AdHoc网络路由协议的研究

AdHoc网络路由协议的研究摘要：无线自组（AdHoc）网是由一组带有无线通信收发装置的移动节点组成的一个多跳、临时、无中心网络，可以在任何时候，任何地点快速构建起来的移动通信网络，并且不需要现有基础网络设施的支持，网络中的每个终端可以自由移动，地位相等。考虑到AdHoc网络中节点是移动的，传统的因特网路由协议（如RIP、OSPF等）无法适应AdHoc网络的实际需要。在过去的20年间，研究者为无线自组网提出了一系列的路由协议。本文首先介绍了AdHoc网络的特点，并对现有的路由协议进行了分析。关键词：无线自组网，AdHoc网络，路由协议Abstract：WirelessAdHocnetworkscomposedofmobileterminalnodeswithwirelesscommunicationdevicearetypicallycharacterizedbytheirmulti-hop,temporaryandun-center,canbequicklybuiltupinanywhereandatanytime,needn’tbesupportedbybasicnetworkdeviceswhichhavebeenconstructed,andeveryterminalcanmovefreelyandequally.ConsideringthemovingofnodesinAdHocnetworksandconstantlyvarietyofnetworktopology,theroutingprotocolssuchasRIP,OSPFetcusedintraditionalInternetcannotbeadaptedtotheneedofAdHocnetworksinfact,atthesametime,duetothecompute-capabilityofmobilenodesandstorage-capacityarelowandtheenergysourcesarelimited,sotheroutingprotocolshavetobesimpleatleast.Inthepasttwentyyears,manyresearchersputforwardaseriesofroutingprotocolsforAdHocnetworks.ThispaperdescribesthebasiccharacteristicofAdHocnetworks,andintroducestheexistingunicastandmulticastroutingprotocolsindetail.Keywords:AdHoc,Routingprotocols1AdHoc网络简介AdHoc源于拉丁语，意思是“forthis”引申为“forthispurposeonly”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，即Adhoc网络是一种有特殊用途的网络。AdHoc网络的起源可以追溯到1968年的ALOHA网络和1973年的DARPA开始研究的分组无线电网络，曾是美国三军联合战术无线系统中的重要组成部分。IEEE802.11标准委员会采用了“AdHoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Adhoc网络就此诞生。AdHoc网络又称无线自组网、多跳网络，是在没有任何现存网络基础设施或是集中管理的情况下动态形成的暂时网络，具有无需基础设施、临时组网、动态拓扑和自组织的优点，非常适合于战场军事指挥、灾难救援、会议和家庭网络等环境使用。2AdHoc网络的特点：（1）无中心。AdHoc网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式，节点可以随时加入和离开，增强了网络健壮性。（2）网络的自组性。移动AdHoc网络可以在任何时刻任何地方构建，无需依赖于任何预设的固定设施的支持，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的、自由移动的通信网络。（3）多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。这种多跳转发是由普通的网络节点完成的。（4）动态的网络拓扑结构。从网络的网络层来看，移动AdHoc网络中，移动用户可以以任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化。电池耗尽/关机或损毁、无线信道间的相互干扰因素、地形因素等的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会发生变化。（5）有限的无线传输带宽、链路容量动态变化。受多径衰落、信号干扰、噪声及阴影区影响又使无线链路的状态随时间而动态变化，链路的有效吞吐量比空中接口的最大传输容量小得多。（6）移动终端能力的有限性。移动AdHoc网络中的移动用户终端内存小、CPU处理能力低、所带电池电源有限。移动AdHoc网络的节点要充当其它节点的路由器，节点能量耗尽讲会改变网络拓扑，进而改变网络性能及网络寿命，因而实现节点的低功耗十分重要。（7）生存时间短。组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束后，网络环境将会自动消失。AdHoc网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。（8）安全性差。AdHoc网络是一种无线方式的分布式结构，缺乏固定的网络基础设施进行用户鉴权和认证，因此其安全性很难保证，所以更加容易被窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。（9）有限的服务质量：由于AdHoc网络的多跳性、动态拓扑及动态链路容量使服务质量的保证变得也很困难。3国内外的研究现状及分析90年代以来，移动AdHoc网络的研究在世界范围内方兴未艾，已经从通信领域内的一个小分支逐渐扩大到相对独立的领域。目前，AdHoc网络的研究主要集中在以下几个方面：(1)提出新的路由协议。新协议一般以广播或多播方式建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，得到普遍认可的有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA、和ZRP等。路由协议的研究是AdHoc网络成果最集中的部分。不过，从实现的难度来看，这些协议离使用还有一定的距离。(2)提出基于AdHoc网络的媒体接入控制（MAC）协议，主要是解决隐藏终端和暴露终端问题，影响比较大的有MAC协议，即RTS/CTS/ACK方案。有一些研究则是侧重于将IEEE802.11的MAC协议移植到AdHoc网络中。基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越，但在技术上实现的难度较大。(3)AdHoc网络与蜂窝网的互连互通。(4)基于AdHoc网络的多播/组播协议、TCP协议、地址分配、功率控制、安全性问题、分布式算法、QoS等方面有一些研究成果，但各部分风数量相对较少。(5)一些学者正在研究用蓝牙节点组建AdHoc网络。目前已有一些文献针对基于蓝牙的AdHoc网络的形成提出了各种不同的协议或方案。(6)国内学者所发表的AdHoc网络的研究成果较少。从2011年起，开始有少量成果发表，主要成果集中在路由协议的一些改进，少量成果涉及MAC协议的研究。可以说国内在该领域基本上是刚刚起步。4AdHoc的协议分类依据不同的标准，AdHoc网络的路由协议有不同的分类方式按照路由协议所依据的基本路由算法可以分为：（1）基于链路状态（LS）的路由协议（2）基于距离矢量（DV）的路由协议（3）源路由（SR）协议（4）反向链路（LR）协议按照路由建立的方式不同可以分为：（1）先验式路由协议（2）按需路由协议（3）混合式路由协议按照路由协议所依据的网络逻辑结果的不同可以分为：（1）平面结构的路由协议（2）分层结构的路由协议按照路由协议所适用的网络规模不同可以分为：（1）中、小规模路由协议（2）大规模（可扩展）路由协议按照接收业务数据的目的节点个数的不同可以分为：（1）单播路由协议（2）多播路由协议另外，AdHoc网络还有一些路由协议，通过利用地理位置信息来改善路由协议的性能或直接根据地理位置信息进行数据转发，我们称它们为利用地理位置信息的路由协议。AdHoc网络分类如下图所示5典型的AdHoc网络路由协议分析5.1表驱动的路由协议（1）DSDVDSDV（Destination-sequencedDistance-vector）是最早的自组网路由协议。在DSDV中，每个移动节点都需要维护一个路由表。路由表表项包括目的节点、和目的序列号，其中目的地序列号由目的节点分配，主要用于判别路由是否过时，并可防止路由环路的产生。每个节点必须周期性与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由表的改变来触发路由更新。DSDV的特点是采用了序列号机制用于区分路由的新旧程度，防止可能产生的路由环路。它的缺点是不适应变化速度快的自组网，不支持单向信道。（2）CGSRCGSR（ClusteredGatewaySwitchRouting）以DSDV算法为基础，但是CGSR并不适用于平面网络，它使用了分簇路由结构和启发式路由选择机制。CGSR分配指定了簇首节点和网关节点，其中簇首节点用来控制一组节点和网关节点，网关节点是两个簇之间的节点。当一个节点要发送分组时，这个分组首先到达该发送节点的簇首节点，然后簇首节点把这个分组通过网关节点转发给另一个簇首节点。不断重复这个过程直到分组到达目的节点。（3）WRPWRP（WirelessRoutingProtocol）路由协议在网络中的节点中保存路由信息。每个节点保存在路由表中的信息如下：距离、路由、链路开销和重传消息的列表(MRL)。MRL记录关羽消息序列号、重传计数器、每一个邻节点正确应答所需的标识和更新消息的更新列表等信息。WRP的优点是算法收敛快，并避免路由当中的环路。5.2按需驱动的路由协议（1）AODVAODV(AdHocOn-demandDistantVector)的路由发现过程由逆向路由的建立和正在路由的建立两部分组成。路由中的每个节点都维护路由表，因而数据报文头部不需要携带完整的路由信息，从而提高了协议的效率。当源节点不具备一条到目的地的路由而又要发送数据到目的地时，源节点广播RREQ消息给邻居。邻居接收请求消息，建立一条到源的逆向路径，并设置逆向路径的生存期。如果该节点没有到目的节点的路由，就把收到的RREQ转给自己的邻居，直到到达目的节点，或者到达某个具有“更新”路由的中间节点。目的节点收到RREQ，就建立到源节点的逆向路由，返回一个RREP路由应答报文。单播该RREP给源节点，中间节点收到RREP，就建立到目的节点的正确路由。（2）DSRDSR（DynamicSourceRouting）是一个简单而有效的路由协议。它要求每个移动节点维护一个存放路由的快速缓冲区。当某一个移动节点要发送数据分组时，首先查询本地高速路由缓冲区，确定是否存在可以使用的路由。若路由存在，则沿路由发送数据；否则发送一个包含源节点和目的节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。中间节点收到该请求分组后查询本地缓冲区，若没有达到目的节点的路由，则将本节点地址加入请求分组后转发，直至将分组转发到目的节点或有到达目的节点路由的中间节点，该节点发回一个路由应答分组。路由应答分组中包含了从源到目的节点路径上的所有节点的序列。6主要参考文献[1]方旭明.移动AdHoc网络研究与发展现状.数据通信，2003,9（1）：pp16～66[2]郑相全.《无线自组网技术实用教程》.清华大学出版社.2004年6月,pp116～141[3]徐磊，李晓辉，方红雨.基于OPNET的AdHoc网络建模与仿真.计算机工程.2009年1月,pp.4～6[4]RamRamanathanetal.ABriefOverviewofAdHocNetworks:ChallengesandDirections[J].IEEECommun.Mag.,50thAnniversarycommemorativeissue,2002,5pp.20～22[5]曹常义.自组网技术及其互联.中国数据通信，2002年1月pp.40～45[6]冯永新，王光兴，刘治国，姜月秋.一个应用于移动AdHoc网络管理的簇生成算法.软件学报，2003,14（1）pp.132～138[