CN101436997A - 一种基于aodv以及链路故障类型的路由修复方法 - Google Patents

Abstract

基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，要求移动节点在关闭前广播一条关闭通知消息；断开链路处的上游节点发起本地修复过程：首先，所述上游节点在一跳范围内广播路由请求分组，如果上游节点收到过下游节点的关闭通知消息，则上游节点尝试建立到达它的下两跳节点或数据分组的目的节点的路由；如果上游节点没有收到过下游节点的关闭通知消息，则上游节点尝试建立到达它的下一跳节点或数据分组的目的节点的路由。其次，如果第一次路由修复失败，则所述的上游节点在网络范围内广播路由请求分组，尝试建立到达数据分组的目的节点的路由。本发明的方法能够减少链路断开后的路由修复时间，降低路由修复所需的控制分组开销，提高了Ad Hoc网络的性能。

Description

一种基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法

技术领域

本发明涉及一种Ad Hoc网络的路由修复方法，尤其涉及一种基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，本发明对网络规模没有严格的限定，尤其适用于拓扑结构频繁变化的Ad Hoc网络。

背景技术

路由协议是近年来无线Ad Hoc网络研究的重要技术之一。路由协议负责路由的建立和维护工作，路由协议必须能够适应Ad Hoc网络拓扑的快速变化，为节点提供准确的路由信息，同时最大限度地减少控制分组开销以提高网络性能。

AODV(Ad hoc On Demand Distance Vector，Ad Hoc按需距离矢量)是Ad Hoc网络中典型的按需路由协议，它根据需要动态地维护路由表，每个移动节点只建立和维护自己所需目的节点的路由，而不是维护自己到网络中所有其他节点的路由。虽然路由建立过程会带来一定的延时，但可以节约有限的无线网络资源，并且可以满足节点移动频繁随时更新路由的情况。在AdHoc网络中，由于节点的移动性和无线环境的不稳定性，会造成相邻节点间链路断开，从而可能造成路由故障。AODV使用两种方法进行路由修复。方法之一，由源节点发起路由修复过程，当链路断开时，断开链路处的上游节点沿着反向路径发送RERR(Route Error)分组至源节点，源节点收到后将发起路由修复过程，以数据分组的目的节点为路由搜索条件广播RREQ(Route Request)分组，目的节点或者有到达目的节点路由的节点收到RREQ后返回RREP(Route Reply)分组，源节点收到RREP分组后路由修复过程结束。方法之二，由断开链路处的上游节点发起本地修复过程，当链路断开时，如果上游节点到目的节点的距离(跳数)小于或等于上游节点到源节点的距离，则满足AODV的本地修复条件，上游节点不发送RERR分组通知源节点，而是作为修复节点发起本地修复过程，以数据分组的目的节点为路由搜索条件广播RREQ分组，修复过程对源节点是不可见的。所述的上游节点广播RREQ分组并等待RREP分组返回，在此期间修复节点将缓存数据分组，如果上游节点在有效时间内没有收到RREP分组，则上游节点将广播RERR分组以通知其他节点链路断开。如果收到了RREP分组，则路由修复成功，所述的上游节点将缓存中的数据分组依次取出发送。

AODV的本地修复避免了由源节点重新发起路由建立过程，从而缩短了路由建立时间，减少了控制分组的开销。但是，当修复节点与目的节点的距离较长时，路由建立时间和控制开销仍会较大。通常情况下，在节点间的链路断开时，断开链路处的下游节点(下一跳或下两跳节点)仍具有到达目的节点的路由，且下游节点相对于目的节点，都会更加靠近修复节点，在小范围内广播RREQ分组就能够建立修复节点到下游节点的路由，这样相当于修复节点到目的节点的路由也建立了。《自组网AODV路由协议中断链修复的改进》(电子科技大学学报，2003年10月第32卷第5期)提出的路由修复方法是，在链路断开时，由断开链路处的下游节点广播一条链路修复分组给链路的上游节点，省略了上游节点广播RREQ分组的过程。该方法的缺点是，如果由于下游节点的软硬件故障或关闭退网而造成链路断开，则上游节点不能收到链路修复分组，这样本地修复的效率会更低，产生更长的路由建立时间和数据分组时延。《保存下两跳节点策略在AODV路由算法中的应用》(计算机科学，2005年第32卷第4期)提出了基于保存下两跳节点的本地修复方法，当节点间链路断开时，断开链路处的上游节点广播以它的下两跳节点为路由搜索条件的RREQ分组，建立修复节点到下两跳节点的路由，从而完成路由修复。该方法的缺点是，一方面它忽视了小范围RREQ广播也可以建立到目的节点路由的可能性，另一方面，它假设下两跳节点仍具有到达目的节点的路由，如果下两跳节点到目的节点的路由失效，则本地修复的效率会更低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减小链路断开后的路由建立时间，降低路由修复的控制分组开销，从而提高Ad Hoc网络的性能的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是基于AODV本地修复，对AODV本地修复做出了适当的改进。该方法包括：

a)首先对链路断开处的上游节点检查是否满足AODV本地修复条件，即上游节点到达路由目的节点的距离小于或者等于上游节点到达路由始发节点的距离，若满足本地修复条件，则上游节点启动路由故障的本地修复，若不满足本地修复条件，则上游节点向始发节点发送RERR分组，通知始发节点链路断开情况，由始发节点发起路由建立过程；

b)所述的上游节点确定下游节点的状态；

为了能够使上游节点确定下游节点的状态，本发明的方法规定，Ad Hoc网络中的移动节点在关闭时要广播一个关闭通知消息给它的邻居节点。

需要说明的是，在Ad Hoc网络中，节点关闭会导致该节点与相邻节点之间的链路断开，以往的技术方案中并没有考虑节点的状态改变。本发明提出的改进方法中，要求节点在关闭时广播RERR(Route Error)分组，其中的不可达节点地址为节点本身的IP地址，本发明把该RERR称为关闭通知消息。如果邻居节点收到的RERR分组的不可达节点地址与RERR分组的始发地址相同，就认为收到了关闭通知消息，说明发送关闭通知消息的节点将要关闭。改进的目的是让路由协议能更好地适应实际网络，同时，关闭通知消息为本发明的本地修复方法提供了操作依据，即若上游节点在链路断开前收到了下游节点的关闭通知消息，则上游节点在启动本地修复时，不需要尝试建立到达下一跳节点的路由，而是尝试建立到达下两跳节点或数据分组目的节点的路由，从而减少了不必要的网络开销；若上游节点在链路断开前没有收到下游节点的关闭通知消息，则上游节点在启动本地修复时，尝试建立到达下一跳节点或数据分组目的节点的路由。

需要说明的是，本发明对节点状态改变所造成的链路故障进行分类，链路故障分类的目的是为改进的本地修复技术提供依据，当链路断开后，链路断开处的上游节点分析故障原因，根据链路故障的类型选择不同的本地修复方法。本发明将链路断开的原因归纳为下面三类，分别对应三种链路故障：1)节点之间的相对移动，造成节点间链路中断；2)节点自身的故障，包括硬件和软件的故障，使故障节点的上游和下游的链路同时中断；3)节点的主动关闭，包括人为关闭或能耗殆尽关闭等，使得节点的上游和下游链路中断。

c)若上游节点启动路由故障的本地修复，首先，所述的上游节点在一跳范围内(TTL＝1，TTL：Time To Live)广播RREQ分组，等待RREP分组响应；

需要说明的是，本发明改进了AODV协议在本地修复在第一次广播RREQ分组时采用的RREQ分组，改进的内容是在RREQ分组中增加了路由搜索条件，具体地说，路由搜索条件不仅包括数据分组的目的节点IP地址，也包括链路断开处的下游节点IP地址。这种方法的益处是，小范围内广播RREQ分组，既可以建立到下游节点的路由，也可以建立到目的节点的路由，从而弥补了以单一节点地址作为路由搜索条件的不足。

需要说明的是，本发明要求节点在路由表项中保存下两跳节点地址。节点路由表的路由表项存放着节点到达其他节点的路由信息，传统AODV的路由表项中包括下一跳节点地址和目的节点地址，并不包括下两跳节点地址，当节点收到数据分组后将分组转发到下一跳节点。本发明要求的是，在路由表项中不仅保存节点的下一跳节点地址，也保存节点的下两跳节点地址。改进方法的目的是，如果所述的上游节点在链路断开前并没有收到下游节点的关闭通知消息，则启动本地修复时第一次广播的RREQ分组中，路由搜索条件为下两跳节点地址和数据分组的目的地址，避免了尝试建立到下一跳节点花费的时间和网络开销。如果所述的上游节点在链路断开前收到了下游节点的关闭通知消息，则启动本地修复时第一次广播的RREQ分组中，路由搜索条件为下两跳节点地址和数据分组的目的地址。

需要说明的是，在链路故障发生后，节点的路由表项设置为无效，仍保存下一跳和下两跳节点，不过这些信息在拓扑变化频繁的自组网中是很容易过期的，本发明的方法对路由表项设置了有效期，当节点需要本地修复时，必须检查路由表项是否过期，如果没有过期，修复节点可以尝试建立到下一跳或下两跳节点的路由，如果已经过期，则修复节点直接尝试建立到目的节点的路由。

在第一次RREQ分组广播过程中，改进的RREQ分组格式为：

d)所述的上游节点的邻居节点收到RREQ分组后，检查是否有到下游节点或目的节点地址的路由，如果有路由，则返回RREP分组；否则，丢弃RREQ分组；

需要说明的是，在第一次RREQ分组广播过程中，所述的邻居节点收到RREQ分组后，首先检查是否有到达目的节点的路由，如果有路由，节点返回RREP分组，如果没有路由，节点再检查是否有到达下游节点的路由，如果没有路由，节点丢弃RREQ分组；如果有路由，节点返回RREP分组，并且根据RREQ分组中的目的节点地址在自身的路由表中新增一条路由表项，其中的目的节点地址设置为RREQ分组的目的节点IP地址，下一跳节点地址设置为当前节点到达所述的下游节点的下一跳节点地址。这样做的目的是，当修复节点完成本地修复开始转发数据分组时，当前节点正确地转发数据分组。

e)在第一次广播RREQ分组后，若上游节点收到RREP分组，则更新路由表，将缓存的数据分组取出后依次发送；

f)在第一次广播RREQ分组后，若上游节点等待RREP分组超时，则启动第二次本地修复过程，在网络范围内广播RREQ分组，路由搜索条件仅为数据分组的目的节点地址；

g)在第二次广播RREQ分组后，若上游节点收到RREP分组，则更新路由表，将缓存的数据分组取出后依次发送；

h)在第二次广播RREQ分组后，若上游节点等待RREP分组超时，则本地修复失败，上游节点广播RERR分组，将链路断开的情况通知给其他节点。

与现有技术相比，本发明的路由修复方法带来的有益效果以及经济效益是：1)从路由建立时间的角度分析，修复节点以下一跳或下两跳节点为路由搜索条件广播RREQ分组能更快得到RREP响应，缩短了路由建立时间，缓存在修复节点的数据分组的传输时延也会降低，从而减小了网络拓扑频繁变化对用户业务的影响，提高了Ad Hoc网络的可用性；2)从控制分组开销的角度分析，由于下一跳和下两跳节点更加靠近修复节点，小范围内广播RREQ分组就能够建立到达下一跳或下两跳节点的路由，从而减少了本地修复的控制开销。控制开销的减少节省了相对有限的无线网络资源，从而可以提高Ad Hoc网络的吞吐量；

本发明的效果是：对AODV协议的本地修复做出改进，从而提高路由协议的性能以及网络的整体性能。本发明已在NS2网络仿真平台上进行了性能验证。

附图说明

图1节点启动本地修复过程的流程框图；

图2节点等待本地修复结果的流程框图；

图3节点收到RREQ分组后的流程框图；

图4节点间由于相对移动造成的链路故障的修复过程示意图；

图5节点发生软硬件故障造成的链路故障的修复过程示意图；

图6节点关闭造成的链路故障的修复过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明的核心是在路由故障时采用本地的快速修复，可以提高路由的修复速度、降低控制开销，下面进行详细说明。

节点发送关闭通知消息的具体步骤为：首先，路由层获知节点将要关闭；然后，节点使用RERR分组，分组中的不可达节点地址填写为本节点的IP地址；最后，节点在一跳范围内广播RERR分组，通知与它相邻的节点。

节点接收关闭通知消息的具体步骤为：首先，节点收到RERR分组；然后，节点取出分组中的不可达节点地址，如果该地址与发送RERR分组的节点地址相同，则节点认为该RERR分组为关闭通知消息；最后，节点查找自身的路由表，如果有路由使用即将关闭的节点作为下一跳节点，则节点更新路由表项，将路由的标志改为关闭，记录路由关闭的原因为下一跳节点关闭。

参考图1，该图是本发明链路故障的修复方法的启动流程图，具体地说，流程图包括故障的检测和故障的启动修复，主要包括以下步骤：

步骤11，节点收到数据分组，根据目的地址查找路由表；

步骤12，如果节点找到路由，则将数据分组转发到路由表项的下一跳节点；

步骤13，如果节点未找到路由或者节点转发数据分组失败，则节点判断是否满足本地修复条件，如果满足条件，则执行步骤14；如果不满足条件，则执行步骤15；

步骤14，节点判断是否已经发起了对该路由故障的本地修复，如果正在进行本地修复，则执行步骤16，否则，执行步骤17；

步骤15，节点发送RERR分组，通知源节点链路断开情况；

步骤16，节点将收到的数据分组缓存在等待发送数据分组队列中，等待本地修复结果；

步骤17，节点启动本地修复，节点发起第一次本地修复过程，节点判断是否收到过下游节点发出的关闭通知消息，如果收到了关闭通知消息，则执行步骤18；否则，执行步骤19；

步骤18，所述的节点以路由表项的下两跳节点和目的节点作为路由搜索条件，在一跳范围内广播RREQ分组，启动等待计时器，等待RREP响应；

步骤19，所述的节点以路由表项的下一跳节点和目的节点作为路由搜索条件，在一跳范围内广播RREQ分组，启动等待计时器，等待RREP响应；

参考图2，断开链路处的上游节点启动本地修复后，等待修复结果的步骤是：

步骤21，若等待计时器达到最大等待时间，则RREP响应超时，所述的上游节点启动的本地修复失败，执行步骤22；若计时器到期之前收到RREP响应，则执行步骤23；

步骤22，若所述的上游节点启动的是第一次本地修复过程，则执行步骤24；否则，执行步骤25；

步骤23，本地修复成功，所述的上游节点更新路由表，设置路由表项为有效，将缓存队列中的数据分组依次取出后转发；

步骤24，第一次本地修复过程失败，说明所述的上游节点以外一跳范围内的节点没有到达目的节点或者下游节点的路由，上游节点启动第二次本地修复过程，这个过程和AODV协议的本地修复过程相同，即以目的节点作为路由搜索条件在网络范围内广播RREQ分组；

步骤25，第二次本地修复过程失败，说明在网络范围内没有找到到达目的节点的路由，所述的上游节点广播RERR分组，通知其他节点链路断开的情况。

参考图3，网络中的节点收到本地修复过程所广播的RREQ分组后的步骤是；

步骤31，节点收到RREQ分组，将分组的TTL减去一个单位，然后根据分组中的目的节点地址搜索节点的路由表，如果有到达目的节点的路由，则执行步骤32，否则，执行步骤33；

步骤32，所述的节点返回RREP分组；

步骤33，如果RREQ分组中包括下游节点的IP地址，则执行步骤34，否则，执行步骤35；

步骤34，所述的节点根据RREQ分组的下游节点地址搜索节点的路由表，如果有达到下游节点的路由，则节点在路由表中新增一条对应的路由表项，然后执行步骤32；否则，执行步骤35；

步骤35，若RREQ分组的TTL大于零，则所述的节点继续广播RREQ分组，否则，节点丢弃RREQ分组。

参考图4，该图是本发明的路由修复方法针对节点间相对移动所造成的链路故障的修复流程示意图，具体地说，网络中有一条路由(ABFCEHJ)，节点C和E由于相互的移动造成节点间的链路断开，产生第一种链路故障，C设置路由表项为无效，在一段有效时间内，C收到目的地址为J的数据分组，此时路由已失效，因为C到J的距离小于或等于C到A的距离，满足AODV的本地修复条件，C启动本地修复，步骤如下：

步骤41，节点C启动第一次本地修复过程，在一跳范围内广播RREQ分组，路由搜索条件为下一跳节点E和数据分组的目的节点J；

步骤42，当下一跳节点E收到RREQ分组，如果它具有到达J的路由，将返回RREP分组；或者，如果D具有到达E的路由，则D在路由表中增加一条路由表项，其中目的节点为J，下一跳节点为E，然后D返回RREP分组；或者，当节点J或者有到达J路由的节点收到RREQ分组时，将返回RREP分组；C收到RREP分组后更新路由表，本地修复过程完成；

步骤43，若第一次本地修复失败，则节点C发起第二次本地修复过程，在网络范围内广播RREQ分组，路由搜索条件仅为目的节点J；

步骤44，第二次本地修复过程中，当节点J或有到达节点J路由的节点I收到RREQ后，将返回RREP分组；

步骤45，若第二次本地修复失败，则C广播RERR分组，通知其他节点链路(CE)已断开。

参考图5，该图是本发明的路由修复方法针对节点发生软硬件故障造成的链路故障的修复流程示意图，具体地说，网络中有一条路由(ABFCEHJ)，节点E发生异常故障造成链路(CE)和(EH)中断，产生第二种链路故障，由于节点E不能发送关闭通知分组，此时C并不能确定E的状态，C检测到链路故障后设置路由表项为无效，当C收到目的地址为J的数据分组时，与第一种链路故障的处理过程一样，C启动本地修复，步骤如下：

步骤51，节点C发起第一次本地修复过程，路由搜索条件为下一跳节点E和数据分组的目的节点J；

步骤52，由于节点E发生故障，导致节点E和临节点间的链路断开，节点D和E都无法返回RREP分组，若J或者有到达J有效路由的节点收到RREQ分组后，将返回RREP分组，C收到RREP分组后，更新路由表，本地修复过程结束；

步骤53，若第一次本地修复失败，则C发起第二次本地修复过程，路由搜索条件仅为目的节点J；

步骤54，第二次本地修复过程中，当节点J或有到达节点J路由的节点I收到RREQ后，将返回RREP分组；

步骤55，若第二次本地修复失败，则C广播RERR分组，通知其他节点链路(CE)已断开。

参考图6，该图是本发明的路由修复方法针对节点关闭造成的链路故障的修复过程示意图，具体地说，网络中有一条路由(ABFCEHJ)，当节点E将要主动关闭时，E广播故障通知分组，邻居节点收到后可确定链路(CE)和(EH)断开的原因，C设置链路(CE)的故障类型为第三类故障，并设置相应的路由表项为失效；在一段时间内，C收到目的地址为J的数据分组时，发现下游链路发生第三种故障，C启动本地修复，步骤如下：

步骤61，节点C发起第一次本地修复过程，在一跳范围内广播RREQ分组，路由搜索条件为下两跳节点H和目的地址J；

步骤62，若H收到RREQ分组，如果它有到达J的路由，将返回RREP分组；或者，若D具有到达H的路由，则D在路由表中新增一条路由表项，其中目的节点为J，下一跳节点为H；或者，若J或有到达J有效路由的节点收到RREQ分组，将返回RREP分组；C收到RREP分组后更新路由表，本地修复过程结束。

步骤63，若第一次本地修复失败，则C发起第二次本地修复过程，在网络范围内广播RREQ分组，路由搜索条件仅为目的节点J；

步骤64，第二次本地修复过程中，当节点J或有到达节点J路由的节点I收到RREQ后，将返回RREP分组；

步骤65，若第二次本地修复失败，则C广播RERR分组，通知其他节点链路(CE)已断开。

Claims (6)

1、一种基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：

a)首先对链路断开处的上游节点检查是否满足AODV本地修复条件，即上游节点到达路由目的节点的距离小于或者等于上游节点到达路由始发节点的距离，若满足本地修复条件，则上游节点启动路由故障的本地修复，若不满足本地修复条件，则上游节点向始发节点发送RERR分组，通知始发节点链路断开情况，由始发节点发起路由建立过程；

b)上游节点确定下游节点的状态：Ad Hoc网络中的移动节点在关闭时要广播一个关闭通知消息给它的邻居节点；

在Ad Hoc网络中，节点关闭会导致该节点与相邻节点之间的链路断开，要求节点在关闭时广播RERR(Route Error)分组，其中的不可达节点地址为节点本身的IP地址，把该RERR分组称为关闭通知消息，如果邻居节点收到的RERR分组的不可达节点地址与RERR分组的始发地址相同，则认为收到了关闭通知消息，发送关闭通知消息的节点将要关闭；若上游节点在链路断开前收到了下游节点的关闭通知消息，则上游节点在启动本地修复时，建立到达下两跳节点或数据分组目的节点的路由；若上游节点在链路断开前没有收到下游节点的关闭通知消息，则上游节点在启动本地修复时，建立到达下一跳节点或数据分组目的节点的路由；

c)若上游节点启动路由故障的本地修复，首先，所述的上游节点在一跳范围内(TTL＝1，TTL：Time To Live)广播RREQ分组，等待RREP分组响应；

d)上游节点的邻居节点收到RREQ分组后，检查是否有到下游节点或目的节点地址的路由，如果有路由，则返回RREP分组；否则，丢弃RREQ分组；

e)在第一次广播RREQ分组后，若上游节点收到RREP分组，则更新路由表，将缓存的数据分组取出后依次发送；

f)在第一次广播RREQ分组后，若上游节点等待RREP分组超时，则启动第二次本地修复过程，在网络范围内广播RREQ分组，路由搜索条件仅为数据分组的目的节点地址；

g)在第二次广播RREQ分组后，若上游节点收到RREP分组，则更新路由表，将缓存的数据分组取出后依次发送；

h)在第二次广播RREQ分组后，若上游节点等待RREP分组超时，则本地修复失败，上游节点广播RERR分组，将链路断开的情况通知给其他节点。

2、根据权利要求1所述的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：所说的本地修复在第一次广播RREQ分组时采用的RREQ分组，路由搜索条件不仅包括数据分组的目的节点IP地址，也包括链路断开处的下游节点IP地址。

3、根据权利要求1所述的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：所说的节点在路由表项中不仅保存下一跳节点地址，也保存下两跳节点地址，节点路由表的路由表项存放着节点到达其他节点的路由信息，如果所述的上游节点在链路断开前并没有收到下游节点的关闭通知消息，则启动本地修复时第一次广播的RREQ分组中，路由搜索条件为下一跳节点地址和数据分组的目的地址；如果所述的上游节点在链路断开前收到了下游节点的关闭通知消息，则启动本地修复时第一次广播的RREQ分组中，路由搜索条件为下两跳节点地址和数据分组的目的地址。

4、根据权利要求1所述的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：所说的在链路故障发生后，对路由表项设置有效期，当节点需要本地修复时，必须检查路由表项是否过期，如果没有过期，修复节点可以尝试建立到下一跳或下两跳节点的路由，如果已经过期，则修复节点直接建立到目的节点的路由。

5、根据权利要求1所述的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：在第一次RREQ分组广播过程中，所说的RREQ分组格式为：

6、根据权利要求1所述的基于AODV以及链路故障类型的路由修复方法，其特征在于：在第一次RREQ分组广播过程中，所说的邻居节点收到RREQ分组后，首先检查是否有到达目的节点的路由，如果有路由，节点返回RREP分组，如果没有路由，节点再检查是否有到达下游节点的路由，如果没有路由，节点丢弃RREQ分组；如果有路由，节点返回RREP分组，并且根据RREQ分组中的目的节点地址在自身的路由表中新增一条路由表项，其中的目的节点地址设置为RREQ分组的目的节点IP地址，下一跳节点地址设置为当前节点到达所述的下游节点的下一跳节点地址。

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