CN102056209A

CN102056209A - 一种用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法

Info

Publication number: CN102056209A
Application number: CN2011100083566A
Authority: CN
Inventors: 王海; 杨盘隆; 董超; 钱睿; 陈晨
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-05-11

Abstract

一种用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法分为路由请求阶段、路由应答阶段和多径路由信息整理三个阶段：本发明通过在AdHoc网络路由中引入一种新的多路由发现与备份策略，提高了AdHoc网络的路由的可用性。弱多径覆盖方法结合反应式路由协议，可以在路由发现过程中以低的开销建立健壮的多路由备份。一旦节点移动、节点失效等原因导致了路由失效，发现路由失效的节点便可迅速切换至备份路由继续通信。使用弱多径覆盖方法可以在很大程度上避免路由失效后的路由重建过程，提高了网络路由的顽存性和可用性。并且，该方法允许发现路由失效的节点本地切换路由，而不必要求源节点参与路由切换，这进一步提高了使用多路由策略的灵活性以及路由恢复的效率。

Description

一种用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法

技术领域

本发明涉及一种无线自组织网络(Ad hoc)中的多路由备份技术，它以低的网络开销和复杂性实现了高效、健壮的多路由备份与快速恢复。在网络拓扑频繁变化的无线多跳网络中使用弱多径覆盖技术可以很好地应对网络拓扑变化导致的路由失效问题，使得以低的控制开销以及时间开销迅速恢复失效路由。因此该方法有效地提高了不稳定无线网络的路由的顽存性和可用性。

背景技术

移动自组织网络(MANET-Mobile Ad hoc NETwork)由于具有分布式、自组织特征，不依赖基站的建立就可以实现无线移动网络互联的特点，近年来广泛用于战场通信、抢险救灾、野外科考等领域。由于网络中的节点移动性较强，同时带宽受限，路由协议因此成为网络系统性能的决定性因素。网络节点的移动性造成网络的拓扑结构不断变化，路由协议要根据链路状态的变化更新路由表以保持网络状态同步，通过协议的路由发现和路由维护功能保持网络的健壮性。路由协议在动态情况下保持路由的稳定性与顽存性是影响自组织网络整体性能的重要因素。

由于无线网络的不可靠性和网络拓扑的动态性，传统路由协议使用单一路径的路由算法不能适应复杂的自组织网络环境[1]。多路径路由算法(Multi-path Routing)具有稳定性高、资源分配灵活的特点，比单一路径的路由算法更适合用于高负载、大规模的网络中[2]。现有的无线自组网路由协议中，DSR(Dynamic Source Routing)协议已经提供了多路径路由功能支持，当主路由失效时，可以切换使用备用路由；AODV-BR(Ad hoc 0n Demand Distance Vector-Backup Routing)[3]也提供了多路径寻由功能。美军军标MIL-STD-188-220的路由协议(以下简称220协议)[4]同样提供了多路由支持，允许节点保留两条相同长度的最短路径。但是多径算法会给网络带来额外的开销，同时没有考虑对多路径信息的过滤和优化。

多径算法的网络拓扑组织可分为“节点分离式”(Node Disjoint)和“链路分离式”(Link Disjoint)两种。为了简便起见，我们把“节点分离式”拓扑组织结构简记为ND，“链路分离式”拓扑组织结构简记为LD。

ND有两种情况。在第一种情况下，源点到目的点的各条路径中，只有源节点和目的点相同，其余的节点都不相同，这种拓扑结构我们将其简记为ND-1。ND-1结构的优点在于仅仅源点记录多条路径不会影响网络其它节点，同时各条路径相对独立，具有较强的顽存性。但ND-1结构限制了路由信息的分布，只有源节点有多径信息，这样当路径上链路失效时，需要通知源节点切换到备份的路由上。当网络规模扩大，路径的长度增大后，ND-1结构所维护的多径路由表工作效率不高，占用较多的网络带宽，限制了路由协议的可扩展性。在ND的第二种情况下，某条路径上的所有节点都有可以到达目的节点的多个路由，这样的路径被称为“主路径”(Primary Path)，这种网络拓扑结构我们将其简记为ND-2。ND-2结构下，每个节点都具有自愈能力，如果发现链路断连，可以通过备份链路到达目的点，无需通知源节点，减小了协议开销。但是ND-2网络结构只是一种理想情形，实际网络中一般很难找到符合条件的多径结构。

在LD中，不同的由源节点到目的节点的路径上，所有的链路都不相同，但是可以有相同的节点。LD结构对网络的拓扑要求没有ND结构高，不需要找到没有相同节点的路径，也不需要每个主路径上的点都有到达目的点的路径。但是LD算法的不足之处在于多条路径可能存在公共节点，一旦公共节点脱网或者离开了原来的网络区域，则导致选择的多条路径同时失效。

伴随着Ad Hoc网络应用的普及，其应用规模扩大，应用场景复杂性也不断增加，现有单一路径路由协议应对路由频繁失效将越来越力不从心。可是以上多路由方法并没有很好地对多路由建立提出好的解决方案。因此亟需一种简单、高效方法来对现状做出一定的改变。

【参考文献】

[1]PERLMAN M R，HASS Z J，On the Impact of Alternate Path Routing for Load Balancing in Mobile Ad Hoc Networks[EB/OL]，http://citeseer.ist.psu.edu/pearlman00impact.html.2000-05-23.

[2]SASS P.Communications networks for the Force XXI Digitized Battlefield[EB/OL]，http://www.springerlink.com/index/G0M287124145307N.pdf.1999-10-12.

[3]ZYGMUNT J，EMIN G.Path Set Selection in Mobile Ad Hoc Networks[EB/OL].Http://www.cs.hujiac.il/labs/danss/sensor/adhoc/rouitng/papadimitratos_2002pathsetselection.pdf.2002.Cornell University.

[4]ARISTIOIS T，ZYGMUNT J.Multipath Routing in the Presence of Frequent Topological Changes [EB/OL].http://ieeexplore.ieee.org/iel5/35/20848/00965371.pdf.2001-11.

[5]JOHNSON.D，MALTZ.D，HU Y，The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad HocNetwork(DSR)[EB/OL].http://www.ietf.org/proceedings/02mar/I-D/draft-ietf-manet-dsr-07.txt，2003-04.

发明内容

技术问题：本发明的目的是是提供一种用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法，即在Ad Hoc网络的路由技术中引入一种健壮的多路由备份方法，使得当网络拓扑改变导致路由失效时可以使用备份路由快速恢复网络通信，从而提高无线网络路由的顽存性。同时该方法与现有多径路由方法相比，链路恢复的开销很小，效率很高。

技术方案：本发明的用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法分为路由请求阶段、路由应答阶段和多径路由信息整理三个阶段：

路由请求阶段：在路由请求阶段，源节点以广播的形式发送路由请求消息RREQ，当节点收到RREQ之后，以路由源地址、路由目的地址以及广播号为依据判断是否接收到过相同的RREQ，如果已收到过相同的RREQ，则不做任何处理；否则，完成以下操作：

1)记录路由请求报文RREQ的上一跳节点；

2)记录路由请求报文RREQ的路径信息；

3)将本节点添加到RREQ的路径中；

4)广播RREQ；

路由应答阶段：

目的节点在收到RREQ之后，以路由源地址、路由目的地址以及广播号为依据判断是否接收到过相同的RREQ，如果已收到过相同的RREQ，则不做任何处理；否则，完成以下操作：

1)提取RREQ的路径信息，并将本节点加入该路径信息，得到主路径；

2)以单播的方式通过路由应答消息RREP，将路径信息发送给该RREQ的上一跳节点；

中间节点接收到路由应答消息RREP时，记录RREP中携带的路由路径信息，并向记录的RREQ上一跳节点转发该RREP；

如果中间节点通过侦听到路由应答消息RREP，则进行多路径路由信息整理阶段；

多径路由信息整理阶段：

各中间节点x首先对收到并记录的所有从节点i到节点j的路径P_i，j，针对它的邻居点y做分离运算SP(P_i，j，y)＝P_y，j；其中，SP为路径分离操作，只要y在P_i，j上，则P_y，j就为从y到j的路径；如果y不在P_i，j上，则P_y，j＝φ，然后再对收到的路径集合做合并运算MP(P_i，x，P_x，y)＝P_i，y，MP(P_i，y，P_y，k)＝P_i，k；其中，MP为路径合并操作，k为某目的地；合并过程中进行环路检查，如果出现环路，则删除该路径；最后得到的路径信息为经过中间节点x以及它的邻居y的路径P_i，k，然后该路径作为路由应答消息RREP发送给上游节点；

所有节点将收到的P_i，k信息与存储的路径库进行比对，满足以下两条件之一则存储该路径：

1)路径库里没有以i为源点，以k为终点的路径；

2)路径库里有以i为源点，以k为终点的路径，但是路径信息里至少有一个以上节点与收到的P_i，k不同；

存储的路径即构成弱多径覆盖，在网络中假设P_i，k路径上某链路或节点断开后，通过查询相同P_i，k路径库，选择不经过该链路和节点的备份路径，从而实现在通路上某链路或结点断开后的快速路由恢复。

中间节点采用路径分离和路径合并操作，从而形成多条局部路径有差异的弱多径路由，使某链路或节点故障时，不需要回溯到源点，通过它的邻居即可获得新的路径的方法。

有益效果：本发明通过在Ad Hoc网络路由中引入一种新的多路由发现与备份策略，提高了Ad Hoc网络的路由的可用性。弱多径覆盖方法结合反应式路由协议，可以在路由发现过程中以低的开销建立健壮的多路由备份。一旦节点移动、节点失效等原因导致了路由失效，发现路由失效的节点便可迅速切换至备份路由继续通信。使用弱多径覆盖方法可以在很大程度上避免路由失效后的路由重建过程，提高了网络路由的顽存性和可用性。并且，该方法允许发现路由失效的节点本地切换路由，而不必要求源节点参与路由切换，这进一步提高了使用多路由策略的灵活性以及路由恢复的效率。

附图说明

图1：弱多径覆盖示意图。

图2：反应式路由协议的路由发现过程示意图。

图3：弱多径覆盖多路由备份建立示意图。

图4：弱多径覆盖与ND、LD性能比较图。

具体实施方式

用弱多径覆盖提高路由顽存性的方法是一种多径路由策略，其建立的路由备份具有很好的健壮性。弱多径覆盖方法建立的多路由可描述如定义2：

定义1：源节点到目的节点的路径P上，节点i与源节点的跳数小于节点j到源节点的跳数，则称节点i为节点j的上游节点。

定义2：如果节点A到节点B之间的多路径集

满足以下条件，则称存在关于节点A到节点B的弱多径覆盖。

1：存在主路径，且主路径为最短路径；

2：主路径上除目的节点的上游邻居外，每一个上游节点都存在着至少两条到达下游节点的路径；

弱多径覆盖主要体现在两点：“弱”是由于选择的多径没有节点分离和链路分离的约束，只要有一个节点或链路不同就认为是不同的路径；“覆盖”体现在主路径上除目的节点的上游邻居外的每一个节点都有到下游节点的备份路径。

弱多径覆盖的算法可以与很多现有路由协议机制结合。以DSR路由协议为例，弱多径覆盖可以与现有的成熟MANET路由协议DSR[5]相结合，在协议原型基础上做改进。其中，DSR算法属于反应式路由算法(Reactive Routing)，利用了源点选路技术，同时带有监听能力，能够将有用的路由信息及时放入本地的缓存表项中。DSR算法的寻由过程可以分为两个阶段，首先是寻由请求阶段，请求报文RREQ(路由请求报文Route REQuest)以广播的形式在网络中传播，中间结点转发RREQ报文，并记录节点信息；目的节点收到RREQ报文后，进入应答阶段。目的节点向源节点以单播的形式发送应答报文RREP(路由应答报文Route REP1y)，过程如图2所示。

实现弱多径覆盖方法，需要在原始DSR协议基础上做以下修改：

(1)在DSR中加入了RREP的侦听机制。在弱多径覆盖中，节点不仅要接收发送给自己的RREP，同时还要处理侦听到的目的地址不是自己的RREP。正是通过分析和处理侦听到的RREP的路径信息，弱多径覆盖方法才建立起多条不同的路由路径。

(2)处理接收到的RREQ和侦听得到的RREP，并通过路径分离和路径并合的方法成生新的路由。节点在接收到RREQ时记录上游节点、路径以及跳数等信息。当节点侦听到RREP时，其根据记录的RREQ的路径信息和侦听得到的RREP中的路径信息建立不同于RREP中路径的备份路由路径，并通过RREP将备份路由路径通告其上游节点。

与其他路由协议的结合方法可参考DSR路由协议方法设计，在此不再赘述。

图1：弱多径覆盖示意图。弱多径覆盖方法生成的路径中，跳数最短的一条路径称为主路径。主路径上除目的节点上游邻居外的所有节点都拥有至少一条到其下游节点的备份路径；

图2：反应式路由协议的路由发现过程示意图。该路由发现过程包括路由请求消息RREQ的传输以及路由应答消息RREP的回传。RREQ是以广播的形式发送出去并最终到达目的节点的。节点在接收到RREQ时将本节点添加到RREQ的路径中并转发出去。目的节点在接收到RREQ后以单播的形式将RREP发送回源节点。所建立路径上的节点和及源节点在接收到RREP时形成到目的节点的路由。

图3：弱多径覆盖多路由备份建立示意图。在路由请求阶段，节点G从节点F接收RREQ，学习到可用路径A-＞B-＞F。在路由应答阶段，节点G侦听到节点D发送给节点C的RREP，学习到源节点A到目的E的路由路径为A-＞B-＞C-＞D-＞E。节点G获得新的源节点到目的节点的路径A-＞B-＞F-＞G-＞D-＞E后，通告节点F。节点F通告节点B。主路径上节点B获得到其下游节点D的备份路由路径B-＞F-＞G-＞D。

图4：弱多径覆盖与ND、LD性能比较图。当节点发现到目的节点的路由失效时，首先考虑切换到本地的备份路由上继续工作。如果当前节点没有备份路由，那么只能回退到当前节点的上游节点以继续尝试路由切换。每一次回退都会耗费网络以及时间开销，回退越少表示修复路由效率越高。因此可以用路由失效后切换路由所需的回退数作为多径路由好坏的一种衡量标准。

从图4可以看到，采用弱多径方法，在网络节点数150-400左右时，平均回退节点在2跳左右，而采用节点分离方法回退结点在10-20跳，平均为15跳左右，链路分离方法平均回退结点在2-16跳，平均为10跳左右。弱多径方法的开销比链路分离方法和节点分离方法效率提高5倍以上，恢复速度也相应地提高5倍。

本发明的具体实施分为路由请求阶段、路由应答阶段和多径路由信息整理阶段。

1：路由请求阶段

在路由请求阶段，源节点以广播的形式发送路由请求消息RREQ。当节点收到RREQ之后，以路由源地址、路由目的地址以及广播号为依据判断是否接收到过相同的RREQ。如果已收到过相同的RREQ，则不做任何处理；否则，完成以下操作：

(1)记录路由请求报文RREQ的上一跳节点；

(2)记录路由请求报文RREQ的路径信息；

(3)将本节点添加到RREQ的路径中；

(4)广播RREQ。

2：路由应答阶段

2.1目的节点在收到RREQ之后，以路由源地址、路由目的地址以及广播号为依据判断是否接收到过相同的RREQ。如果已收到过相同的RREQ，则不做任何处理；否则，完成以下操作：

(1)提取RREQ的路径信息，并将本节点加入该路径信息，得到主路径；

(2)以单播的方式通过RREP将路径信息发送给该RREQ的上一跳节点；

2.2节点接收到路由应答消息RREP时，节点记录RREP中携带的路由路径信息，并向记录的RREQ上一跳节点转发该RREP。

2.2如果节点通过侦听到路由应答消息RREP，则进行多路径建立操作。对于RREP的处理方法可以描述如下：

定义3：路径子集分离运算SP(P_i，j，y)＝P_y，j，节点i为上游节点，j为下游节点，y为路径P_i，j上的一点。

定义4：路径子集合并运算MP(P_i，y，P_y，k)＝P_i，k。

如图3所示，源节点和目的节点分别是A和E，节点G缓存的RREQ来自节点F，RREQ中的路径信息记为P_A，F。节点G侦听到节点D发送的路由应答消息，路由应答消息携带路径P_A，E，对其做路径子集分离运算SP(P_A，E，D)＝P_D，E。将得到的子路径信息做合并运算MP(P_A，F，P_F，G)＝P_A，G，MP(P_A，G，P_G，D)＝P_A，D和MP(P_A，D，P_D，E)＝P′_A，E。将得到的路径信息作为路由应答消息RREP发送给上游节点。

所有节点将收到的P_i，k信息与存储的路径库进行比对。满足以下两条件之一则存储该路径：

(1)路径库里没有以i为源点，以k为终点的路径；

(2)路径库里有以i为源点，以k为终点的路径，但是路径信息里至少有一个以上节点与收到的P_i，k不同。

存储的路径即构成弱多径覆盖。在网络中假设P_i，k路径上某链路或节点断开后，通过查询相同P_i，k路径库，选择不经过该链路和节点的备份路径，从而实现在通路上某链路或结点断开后的快速路由恢复；

3：多径路由信息整理阶段

由弱顶点覆盖的性质可以知道，主路径上的不同链路或不同子路径都有数目不等的备份链路或路径，整个路径的稳定性取决于备份最少的路径或链路。因此，对于某段子路径或链路而言，备份路径的数目并不是越多越好，备份过多反而会增大网络开销。同时，由前面的分析可知，路径的长度越长，稳定性越差，所以备份路径同样应该尽量减小长度。多径路由信息整理的主要内容就是，对路径长度过长的备份路径进行舍弃，以及控制备份路径的数目保留长度较短的路径。