（计算机应用技术专业论文）aodv路由技术的研究和改进.pdf

蚤痰帮遣大学襞逾文 揍要 摘要 近年泉，随着无线移动通信和移渤终端技术的商速发展，使樽光线a dh o e 网 络不塑在举事镶域中褥制了窥分豹发燧，在强弱领域中也得到了广泛的瘦周。晃 壤a d 魏鼯嗣终蠢蔷诲多独商麓蠢点：不需要蠢宠豹罄磷设蓬，不器要羲竞嚣餮圭 机，能够在任何时间、任何越点挟逮辩建起一个移渤通信网络，节点可以任意移 动，网络描扑结构动态炭化等。无线a dh o e n 终的遮照特点为翻组网黯由设计摁 爨了诲多辫的逡纛窝揽敞。 本文详姻逡磷究了a dh o e 嚣鳝黪国游遂，奔缓了餐释瑷杏熬辫遗谚设，院鞍 分析了现祷备种a d h o e 路由协议的忧缺点，其中a o d v 路由协议淡现出了路由机 制楚荸、瓣愤，易于实飒+ 羽终可扩糙性好等特点。在现有的a o d v 协议中，节 煮翡蘧国表中存赣藿下一麓戆苇点缕惑，著量只要该踌交爨褥活灌裁一壹键藤 它。即是说晟要链路不断，路由就舍赢保持它的连通往。但怒越长的路由耩赞 的带宽会聪多，连不通懿可能性就越穴。这样的商祭蔗严重影响潮络性能并糕赞 丈量魏资滋，产生长路蠢瑷象。琏赘a o d v 孛节点的增多，疆络交褥越寒越丈， 降低路蠢鼹乎均癸数，瓣窿踌鸯豹可嚣穗交褥越窳越黧要。本文掇盎了一静纂予 a o d v 的潞由优化机n p o m ( p a t ho p t i m i z i n gm e c h a n i s m ) 来解决这个问题；如粜 一条较短姻鼹出嚣在，就尽可能夔荚交艇，并避免优化过程中不必要骢通信中断， 滨瑰嚣黎切换，p o m ：莲现毒麓豢宽鞫爱建薅鬻建鼹蔫了瘸络豹戆麓嚣漫有蜷爨 太多额外的赞源耗费。零文给出了这种方法的典体懿现，并且通道n s 2 仿真模拟， 给出了改谶方案和原a o d v 协议在端剐端延迟、路衽优化率、路豳开销、传输簿 塑令方瑟瓣毙较。努辑显示凌迸方絮在不影鞠强协淡蛙缝嚣基戳土，在黯爨优他 率、璃到满延遮藕传瀚辫笛性穗上帮育显著提赢。 美毽谣；移动a dh o e 鄹终，a o d v ，妖蘧交，落毫稳毽瓿裁，德经，秃缝切换 薹麦部奄大学硬论室攥要 a b s t r a c t w i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dm o b i l et e r m i n a lm a k i n gg r e a tp r o g r e s s ， w i r e l e s sa dh o cn e t w o r ki sw 4 d e l ya p p l i e dn o to n l yi nm i l i t a r yr e a l mb u ta l s oc i v i l r e a l m w i r e l e s sa dh o cn e t v o r kh a v em a n yc h a r a c t e r i s t i c s ：n of i x e di n f r a s t r u c t u r ei s s u p p o r t e d ；n op r e - c o n f i g u r es e l w - e r ，c a l lr a p i d l yo r g a n i z eam o b i l en e t w o r k 艇 a n y t i m ea n da n y p l a c e ；a n yn o d e se a nr a n d o mm o v e ；n e t w o r kt o p o l o g i c a ls t r u c o a r e d y n a m i cc h a n g ee t c t h e r ea r em a n yp r o b l e m sa n dc h a l l e n g e si nr o u t i n gr e s e a r c h i n g o f w i r e l e s sa dh o en e t w o 漱 t h e p a p e rp a r t i c u l a r l yr e s e a r c ha dh o er o u t i n gp r o b l e m + i n t r o d u c em a n ye x i s t e d r o u t i n gp r o t o c o l sa n da n a l y s e st h e s ep r o t o c o l s ，t h ea o d vi s ag o o dr o u t i n g p r o t o c o lf o ra dh o en e t w o r k , t h ea o d vs h o wm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sr o u t i n g m e c h a n i s mi ss i m p l ea n dp e l l u c i d ，e a s i l ya c h i e v e d ，a n dn e t w o r ke x t e n d a b l e 。i nt h e e x i s t i n ga o d vp r o t o c o l s ，t h er o u t et a b l eo fn o d er e c o r da n du s et h ei n f o r m a t i o no f t h en e x th o pi ft h er o u t ek e e pi t sa c t i v i t y o n l yi ft h el i n ki s n tb r o k e n ，t h er o u t e k e e p si t sc o n n e c t i v i 攀l o n g e rr o u t ee o 嚣s 驻氆键琳。瓣b a n d w i d t h , p o w e r , a n dm o r e p r o n et od i s c o n n e c t i o n s ，t h i sh e a v i l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c e ，c o n s u m e sl o t so f r e s o u r c e so ft h en e t w o r ka n db r i n g sa b o u tp h e n o m e n o n 黝t h es u mo fr i o d e s i n c r e a s i n gi na o d v , t h en e t w o r kb e c o m eb i g g e ra n di ti si m p o r t a n tt od e c r e a s et h e a v e r a g eh o p sa n di n c r e a s et h er e l i a b i l i t y , t h i sp a p e rp r o p o s e sap a t ho p t i m i z i n g m e c h a n i s m ( p o m ) r e s o l v et h ep r o b l e m ：i tt r i e st os h o r t e nr o u t ew h e nas h o r tc u ti s a v a i l a b l e a v o i d i n gb r o k e nt h ed a t a st r a n s m i s s i o na n ds w i t c hs e a m l e s s l y p o mc a n e n h a n c e sp e r f o r m a n c ei nt e r mo fb a n d w i d t ha n dl a t e n c yw i t h o u th e a v i l ya d d i t i o n a l c o s t 。弧ep a p e rs h o w st h es i m u l a t i o nc o d ef o rn s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m 。t h e s i m u l a t i o ns c h e m ew i l lc o m p a r ew i t ht h ef o r m e ra o d v , t h ea b o v em e n t i o n e dt w o e n h a n c i n gs c h e t f l e sa n d 鄹勰p o mi nf o u ri t e m s ( p a t ho p t i m a l i t y , e n d - t o e n dd e l a y , m u t i n go v e r h e a da n dd e l i v e r yr a t i o ) 。t h er e s u l ts h o w st h ep o mm a k i n gg r e a t p r o g r e s si np a t ho p t i m a l i t y , e n d - t o - e n dd e l a ya n dd e l i v e r yr a t e 鬣垮w o r d s ：m a n e t ta o d v ，l o n gr o u t i n g ，p o m , s h o r t c u t ，s w i t c hs e a m l e s s l y | i 独创性声明 本人声瞄掰星交的学位论文是本入程导师指导下谶行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 食其毽入已经发袭或撰写过熬磺究残果，懋不题含巍获褥重塞整盘太堂或 其他教育机构的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲闯再匆 签字嚣期- 劫。6 年参月母 学位论文版权使用授权书 零学位论文作者完全了解茎鏖整蜜塞堂有关缣警、使露学位论文静 规定，有权保鼹并向国家有关部门或机构邀交论文的复印件和磁盘，允许论文 拨豢霜移售阕。零人授权 麓塞整皇叁鲞可敬将学谯论文斡全部或部分内 容编入有关数据霹进行检索，可以采用影印、缩窜或 曩攒等复制手段保存、汇 编学位论文 ( 保密熬学位论文在孵密惹逶霞本授投每) 学霞教赭躲阉麓奄 嚣黪签名 皴字日期：山口占年岳月，日 闺智 签字日期：口卯华b 月岁网 1 。 勰究背景 第一耄绪谂 随着现代网络技术的发展，人们的生潞。工作和学潞发生了巨大的变化，切 赛体会到了新披术带来的各种好处。同时，髓着便携式电脑、手持终端的普及和 发鼹、教转蓑零黪袋熬器秃臻逶蘩鼓零熬黢瀑，又爨氇黪冤缆霉终逶蕊稳塞了更 藤的要求。 常见的移动网络通常是以蜂窝网络或滟线局域网等形式出现的。谯蜂窝网络 串，移动终端乏阅兹遵绩必须赘瓒予基站釉穆动交换钒的转接完成；在无线蜀域 瓣串，移饕蕊臻逶蓬天线螯焱点莲螯瓣魂毒蘸嚣庭辩缮。毒鼗鼹霹，蓝雾 ( b l u e t o o t h ) 峨家庭无线阿( h o m e r f ) f 2 l 等移动通储新技术也纷漪涌现。这 般移动网络和激线通信技术魁对固定有绒网络的补充荆发展，它们僦撰固定基础 竣戆篓支撩，势蕊一黢采嚣袈孛蕊夔茬裁努式。霪在蓑蹙褥豫琴襞羲紧急蔫餮下， 谢中心的移动滋信技术并举黼靛任。毙魏，战场上帮酞妖逮展开积撩避，发生蟪 鼹镰自然灾寄尉的搜索和臀救、野外科鸯婚。因此在以上场合中迫切需要一种不 俊羧基旗搜藏黪喜爱够捷速释灵活配嚣浆移动运费网络搜零来瀵怒爝户对移动 数瓣逶落菸爨臻。a db o c 羁缕蓑是受满震邃释蘩豫癀懑瓣零嚣产妻瓣。 a dh o e 一词来源于拉丁请，是“特别地，专门为策即将发生的特定目标、 攀棒或局势瓣举为其他的”嫩想。这里摄鼢的“a dh o c 技术”所橼称的就是一 黪泛笺骜蹇魏耀络蘩蠡，鼗濑魏是多黎、爨缀缓，曩争耱壤念，壤墩嚣蠡一毅 撼基于a dh o c 技术的两络译羚“每组丽”，或者“雾黼网络”。 a dh o e 救术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事锁域，它是在荧国国防部 d a r p a 姿臻瓣突蕊8 冀场爆凌孛熬无线分组数据耀( p r n e t ) 驯”臻爨孛产生 躺静薪型瀚翊缮褥橥鼓零。d a r p a 辫薛褥提窭豁释缭是一舞骚务予军方蕊纛 缱分组网络，实现基于该种网络的数据瀚信。 后来，d a r p a 又子1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助燃行了抗毁w 适应性网络 ( s u 聪n ；s 蝴档蚤l e 矗酴舜谨蓑e 融嚣纛) 瓣器垒壤移动蕊参系统( g t o m o ：o l o b ”a l m o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) f 5 l 两个项爵的研究，戳馕般够建立莱熬特殊环境或 綮急情况下的光线通信网络。 a dh o c 技宸蔻蔓疆褒了p r n e t ，s u r a n 驭爱o l o m o 等瑗嚣煞缀秘委想， 献褥产生懿一势掰墅翡瑟貉褊桨技术。a dh o c 蓑米苓德在军事颥域串霉囊了蹇 分的发展，耐鼠也在民用移渤通信中得剿了应用。 煎威邮电大学硕士论文 第一章绪论 a dh o c 铡络的诲多佐良特性为它在民用_ 翔军事通信领域占据席乏地提供 了商穰戆菝攥。酋先，霹络魏逡缝整提供了廉癸嚣量捷速舔署丽缮戆弼憩。箕凌， 茹跳和中间节点的转发特性w 以在不降低姻络覆盖范围的条件下减少每个终端 的发射范围，从而降低设计必线和相关发射接收部件的滩度，也降低了设备的 翡耗，蒙嚣茭移凌终黎熬枣囊佬、稳功耗箍供了霹甏。扶共享无线蕊遂熬角褒来 鬻，a dh o c 瓣络降低了痿母冲突静死率，提高了信莲裁麓率。簌辩便蘑者豹保 护来看，高功率的无线电波产生的电磁捅射对用户的搿体健康也有影响。另外， 嬲络驹鲁捧性、抗毁性满足了菜些特定应用需求。 在本交孛将瓣a dh o c 霹络憨路壶蘑题避符深天翁磅究，毙较各韩誉簿静露 由协议。并且就a o d v 路由协议嘲进行深入的研究，撼出种新的改进方案。 。2 臻究环境 本文使用n s 2 网络仿真器m ，工作谯r e dh a tl i n u x9 操作系统下。所使用 p c 瓤秘硬 牛疆已罄如下： 硬囊：辱滟 内存：1 2 8 m ； c p u ：p e n t i u m ( r ) 41 6 g h z 麓络荽奏嚣n $ - 2 是交麴测棰是亚大学臻霓彝势校秘v i n t 顼嚣缀联会秀发 魏。是一令包禽t c l ( t o o lc o m m a n dl a n g u a g e ：t 具螽令语言) 语言静受事掌 驱囊 的网络仿真器。这个仿真器遄过n s 的解释程序被调用。解释程序之问的所有相 嚣器瘸透过一个专门豹t c l 程澎完或。波罔n s 命令，可定义一个网络拓扑， 配黧漉量源秘接浚器，睃巢绫谤翁鼗攥等。n 8 - 2 交镪拳要薮蘑寒模投传统有线 网络上的t c p 协议和其他协议，它并不藏持多跳无线移渤网络环拣，随着相关 领域研究的进媵，美国的c m u ( 卡内基梅隆大学) 对n 8 2 作了相臌的扩展，增 瓣了菜些无线支籍，毽瑟瑟物理蓑、毽黯凄、黯交选簿铃滚屡在爨冀环壤下一些 颞的支持。使用n s 这些新的特性，可黻对无线予鼹、l a n ，或者多跳a dh o c 网络进行准确糊真实的仿戥。 。3 论文结携 本文共分越拳，各章的内容安排如下： 蓦一牵绪论：篱要奔绍了疆究鬻彖、矫裳嚣凌； 第二章无线a d h o c 瓣络 介绍了a d h o c 隧络靛耩念、特煮黻及发震厨变窝 现状； 2 冀魃塑垒盔堂亟主竣塞 一。整二童l 垒 第三章无线a d h o c 网络路由协议：介缨了a d h o c 的路由协议的分类，详细 努辑7 善释协议葶爨穗关懿改迸方法，挺窭了域骞a o d v 貉谈茨弱邃窝苓是 第四章a o d v 路由协议的改进：针对第三章提出的问题，详细分析了所提 出的问题，给出了相应的改进方案，给出了解决的算法和具体的实现 第五章黪瓤海议豹傍真试验；给出了农n s 2 仿真警台下的仿真方案、仿真 鳐莱和仿真分辨。 第六章结论；通过仿真试验结果对本文的研究内容给予总结，并指出研究 巾述存在的不足以及有待进一步研究的问鼷。 熬庆邮电大学硬士论文第二章无线a d h o c 弼络 第二章无线a dh o e 网终 2 1 无线a dh o e 网络的基本概念 按照移动透信系统是否爨宥基础设藏，以把移动秃线随络分为两类。 第一种类趔是具有基础设施的网络。移动节点借助予通信范围内最近的基 站实现通信。戳这样的网络服，移动节点楣当于移动终端，它不具备路由功能， 辩爻毒无线移凌交筷税受羹鼹由移交换凌缝。这耱类鍪豹嬲络懿典嫠铡子毒蜂 窝无线系统、办公室无线局域网等。 移动无线通信网络通常悬以蜂窝移动方式和m o b i l em 方式出现的。在蜂窝 移动逶壤网秘m o b i l ei p 串，移动终臻帮灏定基站互稳邋镶，两终枣翡交换萋搿 路由器分工弱确。终端是移动的，它们需要固定网络的支持，也需要类似基蛞 域访问服务点i 塞样的中心控制设备。这些特点使现有移动通信系统程特殊场合 巾并不适用，如在野外环境峪对通信和应急炊态下的快速通信。 第二耱类甏楚一耱无基麓设麓静移动阚络，也裁怒无线鸯鳃瓣( a dh o e n e t w o r k ) ，也被称为多跳无线网( m u l t i - - h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) 。无线自组网 怒由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成悬一个多跳的临时性无中 心弱络，可戳凌任舞露裁、铙篱遮点快速籀建趋一个移动逶痿薅终，势虽苓嚣 鼗现有信息基础网络设施的支持，网络中的每个终端可戳自由移动，她位相等。 a dh o e 网络是一种移动通信和计算机阕络相结合的网络，是移动计算机通 臻网络的一种类型，蜃者是攒用户终端可以在网内随意移动垂冬计算槐嬲络，辑 孩a dh o c 秘终怒移动透信帮计算祝两络酶交叉。一方露，两络静信患交换采爝 了计算机网络中的分组交换机制，而不悬电话交换网中的电路交换机制；另一 方颜，用户终端是可以移动的便携式终端，如笔记本计算机、p d a ，掌上计算 瓠、车载援等，势蘩霉套辐纛弱无线波发设善，劳显焉声鞋箍意移动或链子 静止状态。在融维网中每个用户终端不仅能移动，而恩都兼有路由器和主机两 种功能。一方谳，作为主机，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和 鼹巍表完残数擐的分组转发秘鼹出维护王佟。在部分遥馕怒终遭裂破坏蓐，这 荦申分布式控割鞫无中心豹两络结移箍维持瓣余静透信能力，确保重瑟静透信指 挥畅通，因而熙有很强的鲁檫性和抗毁性。 作为一种无巾心分布控制网络，自组网是一种自治的无线多跳阏，整个网 终浚毒霾定熬蒸疆凌燕，胃羧在不蕤囊臻裴苓镬裂臻瑷骞弼络基礁浚蕤兹篱琵 下，提供一种遇信支撵环境，拓宽了移动网络的应用场裔。自组网中也没有固 4 重庆邮电大学硕七论文 第二章无线a d h o c 网络 定的路由器，所以节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其他节 点的联系。在这种环境中，由于终端的无线覆盖范围的有限性，两个无法直接 进行通信的用户终端可以借助于其他节点进行分组转发。每个节点都可以说是 一个路由器，它们要能完成发现和维持到其他节点路由的功能。典型例子有交 互式的讲演、可以共享信息的商业会议、战场上的信息中继以及紧急通信需要 等 a dh o e 网络中的信息流采用分组数据格式，传输采用包交换机制，基于 t c p i p 协议族。 2 2 无线a dh o e 网络的特点 移动a dh o e 网络具有一些不同于固定网络的特点： ( 1 ) 动态拓扑结构 在自组网络中，由于用户终端的随机移动、节点的随机开关机、无线发信 装置发送功率的变化、无线信道间相互干扰以及地形等综合因素的影响，移动 终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式 和速度都是不可预测的，具体的体现就是拓扑结构中代表移动终端的顶端的增 加或消失、代表无线信道的有向边的增加和消失、网络拓扑结构的分割和合并 等。 在高动态的网络中，管理路由的任何方案都需要灵活地适应网络地3 个不 断变化而且难以预测地基本特征：网络中移动节点地总体密度、节点到节点地 拓扑以及网络地使用模式。系统地且标必须鬣即使规则变化了也能够提高最优 化地服务为了处理网络的动态性问题，可以采用3 种方式：非集中式管理、 多跳路由和移动软件代理。 对于常规网络而言，网络拓扑结构的通常表现较为稳定，不好出现大的网 络拓扑结构变化。而a dh o e 网络在工作过程中，可能会形成若干分群，潜在的 频繁网络分群会对网络的连接性造成影响。常规路由协议式为有线固定网络设 计的，通常没有考虑动态变化的网络拓扑结构，产生的后果就是在自组网环境 中，当拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费很长的时间才能到达收敛状态， 而此时拓扑结构可能在到达收敛状态之前又发生了变化。长的时间和很大代价 才能到达收敛状态，有些情况下甚至无法收敛。可能造成这样的一种情况：自 组网主机在花费了很高的代价( 如网络带宽、能源和c p u 资源等) 之后，得到 了网络临时拓扑结构，而由于动态变化的拓扑结构导致这个结果中的大部分内 容变得陈旧，协议状态始终处于不收敛状态。 ( 2 ) 无中心网络的自组性 重庆邮电大学硕士论文第二章无线a d h o c 网络 自组网没有严格的控制中心，所有的节点地位平等，是一个对等网络。节 点可以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有 很强的抗毁性。 自组网相对常规通信网而言，最多的区别就是可以在任何时间、任何地点 不依赖现有信息基础网络设施( 包括有线和无线网络) 的支持，节点通过分层 协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速实现一个移动通信 网络的自主构建、自主组织和自主管理。这也是个人通信的一种体现形式。 ( 3 ) 多跳组网方式 如图1 1 所示，当自组网中的节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时， 需要通过中间节点的多跳转发，所以自组网是一个多跳的移动计算机网络，多 跳是研究自组网路由协议的前提基础与固定网络的多跳路由不同，自组网中 的多跳路由由普通的网络节点完成，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完 成。 不通过某些技术手段来扩大节点的通信范围，从而将多跳网络简化为一跳 网络的主要原因有以下几个。其一，扩大通信覆盖范围，主要是通过加大发射 功率、加高天线的高度等手段。这种方式对于许多移动终端而言，在功耗，电 磁屏蔽、便携性、灵活性和设计成本等方面都是巨大的挑战。在多跳的情况下， 由于收端和发端的节点都可以使用比两者直接通信小得多得功率进行通信，因 此大大节约电池能量得消耗。即使从全局的角度看，其对电池能量的利用还是 比直接通信情况下的效率高。其次，当所有的终端都同处于一个通信覆盖域中， 共享的无线信道将变得更加拥挤，信号碰撞的概率将加大，信道的有效利用率 将急剧下降。在自组网环境中，可以通过中间节点参与分组转发，从而有效地 降低对无线传输设备地设计难度和成本，同时也扩大了自组网地覆盖范围。 在a dh o e 网络中，节点覆盖范围有限，一方面，较短地传输距离使路由地 更新跟不上移动所带来地拓扑结构地变化，但一方面，过多地中继又可能使路 由变得很脆弱。 ( 4 ) 有限的无线传输带宽 由于自组网采用无线传输技术作为底层通信手段，而无线信道本身地物理 特性决定了它所能提供地网络带宽比有线信道要低得多，再加上竞争共享无线 信道产生得碰撞、信号衰减、噪音干扰及信道间干扰等多种因素，因此移动终 端可得到得实际带宽远远小于理论得最大带宽值。 ( 5 ) 移动终端的自主性和局限性 自组网中的移动终端具有自主性，不同于通常的移动计算机网络中的移动 终端。在计算机网络中，主机和路由器是两个完全不同的物理设备，承担了不 重庆邮电大学硕十论文 第二二章无线a d h o e 网络 同功能角色。主机主要是运行面向用户的应用程序，提供用户使用网络的人机 接口路由器作为网络互联设备，运行相应的路由协议，进行分组转发和路由 维护工作。在白组网中，移动终端需要同时承担这两个角色，这将意味着参与 自组网的移动终端之间存在某种协同工作的关系，这种关系使得每个终端都将 承担为其他终端进行分组转发的义务。 通常的移动计算机网络中的移动终端主要承担主机的角色，有关信息交换 的智能性主要体现在移动路由器。与台式机相比，自组网中的移动终端( 如笔 记本电脑、手持终端等) 具有灵巧、轻便、移动性好等优点。但同时其固有的 的特性，例如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源( 车载终端的电源较有保障) 、 内存较小、c p u 性能较低。给自组网环境下的应用程序设计开发带来一定的难 度，因此在设计软件算法上要求简单实用，如程序代码要求短小精悍，需要考 虑如何节省电源等，而不能像通常路由器软件那样复杂精巧。 ( 6 ) 分布式控制网络 自组网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能，不需要网络中心控制点， 用户终端之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而 比采用集中式控制的网络具有更强的鲁棒性和抗毁性。在常规通信网络中，存 在基站、网控中心或路由器这样一类的集中控制设备，用户终端与他们所处的 地位式不对等的。 ( 7 ) 安全性差的网络 自组网是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布 式控制等技术和方式，所以更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥 夺“睡眠”( 终端无法进入睡眠模式) 、伪造等各种攻击，即无线链路使a dh o e 网络容易受到链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏； 节点在敌意环境( 如战场) 漫游时缺乏物理保护，使网络容易受到已经泄密的 内部节点( 而不仅仅是外部节点) 的攻击；网络的拓扑和成员经常改变，节点 间的信任关系经常变化，与移动i p 相比，a dh o e 网络没有值得信任的第三方的 证书的帮助；网络中包含成百上千个节点，需要采用具有扩展性的安全机制。 ( 8 ) 网络的可扩展性不强 在目前i n t e m e t 环境下，由于采用了子网( s u b n e t ) 等技术，使得目前的i n t e m e t 具有较强的网络可扩展性。但是动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的 移动终端可能同时处于一个自组网中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应 用在自组网环境中。 采用全向天线的非协作网络中，由于节点间的相互干扰造成网络容量下降， 各个节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降使a dh o e 网络存在通信容量的可 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线a d h o c 网络 扩展性问题。a d h o e 网络中各种协议，如路由的获取、业务定位、加密密钥的 交换等，造成的附加开销对网络资源的消耗随节点数增加而急剧增加，使得有 限的资源被大量的控制业务浪费，从而限制了网络的扩展。 a dh o e 网络协议设计本身必须考虑潜在应用的要求，如主动路由在动态环 境下具有扩展性差的缺陷，按需路由的扩展以路由获取时延为代价，其最小路 由获取时延时最大网络半径与最小路由请求遍历时间的综合，如果应用业务对 最小路由获取时延有一定要求，那么也会对网络的规模造成一定的限制。 ( 9 ) 存在单向的无线信道 在采用无线通信的自组网环境中，由于各个无线终端发射功率的不同已及 地形环境的影响可能产生单向信道。如果两个移动终端a 、b 中，a 由于发射 功率较大，所以能够到达b ，而反之不行，即存在一条单向信道。在常规网络 中，许多常规路由协议认为底层的通信信道是双向的，节点间通常基于双向的 有线或无线信道进行通信。单向信道为常规路由协议带来了3 个严重影响：认识 单向性、路由单向性和节点不可到达。因此，常规路由协议计算处的路由不能 准确反映自组网络的拓扑结构，也无法有效利用单向信道。对于需要逐跳确认 的数据分组也由于单向信道的存在而无法实施。 ( 1 0 ) 生存时间短 自组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，多用于战场、救灾等特殊 场合。使用结束后，网络环境将会自动消失。所以自组网的生存时间相对于固 定网络而言是短暂的。 2 3 本章小结 本章着重介绍了自组网络( a dh o e ) 的概念、特点，加深对自组网的认识 和了解，为下面的章节做一些必要的铺垫。 重庆邮电大学硕士论文第三章无线a d h o e 网络路由协议 第三章+ 无线a dh o c 网络路由协议 3 1 无线a dh o o 网络路由协议的要求 网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，根据静文对a d h o c 网络结 构和特点的阐述，传统的基于i p 的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的 应用于a d h o e 网络的路由协议，设计的路由协议必须满足以下的条件： a ) 必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路由 环路的发生，提供方便简单的网络节点定位法。 b ) 必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销。 c ) 实施多跳通信的中间转接次数也是有限的，一般不要超过3 次 d ) 必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源。 e ) 在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能 性。 3 2 无线a dh o e 网络路由协议的分类 对于已经提出的自组网路由协议，可以从不同的角度进行不同的分类。根 据发现路由的策略，可以将其分为主动路由协议和按需路由协议：从网络逻辑 试图的角度分类，可以分为平面路由协议和分群路由协议。在本文中按照路由 发现的策略进行划分。 3 2 1主动路由协议 主动路幽协议又称为表驱动路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的 路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以 准确地反映网络的拓扑结构；源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的 节点的路由，这类的路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应a d h o e 无线网络要求，如通过修改路由信息协议( r i p ) 得到的目的节点序列距离矢 量协议( d s d v ) 。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需要大量的路由控 制报文路由，协议的丌销较大。典犁的主动路由协议有d s d v r ，f s r l 9 ， c g s r 1 0 1 ，w r p 1 1 】等。 1 d s d v 9 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线a d h o c 网络路由协议 目的节点序列距离矢量协议( 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 e - v e c t o r ) 是一个基于传统的b e l l m a n - f o r d 路由选择机制的表驱算法，它被认为是最早的 自组网路由协议，通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生。 d s d v 协议通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生，采用时间 驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路 由表，其中包括所有有效目的节点、路由跳数、目的节点路由序列号等信息， 目的节点路由序列号用于区别新旧路由以避免环路的产生。每个节点周期性地 将本地路由表传送给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信 息传给邻近节点，当无节点移动时，使用b j 隔较长的大数据包( 包括多个数据 单元) 进行路由更新：邻近节点收到包含修改的路由表信息后，先比较源节点、 目的节点路由序列号的大小，目的节点路由序列号大的路由将被采用，而目的 节点路由序列号小的路由则被淘汰，若相同，则选择跳数( m e t r i c ) 最小的路由 ( 最短路径) 。 d s d v 的优点是原理及操作简单，缺点是不适应快速变化的网络，不支持 单向信道。 2 f s r 鱼眼状态协议( f s r ，f i s hs t a t er o u t i n g ) 是由c a l i f o r n i a 大学l o sa n g e l e s 分校的无线自适应移动实验室( w a m ，w i r e l e 鹞a d a p t i v em o b i l i t yl a b o r a t o r y ) 开发的自组网协议，是一个简单、有效的链路状态( l s ，l i l l ks t a t e ) 类型的主 动路由协议。f s r 将“鱼眼”技术引入到传统的l s 路由协议中，以便在自组 网环境下运行。 f s r 与传统的l s 协议的不同之处主要在于发布路由信息的方式，它从三个 方面对链路状态算法进行了修改： 首先f s r 仅在邻居之间交换完整的链路状态信息，而不在全网络范围内广 播，链路状态通过从邻居接收信息来进行更新。 其次链路状态信息的交换是周期进行的而不靠事件触发，从而避免了在不 可靠的无线环境下因频繁的链路中断引起的链路状态更新。 另外根据距离跳数的多少来划分范围，不同的范围内周期性广播链路状态信 息的频率不同，近高远低。虽然会出现路径信息近者清晰，远者模糊、接近日 的节点时逐渐变清晰的情况，但这种方式限制了链路状态更新信息的时空传播 范围，显著减少了网络中控制分组的数量，从而减少了路由开销，具有潜在的 可扩展性 3 w r p 无线路由协议( w r p ，w i r e l e s sm u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是一种距离矢量路由协 1 0 重庆邮电大学硕士论文第三章无线a d h o e 网络路由协议 议，每个节点都维持一个距离表、路由表、链路开销表和报文重传表，通过其 邻近节点的最短路径生成树( s s t ，s h o r t p a t h s p a n n i n g t r e e ) 生成自己的s s t 后， 再向邻节点传递更新信息。当网络路由表没有任何变化时，接收节点需回传一 个空闲报文以示连接，否则，修改距离表，寻找更优路径。这种算法的特点是 当检测到任意相邻节点变化时，则检查所有相邻节点的坚固性以消除回路，具 有较快的收敛性。 3 2 2 按需路由协议 按需路由协议又称反应式路由协议，是一种当需要时才查找路由的路由选 择方式。节点不需要维护及时准确的路由信息，当需要发送数据时才发起路由 查找过程。与主动路由协议相比，按需路由协议的开销小，但是数据报传送的 时延较大，不适合于实时性的应用。常用的反应式路由协议有a o d v ，d s r t “j ， t o r a t l 3 1 等。 a dh o e 按需距离矢量协议( a o d v ，a dh o eo nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r r o u t i n g ) ，源节点发送数据前先广播一个路由请求消息，附近节点收到后再次 广播，直到请求消息到达目的节点或到达知道目的节点路由的中间节点，目的 节点或中间节点沿原来路径返回响应消息，源节点收到响应后就知道到达目的 节点的路由。 动态源路由协议( d s r ，d y n a m i cs o u r c em u t i n g ) 是一种源路由协议，每个 分组的分组头中包含了源一目的整条路由信息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，该协议包含两个方 面：路由发现和路由维护。 临时排序路由算法( t o r a ，t e m p o r a r y o r d e r e d m u t i n g a l g o r i t h m ) 是一种源 初始化按需路由选择协议，它采用链路反转的分布式算法，具有高度自适应、 高效率和较好的扩充性，比较适合高度动态移动、多跳的无线网络，其主要特 点是控制报文定位在最靠近拓扑变化的一小部分节点处，因此节点只保留邻近 点的路由信息。该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现 路由的开销。t c l r a 协议包括3 个基本模块：路由的创建，路由的维护和路由 的删除。 3 3 无线a dh o e 网络中优秀的路由协议 主动路由和按需路由各有千秋，分别适用其特定地应用范围。主动路由地 一个特点是路由表需要进行周期性的更新。在动态网络中因节点的移动而产生 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线a d h o e 网络路由协议 的路由更新信息很多，占用很多资源，周期性更新也不允许长时间的静默，这 是主动路由的缺点。单纯从路由协议的数量分配来看，似乎更多的人倾向于按 需路由协议，因为它比较适合m a n e t 的移动、动态、带宽和功率的约束条件。 因此，下面将重点分析三种按需路由协议：d s r 、t o r a 和a o d v 。 1 动态源路由协议( d s r ) d s r 是一种使用源路由的按需路由协议，它使用源路由算法而不是逐跳的 路由方法。d s r 主要包括两个过程：路由发现和路由维护。 ( 1 ) 路由发现 当一个节点欲发送数据到目的节点时，它首先查询路由缓冲器看是否有到 目的节点的路由。如果有，则采用此路由发送数据；如果没有，源节点就开始 启动路由发现程序。路由发现过程使用洪泛路由( f l o o d i n gr o u t i n g ) 。 当节点s 需要到节点d 的路由时，节点s 将广播路由请求消息( r r e q ) ， r r e q 包含源和目的节点地址以及唯一的标志号。收到路由请求消息( r r e q ) 的节点，若满足： 该节点不是目的节点d ； 该请求分组头部的源路由序列号中不包含该节点： 该节点没有接收过同样的路由请求分组； 该节点的路由表中没有到目的节点d 的路由信息。 那么节点附加自己的节点标识到分组的头部的路由序列中，并将分组 ( r r e q ) 转发给所以相邻节点。若请求分组头部的源路由序列中不包含该节 点，而该节点接受过同样的路由请求分组，则节点将删除该请求分组，防止循 环处理和出现路由环路。若该节点不是目的节点d ，节点自己路由表中记录有 到目的节点d 的路由信息，节点将发送“路由应答”给节点s ，应答中包含了 从节点s 到节点d 路由。节点s 获得路由后，使用源路由进行数据通信。 ( 2 ) 路由维护 d s r 支持主动应答和被动应答两种连连状态监测方法，路由维护通过路由 错误分组( r o u t e 盯r o r ) 和确认分组来实现。一旦节点在发送数据是发现需要使 用的邻接链路断开，它发送“路由出错”分组给这些断开路由的源节点，源节 点收到分组后，将失效路由从路由表中删除。沿途转发“路由出错”的节点也 从自己的路由表中删除包含该断开链路的所有路由。 除路由错误分组外，确认分组可以用来验证连接的正确运行。路由维护过 程中源节点监测网络拓扑的变化。若有变化导致路由中断，源节点就尝试用缓 存中的路由信息；如果不成功，就重新启动路由发现过程为减少路由开销， 节点缓存学习到的或用过的路由信息，并通过随机收听的方式来获取路由信息 d s r 的优点：节点仅需要维护与之通信的节点的路由，减少了协议开销； 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线a d h o c 网络路由协议 使用路由缓存技术减少了路由发现的耗费；一次路由发现过程可能会产生 多条到目的点的路由。 d s r 的缺点：每个数据报文的头部都需要携带路由信息，数据包的额外 开销较大；路由请求消息采用洪泛方式，相邻节点路由请求消息可能发生传 播冲突并可能会产生重复广播；由于缓存，过期路由会影响路由选择的准确 性。 2 临时排序路由算法( t o r a ) 临时排序路由算法t o r a 是一种源初始化按需路由选择协议，它采用链路 反转( l r ，l i n kr e v e r s a l ) 的分布式算法，具有高度自适应、高效率和较好的 扩充性，能同时支持按需和主动路由发现策略它比较时候高度动态移动、多 跳的武学网络，能够提供多条路由，在路由过程中使用了有向无环图( d a g ， d i r e c t e da c y c l i cg r a p h ) 链路反转，并引入了“高度”机制 t o r a 算法的原理可以用水从高山上流下的过程来比喻。水道代表节点之 间的链路，水道的转接处代表节点，水流代表分组，每个节点有一个相对于目 的节点的高度，用作计算路由的度量。如果节点a 到节点b 的链路中断，就给 a 一个比其邻近节点都高的高度值，这样水流( 分组) 就从a 回流( 这个过程 称为反转) ，通过其他节点流向目的节点 t o r a 的关键思想是将拓扑变化引发的控制信息的传播范围限制在网络拓 扑结构变化处附近较小的范围内。为了实现这一点，节点只保留邻近点的路由 信息。该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现路由的开 销，t o r a 主要应用在动态移动网络环境内。 t o r a 由3 个阶段组成：路由建立、路由维护和路由拆除在路由创建和 维护阶段，使用一种“高度”机制建立一个以目的节点为根的有向无环图路 由结果由链路方向决定，链路方向由两个节点之间的“高度”差决定在路由 建立和路由维护的过程中，节点应用高度来建立一个以目的节点为根部的指导 性的有向无环图，这样链路根据相邻两个节点的高度值来确定向上或向下的方 向。 当一个节点需要一条路由到特定的目的节点时，它就广播一个包含目的节 点地址的路由请求分组q r y 。路由请求分组的接收节点就广播一个列有到目的 节点的高度的更新分组u p d ( 如果接收者为目的节点，则高度为o ) 。当这个更 新分组在全网传输时，每一个接收节点都重新设置它到目的节点的高度值，这 个值要比把更新分组传输给它的那个相邻节点的值要大。这样就建立了一条从 发路由请求分组的节点到最初发更新分组节点的单向链路 如图3 1 所示为t o r a 路由的创建过程。图3 1c a ) 描述了q r y 分组在网 络中的传播，图中节点6 没有传播节点5 的q r y ，是因为它已经事先传播了节 重庆邮电大学硕士论文第三章无线a d h o c 网络路由协议 点4 的q r y 。图3 1 ( b ) 中，源节点可接收节点2 、7 的u p