CN101854694B - 一种基于带宽需求的多径路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带宽需求的多径路由方法，大概包括：源节点在没有到达目的节点的现成可用路由并且有足够空闲带宽时，发送RREQ消息；中间节点有足够空闲带宽时，更新并广播RREQ消息；目的节点首次收到RREQ消息并有足够空闲带宽时，添加新路由到反向路由列表，目的节点重复收到RREQ消息并且新路由为新的节点不相关路由时，添加新路由到反向路由列表；目的节点选取列表中的三条为活动路由并向活动路由的反向路径发送RREP消息；中间节点有足够空闲带宽时继续单播RREP消息直到源节点收到RREP消息，在没有足够空闲带宽时发送AC-NAK消息至目的节点，目的节点更新活动路由并向更新的活动路由的反向路径发送RREP消息；源节点在协议规定的时间内收到RREP消息时，准予业务流接入。本发明能确保新业务流的接入不影响已接入业务流的带宽，达到比“尽力而为”服务更好的服务质量。

Description

一种基于带宽需求的多径路由方法

技术领域

本发明涉及到无线网络技术，更具体地，涉及基于带宽需求的多径路由方法。

背景技术

无线Mesh网络具有无线多跳数据转发的特点，因此该类型网络对网络的基础设施没有严格的需求，且可以随时随地地提供各种类型的网络业务，这个优点使得无线Mesh网络受到越来越多的关注。

无线Mesh网络节点之间自组形成无线多跳网络，每个节点需要配置网络路由算法以便转发无线多跳网络中的数据分组。现有的网络路由算法通常是在源节点与目的节点之间寻找最小跳数路由，这种方法对数据分组的带宽需求不能提供任何保证，以故这种“尽力而为”的服务不能保证业务流所需要的服务质量(QoS，Quality of Service)。

因此，有必要提供一种改进的网络路由方法来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于带宽需求的多径路由方法，能克服新业务流的接入影响已接入业务流的带宽问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于带宽需求的多径路由方法，包括如下步骤：源节点收到业务流的接入请求并且C-邻居空闲带宽大于业务流的最小带宽需求时，广播路由请求(RREQ)消息，所述RREQ消息包含源节点的累积路径字段；当目的节点首次收到所述RREQ消息并且C-邻居空闲带宽大于业务流在目的节点的带宽需求时，将所述RREQ消息的累积路径字段作为新路由，并添加所述新路由到反向路由列表；所述目的节点沿所述新路由的反向路径向所述源节点发送路由应答(RREP)消息；所述源节点在规定的时间内收到所述RREP消息时，准予接入业务流。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：中间节点收到RREQ消息后，当C-邻居空闲带宽大于业务流在中间节点的带宽需求并且不存在路由环路时，更新所述RREQ消息并广播更新的RREQ消息。

在本发明的另一实施例中，所述RREQ消息还包含源节点的空闲带宽字段、业务流带宽需求字段、一跳邻居节点列表字段。所述更新所述RREQ消息之前还包括：所述中间节点根据所述RREQ消息中的一跳邻居节点列表字段构建所述中间节点的C-邻居节点集合。所述中间节点更新所述RREQ消息的步骤具体为：所述中间节点将自身ID添加到所述RREQ消息的累积路径字段，将所述RREQ消息的空闲带宽字段替换为中间节点的空闲带宽，一跳邻居节点列表字段替换为构建的C-邻居节点集合中的一跳邻居集合。

在本发明的再一实施例中，所述方法还包括：当中间节点收到所述RREP消息并且C-邻居空闲带宽大于业务流在中间节点的带宽需求时，建立到达所述目的节点的正向路由和到达所述源节点的反向路由，并继续广播所述RREP消息。

在本发明的又一实施例中，所述方法还包括：当目的节点重复收到RREQ消息并且新路由为新的节点不相关路由时，添加所述新路由到反向路由列表；目的节点将反向路由列表中最先添加的三条新路由作为活动路由，其他新路由作为备用路由。所述目的节点沿新路由的反向路径向源节点发送RREP消息的步骤具体为：所述目的节点沿三条活动路由的反向路径向源节点发送RREP消息。

在本发明的再一实施例中，所述准予接入业务流的步骤之前还包括：当中间节点收到RREP消息并且C-邻居空闲带宽不大于业务流在中间节点的带宽需求时，向所述目的节点发送AC-NAK消息；所述目的节点从所述活动路由中删除所述反向路由，并从所述备用路由中选择一条最优的反向路由，将最优反向路由添加到所述活动路由以更新所述活动路由；所述目的节点沿更新的三条活动路由的反向路径向源节点发送RREP消息。

在本发明的又一实施例中，所述方法还包括：活动路由节点的邻居节点周期广播握手消息，所述握手消息包括邻居节点的空闲带宽字段和一跳邻居节点列表字段；所述活动路由节点收到握手消息后，当邻居节点的C-空闲带宽不大于业务流在邻居节点的带宽需求时，所述活动路由节点向目的节点发送控制否定确认消息；所述目的节点从活动路由中删除该路由，并从所述备用路由中选择一条备份路由；所述目的节点沿所述选择的备份路由的反向路径向源节点发送路由应答消息。

与现有技术相比，本发明基于带宽需求的多径路由方法可以发现源节点与目的节点之间满足业务流最小带宽的多径路由，在多径路由的发现过程中考虑了新业务流的接入对路由节点、C-邻居节点的影响，确保新业务流的接入不影响已接入业务流的带宽，能达到比“尽力而为”服务更好的服务质量。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明基于带宽需求的多径路由方法的流程图。

图1a为图1所示基于带宽需求的多径路由方法的消息收发示意图。

图2a-2d为图1所示基于带宽需求的多径路由方法中RREQ消息在一条路径上广播的消息收发示意图，同时展示了累积路径和C-邻居节点的建立过程。

图3a-3d为图1所示基于带宽需求的多径路由方法中RREP消息在一条路由上单播的消息收发示意图，同时展示了基于RREP消息全局接入控制拒绝过程。

图4为图1所示基于带宽需求的多径路由方法中基于hello广播消息的路由维护流程图，展示了Hello消息全局接入控制。

图4a为图4所示基于Hello消息广播的邻居节点空闲带宽接入控制成功示意图。

图4b为图4所示基于Hello消息广播的邻居节点空闲带宽接入控制失败示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

在阐述本实施例基于带宽需求的多径路由方法之前，先说明所述方法中涉及的以下概念：

累积路径(Path Accumulation)：为路由发现分组在路由发现过程中记录当前路由发现分组经过的路由节点的列表。当RREQ(Router Request，路由请求)消息到达目的节点，累积路径字段记录了源节点到目的节点的完整路由。

C-邻居(Contention Neighbor)：为与当前节点竞争无线信道发送动作的所有邻居节点集合，即为了确保当前节点的正确发送必须保持静默的邻居节点的集合。

节点空闲带宽：为节点检测到信道空闲并且认为可以发送分组的信道带宽。在802.11无线Mesh网络中，当节点自身没有发送和接收动作、没有检测到其它节点通过NAV(network allocation vector，网络分配向量)预留信道并且检测到节点自身的信道信号强度低于干扰信号门限，则认为节点的信道空闲。

C-邻居空闲带宽：为节点可以发送分组并且该分组发送不会影响C-邻居节点发送的信道带宽，为可用空闲带宽。

下面具体说明本实施例基于带宽需求的多径路由方法的流程。结合图1、图1a、图2a-2d、图3a-3d，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，源节点S收到业务流的接入请求后，首先判断源节点S的可用空闲带宽(C-邻居空闲带宽)是否大于业务流的最小带宽需求，如果是，转步骤S3，若否，继续下一步；

步骤S2，源节点S拒绝业务流的接入，结束；

步骤S3，判断源节点S的正向路由表中是否存在到达目的节点D的满足所述最小带宽需求的可用路由，如果是，转步骤S22，如果否，转步骤S4，发起到目的节点D的QoS路由发现过程；

步骤S4，源节点S广播RREQ(Route Request，路由请求)消息，所述RREQ消息包含源节点的空闲带宽字段、业务流带宽需求字段、累积路径字段(图2a中RREQ的累积路径包含节点S)、一跳邻居节点列表字段(图2a中RREQ的一跳邻居节点列表为空，另外两跳邻居均为空)；

步骤S5，判断目的节点D是否收到RREQ消息，如果是，转步骤S 10，若否，继续下一步，中间节点(为当前节点的邻居节点，如图1a，当前节点S的邻居节点是节点a、节点b、节点c，而节点b的邻居节点节点S、节点c、节点e)收到该RREQ消息；

步骤S6，进入局部接入控制，节点a、节点b、节点c这3个节点进行局部接入控制过程，以节点b(为了和后面的附图保持一致)为例，中间节点b根据RREQ消息的一跳邻居节点列表字段构建中间节点b的C-邻居节点集合，包括一跳邻居(为一个节点到另一个节点之间直接通信，如S到b，更新节点b的一跳邻居为S)和两跳邻居(为一个节点到另一个节点之间通信经过一个其他节点转发，如S到e，更新节点b的两跳邻居为空)，如图2a所示(和图2a类似，图2b，2c，2d分别为相应节点b，e，h向目的节点广播RREQ消息所进行的局部接入控制)，计算中间节点b的C-邻居空闲带宽，同时估算业务流在中间节点b的带宽需求(利用业务流在当前节点的带宽需求估算公式(C∈P)(以下将会阐述该公式)，由于估算带宽需求时，累积路径只包含部分路由，所以该接入控制称为局部接入控制过程)，判断中间节点b的C-邻居空闲带宽是否大于业务流在中间节点b的带宽需求，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S9；

步骤S7，中间节点b根据RREQ消息中的累积路径字段判断是否存在路由环路，如果否，继续下一步，如果是，转步骤S9；

步骤S8，中间节点b添加自身ID到所述RREQ消息累积路径字段，同时将所述RREQ消息的空闲带宽字段替换为中间节点的空闲带宽，一跳邻居节点列表字段替换为构建的C-邻居节点集合中的一跳邻居集合，广播更新的RREQ消息，转步骤S5；

步骤S9，中间节点b丢弃所述RREQ消息，结束；

步骤S10，判断目的节点D是否首次收到RREQ消息，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S13，目的节点D重复收到RREQ消息；

步骤S11，进入局部接入控制(类似步骤S6)，计算目的节点D的C-邻居空闲带宽，同时估算业务流在目的节点D的带宽需求(利用业务流在当前节点的带宽需求估算公式(C∈P)(以下将会阐述该公式)，由于估算带宽需求时，累积路径只包含部分路由，只能根据部分信息进行接入控制，所以该接入控制称为局部接入控制过程)，判断目的节点D的C-邻居空闲带宽是否大于业务流在目的节点D的带宽需求，若否，继续下一步，若是，转步骤S14；

步骤S12，目的节点D丢弃该RREQ消息，结束；

步骤S13，目的节点根据新路由和已经建立的反向路由列表判断新路由是否为新的节点不相关路由(多条路径之间除源、目的节点外没有其它公共节点)，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S12；

步骤S14，目的节点D将所述RREQ消息的累积路径字段作为新路由，并添加所述新路由到反向路由列表，将最先添加到反向路由列表中的三条新路由作为活动路由，其他新路由作为备用路由；

步骤S15，目的节点D沿三条活动路由的反向路径向源节点S发送RREP(Route Reply，路由应答)消息(为了减少发送过多RREP消息引入的路由开销，目的节点D在反向路由列表中保存所有发现的节点不相关路由，但是只对其中的三条反向路由(活动路由)向源节点发送RREP消息，不向其它反向路由(备用路由)中的源节点发送RREP消息)；

步骤S16，判断中间节点是否收到RREP消息，如果是，进行下一步，如果否，转步骤S21，源节点D收到RREP消息；

步骤S17，进行全局接入控制(可由图3a，3b，3c，3d描述)，中间节点h计算中间节点h的C-邻居空闲带宽，同时估算业务流在中间节点h的带宽需求(利用业务流在当前节点的带宽需求估算公式(C∈P)(以下将会阐述该公式)，目的节点D向源节点S单播(分组在网络中传输，目的地址为单一目标的传输方式)的RREP消息中包含源节点和目的节点的完整路由，中间节点在收到RREP消息后可以根据其C-邻居节点空闲带宽信息和完整路由信息进行接入控制，所以该接入控制称为全局接入控制过程)，判断中间节点h的C-邻居空闲带宽是否大于业务流在中间节点h的带宽需求，如果是，继续下一步，如果否，转步骤S19；

步骤S18，中间节点h建立到达目的节点D的正向路由和到达源节点S的反向路由，更新节点h的路由表(一跳邻居为节点e和节点D，两跳邻居为节点b)，维护当前路由的累计路径(所有节点都维护相同路由的路由累计路径)，继续广播RREP消息，转步骤S16(RREP消息沿反向路由单播到节点e)；

步骤S19，中间节点h向目的节点D发送AC-NAK(接入控制否定确认)消息；

步骤S20，目的节点D收到AC-NAK消息后，从活动路由中删除所述反向路由(S-b-e-h-D)，并从备用路由(图1a中只有三条节点不相关的反向路由，分别为S-c-f-D，S-a-d-g-D，S-b-e-h-D，全部为活动路由，所以本例目的节点D只是简单删除反向路由S-b-e-h-D，而没有备份路由)中选择一条最优反向路由(具有最小跳数的备用路由，本例中没有备用路由)并将该最优的反向路由添加到活动路由中，转步骤S15；

步骤S21，判断源节点S是否在规定的时间内收到RREP消息(即发现满足最小带宽需求的路由)，若是，继续下一步，若否，转步骤S23；

步骤S22，源节点S准予接入业务流，结束；

步骤S23，源节点S拒绝接入业务流(网络没有发现满足最小带宽需求的路由)，结束。

由上可以看出，本实施例基于带宽需求的多径路由方法可以发现源节点、目的节点之间满足业务流带宽的多径路由，通过三种接入控制过程，在满足业务流带宽多径路由的计算过程中考虑了新业务流的接入对路由节点、C-邻居节点的影响，可以确保新业务流的接入不至于影响已接入业务流的带宽，从而达到比“尽力而为”服务更好的服务质量。

本发明提出的基于带宽需求的多径路由算法。该方法通过分析节点可用空闲带宽和业务流的实际带宽，通过使用接入控制过程(局部接入控制过程、全局接入控制过程)来实现多径路由算法。

业务流在当前节点的带宽需求估算公式：

$B_i\left(P\right)=N_{c-\mathrm{nb}}^i\left(P\right)\×W=\left\{\begin{array}{cc}\left(\right|(S_P-\mathrm{Dest})\∩S_{c-\mathrm{nb}}^i|+1)\×W& i\∈P\\ |(S_P-\mathrm{Dest})\∩S_{c-\mathrm{nb}}^i|\×W& i\∉P\end{array}\right.$

其中，P为路径，i为节点；B_i(P)为业务流经过路径P时在节点i的带宽需求；W为业务流数据的带宽需求，可以为最小带宽需求；

为节点i的C-邻居节点集合；(S_P-Dest)定义为路径P去掉目的节点后无线节点的集合；

定义为业务流在当前节点占用带宽与业务流数据的带宽需求之间的倍数，考虑节点自身的发送以及其C-邻居节点发送在当前节点的带宽消耗，当i∈P时为

(其中加1为考虑节点自身的发送)，当

时为

上述业务流在当前节点的带宽需求估算公式意义为：当节点i∈P，当前业务流经过路由P在节点i的带宽需求为

当节点

当前业务流经过路由P在节点i的带宽需求为

本公式考虑了当前节点的分组发送对其C-邻居的空闲带宽的消耗。

本实施例还涉及基于hello(握手)消息的路由维护机制，该机制是基于RREQ消息的局部接入控制和基于RREP消息的全局接入控制的补充，用来判断hello消息的发送节点(一条路由的邻居节点，如图4a中路由S-b-e-h-D的邻居节点f)是否具有足够的空闲带宽(既判断经过路由S-b-e-h-D接入业务流，是否会影响邻居节点f中已有的业务流的QoS)。参见图4、图4a及4b，所述Hello消息的广播过程具体为：

步骤S411，活动路由节点(如节点e和节点h)的邻居节点(如节点f)周期地广播Hello(握手)消息，所述Hello消息包括邻居节点的空闲带宽字段和一跳邻居节点列表字段(邻居节点为节点c，节点d，节点e，节点g，节点h，节点D)；

步骤S412，当所述活动路由节点(如节点e和节点h)收到Hello消息后，进入全局接入控制，根据Hello消息中邻居节点的空闲带宽字段估算邻居节点的C-邻居空闲带宽，根据Hello消息中邻居节点的一跳邻居节点列表字段构建邻居节点的C-邻居节点集合，遍历每条反向路由(中间节点接收到RREP消息会在其反向路由表中添加路由条目，如图3a中节点h接收到RREP消息会添加反向路由S-b-e-h-D)，根据上述业务流在当前节点的带宽需求估算公式(

)估算每条反向路由指定的业务流在该邻居节点的带宽需求，并判断邻居节点的空闲带宽是否大于业务流在邻居节点的带宽需求，若否，继续下一步，若是，转步骤S415；

步骤S413，活动路由节点(如节点h)向目的节点发送AC-NAK消息；

步骤S414，目的节点接收到AC-NAK消息后，从反向路由列表中删除该路由，并且从反向路由列表的备份路由中找到一条备份路由(最多三条活动路由，本例中最多只有三条反向路由，因此没有备份路由)，并且向源节点沿所述备份路由的反向路径发送RREP消息；

步骤S415，接入控制过程完成，结束；

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种基于带宽需求的多径路由方法，包括如下步骤：

源节点收到业务流的接入请求并且C-邻居空闲带宽大于业务流的最小带宽需求时，广播路由请求消息，所述路由请求消息包含源节点的累积路径字段；

当目的节点首次收到所述路由请求消息并且C-邻居空闲带宽大于业务流在目的节点的带宽需求时，将所述路由请求消息的累积路径字段作为新路由，并添加所述新路由到反向路由列表；

所述目的节点沿所述新路由的反向路由向所述源节点发送路由应答消息；

所述源节点在规定的时间内收到所述路由应答消息时，准予接入业务流；

中间节点收到路由请求消息后，当C-邻居空闲带宽大于业务流在中间节点的带宽需求并且不存在路由环路时，更新所述路由请求消息并广播更新的路由请求消息；

所述路由请求消息还包含源节点的空闲带宽字段、业务流带宽需求字段、一跳邻居节点列表字段，

则，所述更新所述路由请求消息之前还包括：

所述中间节点根据所述路由请求消息中的一跳邻居节点列表字段构建所述中间节点的C-邻居节点集合，

则，所述中间节点更新所述路由请求消息的步骤具体为：

所述中间节点将自身ID添加到所述路由请求消息的累积路径字段，将所述路由请求消息的空闲带宽字段替换为中间节点的空闲带宽，一跳邻居节点列表字段替换为构建的C-邻居节点集合中的一跳邻居集合。

2.如权利要求1所述的基于带宽需求的多径路由方法，其特征在于，还包括：

当中间节点收到所述路由应答消息并且C-邻居空闲带宽大于业务流在中间节点的带宽需求时，建立到达所述目的节点的正向路由和到达所述源节点的反向路由，并继续广播所述路由应答消息。

3.如权利要求1所述的基于带宽需求的多径路由方法，其特征在于，还包括：

当目的节点重复收到路由请求消息并且新路由为新的节点不相关路由时，添加所述新路由到反向路由列表；

目的节点将反向路由列表中最先添加的三条新路由作为活动路由，其他新路由作为备用路由，

则，所述目的节点沿新路由的反向路由向源节点发送路由应答消息的步骤具体为：

所述目的节点沿三条活动路由的反向路由向源节点发送路由应答消息。

4.如权利要求3所述的基于带宽需求的多径路由方法，其特征在于，所述准予接入业务流的步骤之前还包括：

当中间节点收到路由应答消息并且C-邻居空闲带宽不大于业务流在中间节点的带宽需求时，向所述目的节点发送接入控制否定确认消息；

所述目的节点从所述活动路由中删除所述反向路由，并从所述备用路由中选择一条最优的反向路由，将最优反向路由添加到所述活动路由以更新所述活动路由；

所述目的节点沿更新的三条活动路由的反向路由向源节点发送路由应答消息。

5.如权利要求3所述的基于带宽需求的多径路由方法，其特征在于，还包括：

活动路由节点的邻居节点周期广播握手消息，所述握手消息包括邻居节点的空闲带宽字段和一跳邻居节点列表字段；

所述活动路由节点收到握手消息后，当邻居节点的C-邻居空闲带宽不大于业务流在邻居节点的带宽需求时，所述活动路由节点向目的节点发送控制否定确认消息；

所述目的节点从活动路由中删除上述收到握手消息后的活动路由，并从所述备用路由中选择一条备用路由；

所述目的节点沿所述选择的备用路由的反向路由向源节点发送路由应答消息。

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