无线自组网路由协议研究

无线自组网路由协议研究报告人：谢晓宇什么是无线自组网？无线自组网（WirelessAdhocNetwork）是一组以无线链路进行通信、由移动节点动态形成的网络，它是一个多跳的临时性自治系统。最早由美国DOD的PRNET项目进行研究，主要用于军事领域。但是由于无线自组网构造时不需要预先存在的网络基础设施，如基站等，因此在民用领域中也具有广阔的应用，如发生地震、水灾后的营救等。随着无线通信技术和移动终端技术的发展，Adhoc网络在军用和民用等领域的应用日益受到重视，各方面的研究不断展开。无线自组网路由协议设计面临的问题（1）多播支持：该特性是进行多方无线通信必需的，但是因为无线通信中拓扑结构的动态变化，多播树不再是静态的，所以多播路由协议必须能够处理节点的快速移动和动态地加入与离开。（2）QoS支持：在无线自组网中，只考虑网络层的QoS而不考虑MAC层的QoS是远远不够的，必须充分考虑节点的动态性、终端的隐藏性和链路的波动性，深入研究支持端对端的QoS和自适应的QoS。（3）节能支持：在手持设备等资源贫乏的移动终端上，必须考虑电源因素，因为有限的能量供应会阻止数据包的传送，所以基于节点能量的路由阻塞是区分路由协议持久性的一个重要方法。（4）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者广播搜索的方式来定义相关的区域，即路由是空间的。（5）单向信道支持：无线通信自组网环境中，由于发射功率、地理位置等因素的影响，可能存在单向信道，因此必须解决由此带来的3个问题，即认知的单向性、路由的单向性和汇点的不可达。（6）有限带宽支持：无线信道相对于有线信道来说要低得多，必须充分考虑信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素。当前主要无线分组网路由协议分析无线分组网路由协议根据所采用的路由策略可分为主动路由和按需路由两种。其中主动路由采用预先获取（Proactive）策略，按需路由采用按需获取（Reactive）策略。一、主动路由协议主动路由协议要求每个节点维护一张或几张路由表，其中包含了网络中所有其他节点的路由信息。所有节点周期性地更新这些路由表，以保证路由信息是一致和最新的，当网络拓扑结构改变时，节点向整个网络传播路由变更消息。主动路由的优点是当到目标节点的路由存在时，延时很小；缺点是需要花费较大的开销保持路由更新。1、DSDV（DistanceSourceDistanceVector）DSDV协议是著名的Bellman-Ford路由算法的增强版本,是在DVA基础上进行改进设计的，被认为是最早的自组网路由协议。在DSDV协议中，每个节点维护一个路由表，用于记录到所有可达目标的“下次跳转”。DSDV协议的特点是采用了序列号机制来区别路由的新旧程度，防止路由环的产生；其缺点是不适应快速变化的自组网，不支持单向信道。2、OLSR（OptimizedLinkStateRouting）OLSR是对链路状态协议的优化，以适应无线自组网的需求。OLSR的关键是使用了多点中继MPR（MultiPointRelay）。节点通常选择一组一次跳转邻居节点作为它的MPR集，在MPR和MPR选择者之间必须存在双向链路，并且MPR集能够与MPR选择者的所有二次跳转邻居通信。在OLSR协议中，信息通过MPR在网络中传递,因为只有很少的MPR,所以控制包的数目和大小都得到很大精简。OLSR协议比较适合于节点数目多且密集的网络。3、LANMAR（LandmarkRoutingProtocolforLargeScaleNetworks）当网络尺度增大和节点的移动性增强时，过多的处理开销使得平面形式的主动路由模式变得不可行，LANMAR使用层次路由解决网络伸缩性和路由开销问题。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某种共性，因此子网节点很可能作为一个群体整体性地移动。LANMAR在逻辑子网内使用FSR（FisheyeStateRouting）无线自组网协议，一个节点与距离较近的节点交换路由信息的频率要远大于与距离远的节点交换路由信息的频率，因此可以减少路由开销。目前，一种LANMAR协议的变体已经被推荐在美军的JTRS集群I（ClusterI）中使用。二、按需路由协议与表驱动的主动路由协议不同，按需路由协议并不在每个节点上维护最新的路由信息，而是在某个路由信息需要时才去动态获取路由信息。采用按需路由协议的优点是不需要进行周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源；缺点是发送数据分组时，如果没有去往目标节点的路由，数据分组需要等待因路由发现而带来的延时。1、DSR（DynamicSourceRouting）DSR是最早采用按需路由思想的路由协议，它使用了源路由机制进行分组转发，在每个包的包头携带一个完整的节点序列，由于包本身已经包含了所有的路由判定，因此中间节点不需要维护最新的路由信息就能完成包转发。DSR协议主要由两个机制构成：路由发现和路由维护，这两种机制都采用按需方式操作。当源节点不知道到达标节点的路由时，源节点采用路由发现机制动态地获得这个路由，源节点向网络广播路由请求（RREQ）包。每个接收到RREQ包的节点将重传这个包，除非它本身是目标节点或者在该节点的路由缓冲中保持了到达目标节点的路由，在后两种情况下，该节点将向源节点发送路由应答（RREP）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，这样可以减少RREQ包的发送。如果源路由中的某条链路中断，源节点会收到RERR通知，此时，源节点可以重新发起路由发现过程。DSR路由协议的优点是中间节点不用维护去往全网所有节点的路由信息，而且可以避免出现路由环路。它的缺点是每个数据分组都携带了路径信息，造成协议开销较大，而且也不适合于网络直径大的无线自组网,网络可扩展性不强。2、AODV（AdHocOn-DemandDistanceVector）AODV协议是在DSDV协议基础上结合类似DSR中的按需路由机制进行改进后提出的，不同之处在于AODV采用了逐跳转发分组方式，而DSR是源路由方式。在AODV路由协议中，源节点向其邻居节点广播路由请求（RREQ），邻居节点记录一个反向路由，然后转发这个请求，直到请求到达目标节点或拥有到达目标节点路由的某个中间节点。如果中间节点拥有到达目标节点的路由，该节点将构造一个路由应答（RREP）包，选择一个反向路由的最佳链路将其发送；如果由于节点的移动，路由上的某个链路失效，即某个中间节点不可达，此时该节点的邻居节点将检测到这一情况，并且发送路由错误（RERR）消息给它的上游节点，RERR消息将最终到达源节点，源节点可以重新发起路由发现过程。AODV路由协议的显著特点是加入了组播路由协议扩展，支持QoS。它的缺点是不支持单向信道，因为AODV协议基于双向信道的工作，路由回答分组直接沿着路由请求的反方向回到源节点。3、层次路由层次路由协议通过组合使用按需获取和预先获取等路由策略，避免了主动路由协议中过量的控制消息流量问题和按需路由协议中的长时延问题，常见的层次路由协议包括：DDR,CBRP,CEDAR,GSR,FSR,HARP,ZRP,HSR,BRP,IARP,IERP,LANMAR等，其中最具代表性的就是区域路由协议ZRP（ZoneRoutingProtocol）。ZRP是第一个利用层次结构并混合使用按需路由策略和主动路由策略的自组网路由协议。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点，ZRP协议规定每个节点采用DVA主动路由协议维护去往区域内其他节点的路由，采用类似DSR协议中的按需路由机制寻找去往区城外节点的路由。所以ZRP协议的性能很大程度上由区域半径决定。通常小区域半径适合于由移动速度较快的节点组成的密集型网络；大区域半径适合于由移动速度较慢的节点组成的稀疏网络。三、分析对比路由协议是实现无线自组网最关键的部分。为了适应无线自组网带宽、能量有限等特性，认为无线自组网的路由协议应满足以下几点需求：(1)分布式操作：这个需求源于无线自组网节点的分布式特征，通过中心节点收集网络拓扑结构，计算全网最短路由，然后分发到其他节点的路由方式是不能适应动态变化的无线自组网要求的，必须进行分布式操作；(2)避免路由环：相对于性能而言，这并不是一个核心需求。但是无线自组网的路由协议对于某些由于路由环导致的最坏情形应该予以避免；(3)按需获取路由：当数据流量在整个网络上分布不一致时，通过按需获取路由可以做到与网络的流量模式在某种程度上相适应，这样可以更有效地利用网络的能量和带宽资源。这种策略的代价大大增加了路由发现延迟；(4)预先获取路由：在某些情况下，按需获取路由导致的延迟可能是不可接受的。在带宽和能量资源允许的情况下，可以考虑采用预先获取路由的方法；(5)支持“静默”：无线自组网中的一个网络节点可能因为节电或其他原因，在任意长的时间内不传输/接收信号。无线分组网路由协议应该能够支持节点的这种行为。这个特性可能需要链路层协议通过某种标准接口予以支持；(6)支持单向链路：在设计路由算法时，通常假定链路是双向的。并且很多算法在网络中存在单向链路时无法正确工作。尽管如此，单向链路在无线网络中，特别是在战术网络中确实存在，应当予以充分考虑；(7)安全性要好：路由协议是通过交换拓扑信息建立到目标节点的路由的，恶意的攻击者可以对这些没有受到保护的路由信息进行任何形式的攻击，所以应该采用数据安全中的各种加密机制来对路由信息进行保护，并根据无线自组网的特殊性进行改造。四、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OSI参考模型的第二层或者第三层实现。美军JTRS系统早期的无线自组网方案就是将节点移动性隐藏于第二层的，这种方法的不足是当网络的规模很大时，必须在各个域之间有很多的桥接，导致过多的广播流量，拥塞整个网络。在第二层实现无线自组网路由的好处是可以利用某些链路层的信息和特征进行路由优化，但通过使用下面介绍的自适应网络协议栈结构，这种优化带来的益处同样可以在第三层中实现。在第三层实现无线自组网路由的例子有美军MIL-STD-188-220C标准和MANET路由协议。第三层移动路由的好处是“为使用混合物理层介质节点组成的多跳网络提供了网络级的一致性”，使用无线技术A和无线技术B的装备分别形成各自的无线自组网络，当网络中存在同时具备A和B接口的装备时，通过使用第三层路由，两个无线自组网的节点之间可以透明地通信，实现不同技术体制装备间的“动中通”。无线自组网链路代价和路由判定的准据(Metrics)，如带宽、时延、应用特性、物理位置和电池电量等，其信息的来源分布于网络协议栈的各个层次。目前，虽然一些新的策略已经被引入到无线自组网路由协议的设计中，如充分挖掘用户需求，使用位置、能量信息等，在一定程度上解决了无线自组网路由协议的自适应性和自配置性问题，但如何设计和实现能根据通信需求和环境信息自发地选择表驱动策略或者按需策略的路由协议仍然是有待深入研究的，此外，还必须对使用复合策略路由协议的性能进行研究，对路由协议的MAC层、安全性、服务的发现和网络协议的互操作性等进行研究。五、总结