简称w m n ) 是以移动a dh o c 网络为基础研究开发的一种基于多跳路由、支持多点对多点技术的新型网络 结构，具有动态扩展、自组网、自管理、自修复、移动宽带的特性，是一种 大容量、高速率、覆盖范围广的网络，可以很好的实现网络的扩展，解决最 后一英里的问趔4 1 。其先期投入低、渐进部署、易维护、网络健壮以及可靠 的服务范围等等这些特点更有助于无线m e s h 网成为未来的核心通信网络之 一 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 萱i i i i i i i 1 1 1 无线m e s h 网的组成与网络结构 无线m e s h 网由客户节点、m e s h 路由器节点和网关节点组成。但根据网络 具体配置的不同，无线m e s h 网不一定包含以上所有类型的节点。m e s h 客户节 点可以是笔记本电脑、p d a 、w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线保真) 手机、无 线传感器或控制器等；m e s h 路由器可以是普通的p c ，也可以是专用的嵌入式 系统。 在无线m e s h 网中，由m e s h 路由器互连构成无线m e s h 骨干网，其移动性 较小。他们提供无线m e s h 网与其它网络( 女n i n t e m e t 、蜂窝网、无线局域网、 无线个域网、无线城域网和无线传感器网络等) 连接的网关和路由功能。与 传统的无线路由器相比，无线m e s h 路由器除具有传统无线路由器的功能外， 还有额外的路由功能来支持m e s h 联网：可以通过无线多跳通信，以低得多的 发射功率获得同样的无线覆盖范围。m e s h 路由器通常具有多个无线接口，进 一步提高了m e s h 网络的可伸缩性。 m e s h 客户节点也可以分为两类：一类是普通的w l a n 客户节点，这类节 点不具有移动a dh o c 网络典型意义下的信息转发功能，只能作为普通终端设 备接入网络；另一类节点既具有普通节点的接入功能，又具有路由和信息的 转发功能，即兼具了无线路由器的功能。 若根据节点的不同功能，无线m e s h 网的网络结构分为三类：骨干m e s h 结构、客户端m e s h 结构和混合m e s h 结构；若按结构层次，无线m e s h 网又可 分为：多级结构、平面结构和混合结构。其实两种结构的划分在本质上是相 似的，骨干m e s h 结构就是一种多级结构，而客户端m e s h 结构就是一种平面结 构。下面按照节点功能的分类方式，对无线m e s h 网的三种网络结构进行简单 的介绍。 ( 1 ) 骨干m e s h 结构 这种类型的无线m e s h 网包括m e s h 路由器以及与它们相连的客户端，无 线m e s h 骨干网除了通常使用的i e e e 8 0 2 1 l 技术外，还可以使用各种类型的 无线通信技术。m e s h 路由器之间形成了一个自组网、自修复的m e s h 结构。 2 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 由于具有网关功能，因此，m e s h 路由器能够被接入到i n t e m e t 上。这种方式 为传统的客户端提供网络骨干，并且通过m e s h 路由器的网关网桥功能使无 线m e s h 网与现有的其它类型的无线网络集成。带有e t h e m e t 接口的传统客 户端也能够通过e t h e m e t 连到m e s h 路由器上。具有相同无线传输技术的传 统客户端作为m e s h 路由器使用时可以直接与m e s h 路由器通信( 见图1 1 ) 。 ，一。 。 i n t e m e t 蜂寓问绍传感嚣罔络 ，一每：譬令：夕一书 、令抽一等妒蠢 哈尔滨工稃大学硕七学佗论文 户端m e s h 结构通常是由一种类型的无线设备构成的。而且，与骨干结构的 m e s h 节点相比，增加了对终端用户设备的功能需求，因为在客户端m e s h 结 构中，终端用户必须同时具有诸如路由和自组织等的附加功能。 ( 3 ) 混合m e s h 结构 混合m e s h 结构是骨干m e s h 结构与客户端m e s h 结构的结合。在这种结 构中，客户节点增加了转发和路由功能。m e s h 客户端能够通过m e s h 路由器 直接接入i n t e m e t ，从而与其它的m e s h 客户端通信。同时，骨干网络也提供 与其它网络相连的功能，如：w i f i 、w i m a x 、蜂窝网和传感器网络等。客 户节点的路由能力进一步提高了整个无线m e s h 网的连通性和网络的覆盖范 围。在实际应用中，这种结构最为常见。具体结构如图1 3 所示。 ，- 一一 。 i n t e r a c t 、： ， 无线m e s h n 骨干层，7 一 无线m e s h 网用户层 图1 3 混合m e s h 结构 1 1 2 无线m e s h 网的实际应用 智能天线、m e s h 网络、m a n e t 网络和u w b ( 超宽带) 技术将会成为 未来通信技术领域中的主流，它们很有可能成为4 g ( 第四代移动通信) 网络 通信技术。目前很多公司和团体，如北电网络、m e s hn e t w o r k s 、t r o p o s 、s k y 4 二 一 路 愈，一 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 p i l o t 、摩托罗拉等，正在对无线m e s h 网络进行深入的研究，以便尽可能早 的进行大规模商业应用【5 】。 无线m e s h 网在各行业中具有非常广阔的应用前景： ( 1 ) 社区网络：如校园、医院、休闲娱乐场所等地方均可以利用无线 m e s h 网构成社区网络。校园无线网络规模巨大，用户数量和通信量也是巨大 的。对于医院来说，由于某些区域要防止电磁辐射，因此传统的网络布线方 式很难满足更高的网络健壮性要求，如医院的重要活动( 如手术) 不会因网 络的故障带来灾难性的后果。通过组建无线m e s h 网可以轻松的解决这些问 题。 ( 2 ) 家庭网络：将种类繁多的家用电子产品，如笔记本、p d a 等组成 数字化家庭m e s h 网络，就可以方便人们的日常生活，实现i n t e m e t 接入、家 庭安全系统联网、家庭通信设备互联等。 ( 3 ) 企业网络：无线m e s h 网络可以提供整个企业内部人员对网络的访 问需求，实现内部的资源共享，允许企业用户共享带宽实现网络负载平衡。 例如企业内部的大型会议场所，应用无线m e s h 网可以使工作人员在极短的 时间内方便的得到计算机网络的服务，通过连接i n t e m e t 获得更多的信息， 也可以使用移动计算机互相通信、传递文件。 ( 4 ) 应急通信网络：这种临时的网络要求建网时间短、性能好、具有临 时性。如灾难救援现场为营救人员提供的应急通信服务，特别是在通信基础 设施遭受破坏的突发事件现场，如地震现场，通过组建m e s h 临时通信网络 以便迅速开展救援工作。 ( 5 ) 城市交通网络：为城市地铁、轻轨等车辆提供移动w i f i 接入，通 过站台无线a p 为车内旅客建立移动宽带接入环境，这些都要求所建的网络 使用尽量少的基础设施来提供移动宽带服务。 1 1 3 无线m e s h 网的优缺点 传统的无线网络分为两种：一种是点到点的网状网络，如移动a dh o c 5 哈尔滨t 稗大学硕士学何论文 网络：一种是点到多点的星型网络，如i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网w l a n 。无 线m e s h 网采用了对等式网络拓扑结构，结合了以上两种网络的优点，主要 体现在以下几个方面： ( 1 ) 多跳路由和大容量：与传统的单跳无线接入相比w m n 采用多跳接 入技术，可以在不降低信道容量的前提下增加系统容量，扩展网络覆盖范围； 多跳路由还可以实现频率重用，提高频谱利用率，进而增加网络容量】。 ( 2 ) 简化的链路设计：无线m e s h 网的节点呈网状连接，通信时数据包 是通过多个节点进行转发到达目地节点的。因此在无线m e s h 网中通常只需 要较短的单跳无线链路，对天线的传输距离和性能要求大大降低，不仅节省 了天线成本，而且节点间通信距离变短，发射功率也降低了，减小了不同系 统射频信号间的干扰，最终简化了无线链路设计。 ( 3 ) 网络覆盖范围大：节点之间是通过多跳路由转发机制进行通信，这 样m c s 可以在任何地点选择接入无线m e s h 网中的任何节点进而连接到 i n t e m e t ，扩大了传统网络的覆盖范围。 ( 4 ) 具有冲突保护机制：无线m e s h 网可以减轻业务执行时碰撞现象的 发生，可选链路与本身链路之间的夹角为钝角减轻了链路的干扰。由于m e s h 网为每个数据通信业务都提供多条链路，一旦发生碰撞系统自动对碰撞的链 路进行标识，并将在此链路上执行的业务转移到其它可选链路中。 ( 5 ) 通信负载平衡：无线m e s h 网中每个节点都有多条链路可用，网关 和路由器根据每个节点的通信负载情况动态的分配通信数据流，从而能有效 的避免节点因竞争而引起的拥塞。 虽然无线m e s h 网具有很多的优点，但也存在一些不足： ( 1 ) 由于数据包的多跳转发引起的传输延迟可能过大。 ( 2 ) 信道竞争问题：大量节点同时进行通信势必引起对无线信道的竞争 导致数据包丢失，如何进行信道分配减少干扰是一项非常关键的技术。 ( 3 ) 分散管理问题：由于无线m e s h 网中节点分散性，很难实现如有线 网络一样的集中管理，即便是节点移动性较低，网络配置和管理仍旧是一个 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 非常难以解决的问题。 ( 4 ) 安全问题：由于无线m e s h 网的无线设备布置的区域离人群较近容 易受到人为的破坏，并且本身结构不是十分牢固极易遭受其它节点的攻击、 干扰、窃听，所以安全是无线m e s h 网必须解决的重要问题之一。 ( 5 ) 互操作性问题：目前影响无线m e s h 网技术迅速普及的一个重要障 碍就是互操作性，没有统一的技术标准使得用户无法选择使用哪个厂商的无 线m e s h 产品。 1 2 无线m e s h 网路由协议特点 无线m e s h 网良好的发展前景使得对其可靠性的研究显得尤为重要，刨除 硬件因素，良好的路由协议是其可靠性的重要保证。无线m e s h 网是基于a d h o c 开发的，所以传统的a dh o c 网络路由协议的部分思想在无线m e s h 网中仍 然可用，但需要在无线m e s h 网路由协议设计中考虑其网络的特殊性，即除了 无线自组网中包传输率、路由开销、路径优化等三个重要指标外，还必须考 虑以下因素： ( 1 ) 路由判据。许多已有f l 勺a dh o c 网络路由协议均以最小跳数作为路由 判据，但在大多数情况下，这种路由判据的性能在无线m e s h 网中并不是最优 的，由于干扰冲突、通信距离等因素的影响，基于这种路由判据生成的路径 链路质量将会恶化，从源节点到目的节点的端到端的吞吐量、误码率等性能 将变得非常差。为了解决这种问题，就要求无线m e s h 网采用一些新的路由判 据，而且该判据能正确反映出链路质量对各指标的影响。 ( 2 ) 负载均衡。在无线m e s h 网中，所有节点通过路由协议共享网络资 源。因此，无线m e s h 网路由协议必须满足负载均衡的这一要求。例如当网络 中某些节点发生拥塞，并成为整个网络的瓶颈节点( m e s h 路由器) 时，新的 业务流应能“绕过”该节点，自动选择其他路径进行数据传输。路由判据也 需要在一定程度上满足负载均衡的要求。 ( 3 ) 路由容错：在无线m e s h 网中，路由节点相对固定，但有时会因为 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l lei e iii i i i i i i i 数据冲突而产生路由错误，而移动节点的不确定性也会影响链路的联通状况， 甚至导致链路失效，这就需要无线m e s h 网的路由协议在路由发生错误时，尽 快完成路由重建，以避免服务中断；或是因新的可用节点出现而生成新的链 路。 ( 4 ) 路由安全：一个高效的路由协议如果得不到很好的保护，恶意的攻 击者可能对路由协议造成破坏甚至使路由协议完全瘫痪。在无线m e s h 网中， 由于m e s h 客户端也具有路由的角色，m e s h 节点可以根据路由信息刨建、删除 或者更新网络中路由路径。这个事实也是无线m e s h 网和a dh o c 网路由协议中 的一个共同的重要弱点，因为恶意节点可以产生错误的路由信息改变路由的 方向或者是简单地截断路由。另外，攻击者可以通过攻击路由协议来误导路 由，从而导致网络的崩溃。提高路由协议的安全性，也是对路由容错性能的 更高要求。 1 3 无线m e s h 网可靠路由的设计目标 对无线m e s h 网的可靠性研究，主要是对其路由协议的可靠性研究，应在 现有路由协议的基础上加入路由容错机制，以提高路由协议的容错能力，进 而提高无线m e s h 网的可靠性。与传统有线网络中的可靠性目标【7 】相同，无线 m e s h 网的路由协议主要有以下几方面的可靠性要求： ( 1 ) 可用性：可用性就是指网络服务对用户而言必须是可用的，也就是 确保网络节点在受到各种网络攻击时仍然能够提供相应的服务。在网络层， 攻击者可以攻击路由协议，如篡改攻击、删除攻击、伪造路由错误攻击、 w o r m h o l e 攻击、r u s h i n g 攻击、伪造路由发现报文、路由表溢出攻击等都可在 网络的不同位置造成不同程度的拒绝服务攻击。 ( 2 ) 保密性：保密性要确保相关信息不泄漏给未授权的用户或实体。由 于无线m e s h 网中采用的是无线信道，所以更容易受到窃听攻击。所以在网络 中传输的敏感信息都要确保证其保密性。路由信息也要在一定程度上保证其 保密性。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 3 ) 完整性：完整性保证信息在传输的过程中没有破坏或中断。这种破 坏或中断包括网络上的恶意攻击和无线信号在传播的过程中的衰弱以及人为 的干扰。篡改攻击和删除攻击都是对路由信息完整性的破坏。 ( 4 ) 认证：一个移动节点需要通过认证来确保和它通信的目的端就是真 正的目的端，也就是说要确认目的端的身份。如果没有认证，那么网络攻击 者就可以假冒网络中的某个节点来和其它的节点进行通信，那么他就可以获 得那些未被授权的资源和敏感信息，并以此威胁整个网络的安全。在路由协 议中也必须进行必要的认证，篡改攻击、删除攻击、伪造路由错误攻击、 w o r m h o l e 攻击、r u s h i n g 攻击、伪造路由发现报文、路由表溢出攻击的实施都 是因为缺少对节点合法性认证造成的。 ( 5 ) 抗抵赖性：抗抵赖性保证一个节点不能否认其发送出去的信息。这 样就能保证一个移动节点不能抵赖它以前的行为。利用抗抵赖性可以找出活 动的非法节点，从而能够将其踢出网络。 出于对路由协议的可靠性考虑，大量的安全验证机制被加入到路由协议 中。安全路由策略增加了路由协议在某方面的安全性，但是安全验证却带来 了资源的消耗、路由协议性能的下降等负面影响。安全路由协议不仅要在完 整性、保密性、认证等方面给予安全保障，还要考虑到安全策略的应用不应 对路由协议的性能有较大的影响。同时安全路由协议必须有较好的鲁棒性来 保证资源有效性、路由协议性能的稳定性。安全、高效、稳定、低耗的安全 路由协议才能够适应无线m e s h 网络的发展需要，这也是无线m e s h 网络的可 靠路由设计的目标。 1 4 国内外研究现状 1 4 1a dh o c 网络路由研究 无线m e s h 网是在a dh o c 网络基础上发展起来的，因此目前对无线m e s h 网路由协议的研究大多是以a dh o c 网络路由协议为基础进行的改进性研究。 a d h o c 网络的路由协议主要分成先应式( 表驱动) 路由协议和反应式( 按 9 哈尔滨t 稃7 ：学硕十学位论文 需驱动) 路由协议两大类。 先应式路由协议又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由选择协议，是一种 基于表格的路由协议。在这种协议中，每个节点维护一张或多张表格，这些 表格包含到达网络中其他所有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结构发生 变化时，节点在网络中发送路由更新信息。收到更新信息的节点更新自己的 表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。 h s r ( h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g ) 是一种用于分级网络的路由协议。高 级的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。序列地址指示了节点的位置，可以 简单的利用序列地址进行寻址。g s r ( g l o b a ls t a t er o u t i n g ) 【8 是一种链路连 接状态路由协议，每个节点存储邻居列表、拓扑表、下一跳表和距离表四张 表格。f s r ( f i s h e y es t a t er o u t i n g ) p j 对g s r 进行了改进，它的更新信息只 包含附近节点的信息，显著地减小了更新信息的大小。d s d v ( 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 ev e c t o r ) 【1 0 】路由协议是一种基于经典的b e l l m a n f o r d 算法 的无环路距离矢量路由协议，它通过对路由编号等措施避免了路由环路的发 生，并在路径自由度方面做了一定改善。c g s r ( c l u s t e rg a t e w a ys w i t c h r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) j 是d s d v 的扩充版，它用于分级网络。 反应式路由选择协议，又称为源节点启动按需路由协议( s o u r c ei n i t i a l e d o n d e m a n dr o u t i n g ) ，是一种当需要时才查找路由的路由选择方式。节点并 不保存及时准确的路由信息。当源节点要向目的节点发送报文时，源节点在 网络中发起路由查找过程，找到相应的路由后，才开始发送报文。为了提高 效率，节点可以将找到的路由保存在缓存中供后续发送使用。 d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 1 2 j 是一种动态源路由选择协议， 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。a o d v ( a dh 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 ) 1 3 是d s d v 的改进型，通过按需路由来降低d s d v 中控制报文的数目，从而提高系统效 率。它并不维持一个路由表，而是在需要的时候才启动路由选择过程，因此 l o 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 大大地降低了路由维持的开销。事实上它是d s r 和d s d v 的组合，它借用 了d s r 的路由发现和路由维持机制，利用了d s d v 的按跳( h o pb yh o p ) 路 由、顺序编号( s e q ) 和周期更新( 只在路由维持阶段) 的机制。a b r ( a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g ) t m 中路由的选择以节点间的连接稳定性作为度 量依据。s s r ( s i g n a ls t a b i l i t yr o u t i n g ) 【”】中路由的选择以节点间的信号强度 作为度量依据。c b r p ( c l u s t e rb a s e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 【1 6 被用于单频两级网 络中，它也使用源节点发起路由查找，与a o d v 具有类似的请求回应方 式。为了减少报文丢失率，引入了中间节点本地修复机制。 1 4 2 无线m e s h 网路由协议的研究 目前一些公司如t r o p o s 、b e l a i r 、f i r e t i d e 、l o c u s t w o r l d 和s t r i x 都提出 了自己的路由解决方案。支持多射频的链路质量源路由m r l q s r ( m u l t i r a d i ol i n k q u a l i t ys o u r c e r o u t i n g ) 协议【1 7 是微软公司研发的多信道 无线m e s h 路由协议，采用一种新的路由性厶匕v , 7 幽- l 。i 据，称为加权累计传输时间 w c e t t ( w e i 曲t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e ) 。w c e t t 综合考 虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素。因此该协议能在吞吐量与延 时之间获得一种平衡。m r l q s r 是在传统的d s r 路由协议的基础上进行改 进的，但它又不同于d s r 协议。该协议不但需要获得路径中节点和其邻居链 路相关状态信息，而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣，形成 自身的路由准则。m r l q s r 协议假设w m n 中所有的m e s h 路由器均为静态 节点，且有多个不同且互不干扰的无线接口。 可预测的无线路由协议p w r p ( p r e d i c t i v ew i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 列 是t r o p o s 公司开发的应用于w i f i 网络户外系统的私有路由协议，它通过比较 数据包错误率及其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径。该协议是基 于传统的有线网络( 如因特网) 路由协议o s p f 改进的，针对w i f i 无线网 格小区应用而设计。它选择无线m e s h 网路可达到最大吞吐量的路径来传输 到达有线网关的业务，通过选用性能最佳的路径，减小了射频干扰、路径故 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 障因素的影响。适用于大规模网络，具有路由开销小等优点。 基于链路质量选择路由协议是s r i k r i s h n a 于2 0 0 4 年1 月申请的m e s h 网 路由专利【19 1 。该协议以到达因特网网关的路径质量为判据选择最优路径。所 有节点接收来自网关的路由信息数据包，该数据包记录了到达接入点的路由 信息。在一段时间( t 1 ) 后，节点将收集在此t 1 时间内节点间的数据传输 成功率，并以此作为路由选择的判据，具有最大数据传输率的路由将被选中， 所有节点继续接收来网关节点的路由信息数据包。在t 2 ( t 2 t 1 ，t 2 足够长) 时间内，若某路由拥有更大的数据成功传输率，则该路由将作为第二次路由 选择时选中。在第二次选择的路由中，若某路由能带来最大的吞吐量，它将 被第三次选中。最佳路由将在第三次选择中产生。 其他路由协议：l o c u s tw o r l d 公司的m e s ha p 方案采用改进的a o d v 路 由协议。m e s h n e t w o r k 公司开发的是应用混合a dh o c 路由协议，该协议结 合先应式路由与反应式路由的优点，称为m s r ( m e s hn e t w o r k ss c a l a b l e r o u f f n g ) 【2 0 1 。 针对无线m e s h 网的特点，国内外的专家学者就上述的部分协议进行了 大量有针对性的改进性研究：以负载平衡为研究重点，唐笑秋提出基于d s r 负载平衡的多径路由协议c a r p ( c o n g e s t i o na d a p t i v er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 口， 本协议在路由发现阶段就能根据网络状况，选择两条节点独立且负载率相对 较小的路径进行数据传输，同时该协议能够提前判断节点的拥塞状况，自适 应的采取措施避免拥塞。沈强等人提出基于综合准则的d s r 扩展路由方法 拉2 | ，以d s r 路由为基础，综合考虑了投递率、剩余带宽以及节点负载等状态 信息。在多路径路由研究方面，郑如滨提出了基于d s r 的多路径混合路由算 法h m r 2 3 】，提出了对路由的按需维护与主动维护相混合的一种思想，将源 路由机制和逐跳路由表相结合，即利用d s r 寻路找出多条到达目的地的路 径，然后在这些路径的节点上建立逐跳路由表，以后数据传输的时候使用路 由表进行传输，而无须在包头内附加完整的路由，从而降低了传输时的开销。 以路由安全为研究重点，由z a p a t a 等人提出了一种基于按需路由协议a o d v 1 2 哈尔滨t 程大号：i 页十学伊论文 的安全路由协议s a o d v 2 4 1 ，在路由发现和路由维护过程中对路由控制消息 提供完整性、认证、不可否认性安全保障。y i h c h u nh u 等人基于d s r 协 议提出a r i a d n e i ：5 安全路由协议，该协议在t e s l a 广播认证协议的认证消息 中添加m a c 保证路由安全。s a n z g i r i 等人提出a r a n 2 6 】安全路由协议，利用 可信任服务中心节点为所有合法节点颁发认证证书，并将合法节点的地址与 其公钥绑定。在此基础上宋志贤提出基于a r a n 的a r w m n 2 7 】安全路由协 议，它借鉴a r a n 鉴别路由的设计思想，使用能够快速计算的对称密码体制 作为其核心安全算法，避免