（计算机应用技术专业论文）ad+hoc网络中基于ipv6的internet接入技术研究.pdf

摘要 无线局域网( w l a n ) 应用的迅速增长表明无线网络正在成长为现代通信的 一个重要方式。随着对移动设备的熟悉和应用，人们越来越希望能充分利用这些 设备的优势。为了保证移动设备从原来的域运动到另一个域后仍然可以保持与其 他主机的通信，人们设计了移动i p v 6 协议，解决了移动设备在多个域间漫游所 带来的诸多问题。但是，由于无线信号存在的衰减和干扰造成了w l a n 中基站 的覆盖范围有限，这就使得移动i p v 6 部署成本十分昂贵。为了在减少接入点的 同时保证接入网络的服务覆盖范围，可以将a d h o e 网络和移动i p v 6 相结合，利 用a dh o e 网络内移动节点到接入点的多跳路由来实现i n t e m e t 无线接入。 本论文给出了移动i p v 6 和a dh o c 网络路由协议相结合的i n t e m e t 无线接入 方案。使得那些不在接入点直接覆盖范围之内的移动节点，可以通过多跳a d h o c 路由与接入点相连，进而获得i n t e r r l e t 接入服务。首先，论文扩展了移动i p v 6 机 制，确保它可以同a d h o c 网络协同工作。新的移动i p v 6 机制可以很好地解决移 动节点的宏观移动问题，规定了移动节点从一个域移动到另一个域后的一系列操 作，保证了移动节点与i n t e r n e t 通信的连续性。其次，在a o d v 路由协议的基础 上给出网关发现算法，实现了移动节点在a dh o e 网络内部的网关自动发现和配 置功能。最后，在n s 2 仿真平台上实现了三种类型的网关发现算法，并对它们 的性能进行了比较。从仿真结果来看，基于a o d v 协议上的网关发现算法是可 行的。 此外，还搭建了一个基于l i n u x 系统的试验床，完成了a o d v 路由协议的 i p v 6 实现，并测试了实现代码的时延性能和网络应用支持情况。作为本文i n t e r n e t 接入方案实现的第一步，a o d v 的i p v 6 实现为后面的工作奠定了基础。 关键字：a dh o c ，无线接入，移动l p v 6 ，a o d v ，网关发现，i p v 6 a b s t r a c t t h eb o o m i n gt r e n do fw i r e l e s sl a n si n d i c a t e st h a tw i r e l e s sn e t w o r k i n gi s r a p i d l yb e c o m i n g a p r e v a l e n t f o r mo fc o m m u n i c a t i o n a su s e r sb e c o m em o r e a c c u s t o m e dt ot h eu s eo fm o b i l ed e v i c e s ，t h e yi n c r e a s i n g l yr e q u i r et h ea d d i t i o n a l b e n e f i to fr o a m i n g t h em o b i l ei p v 6p r o t o c o lh a sb e e nd e v e l o p e da sas o l u t i o nf o r a l l o w i n gu s e r st or o a mo u t s i d eo f t h e i rh o m en e t w o r k s ，w h i l es t i l lr e t a i n i n gn e t w o r k c o n n e c t i v i t y h o w e v e r , t h ed e p l o y m e n to fm o b i l ei p v 6w i t hw l a n i s e x p e n s i v e b e c a u s ec o v e r a g ea r e a so fw l a n sa r el i m i t e dd u et o f a d i n ga n di n t e r f e r e n c e ，t o r e d u c et h en u m b e ro fr e q u i r e da c c e s sp o i n t e sw h i l es t i l l m a i n t a i n i n gt h e s a m e c o v e r a g e ，a dh o cn e t w o r kf u n c t i o n a l i t yc a nc o o p e r a t ew i t hm o b i l ei p v 6s u c ht h a t m u l t i h o pr o u t e sb e t w e e nm o b i l en o d e sa n d a p sc a nb eu t i l i z e d i nt h i st h e s i s ，w ep r e s e n tam e t h o df o re n a b l i n gt h ec o o p e r a t i o no fm o b i l ei p v 6 a n dt h ea dh o cr o u t i n gp r o t o c o l ，s u c ht h a tm o b i l en o d e st h a ta r en o tw i t h i nd i r e c t t r a n s m i s s i o nr a n g eo fk na c c e s sp o i n tc a ns t i l lo b t a i ni n t e r a c tc o u n e c t i v i t y f i r s t l y , w e h a v em o d i f i e dt h em o b i l ei p v 6 p r o t o c 0 1 i no r d e r t h a tt h ep r o t o c o lc a nc o o p e r a t ew i t h m o b i l ea dh o cn e t w o r k s s e c o n d l y , w eh a v em a d ea ne x t e n s i o nt oa o d v p r o t o c o l ， u s i n go u ra l g o r i t h mt o d i s c o v e rg a t e w a y s f i n a l l y , al o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s h a v eb e e nc a r r i e do u tu n d e rn s 2 ，a n dt h r e ea p p r o a c h e sf o r g a t e w a yd i s c o v e r ya r e i m p l e m e n t e d a n df o r p e r f o r m a n c ec a m p a r i s o n t h e r e s u l to ft h es i m u l a t i o n s d e m o n s t r a t e st h a tt h ep r o p o s e d g a t e w a yd i s c o v e r ym e c h a n i s ma d d e d t oa o d vw o r k s p r o p e r l y i na d d i t i o n ，w eh a v eb u i l tu pat e s t - b e db a s e do nl i n u xs y s t e m a na o d v i m p l e m e n t a t i o n f o ri p v 6h a sb e e nc o m p l e t e d ，w h i c hp r o v i d e sf o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：a d h o c ，w i r e l e s s a c c e s s ，m o b i l e i p v 6 ，a o d v ，g a t e w a y d i s c o v e r y i p v 6 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和取得韵 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼盔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了谢意。 学位论文作者签名：j 、1亮签字日期：2 棚弓年王月z 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼去堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 才，蔼 签字f i 期：沙j 年f2 月2 3 日 导嗽：弛司 签字日期：。哆年，。月垆日 第一章前言 1 1 课题背景 第一章前言 无线通信和i n t e r n e t 技术的结合给人们的生活方式和生活质量带来了巨大的 变化。目前，越来越多的用户希望在移动的过程中高速接入i n t e m e t ，但是现有 的高速无线接入网，即无线局域网( w n ) ，从网络层来看是一个单跳网，覆 盖区域较小，移动性较差。如果仅靠安装足够多的接入基站来为移动节点提供无 缝漫游，必然导致整个网络成本的提高，是一种极不经济的做法。 a dh o c 网络是一种自治的无线多跳网，整个网络没有固定的基础设施，也 没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以特定的方式动态地保持与 其他节点的联系。在这种网络拓扑下，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，从而实现了多跳路由通信。借助于a dh o c 网络的 多跳中继思想，可以扩展现有无线接入网络的覆盖范围，尤其是对那些不便于安 装基站的地方和信号覆盖不到的“死区”，a dh o c 网络的应用是一个很好的解决 办法。 i n t e m e t 接入技术与a dh o c 网络融合之后，只要a dh o c 网络中有一个移动 节点在网关( g a t e w a y ) 覆盖范围之内，其他不在网关覆盖范围之内的移动节点 就可以借助于中间节点来与网关进行多跳通信，进而实现与i n t e m e t 的连接。根 据这一思路，本论文提出了一种a dh o e 网络中基于i p v 6 的i n t e m e t 接入技术方 案。 1 2 作者的工作 本论文给出i n t e m e t 接入方案的基本思想是将移动i p v 6 和a dh o c 网络中的 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 ) 路由协议结合，通过创建移动节点 到网关的多跳路由来实现a d h o c 网络节点与i n t e m e t 的通信。该方案能够扩展现 有接入技术中接入点的服务覆盖范围，在减少接入点设备数目、大大降低网络成 本的前提下实现了移动i p v 6 网络。借助于i p v 6 技术的各种优点，方案最终实现 了跨越多种设备和网络的“始终在线”的p 数据通信。 本论文的主要工作如下： 1 在分析a d h o c 网络以及各种i n t e r n e t 无线接入技术的基础上，提出一种 a d h o c 网络中基于i p v 6 的i n t e m e t 接入技术方案。 第一章前言 2 针对a dh o c 网络i n t e r n e t 接入方案中多个网关的配置问题，提出了三种 网关发现算法，并在n s 2 中加以实现。通过相应的仿真实验，对三种网 关发现算法的性能进行了比较和评价 3 根据提出的a dh o c 网络i n t e r n e t 接入技术方案，搭建基于l i n u x 系统的 试验床，并在试验床上完成了a o d v 路由协议的i p v 6 实现。 1 3 论文结构 论文第二章介绍了相关的a d h o c 网络背景知识，包括a d h o c 网络的特点、 架构及其应用前景，同时还介绍了目前a dh o e 网络路由的研究现状和几种典型 的a dh o c 路由协议。第三章详细论述了现有的无线i n t e m e t 接入技术，重点是 w l a n 接入技术和移动i p v 6 技术。第四章对本文提出的a dh o c 网络中基于i p v 6 的i n t e m e t 接入技术方案进行了详细阐述，同时给出了三种网关发现算法及其 n s 2 仿真实现代码，并根据仿真结果对三种算法的性能进行了比较评价。第五章 介绍了基于l i n u x 系统试验床的情况，重点是a o d v 路由协议的i p v 6 实现、数 据采集及其性能分析。第六章对整个论文进行了总结并提出对今后研究的展望。 2 第二章a d h o c 网络综述 第二章a dh o c 网络综述 当前，无线网络技术发展迅速，例如g s m 、3 g 系统、移动口、无线局域网 ( w l a n ) 等。根据是否具有基础设施可以把无线移动网络分为两大类：一类是 具有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) ，典型的例子是g s m ：另一类是 没有基础设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e 1 e s sn e t w o r k s ) ，本章将要介绍的a dh o c 网 络就属于此类网络。 2 1 引言 “a dh o c ”一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定 目标、事件或局势而不为其他的”的意思。这里提出的“a dh o c 技术”所标称 的就是一种特定的无线网络结构，强调的是多跳( m u l t i h o p ) 、自组织、无中心 的概念，所以国内一般把基于a d h o c 技术的网络译为“自组网”，或者“多跳网 络”等等。 a dh o c 技术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事领域，它是在美国国防部 ( d a r p a ) 资助研究的“战场环境中的无线分组数据网( p r n e t ) ”项目中产生 的一种新型的网络构架技术。d a r p a 当时所提出的网络是一种服务于军方的无 线分组网络，并要求实现基于该种网络的数据通信。后来，d a r p a 又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁可适应性网络( s u r a n ：s u r v i v a b l ea d a p t i v e n e t w o r k ) 和全球移动信息系统( g l o m o ：g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 两 个项目的研究，以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。a d h o e 技术就是在吸取了p r n e t 、s u r a n 以及g 1 0 m o 等项目的组网思想之后， 产生的一种新型网络构架技术。 1 9 9 1 年成立的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络”一词来描述这种 特殊的对等式无线移动网络。在a dh o c 网络中，节点具有分组转发能力，节点 间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即经过多跳，这是a dh o c 网络与其 他移动网络的根本区别之一。节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调， 实现了网络的自动组织和运行。因此a dh o e 网络也被称为多跳无线网络 ( m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) 、自组织网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 或无固定 设施的网络( i n f r a s t m c t u r e l e s sn e t w o r k ) 。 随着移动通信和移动终端技术的高速发展，a dh o c 技术不但在军事领域中 得到了充分的发展( 一个典型的军用a d h o c 网络如图2 一l 所示) ，而且也在民用 3 第二章a d h o e 网络综述 移动通信中得到了应用，尤其是在一些特殊的工作环境中。当用户所在的工作场 地没有可以利用的设备或者由于某种因索的限制( 投入、安全、政策等) 不能使 用已有的网络通信基础设施时，用户之间的信息交流以及协同工作就需要利用 a dh o c 技术完成通信网络的即时部署。实践证明，a dh o e 网络技术完全可以满 足用户对移动数据通信的需求。 图2 - 1 军用a dh o e 网络 2 2a dh o c 网络的特点和应用 2 2 1a dh o c 网络的特点 根据前面的叙述，a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有节 点的地位平等，无需任何预设的基础设施和任何的中心控制节点。网络中的节点 不仅具有普通移动终端的功能，而且具有分组转发能力。 与固定网络和普通移动网络相比，a dh o e 网络具有以下特点： 1 ) 分布式控制：a dh o e 网络中的移动节点兼备主机和路由功能，不存在一 个网络中心控制点，用户节点之间的地位是平等的，节点可以随时加入和离开网 络。网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的健壮性和抗毁性， 任何节点发生故障都不会影响整个网络的运行。 2 ) 网络自主性：a dh o e 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是网络 的部署或展开无需依赖于任何预设的基础设施。节点通过分层协议和分布式算法 协调各自的行为，它们可以快速、自动地组成一个独立的网络。 3 ) 动态拓扑：a d h o c 网络是一个动态的网络。a d h o c 网络中的节点可以随 处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。此 4 第二章a d h o c 网络综述 外，无线传播条件的不确定性，也导致了网络拓扑以不可预测的方式任意和快速 地改变。 4 1 带宽限制和变化的链路容量：a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通 信手段，相对于有线信道，其容量较低。并且由于多路访问、多径衰落、噪声和 信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽还要小于理论上的最大带宽值。 鄢能量限制节点：某些移动节点依靠电池提供所需的能量，减少功耗是网 络协议设计需要考虑的一个非常重要的因素。 q 多跳路由：当节点要与其信号覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中 间节点进行分组的多跳转发。与固定网络的多跳不同，a dh o c 网络中的多跳路 由是由普通的网络节点完成的，丽不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 7 ) 有限的安全性：因为a d h o c 网络采用无线信道、有限电源、分布式控制 等技术，所以它会比有线网络更易受到安全性的威胁。这些安全性的攻击包括窃 听、电子欺骗、拒绝服务等。 上述特点表明，a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与 普通移动通信网络和固定网络有着显著的区别。 2 2 2a dh o c 网络的应用领域 由于a dh o c 网络的特殊性，它的应用领域与普通的无线通信网络有着显著 的区别。它适合用于无法或不便预先铺设网络设施的场合，以及其他需要快速自 动组网的场合等。目前，a d h o c 网络的应用主要有以下几个方面： 1 ) 军事应用：军事应用是a dh o c 网络技术的主要应用领域。因其特有的无 需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，a dh o c 网络是数字化战场通 信的首选技术。美军战术互联网的核，t l , 技术就是a dh o e 网络技术。美军的近期 数字电台( n t d r ，n e a rt e r m d i g i t a lr a d i o ) 和无线互联网控制器等主要通信装 备也都使用了该技术。 2 ) 传感器网络：传感器网络是a dh o c 网络技术的另一大应用领域。对于很 多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。由于体积和能源等因素的限 制，传感器的发射功率不可能很大。因此，使用a dh o e 网络技术实现多跳通信 是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成a dh o e 网络后，可以实现传 感器之间以及传感器与控制中- t l , 之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非 常广阔的应用前景。 3 ) 紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难性 打击后，固定的通信网络设施( 如通信线缆、蜂窝移动通信基站、卫星通信地球 站以及微波接力站等) 可能被全部摧毁或无法正常工作。这时就需要a dh o e 网 5 第二章a d h o c 网络综述 络这种不依赖任何固定网络设施又能快速部署的自组织网络技术来进行抢险救 灾工作。类似地，在边远或偏僻野外地区，同样无法依赖固定或预设的网络设施 进行通信。a dh o c 网络技术具有独立组网能力和自组织的特点，是此类场合通 信的最佳选择。 4 ) 个人通信：个人局域网( p a n ，p e r s o n a l a l e a n e t w o r k ) 是a d h o c 网络技 术的另一应用领域。a dh o c 网络不仅可用于实现p d a 、手机、手提电脑等个人 电子通信设备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的 散射网( s c a t t e m e t ) 就是一个典型的例子。 2 3a d h o c 网络的体系结构 a d h o c 网络一般有两种结构：平面结构( 图2 2 ) 和分级结构( 图2 3 ) 。在 平面结构中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。分级结构中， 网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头节点负责簇间数据 的转发。簇头可以预先指定，也可以由节点使用算法自动选举产生。这些簇头形 成了高一级的网络；在高一级网络中，又可以分簇，并再次形成更高一级的网络， 直至最高级。 、一一一一一，。，”， 图2 - 2a db o c 网络的平面结构 图2 - 3b , dh o c 网络的分级结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶 颈，整个网络健壮较好。平面结构的缺点是可扩充性差，每一个节点都需要知道 到达其他所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。 在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息， 6 第二章a d h o c 网络综述 这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因而具有很好的可扩充性。由于簇头 节点可以随时选举产生，所以分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是： 由于维护分级结构需要节点执行簇头选举算法，簇头节点可能会成为网络的瓶 颈。 可见，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模 增大时，应用分级结构。美军战术互联网中的近期数字电台组网技术就是采用的 双频分级结构。 2 4a dh o c 网络的路由技术 a dh o c 网络中没有固定的基础设施，网内每一个节点都可作为路由器，向 其它节点转发数据分组。这就要求a dh o e 网络的路由协议必须能快速有效地找 到节点问路由。a d h o c 路由协议必须实现以下功能： ( 1 ) 能感知网络拓扑结构的变化； ( 2 ) 能维护网络拓扑的连接； ( 3 ) 具有高度自适应性。 2 4 1a d h o c 路由协议分类 a dh o c 网络的路由协议可以分为先验式( p r o a c t i v e ) 路由协议、反应式 ( r e a c t i v e ) 路由协议和混合式( h y b r i d ) 路由协议三类。一 先验式路由协议，又称表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由协议。在这类路由协议 中，每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信息的路由表。当检测到网络拓 扑结构发生变化时，节点发送路由更新消息，收到路由更新消息的节点将更新自 己的路由表，以保证路由信息的一致性、及时性和准确性。因此，路由表可以准 确地反映网络的拓扑结构，源节点一旦要发送数据分组，就可以立即获得到达目 的节点的路由。先验式路由协议的时延较小，但路由协议的开销较大。 反应式路由协议，又称按需( o n d e m a n d ) 路由协议，是一种当需要发送数 据分组时才查找路由的路由算法。在这类路由协议中，节点不需要维护即时准确 的路由信息，当向目的节点发送数据分组时，源节点才开始路由发现操作以找到 相应的路由。与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销较小，但是数据分 组传送的时延较大。 在某些特定的a dh o c 网络场景下，单纯采用先验式或反应式路由协议都不 能完全解决路由问题。在高速动态变化的a dh o c 网络中，使用单纯的先验式路 7 第二章a d h o c 网络综述 由协议会产生大量的控制信息，并且其中很多控制信息经常是无用的；如果单纯 采用反应式路由协议，则需要为每个数据分组查找路由，这也是不合理的，特别 是当连续地向一个目的节点发送多个数据分组时。因此，应用结合先验式和反应 式路由协议优点的混合式路由协议应该是一种较好的折衷方案。在局部范围内使 用先验式路由协议，维护准确的路由信息，并可缩小路由控制消息传播的范围： 当目标节点较远时，通过查找发现路由。这样既可以减少路由协议的开销，时延 特性也得到了改善。 目前，国内外的研究人员基于各种不同的角度提出了许多针对a dh o c 网的 路由协议，并将一部分提交到m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e r o ) 工作小组成为 d r a f t 草案。 其中，先验式路由协议有： 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 t e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) c g s r ( c l u s t e r h e a dg a t e w a ys w i t c hr o u t i n g ) 等 反应式路由协议有： d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 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 ) a o d v ( a d h o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr 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 dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 2 5 l s s r ( s i n g l es t a b i l i t yr o u t i n g ) 等 2 4 2 几种典型的a dh o c 路由协议简介 本节将对三种典型的a dh o c 路由协议作简单的介绍，其中包括先验式路由 协议d s d v 和反应式路由协议d s r 和a o d v 。 1 层的序列距离矢量路由协议( d s d v ) 在传统的b e l l m a n - f o r d 路由算法的基础上改怠发展而来的d s d v t 8 1 ，是一个 以路由表为基础的路由协议。 在d s d v 中，每个移动节点都需要维护一个路由表。路由表每一项包括目 的节点、跳数和目的节点序号，其中目的节点序号由目的节点分配，主要用于判 断路由是否过时和防止路由环路的产生( 1 0 0 p f r e e ) 。d s d v 只使用序列号最高 的路由，如果两个路由具有相同的序列号，那么将选择最优的路由，如可选择跳 数最小的路由。一个具体的d s d v 操作如图2 - 4 所示。 8 第二章a d h o c 网络综述 图2 - 4d s d v 路由协议操作示例 d s d v 中，每个节点必须周期性地与邻居节点交换路由信息，另外还会因路 由表的改变而触发路由更新。路由表更新有两种方式：一种是全部更新 ( f u l l d u m p ) ，即更新消息中包括整个路由表的数据，主要应用于网络变化较快 的情况；另一种方式是部分更新( i n c r e m e n t a l u p d a t e ) ，更新消息中仅包含自上次 更新以来发生了变化的路由表数据，通常适用于网络变化较慢的情况。部分更新 9 第二章a d h o c 网络综述 方式的采用，在很大程度上减轻了因路由信息更新而造成的网络负担。 随着节点数的增加，每个节点的路由表长度增加，进而导致在全网范围内广 播的路由更新消息的长度也增加，同时消息广播的范围也会随着节点数的增加而 增大，这就使得更新路由消息所耗费的网络资源大大增加，而且这种开销几乎不 受节点运动状态的影响。b r o c h 等人在仿真中发现：在节点运动频率和运动速度 较低的情形下，d s d v 的性能相当不错，几乎可以达到分组投递率为1 0 0 ；但 是当节点运动频率和运动速度增加时，d s d v 的性能下降迅速。 2 动态源路由协议( d s r ) d s r i ”】是由美国卡耐基梅隆大学m o n a r c h 项目组提出的一种使用源路由思 想的a dh o c 网络路由协议。源路由是一种由数据分组的发送节点决定整个传输 过程中的完整路由的路由机制。源节点在发送数据分组时将完整的路由路径显式 地列在分组的头部，路由路径中包含了该数据分组从源节点到目的节点的路径中 的每一跳的信息，如口地址、网络接口等。使用源路由的突出的优点在于：任 何中间节点都无需维护它所需要转发的数据分组的路由，中间节点在收到分组后 只需要根据源路由的地址列表选择下一跳节点，并将数据分组转发到这个节点即 可。 使用d s r 的移动节点只维护正在通信的路由信息，它不使用周期性的路由 信息广播完成路由信息的更新。当一个节点需要一条到某个目的节点的路由时， 节点动态地从路由缓存中选择一条已有路，由或者通过路由发现过程发现一条新 的路由；当节点发现与某个邻居节点间的链路失效后，通过路由维护过程完成路 由的切换。 d s r 协议主要包含两个过程：路由发现和路由维护。 路由发现过程是按需的，即只有当需要某个路径时才开始路由发现操作。当 一个节点欲发送数据分组到某个目的节点时，节点首先查看其路由缓存中是否存 在到达该目的节点的路由。如果路由缓存中存在到达目的结点的路由并且该路由 没有失效，则节点使用该路由发送分组；否则，节点就需要通过广播路由请求分 组来发起一次新的路由发现过程，以发现到达该目的节点的路由。路由请求分组 中包含了源节点地址、目的节点地址和一个用来唯一标识该路由请求的d 号。 每个节点维护一个路由请求表，其中记录了在过去一段时间内收到的路由请求信 息，这些记录以源节点地址和路由请求d 号作为索引。当任何中间节点收到路 由请求后，首先查看路由请求表中是否已经包含了该路由请求记录，如果是，则 将路由请求分组丢弃；否则，中间节点查看路由缓存中是否存在到达路由请求分 组对应的目的节点的路由。如果存在，则通过路由请求分组中己有的源路由地址 列表和路由缓存中的路由信息形成一个路由应答分组，并将该分组发送给路由请 1 0 第二章a d h o c 网络综述 求发起的源节点：否则，将本机的p 地址添加在路由请求分组的地址列表中， 并将该路由请求分组再次发送出去。当路由请求分组到达目的节点，且目的节点 的路由请求表中没有相应的记录时，目的节点会根据路由请求中的地址列表和本 身的地址构造一个路由应答分组，并且将该路由应答分组通过这条路由发送到发 起路由请求的源节点。源节点在收到路由应答后，会根据路由应答中包含的路径 信息形成一条新的路由，用来发送已经缓冲的和其后到达的发往该目的节点的数 据分组。至此，就完成了一次路由发现操作。一次典型的d s r 路由发现过程如 图2 5 所示。 图2 - 5d s r 路由1 办议操作示例 路由维护过程用来检测路由是否失效。节点在发送或者转发数据分组时，都 要保证数据分组被正确地传输到路由中标明的下一跳节点，如果分组没有被正确 地发送到下一跳节点，则认为该节点与下一跳节点之间链路出现了失效，进而也 就导致了整条路由的失效。因此，需要另外一条新的路由来完成对于其后数据分 组的传递。此时节点需要通过路由维护过程来完成路由切换。发现路由失效的节 点需要向业务的源节点发送一个路由错误分组，源节点在收到路由错误分组后， 首先查看路由缓存中是否存在另外一条到达该目的节点的路由，如果存在则使用 新的路由进行数据分组的发送；否则，发起一次新的路由发现过程以发现到达该 目的节点的新路由。 第二章a d h o c 网络综述 3 a dh o e 按需距离矢量路由协议( a o d v ) a o d v i9 1 是由c h a r l e se p e r k i n s 等人提出的一种典型的按需路由协议。它借鉴 了d s d v 的路由维护机制和d s r 的路由发现机制，是两者相结合的产物。若干仿 真结果表明，a o d v 的性能在大多数场景中强于其它已有的路由协议，与d s r 性 能不相上下，是一种性能相当不错的a dh o c 按需路由协议。一个具体的a o d v 路 由发现过程如图2 6 所示。 图2 - 6a o d v 路由协议操作示例 a o d v 路由协议中，每个移动节点都维护一个路由表，其中包含了所有正 在进行通信的路由。路由表中的每条路由记录包含如下的信息：目的节点地址、 目的节点序列号、路由下一跳和到达目的节点的路由跳数。另外，与每一条路由 记录相关联的还有一个用来表明路由有效期的参数，即路由生存期。如果在路由 生存期结束时，该路由仍然没有被更新过，而且也没有被使用过，则将该路由从 路由表中删除。与d s d v 类似，a o d v 中每个节点维护自己的目的节点序列号。 与d s r 中的路由请求d 类似，a o d v 使用一个叫做广播标识b i d 的计数器。 1 2 第二章a d h o e 网络综述 b i d 和源节点地址的组合可以用来唯一标识一个路由请求分组( r r e q ) ，a o d v 使用b i d 列表记录在过去一段时间内收到的路由请求的信息，b i d 列表以源节 点地址和b i d 作为索引。 a o d v 的路由发现过程是完全按需的，其路由请求、路由应答过程与d s r 类似。源节点在欲发送数据分组到某个目的节点而发现路由表中不存在有效的到 达该目的节点的路由时，发起一次新的路由发现过程。源节点广播一个路由请求 分组，路由请求分组中包含：源节点地址、源节点序列号、广播d 、目的节点 地址和目的节点序列号。其中，源节点序列号是源节点所维护的本身的序列号， 而目的节点序列号是源节点所知道的关于该目的节点的序列号的最大值。中间节 点在收到路由请求后，首先查看其b i d 列表中是否已经包含了关于该路由请求 的信息。如果存在，则中间节点将丢弃这个重复的路由请求分组；否则，节点将 进行如下的动作：( 1 ) 在路由表中添加一条临时反向路由用来转发可能存在的到 达源节点的路由应答分组，该反向路由以路由请求分组的前一跳节点作为路由下 一跳，以路由请求分组中的源节点序列号作为路由的目的节点序列号，以路由请 求分组的转发次数作为路由的跳数。( 2 ) 在路由表中查找是否存在一条到达路由 请求目的节点的有效路由，并且该路由的目的节点序列号大于或者等于路由请求 中的目的节点序列号，如果存在，中间节点就会构造一个路由应答( r r e p ) 分 组并且将该路由应答分组通过刚刚添加的临时反向路由发送到路由请求的源节 点；否则，节点只需简单的将该路由请求分组再次广播给它的邻居节点。当目的 节点收到路由请求后，目的节点发送路由应答分组到路由请求分组的源节点。 路由应答分组中主要包含：目的节点地址、目的节点序列号和到达目的节点 的跳数。其中目的节点是指发起路由请求的节点。产生路由应答分组的节点会使 用在路由请求传送过程中的反向路径发送一个路由应答分组。中间节点在收到路 由应答分组后，将分组中的路由跳数增1 ，同时更新到达路由请求目的节点的路 由。路由应答分组到达发起路由请求的源节点后，源节点就会启动路由选择策略 决定是否使用新发现的路由进行数据分组的传输。 a o d v 的路由维护过程也非常符合按需机制的约定，如果m a c 层协议提供 a c k 机制( 如i e e e 8 0 2 1 1 ) ，则a o d v 会使用m a c 层信息确认分组是否成功 到达下一跳节点；否则，a o d v 通过在邻居节点间周期性的广播信息( h e l l o ) 提供确认。 当节点确定与某个邻居节点间的链路失效后，会通过发送路由错误分组 ( r e r r ) 的方式通知业务的源节点。a o d v 路由表中包含了一个前驱节点列表， 其中包含了所有使用该路由进行分组转发的前驱节点。a o d v 发送路由错误 ( r e r r ) 分组给每个前驱节点，而每个前驱节点也会转发该路由错误分组直至 1 3 第二章a d h o c 网络综述 到达业务的源节点。源节点在收到路由错误分组后，如果仍然需要到达该目的节 点的路由，则会启动新的路由发现操作。 2 4 3 各协议闻的比较 目前，已经有很多人针对a d h o c 路由协议做了大量的性能分析和研究。s j ， l e e 等在 1 1 】中比较了先验式路由和反应式路由两类路由之间的性能。j b r o c h 等 在 2 】中分析了特定移动场景和业务场景下d s d v 、d s r 、a o d v 和t o r a 四种 协议在丢包率、路由开销和路径长度方面的特性。ej o h a n s s o n 等在 1 8 】的一个扩 展的场景中比较了2 4 2 节的三种协议在丢包率、路由开销、吞吐率和延迟方面 的特性。 1 先验式路由与反应式路由性能比较 传统的口路由就是一种表驱动( t a b l e d r i v e n ) 方式的路由。a dh o c 网络中 的先验式路由承继传统邛路由方式，如d s d v 、c g s r 、w r p 等，其差别只在 于路由表数量与路由更新方式。反应式路由，如d s r 、a o d v 等，只有在需要 一条路径时才开始建立路由，因此发送端必须等待一段时间，直至路径建立完成 才能开始传送数据分组。先验式路由不管路径是否会用到，都不断地利用节点问 彼此的信息交换来维持路由表，比较适合网络拓扑变化程度较小时的情况。因为 如果拓扑一直持续改变，那么每个节点所记录的路由表就很难随时反映最新的连 接状况，此时先验式路由甚至可能将数据分组向错误的路径发送，会严重影响路 由性能。有些节点虽然处于a dh o c 网络范围之内，却只想独自工作，很少需要 与其他移动节点通信，此时就没有太大必要将它列入其他节点的路由表中。表 1 - 1 给出先验式路由和反应式路由在延迟、控制开销、耗电量和带宽开销等性能 参数上的比较。 表1 - 1两种路由方式的整体比较 l 先验式反应式 路由协议d s d v 、c g s r 、w r p a o d v 、d s r 、t o r a 、a b r 、s s r 、c e d a r i 路由获取延迟低高 控制负载高低 耗电量高低 带宽开销高低 2 各种反应式路由协议的性能比较 表1 2 给出了各种反应式路由协议性能的简单比较。a o d v 的路由发现机制 1 4 第二章a d h o c 网络综述 同d s r 类似，但是二者相比还有一些不同。在路由请求分组发出的时候，a o d v 的分组中只带有目的节点的信息，而d s r 由于是源路由方式，数据分组会包含 路由中所有节点的信息。因此，d s r 的开销要大一些。在路由应答分组返回时， a o d v 和d s r 的开销是一样的，分组中都记录了整条路径的信息。a o d v 的一 个缺点是要求所有的链路都是对称的( s y m m e t r i c ) ，无法使用不对称( a s y m m e t r i c ) 链路，而d s r 却无此限制。 a o d v 和d s r 的另一主要区别是d s r 支持多径路由而a o d v 不支持，因 此在中间节点发现路径中断时，a o d v 只能将分组丢弃；而d s r 却可以在路由 缓存中寻找其他的路径对分组进行补救。 表卜2各种反应式路由协议的比较 a o d vd s rt o r aa b rs s rc e d a r 整体复杂性中等中等高高高局 开销 低中等中等高高高 路由模式平面平面平面平面平面核心提取 ( 平面层次) l o o p - f r e e是 是是是 是是 多径支持否是是否否否 路由存放位置路由表路由缓存路由表路由表路由表路由表 路由重置方法删除路由；删除路由：链路反向；局部广播删除路由；动态路由计算： 通知源端通知源端路由修复 查询 通知源端通知源端 路由度量最新和摄短路最短路径最短路径相关度和相关度和稳最短和最宽路 径最短路径定度径 2 5i 心c 3 5 6 1 2 0 0 3 年7 月，a o d v 协议被批准成为实验性的r f c3 5 6 1t 2 3 1 ，它是a dh o e 网络研究领域内中第一个成为r y e 的路由协议。r f c3 5 6 1 除了a o d v 的基本 路由思想之外，还综合了许多路由发现、维护的优化策略。 1 路由发现优化策略