CN100346617C - 一种新型核心树自组织动态路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型核心树自组织动态路由算法，它包括核心树的生成过程、核心树的动态维护过程和基于核心树的路由选择过程，根据源节点与目的节点的相对级别关系，把传输路径分成两个方向——下行的已知目的地址方向和上行的未知目的地址方向，从而实现核心树的路由选择；通过适应节点移动等情况引起的通信拓扑结构变化，局部重构核心树，实现核心树动态维护。采用本发明的方法，可以将无线自组织网络构造成一个树形拓扑结构，并在该树形结构上实现路由选择和通信。本发明的方法简单有效，构成的网络稳定可靠，方法切实可行。

Description

一种新型核心树自组织动态路由算法

技术领域

本发明属于无线数据通信网络技术领域，如无线数据通信、无线局域网、无线接入等，特别是涉及到无线互连网的组网与路由技术。

背景技术

在小区域范围内的无线多跳组网技术中，广泛采用无线自组织网络的形式，使用自组织和动态路由算法实现组网和通信。无线自组织网络是由若干无线节点通过无线信道构成的无线多跳网络，节点还可以通过有线信道接入有线网如Internet。节点与其无线覆盖范围内“直接连通”的节点间通过无线信道直接通信，节点还能借助于其它节点提供的寻径和中继功能，实现与“间接连通”节点间的间接通信。网络中所有节点和节点间的无线信道构成了无线网络的通信拓扑结构。如图1a所示。节点位置移动所带来的拓扑结构变化会造成通信转发的路径发生变化，因此，无线网络需要通过自组织和动态路由算法来适应拓扑结构的变化，调整路由，实现任意节点间的通信。无线节点通过自组织算法掌握无线信道构成的动态变化的拓扑结构，形成无线节点间及无线节点与有线网络间的通信路由。采用自组织算法的优点是：自动实现节点间的联络和沟通，自动形成和掌握网络拓扑结构，自动形成和维护通信路由，实现多跳环境的自动组网和通信。

现有的自组织和动态路由技术主要有：

(1)先应式自组织动态平面路由技术。在此类技术中，不管有无通信需求，都要通过在网络内广播路由更新消息来掌握网络自然拓朴结构及其发生的变化，交换并更新路由信息。只要去往目的节点的路由存在，寻路所需延时很小，较适合有实时和QoS要求的网络通信；但为了使路由更新能紧随当前拓朴结构的变化，需花费较大开销，而且动态变化的拓朴结构可能使路由信息过时，不易收敛。比较典型的先应式自组织动态路由技术有OLSR(Optimized Link State Routing)(见文献：T.Clausen，P.Jacquet，“Optimized Link State RoutingProtocol(OLSR)，”RFC 3626，October 2003)、TBRPF(Topology Broadcast based on Reverse PathForwarding)(见文献：R.G.Ogier et al.，“Topology Broadcast based on Reverse-Path Forwarding(TBRPF)，”draft-ietf-manet-tbrpf-05.txt，INTERNET-DRAFT，MANET Working Group，Mar.2002)等。

(2)反应式自组织动态平面路由技术。在此类技术中，由源节点按需在网络自然拓扑结构中创建路由，通常包括三个过程：路由发现、路由维护和路由消除。当源节点发现没有去往目的节点的路由时，触发路由发现过程；找到路由后，在通信过程中进行路由维护；通信完毕后，路由消除过程将路由取消。比较典型的反应式自组织动态路由技术有AODV(Adhoc On-Demand Distance Vector)(见文献：C.Perkins，E.Belding-Royer，“Ad hoc On-Demand DistanceVector(AODV)Routing”，RFC 3561，July 2003)、DSR(Dynamic Source Routing)(见文献：D.B.Johnsonand D.A.Maltz，“Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks，”Mobile Computing，T.Imielinski and H.Korth，Eds.，Ch.5，Kluwer，1996，153-81)等。此类技术可以节省路由开销，但创建路由时会有一定的延时。

(3)自组织动态分级路由技术。当无线多跳网规模增加，平面路由技术就会因链接和处理开销的增大而变得不适用，此时可采用分级路由技术以获得可扩展的有效路由。无线分级路由的基本思想是把节点划分为不同的集群并对群内外的节点指定不同的功能，从而降低开销和减少拓朴结构变化对路由带来的影响。分级路由技术可扩展性好，适合大规模的无线多跳网环境；但是存在功能相对集中的薄弱环节，为支持节点在不同集群之间漫游所进行的移动管理将带来一定的协议开销。比较典型的自组织动态分级路由技术有LANMAR(Landmark Ad Hoc Routing Protocol)(见文献：M.Gerla，X.Hong，and G.Pei，“Landmark Routingfor Large Ad Hoc Wireless Networks，”Proc.IEEE GLOBECOM 2000，San Francisco，CA，Nov.2000)、ZRP(ZoneRouting Protocol)(见文献：Z.J Haas and M.R.Pearlman，“The Performance of Query Control Schemes for theZone Routing Protocol，”ACM/IEEE Trans.Net.，vol.9，no.4，Aug.2001，427-38)等。

(4)地理定位辅助自组织动态路由技术。此类技术在路由中使用了GPS(GlobalPosition System)系统。GPS系统发展到今天，提供精确到几米范围内的定位信息已成为可能，它也能提供统一的定时机制。在无线多跳网中，定位信息可用于定向路由，统一的时钟可以实现全局同步。相关研究业已表明：地理定位信息能够提高路由性能。但由于存在时延，当使用定位信息时，它可能已不再精确。比较典型的自组织动态分级路由技术有GeoCast(Geographic Addressing and Routing)(见文献：J.C.Navas and T.Imielinski，“GeographicAddressing and Routing，”Proc.3rd ACM/IEEE Intn’l.Conf.Mobile Comp.Net.，Budapest，Hungary，Sept.26-30，1997)、GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)(见文献：B.Karp and H.T.Kung，“GPSR：Greedy PerimeterStateless Routing for Wireless Networks，”Proc.6th Annual Int’l.Conf. Mobile Computing and Networking(MobiCom 2000)，Boston，MA，USA，2000，pp.243-54)等。

(5)核心树组播路由技术。此类技术适用于有线计算机网络(如Internet)中的组播路由，它通过为网络中的每一个计算机群体创建一棵共享组播分发树来完成组播路由的任务，可用于计算机域内或者域间的组播路由。与其它的组播路由算法相比，它提供了一种更加有利于扩展网络规模的特性。比较典型的核心树组播路由技术有CBT(Core BasedTrees)Multicast Routing(见文献：A.Ballardie，“Core Based Trees(CBT version 2)Multicast Routing--Protocol Specification”，RFC 2189，September 1997)。

以上技术中，(1)、(2)是基于无线网自然形成的拓扑结构来进行路由查找的方法；(3)是一种动态或静态分级、同级内利用节点间自然形成的拓扑结构的路由算法；(4)是一种利用地理位置组织网络拓扑结构的路由算法；(5)则是一种有线网中的组播路由算法。这些已有算法在复杂性、有效性、可靠性和可行性等方面都不能很好的满足无线移动自组织网络的要求。

发明内容

本发明的任务是为无线多跳网提供一种新型核心树自组织动态路由算法。采用本发明的算法，可以在无线多跳网络环境中为移动用户通信提供快速的路由建立、维持和能跟随用户移动的动态路由协议，使得网络中的用户能方便地通过无线网络与其它用户通信和访问Internet。

为方便地描述本发明方案，首先将相关概念定义如下：

·(无线自组织网络中的)核心树：采用本发明的算法，利用无线自组织网络自然拓扑结构中的部分无线信道重构而成的一种树形拓扑结构，是本自组织动态路由算法的基础。在核心树结构上可以实现路由选择和通信。

·树节点：加入到核心树中的网络节点(不包括移动主机)。

·孤立节点：未加入到核心树中的网络节点(不包括移动主机)。

·根节点：核心树最顶级的节点，只有子节点，没有父节点。

·邻居节点：一个树节点的父节点和子节点。

·上行树枝：从子节点指向父节点的链路。

·下行树枝：从父节点指向子节点的链路。

·级别：一个树节点在核心树中与根节点的相对“距离”，用ID表示。根节点定义为第1级节点，从根节点出发，沿下行树枝方向其它树节点依次定义为第二级节点、第三级节点，……，ID＝1，2，…，N，N为正整数。

·定级：网络节点初始或重新成为树节点时确定或重新确定级别的过程。

本发明提供的一种新型核心树自组织动态路由算法，其特征是它包括核心树的生成过程、核心树的动态维护过程和基于核心树的路由选择过程，所述的核心树的生成过程、核心树的动态维护过程和基于核心树的路由选择过程分别采用下面的步骤实现：

核心树的生成过程采用以下步骤：

步骤1确定根节点根节点可以由手动指定或自动选择，将根节点选择为与有线网络连接的节点，在没有有线网络连接的情况下，可以选择为接近网络区域中心的任意一个节点，如图1b中的节点3；

步骤2树节点周期地在无线信道上广播树的维护消息。收到树的维护消息的试图加入核心树的孤立节点依据“最近最快策略”，选择自己的候选父节点，并通过“三次握手”的加入交互机制与其中一个候选父节点建立父子邻居关系；

步骤3孤立节点成为树节点后，将自己定级为N+1，其中，N是父节点的级别。父节点将新节点的加入情况通告给更上一级的父节点，同时，新加入的树节点开始在无线信道上广播树的维护消息；

步骤4重复步骤2、3，直到所有收到树的维护消息的孤立节点都加入到核心树中。通过以上的加入过程，最终形成树状的通信拓扑结构。

该过程的算法流程如图2所示；

需要说明的是：在树的生成过程中，如果没有链路层不连通的节点存在，则最终将能形成一个包含所有节点的核心树。链路层不连通的节点不能加入核心树中成为树节点。本算法不考虑在一个区域范围内生成多于一个核心树结构情况，因为这种情况不能构成一个完整、独立的网络结构。

核心树的动态维护过程采用以下步骤：

步骤1树节点通过定期的消息交换或树节点定期检查父节点和子节点发生的通信情况来检查树节点与父节点和子节点的关系存续状态；

步骤2根据步骤1的检查结果，

a)如果树节点检测到与某个子节点的通信关系不存在了(如子节点移动出无线覆盖范围)，树节点就将这个不存在通信关系的子节点从自己的邻居节点记录中删除，并向父节点报告；

b)当树节点发现与父节点的通信关系不存在了，则将这一情况通告其所有的子节点，促使这些子节点重新开始一次加入过程。父节点的丢失将触发本节点及所有子孙节点的重加入过程；

核心树动态维护过程的实质是：适应节点移动等情况引起的通信拓扑结构变化，局部重构核心树。

基于核心树的路由选择过程采用以下步骤：

对于一次从源节点经由若干中继节点到目的节点的通信，树节点的路由选择方法如下。

步骤1节点查找自己的子孙节点记录；

步骤2根据步骤1的查找结果，

a)如果有目的节点，就直接沿相应的下行树枝送到该目的节点；

b)如果目的节点不在子孙节点记录中，则把数据沿上行树枝递交给父节点，由父节点重复以上过程向目的节点转交；

c)如果目的地址位于有线网络中，那么，不管源节点位于核心树中的任何位置，数据最终都将通过上行树枝汇聚到根节点，再由根节点转交到有线网络。

 需要说明的是，在树形拓扑结构中，一个树节点向任意其它树节点的信息传递路径分成了两个方向：一个是通过下行树枝(子节点方向)到达目的节点的方向，另一个是通过上行树枝(父节点方向)到达目的节点的方向。

该过程的流程如图4所示。

基于核心树的路由选择的实质是：根据源节点与目的节点的相对级别关系，把传输路径分成两个方向——下行的已知目的地址方向和上行的未知目的地址方向。

路由选择算法的原理：

树形拓扑结构中，一个节点到另一个节点的不重复路径是唯一的。基于核心树的路由选择算法把路径分为两个方向：父节点方向和子孙节点方向。父节点方向是单一的方向，通向网络的其余部分，子孙节点方向是多路径方向。

路由选择算法与核心树的生成和维护过程有机的结合起来。在核心树的生成和维护过程中，每个节点都掌握了所有子孙节点的情况，而在父节点方向上，节点只知道父节点的情况，并不知道父节点之外的其它节点路由情况。

网络中的路由是由部分已知路由和部分未知路由组成的。每一级的节点，都知道自己下行树枝上所有节点的路由情况，越靠近根的节点，对路由的情况了解越全面，根节点了解所有其它节点的路由情况。树形拓扑结构将整个网络构成一个连通域，树上任意位置的节点都能找到唯一的一条到达任意位置节点的路由，所有节点对网络中路由知识的集合构成了整个网络完备的选路信息。任何一个节点在未知路由的情况下，不需要额外的寻路过程，只要直接将数据送到父节点进行转交，最终数据就能送到目的节点。尽管节点只知道部分路由，数据转发过程也不会形成环型路由。

当采用IP协议组网时，该路由方法的已知路由部分可利用IP的主机路由方法实现，未知路由可利用IP的默认路由实现。因此，该路由算法与IP协议的选路算法能很好配合使用。

以上三个过程构成了核心树自组织动态路由算法。算法适用网络为小型区域范围内、节点可移动的无线多跳自组织网。

将无线自组织网络构造成一个树形拓扑结构，并在该树形结构上实现路由选择和通信，是本发明实质性的创新内容。

本发明的创新点：

相对于AODV等利用无线网络自然形成的拓扑结构上的自组织路由算法，本发明的核心思想是将网络重构成一种称为“核心树”的树形拓扑结构，和在该树形结构上的路由算法。自组织算法和路由算法简单有效，构成的网络稳定可靠，方法切实可行。

本发明的核心树自组织路由算法有如下的特点：

1)在无线网络自然拓扑结构上重构成树形拓扑结构，路由算法与树形拓扑结构有机结合，降低了无线组网和路由算法的难度，提高了网络的稳定性。

2)能够适应网络中节点的移动的组网方式。而且，部分节点的移动只产生局部的调整，不会造成全网的自组织和路由的振荡。

3)具有先应式路由和反应式路由的特性，路由寻址的额外开销小。节点掌握了下级子树的路由知识，形成预先设定好转发路径的先应式路由。而指定由父节点对未知节点的寻路，是一种反应式路由。反应式路由按照树的结构向目的节点的方向转发，避免了在全网范围内搜寻目的节点的开销。反应式路由在数据传输中到达某个节点后，又转变成为先应式路由。

4)核心树上，将网络路由分成已知路由和未知路由两部分。任何情况下，数据都能直接定向的传输，不需要额外的寻找路由的过程，因此网络上的通信快捷，时延小。

5)能与IP网络的选路算法很好地配合使用，构成无线多跳IP网络。

6)自组织算法和路由算法能快速收敛。

7)算法所生成的路由到根节点的距离最短。当在根节点实现与有线网络互连时，其它节点与有线网络的通信可获得很好的通信性能。因此，核心树自组织动态路由算法可很好地适应无线多跳接入网系统的组网。

综上所述，与传统的多跳无线网络组网方式相比，本发明的组网技术更简单有效，网络动态变化引起的自组织算法和路由调整的动荡小，网络运行更加稳定，具有较高的通信能力，网络算法的实现难度低，具有较高的实用价值等优点。

附图说明

图1是自组织网络拓扑结构图。

其中，图1(a)表示节点间的通信关系。图中，①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨是无线节点，

表示无线节点间的无线链路，

表示无线节点与有线网络间的有线链路。图1(b)表示在图1(a)的基础上由核心树算法构成的树形结构。图中，③是根节点，②、⑤、⑦、⑨二级节点，①、④、⑥、⑧是三级节点。

表示根据核心树自组织算法形成的树节点间的父子关系。

图2是节点加入核心树的流程图。

图3是核心树的动态更新和维护图。

其中，图3(a)表示节点移动前核心树的原有结构。图中，③是根节点，⑤是根节点的一个子节点。图3(b)表示节点移动后核心树的新结构。图中，⑤由于移动改变了原来在核心树中的位置，由③的子节点变成⑥的子节点，级别由原来的二级变为四级(⑥的级别为三)。

图4是基于核心树的路由选择流程图。

图5是树形结构中路由选择算法示意图。图中，虚线单向箭头表示了从①到⑥的一次通信过程，数据从源节点①出发，经过中继节点②、③、⑦的转发，最终到达目的节点⑥。

具体实施方式

在目前广泛应用的无线局域网系统(Wireless LAN，IEEE802.11b)的Ad Hoc工作模式中，无线节点可采用本发明的自组织动态路由算法，与TCP/IP结合起来，构成一个多跳的自组织无线IP网；在采用IEEE802.11b技术的无线接入系统中，多个无线接入点间通过无线信道相互沟通，采用本发明的自组织动态路由算法构成无线接入网络，与现有技术相比，能够容纳更多无线用户，适应更复杂的网络应用环境，扩展无线接入点的覆盖范围。

本发明所述的核心树的生成过程具体实施例如图1b所示：

在图1b中，从节点3作为根节点开始，子节点2、5、7、9先后加入核心树，成为2级节点。然后，1号节点将2号节点作为父节点、4号节点将5号节点作为父节点、6号和8号节点将7号节点作为父节点，分别加入核心树，形成了如图1b的核心树结构。

本发明所述的核心树的动态维护过程具体实施例如图3所示：

图3所示的是节点5移动前后的核心树结构变化的一个示例。节点5移动前，父节点为3，它还有一个子节点4。当节点5发生移动后，通过核心树的动态维护过程，形成了新的核心树结构，它的父节点现在为6号节点，原来的4号子节点现在转而以1号节点作为父节点。我们可以看到，5号节点在移动时，只影响到与它相关的节点，其它节点不受影响，这为选路带来较为稳定的算法，不会出现较大的路由调整过程。

本发明所述的核心树的路由选择过程具体实施例如图5所示：

图5表示了当1号节点有数据要送到6号节点时的数据转发过程：

1号节点不知道6号节点的路由，因此将数据送交给其父节点——2号节点，由于2号节点也不知道到6号节点的路由，于是该数据被继续转交给它的父节点——3号节点。由于6号节点是3号节点的一个子孙节点，3号节点保存了6号节点的位置和路由信息，于是沿下行树枝“3-7-6”的方向，通过7号节点将数据送到6号节点。

Claims (4)

1、一种新型核心树自组织动态路由算法，其特征是它包括核心树的生成过程、核心树的动态维护过程和基于核心树的路由选择过程，所述的核心树的生成过程、核心树的动态维护过程和基于核心树的路由选择过程分别采用下面的步骤实现：

核心树的生成过程采用以下步骤：

步骤1确定根节点：根节点可以由手动指定或自动选择，将根节点选择为与有线网络连接的节点，在没有有线网络连接的情况下，可以选择为接近有线网络区域中心的任意一个节点；

步骤2树节点周期地在无线信道上广播树的维护消息，收到树的维护消息的试图加入核心树的孤立节点依据树的最近最快生成策略，选择自己的候选父节点，并通过“三次握手”的加入交互机制与其中一个候选父节点建立父子邻居关系；

步骤3孤立节点成为树节点后，将自己定级为N+1，其中，N是父节点的级别；父节点将新节点的加入情况通告给更上一级的父节点，同时，新加入的树节点开始在无线信道上广播树的维护消息；

步骤4重复步骤2、3，直到所有收到树的维护消息的孤立节点都加入到核心树中；

通过以上的加入过程，最终形成树状的通信拓扑结构；

核心树的动态维护过程采用以下步骤：

步骤1树节点通过定期的消息交换或树节点定期检查父节点和子节点发生的通信情况来检查树节点与父节点和子节点的关系存续状态；

步骤2根据步骤1的检查结果，

a)如果树节点检测到与某个子节点的通信关系不存在了，树节点就将这个不存在通信关系的子节点从自己的邻居节点记录中删除，并向父节点报告；

b)当树节点发现与父节点的通信关系不存在了，则将这一情况通告其所有的子节点，促使这些子节点重新开始一次加入过程；父节点的丢失将触发本节点及所有子孙节点的重加入过程；

基于核心树的路由选择过程采用以下步骤：

对于一次从源节点经由若干中继节点到目的节点的通信，树节点的路由选择方法如下：

步骤1节点查找自己的子孙节点记录；

步骤2根据步骤1的查找结果，

a)如果有目的节点，就直接沿相应的下行树枝送到该目的节点；

b)如果目的节点不在子孙节点记录中，则把数据沿上行树枝递交给父节点，由父节点重复以上过程向目的节点转交；

c)如果目的地址位于有线网络中，那么，不管源节点位于核心树中的任何位置，数据最终都将通过上行树枝汇聚到根节点，再由根节点转交到有线网络。

2、根据权利要求1所述的一种新型核心树自组织动态路由算法，其特征是在所述的核心树的生成过程中，链路层不连通的节点不能加入核心树中成为树节点。

3、根据权利要求1所述的一种新型核心树自组织动态路由算法，其特征是在所述的树状的通信拓扑结构中，一个树节点向任意其它树节点的信息传递路径分成了两个方向：一个是通过下行树枝即子节点方向到达目的节点的方向，另一个是通过上行树枝即父节点方向到达目的节点的方向。

4、根据权利要求1所述的一种新型核心树自组织动态路由算法，其特征是在核心树的动态维护过程步骤2中所述的树节点检测到与某个子节点的通信关系不存在是指子节点移动出无线覆盖范围。

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