（计算机应用技术专业论文）无线自组织网络节点研究与实现.pdf

独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭查g 鱼太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：弓江 签字日期：沙叶年石月lj 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽邮电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重迭自g 鱼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：雩；工导师签名： 如芦 撕一嘶j 日婵隰1 九帅 一r 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 a dh o c 网络是国内外无线移动通信领域的研究热点，网络无需设置中 心控制点，所有节点地位平等，各个节点不仅具有普通移动终端的功能， 而且具有报文转发能力，通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实 现网络的自动组织和运行，具有抗毁性强的优点。 论文首先阐述了无线自组织网络的技术原理：a dh o c 网络常用的路由 协议，重点介绍了a o d v ( a d h o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o ra l g o r i t h m ) 路由协议，无线自组织网络的系统性能指标，以及无线自组织节点的设计 要求；接着在分析无线通信要求和参照传统无线设计的基础上，考虑硬件 资源共享、分离一般数据通路和无线数据通路、兼容多种通信协议等具体 要求，我们采用了硬件加速器、单一处理器结构、添加寄存器窗口等技术， 提出了无线自组织节点的硬件体系架构，并依据该架构设计了无线自组织 节点，完成了电路板调试和节点的性能测试；最后根据实际应用的需要和 网络节点的硬件特性，详细的介绍了在实现a o d v 协议过程中遇到的困 难，并给出了解决方案。 通过对无线自组织节点的性能测试，节点的功耗、通讯距离和通讯速 率等性能指标均满足工业现场监控环境的组网要求，达到了预期的目标。 在将来的工作中，需要研究设计性能更优、体积和功耗更小的无线自 组织节点；并从路由节点能量和网络负载流量平衡等方面对a o d v 协议进 一步研究改进。 关键词：a dh o c 网络，工业现场监控，a o d v a b s t r a c t a dh o cn e t w o r ki sah o tr e s e a r c ht o p i ca th o m ea n da b r o a d ，a i l di ti sas p e c i a lk i n d o fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，h a sas t r o n gi n v u l n e r a b i l i t yb e c a u s e2 l l lo f i t sn o d e sa r ee q u a lw i t h o u ta n yc e n t r a lc o n t r o ln o d e s n e t 、v o r kn o d e sn o to i l l yh a v et 1 1 e f u n c t i o n a l i t yw h i c ha no r d i n a r ym o b i l et e m i n a ls h o u l dh a v e ，b u ta l s oh a v et h ea b i l i t yt 0 f o n v a r dm e s s a g e s a dh o cn e t 、o r kc a l la u 幻m a t i ct 0o 玛a 1 1 i z ea i l do p e r a t eb yt h em u t 砌 c o o r d i n a t i o no fn o d e su s i n gl a y e r e dn e 铆o r kp r o t o c o l 锄dd i s t r i b u t e d2 l l g o r i t l l i n i nt h i sp 印e r ，t h et h e o d ro ft h e 丽r e l e s ss e l f - o r g 砌z i n gn e 似o r k sa n dc o 删 i l o na d h o cn e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l sa r ei n d r o d u c e df i r s t l y ，t l l e na n a l y s em ea o d vr o u t i n g p r o t o c o l ， t h e p e r f o 彻a n c e o fw i r e l e s ss e l f - o 唱觚i z i n gn e t 、v o r k sa n dt h e d e s i g n r e q u i r e m e n t sf o rw i r e l e s ss e l f o r g a n i z i n gn o d e s s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ei s p r e s e n t e df o rm ew i r e l e s ss e l f o 唱a n i z i n gn e 觚o r kn o d e sb a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f w i r e l e s sc o m m u c i c a t i o na i l dt l l em e 也o do ft r a d i t i o n a 巧d e s i g n ，a c c o r d i n gt o “s a r c h i t e c t u r e ，t h ew i r e l e s ss e l o o 唱a n i z i n gn o d e sa r ed e s i g n e d ，a i l dt l l ep e m 肌a i l c e so f n o d e sa r et e s t e di nc i r c u i tb o a r d i na d d i t i o n ，t 1 1 ed i m c u l t i e si nt h ei m p l e m e n t a t i o no f a o d va n dm ec o l l r e s p o n d i n gs o l u t i o na r ep u tf o m 删r db a s e do nm en e e d so fm e p r a c t i c a l 印p l i c a t i o na n dh a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i c so fn e 铆o r kn o d e s f i n a l l y ，t h ew i r e l e s ss e l f - o r g a n i z i n gn o d e sa r et e s t e d ，a n dt l l e t e s tr e s u l t si n d i c a t e t 1 1 a tm o s tp a r 锄e t e r ss u c ha sn o d e so fp o 、v e r ，c o m m 吼i c a t i o nd i s 伽c e ，c o m m u n i c a t i o n r a t ea n ds oo n ，r e a c ht h er e q u i r e n l e n t so ff i e l dm o n i t o r i n go ft h ei n d u s t r i a ln e 咖r l ( e n v i r o n m e n ta n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s i nt h ef u t u r e ，m o r et a s k s 、i hb ef o c u s e do nt t l ed e s i g nf o rw i r e l e s ss e l f o r g a n i z i n g n o d e sw h o s ep e d o m a n c ew i l li m p r o v e ，s i z ea i l dp o w e rc o n s u n l p t i o ni ss m a l l e r t h e r e s h o u l dk l v e 凡r t h e rs t u d yf o ra o d vp r o t o c o l 行o mm ea s p e c to ft h er o u t i n gn o d e e n e r g ya n dn e 似o r kl o a d 仃a m c b a l a l l c e k e yw o r d s ： a dh o cn e 鲰，o r k ，i n d u s t r i a lf i e l dm o n i t o r i n g ，a o d v 1 i 重庆邮电人学硕七论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 研究背景l 1 2 研究现状2 1 3 研究目的和意义3 1 4 论文主要工作4 1 5 论文组织结构5 第二章无线自组织网络研究基础6 2 1 无线自组织网络概述6 2 2a dh o c 网络的路由协议8 2 2 1a dh o c 网络路由协议的分类”8 2 2 2d s d v 协议9 2 2 3d s r 协议1 0 2 3a o d v 协议11 2 3 1 基本思想1 2 2 3 2 关键问题1 2 2 3 3 路由建立1 3 2 3 4 路由维护1 6 2 4 无线自组织节点1 7 2 4 1 应用领域17 2 4 2 无线自组织节点应用于工业监控的特点l7 2 5 小结- 1 8 第三章无线自组织节点的硬件设计“1 9 3 。l 无线自组织节点的硬件体系架构1 9 3 1 1 无线通信的设计要求“1 9 3 1 2 无线自组织节点硬件体系架构的设计2 0 3 2 无线自组织节点结构2 2 3 3 处理核心设计2 3 3 3 1 存储器设计2 6 3 3 2 处理核心中断2 8 3 4 无线通信模块设计2 8 3 4 1 低功耗无线收发集成芯片2 9 3 4 2 射频电路设计3 1 儿i 重庆邮电入学硕士论文 目录 3 4 3 放大电路设计3 3 3 5 网络接口设计一3 4 3 6 外围辅助电路设计3 5 3 6 1 电源电路设计3 5 3 6 2i s p i s d 电路设计3 5 3 6 3 时钟电路3 6 3 7 电路板设计及抗干扰措施3 6 3 8 性能测试3 7 3 8 1 功耗测试“3 7 3 8 2 通讯距离测试3 8 3 8 3 通讯速率测试3 9 3 9 小结3 9 第四章无线自组织节点的软件实现4 0 4 1 开发环境4 0 4 2 软件配置4 l 4 3s p i 写实现4 2 4 3 1s p i 写操作4 3 4 3 2 发送数据4 4 4 4s p i 读实现4 5 4 4 1s p i 读操作4 5 4 4 2 接收数据4 6 4 5a o d v 协议实现4 7 7 4 5 1 路由协议中的时间4 8 4 5 2 减少路由发现时间4 9 4 5 - 3 路由广播。5 0 4 5 4p r e c u r s o rl i s t 的应用“51 4 6 小结5 3 第五章结论及未来的工作”5 4 5 1 总结5 4 5 2 未来的工作。5 4 致 射5 6 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果5 7 参考文献5 8 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 当前主要的无线通信技术有蜂窝式数字移动通信系统，传统无线局域 网和卫星通信系统。 蜂窝式数字移动通信系统，可以实现无线广域接入。但是需要预先布 设基站、基站控制器等大量设备，并且在通信过程中存在较大的问题：在 发生越区切换时会带来难以忍受的传输延时和数据分组丢失。 传统无线局域网技术主要用于家庭和小型办公区域，可以为局域网内 固定、便携式和可移动站点之间提供接入有线网络的服务。在有中心的基 础设施架构方式中通常使用接入点( a p ) 来提供用户信道访问和接入有线 网络的服务。 卫星通信系统利用人造卫星作为中继站，通过卫星以及相应的地面设 施用户可实现互连互通。它具有覆盖范围广、通信距离远的特点，适合使 用在无法铺设线缆且公共移动网络不能覆盖的地区。 图1 1 有基础设施网络结构图 上述无线通信技术虽然满足了不同的应用需求，但是都存在一个共同 的问题：在正常使用网络之前，必须完成包括基站、a p 、卫星和地面站等 基础设施的建设和设备的安装调试，有基础设施的网络结构如图1 1 所示。 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 这些过程都需要花费一定的时间，对于用户“随时随地 的联网需求，显 然是无法满足的。 与以上几种网络不同，a dh o c 网络【2 】是一种无固定基础设施的网络 如图1 2 所示。它不依赖于事先建设的基础设施，具有组网灵活、部署迅 速的特点；同时，它对移动用户设备没有特殊要求使得网络通用性增强。 这些特点让a dh o c 网络特别适用于事故灾难现场、瞬息万变的战场、工 业现场监控和小型会议等突发性场合。 1 2 研究现状 图1 2 无基础设施网络结构图 从路由协议看，a dh o c 路由面临的主要挑战是：传统的保存在结点中 的分布路由数据库如何适应网络拓扑的动态变化。新协议一般以广播或组 播方式建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，一般普遍得到认可的 代表性成果有 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 ) 、 w r p ( w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、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 r r o u t i n g ) 、d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、t o r a ( t e m p o r a l l y o r d e r e d r o u t i n ga l g o r i t h m ) 和z r p ( z o n er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 等。源头性的创新性研究 主要集中在2 0 0 1 年以前，后续的成果多为这些协议的改进，目前，路由 协议的研究仍然是a dh o c 网络成果最集中的部分。不过，从实现的难度 来看，这些协议离适用性还有一定的距离。 基于a dh o c 网络的媒体接入控制( m a c ) 协议【3 j 。主要是解决隐藏终端 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 和暴露终端问题，影响比较大的有m a c a ( m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 协议，即r t s c t s a c k 方案，控制信道和数据信道分裂的双信 道方案和基于定向天线的m a c 协议，以及一些改进类的m a c 协议。有一 些研究则是侧重于将i e e e8 0 2 1 l 的m a c 协议移植到a dh o c 网络中。基 于定向天线的m a c 协议在理论上性能较为优越，但在技术上实现的难度 较大。 a dh o c 网络与蜂窝网的互连互通。研究并提出了一种i c a r ( i n t e r n e t c e l l u l a ra n da dh o cr e a l y ) 系统，提供蜂窝小区内信号的补盲。该方案给出 了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价。从结果看，该系统只是针 对目前的2 g 系统，尚无法联系到基于i p 方式的分组网络。最后，提出了 一种在蜂窝网上覆盖一个无线多跳网络的方案，其中用一些无线路由器代 替蜂窝网络中的一些节点。该结构与所提一致，但通过优化路由、信道规 划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化， 其它方面没有太多的贡献。 基于a dh o c 网络的多播组播协议、t c p 协议、地址分配、功率控制、 安全性问题、分布式算法、q o s 等方面有一些研究成果，但各部分的数量 相对较少。其中，把移动i p 扩展到a dh o c 网络，基本方案是要用特定的 r i p 协议( r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 作为路由协议，但这个方案与a d h o c 网络的其他路由协议不相容。 在实验和应用网络的构建上，一些学者正在研究通过采用蓝牙节点组 建a dh o c 网络【引。就蓝牙本身的技术来说，蓝牙可以组成微微网( p i c o n e t ) ， 微微网通过桥节点( b r i d g e ) 互连，可以形成多跳的a dh o c 网络，也称为蓝 牙散射网( s c a t t e r n e t ) 。蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙 的a dh o c 网络形成等内容做出具体的描述，这是一个开放的问题，目前 已有一些文献针对基于蓝牙的a dh o c 网络的形成提出了各种不同的协议 和方案。 1 3 研究目的和意义 a dh o c 网络相关理论提出已有很多年，近几年国内外一些研究机构对 a dh o c 网络理论也做了一定的研究，但将a dh o c 理论应用于实际的例子 却非常稀少。科学理论的研究发展最终是服务于人类社会生产力的发展， 创造经济效益，服务于人类社会。 随着信息技术应用领域的不断扩大，人们对信息获取的需求也大大提 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 高，希望能够监测一定区域内的各种环境变量和被监测对象的详尽信息， 通过对这些信息的综合处理和传输，使用户获取需要的信息，并及时做出 处理。而目前市场上存在的各种工业现场监控系统，大都存在以下一些问 题： ( 1 ) 成本高：采用有线通信方式时，需要采用很多电缆连接控制室与 各个节点来实现通信，这会大大提高监控系统的成本；采用无线方式( 非自 组织网络) 时，也需要事先安装基站、a p 点等基础设施，同样会大大提高 监控的成本。 ( 2 ) 灵活性差：电缆的铺设易受外界环境的影响，而且不能对移动的 物体进行监控，影响应用的灵活性；采用无线方式( 非自组织网络) 时，同 样需要事先安装调试基础设施，同样影响应用的灵活性。 ( 3 ) 自愈能力差：当传输数据的电缆因意外中断后，数据的传输将受 到影响，在电缆修复前无法完成监控功能；采用无线方式( 非自组织网络) 时，当中心节点出现故障时，整个网络将无法正常使用。 论文在基于a o d v 协议基础上设计的无线自组织节点，旨在有效的解 决工业现场监控系统的以上缺点： ( 1 ) 节点采用无线通信方式，使得监控设备能摆脱电缆的限制，即降 低成本又增加监控设备布设的灵活性，能对处于移动状态的设备的运行情 况进行实时监控。 ( 2 ) 各节点构成一个自组织的网络结构，每个节点都能自动寻找到网 关节点的路由。有节点加入或退出网络时能及时作出反应，调整网络拓扑 结构，保证数据可靠的传输到网关节点。 ( 3 ) 每个节点可同时接入多个传感器，同时监控多个对象。 课题的研究成果，为a dh o c 网络理论应用提供了实际应用环境。研 究成果将理论与实践成功地结合起来，它的应用将为工业企业带来直接的 经济效益，应用前景将十分广阔。 1 4 论文主要工作 无线自组织网络( a dh o c 网络) 研究课题有着广泛的应用前景，可以应 用于工业现场监控、传感器网络、移动会议、家庭网络、紧急服务、军事 无线通讯等领域。 研究课题有很强的理论价值，研究成果可以作为自组织( a dh o c ) 网络 进一步研究的平台，研究的硬件节点可以作为传感器网络的硬件节点，对无 4 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 线m e s h 网络的研究也有很高的参考价值。研究课题理论基础包括s p i 协 议、t c p i p 、无线射频技术，无线自组网按需平面距离矢量路由协议 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 ，a o d v ) 【5 】【6 】等。 研究课题以工业现场监控为应用目的，考虑硬件节点的节能问题，考 虑无线与有线网络的结合性问题。选用了集成t c p i p 协议族的i p 2 0 2 2 网 络处理芯片。 因此，论文对以下几方面作了深入研究： ( 1 ) 在分析无线通信要求和参照传统无线设计的基础上，考虑了硬件 资源共享、一般数据通路和无线数据通路分离、兼容多种通信协议等具体 要求，采用了硬件加速器、单一处理器结构、添加寄存器窗口等技术，提 出了无线自组织节点的硬件体系架构，并依据该架构设计了无线自组织节 点，完成了电路板调试和节点的性能测试。 ( 2 ) 文中根据实际应用的需要和网络节点的硬件特性，提出备用路由 方案，以减少路由发现次数，相应地避免重启路由发现所带来的开销；采 用路由协议帧中加入t t l 域，控制全网范围不必要地广播，减少路由跳数； 定义p r e c u r s o r1 i s t ( 预发送节点链表) ，减少r e r r 转发次数，极大地降低 路由维护开销。 1 5 论文组织结构 论文组织结构如下： 第一章介绍了课题研究的背景、研究的现状、研究的目的和意义及主 要工作。 第二章分析对比了几种常用的路由协议，重点分析了a o d v 路由协 议。 第三章在分析无线通信要求和参照传统无线设计的基础上，提出了无 线自组织节点的硬件体系架构，并依据该架构设计了无线自组织节点，完 成了电路板调试和节点的性能测试。 第四章根据实际应用的需要和网络节点的硬件特性，详细介绍了在实 现a o d v 协议过程中遇到的困难，并给出了解决方案。 第五章对论文进行了总结，提出下一步的研究计划。 重庆邮电大学硕士论文第二章无线自组织网络研究基础 第二章无线自组织网络研究基础 2 1 无线自组织网络概述 a dh o c 网络是一种特殊的无线网络，没有中心控制。网络中的节点既 是路由器，又是主机，作为同等实体连接在一起。非相邻的两节点间的通 信必须通过网络中的其他节点才能实现。如何在节点间选择合适的路由， 是a dh o c 网络的核心问题。 自组织网络有许多英文名称，例如a dh o cn e t w o r k ，s e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r k ，i n f r a s t r u c t u r e - i e s sn e t w o r k ，m u l t i - h o pn e t w o r k 和p a c k e tr a d i o n e t w o r k ，其中最常用的是a dh o cn e t w o r k 。在无线移动自组织网中，a dh o c 代表无事先准备的，临时性的含义。 自组织网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个无线 移动通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节 点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内 时，可以借助其他中间节点中继来实现多跳通信。中间节点帮助其他节点 中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现 中继，所以也称为分组无线网或多跳网。 上层应用协议 u d pt c p 多目标路网间 q o s 支持 路由 由协议互联安全 单目标路由协议 i p v 4 、i p v 6其他网络层协议 链路媒体接入控制 大线控制功率控制 无线控制接口 接口接口 天线功率控制调制解调信号处理 技术技术技术技术 图2 1 无线自组网络体系结构 自组织网络具有以下特点： ( 1 ) 多跳网 由于无线通信距离受限，自组织网络内节点间的通信往往需要借助其 6 重庆邮电人学硕士论文第二章无线自组织网络研究基础 他节点中继转发才能实现，这样就形成了多跳通信路径。 ( 2 ) 网络的动态拓扑 自组织网络中节点间的互相连通性构成了网络的拓扑结构。由于自组 织网络中的节点可以以较随意的速度和方式移动，加上发射功率的变化， 以及无线信道的干扰大小频繁变化等因素，节点间通过无线通信形成的网 络拓扑结构可能随时发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。 ( 3 ) 分布式控制 在自组织网络中，为了实现网内成员之间的通信，一定要解决无线资 源使用、路由发现等控制问题。由于自组织网络没有预设的基础设施，也 就没有预设的中心控制节点，所以只能采用分布式控制的方式来完成。分 布式控制是由每个“成员”按照预先确定的一套规则，各自依据自己掌握的 局部信息独自计算和管理。 ( 4 ) 对等性 与蜂窝网不同，自组织网络中节点与节点之间可以直接互通。一般每 个节点都相同，无主从之分，所以每个节点应当能够支持逻辑上的自发自 收，也就是节点之间的来去双向链路都相同。因此，自组织网络节点的无 线通信装置一般采用时分双工方式。 ( 5 ) 临时性 当几个自组织网络的节点聚集到一起时，它们就会临时性地组成一个 无线通信网络，无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。这种临时性 包括：网络成员的临时性，网络组织的临时性，网络拓扑的临时性，网络 路由的临时性，网络无线资源分配采用按需临时分配等。 ( 6 ) 自组织性 自组织网络不依赖于基站等基础设施的支持，可以在任何时刻、任何 地点构成网络，以实现移动节点的信息交互。具体而言，在自组织网络中， 网络路由的计算、网络临时结构的形成不需要外部参与，都可以依据当时 的情况自我组织，并随环境变化自适应地自我调整。 ( 7 ) 链路带宽受限 自组织网络采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传输技术相 比，具有较低的传输带宽。并且由于多个节点分布式竞争使用信道，使得 每个移动节点实际使用的带宽远小于物理层提供的最大传输速率。 ( 8 ) 能量受限 自组织网络内的移动节点一般需要依靠电池提供能量，在电池容量没 有大幅提高前，节省功率将是自组织网络技术中一个需要高度重视的问 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线自组织网络研究基础 题。 ( 9 ) 有限的安全性 自组织网络由于采用分布式控制、无中心、临时组织等原因，它比一 般的无线网络更易受到安全方面的威胁。 2 2a dh o c 网络的路由协议 在a dh o c 网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。如何 迅速准确地选择到达目的节点的路由( 即网络的路由选择问题) ，是a dh o c 网络的一个重要和核心的问题。在a dh o c 网络中，由于节点的移动以及 无线信道的衰耗、干扰等原因造成了网络拓扑结构的频繁变化，同时考虑 到单向信道问题以及无线传输信道较窄等因素，在a dh o c 网络中，其路 由问题与固定网络相比要复杂得多。 针对a dh o c 网络的这些特点，要求路由协议必须采用分布式操作， 能够尽量支持单向链路，同时应避免路由环路现象。考虑到无线节点的特 性，路由协议还应尽量简单，能够支持节点的“休眠 操作以节省电源， 能够提供安全性保护等机制。 2 2 1a dh o c 网络路由协议的分类 a dh o c 网络路由协议必须处理好a dh o c 网络的典型局限，包括能量 消损、低带宽、高误码率等。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将这 些路由协议分为表驱动路由协议( t a b l ed r i v e np r o t o c o l s ) 和按需路由协议 ( s o u r c e i n i t i a t e do n d e m a n dp r o t o c o l s ) 【9 1 。表驱动路由协议又称为主动式 ( 或先验式) 的路由协议，按需路由协议又称为反应式路由协议( r e a c t i v e p r o t o c o l s ) ，它是一种被动式的路由协议，与主动式路由协议相比，在这类 协议中，节点平时并不实时地维护网络路由，只有在节点有数据发送时， 才激活路由发现机制寻找到达目的地的路由。按需路由是a dh o c 网络路 由协议区别于常规路由协议的一个重要特性。根据网络拓扑结构的差异， 又可以将它们分为平面结构的路由协议( f l a tp r o t o c o l s ) 和分簇路由协议 ( c l u s t e r e dp r o t o c o l s ) 。 a dh o c 网络的拓扑结构的时变性，以及无线信道不确定性，使得其 路由算法面临挑战。表驱动路由协议需要及时地维护整个网络的路由表， 其过多的控制信息占用不少的网络资源；按需路由协议通过发起一个路由 8 重庆邮电人学硕十论文 第二章无线自组织网络研究基础 发现的过程获得路由，存在一定的时延。现有的经典路由算法，如 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 rr o u t i n g ) ，a o d v ( a d h o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o ra l g o r i t h m ) ， d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 1 u j ， 都 是最短路由，即最少跳数路由，不考虑能量因素。但是，a dh o c 中的节 点是电池供电，整个网络是一个能量受限系统，如何节省节点的能量，延 长网络的可操控时间逐渐成为衡量路由性能的重要指标。从能量的角度来 看，最短路由并不一定是最佳的路由。相反，用一些短跳来代替相对长的 跳，可能是更节能的选择。 目前，a dh o c 中的节能路由算法主要有两种思路：第一个是使发送每 个数据包耗费的能量最小；第二个就是尽可能的延长网络的存活时间。第 一个思路的路由算法通过发现最小发射功率的路由，使发送每个数据包所 耗费的能量最小，达到节省能量的目的。但是它还是保留了原先路由算法 中的一个问题，就是在选定了一条路由后，会一直用下去，直到数据发完 或是拓扑变化触动路由更新，这样，容易使某些关键节点因为过度使用而 耗尽能量，导致网络过早的分裂。第二个思路的路由算法就是针对这个问 题提出的，通过保护剩余能量小的节点来达到推迟网络分裂，延长网络存 活时间的目的，它不是真正意义上节能路由算法，相反，为了绕过某一个 能量偏低的节点，可能要承受更多的能耗和时延。 2 2 2d s d v 协议 前面介绍过，由于a dh o c 网络的拓扑结构具有变化频繁等特点，传 统i n t e r n e t 中的路由协议并不适用于a dh o c 网络。 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 、，e c t o rr o u t i n g ) 路由协议是基 于传统b e l l m a n f o r d 路由选择算法经改良而发展出来的，是一个基于表驱 动的路由协议，在d s d v 路由协议中，每个节点都维护一张路由表，该路 由表表项包括目的节点、跳数、下一跳节点和目的节点序号。其中目的节 点序号由目的节点分配，主要用于判别路由是否过时，并可防止路由环路 的产生。 d s d v 路由协议中，节点维护着整个网络的路由信息，这样在有数据 报文需要发送时，可以立即进行传送，因而适用于一些对实时性要求较高 的业务和网络环境。但是在拓扑结构变化频繁的无线网络环境中，d s d v 可能存在一定的问题，一是节点维护准确路由信息的代价高，要频繁地交 换拓扑更新信息；二是有的时候可能刚得到的路由信息随即又失效了。因 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线自组织网络研究基础 此，d s d v 协议主要用于网络规模不是很大，网络拓扑变化相对不是很频 繁的网络环境，而在拓扑变化频繁的网络中必须采用其他的方法。 一种最简单的方法是“洪泛”方式，即节点在发送的报文头部携带目 的节点地址，向其邻节点广播，中间节点收到报文后根据目的节点地址判 断自己是应该转发报文还是接收报文。洪泛法的特点是简单，在某些情况 下，如网络拓扑变化异常频繁，路由发现和维护的代价很高时，洪泛法可 能比其他路由协议的效率更高；由于报文在多条途径中传输，因此数据的 传输可靠率可能更高。但它的最大问题是由于网络中很多非目的节点都参 与了报文的转发，因此网络耗费太高。 通过对d s d v 协议的分析，d s d v 路由协议的最大优点是解决了传统 距离矢量路由协议中的无穷环路问题。但d s d v 也存在问题，一是节点维 护准确路由信息的代价高，要频繁地交换拓扑更新信息；二是有的时候可 能刚得到的路由信息随即又失效了。为了解决存在的问题，最简单的方法 是采用通过“洪泛 方式的按需路由协议。 在大多数a dh o c 网络路由协议中，仅对控制报文采用洪泛方式，这 些控制报文主要用于路由的发现过程。当路由确定后，随后的数据报文则 按照已发现的路径进行传输。通过有针对性的报文洪泛，来减少洪泛方式 对网络的影响，这也是按需路由协议的核心思想。下面介绍按需路由协议 d s r 路由协议。 2 2 3d s r 协议 d s r ( 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 ) 协议是一种基于动态源路 由方式的按需路由协议。在d s r 协议中，当发送者发送报文时，在数据报 文头部携带到达目的节点的路由信息，该路由信息由网络中的若干节点地 址组成，源节点的数据报文就通过这些节点的中继转发到达目的节点。与 基于表驱动方式的路由协议不同的是，在d s r 协议中，节点不需要实时维 护网络的拓扑信息，因此在节点需要发送数据时，如何能够知道到达目的 节点的路由是d s r 路由协议需要解决的核心问题。 d s r 路由协议主要由路由发现和路由维护两部分组成。路由发现过程 主要用于帮助源节点获得到达目的节点的路由。当路由中的节点由于移 动、关机等原因无法保证到达目的节点时，当前的路由就不再有效了。d s r 协议通过路由维护过程来监测当前路由的可用情况，当监测到路由故障 时，将调用新的一轮路由发现过程。同时为了提高系统性能，在d s r 协议 l o 重庆邮电大学硕+ 论文第二章无线自组织网络研究基础 中，还引入了一系列的优化技术，如路由缓冲( r o u t ec a c h e ) 等。 d s r 协议具有以下一些优点： ( 1 ) 仅在需要通信的节点间维护路由，减少了路由维护的代价。 ( 2 ) 路由缓冲技术可进一步减少路由发现的代价。 ( 3 ) 由于采用了路由缓冲技术，因此在一次路由的发现过程中，会产 生多种到达目的节点的路径。 但d s r 协议也存在一些问题和不足： ( 1 ) 由于采用源节点路由，每个数据报文的头部都要携带路由信息， 增加了报文长度。 ( 2 ) 用于路由发现的控制报文可能会波及全网各节点，造成一定的耗 费；一种可行的优化方法是控制路由发现报文的传输距离( 如跳数) ，如果 本轮路由发现失败，后续的路由发现过程中再加大传输距离。 ( 3 ) “路由响应风暴 ( r o u t er e p l ys t o r m ) 问题。由于采用路由缓冲技 术，中间节点根据自己的缓冲路由，对路由请求直接应答，源节点会同时 收到多个路由响应，造成路由响应信息之间的竞争；通常的解决方法是当 中问节点在监听到邻节点的路由响应报文，发现该路由比自己的路由更短 时，就不再发送本节点的路由响应报文。 ( 4 )“脏”缓冲路由对其它节点的影响。如果中间节点的路由缓冲记 录已经过时，当该节点根据缓冲路由回复路由请求时，其他监听到此“脏” 路由的节点会更改自己的缓冲路由记录，造成“脏”缓冲路由的污染传播。 因此必须采取相应的措施，尽量避免和减少“脏：缓冲路由的影响。 通过分析得出，d s r 协议的最大优点是节点不需要实时维护网络的拓 扑信息，在需要发送数据的时候才发起路由请求。但在d s r 中，采用了源 节点路由方式，每个数据报文头部都携带路由信息，增加了报文长度，降 低了传输效率，尤其是在数据报文本身很短的情况下，其耗费尤为明显。 为了解决这个问题，下面介绍a o d v 路由协议。 2 3a o d v 协议 a o d v 是一种后应式的按需的a dh o c 网络路由算法。它是d s r 和 d s d v 结合的产物。不同于d s r ，a o d v 中的路由表中，每个表项是一个 目的节点对应一个下一跳节点，而不是整条路由上的节点，因而数据报文 头部不再需要携带完整的路由信息，从而提高了协议的效率；不同于 d s d v ，a o d v 不需要周期性的广播自己的路由更新信息，它只在需要路 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线臼组织网络研究基础 由的时候，才会发起路由过程。 通过上述分析总结，论文最终选用了a o d v 路由协议作为实现协议。 2 3 1 基本思想 a o d v 是由n o k i a 研究中心的c h a r l e se p e r k i n s 和加利福尼亚大学 s a n t ab a r b a r a 的e l i z a b e t hm b e l d i n g r o r y e r 以及c i n c i n n a t i 大学s a m i r r d a s 等共同开发，已经被i e t fm a n e t 工作组于2 0 0 3 年7 月正式公布 为自组网路由协议的r f c 标准。a o d v 实质上就是d s r 和d