（计算机应用技术专业论文）移动自组网中组播路由协议研究.pdf

摘要 移动自组网是一种有特殊用途的对等式网络，具有无中心、自组 织、可快速展开及可移动等特点。组播在移动自组网中扮演着重要的 角色，目前已成为研究热点之一，本文主要分析和研究了移动自组网 络组播路由协议。 本文对移动自组网和其路由协议进行了介绍，总结和分析了移动 自组网组播路由协议，并将分为三类( 基于树型、基于m e s h 结构及 其它结构) 。在深入研究移动自组网组播路由协议基础之上，发现 o d m r p 协议有效性低、协议开销大。为此，本文分别提出了基于节 点分类策略的组播路由协议( n c o d m r p ) 及结合路径和转发组成 员数的组播路由协议( h f o d m r p ) 。它们通过优化o d m r p 协议转 发组的建立，降低了转发组中冗余f g 节点个数，显著地提高了组播 协议的数据转发有效性和网络能量消耗有效性。模拟仿真证实了 n c o d m r p 和h f o d m r p 的有效性，结果显示它们具有良好的可 扩展性和运动适应性。 基于在提高o d m r p 协议有效性同时，协议的健壮性降低。本文 从综合考虑协议的有效性和健壮性出发，提出了一种基于l e t 预测 和转发组成员数组播路由协议( l e t f g o d m r p ) ，它可调节权重自 适应选择稳定或有效的路径，改善网络的总体性能。模拟仿真结果证 实l e t f g o d m r p 提高了组播协议健壮性、有效性及自适应能力。 关键字：移动自组网，组播，路由协议，转发组 a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) i sa s p e c i a lp e e r - t o - p e e r n e t w o r kw h i c hi s s e l f - o r g a n i z i n g ，d y n a m i c a l l yr e c o n f i g u r a t i o n a n d m o b i l e e f f i c i e n ts u p p o r to fm u l t i c a s tg r o u pc o m m u n i c a t i o n si sc r i t i c a l f o ra dh o cn e t w o r k s t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e sm u l t i c a s tr o u t i n g p r o t o c o li nm a n e t t h ep a d e ri n t r o d u c e sm a n e ta n ds u m m a r i z e si t sr o u t i n gp r o t o c o l 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 sa r ec a t e g o r i z e di n t ot h r e ek i n d si nt h e p a p e r , w h i c ha r et r e e - b a s e d ，m e s h b a s e da n do t h e rs t r u c t u r e b a s e do nt h e r e s e a r c ho fa dh o cm u l t i c a s tp r o t o c o l s ，w ef i n dt h a ts o m em e s h b a s e d m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l ss u c ha so d m r ph a sl o wd a t af o r w a r d i n g e f f i c i e n c ya n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n w jf i r s tp r o p o s et w om u l t i c a s t p r o t o c o l st oi m p r o v et h ed a t af o r w a r d i n ge f f i c i e n c yo fo d m r p , t h e r ea r e n c 一0 d t pa n dh f 一0 d 吣：t h e yr e d u c es o m er e d u n d a n tf gn o d e s b yo p t i m i z i n gt h es e t u po ff o r w a r d i n gg r o u p ，t h u se n h a n c i n gt h ed a t a f o r w a r d i n ga n de n e r g yc o n s u m p t i o ne f f i c i e n c i e s i nm o b i l ea dh o c n e t w o r k s s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tn c 0 d 吸pa n dh f o d 吸p b o t he n h a n c et h ed a t aa n d e n e r g ye f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，t h e ya r e s c a l a b l ea st h en u m b e ro fm u l t i c a s ts e n d e r si n c r e a s ea n dp e r f o r mw e l li n c o n d i t i o nw i t hf r e q u e n t l yc h a n g i n gt o p o l o g y t h ed a t a e f f i c i e n c y e n h a n c e m e n to fo d 脚w i l lr e d u c ei t s r o b u s t n e s s i n e v i t a b l y i no r d e r t oe n h a n c eb o t ht h e e f f i c i e n c y a n d r o b u s t n e s so f o d m r p , am u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c o l c a l l e d l e t f g o d 心i sp r o p o s e dw h i c hb a s e so nl e tp r e d i c t i o na n df g n u m b e r s i tc a nc h o o s es t a b l eo re m c i e n tp a t h s s e l f - a d a p t i v e l yb y a d j u s t i n g d i f f e r e n t w e i g h t s s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a t l e t f g o d 冲e n h a n c e st h er o b u s t n e s s e f f i c i e n c ya n ds e l f - a d a p t a t i o n o f m u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：m o b i l ea dh o c n e t w o r k ，m u l t i c a s t ，r o u t i n gp r o t o c o l ， f o r w a r d i n gg r o u p 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘! 鹜日期：旦年土月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：扯导师签名陋日期：旦年土月卑日 硕：i ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 移动自组网是一种新兴的无线网络，具有无中心、自组织、可快速展开及可 移动等特点，这些特点使得它在很多场合逐渐受到越来越多的重视u , 2 1 。本章主 要介绍移动自组网、移动自组网路由协议及移动自组网组播路由协议研究的来源 及研究背景。最后主要阐述了论文的主要组织情况。 1 1 移动自组网的概述 移动自组网络m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 是一种无线移动通信网络。 它是由一系列带有无线收发装置的动态节点所形成的一个多跳、临时性的自治系 统【3 】。m a n e t 的前身为分组无线网( p a c k e tr a d i o ) ，是由美国国防部远景规划局 ( d a r p a ) 在2 0 世纪7 0 年代启动的一个研究项目。该网络技术的研究起初是为 了满足军事应用的需要，故研究结果一直处于封闭状态。经过多年的储备，d a r p a 在联合战术无线系统( j t r s ) 中扩大技术规模，并计划在今后投入使用。近几年 来，m a n e t 的商业价值逐渐受到重视。由于它特别能满足野外活动与救灾时的通 信需求，可被用于战斗单位之间、救灾工作系统之间及城市车辆之间的通信，还可 用于某些需要临时快速建立一个通信网络的场合。而作为另外一个有影响力的研 究分支，因特网任务工程组( i e t f ) 还成立了专门的m a n e t _ 5 2 作组。m a n e t 的 设计思路也由传统的单一技术体系过渡到基于i p 的多技术体系，从而使m a n e t 更具有开放性、适应性及灵活性，提高了开发速度。因此，民间对m a n e t 的研究也 开始升温。在国外，特别是在网络层的路由协议方面，m a n e t 研究已经进行了一 些工作。近几年，国内的民用研究也开始起步。 移动自组网是由一系列带有无线收发装置的动态节点所形成的一个多跳临 时性自治系统。在该网络中，节点同时具备主机与路由器两种功能。对于任意时 刻，任一节点可以向任意方向以任意速度运动，即网络中各节点的运动是自主的。 因此，不同时刻的网络拓扑结构也将不断发生变化。当两个通信方在彼此的传输 范围内时，移动自组网中的两个通信设备之间可以直接进行无线通信，并且所有 设备均可漫游。而当两个通信方不在彼此的传输范围内时，该网络中两个通信设 备之间进行无线通信必须经过其它中间节点转发。因此移动自组网通常是一个多 跳( m u l t i h o p ) 无线移动网络。图1 1 描述了一个由三个节点组成的简单移动 自组网络。在该图中，节点主机a 不在节点主机c 的传输范围内，同时节点主 机c 也不在节点主机a 的传输范围内，而a 、c 都同在节点主机b 的传输范围 硕士学位论文第一章绪论 图1 1 一个简单的移动自组网 之内，故a 要传输信息到c ，必须通过节点主机b 。与其它网络相比，移动自组 网络具有以下主要特点1 4 j = ( 1 ) 易于建网。由于m a n e t 网不需要固定的基干网设施，当需要时将一系列 带有收发装置的节点主机置于某一特定区域，这些节点主机就形成了一个 m a n e t 网络。 ( 2 ) 顽存性强。因为m a n e t 网无集中的控制中心，故当某一节点出现故障时， 并不一定会使整个网络瘫痪。 ( 3 ) 移动方便。m a n e t 网仅由一些充当主机与路由器的节点组成，无固定的 基本设施，网络的搬迁非常方便。 ( 4 ) 生存时间短。m a n e t 网络一般是为了满足i 临时需要而建立的，当任务完 成后将被撤除。 ( 5 ) 可能存在单向通信。例如，当主机节点a 、b 的发射功率不同，a 发射的信 号b 能接收到，但b 发射的信号a 却接收不到。 ( 6 ) 动态拓扑。由于移动自组网中的主机节点都是随时随意移动的，加上地理 环境、功率及信道干扰等因素的影响，其拓扑结构将随时改变。 ( 7 ) 主机能源受限。由于节点主机都是依靠锂电池供电，故其主机能源有限。 ( 8 ) 有限的无线传输带宽。由于无线信道本身的物理特性，它的网络带宽比有 线信道要低得多。另外，考虑到竞争共享、无线信道将产生碰撞、信号衰解及噪 音干扰等因素，主机节点可得到的实际带宽远小于理论上的最大带宽值。 1 2 移动自组网路由协议 目前移动自组网的路由通信模式主要分u n i c a s t ( 单播) 、m u l t i c a s t ( 组播) 、 a n y c a s t ( 任播) 及b r o a d c a s t ( 广播) 四大类。u n i c a s t 是指主机之间“一对一” 的通讯模式；m u l t i c a s t 是指主机之间“一对一组”的通讯模式，也就是加入了同一 个组的主机可以接受到此组内的所有数据；a n y c a s t 是指访问者与a n y c a s t 组中 的某一台服务器进行通信的模式，而且事先不知道会访问哪一台服务器； b r o a d c a s t 是主机之间“一对所有”的通讯模式。 硕：l 学位论文第一章绪论 由于移动自组网的多跳特性，节点要有报文转发功能，这就要求节点实现合 适的路由协议。常规路由协议如距离向量算法d v a ( d i s t a n c e v e c t o r a l g o r i t h m ) 【7 ，8 1 和链路状态算法l s a ( l i n ks t a t ea l g o r i t h m ) 1 9 1 都不适合在移动自组网环境 下运行。移动自组网固有的特性为路由协议的设计提出了新的问题与挑战，主要 包括6 1 ： ( 1 ) 动态变化的网络拓扑结构。动态变化的拓扑结构是移动自组网最显著的 特点。在移动自组网环境下直接运行常规路由协议，当网络拓扑变化后，常规路 由协议需要花费很长时问和较大代价才能达到收敛状态。 ( 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 在采用无线通信的移动自组网中，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。它为常规路由协议带来以下几个严重影响：路由单向性和汇点不 可达性等。 ( 3 ) 有限的无线传输带宽。由于无线信道本身物理特性，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 衰减及噪音干扰等多种因素，节点可得到的实际带宽远小于理论上最大带宽值。 带宽受限对l s a 与d v a 在移动自组网中运行产生了一定的阻碍作用。 ( 4 ) 无线移动终端的局限性。移动终端在带来移动性、灵巧及轻便等好处的 同时，其固有的特性，例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，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。而常规路由协议通常基于高性能路由器作为运行的硬件平台，没有 上述限制。 因此，研究移动自组网上的各种通信模式的路由协议成为了研究热点，目前 研究者已提出一些路由协议，我们对所提出的路由协议可基于不同角度进行不同 的分类。常见的几种分类方式为i l j j ： f 1 1 根据网络逻辑视图分类。从这个角度可分为平面结构和集群结构两种。 对于平面结构的路由协议，网络的逻辑视图是平面结构，移动节点具有平等的地 位。其优点是网络中没有特殊节点，节点移动性较为简单且易于管理。如d s r 协议和a b r 协议等。对于层次结构的路由协议，网络的逻辑视图是层次性的。 在两级网络中，骨干网由较为稳定和综合性能较好的骨干节点组成。其优点是适 合大规模移动自组网络，扩展性较强。如c e d a r 协议【1 4 1 和c g s r 协议【”1 等。 ( 2 ) 根据驱动方式分类。按照路由发现策略的角度，可分为表驱动和按需驱 动两种路由协议。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， 如d s d v l 4 6 1 等。按需驱动路由协议是根据发送数据分组需要按需进行路由发现， 建立传输路径，从而实现信息传送，如a o d v 协议q 和t o r a 协议【1 7 1 等。 硕l 学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 根据支持链路方向分类。移动自组网中可能存在单向信道，也可能存在 双向链路。按照对链路的支持方式，可分为支持单向链路的路由协议，如u a o r 协议【1 8 j ，以及支持双向链路的路由协议，如s s r 协议【悖l 等。 目前移动自组网路由协议的最常见分类方式是基于路由发现策略的角度，将 路由协议按驱动方式分为先应式( p r o a c t i v e ) 和反应式( r e a c t i v e ) 两种协议。 先应式路由协议又被称为表驱动( t a b l ed r i v e n ) 路由协议，是一种基于表 格的路由协议。在这种路由协议中，每个节点维护一或多张表格，这些表格包含 到达网络中其它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 在网络中发送更新消息。收到更新消息的节点更新自己的表格，以维护一致的、 及时的和准确的路由信息。不同的先应式路由协议的区别在于拓扑更新消息在网 络中传播的方式和需要存储的表的类型。先应式路由协议不断地检测网络拓扑和 链路质量的变化，根据变化更新路由表，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑 结构。源点一旦要发送报文，可以立即得到到达目的地的路由。图l 一2 是现有的 部分先应式路由协议。 图1 - 2 先压式路由协议 反应式路由协议，又称为随选路由( o nd e m a n dr o u t i n g ) ，是一种当需要时 刊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。图1 3 是现有的部分反应式路由协议。 图1 3 反应式路由协议 目前，移动自组网理想的路由协议主要包括以下几个方面的考虑，分别是： 分布式运行、提供无环路由、按需进行协议操作、对单向信道的支持、提供节能 4 f 婴一i立坚l 颀j 二学位论文第一章绪论 策略、可扩展性及安全性 1 1 , 1 2 , 1 3 0 们。 ( 1 ) 分布式操作。对于集中式路由协议，通常存在一个中心节点，收集整个 网络拓扑结构，计算全网的最短路由，并将结果分发到其它节点。这种机制难于 适应动态变化的移动自组网，且开销过大。其次，作为移动自组网的重要应用背 景，军事通信系统要求很高的鲁棒性，所以理想路由协议应当采用分布式操作。 ( 2 ) 提供无环路由。这一点是路由协议应当具备的基本特征。路由协议主要 通过以下机制保证这一点：a ) 使用有目的节点产生的路由序号机制，反映路由 状态的新旧程度，例如d s d v 和a o d v 协议。b ) 使用路径发现算法，如w r p 协议。c ) 使用源路由机制，如d s r 协议。d ) 使用面向目标的d a g 算法，如 t o r a 协议。 ( 3 ) 提供节省能源策略1 2 “。大多数情况下，移动节点采用电池一类的可耗尽 能源提供电源。然而要在几年内将目前电池的可供电时间提高3 0 是很困难的。 暂时的解决方案仅有诸如设备“睡眠”机制，这种策略的实现需要底层设备提供功 能支持。因此，在路由协议的设计过程中，应注意节省能源的问题。 ( 4 ) 提供安全机制1 2 ”。路由协议通过交换拓扑信息建立去往网中各个节点的 路由。攻击者对这些没有受到保护的路由信息可进行各种形式的攻击。可采用数 据安全中各种加密机制( 如数字签名) 防止来自网络外部的攻击。但由于移动自 组网内部节点可能被攻击者占领，并使用合法的私有密匙进行路由信息的数字签 名，因此须对路由协议加以改进以适应该环境的需求。 ( 5 ) 可扩展性。移动自组网本身具有组网灵活的特点。在该网络的应用过程 中，随时可能有新节点的加入和退出。为适应移动自组网的发展，对路由协议进 行设计时必须对其可扩展性进行适当考虑。 ( 6 ) 对单向信道的支持。在移动自组网络中可能存在单向信道，对路由协议 的设计仅满足双向链路的需求是不切实际的。要全面考虑该环境下路由协议的应 用，所设计的路由协议应能支持单向链路。 ( 7 ) 按需进行协议操作。定时周期性地对网络信息进行不断更新必将带来大 量网络开销。按需操作这种驱动方式在很大程度上解决了这个问题，也是将来移 动自组网环境下路由协议的发展方向。 与此同时，我们对于a dh o c 网络路由协议的设计还需要考虑主要的一个问 题：不同的路由协议在不同的环境中，其性能好坏可能有很大的差异。即使是同 一路由协议，在不同的网络环境中，其性能指标也可能会有很大的差异。a dh o c 网络组网环境主要涉及的内容有：网络的规模大小，即网络中节点个数的多少； 网络的拓扑结构变化速度：节点的移动速度；信道的传输带宽和单向信道的比率 等。因此，我们要根据具体环境因素设计a dh o c 网络路由协议。 顾士学位论文第一章绪论 1 3 课题来源及研究意义 移动自组网是一种有特殊用途的对等式网络，具有无中心、自组织、可快速 展开及可移动等特点，这些特点使得它在战场、救灾等特殊场合的应用日渐受到 人们的重视。在典型的a d h o c 网络应用中，主机按组工作以共同完成一个特定 的任务，例如军事上对人员、装备的指挥与控制、在线游戏及交通管理等。因此， 组播在移动自组网中扮演着重要的角色【2 。 由于移动自组网具有网络拓扑动态变化、无固定的基础设施及带宽有限等特 点，使得固定网络中的组播路由协议，如距离矢量组播路由协议d v m r p 、开放 的最短路径组播m o s p f 、基于核心的树c b t 及协议独立的组播p i m 等，不适 合移动自组网中运行。因此研究和设计有效的移动自组网组播路由协议具有重要 意义，它能有效地提供移动自组网组群通信，相比于广播节约了带宽，具有重要 的研究价值和应用背景。 目前移动自组网组播路由协议按转发结构区分主要包括基于树型、基于 m e s h 结构及其它结构口4 】三类。其中其它结构的组播路由协议适应于小型网络， 可扩展差，基于树型和基于m e s h 结构的组播路由协议成为了研究的重点。在基 于树型结构的组播路由协议中，任意两节点之间只有一条路径，容易出现分割现 象。基于m e s h 结构组播路由协议为任意两节点之间提供多条路径，提高了对动 态网络的适应能力。基于m e s h 结构的组播协议维护开销少，更适应于移动自组 网节点频繁移动的情况，目前已成为了研究的热点。 但是基于m e s h 结构的组播路由协议在提供冗余路由同时，数据转发有效性 差，并且随着网络规模的增大，有效性越来越差，因此提高m e s h 结构的组播路 由协议有效性具有重要的意义。本文首先从提高基于m e s h 结构的组播协议数据 转发有效性出发，分别提出了一种基于节点分类策略的组播路由协议 ( n c o d m r p ) 及一种结合路径和转发组成员数的组播路由协议( h f o d m r p ) ， 它们通过降低m e s h 网络中冗余的转发节点个数，提高了基于m e s h 结构组播路 由协议的有效性。此外，本文又提出了一种结合l e t 预测和转发组成员数的组 播路由协议( l e t f g o d m r p ) ，它综合考虑了转发组节点的稳定性和个数，能 自适应调整协议的有效性和健壮性，提高了整个网络的性能。 1 4 论文组织 论文全文共分六章： 第一章为绪论。这一章主要概述了移动自组网，并介绍了移动自组网路由协 颂：l ：学位论义第一章绪论 议，包括其面临的挑战、分类及设计目标。最后阐述移动自组网组播路由协议研 究的必要性和其重要意义。 第二章主要总结和分析了移动自组网组播路由协议的研究现状，并将移动自 组网组播路由协议分为基于树型、基于m e s h 结构及其它结构组播路由协议三类， 并给出了比较和分析，指出了移动自组网组播路由协议的研究方向。 第三章提出了一种基于节点分类策略的组播路由协议( n c o d m r p ) 。本章 首先介绍了基于节点分类策略的组播路由协议的设计，对模拟仿真结果进行了分 析和比较，验证了n c o d m r p 协议的数据转发有效性和能源有效性。 第四章主要介绍了一种结合路径与转发组成员数的优化组播路由协议 ( h f o d m r p ) 。首先介绍了结合路径与转发组成员数的组播路由协议的详细设 计，对模拟仿真结果进行了分析和比较，验证了h f o d m r p 协议的数据转发有 效性和能源有效性。 第五章主要介绍了一种结合l e t 预测与转发组成员数的组播路由协议 ( l e t f g o d m r p ) 。首先介绍了结合l e t 预测与转发组成员数的组播路由协议 的详细设计，对模拟仿真结果进行了分析和比较，结果显示l e t f g o d m r p 协 议提高了网络的整体性能。 第六章为结束语。对所做的研究与设计工作进行了总结，并阐述了将来进一 步的工作计划。 硕士学位论文第二章移动自盟【网盟上播路由坍议 第二章移动自组网组播路由协议 移动自组网中节点是完全移动的，传统的组播路由协议不再能适合移动自组 网的需要。主要的原因是：动态的网络拓扑结构使组播树容易破碎，从而带来了 频繁地维护路由和需要很大的开销。而且移动自组网中的能源消耗问题也不同于 普通网络。因此移动自组网中组播路由面l 插着很大的挑战，主要解决节点动态移 动带来的频繁更新路由和动态组播成员等问题。以下主要介绍目前存在的一些典 型的组播路由协议，并进行了分析和比较。 2 1 几种典型的移动自组网组播路由协议 最简单的组播路由算法就是使用洪泛算法。每个节点接收到数据包都广播给 后继邻居节点。在该算法中，即使某些链路传输出现错误，只要还存在一条到每 个接收者的链路，则所有接收者都能接收到组播数据报，因此适用于高速移动的 移动自组网络，但是也存在大量重复包等问题。目前人们对洪泛算法进行了优化 和改进，提出了h y p e r - - f l o o d i n g 等算法，在保证可靠度的前提下尽量减少分组 的转发次数。 目前研究的组播协议按路由的建立主要分为三大类型，分另1 f f ；3 3 5 , 3 6 ： ( 1 ) 基于树型的组播协议 ( 2 ) 基于m e s h 结构的组播协议 ( 3 ) 其它结构的组播协议 2 1 1 基于树型的组播协议 一一，一 目前计算机网络实现组播通信的主要是采用组播树的方法来转发数据包。在 i n t e m e t 中，组播树有源树和共享树两大类。考虑到移动自组网的拓扑动态变化 等特性，移动自组网一般采用基于共享树的组播算法，典型如a m r i s 3 7 1 和 m a o d v l 2 6 1 等，分别简介如下： a m r i 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 lu t i l i z i n gi n c r e a s i n gi d n u m b e r s ) ： 该组播协议利用增加号i d 来实现路由建立，一个组播组中的各节点被分配一个 i d 。要发送数据包的节点有最t i m i d ，它发起形成组播树的初始过程。有最小i d 的 节点叫做s i d 节点。i d 值随着至t j s i d 节点的距离而增加。通过使用i d 节点能够快速适 应网络拓扑的变化。 m a o d v ( 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 rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ： 硕士学位论文第二章移动自纽网纽播路由协议 该组播协议是基于树的按需路由协议。它为每一路由表项使用了目的地序列号。 序列号确保无路由环路，并解决了无穷计数问题。其路由发现基于路由请求 ( r r e q ) 和路由答复( r r e p ) 。当一个组播源要求一个到组播组的路由时，它广播 一个带有加入标志和组播地址的包。可到达组播树的一员用一个r r e p 包响应。 否则非成员重新广播r r e q 包，收到的r r e q 每个节点更新路由表并记录序列号 和到源节点的下一跳信息，这个信息用于单播r r e p 到源节点。如果源节点接收 到对它路由请求的多个答复，它选择具有最少跳数或最新序列号。 2 1 2 基于m e s h 结构的组播路由协议 在无线网络中，组播树的应用受到了一定的局限。如果网络拓扑变换频繁， 那么为实现组播功能而建立组播树会引起大量的控制分组；另外，在路由表的更 新过程中，某些节点可能会突然停止转发分组而等待树的重建。因此，移动自组 织网提出了一种新型组播路由算法，即网格( m u l t i c a s tm e s h ) 算法。网格又被 称为转发群组( f o r w a r d i n gg r o u p ) ，它由转发组播分组的节点及组播群的成员组 成，提供到组播接收节点的多条路径。和组播树相比，网格有效地利用了通信资 源，算法更有弹性，适合于动态拓扑变化的移动自组网。目前基于m e s h 的组播 协议主要有o d m r p 2 ”、c a m p 2 8 】、f g m p 3 8 1 、p d a o d m r p 【2 9 1 、o d m r p m p r l 3 0 1 及c q m p l 3 1 1 等。 o d m r p ( o n d e m a n dm u l t i c a s t i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) ：o d m r p 是按需的路 由协议，是通过建立m e s h 结构的转发组来转发组播数据分组的，分组在m e s h 内 采取洪泛的方式转发，它采用软状态来维护群的信息，当群节点更新时不需要发 送额外的控制分组。 o d m r p 中源节点按需建立和更新路由。当组播源节点有数据要发送，而又 没有路由或群成员信息时则产生并广播j o i n r r e q 分组。当节点收到非重复的 j o i n r r e q 分组，存储上游节点地址并转发分组。当组播接收者收到j o i n p r e q 分组就建立j o i n t a b l e 并发送给相邻节点。当节点接收j o i n t a b l e ，就检测 自己是否为路由表中某路由条目中的下一跳地址，如果匹配则说明节点为到源节 点路径上的节点，此节点就成为转发组的成员，然后广播其j o i n t a b l e 。 j o i n t a b l e 就是这样通过网格成员以最短路径传送到组播源节点。此过程建立 了源节点到组播群的路由并形成了转发组。在可以应用g p s 的网络中，o d m r p 可以通过预测节点的移动信息来优化协议。o d m r p 的另一特点是它同时拥有单 播和组播能力，这就意味着网络如果采用了o d m r p 协议，就无需再选择单播协 议。 c a m p ( c o r e a s s i s t e dm e s hp r o t o c 0 1 ) ：c a m p 中网络所有节点都存储一些有 硕士学位论文第二章移动自纽| 闫组播路由协议 关群成员和路由信息的表，此外节点还需维护多个存储器来保存已知的数据分组 信息和未被确认的组播群成员的请求信息。c a m p 把网络中的节点分为双向成 员、单向成员及非成员三类。双向节点是指网格内的成员节点，而单向节点是指 发送节点和其它网格节点之间建立单向连接的节点。 c a m p 分为两个过程：m e s h 的建立与维护。当节点加入某组播群时，首先查 询路由表中是否有m e s h 成员的相邻节点。如果有，则通过c a m p u p d a t e 信息 通知其相邻节点；如果没有，则传送j r r e q 分组到某个组播群核节点，或通过扩 展环搜索法广播r r e q 分组而到达某个群路由器。任何双向成员节点都可以回 复j o i n a c k 到发送j r r e q 分组的节点。c a m p 需要单播协议来维护节点之间的 正确连接。c a m p 的优势在于它没有使用洪泛，请求信息仅仅广播给m e s h 成员。 f g m p ( f o r w a r d i n gg r o u pm u l t i c a s tp r o t o c 0 1 ) ：f g m p 可以认为是在选定的 f g ( f o r w a r d i n gg r o u p ) 节点内泛播。在f g m p 中，每个f g 节点仅维护转发标志和 计时器。只要转发标志设置，节点就转发组播群的分组直到计时器超时。当f g 成员改变时计时器会更新，计时器超时后无效的节点将从f g 内删除。这种使用 软状态的计时器方法适用于移动自组网节点高速变化的网络。在f g m p 中，选择 f g 有两种方法：通过接收节点广播和发送节点广播，即f g m p s a ( s e n d e r a d v e r t i s i n g ) 和f g m p r a ( r e c e i v e ra d v e r t i s i n g ) 。 在f g m p r a 中，组播接收方周期性地通告成员信息，发送方将接收方成员 放在一个表中。对于f g m p s a ，发送方通过广播通知其它成员，接收方通过发 送应答包应答发送方来加入组播组。f g m p 类似于o d m r p 方法，只是在组播转 发组的建立上有区别，但是f g m p 和o d m r p 由于广播控制包存在扩展问题。 2 1 3 其它结构的组播路由协议 在基于树型和m e s h 结构的组播协议中，都存在创建和维护组播树m e s h 带 来的大量控制信息的开销。而且移动自组网中节点移动频繁，控制信息的负载将 会大大增加。于是就出现了其它不同于基于树型和m e s h 结构的组播协议，如适 用于小规模网络的无状态组播协议( d d m p 列) 及将树和m e s h 结构相结合的组 播协议( a m r o u t e t ”1 ) 。 d d m ( d i f f e r e n t i a ld e s t i n a t i o nm u l t i c a s t ) ：该协议适应于较小规模的组播群。 它的特点是让源端控制组播群成员。源端将组播接收者的地址信息放入数据包头 部，而且数据包头部可以存放可变长度的目的列表，利用单播协议来转发包。 d d m 的中间转发节点不需要保存大量的转发信息。 d d m 支持两种类型的操作模式：无状态和软状态。在无状态模式中，中间 节点不需要保存组播转发状态。当中间节点接收到d d m 包，只要在包头部中找 硕士学位论文 第二章移动自组刚组插路由悱议 到转发包的路径进行发送。在软状态中，中间节点保存上次包转发的目的节点和 下一跳，通过这些信息，在以后发送的包中协议不需要列举所有的目的地址。当 使用的单播协议变化，上流节点在最后一个包中通知下流节点的变化，因此称为 d d m 。 在每个节点中，设计了f s ( f o r w a r d i n gs e t ) 保存节点转发数据目的集合和 d s ( d i r e c t i o ns e t ) 保存下一跳转发的集合。源端保存一个m l ( m u l t i c a s tm e m b e r l i s t ) 保存成员列表。d d m 中当有组播成员加入，则需要单播发送j o i n 信息给 源端。源端周期性地在数据包中发送p o l l 标志来维护组播成员，同时组播成员 也要应答j o i n 信息给源端。 a m r o u t e ( a dh o cm u l t i c a s tr o u t ep r o t o c 0 1 ) ：由于基于树的方法提供较高的 数据转发率，但是当节点移动时需要重新建树，从而健壮性较差。而基于m e s h 的方法对于节点移动具有较好的适应能力，却在数据包转发过程中产生了较大的 负载。所以，将基于树和基于m e s h 结构的方法综合起来可利用双方的优点。其 中a m r o u t e 就是一种将基于树和基于m e s h 相结合的树型覆盖结构( o v e r l a y t r e e ) 组播路由协议。 在a m r o u t e 协议中，只有发送者和接收者是组播树的成员，建立一个双向的 共享树。每个组有一个核心节点来维护成员和组播树，并根据网络情况和组播成 员来选择核心节点。a m r o u t e 路由建立过程分为m e s h 的建立和共享树的建立两 部分。 最初每个成员将自己作为核心并广播j o i n r e q 给其它成员。当某个群成员 收到来自同一组播群j o i n r e q ，就回应j o i n a c k ，建立这两个成员之间的单 播隧道并选择一个核心。当m e s h 建立后，核心节点周期性广播t r e ec r e t e 以 来建立共享树。当组播群节点从其子树连接链路中收到非重复的t r e ec r e a t e 分组，就把此分组转发给其它的连接链路，并且标志进来和出去的链路为树连接。 否则就沿着收到分组的链路回复t r e e c r e a t e - n a k 分组，节点收到 t r e e c r e a t e - n a k 就把此连接标志为m e s h 连接，而非树连接。节点如果要离 开组播群就发送j o i n a c k 分组并不再转发数据。 a m r o u t e 的特点是采用虚拟m e s h 链路来建立共享树，由于树成员之间是基 于m e s h 的链路，所以在节点移动时，不需要重建组播转发树。a m r o u t e 依靠下 层的单播协议来维护成员之间的连接性。它的缺点在于可能产生环路，而且当节 点移动时形成不最优化树。 2 2 移动自组网组播路由协议的比较与分析 硕一i ：学位论文第二章移动自组网纽播路由协议 在上述协议中，洪泛算法由于会产生大量的冗余数据转发，比较适应于节点 数目小、数据量小及数据分组短的网络。对于基于共享树型的组播路由协议，在 网络移动率低的情况下体现出较好的有效性，如m a o d v 和a m r i s ，但是在高 移动率时，由于要频繁地重建组播树而大大地降低了协议的性能。对于基于m e s h 的组播协议中，如o d m r p 它提供了多余的冗余路由，在高移动速率下表现出了 较好的鲁棒性；c a m p 由于阻塞和冲突引起的额外开销而使协议的性能有所下 降，基于m e s h 结构的组播路由协议数据传输有效性低。基于其它结构的组播协 议，它从克服基于树型和基于m e s h 结构的组播路由协议缺点为出发点，如d d m 协议中间节点不保持状态信息，有效地降低了协议的负载。a m r o u t e 协议将基 于树结构和基于m e s h 相结合，综合了两个协议的优点。但是d d m 协议源端数 据报保存了所有的目的地址列表，所以适用于小型网络。a m r o u t e 由于采用了 覆盖树的结构，使用了虚拟m e s h 来构造共享树，存在着临时回路和非优化树的 问题1 2 ”。总之在组播协议的选择上，要根据具体的环境选择不同的组播协议， 其各种协议的比较见表2 1 。 袁2 - l 各种移动自组网组播协议的比较 协议 具体依赖单周期性 洪泛控 类型协议 播协议 无回路优点缺点 更新 制包 可靠， 带宽开 洪泛 f l o o d i n g 否是否否销大，扩 简单 展性差 基于 a m r i s 否是是是数据传 鲁棒性 树型 输效率 差，难以 维护，扩 m a o d v 是是是是 较高 展性差 控制信 基于 o d m r p否 是是 是 息洪泛， m e s h 鲁棒 数据传 性好 结构 c a m p 是是是否 输效率 低 不需保 扩展 d d m否 是是 否 存状态 性差 其它 信息 结构 结合基 临时回 于树和 a m r o u t e 是 否 是是路，非优 m e s h 的 化路由 优点 硕：i ：学位论文 第二章移动自组网纽播路由协议 2 3 移动自组网组播路由协议的研究方向 在移动自组网络中，节点可能会以计算机群组的方式协同工作，而且移动自 组网中节点的带宽和能源非常有限，组播可以节省带宽和能源，从而移动自组网 组播路由协议的研究将具有广阔的应用前景，将来组播协议可在以下几个方面研 究： 能源问题：移动自组网不同于普通网络，网络中节点的能量有限，而且在组 播协议中，对基于核心和源端的方法都使单个节点的能源消耗较大，单个能源的 失效将导致整个组播群无法工作。因此如何合理有效地分配网络中通信，防止单 个节点能源过早耗尽，延长网络的生存时间，降低整个网络能源消耗量将成为成 为了移动自组网组播协议的关键问题。 安全问题：由于移动自组网的广播特性，安全问题则相对于普通网络更困难。 而组播中成员动态加入和退出组播组，组播内所有成员都接收组播数据，这给移 动自组网的组播路由协议的安全性带来了很大的挑战，所以如何防止入侵者加入 组播组和接收组播数据将成安全主要的问题。 可扩展性：移动自组网中基于树和基于m e s h 结构路由协议都需要洪泛控制 信息，所以当节点的数目和组播成员数目增加和节点移动剧烈等情况时，洪泛控 制信息将带来很大开销，使