CN101616465A - 一种自组网层次路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种自组网层次路由方法。包括信息维护过程和路由过程,路由过程依赖于信息维护过程所维护的信息;信息维护过程包括各层虚拟链路状态信息的维护过程、物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程,它们各自循环反复地运行着,物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程依赖于各层虚拟链路状态信息的维护过程所维护的信息;路由过程被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,在多层分级结构上转发数据包的过程又被分解为若干段在虚拟链路上转发数据包的过程。本发明可以提高层次路由的可靠性;进而减少重路由次数,从而降低层次路由的传输时延和路由开销;同时也可以降低路由开销。

Description

一种自组网层次路由方法
(一)技术领域
本发明涉及一种适用于大规模自组网的可以提高层次路由可靠性、可以进一步降低层次路由的传输时延和路由开销的层次路由方法,该技术属于无线自组网通信领域。
(二)背景技术
目前,文献[1]中介绍的HSR是典型的基于多层分级结构的层次路由协议,它是在1999年由Guangyu Pei等人提出的一种基于文献[2]中介绍的多层分级结构的层次化链路状态路由协议,它基于组移动模型将网络中的节点划分为不同的逻辑子网。HSR不仅根据节点的物理位置使用分布式分群思想划分物理分群,动态生成节点分级地址,以决定数据包的转发路径,而且还根据节点的逻辑地址对其位置进行管理(如文献[3]所述)。每个逻辑子网内至少存在一个归属代理,负责管理本子网内节点逻辑地址与当前分级地址之间的对应关系,并为所管理的节点转发数据包。在HSR中,从源节点到目的节点的路由过程分为两个阶段:从源节点到目的节点的归属代理和从目的节点的归属代理到目的节点,每个阶段都是在HSR路由表的辅助下根据分级地址将一个数据包从开始节点发送到目标节点。这里,节点的HSR路由表保存了多层分级结构底层群内的物理链路信息,群首的HSR路由表还保存了多层分级结构高层群内的虚拟链路信息,其中,虚拟链路可以看作一条由低层链路组成的隧道,它是一个群首节点ID序列。
HSR虽然很好地解决了大规模自组网的路由问题,但仍存在着如下问题:在多层分级结构中,高层群成员是一些易于变化的中心节点,这使结构的稳定性较差,高层虚拟链路的构成元素是一些变化频率较高的节点,这使高层虚拟链路稳定性较差,稳定性较差的结构和高层虚拟链路使层次路由的可靠性不高。
本发明相关的参考文献包括:
[1]Guangyu Pei,Mario Gerla,Xiaoyan Hong and Ching-Chuan Chiang.A wirelesshierarchical routing protocol with group mobility.IEEE Wireless Communicationand Networking Conference.1999.3:1538-1542
[2]于宏毅等.无线移动自组织网.北京:人民邮电出版社,2005.216-220
[3]A.Iwata,Ching-Chuan Chiang,Guangyu Pei,et al.Scalable routing strategies forad hoc wireless networks.IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1999,17(8):1369-1379。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于大规模自组网环境,通过提高多层分级结构中结构和高层虚拟链路的稳定性来提高层次路由可靠性,可以进一步降低层次路由的传输时延和路由开销的一种自组网层次路由方法。
本发明的目的是这样实现的:
包括信息维护过程和路由过程,路由过程依赖于信息维护过程所维护的信息;信息维护过程包括各层虚拟链路状态信息的维护过程、物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程,它们各自循环反复地运行着,物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程依赖于各层虚拟链路状态信息的维护过程所维护的信息;路由过程被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,在多层分级结构上转发数据包的过程又被分解为若干段在虚拟链路上转发数据包的过程。
本发明还可以包括:
1、所述多层分级结构是采用如下方法构建的:首先,进行底层分群,底层群的创建者作为群代表;然后,群作为更高层群的成员参与更高层分群,各个群代表代替群做出创建或者加入更高层群的决策,创建更高层群的低一层群代表作为更高层群的代表;如此反复,直至最高层,形成一个稳定的多层分级结构;这里,底层分群和高层分群可以分别按照多种不同的策略来进行划分。
2、所述的各层虚拟链路状态信息的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在底层群内部,每个节点监视与邻节点之间物理链路状态,并在群内广播,底层群代表收集归纳群内节点的物理链路状态信息,并把它和所代表的群通过网关节点传递给邻群代表,从而构成了高一层次的虚拟链路;在高层群内部,每个群成员代表监视所代表的群与邻群的虚拟链路状态,并在群内广播,高层群代表收集归纳群内成员代表发来的虚拟链路状态信息,并把它和所代表的高层群通过网关群代表传递给邻群代表,从而构成了更高层次的虚拟链路,如此反复,各层群代表动态相互协调来维护各层虚拟链路状态信息。
3、所述的物理层次拓扑的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在群成员信息和虚拟链路状态信息的辅助下,高层群代表向高层群成员的代表广播高层群,各群成员代表向低一层群成员代表广播这个高层群,如此反复,直至底层群代表向群内节点广播这个高层群;所有群代表都执行上述操作,最终使得每个底层群中的节点都存储一个层次的拓扑信息。
4、所述的路由过程是在三种维护信息辅助下进行的,它被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,即:首先将数据包从源节点转发到目的节点的归属代理,然后再将数据包从目的节点的归属代理转发到目的节点。
5、所述的在多层分级结构上转发数据包的过程可以被分解为若干段在不同层次虚拟链路上转发数据包的过程,在多层分级结构上将数据包从源节点S转发到目的节点D的具体操作步骤为:(1)从S到达S在边界层L上所在群CA的代表;(2)从CA的代表到达CA所在的第L+1层群的中心群CC的代表;(3)从CC的代表到达D在L层上所在群CB的代表;(4)从CB的代表到达D。
6、在虚拟链路上转发数据包的过程的具体操作步骤为:源节点根据本地各层虚拟链路信息生成高层虚拟链路到物理链路的部分映射图,并将其封装到一个无格式包中,然后再将虚拟链路映射信息包封装到要传递的数据包中;源节点将数据包转发给在虚拟链路映射信息的节点序列中它的下一个节点,收到数据包的节点执行如下操做:首先,判断是否是发给自己的包,如果不是,则丢包,结束处理;否则,判断自己是否为节点序列的最后一个节点,如果不是,则直接向节点序列中的下一个节点转发数据包,否则,向虚拟链路映射信息中添加信息后再转发给下一个节点;如此反复,直到数据包转发到目的节点时,全过程结束。
本发明的有益效果是:这种稳定的多层分级结构比目前的多层分级结构具有较稳定的结构和高层虚拟链路,这可以提高层次路由的可靠性;层次路由可靠性的提高可以降低丢包数目,进而减少重路由次数,从而降低层次路由的传输时延和路由开销;同时,这种多层分级结构比目前的多层分级结构具有较低的结构维护开销,这也可以降低路由开销。
这种可靠的自组网层次路由方法已在OPNET10.0平台上进行了仿真分析,用数据包投递率来评测层次路由的可靠性,仿真结果表明:这种可靠的自组网层次路由方法在数据包投递率、平均端到端时延和路由开销等性能指标上都优于HSR。
(四)附图说明
图1是本发明的程序结构图;
图2是在多层分级结构上转发数据包的操作流程图;
图3是各高层群序列信息包和底层节点序列信息包的格式示意图;
图4是虚拟链路映射信息包的内容示意图;
图5是数据包的格式示意图;
图6是在虚拟链路上转发数据包的过程中收到数据包的节点所做的操作流程图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
本发明所需要的硬件支持是配备有无线网络适配器的节点,这些节点可以是基于X86架构的个人电脑、或者基于ARM架构和MIPS架构的各种嵌入式系统。每个节点都具有物理地址、逻辑地址和归属代理的物理地址。
节点的物理地址是通过完全分布式地构建稳定的多层分级结构来获得的,其具体步骤为:首先,进行底层分群,底层群的创建者作为群代表;然后,群作为更高层群的成员参与更高层分群,各个群代表代替群做出创建或者加入更高层群的决策,创建更高层群的低一层群代表作为更高层群的代表;如此反复,直至最高层,形成一个稳定的多层分级结构;这里,底层分群和高层分群可以分别按照多种不同的策略来进行划分。
节点的逻辑地址是初始分配的,其形式为<subnet,host>,其中,subnet表示节点的归属逻辑子网号,host表示主机号。
节点的归属代理的物理地址的获取步骤为:归属代理将自己的物理地址通告给网络的顶层群代表,然后顶层群代表向下传递给低一层群成员代表,低一层群成员代表再传递给更低一层的群成员代表,如此反复,每个节点都能获得自己所属子网归属代理的物理地址。
如图1所示,本方法包括信息维护过程和路由过程,后者依赖于前者所维护的信息;信息维护过程包括各层虚拟链路状态信息的维护过程、物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程,它们各自循环反复地运行着,后两个过程依赖于第一个过程所维护的信息;路由过程可以被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,在多层分级结构上转发数据包的过程又可以被分解为若干段在虚拟链路上转发数据包的过程。
(1)信息维护过程
信息维护过程包括各层虚拟链路状态信息的维护过程、物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程,它们各自循环反复地运行着,后两个过程依赖于第一个过程所维护的信息。
各层虚拟链路状态信息的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在底层群内部,每个节点监视与邻节点之间物理链路状态,并在群内广播,底层群代表收集归纳群内节点的物理链路状态信息,并把它和所代表的群通过网关节点传递给邻群代表,从而构成了高一层次的虚拟链路;在高层群内部,每个群成员代表监视所代表的群与邻群的虚拟链路状态,并在群内广播,高层群代表收集归纳群内成员代表发来的虚拟链路状态信息,并把它和所代表的高层群通过网关群代表传递给邻群代表,从而构成了更高层次的虚拟链路,如此反复,各层群代表动态相互协调来维护各层虚拟链路状态信息。
物理层次拓扑的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在群成员信息和虚拟链路状态信息的辅助下,高层群代表向高层群成员的代表广播高层群,各群成员代表向低一层群成员代表广播这个高层群,如此反复,直至底层群代表向群内节点广播这个高层群;所有群代表都执行上述操作,最终使得每个底层群中的节点都存储一个层次的拓扑信息。
逻辑子网结构的维护过程是一个循环反复的过程,归属代理向子网内节点发布其物理地址,节点向所属子网的归属代理注册当前的物理地址。
(2)路由过程
路由过程是在上述三种维护信息辅助下进行的,它被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,即:首先将数据包从源节点转发到目的节点的归属代理,然后再将数据包从目的节点的归属代理转发到目的节点。
在多层分级结构上转发数据包的过程可以被分解为若干段在不同层次虚拟链路上转发数据包的过程。如图2所示,在多层分级结构上将数据包从源节点S转发到目的节点D的具体操作步骤为:
(a)S查找S与D的边界层L,在S记录的底层群内代表信息、各层群代表记录的高层群内中心群信息和虚拟链路信息的辅助下,数据包从S依次到达S层次路径上从1至L层的各层群代表;
(b)S所在的L层群CA的代表将数据包转发到CA所在的第L+1层群的中心群CC的代表;
(c)CC的群代表查找D在L层上所在的群CB,将数据包发送到CB的群代表;
(d)数据包从CB的群代表依次到达D层次路径上从L-1到1层的各层群代表,最终到达D;
(e)全过程结束。
这里,边界层是指从分级地址的最高层开始,对两个节点分级地址的各层元素进行逐层比较,如果从某层开始出现了不相同的元素,则这个层次就被称为两个节点的边界层。本发明规定:如果两个节点分级地址的各层元素完全相同,则表示这两个节点是相同的节点,此时两个节点的边界层被视为-1。本发明不讨论底层群内数据包的转发情况,故讨论的边界层都不小于1。
在虚拟链路上转发数据包的过程是通过多层群代表相互协作、将以群为元素的高层虚拟链路逐层映射为以节点为元素的物理链路的方法来最终实现在高层虚拟链路上转发数据包的。在高层虚拟链路上转发数据包一定是从某个高层群代表开始的,它根据本地各层虚拟链路信息生成高层虚拟链路到物理链路的部分映射图,这个映射图由在映射关系中涉及的各高层群序列信息和底层节点序列信息组成;上述两种信息分别被封装成具有相同格式的包,它们又作为一个整体被按序封装到一个无格式包中以反映虚拟链路映射信息;虚拟链路映射信息包最终被封装到要传递的数据包中,将各层的位置索引初始化为0,然后把数据包传递给第0层节点序列在位置索引为1处的节点。这里,各高层群序列信息包和底层节点序列信息包的格式、虚拟链路映射信息包的内容和数据包的格式分别如图3、图4和图5所示,其中,各高层群序列信息包和底层节点序列信息包的格式包括层号、群号序列或节点MAC地址序列和位置索引等字段;虚拟链路映射信息包的内容包括各高层群序列信息包和底层节点序列信息包;数据包的格式包括源节点逻辑地址、源节点分级地址、目的节点逻辑地址、目的节点分级地址、边界层、虚拟链路映射信息包和真实数据包等字段。
假设在第i层虚拟链路上转发数据包,结合图6,对收到数据包的节点所做的处理操作流程具体说明如下:
(a)当前节点判断自己是否为第0层节点序列在(第0层位置索引+1)处的节点,如果不是,则丢包,然后直接跳至步骤(g),否则,继续执行步骤(b);
(b)将第0层的位置索引加1;
(c)判断第0层位置索引是否已到达节点序列尾部,如果是,则执行步骤(d),否则,执行步骤(f);
(d)假设当前节点是从1至j层的代表,则将从1至min{i,j}层的位置索引都加1;
(e)判断j是否小于i,如果是,则当前节点根据本地虚拟链路信息,在映射图的0至j层上添加虚拟链路映射信息,然后继续执行步骤(f),否则,在虚拟链路上完成对数据包的转发,直接跳至步骤(e);
(f)向第0层节点序列在(第0层位置索引+1)处的节点转发数据包;
(g)全过程结束。

Claims (7)

1、一种自组网层次路由方法,包括信息维护过程和路由过程,其特征是:路由过程依赖于信息维护过程所维护的信息;信息维护过程包括各层虚拟链路状态信息的维护过程、物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程,它们各自循环反复地运行着,物理层次拓扑的维护过程和逻辑子网结构的维护过程依赖于各层虚拟链路状态信息的维护过程所维护的信息;路由过程被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,在多层分级结构上转发数据包的过程又被分解为若干段在虚拟链路上转发数据包的过程。
2、根据权利要求1所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:所述多层分级结构是采用如下方法构建的:首先,进行底层分群,底层群的创建者作为群代表;然后,群作为更高层群的成员参与更高层分群,各个群代表代替群做出创建或者加入更高层群的决策,创建更高层群的低一层群代表作为更高层群的代表;如此反复,直至最高层,形成一个稳定的多层分级结构;这里,底层分群和高层分群可以分别按照多种不同的策略来进行划分。
3、根据权利要求2所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:所述的各层虚拟链路状态信息的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在底层群内部,每个节点监视与邻节点之间物理链路状态,并在群内广播,底层群代表收集归纳群内节点的物理链路状态信息,并把它和所代表的群通过网关节点传递给邻群代表,从而构成了高一层次的虚拟链路;在高层群内部,每个群成员代表监视所代表的群与邻群的虚拟链路状态,并在群内广播,高层群代表收集归纳群内成员代表发来的虚拟链路状态信息,并把它和所代表的高层群通过网关群代表传递给邻群代表,从而构成了更高层次的虚拟链路,如此反复,各层群代表动态相互协调来维护各层虚拟链路状态信息。
4、根据权利要求3所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:所述的物理层次拓扑的维护过程是一个循环反复的过程,其一轮操作的具体步骤为:在群成员信息和虚拟链路状态信息的辅助下,高层群代表向高层群成员的代表广播高层群,各群成员代表向低一层群成员代表广播这个高层群,如此反复,直至底层群代表向群内节点广播这个高层群;所有群代表都执行上述操作,最终使得每个底层群中的节点都存储一个层次的拓扑信息。
5、根据权利要求4所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:所述的路由过程是在三种维护信息辅助下进行的,它被分解为两段在多层分级结构上转发数据包的过程,即:首先将数据包从源节点转发到目的节点的归属代理,然后再将数据包从目的节点的归属代理转发到目的节点。
6、根据权利要求5所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:所述的在多层分级结构上转发数据包的过程可以被分解为若干段在不同层次虚拟链路上转发数据包的过程,在多层分级结构上将数据包从源节点S转发到目的节点D的具体操作步骤为:(1)从S到达S在边界层L上所在群CA的代表;(2)从CA的代表到达CA所在的第L+1层群的中心群CC的代表;(3)从CC的代表到达D在L层上所在群CB的代表;(4)从CB的代表到达D。
7、根据权利要求6所述的一种自组网层次路由方法,其特征是:在虚拟链路上转发数据包的过程的具体操作步骤为:源节点根据本地各层虚拟链路信息生成高层虚拟链路到物理链路的部分映射图,并将其封装到一个无格式包中,然后再将虚拟链路映射信息包封装到要传递的数据包中;源节点将数据包转发给在虚拟链路映射信息的节点序列中它的下一个节点,收到数据包的节点执行如下操做:首先,判断是否是发给自己的包,如果不是,则丢包,结束处理;否则,判断自己是否为节点序列的最后一个节点,如果不是,则直接向节点序列中的下一个节点转发数据包,否则,向虚拟链路映射信息中添加信息后再转发给下一个节点;如此反复,直到数据包转发到目的节点时,全过程结束。
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