CN101616466B - 一种自组网区域路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种自组网区域路由方法。包括域内路由工作过程和域间路由工作过程，域内路由工作过程包括域内路由发现过程和域内路由维护过程，域内路由维护过程是一个循环反复的过程，域内路由发现过程依赖于域内路由维护过程所维护的信息，域间路由工作过程包括域间路由发现过程和域间路由维护过程两个步骤，域间路由维护过程是一个循环反复的过程；域内路由维护过程依赖于域内有向无环图的构建过程，域内路由发现过程、域间路由发现过程和域间路由维护过程依赖于在有向无环图中快速提取较短路由过程。本发明适用于自组网环境，可以提高区域路由的可靠性，并可以进一步降低区域路由的传输时延和路由开销。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种可以提高区域路由可靠性、可以进一步降低区域路由的传输时延和路由开销的自组网区域路由方法，该技术属于无线自组网通信领域。
(二)背景技术
在自组网中，文献[1，2]介绍的区域路由协议ZRP(Zone Routing Protocol)是一种混合型路由协议，它是由Cornell大学的Zygmunt J.Haas和Marc R.Pearlman等开发的，它巧妙地结合了主动路由协议和按需路由协议的优点，其性能依赖于区域半径这个关键参数，区域半径指每个中心节点维护区域的大小，它是中心节点到区域边界节点的跳数。ZRP包括文献[3]介绍的域内路由协议IARP和文献[4]介绍的域间路由协议IERP，IARP采用主动路由，以维护到达域内所有节点的路由信息，同时利用该路由信息进行域内路由；IERP使用按需路由，结合节点在域内维护的路由信息和文献[5]介绍的边界广播技术进行路由发现和维护。在路由维护过程中，节点可以选择通知源节点或进行局部修复。局部修复需要中间节点重新发现路由，这种维护方式容易产生绕远问题，故一般采用通知源节点的方式。
ZRP的中心节点只保留了一条到达域内所有节点的路由，这使ZRP域内路由的可靠性(如文献[6]所描述)不高；ZRP的域间路由是一条由源节点、若干边界节点和目的节点构成的关键节点序列，这条域间路由是由若干段局部路由组成的，每段局部路由都由分段首节点来提供，分段首节点只维护一条局部路由，当节点发现链路断开时，需要重新发现域间路由，这使ZRP域间路由的可靠性不高。
与本发明相关的参考文献有：
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(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于自组网环境，可以提高区域路由的可靠性，并可以进一步降低区域路由的传输时延和路由开销的一种自组网区域路由方法。
本发明的目的是这样实现的：
包括域内路由工作过程和域间路由工作过程，其中，域内路由工作过程包括域内路由发现过程和域内路由维护过程，域内路由维护过程是一个循环反复的过程，域内路由发现过程依赖于域内路由维护过程所维护的信息，域间路由工作过程包括域间路由发现过程和域间路由维护过程两个步骤，域间路由维护过程是一个循环反复的过程；域内路由维护过程依赖于域内有向无环图的构建过程，域内路由发现过程、域间路由发现过程和域间路由维护过程依赖于在有向无环图中快速提取较短路由过程。
本发明还可以包括：
1、域内路由发现过程是在路由发现过程中当源节点S发现目的节点D就在自身的局部区域内即在有向无环图中时启动的，源节点S利用在有向无环图中快速提取较短路由过程提取一条到达目的节点D的路由，然后利用这条路由完成数据包的转发。
2、域内路由维护过程是当中心节点发现域内拓扑结构发生变化时启动的，它利用域内有向无环图的构建过程重新生成有向无环图。
3、域间路由维护过程是在域间路由发现过程之后启动的，其具体操作步骤为：在域间路由维护过程中，当节点需要使用的链路断开时，如果节点是所属分段的首节点，则直接执行路由修复操作，否则，它向所属分段的首节点发送路由修复RRepair消息，分段首节点收到RRepair消息后，执行路由修复操作；分段首节点执行的路由修复操作为：尽量利用本地维护的到达分段尾节点的备份路由对局部路由进行修复，当分段首节点也不存在可用路由时，若分段首节点不是源节点，则它丢弃数据包，并向源节点发送路由出错RERR消息，源节点收到RERR消息后，重新进行域间路由发现，否则，分段首节点作为源节点重新进行域间路由发现；RRepair和RERR消息的包格式由域间路由具体采用的按需路由决定。
4、域内有向无环图的构建过程的具体操作步骤为：(a)访问中心节点，并向有向无环图中添加中心节点，设置直接绝对前驱集合为空，深度为0，直接绝对后继集合要按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找；(b)将中心节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中；(c)在有向无环图中，判断当前被访问节点是否为最后一个节点，如果是，则直接跳至步骤(g)，否则，继续执行步骤(d)；(d)在有向无环图中，按序访问下一个节点，并按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找当前被访问节点的直接绝对后继集合；(e)判断当前被访问节点的直接绝对后继集合是否为空，如果是，则直接跳至步骤(c)，否则，继续执行步骤(f)；(f)将当前被访问节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中，然后直接跳至步骤(c)；(g)全过程结束。
5、查找节点的直接绝对后继集合的方法的具体操作步骤为：首先，在中心节点的域内拓扑结构上找到节点的邻节点集合N，然后将在有向无环图中已经被访问的邻节点从N中删除，完成全部删除操作后的N记为N，N即为节点的直接绝对后继集合。
6、将节点链入有向无环图的方法的具体操作步骤为：(a)判断节点是否已经加入有向无环图，如果是，则执行步骤(b)，否则，执行步骤(c)；(b)判断节点的深度与当前被访问节点的深度是否相同，如果是，则设置节点与当前被访问节点为兄弟关系，然后直接跳至步骤(d)，否则，设置当前被访问节点为节点的直接绝对前驱，节点为当前被访问节点的直接绝对后继，然后直接跳至步骤(d)；(c)向有向无环图中添加节点，并对节点做如下设置：直接绝对前驱集合＝{当前被访问节点}，直接绝对后继集合＝null，深度＝当前被访问节点的深度+1；(d)全过程结束。
7、在有向无环图中快速提取较短路由过程的具体操作步骤为：以目标节点为初始考察节点，在考察节点的直接绝对前驱集合中，找出具有最小深度的一个直接绝对前驱，然后将这个直接绝对前驱作为下一个被考察节点，重复上述步骤，直到考察节点为中心节点为止，所有被考察节点构成的节点序列的逆序排列就是所要提取的较短路由；这里，直接绝对前驱和与其相应的直接绝对后继是指若在域内节点a和b之间存在链接，并且a的深度小于b的深度，则a是b的直接绝对前驱，b是a的直接绝对后继。
本发明的有益效果是：在域内路由时，源节点保存了到达目的节点的多条备份路由，这可以提高域内路由的可靠性；在域间路由时，如果出现路由断链的情况，则尽量利用上游分段首节点保留的到达分段尾节点的多条备份路由进行局部路由修复，当无可用局部路由时，再重新发现域间路由，这可以提高域间路由的可靠性。同时，域内和域间路由可靠性的提高可以进一步降低区域路由的传输时延和路由开销。
这种可靠的自组网区域路由方法已在OPNET10.0平台上进行了仿真分析，用数据包投递率来评测区域路由的可靠性，仿真结果表明：这种可靠的自组网区域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ZRP。
(四)附图说明
图1是本发明的程序结构图；
图2是域间路由维护过程的操作流程图；
图3是有向无环图中节点的数据结构示意图；
图4是构建域内有向无环图的处理流程图；
图5是将节点链入有向无环图的处理流程图；
图6是在有向无环图中快速提取一条较短路由的处理流程图。
(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。
如图1所示，本方法包括域内路由工作过程和域间路由工作过程，其中，域内路由工作过程包括域内路由的发现过程和维护过程，后者是一个循环反复的过程，前者依赖于后者所维护的信息，域间路由工作过程包括域间路由的发现过程和维护过程两个步骤，后者是一个循环反复的过程；域内路由维护过程依赖于域内有向无环图的构建过程，域内路由发现过程、域间路由发现过程和域间路由维护过程依赖于在有向无环图中快速提取较短路由过程。
(1)域内路由发现过程
域内路由发现过程是在路由发现过程中当源节点S发现目的节点D就在自身的局部区域内(即在有向无环图中)时启动的，源节点S利用在有向无环图中快速提取较短路由过程提取一条到达目的节点D的路由，然后利用这条路由完成数据包的转发。
(2)域内路由维护过程
域内路由维护过程是当中心节点发现域内拓扑结构发生变化时启动的，它利用域内有向无环图的构建过程重新生成有向无环图。
(3)域间路由发现过程
域间路由发现过程是在路由发现过程中当源节点S发现目的节点D在自身的局部区域外(即不在有向无环图中)时启动的。该域内路由采用边界广播技术，该技术的具体操作步骤为：路由更新分组仅仅发送至未收到该分组的路由区域的边界点，当一个节点转发一个边界广播消息时，也仅仅将该消息发送至自己路由区域的边界点。域间路由发现过程的具体操作步骤为：源节点生成一个路由查询分组，用源节点的地址及查询号唯一标识，然后使用边界广播向外发送；一旦收到一个路由查询分组，接收节点将自己的ID号记录在路由查询分组中；如果接收节点没有到达目的节点的有效路径，就继续边界广播该路由查询分组；此过程一直持续到达一个包含有效路径的节点，或者到达目的节点，此时需要返回一个路由查询应答分组，给出所得到的源至目的节点的路径，沿着逆向路径传送至源点。
(4)域间路由维护过程
域间路由维护过程是在域间路由发现过程之后启动的，它是一个循环反复的过程。当节点需要使用的链路断开时，则需要进行域间路由修复操作，结合图2，对修复操作的具体操作流程说明如下：
(a)如果节点不是所属分段的首节点，则它向所属分段的首节点发送路由修复RRepair消息，分段首节点收到RRepair消息后，执行步骤(b)，否则，什么都不做；
(b)分段首节点判断本地是否存在到达分段尾节点的备份路由，如果是，则用一条备份路由对域间局部路由进行修复，然后直接跳至步骤(f)，否则，执行步骤(c)；
(c)如果分段首节点不是源节点，则它丢弃数据包，并向源节点发送路由出错RERR消息，源节点收到RERR消息后，执行步骤(d)，否则，什么都不做；
(d)源节点重新进行域间路由发现；
(e)全过程结束。
上述RRepair和RERR消息的包格式由域间路由具体采用的按需路由决定。
(5)域内有向无环图的构建过程
本方法采用广度优先遍历域内拓扑图的方法完成域内有向无环图的构建，在物理实现上，有向无环图由若干个具有一定数据结构的节点组成，其数据结构如图3所示，它包括记录序号、节点地址、直接绝对前驱集合、直接绝对后继集合和深度等字段。在具有上述数据结构的节点基础上，结合图4，对构建域内有向无环图的处理流程具体说明如下：
(a)访问中心节点，并向有向无环图中添加中心节点，设置直接绝对前驱集合为空，深度为0，直接绝对后继集合要按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找；
(b)将中心节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中；
(c)在有向无环图中，判断当前被访问节点是否为最后一个节点，如果是，则直接跳至步骤(g)，否则，继续执行步骤(d)；
(d)在有向无环图中，按序访问下一个节点，并按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找当前被访问节点的直接绝对后继集合；
(e)判断当前被访问节点的直接绝对后继集合是否为空，如果是，则直接跳至步骤(c)，否则，继续执行步骤(f)；
(f)将当前被访问节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中，然后直接跳至步骤(c)；
(g)全过程结束。
这里，涉及到在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法和将节点链入有向无环图的方法，对它们分别描述如下：
查找节点的直接绝对后继集合的方法的具体操作步骤为：首先，在中心节点的域内拓扑结构上找到节点的邻节点集合N，然后将在有向无环图中已经被访问的邻节点从N中删除，完成全部删除操作后的N记为N′，N′即为节点的直接绝对后继集合。
结合图5，对将节点链入有向无环图的方法的处理流程具体说明如下：
(a)判断节点是否已经加入有向无环图，如果是，则执行步骤(b)，否则，执行步骤(c)；
(b)判断节点的深度与当前被访问节点的深度是否相同，如果是，则设置节点与当前被访问节点为兄弟关系，然后直接跳至步骤(d)，否则，设置当前被访问节点为节点的直接绝对前驱，节点为当前被访问节点的直接绝对后继，然后直接跳至步骤(d)；
(c)向有向无环图中添加节点，并对节点做如下设置：直接绝对前驱集合＝{当前被访问节点}，直接绝对后继集合＝null，深度＝当前被访问节点的深度+1；
(d)全过程结束。
(6)在有向无环图中快速提取较短路由过程
有向无环图保存了到达所有域内节点的多条备份路由，要从有向无环图中快速提取一条合适的到达目标节点的路由需要遵循一定的方法。由于提取一条到达目标节点的最短路由需要遍历有向无环图上所有的节点，这会造成提取速度慢和开销大等问题。所以，本发明提出一种通过遍历少数节点来快速获取一条较短路由的方法，结合图6，对它的处理流程具体说明如下：
(a)将目标节点作为当前被考察节点，链入一个空链表中；
(b)在当前被考察节点的直接绝对前驱集合中找出具有最小深度的一个直接绝对前驱，将其链入链表中；
(c)将当前被考察节点设置为上述找到的直接绝对前驱；
(d)如果当前被考察节点为中心节点，如果是，则完成提取操作，执行步骤(e)；否则，返回步骤(b)；
(e)逆转链表，逆转后的链表即为所求的到达目标节点的较短路由；
(f)全过程到此结束。
Claims (5)
1.一种自组网区域路由方法，包括域内路由工作过程和域间路由工作过程，其特征是：域内路由工作过程包括域内路由发现过程和域内路由维护过程，域内路由维护过程是一个循环反复的过程，域内路由发现过程依赖于域内路由维护过程所维护的信息，域间路由工作过程包括域间路由发现过程和域间路由维护过程两个步骤，域间路由维护过程是一个循环反复的过程；域内路由维护过程依赖于域内有向无环图的构建过程，域内路由发现过程、域间路由发现过程和域间路由维护过程依赖于在有向无环图中快速提取较短路由过程；所述域内路由发现过程是在路由发现过程中当源节点S发现目的节点D就在自身的局部区域内即在有向无环图中时启动的，源节点S利用在有向无环图中快速提取较短路由过程提取一条到达目的节点D的路由，然后利用这条路由完成数据包的转发；所述域内路由维护过程是当中心节点发现域内拓扑结构发生变化时启动的，利用域内有向无环图的构建过程重新生成有向无环图；所述域间路由维护过程是在域间路由发现过程之后启动的，其具体操作步骤为：在域间路由维护过程中，当节点需要使用的链路断开时，如果节点是所属分段的首节点，则直接执行路由修复操作，否则，向所属分段的首节点发送路由修复RRepair消息，分段首节点收到RRepair消息后，执行路由修复操作；分段首节点执行的路由修复操作为：尽量利用本地维护的到达分段尾节点的备份路由对局部路由进行修复，当分段首节点也不存在可用路由时，若分段首节点不是源节点，则丢弃数据包，并向源节点发送路由出错RERR消息，源节点收到RERR消息后，重新进行域间路由发现，否则，分段首节点作为源节点重新进行域间路由发现；RRepair和RERR消息的包格式由域间路由具体采用的按需路由决定。
2.根据权利要求1所述的一种自组网区域路由方法，其特征是：域内有向无环图的构建过程的具体操作步骤为：(a)访问中心节点，并向有向无环图中添加中心节点，设置直接绝对前驱集合为空，深度为0，直接绝对后继集合要按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找；(b)将中心节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中；(c)在有向无环图中，判断当前被访问节点是否为最后一个节点，如果是，则直接跳至步骤(g)，否则，继续执行步骤(d)；(d)在有向无环图中，按序访问下一个节点，并按照在域内拓扑结构上查找节点的直接绝对后继集合的方法来查找当前被访问节点的直接绝对后继集合；(e)判断当前被访问节点的直接绝对后继集合是否为空，如果是，则直接跳至步骤(c)，否则，继续执行步骤(f)；(f)将当前被访问节点的直接绝对后继集合中的每个直接绝对后继都按照将节点链入有向无环图的方法将其链入有向无环图中，然后直接跳至步骤(c)；(g)全过程结束。
3.根据权利要求2所述的一种自组网区域路由方法，其特征是：查找节点的直接绝对后继集合的方法的具体操作步骤为：首先，在中心节点的域内拓扑结构上找到节点的邻节点集合N，然后将在有向无环图中已经被访问的邻节点从N中删除，完成全部删除操作后的N记为N′，N′即为节点的直接绝对后继集合。
4.根据权利要求3所述的一种自组网区域路由方法，其特征是：将节点链入有向无环图的方法的具体操作步骤为：(a)判断节点是否已经加入有向无环图，如果是，则执行步骤(b)，否则，执行步骤(c)；(b)判断节点的深度与当前被访问节点的深度是否相同，如果是，则设置节点与当前被访问节点为兄弟关系，然后直接跳至步骤(d)，否则，设置当前被访问节点为节点的直接绝对前驱，节点为当前被访问节点的直接绝对后继，然后直接跳至步骤(d)；(c)向有向无环图中添加节点，并对节点做如下设置：直接绝对前驱集合＝{当前被访问节点}，直接绝对后继集合＝null，深度＝当前被访问节点的深度+1；(d)全过程结束。
5.根据权利要求4所述的一种自组网区域路由方法，其特征是：在有向无环图中快速提取较短路由过程的具体操作步骤为：以目标节点为初始考察节点，在考察节点的直接绝对前驱集合中，找出具有最小深度的一个直接绝对前驱，然后将这个直接绝对前驱作为下一个被考察节点，重复上述步骤，直到考察节点为中心节点为止，所有被考察节点构成的节点序列的逆序排列就是所要提取的较短路由；这里，直接绝对前驱和与其相应的直接绝对后继是指若在域内节点a和b之间存在链接，并且a的深度小于b的深度，则a是b的直接绝对前驱，b是a的直接绝对后继。
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