CN100548003C - 在无线网络中转发分组的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明指向一种方法和装置，所述方法和装置用于在无线网络内转发和/或寻址分组，其中低于网络层的协议层的地址信息被加入所述分组，其中所述地址信息指示目的地节点的地理位置，且其可被在通过所述无线网络转发所述分组期间内改变。然后基于当前节点与所述目的地节点的地理位置之间的差异在所述无线网络内转发所述分组。这种基于位置的寻址使动态网状网络内的分组转发更容易，因为每个节点(10)都可以仅基于所述分组标题内的信息及其自身位置来判定向哪个方向转发输入分组。

Description

在无线网络中转发分组的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在无线网状网内寻址和/或路由的方法与装置。

背景技术

无线宽带网使得高性能的互联网接入成为可能，而有线宽带基础设施是不可行的。然而，如果以低成本提供所述设施，且所述设施对于环境改变具有坚固性、便于部署、可随市场升级，则所述无线宽带网仅对于住宅和小商业市场是成功的。

基于网状网的新无线网仿真互联网的拓扑和协议，并为无线高速数据传输最优化所述新无线网，所述新无线网具有作为网络节点的无线路由器。所述网状网包括借助无线电链路相互连接的无线路由器。所述无线电链路能够开启和闭合，且所述网络能够使其自身适应所述无线电链路的当前情况。单个设备同样可在不过分干扰网络功能的情况下接通和切断。所述路由协议跟踪网络内的节点在何处，从而可通过将网络内的其它节点用作中间节点，在距离遥远的节点之间路由分组。如今存在若干可用于移动网状环境的路由协议。

所述路由协议能够处理少量的移动。但当多数节点是移动的时会出现问题，因为每个节点都必须在一定程度上了解其它每个节点在何处。当网状网较大时这成为很严重的问题，因为必须将网络结构的改变通知给大量的节点，且所述网络越大，网络改变当然越多。此外，如果所述网状网变得较大，则路由表亦变得越来越大，因为无法以与传统有线网络内相同的方式集合网络内的路由。

图1示出了包括若干经由无线电链路连接的无线路由器WR的无线网状网(WMN)。并非所有无线路由器WR能够相互得知。因此，相同WMN内的两个无线路由器WR之间的分组在到达目的地之前，可能必须被经由若干无线路由器WR和无线链路转发。除了到诸如WLAN、以太网的网状网的接口和/或其它网络设备连接到的蓝牙接口之外，无线路由器WR还具有其它接口。此外，可能还存在具有其它子网的路由器，所述子网具有膝上电脑、有线路由器R和服务器SV。所述无线路由器WR中的一个或多个可能充当空降场AH，所述AH被设置为将WMN连接至其它诸如互联网的较大网。诸如膝上电脑LT的终端同样可能包括无线路由器功能，即所述终端可充当WMN的一部分。

WMN时常经历条件改变，这使得链路会根据当前条件发生故障和再生。它们可能并无任何特定管理员来负责所述网络，这意味着它们必须是自组织的和自恢复性能的。在WMN内，所述无线路由器WR同样可移动，这意味着所述网络结构始终都在改变。

现有网状网是相当静态的，其通常具有固定安装的无线路由器WR，但在不久的将来，轿车、火车、公共汽车和其它公共运输设备也可能加入WMN。最富想象的是，所有在街道上行走的人在其口袋内都具有其自己的小无线路由器WR，且整个网络包括这些专属设备。在这种情况下，所述网络结构实际上快速改变，且无法跟踪每个设备的准确位置。所述数量的无线路由器WR和表面积内的WMN尺寸可能相当大。在极端情况下，一个WMN可能覆盖整个世界。这意味着建议在未来WMN内使用的方法必须尽可能的可升级，从而使得所述方法能够得到有效使用，而不论所述网络将变得多大。新互联网协议版本(IPv6)的大地址空间使得在所述新环境内使用IP协议成为可能。然而，由于在不断开连接的情况下，所述路由器的IP地址在飞行中无法轻易得到改变，所以对于移动无线网而言这并不是最佳解决方案。在飞行中改变地址将是必需的，以保留IP网内的路由集合。

尤其为并不具有固定拓扑的无线网研发了新的路由协议。这些协议试图通过并不将网络结构内不太重要的变化通知给其它节点，减少所需的路由业务量。然而，必须在一定程度上了解其它节点的位置，以能够将所述业务转发到正确的方向。当网络结构保持不变且仅链路的无线电质量发生较小改变时，这些协议运行良好。但当路由器开始移动时，由于路由协议更新且所述分组未找到其目的地，所以可用的网络容量遭到破坏。

移动IP协议解决由于移动终端改变其在网络内的位置而导致的终端移动性问题。所述移动IP协议将移动性问题改变为路由问题，因此并未解决无线网状网内的移动性问题，在所述无线网状网内路由器同样能够移动且主要问题实际上在路由区内。

此外，固定有线网络内的常规MAC(媒体接入控制)交换基于根据从接口输入的分组的源MAC地址了解MAC地址。还要求对每个链路都必须重复广播和组播分组。这种方法在传统的固定有线网络内运行良好，但由于不同的网络结构，以及归因于广播的网络容量浪费，所述方法在WMN内无法得到使用。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种用于在动态的无线移动网状网内提供寻址和/或路由功能的方法和装置。

根据本发明，提供了一种在无线网络中转发分组的方法，所述方法包括步骤：

a)将低于网络层的协议层的地址信息加入所述分组，所述地址信息指示所述分组将被路由到的目的地节点的地理位置，并且所述地址信息可以在通过所述无线网络转发所述分组期间被改变；以及

b)基于当前节点与所述目的地节点的地理位置之间的差异，在所述无线网络中，完全在所述较低层将所述分组转发到所述目的地节点。

优选地，如果所述分组被传送到所述网络层，则所述网络层放弃所述分组。

根据本发明，还提供了一种用于在无线网络中转发分组的装置，所述装置包括：

a)增加装置，将低于网络层的协议层的地址信息加入所述分组，所述地址信息指示所述分组将被路由到的目的地节点的地理位置，并且所述地址信息可以在通过所述无线网络转发所述分组期间被改变；以及

b)转发装置，基于当前节点与所述目的地节点的地理位置之间的差异，在所述无线网络中，完全在所述较低层上将所述分组转发到所述目的地节点。

因此，提供了一种基于位置的低电平(例如链路层、第2层或MAC层)寻址，其在具有网状拓扑的网络内相当便利，在所述网络内路由节点同样能够移动。所述基于位置的寻址使得所述网络内的分组转发更加容易，因为每个节点都可仅基于关于输入分组标题及其自身位置的信息来判定将所述分组转发到哪个方向上。这意味着节点不必保持较大的路由表，且不必花费时间来搜索那些将在大网状网内实际上变大的列表。因此不必断开连接和/或引起大量的路由信息更新需要即可在飞行中基于全球位置改变所述地址。这是可能的，因为当设备在所述网状网内移动时不必改变较高层(例如网络层、第3层或IP层)，因为所述网络内的分组转发是基于低层地址进行的。当所述设备移动时，其低层地址改变，而高层地址保持不变。如果位置改变到另一网络，则可使用诸如移动IP的高层方法。

基于位置的低层寻址还使得在链路层上执行网状网内的分组转发成为可能，这与其中必须在高层上处理每个分组的情况相比更为简单和快速。

借助此方法将必需在所述网络内交换的路由信息最小化。这意味着当所述设备接通时，其几乎可立即开始通过所述网络通信，这在以前的技术方案下是无法实现的，因为在那之前必须更新其它设备的路由表。此外，所述设备的移动引起更少的信令业务。由于不必向每个节点通知到其它每个节点的路由，因此所述信令业务被最小化。

附图说明

以下将基于优选实施例，并参照附图详细描述本发明，在附图中：

图1示出了无线网状网的示意性图示；

图2A是从第3层角度来看的带有第3层转发的无线网状网逻辑结构的示意性方框图；

图2B是从第3层角度来看的带有第2层转发的无线网状网逻辑结构的示意性方框图；

图3示出了根据优选实施例的路由实例；

图4示出了根据第一优选实施例的基于方向的分组路由；以及

图5示出了根据第二优选实施例的基于距离的分组路由。

具体实施方式

以下将基于如图1所示的WMN描述本发明的优选实施例。

图2A是从网络层角度来看的带有网络层转发的WMN常规逻辑结构的示意性方框图。此处，网络层路由协议必须提供WMN内的分组路由所需的信息，即每个无线路由器必须了解到其它每个无线路由器的功能路由。所述无线路由器WR借助分离的链路连接在一起，且所述分组被在所述WMN内的不同无线路由器之间路由。

图2B是根据优选实施例的从网络层角度来看的带有链路层转发的无线网状网逻辑结构的示意性方框图。逻辑上，从网络层角度来看，所述无线路由器WR形成了其中所述无线路由器借助单个链路连接在一起的网络。如果可借助足够简单的方法实施交换，则链路层转发比网络层转发更容易更快速。这就是链路层转发与网络层转发相比消耗更少的CPU功率，且路由器成本大量减少的原因所在。

根据优选实施例，可在链路层转发中使用基于位置或所在地的链路层寻址(例如MAC寻址)与交换，以提供一种简单的寻址和路由方法。所述基于位置的方法可实现更快、更简便且更优的转发，从而减少了无线路由器的成本。基本上，基于位置的寻址意味着所述链路层寻址基于所述设备的位置。换言之，所述设备的链路层地址告知其当前在地球上的位置。

由于链路层上的基于位置的寻址，例如可从MAC地址了解所述设备相对于其它设备的位置。当网络设备将输入分组的MAC地址与其自己的地址相比较时，所述网络设备立即了解所述分组目的地节点位于哪个方向上，从而可相应地转发所述分组。因此无需较大的路由表，因为仅须了解最近的相邻节点的地址。

图3示出了根据优选实施例的带有7个节点S和b到g的基于WMN的路由实例。左边的节点S是希望将分组发送到右下角节点g的源节点。目的地MAC地址例如被标记在所述分组(例如MAC PDU)的地址字段内，从而告知所述目的地的位置。因此，中间节点c和e不必为了将所述分组路由到其目的地而了解所述网络的拓扑，因为它们了解所述目的地的地理位置(根据目的地MAC地址)，以及其自己的地理位置。因此，所述中间节点能够将所述分组路由到正确的方向上，且所述分组最终到达其目的地节点g。

所使用的地址可能是全球唯一的，或它们仅在特定区域上或特定类型的网络上是唯一的。如果地址仅在特定区域上是唯一的，则它们都可与相同的固定点相比较。还可能存在从所述位置得到所述地址的不同方法。如果在相同网络内同时使用多种方法，则必须存在一种定义在哪个设备内使用哪种方法的方式。

可使用已存在的GPS系统或其它一些诸如GSM定位系统的已知或未来定位或布置技术得到设备的位置信息，所述技术由于某种原因应当在室内工作。同样可使用其它具有足够精确性的定位系统。设备在计算其自己的位置时还可使用相邻设备的位置，以及到所述相邻设备的无线电传播延迟的信息。如果所述设备了解其三个相邻设备的位置以及到它们的距离，则所述设备可根据此信息计算出其二维空间的位置。

可仅使用基于位置的寻址，或与传统路由方法一起使用以结合两种方法的优点，实施WMN内的分组转发。

根据优选实施例，完全在第2层上执行分组转发或路由。当分组到达节点时，所述节点从目的地MAC地址得知所述分组的目的地的位置。

在第一优选实施例中，在节点处基于其自身的准确位置和目的地的位置来确定所述目的地的方向。在此之后，所述节点将所述分组转发到距所述方向最近的相邻节点。在图4内示出了所述基于方向的路由原理，其中原始节点或无线路由器10根据其自身的位置和目的地节点30的位置来确定或计算目的地节点30的方向，所述目的地节点30的位置是从MAC PDU的对应MAC地址得到的。然后，所述原始节点或无线路由器10分别计算目的地方向与相邻节点或无线路由器20和40的已知方向之间的差异α和β。然后，其选择具有较小差异的相邻节点，并如图4的路由路径R所示将所述分组路由到此节点。

图5示出了备选的基于距离的路由，其中所述源节点10基于所述目的地节点30的所得到位置，确定或计算所述目的地节点30与其所有相邻节点20、40之间的距离L、S。然后所述源节点10仅将所述分组转发到离所述目的地节点30最近的相邻节点。在图5的实例中，较低的相邻节点40和目的地节点之间的距离S较小，所述路由路径R通过较低的相邻节点40。

在某些情况下，以上根据第一和第二优选实施例的备选方法可能会导致不同行为，但实际上差异应当最小。根据第一实施例的方法导致较短的跳频，从而削减功率消耗，因为需要较小的传输功率。根据第二实施例的方法导致较长的跳频，从而最小化到达目的地的跳频数。但其还意味着需要更多的传输功率，从而减少电池寿命，且由于使用更高的传输功率，还会扰乱其它相邻设备。

应当注意的是，在做出转发或路由判定时还可考虑其它参数。这可能包括链路容量、比特误差率、不同链路的不同负载等。

由于寻址基于位置，所以所述设备必须始终了解其当前的位置。所述位置信息应当足够准确，从而使得借助此信息可实现所述转发，但也不必过于精确。因为网络内的所有节点都了解它们的相邻节点，所以当分组足够靠近其目的地时不再需要准确的位置信息。这意味着所需精确度与相邻节点的距离相同。此外，如果所述精确度被管理为在与相邻节点相比时更加精确，则所述精确度甚至不必达到所述准确性。换言之，位置信息内的系统错误并不是至关重要的。系统错误例如可发生在根据相邻设备的位置和到所述相邻设备的距离来确定设备位置时。

由于设备的MAC地址基于所述设备的位置，所以当所述设备移动时该MAC地址必须改变。所述地址改变至少必须被通知给所述设备的相邻设备，从而使得它们能够正确转发指向所述节点的分组。这同样会影响其它分组的路由。尽管所述地址改变，但有时所述节点可能仍然会接收带有旧地址的分组。此外，可能会向所述节点最近与其通信的节点通知所述地址改变，以避免分组损失。在所述网络内应当还存在向其告知MAC地址并从其询问对应于特定IP地址的MAC地址的特定节点。换言之，应当存在充当邻近发现超高速缓冲存储器的节点。因此，向所述特定节点中的(最近的)一个通知所述地址改变，在此之后其它节点可从此特定节点得到所述信息。

实际上仅在地址改变对路由具有重要影响时方需要所述地址改变。这意味着如果所述移动节点并未通过其它任何节点，则所述移动对于路由并无重大影响。实际上，所述系统可能被设计为使得所述相邻节点比网络内的其它节点更精确地了解所述节点的位置，并根据此信息做出转发判定。仅在远离所述节点做出路由判定时方使用所述MAC地址，因此仅在所述相邻节点改变(节点通过其它节点，发现新的相邻节点)时方须改变MAC地址。以恒定速度移动的节点可能还预测其未来的移动，并预先开始地址改变过程。

所述分组被通过网络交换，直至所述分组到达其目的地，或所述交换算法无法推断出接着将所述分组发送到何处。在这些情况下，所述分组被传送到上协议层(网络层)，所述上协议层然后判定如何处置所述分组。以下将定义这样一种情况，即所述交换算法必须将所述分组传送到上层，且如果借助正常的转发方法所述分组未到达目的地，则由所述节点执行操作。

到达其在链路层内的目的地的分组被在IP电平上根据正常路由器操作处理。所述链路层目的地当然并非必然是所述IP分组的目的地，但可以是所述网络内路由的中间的路由器。如果所接收的IP分组的信源和目的地在相同网络内，则所述分组被正常转发，且还会使用(ICMP/邻近发现协议)改发消息来告知所述信源将所述分组直接发送到目的地的MAC地址。

至少存在三种所述交换算法无法将所述分组传送到其目的地以及所述分组必须被传送到上层的情况：

1)所述目的地并不存在，

2)由于无线电干扰无法得知，或

3)并不存在到所述目的地的直接路由。

所述交换算法可根据两个指示检测出所述情况：

1)所述分组来自应当根据所述交换算法将其发送到的接口，或

2)所述无线路由器可得知位于目的地无线路由器后面的另一无线路由器，但无法得知所述目的地自身。

可分别通过使用地址解析协议和邻近发现协议在IPv4和IPv6网内执行MAC地址分解。在WMN内，所述协议消耗过多带宽，因为它们的广播和组播MAC地址使用。这是所述分组可仅被传送到特定所选择节点的原因所在，所述特定的所选择节点然后将所述信息委托给请求所述信息的节点。将组播和广播分组中继到所选择节点的节点可能还会窃听所述分组，并充当代理一段时间。所选择节点然后在它们自身之间保持最新的信息。如果所述的所选择节点连接到一些核心网，则所述核心网可替代WMN用于信息更新。还可通过使用上述方法来实施其它使用组播和/或广播消息的协议。如果节点改变其在所述WMN内的位置，且其基于GPA的MAC地址改变，则该节点将新MAC地址报告给所选择节点和/或所有在WMN内的该节点最近与其通信的其它节点，和/或其它任何网络节点。由于节点的MAC地址可能会在WMN内经常改变，所以所述节点的MAC地址无法被其它节点高速缓冲很长时间。只要其它节点高速缓冲所述地址，节点就应当接受伴随(多个)旧MAC地址的分组。当然，如果节点足够迅速地改变其位置，则分组可能无法借助所述旧的MAC找到其目的地。在这种情况下，所述分组被重新路由到新位置，或被相邻路由器或其它任何网络节点放弃在先前位置。为了使所述重新路由得以实现，所述节点还可能会将其新MAC地址报告给所有其无法再听见的先前分组。

应当理解的是，本发明并不仅限于基于位置的MAC寻址。本发明还可实施在其它系统内，其中可在低协议电平上提供基于位置或所在地的可变地址，而在高协议电平上提供静态的或无法改变的地址。

Claims (20)

1、一种在无线网络中转发分组的方法，所述方法包括步骤：

a)将低于网络层的协议层的地址信息加入所述分组，所述地址信息指示所述分组将被路由到的目的地节点(30)的地理位置，并且所述地址信息在通过所述无线网络转发所述分组期间被改变；以及

b)基于当前节点(10)与所述目的地节点(30)的地理位置之间的差异，在所述无线网络中，完全在所述较低层将所述分组转发到所述目的地节点(30)。

2、根据权利要求1的方法，其中通过计算所述目的地节点(30)的方向与相邻节点(20、40)的方向之间的差异(α，β)，确定所述当前节点(10)与所述目的地节点(10)之间的差异。

3、根据权利要求1的方法，其中通过计算所述目的地节点(30)和相邻节点(20、40)之间的距离(L，S)，确定所述当前节点(10)与所述目的地节点(10)之间的差异。

4、根据权利要求1的方法，其中所述地址信息是链路层地址。

5、根据权利要求4的方法，其中所述链路层地址是MAC地址。

6、根据权利要求1的方法，其中如果所述目的地节点并不存在于所述无线网络内，如果无法得知所述目的地节点，或者如果所述无线网络内并不存在到所述目的地节点的直接路由，则将所述分组传送到较高协议层。

7、根据权利要求6的方法，其中所述网络层是IP层。

8、根据权利要求6或7的方法，其中如果所述分组被传送到所述网络层，则所述网络层放弃所述分组。

9、根据权利要求1的方法，其中如果网络节点的地理位置改变，则新的较低协议层地址被报告给所述网络内的相邻节点、最近通信到的节点和/或其它任何节点。

10、根据权利要求1的方法，其中所述较低协议层地址是基于位置的址址。

11、根据权利要求1的方法，其中如果不再能够定位目的地节点的旧的较低层地址，则所述分组被相邻或其它任何节点重新路由或放弃。

12、一种在无线网络中转发分组的装置，所述装置包括：

a)增加装置，将低于网络层的协议层的地址信息加入所述分组，所述地址信息指示所述分组将被路由到的目的地节点(30)的地理位置，并且所述地址信息在通过所述无线网络转发所述分组期间被改变；以及

b)转发装置，基于当前节点(10)与所述目的地节点(30)的地理位置之间的差异，在所述无线网络中，完全在所述较低层上将所述分组转发到所述目的地节点(30)。

13、根据权利要求12的装置，其中通过计算所述目的地节点(30)与相邻节点(20、40)的方向之间的差异，确定所述当前节点(10)与所述目的地节点(30)之间的差异。

14、根据权利要求12的装置，其中通过计算所述目的地节点(30)和相邻节点(20、40)之间的距离，确定所述当前节点(10)与所述目的地节点(30)之间的差异。

15、根据权利要求12至14中任何一个的装置，其中所述地址信息是链路层地址。

16、根据权利要求15的装置，其中所述链路层地址是MAC地址。

17、根据权利要求12的装置，其中所述装置被设置为如果所述目的地节点并不存在于所述无线网络内，如果无法得知所述目的地节点，或者如果所述无线网络内并不存在到所述目的地节点的直接路由，则将所述分组传送到较高协议层。

18、根据权利要求17的装置，其中所述网络层是IP层。

19、根据权利要求12的装置，其中所述装置被设置为如果网络节点的所述地理位置改变，则将新的较低协议层地址报告给所述网络内的相邻节点、最近通信到的节点和/或其它任何节点。

20、根据权利要求12的装置，其中所述较低协议层地址是基于位置的地址。

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