（交通信息工程及控制专业论文）无线Mesh网络的路由协议研究.pdf

摘要 无线m e s h 网络是一种新型的无线通信网络，它由无线链路连接路由器和终端设备 构成。它结合了无线局域网( w i ，a n ) 和移动a d h o e 网络的优势，具有高速率、高容 量、多点对多点等特征。 动态源路由协议( d s r ) 是无线m e s h 网络中非常重要的一种路由协议，但是d s r 协议在路由发现过程中采用洪泛策略建立源节点到目的节点间的路径，导致了路由花费 和延迟的增大。 本文针对d s r 协议路由花费大的问题提出了利用路由缓存实现小范围寻径代替全 网洪泛的策略，具体内容如下： ( 1 ) 设计了一种对缓存的路由的可用几率进行定量评估的方法，这种方法除了考虑到常 规的影响路由的可用几率的因素外，还加入了路由在存储时的质量作为影响因子， 利用该方法可以更全面的计算路由的可用几率p 。根据尸决定是否返回给源节点路 由响应( r r e p ) ，可以有效的减少包含无效路由的响应消息，避免因为无效路由或质 量较差的路由引起的数据包延迟及丢失的情况。 ( 2 ) 提出了一种利用节点接收到的路由请求包( r r e q ) 和路由响应包( r r e p ) 的信息实时 确定寻径范围k 的方法，其中重点考虑了发回响应的节点在路由中的跳数，它是减 小寻径范围又保证找到路径的关键，使用实时确定寻径范围k 的小范围寻径代替全 网洪泛，可以减少路由请求花费。 ( 3 ) 研究了基于小范围寻径的增强型动态源路由协议( c s d s r ) ，设计了c s d s r 协议 的消息格式、节点维护的数据结构和协议过程。 ( 4 ) 通过使用该协议在不同的网络环境中仿真，证明了c s d s r 路由协议在路由花费、 平均端到端延迟以及吞吐量方面较d s r 都有明显的改善。 关键词：无线m e s h 网络，动态源路由协议，小范围寻径 a b s t r a c t t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i san e wt y p eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i tc o n s i s t so fw i r e l e s st o u t e r sa n dt e r m i n a lu n i t s ，w h i c ha r ec o n n e c t e db yw i r e l e s sl i n k s w m n p o s s e s s e st h em e r i t so fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) a n dw i r e l e s sa d h o c n e t w o r k i ti sam u l t i p o i n tt om u l f i p o i n tn e t w o r kw i t hh i g hc a p a c i t ya n dh i g ht r a n s m i s s i o n r a t e d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ( d s r ) i sam o s ti m p o r t a n tp r o t o c o lo fw m n as o u r c e n o d ef l o o d sar o u t er e q u e s t ( r r e q ) w h e ni th a sap a c k e tt os e n db u t h a sn or o u t et ot h e d e s t i n a t i o nn o d ei nt h er o u t ed i s c o v e r yp h a s e ，t h i si n c r e a s e st h ec o s ta n dd e l a y i nt h i sp a p e r , i no r d e rt or e d u c ec o s tas m a l ls c a l es e e k i n gi sp r e s e n t e db yu s i n gr o u t e c a c h i n g f i r s t l y , b a s i n go nt h er e s e a r c ho ft h em a i np r o t o c o l - d s r , t h ei m p r o v e m e n to nd s r i s p r o p o s e d an e wm e t h o dt om e a s u r et h eu s e f u l n e s sp r o b a b i l i t yo fr o u t ec a c h ei sp r e s e n t e d t h i sm e t h o dm a k e st h eq u a l i t yo fr o u t ea sak e ye l e m e n te x c e p tf o rt h ec o n v e n t i o n a lf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h eu s e f u l n e s sp r o b a b i l i t yo f r o u t e i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o b a b i l i t y ，w h e t h e ro r n o tr e t u m i n gar o u t ec a c h ei nr e s p o n s ec a l lb ed e c i d e d ，t h i sm e t h o dc a l lr e d u c ei n v a l i d a t i o n r o u t e st oa v o i dl o s i n gp a c k e t s s e c o n d l y , an e wr o u t i n gs t r a t e g yi sd e s i g n e dt h a ta d a p t st ot h ec u r r e n tr e c e i v e dr r e q a n dr r e ps i t u a t i o nt oa a j u s ts e e k i n gr a d i u si n s t e a do ff l o o d i n gi nw h o l en e t w o r kf o rr e d u c i n g c o s t i tt a k e st h ep o s i t i o ni nr o u t eo fn o d es e n d i n gr r e pi n t oa c c o u n tt oe n s u r ef i n d i n gr o u t e t h i r d l y ，t h ei m p r o v e m e n td s rr o u t i n gp r o t o c o lu s i n gr o u t ec a c h e t oi m p l e m e n tas m a l l s c a l es e e k i n gi sd e s i g n e d ，c s - d s ri st h ea b b r e v i a t i o no ft h ep r o t o c 0 1 t h e np a c k e tf o r m a t s ， d a t as t r u c t u r e sa n dd e t a i l e do p e r a t i o n sa l ed e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc s d s r a l lo u t p e r f o r md s ri nr o u t i n gc o s t ，d e l a y a n dt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，as m a l ls c a l e s e e k i n g i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： ；两罕 v 1 年，月留日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 壬雨罕 贺昱嗟 岬年岁月塔e t 2 哆年j 月2 ，e t 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景 第一章绪论 随着移动语音通信业务的基本成熟，移动运营商已经将移动通信由语音通信拓展到 了数据通信业务方面。数据通信与语音相比在端到端服务质量和数据传输速率等方面都 有更严格的要求，因此无线通信技术需要进一步发展以满足市场的需求。 无线m e s h 网络就是为了进一步满足移动通信在数据业务方面的需求而诞生的【1 1 。 传统的无线通信网络中典型的系统包括：蜂窝移动通信系统、移动a d h o e 网络以及无 线局域网( ，a n ) ，这三种技术各有利弊。 在移动语音通信系统中，蜂窝系统的应用最广泛，蜂窝系统将大块的覆盖区域划分 成多个小区，然后在小区内架设基站，通过有线链路将基站连接到交换机构成的骨干交 换网络，实现小区用户的话音接入和信息转发服务，蜂窝系统中移动终端只收发信息， 不能转发，因此移动终端之间不能直接通信，要通信就需要借助基站、交换机等基础设 施，基础设施的架设导致了蜂窝网络的建设成本高，建设周期也较长【2 1 。 a d h o e 网络由移动主机构成，移动主机不仅能收发数据，同时还可以转发数据， 当目的节点不在源节点的通信范围内或通信链路受到干扰时通过中间结点的转发能实 现通信，不需要基站的支持，网络建立的成本低，同时时间短。但是a d h o e 网络因为 节点的移动导致其拓扑结构易于变化，而网络带宽却很有限，因此节点间交互信息要尽 量少1 3 , 4 , 5 1 。 w l a n 的一个接入点对应多个终端设备，终端设备采取单跳方式工作，不能转发数 据信息。w l a n 能够提供较高速率的数据服务，但w l a n 的接入点只能在几百米的区 域内提供服务，因此在大范围内应用w l a n ，建设费用比较高【6 1 。 在这种情形之下，无线m e s h 网络就诞生了。无线m e s h 网络中对等节点间可以直 接通信，或通过中间节点的转发实现信息传递，另外，通过无线m e s h 路由器进行通信 连接，可以将终端节点接入核心网络，同时还能在节省布线成本的情况下将网络的覆盖 范围扩展到数公里之外。 路由技术是网络研究的一个核心技术，它的优劣会对网络性能造成重要影响，考虑 网络自身的特点，设计出最有利于网络性能提高的路由算法非常重要。 第一章绪论 1 2 研究目的与意义 无线m e s h 网络作为一种新型的移动通信网络，具有易于部署、健壮性强以及带宽 高等特点，在家庭、企业和公共场所等诸多领域均有广阔的应用前景。 提供无线m e s h 网络服务以及生产无线m e s h 网络产品都依赖于高效、实用的网 络层的路由技术，无线m e s h 网络的多跳性要求每个节点都能够路由、转发报文，合适 的路由协议在此尤为重要【7 8 州们。 传统的路由协议是专为有线网络设计的，对于无线m e s h 网络环境中常见的节点移 动或干扰导致的链路质量和拓扑结构的快速变化不能很好的应对。传统路由协议主要可 以分为两类：( 1 ) 基于链路状态的路由协议；( 2 ) 基于距离向量的路由协议。 链路状态路由协议中路由器保存了整个网络的拓扑信息并进行周期性更新，防止了 路由环路，但是在节点快速移动的情况下，全网洪泛更新信息会浪费大量的网络资源， 产生过多的控制开销。 距离向量路由协议过程简单，但容易出现路由环路等问题。因此，研发适用于无线 m e s h 网络的路由协议非常必要。 本文即以无线m e s h 网络的路由技术为研究对象，旨在提出高效的适用于无线 m e s h 网络的路由协议，在降低路由花费的基础上提高吞吐量。 1 3 国内外研究现状 2 0 0 3 年1 月颁布的i e e e8 0 2 1 6 a 无线城域网标准，规定了工作在2 1 l g h z 的固定宽带 无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层技术标准，它支持m e s h 传输和点对多点传输， 传输距离约4 9 公里，最远可达5 0 公里。此外，i e e e8 0 2 1 6 刑用正交频分复用( o f d m ) 技术，提高了频率利用率【l l l 。 i e e e8 0 2 1 5 标准是无线个域网标准，主要定义了无线个域网的物理层和m a c 层， 其中的i e e e8 0 2 1 5 5 主要针对于无线m e s h 网络的m a c 层，支持m e s h 结构，将m e s h 网络 被定义为一个个域网1 1 2 1 。 无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 1 定义了无线局域网络的物理层和媒体接入控制子层，其 中的i e e e 8 0 2 1 l s 任务组为无线m e s h 网络定义了媒体接入控制( m a c ) 层和物理层协议， 并提出了无线m e s h 网络的参考体系结构1 1 3 1 。无线m e s h 网络的标准化的推进又推动了 2 长安大学硕士学位论文 m e s h 产品的研发和推广。 目前已有的几家公司的无线m e s h 网络产品如下： 阿德利亚：m s r 4 0 0 0 路由产品，4 载频，多跳带宽无衰减，支持路由交换和m e s h 组 网。 星矢科技：s s m e s h * n e t w o r k 室外无线系统是一个连续的多模块，多信道，多射 频无线m e s h 网络系统，能实现大范围安全的覆盖。 摩托罗拉：i a p 6 3 0 0 智能接入点可以作为无线网络到有线网络的过渡点也可以提供 增强的无线路由器功能，通过内置以太网向一个或多个m 设备提供无线网络接入。每 个i a p 提供高至6m b p s 的最大突发性数据率，可以用于语音、视频和数据通讯。 北电网络：w i r e l e s sa c c e s sp o i n t7 2 1 5 用于室内部署，它提供两个全向的5g h z ( e e 8 0 2 1 l a ) 天线来支持射频( 1 疆) 回程链路，使用自动发现和智能路由技术联结其它无 线接入点7 2 2 0 7 2 1 5 组成无线m e s h 网络，为移动用户提供网络接入和传输功能。 1 4 本文的主要内容 本文研究了无线m e s h 网络及其当前典型的先验式和反应式路由协议，并将其中的 动态源路由协议d s r 作为研究的重点。 通过对动态源路由协议d s r 的路由发现过程和路由维护过程的深入分析，发现其 在路由发现过程中采用全网洪泛路由请求包的方式寻找到目的节点的路由，全网洪泛增 加了不必要的r r e q 量，也增大了节点返回的r r e p 量，同时对节点返回的路由质量没 有定量的限制，如果采用有效性较差的路由来转发数据包将会增加延迟，如果采用被破 坏了的路由转发数据包将导致需要再发起一次路由发现过程，还可能导致数据包的丢 失。 针对其采用全网洪泛路由请求同时对返回路由质量没有限制增大了路由花费、延 迟，增加了网络拥塞的可能性，导致数据包丢失这些主要的不足之处，提出了在路由请 求过程中以节点缓存的到其他节点的路由为基础，通过选择合适的路由可用几率门限值 和寻径范围，实现小范围寻径，减少路由请求流量，在路由响应阶段根据路由可用几率 和请求包中门限值的关系决定是否返回响应，减少路由响应流量的增强型动态源路由协 议c s d s r 。 论文使用仿真软件o p n e t l 0 0 对c s d s r 路由协议及d s r 路由协议进行网络仿真， 通过仿真结果定量的比较了c s d s r 路由协议与d s r 路由协议在r r e q 和r r e p 量以 3 第一章绪论 及网络吞吐量等方面的性能，并对性能上的差异进行了定性分析。仿真结果表明，改进 的路由协议能够在降低路由花费的基础上获得吞吐量的增加。 1 5 论文的组织结构 全文共分为六章，具体内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了研究背景、本文的主要内容等。 第二章主要讲述了无线m e s h 网络的定义、结构和应用等并对目前常见的各种m e s h 路由协议进行研究，分析了这些路由协议的特点、技术原理和优缺点。 第三章在对目前主流的无线m e s h 网络路由协议动态源路由协议( d s r ) 分析、 研究的基础之上提出改进思路：利用节点接收到的r r e q 和r r e p 的信息实时确定小 范围寻径的寻径范围k 代替全网洪泛；为了提高返回路由的有效性，减少因为无效路 由或质量较差的路由引起的数据包延迟及丢失情况，提出了对路由可用几率的定量评估 方法。根据当前的缓存状况确定合适的可用几率门限值只，在找到路由的基础上尽可能 提高返回路由的质量，减少质量差的路由的返回数量。 第四章详细介绍基于小范围寻径的增强型d s r 路由协议( c s d s r ) 。主要内容包 括路由发现、路由维护等协议过程，路由请求表、路由缓存区、发送缓存区等数据结构 以及路由请求消息、路由响应消息、路由错误消息等。 第五章是对现有动态源路由协议和提出的改进的路由协议进行网络仿真和性能分 析。仿真结果显示，在相同条件下，改进协议c s d s r 能在减少路由流量的基础上使网 络吞吐量性能得到明显的提升。 第六章是对本文工作的总结，在此基础上给出了未来研究的方向。 4 长安大学硕士学位论文 第二章无线m e s h 网络及其主要路由协议 随着人们对通信需求的不断增强，通信技术也在不断革新。本章重点介绍无线m e s h 网络的定义、结构、与其他网络技术的比较和应用，另外还包括无线m e s h 网络的典型 的先验式和反应式路由协议。 2 1 无线m e s h 网络 2 1 1 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络由无线链路连接无线m e s h 路由器和无线m e s h 终端设备这两种节点 组成。 无线m e s h 网络上的节点通过广播的方式与周围的节点通信，如果目的节点超过了 源节点的通信范围则源节点可以通过网络中的其他节点的转发实现与目的节点的信息 传递，无线m e s h 网络中存在着多个网关节点，终端节点通过网关节点可以连接到 i n t e m e t t 州。 无线m e s h 网络是在移动a d h o c 技术的基础上发展起来的0 5 j 6 1 。两者的区别主要 在网络构成和业务模式的不同。网络构成方面t 无线m e s h 网络主要由无线路由器构成 韵无线骨干网组成，无线骨干网可以提供大范围的无线覆盖和连接；a d h o e 网络中节 点兼有独立路由和主机功能，节点地位平等，依赖节点的平等合作实现联通。业务方面： 无线m e s h 网络主要是往来于因特网的业务，a d h o c 网络主要是任意一对节点间的业务 流【1 7 1 8 】。 无线m e s h 路由器作为路由器能将终端设备连接到m e s h 骨干网络，然后通过路由 功能查找到目的节点的最佳路径，实现源节点与目的节点问的数据传递。无线m e s h 路 由器通过网关功能将终端设备接入核心网络，使得终端通过无线网卡共享i n t e m e t 资源。 无线m e s h 路由器还具有网络控制和管理功能，平衡负载，降低网络中碰撞的产生。 通过中间路由器的多跳转发m e s h 路由器能用较低的发射功率达到大范围的覆盖。 无线m e s h 终端设备是主机但是也具有路由器功能。 ( 1 ) 它可以产生各种应用需求，要求建立与目的节点间的路由，传递相关数据； ( 2 ) 终端要参与其他节点的路由发现过程，执行路由算法转发各种数据包。 第二章无线m e s h 网络及其主要路由协议 2 1 2 无线m e s h 网络结构 按照节点功能的不同，无线m e s h 网络的结构包含以下几种 1 9 1 ： ( 1 ) 终端设备m e s h 网络结构 无线m e s h 网络中最简单的终端设备网络结构如图2 1 所示。这种网络结构中的终 端设备少，且业务主要在节点对之间。其中节点是可以随意移动的使得网络拓扑结构也 会随时变化。 终端设备网络结构中所有的节点为平等关系，每个节点都具有客户端节点的功能， 另外还能路由、转发分组。一个节点不可能在所有其他节点的通信范围内，当超出了节 点的通信范围内的两个节点间要通信就要借助其他节点的路由、转发功能。 终端设备网络结构中的节点可运行在没有其它基础设施的环境中，并且支持高速移 动的终端设备的接入以及网络的快速形成和故障情况下的网络自愈。 图2 1 终端设备m e s h 网络结构 ( 2 ) 基础设施m e s h 网络结构 无线m e s h 网络的另一种结构基础设施m e s h 网络结构如图2 2 所示，这种结构 由上、下两部分组成。在该结构中，下层的无线m e s h 终端节点通过与上层的无线m e s h 路由器间的无线链路可以接入到上层骨干网络。 无线m e s h 路由器通过其网关功能能够将骨干网接入i n t e m e t ，还能与其他的无线网 络融合。带有以太接口的终端能直接通过以太链路实现到无线m e s h 路由器链接，使用 其他无线技术的终端需要先连接基站才能进而实现与无线m e s h 路由器的通信。 这种结构的建设成本较低，但是网络的可靠性和覆盖率都有提高，还可以兼容现有 的网络设备，但是这种结构中的任意两个终端节点之间不能进行直接的通信。 6 长安人学硬学位论史 _ 1f j m ，。一。 l _ 圈2 2 基础设施m e s h 网络结构 ( 3 1 混合网络结构 混台网络结构如图2 3 所示，它是将上述两种网络结构进行整合而形成的。混台网 络结构中的终端节点能够通过无线m e s h 路由器接入核心网络，同时通过中间的节点的 转发和路由功能，实现在不具备基础设施网络的条件下的对等节点之问以a d h o c 方式 互联直接通信，这种网络结构具有j 。泛的应用前景。 ，一：一、 图2 3 混合型m e s h 嘲络 2l3 无线m e s h 网络与其他无线网络的比较 第一章无m h 嘲络厦其土要路由协泌 l 与蜂窝网络的比较m 2 。2 2 l 数据的传输速率：3 g 蜂窝网络的最高传输速率为1 4 4 m b w s ，无线m e s h 网络的数 据传输速率可以达到5 4 m b i t s ，无线m e s h 网络的数据传输速率远远高于蜂窝网络。 网络建设成本：无线m e s h 网络利用无线路由器构建骨干网络，架设无线路由器与 蜂窝网络的基站比较起来周期要短、价钱要便宜。 网络可靠性：蜂窝网络的基站与移动业务交换中心问的连接采用星形结构，如果基 站与移动业务交换中心间的连接出故障，容易导致基站服务中断，不能提供相应服务给 移动台，无线m e s h 网络是网状结构，一条链路故障后可以寻找其他链路，服务更加可 靠。 2 与无线局域网的比较 2 3 2 4 2 5 】 终端设备：无线局域网( w l a n ) 中终端设备的接入完全依靠接入点，终端设各只 是主机，不路由；无线m e s h 网络的节点都可以转发数据，既是主机也可以路由和转发。 工作方式：w l a n 是单跳网络，终端节点必须通过接入点连接到骨干网络后才能与 其他节点进行通信；无线m e s h 网是多跳网络，相邻节点可以直接收发信息，也可以通 过路由器接入骨干网。 覆盖区域：w l a n 的接入点的覆盖区域比较小，在大范围内使用w l a n 需要增加 接入点，导致投入增加；无线m e s h 网络则利用无线路由器的路由、转发功能能实现大 范围的覆盖。 2 14 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络在企业、学校、应急通信等多个领域都具有广阔的应用前景”6 2 ”。 目前的一些应用包括： 1 1 企业 2 0 0 7 年1 1 月中石化东北分公司基于无线 m e s h 网络的油井监控系统通过测试验收并投 人正式运行，采输厂8 个站点共5 9 口油井实 现了实时的无线监控。通过此系统将报警、视 频监控等前端设备有机的结合成一个整体，构 成一个完整的保安监控系统。该系统运用先进翻2 4 企业应用 长安大学碗学位论文 的3 层网络架构进行传输，具备高带宽，可以实现流畅的视频监控及传输，保证了传输 的速度和效率，在高性价比的前提下很好地满足了对采输厂进行监控的要求，将对提高 生产安全系数起到积极的影响。 ( 2 ) 学校 2 0 0 6 年1 1 月1 5 日，厦门大学海韵校园“无线数字园区”项目顺利完成了实施。厦门 大学海韵园区位于曾厝垃豹子山半山坡上，总占地而积3 8 万多平方米，由科研楼两幢， 教学楼，实验楼和办公楼各一幢组成。五幢楼均为多层框架结构，总建筑面积3 8 4 5 1 平 方米。通过阿德利亚金梭系列产品搭建的无线网络，厦门大学海韵校园的师生可以随时 随地通过笔记本电脑、p d a 等各种无线终端连入校园网及互联网，更为方便、高效地共 享信息资源。 ( 3 ) 医院 2 0 0 7 年8 月沈阳市妇婴医院运用无线m e s h 网络技术完成了无线网络平台的铺设丁 作。据了解此次无线网络的铺设实现了医生与病人之间的通信需求，满足了各科室的 不同要求，并全面实现医院网络信息化管理。 该平台满足以f 需求： 随时随地的无线上网业务 无线的v o l p 和视频访问、w i - f i 语音业务 作为有线嗣络的补充和备份，提供各个科室之间数据传输 使用证明，基于无线m e s h 网络技术的网络平台承载了全院上下的e m a i l 和闩常管 理工作，医护人员可以随时访问患者信息、增强对患者的看护、节约诊疗时间、降低就 诊费用。另外，无线网络支持v o i p 和视频访1 0 1 病患在医护人员的监控下t 可以大大 降低服药错误的发生机率，保证病患在治疗期间的安全性。 ( 4 ) 智能交通系统 江苏省南京高速公路部署无线m e s h 网络 提供实时道路监控、管理和应急通信等服务。 高速公路与一般的公路相比具有车速快、运输 量集中、事故影响性严重等特点，近年来高速 公路的管理对信息化建设要求越来越高，传统 的有线网络虽然能够解决部分站点的接入和监 图2 5 钾能交通应用 第一无线m e s hh 络段接主要镕m 协* 控问题，但考虑到投资成本和南京高速路沿线地形的复杂，现有有线网络和视频监控点 密度已无注满足全线的无缝覆盖和监控管理需求，仍然存在很多无法把路况或事故现场 等信息及时传回指挥中心的情况，而无线m e s h 网络技术的出现极大地帮助管理部门解 决这类问题。无线m e s h 网络技术和应急通信解决方案成功实现了全路段无线覆盖，同 时支持无线宽带数据接入、无线视频监控和管理，成急通信，以及支持原有通信路政车 视频回传等多方面的应用需求。在南京高速复杂环境下，使用无线m e s h 网络路由器所 部署的无线网络真正提高了其应急调度指挥能力和安全运行系数。 ( 5 ) 旅游休闲场所 2 0 0 6 年1 0 月，后海酒吧街项目顺利 实施，以稳定的高带宽完成了对后海、前 海、烟袋斜街等酒吧集中区域的室外无缝 覆盖。通过搭建的无线网络能够为后海区 域提供无线上网、w i f i 语音、无线多媒 体业务等多种业务。到后海酒吧游玩的游图2 6 旅游休闲应用 客可以随时随地通过笔记本电脑、p d a 等各种无线终端连 本地网及互联网，从而更为 方便、高效地共享信息资源。借助无线网络技术为商务客人提供便利的同时，也增加了 其自身及后海酒吧街的知名度和吸引力，并为延伸无线网络信息服务平台提供了可靠保 障。 ( 6 ) 应急通信场所 2 0 0 6 年1 0 月3 1 只至1 1 月3 日，第5 6 届中国国际医疗器械秋季博览会在郑州国 际会展中心举行。本届医博会的门禁系统首次采用了基于无线网状网技术的录入管理平 台，不仅成为博览会一大亮点，也为各娄会议无线网络的设计提供了成功范本。整个博 览会期削网络没有出现任何问题，即使是入馆高峰期间的检测工作也顺利进行。在会议 期间，承办方还对基于无线刚络的v o i p 进行测试，效果甚好。在以后类似的会议中 工作人员间采用基于无线网络的v o i p 通信联系，也会较大降低会议组织和管理成本。 博览会结束后，工作人员关掉电源轻松撤回设各。无线网状网的临时组网方案，也成 功地为会议承办方省去了网络回收和再使用成本。 22 无线m e s h 网络的路由技术 无线m e s h 网络路山协议主耍分为两种：第一种是先骑式路山协议，节点平时就维 长安大学硕士学位论文 持了一个路由表，当有数据要发送时可以直接使用；第二种是反应式路由协议，当有数 据要发送时才开始准备路由。表2 1 列举了两种类型协议各自的特点。 表2 1 两种类型路由协议比较 协议类型先验式协议 反应式协议 每个节点周期性向邻居节点发送自己 当源节点有数据包需要发送时向邻居节点广 的路由表或路由更新消息，接收到该 播路由请求包，接收到路由请求包的中间节点 工作方式消息的邻居节点根据消息的新旧决定 会转发该请求，直到到达目的节点。目的节点 是否更新自己的路由表，如果比自己 收到消息后会利用合适的路径将路由响应包 知道的路由消息新，则更新路由表， 传回源节点，源节点将使用该路径传送数据。 然后转发，否则丢弃。 因为已经保存t n 相关节点的路由，反应式路由协议在没有数据要传递的过程中 优点 所以在需要发送数据时直接查询路由不保存路由表，因此各个节点在内存容量、电 表，延迟小。力、带宽方面均无过多消耗。 周期性广播路由消息会消耗带宽、电 源节点有数据要发送的时候先要寻找路径，然 缺点后才能发送，因此时延较大，不适合时效要求 力以及造成数据包碰撞和网络拥塞。 高的场合。 2 2 1 先验式路由协议 使用先验式路由协议的网络中的节点会保存一个或多个记录着本节点到达网络中 其它节点的路由信息的路由表。路由表的更新采用定时更新或当网络拓扑结构发生变化 时，节点在网络中发起路由更新消息。当节点接收到路由更新消息后会更新路由表，以 保证网络中节点的路由信息的及时和准确。 采用先验式路由协议，在节点需要传递信息时可以快速的建立路径、传输延迟低。 各种先验式路由协议的差异主要是传输更新信息方式的不同，另外各个协议存储的路由 表的类型也不一样。 图2 7 是目前典型的先验式路由协议。 图2 7 先验式路由协议 l i 第二章无线m e s h 网络及其主要路由协议 ( 1 ) d s d v d s d v 协议是距离矢量( d v ，d i s t a n c ev e c t o r ) 算法的改进协议2 9 l 。d v 算法中的每 个节点都要保存一个它到任意其他节点的距离集合以，其中x 表示节点自己，y 表示要 到达的目的节点，i 是x 的邻居节点，然后选取集合i 中使得i i l i n ( 如) 成立的k 作 为x 到y 的下一跳节点。 节点利用这种方法可以计算该节点到网络中其他节点的距离d ( y ) 和自己到此目的 节点需要经过的下一跳节点n ( o 。d ( y ) 和( f ) 构成了节点的d v 表，周期性发送自己 的d v 表给邻居节点，收到d v 表的节点可以更新自己的路由表【川。 d v 算法计算简便、占用的存储空间也很少，但是有时可能因为过期的或不正确的 更新消息，导致暂时性路由环或者长期路由环的形成。d s d v 协议引入了目的节点序列 号解决环路问题。d s d v 中每个节点都必须维护两个路由表，一个是为自己建立到目的 节点的路径用的路由表，另一个是为了广播路由更新信息给邻居节点用的路由表。 d s d v 协议中节点路由表包含所有可能目的节点、转发的下一跳节点、到目的节点 要经过的跳数以及目的节点序列号，如图2 8 所示。 目的节点下一跳节点 跳数目的节点序列号 图2 8 节点路由表 当节点发现它与邻居节点间的链路失效时它将所有通过该邻居节点转发的路由的 距离设为无穷并给该路由信息设置一个奇数序列号，然后将这个消息传播到整个网络， 广播消息如图2 9 所示。 目的节点 跳数目的节点序列号 图2 9 路由更新表 其他节点如果到目的节点的路由包含该失效链路则其距离也要设为无穷大，如果节 点后来收到到目的节点的距离是有限的路由更新消息，那么该节点就会发起广播路由更 新消息申明到目的节点新的路由消息。 当一个节点在进行路由表更新时，对于同样目的节点的路由节点会选择报文中的序 列号较高的路由信息，如果序列号相等则选择报文中路由距离更小的路由。 长安大学硕士学位论文 d s d v 协议不断的广播路由更新消息，当网络节点数比较多的情况下，所需要的更 新信息量是巨大的。 ( 2 ) w i u p w r p 协议中的每个节点都要依靠四个表来维护到网络中其他节点的路由，这四个 表是：路由表、距离表、路由花费表和信息重传列表【驯。信息重传列表主要包含：更 新信息、更新信息的序列号、重传次数计数器和表示该信息需要哪些节点确认的确认标 = 匕 ，i ! 一。 当链路发生变化时相邻节点间就开始传递更新信息，更新信息主要内容有：目的节 点、到目的节点的距离、目的节点的前向节点的地址和需要确认该消息的节点列表。收 到更新信息的节点修改自己的路由表。 节点主要依靠确认邻节点的信息和发送 h e l l o ”消息来表明节点间的链路的通畅。 如果节点长时间没有收到相邻节点的数据或“h e l l o ”消息时，它就认为它们之间的链路 出现了故障，它会发送路由更新消息通知其他节点它们间的链路故障。当节点收到一个 新的节点的“h e l l o ”消息时它会修改自己的路由表，然后将自己的路由表发送给该新的 节点。在w r p 协议中主要依靠节点互相告知其路由距离和目标节点的前向节点地址来 防止路由环。 d s d v 协议主要通过给d v 路由算法添加目的节点序列号使其保证路由不出现环 路，但是d s d v 协议需要周期性向邻居节点转发路由信息，导致了效率的降低，限制了 其使用范围。 w r p 协议每个节点要维护四个表这对于节点的存储能力有一定的要求，另外节点 要不停的和邻居节点发送“h e l l o ”消息也造成了一些不必要的花费，但是对于避免环路 还是有效的。 2 2 2 反应式路由协议 反应式路由协议在节点需要路由时才建立到目的节点的路由，节点平时不需要存储 路由信息。 源节点在有数据包需要发往目的节点时，启动路由查找过程，通过路由查找过程找 到到目的节点的最佳路由后就向目的节点传输数据包。对于找到的路由，节点可以将其 存储在路由缓存区中方便其他数据包的传输。 反应式路由协议可以减少在没有信息传递的过程中维护路由表的成本，适合移动无 1 3 第二章无线m e s h 网络及其主要路由协议 线网络通信流量不固定的情况。图2 1 0 是目前典型的几种反应式路由协议。 ( 1 ) a o d v 图2 1 0 反应式路由协议 田! 一：目三一臼 心留二刍苗夕 1 4 长安大学硕士学位论文 r r e p 到达源节点的路径建立过程。 ( 2 ) d s r 圈2 1 2r r e p 到达源节点的路径建立过程 d s r 协议是反应式路由协议，它主要基于源路由 3 4 , 3 5 1 。它分为两个过程：路由发现 和路由维持。当一个节点有数据包要发往目的节点的时候，这个源节点首先会查看自己 的路由缓存看是否有到目的节点的路由，如果有可用路由则用这个路由发数据包到目的 节点，如果没有则通过广播r r e q 包发起路由建立过程。 中间节点接受到请求消息后的措施如下： w h e n 中间节点接受到该路由请求消息 i f 路由请求消息中有有用的路由消息) t h e n 更新路由缓存 i f 路由请求包中的源节点和i d 号已经存在于路由请求表中) t h e n 丢弃该 包 i f 自己的地址存在于路由请求包的路由记录中 t h e n 丢弃该包 e l s ei f 目的节点是自己 t h e n e a s e l ( 自己有到目的节点的路由) ： 沿着路 由向源节点发送路由响应消息，并将r r e q 中 的路由记录放在r r e p 中 c a s e 2 ( 自己没有到目的节点的路由) ： 发起 到源节点的路由发现过程，并将r r e q 中的路 由记录放在r r e q 中) e l s e 自己不是目的节点 t h e n 将自己的地址添加到路由记录中，转发路由 请求 如图2 1 3 所示为d s r 中的路由记录创建过程。 第二章无线m e s h 网络及其主要路由协议 3 ) 7 ) 图2 1 3d s r 中的路由记录创建过程 当路由请求消息到达了目的节点或者到达了有到目的节点路由的中间节点后，目的 节点或中间节点会沿着路由记录中的节点发送r r e p 消息给源节点。假如产生r r e p 响 应的是目的节点，它会将r r e q 中的路径记录放在r r e p 中。如果是中间节点发送的 i 汛e p 则将路径记录和自己路由缓存中的路径整合后再发往源节点。如图2 1 4 所示。 图2 1 4d s r 中的路由响应传播过程 d s r 协议除了通过路由发现和路由维护过程建立源节点到目的节点间的路由外，还 可以通过接收到的数据包中的源路由获得到源路由中本节点的后续节点的路由，另外将 多条路由信息进行整合也能推导出新的路由。节点将知道的路由信息存放在路由缓存 中，在需要发送数据的时候能快速的找到到目的节点的路由，降低了路由花费、减少了 数据发送延迟。当然，如果缓存的路由信息过期也会导致不必要的额外的路由花费和延 迟。 a o d v 和d s r 虽然都是反应式协议，都是通过路由发现过程寻找到目的节点的路 由，但是它们具体在路由发现过程中的操作却不一样，a o d v 主要依靠中问节点建立反 向路径，通过反向路径将r r e p 包传给源节点，然后源节点沿着反向路径的逆向传输数 据，关键在于中间节点要存储路径。 d s r 主要依靠源路由，每个r r e q 包每经过一个中间节点，这个中间节点就将自 己的地址放入r r e q 包中，当r r e q 包到达目的节点时在r r e q 包中已经记录了沿途 1 6 长安大学硕士学位论文 的中间节点，只要将这个路由记录传回给源节点，源节点就可以利用这些中间节点传输 数据，关键在于r r e q 包中的源路由【蚓。 通过对d s d v 、w r p 、a o d v 以及d s r 路由协议的介绍可以看出每种协议都有自 己的特点，但作为两种不同类型的协议中的代表，它们还是能够反映出先验式路由协议 和反应式路由协议的一些细节，如表2 2 所示。 表2 2 先验式和反应式路由协议的比较 协议类型先验式 反应式 寻找路径快慢快 慢 维护路由花费多无 寻找路径对网络的影响轻微严重 主机移动对网络的影响 严重轻微 2 3 本章小结 本章主要包括两个方面的内容：无线m e s h 网络简介和无线m e s h 网络路由技术。 对于无线m e s h 网络主要介绍了其定义、三种结构以及与蜂窝网络和无线局域网的比较 以及无线m e s h 网络的多种应用。路由技术主要包含先验式路由协议和反应式路由协议。 对于先验式主要介绍了d s d v 、w r p ，并对d s d v 、w r p 的优缺点进行了分析。反应 式路由协议主要介绍了a o d v 、d s r ，然后对各自的关键问题进行了描述。在第一章的 基础上通过上述介绍使得能进一步深入了解和认识无线m e s h 网络以及其路由协议。 1 7 第三章基于小范围寻径的增强型动态源路由协议 第三章基于小范围寻径的增强型动态源路由协议 d s r 协议与表驱动式协议相比它只有在有数据包要发送的时候才发起路由发现过 程，没有必要一直维持一个路由表，它的路由花费要比表驱动式低。尽管d s r 协议应用 反应式策略减少了路由花费但是性能还是不太令人满意，主要原因是因为在路由发现过 程中采用洪泛r r e q 包的方式发现路由，这导致以下两个后果【3 7 3 8 l ： ( 1 ) 路i 虫r r e q 包被洪泛到整个网络，需要大量的路由花费并可能导致网络的拥塞。 ( 2 ) 大量的数据不得不排队等待路由请求过程完成，增加了对这些包的响应延迟。 针对上述问题本文考虑利用小范围寻径代替全网洪泛来寻找到目的节点的路由，进 而减少花费、降低延迟。 实现小范围寻径要以节点缓存的到其他节点的路由为基础，根据节点缓存的到其他 节点的路由的情况，可以有效的确定对于源节点到目的节点的路径的寻找范围，即路由 请求包的转发跳数。确定合适的寻径范围能够减少不必要的路由花费。 本章的主要内容包括：提出了一种新的评价节点缓存的到其他节点的路由的可用几 率的方法，这种方法除了考虑到常规的影响路由的可用几率的因素外，还加入了路由在 存储时的质量作为影