CN101534520B - 移动Ad hoc网络可靠路由方法 - Google Patents

Abstract

一种移动Adhoc网络环境下可靠路由的方法。以提高数据传输有效性为目标，以结合链路稳定性和路由选路为核心思想，解决移动Ad hoc网络环境下的可靠路由问题。数据链路层设计与网络层设计紧密结合，数据链路层根据链路稳定性模型为每个节点产生最新的链路稳定性信息，网络层根据该信息构造链路稳定性表。当节点有数据要发送时，节点按需建立路由。网络层以链路稳定性表为依据，以链路稳定性为衡量选路的标准，建立源节点到目标节点之间的可靠路由。通过为路由路径中不稳定的链路建立冗余链路，来进一步提高路由的可靠性。结合了主动路由协议和按需路由协议的优点，链路稳定性表需要及时更新，保证了路由的可靠性。路由表中的路由信息只在传输开始的时候才更新，减少了控制信息的额外开销。

Description

移动Ad hoc网络可靠路由方法

技术领域

本发明涉及移动Ad Hoc网络的路由领域，特别是涉及一种基于链路稳定性的移动Ad Hoc网络可靠路由方法。

背景技术

移动Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳、临时性自治系统。网络中的节点可以互相通信且都具有终端和路由的功能。传统的路由方法是为相对稳定的网络拓扑而设计的，它们无法满足移动Ad hoc网络拓扑快速变化的需要。因此可靠的路由方法对于网络可靠性差、结点移动性大的移动Ad Hoc网络而言尤其重要。

到目前为止，研究人员已经提出了许多移动Ad hoc网络路由方法，根据路由发现策略，主要可以分为以下三类：

(1)表驱动路由方法：

表驱动路由方法也称为主动路由方法或者先验式路由方法。其原理是每个节点维护一张包含到达节点路由信息的路由表。源节点一旦需要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。当网络拓扑发生变化时，更新路由表信息，并把这个更新消息传遍整个网络。目前常用的表驱动路由协议主要有DSDV、WRP即等。

(2)按需路由方法：

按需路由方法又称为随选型路由方法或者反应式路由方法，是专门针对MANET环境提出来的。与表驱动路由方法相反，该类方法并不事先生成路由，而是仅在源节点需要时才这样做。因此，路由表信息是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。按需路由一般包括两个阶段，路由发现和路由维护。该类型中各路由方法的差别表现在发现路由的过程、取得和维护信息的方法、传输数据的方式。主要包括AODV、DSR和ARB等。

(3)混合型路由方法：

混合型路由方法结合了表驱动路由方法和按需路由方法的优点，其原理是整个移动Ad hoc网络被分为多个簇，这些簇由若干个节点组成，在每个簇内根据特定方式选举出簇头。在簇内的节点间采用表驱动的路由方法，簇头节点间通信采用按需路由方法。这类路由方法主要是ZRP。

根据网络所采用的逻辑拓扑结构形式，可将(1)和(2)归纳为平面型路由方法，而(3)则属于层次型路由方法。以上路由方法虽然各有其优点及适用场合，但是在移动Ad hoc网络中，它们并不算是完美的路由方法。以上的路由方法并没有反应底层链路的情况，在很多情况下直接采用跳数作为衡量路由选路的唯一标准。但是在移动Ad hoc网络环境下，这种选路是很不合理的。

移动性是移动Ad Hoc网络的一个重要特性，这种移动性对协议栈中的各层都具有一定影响。在链路层，移动性决定了链路特性的变化速率和链路连通性的持续时间。在网络层，结点的移动性对分组转发的效率起着决定性的作用。结点移动性对网络性能的综合影响最终决定了该网络的健壮性和可用性。因此，基于链路稳定性的可靠路由方法设计对提高网络的整体性能和数据传输有效性具有非常重要的意义。

发明内容

本发明以提高数据传输有效性为目标，以结合链路稳定性和路由选路为核心思想，解决移动Ad Hoc网络环境下的可靠路由问题。具体包括：

1.在链路层，以本领域广泛采用的网络模型和移动模型为基础，推导移动Ad Hoc网络的链路稳定性模型，预测给定链路在未来某一时间段内始终连通的概率。

2.在网络层，每个节点维护两个表：链路稳定性表和路由表。移动Ad hoc网络是一个节点不断移动，拓扑动态变化的网络，所以及时更新链路稳定性表。当节点有数据要发送时，按需建立路由表。为了保证路由可靠，以链路稳定性为衡量路由选路的标准。所选取的路由为到达目的节点稳定性最高的路径。为了进一步提高路由的可靠性，对路径上低于特定阈值的链路进行保护，这种保护是通过构造冗余链路来实现的。

本发明的技术方案如下：

一种移动Ad Hoc网络环境下可靠路由的方法，包括数据链路层周期性链路稳定性预测步骤和网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤，其特征在于：

所述数据链路层周期性链路稳定性预测步骤包括：

1)节点根据初始距离和方向生成位置信息，并将该位置信息交付给链路层，每个节点将自己的位置信息广播给邻居节点；

2)节点计算出到每个邻居节点的距离，并预测各个链路的稳定性，链路层将计算得到的链路稳定性信息交给网络层；

所述网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤包括：

1)网络层根据数据链路层产生的链路稳定性信息构造链路稳定性表；

2)节点有数据要发送时，按需建立到目标节点的路由，进入开始阶段，包括：构造最优树结构，选择一条从源节点到目标节点的路由路径，该路径上的各条链路的稳定性的乘积最大；待最优树结构构造完毕后，定义一个稳定性阈值L，链路稳定性低于此阈值的链路被视为不可靠，对于不可靠的链路，构造冗余链路，其中，对于最优树结构中每条链路稳定性低于阈值L的链路，该链路的起始节点询问自己的所有邻居到该链路终止节点的链路稳定性值，并获得回复值，选择自己到邻居节点的链路稳定性值与该回复值乘积最大的邻居作为冗余链路的中间节点，在冗余链路的中间节点和该不可靠链路的起始节点中，添加到目标节点的路由，构造出冗余链路；

3)路由建立后，节点根据路由表将数据传递到目标接点，进入工作阶段；

4)节点发生数据丢失时，进入恢复阶段。

在数据链路层周期性链路稳定性预测步骤的步骤2)中，节点基于随机走动模型预测各个链路的稳定性，链路稳定性定义为概率L(d₀，t)，即假设两节点之间在初始时刻t₀的距离为d₀，节点间链路在(t₀，t₀+t)时间段内持续连通的概率，参数t根据应用层一次数据传输持续的时间进行设定。

在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤1)中，根据数据链路层提供的链路稳定性信息，网络层周期性构造链路稳定表。

在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤3)中，当有数据到达时，节点查看数据的目标地址是否为自己，如果是则停止转发，否则根据目标地址查找路由表，将该数据转发给下一跳节点，当到下一跳节点的链路不可靠时，同时也向冗余链路上的下一跳节点转发该数据。

在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤4)中，当发生数据包丢失时，节点首先进行本地恢复，根据最新的链路稳定性表调整链路保护信息，最优树结构不会发生改变，当数据包丢失越来越严重时，重启开始阶段，构造一个新的最优树结构。

所述链路稳定性表包括以下字段：

neighAddr：邻居节点的地址；

neighSeq：邻居节点的序列号；

linkQuality：到达邻居节点的链路稳定性的值；

length：到达邻居节点的距离；

lifetime：表项的过期或者删除时间。

所述路由表包括以下字段：

destAddr：目标节点的地址；

destSeq：目标节点的序列号；

linkQuality：到达目标节点的链路稳定性的值，取值范围为0～1；

nextHop：下一跳节点；

lifetime：路由表项的过期或者删除时间。

与现有技术相比，本发明的创新之处在于：以结合链路稳定性和路由选路为核心思想，设计移动Ad Hoc网络环境下的路由方法，结合表驱动路由方法和按需路由方法的优点，使路由的可靠性得到保证。具体体现在：

1.链路层设计与网络层设计紧密结合，链路层根据链路稳定性模型为每个节点构造最新的链路稳定性信息。网络层以链路稳定性表为依据，以提高路由路径可靠性为目标建立路由。

2.结合了主动路由协议和按需路由协议的优点，链路稳定性表需要及时更新，保证了路由的可靠性，这是表驱动路由方法的优点。路由表中的路由信息只在传输开始的时候才更新，减少了控制信息的额外开销，这是按需路由方法的优点。

附图说明

图1移动Ad Hoc网络环境下可靠路由方法体系结构

图2链路稳定性表的数据结构

图3路由表的数据结构

图4RREQ报文结构

图5RREP报文结构

具体实施方式

参阅图1，本发明采用了跨层的设计框架，链路稳定性的评估从数据链路层开始并交付给上层的协议，最后，在网络层进行链路稳定性表和路由表的维护工作。

移动Ad Hoc网络中的节点根据初始距离和方向生成位置信息，并将该位置信息交付给链路层，每个节点将自己的位置信息广播给邻居节点。节点计算出到每个邻居节点的距离，并基于随机走动模型和覆盖模型，预测各个链路的稳定性。链路稳定性定义为概率L(d₀，t)，即假设两节点之间在初始时刻t₀的距离为d₀，节点间链路在(t₀，t₀+t)时间段内持续连通的概率。参数t可以根据应用层一次数据传输持续的时间进行设定。链路层将计算得到的链路稳定性信息给网络层，网络层生成并维护链路稳定性表。

请参阅图2。图2描述了网络层生成的链路稳定性表的结构，其各个字段的意义如下：

·neighAddr：邻居节点的地址；

·neighSeq：邻居节点的序列号；

·linkQuality：到达邻居节点的链路稳定性的值；

·length：到达邻居节点的距离；

·lifetime：表项的过期或者删除时间。

假设某一传输路径由k条链路组成：

P_j＝{L₁，L₁，…，L_k}

用概率值f(L_i，t₀，Δt)表示链路L_i从t₀时刻开始在给定时间长度Δt内的稳定程度，用概率值F(P_j，t₀，Δt)表示某一传输路径P_j从t₀时刻开始在给定时间长度Δt内的稳定程度，则在链路相互独立的条件下，根据联合概率思想，必然存在：

F(P_j，t₀，Δt)＝f(L₁，t₀，Δt)×f(L₂，t₀，Δt)×…×f(L_k，t₀，Δt)

本发明把f(L_i，t₀，Δt)作为链路L_i的权值，显然，权值越大，链路的稳定性越高。根据上述公式，源节点可以在多条路径{P₁，P₂，...，P_n}中选择出一条稳定性最高的到达目的节点的传输路径：

F(P_MAX，t₀，Δt)＝max{F(P₁，t₀，Δt)，F(P₂，t₀，Δt)，…，F(P_n，t₀，Δt)}

根据上述描述原则作为路由选路的原则，每个节点根据路由选路的结果生成路由表。

请参阅图3。图3描述了上述生成的路由表的结构，其各个字段的意义如下：

·destAddr：目标节点的地址；

·destSeq：目标节点的序列号；

·linkQuality：到达目标节点的链路稳定性的值，取值范围为0～1；

·nextHop：下一跳节点；

·lifetime：路由表项的过期或者删除时间。

从功能上讲，路由发现和维护有三个阶段组成。即开始阶段、工作阶段和恢复阶段。当一个数据传输开始的时候，触发开始阶段，以根据存储在链路稳定性表中的链路信息来发现最优路由路径。当路由路径构建成功之后，工作阶段开始，数据包被交付给接收者。当发生数据包丢失时，开始恢复阶段的工作，它首先尝试本地恢复，如果数据包丢失率越来越高，网络情况变得越来越差，触发重路由，重新开始路由发现和维护。

路由开始阶段有两部分组成：一是构造最优的树结构；二是构造Mesh结构。所谓构建最优树结构，是指构造出一棵最优树，从根节点和叶节点有着最高的链路稳定性。而构造Mesh结构是指在构造出树结构之后，依据一定的链路稳定性阈值，对树的主干中低于阈值的链路进行额外的保护。

在这个过程中将会使用RREQ(路由请求)和RREP(路由回复)两类报文。

请参阅图4。图4描述了RREQ报文的格式，其各个字段的意义如下：

·pktType：数据包类型，指明是RREQ报文；

·bcastId：广播的ID；

·destAddr：目标节点的地址；

·srcAddr：源节点的地址；

·srcSeq：源节点的序列号；

·lastAddr：上一跳的地址；

·linkQuality：从源节点到达当前节点链路的质量状况。

请参阅图5。图5描述了RREP报文的格式，其各个字段的意义如下：

·pktType：数据包类型，指明是RREP报文；

·srcAddr：源节点的地址；

·destAddr：目标节点的地址；

·destSeq：目标节点的序列号；

·linkQuality：从目标节点到达当前节点链路的质量状况。

·lifetime：路由表项的过期或者删除时间。

在构造最优树的过程中，源节点向邻居节点广播RREQ消息。该消息pktType字段设为RREQ。bcastId字段设置为广播Id。destAddr字段设置为目标节点的地址。srcAddr字段设置自己的地址。srcSeq字段用来标识本次路由请求，具有全网作用范围，初始为0，以后每次路由请求递增该值。由于自己是请求的发起者，所以lastAddr字段设置为自己的地址。linkQuality字段设置为1，表示自己到自己的链路稳定性为1。邻居节点收到RREQ消息后按如下流程进行处理：

1)如果收到同一源节点相同srcSeq的多个RREQ消息，只处理具有最高linkQuality的消息。

2)根据srcAddr查找路由表，如果路由表中没有匹配的路由，则转3)；如果有匹配的路由，且路由条目中的destSeq大于路由请求消息中的srcSeq，表示这条路由请求是过期的，转5)，否则转3)。

3)根据该RREQ消息，在路由表中添加一条到源节点的反向路由。如果消息中的destAddr为自己的地址，创建一个RREP消息，根据反向路由发送给源节点，转5)；如果消息中的destAddr不为自己的地址，则转4)。

4)根据destAddr查找路由表，如果路由表中有匹配的路由且没有过期，则根据这条路由创建一个RREP消息发送给源节点。否则，修改RREQ消息，并进行广播。转5)。

5)结束。

在上述步骤3)，添加的反向路由中各字段的设置如下：

●destAddr字段设置为收到RREQ消息的srcAddr字段值。

●destSeq字段设置为收到RREQ消息的srcSeq字段值。

●linkQuality字段设置为当前节点到上一条节点链路稳定性的值与收到RREQ消息linkQuality字段值的乘积。

●nextHop字段设置为收到RREQ消息的lastAddr字段值。

●lifetime设置为默认值。

在上述步骤3)中，创建的RREP消息各个字段设置如下：

●pktType字段设置为RREP；

●srcAddr字段设置为节点自己的地址。

●destAddr字段设置为收到RREQ消息的srcAddr字段值。

●destSeq字段设置为收到RREQ消息的srcSeq字段值。

●linkQuality字段中设置为1。

●lifetime设置为默认值。

在上述步骤4)中，创建的RREP消息各个字段设置如下：

●pktType字段设置为RREP；

●srcAddr字段设置为收到RREQ消息的destAddr字段值。

●destAddr字段设置为收到RREQ消息的srcAddr字段值。

●destSeq字段设置为收到RREQ消息的srcSeq字段值。

●linkQuality字段中设置相应路由表项中的linkQuality字段值。

●lifetime设置为相应路由表项中的lifetime字段值。

在上述步骤4)中，对RREQ消息做如下修改：

●bcastId设置为当前节点的广播Id。

●lastAddr设置为当前节点的地址。

●linkQuality设置为当前节点到上一条节点链路稳定性的值与收到RREQ消息中linkQuality字段值的乘积。

当节点受到RREP消息后按如下流程进行处理：

1)如果收到同一源节点相同destSeq的多个RREP消息，只处理具有最高linkQuality的消息，或处理第一个收到的消息。

2)根据srcAddr查找路由表，如果路由表中没有匹配的路由，则转3)，如果有匹配的路由，且路由条目中的destSeq大于路由回复消息中的destSeq，表示这条路由回复是过期的，转5)；否则转3)。

3)根据路由回复消息，在路由表中添加一条到达源节点的前向路由。如果路由回复消息的destAddr是自己，则根据建立的路由向目的节点发送数据，进入工作阶段；如果destAddr不是自己，则转4)。

4)修改RREP消息，并根据反向路由转发该消息。转5)。

5)结束。

上述步骤3)中，添加的前向路由表项各个字段按如下设置：

●destAddr字段设置为收到RREP消息的srcAddr字段值。

●destSeq字段设置为收到RREP消息的destSeq字段值。

●linkQuality字段设置为当前节点到上一跳节点链路稳定性的值与收到RREP消息linkQuality字段值的乘积。

●nextHop字段设置为发送该RREP消息节点的地址。

●lifetime设置为收到RREP消息中lifetime字段值和链路稳定性表中相应链路条目lifetime字段值中较小者。

上述步骤4)中，RREP消息的修改如下：

●linkQuality字段设置为当前节点到上一跳节点链路稳定性的值与收到RREP消息linkQuality字段值的乘积。

●lifetime设置为收到RREP消息中lifetime字段值和链路稳定性表中相应链路条目lifetime字段值中较小者。

在这里需要说明的是，对RREQ报文和RREP报文的处理构成了最优树结构。也就是说，最优树结构的构建过程，也就是对RREQ和RREP报文处理的过程。

待树结构构造完毕后，接着构造Mesh结构。首先，定义一个稳定性阈值L，链路稳定性低于此阈值的链路被视为不可靠的。对于不可靠的链路，通过构造冗余链路来保护它。在冗余链路的构造过程中，需要向冗余链路的相关节点增加路由表项信息。构建Mesh结构按如下流程进行：

1)对于最优树结构中每条链路稳定性低于阈值L的链路，该链路的起始节点询问自己的所有邻居到该链路终止节点的链路稳定性值。选择自己到邻居节点的链路稳定性值与该回复值乘积最大的邻居，作为冗余链路的中间节点。

2)在冗余链路的中间节点和该不可靠链路的起始节点中，添加到目标节点的路由，从而构造出冗余链路，进一步提高路由的可靠性。

开始阶段之后，节点进入了工作阶段，这时，数据报文被交付到目标节点。当发生数据包丢失时，节点首先进行本地恢复。本地恢复的过程和构造Mesh结构的过程相同，即根据最新的链路稳定性列表调整链路保护信息。而最优树结构不会发生改变，当数据包丢失越来越严重时，重启开始阶段，一个新的最优树结构得以构造。

Claims (6)

1.一种移动Ad Hoc网络环境下可靠路由的方法，包括数据链路层周期性链路稳定性预测步骤和网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤，其特征在于：

所述数据链路层周期性链路稳定性预测步骤包括：

1)节点根据初始距离和方向生成位置信息，并将该位置信息交付给链路层，每个节点将自己的位置信息广播给邻居节点；

2)节点计算出到每个邻居节点的距离，并预测各个链路的稳定性，节点基于随机走动模型预测各个链路的稳定性，链路稳定性定义为概率L(d₀，t)，即假设两节点之间在初始时刻t₀的距离为d₀，节点间链路在(t₀，t₀+t)时间段内持续连通的概率，参数t根据应用层一次数据传输持续的时间进行设定，链路层将计算得到的链路稳定性信息交给网络层；

所述网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤包括：

1)网络层根据数据链路层产生的链路稳定性信息构造链路稳定性表；

2)节点有数据要发送时，按需建立到目标节点的路由，进入开始阶段，包括：构造最优树结构，选择一条从源节点到目标节点的路由路径，该路径上的各条链路的稳定性的乘积最大；待最优树结构构造完毕后，定义一个稳定性阈值L，链路稳定性低于此阈值的链路被视为不可靠，对于不可靠的链路，构造冗余链路，其中，对于最优树结构中每条链路稳定性低于阈值L的链路，该链路的起始节点询问自己的所有邻居到该链路终止节点的链路稳定性值，并获得回复值，选择自己到邻居节点的链路稳定性值与该回复值乘积最大的邻居作为冗余链路的中间节点，在冗余链路的中间节点和该不可靠链路的起始节点中，添加到目标节点的路由，构造出冗余链路；

3)路由建立后，节点根据路由表将数据传递到目标节点，进入工作阶段；

4)节点发生数据丢失时，进入恢复阶段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤1)中，根据数据链路层提供的链路稳定性信息，网络层周期性构造链路稳定表。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤3)中，当有数据到达时，节点查看数据的目标地址是否为自己，如果是则停止转发，否则根据目标地址查找路由表，将该数据转发给下一跳节点，当到下一跳节点的链路不可靠时，同时也向冗余链路上的下一跳节点转发该数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在网络层的链路稳定性表与路由表的维护步骤的所述步骤4)中，当发生数据包丢失时，节点首先进行本地恢复，根据最新的链路稳定性表调整链路保护信息，最优树结构不会发生改变，当数据包丢失越来越严重时，重启开始阶段，构造一个新的最优树结构。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述链路稳定性表包括以下字段：

neighAddr：邻居节点的地址；

neighSeq：邻居节点的序列号；

linkQuality：到达邻居节点的链路稳定性的值；

length：到达邻居节点的距离；

lifetime：表项的过期或者删除时间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路由表包括以下字段：

destAddr：目标节点的地址；

destSeq：目标节点的序列号；

linkQuality：到达目标节点的链路稳定性的值，取值范围为0～1；

nextHop：下一跳节点；

lifetime：路由表项的过期或者删除时间。

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