CN102077519B - 一种支持快速网络拓扑变化低协议开销的路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种支持快速网络拓扑变化的通信方法。本方法包含以一第一发送周期，发送一第一协议信息，该第一协议信息用以建立一节点与一目的节点间的一路由信息；以及以一第二发送周期，发送一第二协议信息，该第二协议信息用以建立该节点与一邻居节点间的一链路信息，其中该第一发送周期不同于该第二发送周期，以及其中该第一协议信息包含复数个信息区段，而该第一发送周期根据该复数个信息区段内的一对应细节信息作调整，进而减少该第一协议信息与该第二协议信息的一发送量。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种通信方法，具体地说，是一种支持快速网络拓扑变化低协议开销的路由方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着通信技术的发展和移动终端性能的提高，多跳网络的应用越来越广泛。多跳网络中，用户终端的移动性具有很大的随机性，它们可以随时移动，也可以随时开机和关机。再加上无线发射装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰以及地形等因素的影响，网络的拓扑结构可能随时发生变化，而且这种变化无法预先知晓。网络拓扑动态变化频繁。节点的移动使得网络拓扑不断变化，对于频繁的网络拓扑变化，传统的固定网络路由协议很难及时地准确地反映网络的拓扑结构，而且为了维护网络拓扑所使用的控制信息不断地分发到网络中去，要占用大量的无线带宽。
网络中，大部分路由协议是基于DBF(Distributed Bellman Ford)和LS(Link State)设计的。由于DBF具有分布式的特点，因此它简单而且计算效率较高，这是它的优势。但其路由收敛较慢，而且有形成环形路由的可能，因此不适合拓扑高度变化的网络。虽然有些方案已解决了环形路由问题，但到目前为止还没有较好的方案能解决DBF收敛较慢这一问题。
正是由于DBF的这些问题，人们才找到一种全新的方案LS。在LS路由协议中，每个节点都维护着一个全局拓扑结构表，因而很容易避免环形路由。而且链路的任何变化都会立即触发链路更新，这样收敛到新的拓扑结构所需要的时间远远小于DBF。但是LS依靠泛洪去分发路由更新信息，可能会带来过多的带宽开销，特别是在链路变化频繁的网络中，大量的更新信息会占用相当多的宝贵带宽，增加协议的开销。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种有效的解决方法及装置，其利用协议信息(例如协议帧)的通讯，而达成及时的适应网络拓扑的变化，以及具有较低的路由协议开销的优势。
本发明实施例提供一种支持快速网络拓扑变化的通信方法，该方法包含：以一第一发送周期，发送一第一协议信息，该第一协议信息用以建立一节点与一目的节点间的一路由信息；以及以一第二发送周期，发送一第二协议信息，该第二协议信息用以建立该节点与一邻居节点间的一链路信息，其中该第一发送周期不同于该第二发送周期，以及其中该第一协议信息包含复数个信息区段，而该第一发送周期根据该复数个信息区段内的一对应细节信息作动态的调整，所述的第二发送周期根据所述的第二协议信息内的一对应细节信息作动态的调整，进而减少该第一协议信息与该第二协议信息的一发送量。
本发明实施例还提供一种支持快速网络拓扑变化的通信装置，该装置通过以下方法发送通讯协议信息：以一第一发送周期，发送一第一协议信息，该第一协议信息用以建立一节点与一目的节点间的一路由信息；以及以一第二发送周期，发送一第二协议信息，该第二协议信息用以建立该节点与一邻居节点间的一链路信息，其中该第一发送周期不同于该第二发送周期，以及其中该第一协议信息包含复数个信息区段，而该第一发送周期根据该复数个信息区段内的一对应细节信息作动态的调整，所述的第二发送周期根据所述的第二协议信息内的一对应细节信息作动态的调整，进而减少该第一协议信息与该第二协议信息的一发送量。
具体而言，本发明根据各种协议信息，如梯度路由协议帧(即HT Beacon)与邻居节点协议帧(即NBR Beacon)内所包含的细节信息，动态地调整其发送周期，进而达到及时适应网络拓扑变化与降低路由协议开销的优势。
附图说明
图1为本发明所适用的梯度路由的图式。
图2为适用于本发明的系统中邻居节点和梯度路由的关系图。
图3为本发明的梯度路由协议帧的一范例封包。
图4为本发明的邻居节点协议帧的一范例封包。
图5为本发明的一实施例中接收邻居节点协议帧后所可能导致的一系列动作。
图6为本发明的一实施例中接收到梯度路由协议帧的更新消息后的更新流程。
图7为本发明的一实施例中决定是否进行冻结步骤的图式。
图8为本发明的一实施例中限制梯度路由的势对网络所产生的影响的图式。
具体实施方式
本发明可以梯度路由的方式实施，如图1所示，梯度路由(Height Routing)也称为纯目的性路由，其基本的出发点是放弃在无线网络中寻找最优路由的思想，而建立动态变化的指向目标点的梯度，如同以源点作为山顶的泉眼，以目标点为山底的水潭，数据通过山顶到山底的势(Height)流下来。
在梯度路由的概念中，具体的流水路径并不一定是山顶到山底的最短路径，其重点在于保持水向下流的趋势。当水流处在高势的水平时，并不需要山底势的变化而影响其路径，因为流动的过程仍使水流在流向山底。换句话说，建立梯度的过程并不是建立路由，而是为路由提供方向。
然而，为了在不同的势之间进行选择，首先要保持对不同的势作记录，即为梯度表(Height Table)，而被选择出来用于数据传输的梯度就成为了路由表(Route Table)。
根据梯度原则，在网络中数据的收发采用本地路由表。本地(到达目标点一跳)直接通过邻居节点(NBR)之间的链路(Link)，进行数据的发送，与梯度并无关联。因此，为了实现本地路由，邻居节点间要采用快速检测，及时发现邻居节点之间链路的变换情况。非本地目标通过梯度进行发送，则无需快速更新路由信息。
具体来讲，根据本发明，发送数据首先查询邻居路由表(Neighbor RoutingTable)，以直接利用本地路由发送，如果没有相应的目的地，则根据路由表(Route Table)中的路由进行数据发送。
图2显示了系统中邻居节点和梯度路由(Height)的关系。邻居表(Neighbor Table)包含了所有的邻居节点信息，其中有一部分成为邻居路由表(Neighbor Routing Table)。
依照本发明的基本原则，一是，传播周期短的广播包要小，再者，信息量大的定期广播包要少发，三是，迅速改变的信息不要传播的太远。一般而言，在一个节点里需要保存两种信息，一种是节点到邻居节点的链路状况信息，一种是节点到目的节点的路由信息。节点到目的节点的路由信息，建立在节点到邻居节点的链路状况信息的基础上。当目的节点的数目变大时，节点到目的节点的路由信息量也会随之增大，但是节点到邻居节点的链路状况信息量，不会因为目的节点的数目变大而有太大的变化。因此，根据本发明，邻居节点变化快，所以信息量要小，广播周期也要短，而路由信息，信息量大，定期广播要少发。
本发明是利用协议信息(如协议帧)的通讯，而达成及时适应网络拓扑变化与降低路由协议开销的优势。具体而言，本发明根据各种协议信息，如梯度路由协议帧(即HT Beacon)与邻居节点协议帧(即NBR Beacon)内所包含的细节信息，动态地调整其发送周期，进而达到及时适应网络拓扑变化与降低路由协议开销的优势。
本发明可以一梯度路由协议帧(即HT Beacon)与一邻居节点协议帧(即NBR Beacon)实施，根据此二协议帧所携带的细节信息，动态地调整发送此二协议帧的周期。具体而言，梯度路由协议帧可用来建立路由表(RouteTable)，其特性在于，信息量大，更新速度慢，因此广播周期可较长，而邻居节点协议帧用来建立邻居路由表(Neighbor Routing Table)，其特性则在于，信息量小，因此广播周期可较短。
因此，在本发明的实施例中，根据上述二协议帧的细节信息，以不同的周期，分别广播此二协议帧，即可透过梯度路由协议帧来建立梯度路由，以及透过邻居节点协议帧来建立本地路由及邻居链路关系，进而得以及时适应网络拓扑变化，并可因为发送周期不同而降低路由协议开销。
参照图3与图4，其分别绘示本发明的梯度路由协议帧及邻居节节点协议帧的范例封包。参照图3，在本发明的一实施例中，梯度路由协议帧内可定义有一区段，负责表示此协议帧是一梯度路由协议帧(即HT Beacon)。本发明的梯度路由协议帧用以建立路由表，已如前述。
具体而言，本发明的梯度路由协议帧内更可包含例如三个区段，以进一步提供有关梯度路由协议帧的细节信息。举例而言，图3所示的梯度路由协议帧包含询问(Query)区段、回复(Reply)区段、以及更新(Update)区段。根据本发明，在每区段填入相对应的细节信息，并以适当的周期发送，即可减少传输空间消息的个数，进而降低协议开销。
举例而言，携带询问及/或回复细节信息的梯度路由协议帧可以较短的周期发送，而携带更新细节信息的梯度路由协议则可以较长的周期发送。换句话说，梯度路由协议帧系可以事件导向(event driven)的方式进行发送。亦即，当梯度路由协议帧携带的是询问及/或回复细节信息时，即以较短的周期发送，而当梯度路由协议帧携带的是更新细节信息时，即以较长的周期发送。藉此，本发明得以进一步的根据协议信息中所携带的细节信息调整其发送周期，进而减少不必要的协议信息发送量。
在本发明的一实施例中，这些细节信息可以通过同一梯度路由协议帧中进行发送。在本发明的另一实施例中，这些细节消息亦可在不同的梯度路由协议帧中进行发送。
在本发明的一实施例中，路由生存周期可划分为五种状态，因此，梯度路由协议帧内所包含的信息，亦可根据路由生存周期的状态而发送不同的信息：
路由不存在(No Exist)。
路由不可用(Not Ready)。在一实施例中，本发明的梯度路由协议帧可发送一询问信息。
路由从不可用状态转变成可用状态(Pre-Ready)。在一实施例中，本发明的梯度路由协议帧可发送一回复信息。
路由处于结束了回复的可用状态(Ready)。
询问超时(Dead)。
参照图4，在本发明的一实施例中，邻居节点协议帧内可包含传输信道ID、传输功率、间隔、节点类型、邻居节点号、以及邻居节点Triples等信息。在本发明的一实施例中，通过接受的邻居节点协议帧可以建立链路关系和邻居节点关系。发送邻居节点协议帧，可包括特殊邻居节点(Special NBR)和邻居的特殊邻居节点之外的所有邻居信息。发送周期亦可调整为可配置参数。
本发明的邻居节点协议帧可要求携带发送周期时间和邻居节点类型信息。在双方相互可见的基础上选择一定量邻居，作为附近邻居(CloseNeighbor)。这个过程可以辅以现有的附近邻居选择机制。附近邻居亦可将现有梯度所指向的最佳邻居(Best Neighbor)也选择进来。
由于路由选择是为了合理的减少时间，增加无线资源的利用，因此，在本发明中进一步地引入成本值(Cost)的概念，来动态地调整协议信息的发送周期。在本发明的一实施例中，成本值可定义为发起节点到达目的节点路由所需要的一时间参数。此时间参数可根据一无线状态、一网络流量、一封包大小、一数据传输率、或任一结合者的影响而有所改变。成本值在梯度表与邻居表中皆有纪录。举例而言，邻居表中所纪录的成本值是节点到邻居节点的成本值，而梯度表中所纪录的成本值是节点到目的节点的成本值。
本发明进一步引入平滑因子，对成本做适应性处理，即，将新成本值以加权平均方式影响原有成本形成成本的平稳变换，如以下公式所示。
Cost＝Old_Cost+A×New Cost(0＜A＜1，为一可调参数)。
根据本发明，依照例如梯度路由协议帧及邻居节点协议帧所携带的细节信息，分别周期性地广播发送各种协议帧，即可分别周期性地更新梯度表(Height Table)与邻居表(Neighbor Table)。
参照图5，其绘示本发明的一实施例中，接收邻居节点协议帧后所可能导致的一动作。如图5所示，在本发明的一实施例中，接收邻居节点协议帧时，首先会触发邻居表(Neighbor Table)出现变化。根据邻居表的变化，邻居路由表会在进行周期更新时，查询各个链路的成本值，以将其路由表的信息进行更新。并根据路由情况，从邻居表中，选择出路由邻居，以作本地路由。
在本发明的一实施例中，如果成本变换超过一门限(或临界值)，则会影响梯度路由的成本值，而此门限或(或临界值)可以手动的方式设定。藉此，当这些本地路由的链路变化超过一定范围后，会影响梯度路由的成本。由于梯度路由为所有可选的梯度信息，这些梯度信息根据一定的原则(例如成本最优原则)，选择出用于数据发送的路由。因此，如果梯度路由的成本变化超过了一定的范围，则势必会影响最终路由选择。
在本发明的一实施例中，当链路成本变化没有超过链路切换门限时，不会进行链路切换。在本发明的又一实施例中，当邻居节点的成本变化没有超过路由切换门限时，不会进行邻居切换。
根据本发明，在链路级别上，根据邻居节点协议帧中提供的周期时间，可以计算一上升值(Ramp)，从而使链路超时。本发明的Ramp值指所纪录一个邻居节点协议帧周期中，数据包丢失的个数，当数据包丢失的个数超过规定的数值时，此链路则被视为不能正常工作。
由于邻居节点级别上的成本是本地路由的成本值，并不直接等于最优链路的成本值，而是经过适应性平滑后的值。因此，在邻居节点协议帧中，仍需要携带链路的成本和损耗发送，以作为计算成本的参考。
在本发明的一实施例中，当接收到梯度路由协议帧的更新(Update)消息(例如neighbor cost to destination，Cnd)、或着当相应邻居节点的成本(例如cost to neighbor，Cn)变化超过路由成本门限时，可能导致梯度表中某一表项的成本(例如cost to destination，Cd)发生变换，从而产生路由切换或路由冻结(Frozen)机制。更新流程如图6所示。
根据本发明，势的建立必须避免路由链路的回环(Loop)发生。路由链路的回环是指在路由链路中，当某一链路的成本由于外界的因素而突然激变，而在短时间内不能通知到其它的节点，根据路由最优原则，路由会选择刚刚走过的节点，从而导致路由链路的回环。在通常情况下，只有在当前选择的最优势的成本增加时，才会有形成路由链路的回环的可能性。本发明通过冻结机制来避免路由链路回环的发生。如果有可选的其它不会形成路由链路回环的梯度，则不必进入冻结状态。
如图7所示，当最优梯度(Best Height)的成本增大时，就有发生路由链路回环的可能，所以需要决定是否进行冻结。如果当前存在次优(Sub-optimum)梯度，则不必进行冻结，而可直接切换。
在本发明的一实施例中，次优梯度可以利用以下任一条件选定：
对方的Cnd比自身的没有冻结之前的Cd还要小的梯度。
对方在梯度上的位置比自身低(Hop＜My Hop)。
在本发明的实施例中，冻结时要记录之前的成本(Cdf)，以用于解除冻结(Unfrozen)的条件检测。
梯度路由(Height Routing)是建立动态变化的指向目标点的梯度，如同以源点作为山顶的泉眼，以目标点为山底的水潭，数据通过山顶到山底的势(Height)流下来，水所流经和没有流经的地方都具有向水潭的势，已如上述。
为了减少协议的开销，适应网络拓扑的快速变化，本发明采取所有的势中，只有一部分是可以转化为需要的势，这些具有可以被需要的势的点形成了一个椭圆区。通过对这个椭圆区的限定，可以进一步地减少势对网络部分的影响。
图8绘示本发明的一实施例中限制梯度路由的势对网络所产生的影响的图式。如图8所示，通过到可活动节点的跳数(HOP to Live，即HTL)和到目的节点的跳数(Hop to Dest，即HTD)的相互关系，即HTD(Hop to Dest)+HTL(HOP to Live)＜＝最大跳数(MAX hop)，可以做到对机动梯度(On-Demand Height)的影响范围进行限制，满足此条件的区域为一椭圆区，即可选取区域，否则不予考虑，进而减少无用的路由信息，减少网络路由协议的开销，适应快速的网络拓扑变化。
本发明的有益效果是：1、大大减少了协议在无线资源中的开销。2.大大减少了由于需要适应高速移动而增加协议开销对网络的影响。3.使大面积部网和支持大量客户成为可能。
本发明已透过以上具体实施例作一详细说明，惟以上所述者，仅用以说明本发明的较佳实施例而已，并不能限定本发明的实施范围。即凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明专利涵盖范围内。
Claims (17)
1.一种支持快速网络拓扑变化的通信方法，所述的方法包含：
以一第一发送周期，发送一第一协议信息，所述的第一协议信息用以建立一节点与一目的节点间的一路由信息；以及
以一第二发送周期，发送一第二协议信息，所述的第二协议信息用以建立所述的节点与一邻居节点间的一链路信息，
其中所述的第一发送周期大于所述的第二发送周期，以及
其中所述的第一协议信息包含复数个信息区段，而所述的第一发送周期根据所述的复数个信息区段内的一对应细节信息作动态的调整，所述的第二发送周期根据所述的第二协议信息内的一对应细节信息作动态的调整，进而减少所述的第一协议信息与所述的第二协议信息的一发送量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法更包含利用一成本值，在当前选择的最优势的成本增加时决定进行一冻结或一切换步骤，若有一次优梯度存在，则进行所述的切换步骤，若否，则进行所述的冻结步骤，以避免一路由链路回环，其中所述的成本值以一时间参数作计算。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述的第一协议信息的所述的成本值是所述的节点路由到所述的目的节点所需的所述的时间参数，以及所述的第二协议信息的所述的成本值是所述的节点到所述的邻居节点所需的所述的时间参数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的成本值是以以下公式计算：一成本值=一现有成本值+一可调参数×一新成本值，其中所述的可调参数介于0与1之间的一数值。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的时间参数根据一无线状态、一网络流量、一封包大小、一数据传输率、或其中任一结合的影响而有所改变。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法更包含设定一最大跳数，以限制邻居节点的一范围。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的复数个信息区段内的对应细节信息包含一询问信息、一回复信息、以及一更新信息的其中之一、或其结合者。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的询问信息与所述的回复信息以一较短周期发送，以及所述的更新信息以一较长周期发送。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二协议信息包含邻居节点信息。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法更包含在一链路上，根据所述的第二协议信息所提供的一周期时间，计算一上升值，所述的上升值用以纪录所述的第二协议信息在所述的第二发送周期内所丢失的数据包个数，当所述的上升值超过一既定值时，则使所述的链路被视为超时而无法正常工作。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一协议信息是一梯度路由协议帧。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二协议信息是一邻居节点协议帧。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一协议信息是以一事件导向的方式进行发送。
14.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的方法更包含将所述的第一协议信息的所述的成本值与所述的第二协议信息的所述的成本值分别纪录于所述的路由信息及所述的链路信息。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的路由信息可为一路由表，以及所述的链路信息可为一邻居路由表。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法更包含根据一路由生存周期状态发送不同的细节信息。
17.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的最大跳数小于到一来源的跳数与到一目的地跳数的总和。
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