無線網狀網技術的路由

　　 

   隨著近年來計算機和無線通信技術的發展，移動無線計算機技術得到了越來越廣泛的普及和應用。由于不再受到線纜鋪設的限制，配備移動計算機設備的用戶能夠方便而自由地移動，并可以與其他人在沒有固定網絡設施的情況下進行通訊。

對于這樣的情況，他們可以組成一個移動Adhoc網絡，或者組成移動的無線網狀網。移動的無線網狀網是一個無線移動路由器（及其連接主機）組成的自主系統。該系統能夠隨機移動，可自動適應網絡拓撲更新，甚至不需要任何骨干網或者網絡基礎設施。

    除了移動無線網狀網外，最近也出現了越來越多的固定無線網狀網的商業應用。其中一個典型的例子是“社區無線網絡”。它用于為先前沒有因特網寬帶接入的社區提供接入。在這些固定“社區無線網絡”中，每一個無線路由器不僅為其用戶提供因特網接入，并且是這個網絡基礎結構中的一部分——將數據在無線網狀網絡中無線路由到其目的地。

    一個基于3層路由的無線網狀網具備高度的靈活性和與生俱來的容錯性。該網絡簡化了視距傳輸問題，并以最小量的網絡基礎設施和互聯成本擴展網絡的規模和覆蓋。在現實生活中，也有混合型的無線網狀網存在：網絡中一部分網狀網路由器是移動的，而其他網狀網路由器是固定的。

    無論是哪種情況（移動或固定或混合），無線網狀網絡都有一些顯著的特性，例如：高動態性，智能性，端對端最佳路徑選擇，多跳性，通常帶寬有限和計算能力不足。無線網狀網絡的高動態性的原因有兩個：第一，路由器本身可能移動（如在移動或混合無線網狀網絡中），并造成網絡拓撲結構的快速變動。第二，即使路由器本身不移動（如在固定無線網狀網絡），由于干擾、地理和環境等因素，無線電鏈路的質量仍可能發生快速變化。

    從以上這些特性可以知道，完備的無線網狀網路由協議必須需要具備一下特點：

•     分布式操作
•     快速收斂（保證更快的移動）
•     可擴展性
•     適用于大量的小型設備
•     只占用有限的帶寬和計算能力
•     主動式操作（減少初始延遲）
•     在選擇路由時考慮無線電鏈路的質量和容量
•     避免環路
•     安全性等

    注1：社區無線網絡概念在美國等發達國家非常流行，在中國還處于開發階段。

    除了為有線網絡設計的傳統路由協議外（如OSPF，RIP），也有大量為移動adhoc網絡設計的路由協議，這類路由協議一般被分為兩個大類：

    反應式路由協議（如AODV、DSR、TORA）。該類協議只在需要的時候才發現并維持路由。為了適應流量的需要，它們能夠更有效地使用電源和帶寬資源，其代價是增加路由發現的延遲。

    主動式路由協議（如DSDV、OSLR）。該類協議總是維持到達每個可能的目的地的路由——協議假設這些路由都可能被用到。在某些情況下，由反應式路由協議所造成的額外延遲可能是不可接受的。對于這些情況，如果帶寬和電源資源允許，那么主動式路由協議更受歡迎。

    傳統的路由協議（如OSPF，RIP）是專為有線網絡設計的。它們不能夠很好處理無線網狀網環境中常見的拓撲結構和鏈接質量的快速變化。它們可分為兩大類，根據其設計理念：(一)距離向量(distancevector)；(二)連接狀態(linkstate)。距離向量路由協議（如RIP)是用在早期英特網絡，例如 ARPANET。其主要優點是簡單且有效率的距離向量運算辦法。但是，這種方法存在收斂慢、易出現路由環路等問題。連接狀態路由協議（如OSPF)的特點是，所有路由器均保存全網絡拓撲信息并做周期更新(link state periodic update)。并且任何一個環節的改變引發即時更新。相對于傳統的距離向量路由協議，連接狀態路由協議有全拓撲訊息，因此防止路由環路較容易且收斂速度較快報。不幸的是，連接狀態路由協議靠全網廣播(flooding)來傳遞最新信息，因此，尤其是在高移動性(或嚴重無線電干擾造成連接狀態跳動)的時侯，為了跟上快速變化的拓撲，此類協議會耗費大量的網絡資源與路由器處理能力和產生過多的控制開銷，而使其變得不可行。

    許多現有adhoc路由協議在處理快速拓撲變化方面取得了顯著的改善。例如，AODV協議是一種反應式距離向量路由協議。其基本想法是只在需要的時候才發現并計算路由，利用查詢(query)/響應(response)包來發現目的地的路線。不過，由于實際數據包傳輸之前，路線須被發現。使用反應式路由協議會增加初始延遲(InitialDelay)。而且，當移動性和負荷均高時，此種反應式路由協議可蒙受巨大協議負荷。仿真結果顯示這些協議在高移動性和高負荷下有無法容忍的丟包和延時發生。此外絕大多數現有的協議，無論是傳統的還是類似Ad hoc的，在適應無線電常見的鏈路質量快速變化時，在可擴展性和穩定性方面還存有嚴重的問題。

    最近一項新的無線路由協議，阿德利亞的自適應無線路由（AWR），可解決上述問題，并在下一段介紹。

    阿德利亞自適應無線路由協議（AdaptiveWirelessRouting Protocol，簡稱AWR）是專為無線網狀組網設計的自適應的、分布式的主動式路由協議。

    在AWR中，每個路由器都維持一個包含所有必要信息的路由表，以便將數據轉發到其目的地。每個路由表的條目都經過了特別的處理，能夠相互分辨出是舊有的還是新的路由，從而有效避免路由環路。

    在AWR中，每個節點都持續跟蹤其與周邊節點的連接狀況，并敏感地發現斷掉的連接。為在動態變化的網絡中保持路由表的一致性，每個節點都周期性地與周邊節點相互溝通并交換信息，還會在出現重要新信息時立刻進行再溝通。除了路由環路避免機制（該機制消除了致使大多數距離向量路由協議備受困擾的路由環路問題）外，一個特殊的消息機制也被引入，用于進一步加強收斂速度，以及通過讓路由盡可能本地化來減少路由開銷。為進一步改善路由的自適應性和穩定性，AWR維持多條到達每個目的地的路由，這是為了快速的錯誤恢復和負載均衡。在任何時刻，所有的路由都保證是不會發生環路的。

    AWR在移動和固定的無線網狀網絡中都表現非常出色。它綜合了多種具有吸引力的特點：

•     完全分布式結構，提供鏈路和節點運作性能短時異常后的自我恢復，確保沒有系統級的單點故障；
•     動態性，自適應性，主動式路由：自動組網，自我恢復，減少初始延遲；
•     快速收斂：保證高移動性和大幅度提升服務能力；
•     對拓撲結構和鏈接質量的變化靈活自適應；
•     通過考慮鏈路質量，最大化用戶的吞吐量（對無線網狀網來說極其重要）
•     高度的可擴展性（低的計算和通訊開銷）。對于鋪設大規模的無線網狀網來說尤其重要；
•     任何時刻簡便地實現無路由環路
•     每個目的地擁有多條無環路的路由以便快速故障恢復和負載平衡
•     安全性（所有路由包都有加密和認證）
•     支持多電臺、多跳的無線網狀網絡
•     獨有的區分由移動性、路由器故障等造成的暫時性無線信號衰減和實質性的無線鏈路丟失的能力

    AWR已被用于許多實際場合。許多仿真和試驗結果也顯示：AWR在移動和固定的無線網狀網中都表現良好，并且AWR在更多的客戶應用中相對于其它同類路由協議均表現出明顯的優勢。

    上圖顯示了AWR在一段時間前對比其它四個著名的路由協議AODV，DSR，OLSR和DSDV的仿真測試結果。測試由世界電聯（ITU）所推薦的仿真軟件CP2執行。如圖中所示，AWR相對其它協議均有突出的性能優勢：

    AWR有最高的數據包送達率；

    AWR有最小的平均延遲；

    AWR在移動性增加和流量負載增加時均有最好的韌性；

    AWR在復雜環境（如高移動性，大流量）下表現特別突出，大大超過其他同類協議；

    AWR規格化的路由負載相比其它主動式路由協議更小，并且在移動性，網絡規格和流量負載逐漸增加時相當穩定（對路由協議的可擴展性來說非常需要的屬性）。

    AWR作為無線路由協議的佼佼者，并不局限于無線網狀網的應用。更多的無線網絡，只要涉及無線網絡中的節點故障，拓撲變化或鏈路質量變化，都可以使用AWR路由協議?，F在，AWR又有新的提升，在效率上又有進步。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com