AdHoc無線網絡路由協議研究與展望

　　 
　　1引言
　　Ad Hoc無線網絡又稱移動自組網、多跳網絡，最初起源于20世紀70年代的美國軍事研究領域，是一種特殊的在不借助中心管理的情況下，在有限的范圍內實現多個移動總端的臨時互聯，它為局域網內的移動通信網絡提供了一種靈活的互聯方式。

Ad Hoc無線網絡組網靈活、快捷，不受有線網絡的影響，可廣泛應用于軍事通信、發生地震或水災后的營救等無法或不便預先敷設網絡設施的場合，具有廣闊的發展前景，這方面的研究工作正在不斷展開。
　　
　　2Ad Hoc無線網絡的結構和特點
　　Ad Hoc無線網絡具有自身的特殊性，在組建實際使用的無線工作網絡時，必須充分考慮網絡的應用規模和擴展性，以及應用的可靠程度及實時性要求，選擇合適的網絡拓撲結構。另外，由于Ad Hoc網絡自身結構的特殊性，設計或組建網絡時應充分考慮Ad Hoc無線網絡的特點，有助于我們設計出適合特定網絡結構的路由協議，最大限度地發揮整個網絡的工作性能。
　　
　　2.1Ad Hoc無線網絡的結構
　　
　　Ad Hoc無線網絡的拓撲結構可分為兩種：對等式平面結構和分級結構。在對等式平面結構中，所有網絡節點地位平等。
　　
　　而在分級結構的Ad Hoc無線網絡拓撲結構中，整個網絡是以簇為子網組成，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，簇頭形成高一級網絡，高一級網絡又可分簇形成更高一級網絡。每一個簇中的簇頭和簇成員是動態變化、自動組網。分級結構根據硬件的不同配置，又可以分為單頻分級結構和多頻分級結構。單頻分級結構使用單一頻率通信，所有節點使用同一頻率；而在多頻分級結構中，若存在兩級網絡，則低級網絡通信范圍小，高級網絡通信范圍大，簇成員用一個頻率通信，簇頭節點用一個頻率與簇成員通信，用另一個頻率來維持與簇頭之間的通信。
　　
　　對等式平面結構和分級結構使用時各存在優缺點：對等式平面結構網絡結構簡單，各節點地位平等，源節點與目的節點通信時存在多條路徑，不存在網絡瓶頸，而且網絡相對比較安全，但最大的缺點是網絡規模受到限制，當網絡規模擴大時路由維護的開銷指數增長而消耗掉有限的帶寬；分級結構網絡規模不受限制，可擴充性好，而且由于分簇，路由開銷相對小一些，雖然分級結構中需要復雜的簇頭選擇算法，但由于分級網絡結構具有較高的系統吞吐量，節點定位簡單，目前Ad Hoc無線網絡正逐漸呈現分級化的趨勢，許多網絡路由算法都是基于分級結構網絡模式提出的。
　　
　　2.2Ad Hoc無線網絡的特點
　　
　　Ad Hoc無線網絡是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡，網絡中的每個節點都兼有路由器和主機兩種功能。Ad Hoc網絡的特點主要體現在以下4方面：
　　
　?。?)動態變化的網絡拓撲結構：Ad Hoc網絡中沒有固定的通信設施和中央管理設備，網絡節點可以隨機地以任意速度朝任何方向移動，加上無線發射裝置發送功率的變化、環境的影響以及信號之間的互相干擾等因素，都會造成網絡拓撲結構的動態變化。
　　
　?。?)有限的資源：提供給Ad Hoc網絡中移動主機的工作能量是有限的，而且移動主機損耗能量越多，將降低Ad Hoc網絡功能；另一方面，網絡本身提供帶寬有限以及信號之間的沖突和干擾，使移動主機可得到的有限的傳輸帶寬將遠遠小于理論上的最大帶寬。
　　
　?。?)多跳通信：兩個網絡節點由于受到可用資源的限制，不能處在同一個覆蓋網絡內，可采用Ad Hoc網絡多跳通信，實現不同覆蓋網絡之間的源主機與目的主機之間的通信。
　　
　?。?)較低的安全性：Ad Hoc網絡節點間通信通過無線信道，傳輸的信息非常容易受到監聽、重發、篡改、偽造等各種攻擊，如果路由協議一旦遭受到上述惡意攻擊，整個自組網絡將無法正常工作。這些特點對設計Ad Hoc網絡路由算法提出了特殊的要求，一個合理的路由算法必須考慮有限的網絡資源、動態變化的網絡拓撲結構、提高網絡吞吐量等方面的因素。
　　
　　3Ad Hoc無線網絡路由協議
　　
　　3.1Ad Hoc無線網絡路由協議的設計要求
　　Ad Hoc網絡設計中的一個關鍵問題是開發能夠在兩個節點之間提供高質量高效率通信的路由協議。網絡節點的移動性使得網絡拓撲結構不斷變化，傳統的基于因特網的路由協議無法適應這些特性，需要有專門的應用于Ad Hoc網絡的路由協議，根據前文對Ad Hoc網絡結構和特點的闡述，設計的路由協議必須滿足以下的條件：
　　
　?。?)必須對網絡拓撲結構動態變化具有快速應變的能力，并且盡量避免路由環路的發生，提供方便簡單的網絡節點定位法。
　　
　?。?)必須高效地利用有限的帶寬資源，盡可能壓縮不必要的開銷。
　　
　?。?)實施多跳通信的中間轉接次數也是有限的，一般不要超過3次。
　　
　?。?)必須盡可能減少發射時間和發射的數據量，節約有限的工作能源。
　　
　?。?)在可能的條件下，使設計的路由協議具有安全性，降低遭受攻擊的可能性。
　　
　　3.2Ad Hoc無線網絡的路由協議分析
　　
　　根據Ad Hoc無線網絡路由協議的特殊性，近年來提出了多種Ad hoc網絡路由協議。IETF的MANET工作小組目前正專注于Ad Hoc網絡路由協議的研究，提出了許多協議草案，如DSR，AODV，ZRP等路由協議；另外，專業研究人員也發表了大量關于Ad Hoc網絡路由協議的相關文章，提出了許多關于Ad Hoc的網絡路由協議，如DSDV，WRP等。根據路由觸發原理，目前的路由協議大致可以分為先驗式路由協議、反應式路由協議和混合式路由協議3種。
　　
　　3.2.1先驗式路由協議
　　
　　先驗式路由協議又稱表驅動路由協議，每個節點維護一張包含到達節點的路由信息的路由表，并根據網絡拓撲的變化隨時更新路由表，所以路由表可以準確地反映網絡的拓撲結構；源節點一旦要發送報文，可以立即獲得到達目的節點的路由，這類的路由協議通常是通過修改現有的有線路由協議來適應Ad Hoc無線網絡要求，如通過修改路由信息協議(RIP)得到的目的節點序列距離矢量協議（DSDV）。因此這種路由協議的時延較小，但是協議需要大量的路由控制報文路由，協議的開銷較大。常用的先驗式路由協議有DSDV，HSR，GSR，WRP等。
　　
　　DSDV協議通過給每個路由設定序列號避免了路由環路的產生，采用時間驅動和事件驅動技術控制路由表的傳送，即每個移動節點在本地都保留一張路由表，其中包括所有有效信宿點、路由跳數、信宿路由序列號等信息，信宿路由序列號用于區別新舊路由以避免環路的產生。每個節點周期性地將本地路由表傳送給鄰近節點，或者當其路由表發生變化時，也會將其路由信息傳給鄰近點，當無節點移動時使用間隔較長的大數據包（包括多個數據單元）進行路由更新；鄰近節點收到包含修改的路由表信息后，先比較信源K信宿路由序列號的大小，信宿路由序列號大的路由將被采用，而信宿路由序列號小的路由則被淘汰，若相同，則采用最佳制式的路由（如最短路徑）。
　　
　　HSR(Hierarchical State Routing)是一種用于分級網絡的路由協議，高級節點保存它所有子孫節點的位置信息，沿從最高級的根節點到最低級的葉節點的路徑為節點分配邏輯序列地址，可以用序列地址進行節點尋址。
　　
　　GSR稱為全局狀態路由協議，其工作原理與DSDV協議類似，采用鏈路狀態路由算法，但避免了路由報文的泛洪，它包括一個鄰近節點表、網絡拓撲表、下一跳路由表和距離表。
　　
　　無線路由協議WRP是一種距離―矢量路由協議，每個節點都維持一個距離表、路由表、鏈路開銷表和報文重傳表，通過其鄰近節點的最短路徑生成數SST（Short path Spanning Tree）生成自己的SST后，再向鄰節點傳遞更新信息。當網絡路由表沒有任何變化時，接收節點需回傳一個空閑報文以示連接，否則，修改距離表，尋找更優路徑。這種算法的特點是當檢測到任意相鄰節點變化時，則檢查所有相鄰節點的堅固性以消除回路，具有較快的收斂性。
　　
　　3.2.2反應式路由協議
　　
　　反應式路由協議又稱隨選路由或者按需路由，是一種當需要時才查找路由的路由選擇方式。節點不需要維護及時準確的路由信息，當需要發送數據時才發起路由查找過程。與先驗式路由協議相比，反應式路由協議的開銷小，但是數據報傳送的時延較大，不適合于實時性的應用。常用的反應式路由協議有AODV，DSR，TORA等。 AODV（Ad hoc On?demand Distance Vector Routing）協議：源節點發送數據前先廣播一個路由請求消息，附近節點收到后再次廣播，直到請求消息到達目的節點或到達知道目的節點路由的中間節點，目的節點或中間節點沿原來路徑返回響應消息，源節點收到響應后就知道到達目的節點的路由。
　　
　　DSR協議稱為動態源路由協議，是一種源路由協議，每個分組的分組頭中包含了源―目的整條路由信息。它采用路由緩存技術，用于存儲源路由信息，當學習到新的路由時則修改路由緩存內容，該協議包含兩個方面：路由發現和路由維護。
　　
　　TORA協議稱為臨時預定路由算法，是一種源初始化按需路由選擇協議，它采用鏈路反轉的分布式算法，具有高度自適應、高效率和較好的擴充性，比較適合高度動態移動、多跳的無線網絡，其主要特點是控制報文定位在最靠近拓撲變化的一小部分節點處，因此節點只保留鄰近點的路由信息。該算法中路由不一定是最優的，常常使用次優路由以減少發現路由的開銷。TORA協議包括3個基本模塊：路由的創建、路由的維護和路由的刪除。
　　
　　3.2.3混合式路由協議
　　
　　Ad hoc無線網絡中單純采用先驗式或反應式路由協議都不能完全解決路由問題，因此，許多學者提出了結合先驗式和反應式路由協議優點的混合式路由協議，如ZRP協議。ZRP協議是一個先驗式和反應式路由協議的組合，網絡內的所有節點都有一個以自己為中心的虛擬區，區內的節點數與設定的區半徑有關，因此區是重疊的，這是與分群路由的區別；在區內使用先驗式路由算法，中心節點使用區內路由協議IARP維持一個到區

原文轉自：http://www.kjueaiud.com