无线自组网路由协议研究.ppt

1、无线自组网络路由协议研究，主讲人：谢小宇，什么是无线自组网络？无线自组织网络是由移动节点动态形成的一组通过无线链路进行通信的网络。这是一个多跳的临时自治系统。它首先由美国国防部的PRNET项目研究，主要用于军事领域。然而，由于无线自组织网络不需要预先存在的网络基础设施，如基站，它也广泛应用于民用领域，如地震和洪水后的救援。随着无线通信技术和移动终端技术的发展，自组织网络在军事和民用领域的应用越来越受到重视。(1)组播支持：这个特性对于多方无线通信是必要的，但是由于无线通信中拓扑的动态变化，组播树不再是静态的，所以组播路由协议必须能够处理节点的快速移动和动态加入和离开。(2)服务质量支持：在无线

2、自组织网络中，只考虑网络层的服务质量而不考虑媒体访问控制层的服务质量是远远不够的。有必要充分考虑节点动态性、终端隐蔽性和链路波动性，深入研究端到端服务质量支持和自适应服务质量。(3)节能支持：在手持设备等资源贫乏的移动终端中，必须考虑功率因素，因为有限的能量供应会阻止数据包的传输，所以基于节点能量的路由阻塞是区分路由协议耐久性的重要方法。位置支持具有位置支持的路由协议使用位置信息而不是信标或广播搜索来定义相关区域，即路由是空间的。(5)单向信道支持：在无线通信自组织网络环境中，由于传输功率、地理位置等因素的影响，可能存在单向信道，因此必须解决三个问题，即单向认知、单向路由和不可达汇聚点。(6)

3、有限带宽支持：无线信道远低于有线信道，因此必须充分考虑信号衰减、噪声干扰和信道间干扰等诸多因素。根据采用的路由策略，无线分组网络的路由协议可以分为主动路由和按需路由。主动路由采用主动策略，按需路由采用被动策略。主动路由协议主动路由协议要求每个节点维护一个或多个路由表，其中包含网络中所有其他节点的路由信息。所有节点都定期更新这些路由表，以确保路由信息是一致和最新的。当网络拓扑改变时，节点将路由改变消息传播到整个网络。主动路由的优点是，当到目标节点的路由存在时，延迟非常小；缺点是需要大量开销来保持路由更新。DSDV(距离源距离矢量)协议是著名的贝尔曼-福特路由算法的增强版本，它基于DVA，被认为是

4、ad hoc网络中最早的路由协议。在DSDV协议中，每个节点维护一个路由表，用于记录到所有可到达目标的“下一跳”。DSDV协议的特点是利用序列号机制区分新旧路由级别，防止路由环的产生。其缺点是不能适应快速变化的自组织网络，不能支持单向信道。2.OLSR(优化链路状态路由)OLSR优化了链路状态协议，以满足无线自组织网络的要求。OLSR的关键是使用多平面重建。一个节点通常选择一组第一跳邻居作为它的多平面重建集。多平面重建和多平面重建选择器之间必须有双向链接，多平面重建集可以与多平面重建选择器的所有第二跳邻居通信。在OLSR协议中，信息是通过网络中的多平面重建传输的。因为有很少的多平面重建，控制包

5、的数量和大小大大减少。OLSR协议更适合于具有大量节点的网络。大规模网络的地标路由协议(Landmark Routing Protocol for granular Networks)当网络规模增加，节点移动性增加时，过多的处理开销使得平面主动路由模式不可行。LANMAR使用分层路由来解决网络可扩展性和路由开销的问题。LANMAR协议将网络划分为一些逻辑子网，这些子网中的成员具有一些共性，因此子网节点可能会作为一个整体移动。LANMAR在逻辑子网中使用FSR(鱼眼状态路由)无线自组织网络协议。节点与短距离节点之间交换路由信息的频率远高于长距离节点之间的频率，因此可以降低路由开销。目前，LANM

6、AR协议的一个变体已经被推荐用于美国军方的JTRS 1(集群1)。按需路由协议不同于表驱动的主动路由协议，按需路由协议不维护每个节点上的最新路由信息，而是在需要某些路由信息时动态获取路由信息。采用按需路由协议的优点是不需要定期广播路由信息，节省了一定的网络资源；缺点是，当发送数据包时，如果没有到目标节点的路由，数据包需要等待由路由发现引起的延迟。1.DSR(动态源路由)DSR是最早采用按需路由思想的路由协议。它使用源路由机制进行数据包转发，并在每个数据包的报头中携带完整的节点序列。因为数据包本身已经包含了所有的路由决策，所以中间节点可以在不维护最新路由信息的情况下完成数据包转发。DSR协议主要

7、由两种机制组成：路由发现和路由维护，两者都是按需运行的。当源节点不知道到符合标准的节点的路由时，源节点使用路由发现机制来动态地获得路由，并且源节点向网络广播路由请求(RREQ)分组。每个接收到RREQ数据包的节点都将重传该数据包，除非它是目标节点本身，或者将到达目标节点的路由保存在其路由缓冲区中。在后两种情况下，节点将向源节点发送路由回复(RREP)数据包。为了减少路由发现过程的开销，每个节点维护一个源路由缓冲区，这样可以减少RREQ数据包的发送。如果源路由中的链路中断，源节点将收到RERR通知，此时，源节点可以重新启动路由发现过程。DSR路由协议的优点是中间节点不需要维护整个网络中所有节点的

8、路由信息，可以避免路由环路。其缺点是每个数据包都携带路径信息，这导致了较高的协议开销。而且，它不适合网络直径大的无线自组织网络，网络扩展性不强。AODV (Ad Hoc按需距离矢量)AODV协议是在DSDV协议的基础上结合类似DSR的按需路由机制进行改进的，不同之处在于AODV采用逐跳分组发送模式，而DSR是源路由模式。在AODV路由协议中，源节点向其邻居节点广播路由请求(RREQ)，邻居节点记录反向路由，然后转发该请求，直到该请求到达目标节点或具有到目标节点的路由的中间节点。如果中间节点有到目标节点的路由，该节点将构造一个路由应答(RREP)包，并选择反向路由的最佳链路来发送它。如果路由上的

9、链路由于节点的移动而失败，即中间节点不可达，则该节点的邻居节点将检测到这种情况，并向其上游节点发送路由错误(RERR)消息，该消息最终将到达源节点，并且源节点可以重新开始路由发现过程。AODV路由协议的突出特点是增加了组播路由协议扩展，支持服务质量。它的缺点是不支持单向信道，因为AODV协议是基于双向信道工作的，路由应答包直接返回到与路由请求方向相反的源节点。分层路由。分层路由协议通过结合按需获取和预获取等路由策略，避免了主动路由协议中过多的控制消息流量和按需路由协议中的长时延问题。常见的分层路由协议包括DDR、CBRP、雪松、GSR、FSR、哈珀、ZRP、HSR、BRP、IARP、IERP、

10、兰马等，其中最常见的ZRP是第一个采用分层结构并融合按需路由策略和主动路由策略的自组织网络路由协议。在ZRP中，每个节点维护的区域大小由区域半径指定。为了综合利用按需路由和主动路由的优势，ZRP协议规定每个节点使用DVA主动路由协议来维护到区域内其他节点的路由，并采用类似DSR协议的按需路由机制来寻找到区域外节点的路由。因此，ZRP协议的性能在很大程度上取决于区域半径。通常，小区域半径适用于由移动速度快的节点组成的密集网络；大面积半径适用于由缓慢移动的节点组成的稀疏网络。通过分析比较，路由协议是实现无线自组网的最关键部分。为了适应无线ad hoc网络带宽和能量有限的特点，认为无线ad hoc网

11、络的路由协议应满足以下要求：(1)分布式操作：这种要求来自于无线ad hoc网络节点的分布式特性，通过中心节点收集网络拓扑结构，计算整个网络中的最短路径，然后将其分配给其他节点的路由方式不能满足无线ad hoc网络的动态要求，必须进行分布式操作；(2)避免路由环路：与性能相比，这不是核心要求。然而，无线自组织网络的路由协议应该避免一些由路由环路引起的最坏情况；(3)按需获取路由当数据流量在整个网络上分布不一致时，按需获取路由可以在一定程度上适应网络的流量模式，从而更有效地利用网络的能量和带宽资源。这种策略的成本大大增加了路由发现的延迟；(4)提前获取路径：在某些情况下，按需获取路径所造成的延迟

12、可能是不可接受的。当带宽和能量资源允许时，可以考虑提前获取路由的方法。(5)支持“静默”:无线自组织网络中的网络节点可能由于省电或其他原因而长时间不发送/接收信号。无线分组网络的路由协议应该能够支持节点的这种行为。链路层协议可能需要通过一些标准接口来支持此功能。支持单向链路设计路由算法时，通常假设链路是双向的。当网络中存在单向链路时，许多算法无法正常工作。然而，单向链路确实存在于无线网络中，特别是在战术网络中，并且应该得到充分考虑。(7)更好的安全性：路由协议通过交换拓扑信息建立到目标节点的路由，恶意攻击者可以以任何形式攻击这些未受保护的路由信息。因此，应该采用数据安全中的各种加密机制来保护路

13、由信息，并根据无线自组织网络的特殊性进行修改。无线自组网路由协议实现技术探讨无线自组网的路由功能可以在现场视察参考模型的第二层或第三层实现。美军早期的无线自组网方案将节点移动性隐藏在第二层。这种方法的缺点是当网络规模较大时，不同域之间必须有很多桥，导致广播流量过大，整个网络拥塞。在第2层实现无线自组织网络路由的优点在于，可以通过使用某些链路层的信息和特征来执行路由优化，但是通过使用下面描述的自适应网络协议栈结构，由这种优化带来的好处也可以在第3层实现。在第三层，实现无线自组织网络路由的例子有美国陆军的MIL-STD-188-220C标准和MANET路由协议。第3层移动路由的优点是“为由使用混合物理层介质的节点组成的多跳网络提供网络级的一致性。”使用无线技术A和无线技术B的设备分别形成它们自己的无线自组织网络。当网络中既有A接口又有B接口的设备时，通过使用第三层路由，两个无线自组织网络的节点可以透明地通信，实现不同技术系统的