CN102098729B - 无线网络中树状骨干结构构造方法及相关分组转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种无线网络的树形骨干结构的构造方法和相关的分组分发方法，其主要特征是将无线网中的节点定义为树根、树叶，利用树根节点建立树状骨干结构，树根、树叶可以进行通讯，并提出了与一个节点有关的链路稳定度的计算方法，和免费路由学习机制。由此，产生新的基于树形结构的分组分发方法。本发明的方法在先应式路由和反应式路由方法之间建立了一种平衡，兼顾传送效率和网络开销，提高了网络流量的均衡性，最终提高网络数据传送的效率。

Description

无线网络中树状骨干结构构造方法及相关分组转发方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，属于无线网状网络路由协议领域，具体涉及一种在无线网状网络中建立一棵树状骨干结构的构造方法并在此基础上的分组转发的方法。

背景技术

无线网络在很多领域都有广泛的应用，其中是无线网状网络。无线网状网络中，其组成部分——无线节点既是通信终端，又是路由节点——负责为其他通信节点之间的通信转发数据。无线节点具有通信距离有限、带宽和电量资源有限的特点。

现有的无线自组织网络路由协议分为先应式和反应式两种。先应式路由方法需要时刻维护网络中所有节点之间的通信路径——无论是否实际需要。反应式路由只有当需要通信时，才在信源信宿之间寻找路径。

一个反应式路由协议通常由路径发现和路径维护两个部分组成。路径发现通常由信源节点发起。当信源希望向某个信宿发送数据时，而又没有到达信宿的路径，这时信源向网络洪泛一个路由请求（Route Request）报文，收到该报文的中间节点(Intermediate nodes)将继续转发非重复性（Non-duplicate）的路由请求报文，如果信宿收到一个路由请求报文，那么它就可以向信源返回一个路由应答(Route Reply)报文，以通知信源“已经找到一条两者之间的路径”。路由维护阶段，当路径中断（如由于节点移动或无线传输环境恶化）时，可以重新进行端到端路径选择。如AODV、DSR协议以及基于这些协议的衍生协议都属于上述类型。这些反应式路由协议没有考虑所找到的路径的生存周期长短，当通信路径频繁中断时，可能会导致较大的协议开销。

先应式路由协议则实时维护网络中所有节点之间的最短路径。这类协议数据分组通信延迟短，但网络协议开销较大。典型协议包括：destination-sequenced distance vector (DSDV) protocol 、Wireless Routing Protocol、Fisheye routing protocol协议。

发明内容

本发明的目的是在反应式和先应式两类协议的数据传输方法之间建立均衡，发明一种树状数据骨干结构，并优化利用该树（及其树枝）的信息，优化数据路由路径，抑制网络协议开销。

构造树状骨干结构的方法是：

1）树的前向发现过程

首先，树根节点ROOT生成一个Tree Construct分组，然后向网络广播该Tree Construct分组。网络中的节点i收到第一个Tree Construct分组后，它将该分组缓存一小段时间T，当过了T时间后，节点i将自身ID附到该分组已经走过的节点列表中，更新从ROOT到i的路径稳定值，将更新后的Tree Construct分组广播出去，并记录发送给自己该分组的节点为其父节点。

2）判别树叶节点和树内节点

节点i没有监听到过任何其他节点转发的Tree Construct分组中携带的“该分组已经走过的节点列表”中包含自己，则自己为树叶节点，否则为树内节点。

3）树的后向响应过程

前向Tree Construct分组广播后，每个树叶节点将向其树上的父节点发送Tree Reply消息进行响应，Tree Reply消息中附带自身ID信息。树根节点ROOT接收到其所有子节点的Tree Reply消息并创建相关路由表后，树的构建过程完毕。

所生成的树是网络的生成树，并且是一棵稳定度较高的生成树。

基于上述树形结构的免费路由路径信息获取方法是：

一个节点i如果监听到邻居节点j上传的Tree Reply消息后，且i、j不是父子（或子父）关系（我们称i、j为姊妹关系），那么i将j设为到达j上传的Tree Reply消息中的下游子树中的节点的下一跳。如果到达某个具体节点，i有多个这样的选择的话，那么它选择其中距离最小的一个。

这一路由学习过程可以使得分组可以在临近的姊妹树枝上提前进行传递，而无需绕行到更远的祖先节点甚至树根节点。

基于上述无线自组织网络的树形结构，其数据分组的传送方法是：

需要发送数据分组的节点i首先检查目标节点是否在自己的邻居中，如果是的话，直接发送；否则，检查目标节点是否在自己的下游子节点中，如果是的话，直接递交给能够到达该目的节点的子节点；否则检查自己的路由表中是否有学习来的可达路由路径信息，如果有的话，直接提交给相关路由表中的下一跳；否则，提交给自己在树上的父节点。收到分组的节点持续上述过程完成数据传输。

如果某节点没有相关目的节点的下一跳信息，则反向向数据包的源节点发送Route Error信息，沿途节点删除相关到达该目的地的路由表项，直到Route Error信息到达源节点。如果源节点有备用路径（或备用下一跳）的话，那么将向备用下一跳发送分组。否则，需要等待树根节点从新发起树的构建过程时再次实现到目的节点的数据发送。

本发明建立的树状数据骨干结构，在同一无线网络中，并不局限于一个，还可以建立多个树状结构。在网络中选择多个节点作为树根节点可以各自建立的树状骨干结构，由此，数据分组转发时，可以选择在多个树之间进行。

本发明的优点是：

（1）可以构建比较稳定的生成树结构；（2）一棵生成树可以在所有节点之间建立了路径，从而在原有的all-to-all先应式路由机制和纯粹的one-to-one反应式路由机制之间建立均衡，以期在路由效率和网络开销之间建立均衡；（3）可以建立多个生成树，提供更多的备用路径、路径学习能力和网络流量的均衡能力，最终提高无线网络的数据分发效率。

具体实施方式

本发明中的方法针对的无线网络具有以下特征：

每个节点配备各向同性的无线天线；少量节点可以移动，或者无线节点低速移动；当两个节点在相互无线通信范围时，两者可以直接通信，否则不能直接通信；节点不需要知道自身的位置信息、移动速率和移动方向；每个节点周期性发送HELLO包，包中包括自身ID。

关于本发明的树状骨干网络的相关定义：

树包括树根、树内和树叶节点。本发明中，树根指发起树的构建过程的节点。

一个节点在树上紧邻的上游节点称为其父亲节点（或父节点），在树上紧邻的下游节点称为其儿子节点（或子节点）；一个节点只能有一个父节点，但可以有0至多个子节点。树叶指没有下游子节点(children node)的节点。树内节点指树上的且有子节点的节点。

下游子树：一个树内节点的所有下游节点及其相关结构形成了该节点的下游子树。祖先节点：一个节点的父亲节点到树根节点（包含）之间的节点。

本发明要求每个节点定期评估与自己相关联的链路的稳定性，链路稳定性估计方法：本发明中与一个节点相关联的链路的稳定性由该节点的邻居变化率来表征。设t1时刻节点x的邻居集合为S_{x_t1}，t2时刻节点x的邻居集合为S_{x_t2}，那么节点x的邻居变化率为

  

，                       

路径稳定度的计算方法：对于一条简单路径P，其路径稳定度为                                               

，                       

其中V(P)代表路径P上节点的集合。

本发明的树状结构构造方法和机遇这种骨干结构的数据分组转发方法，可以有单树情况和多树情况。

单树的情况：

首先，选择从网络中选择1个节点作为指定节点来负责发起树的构造过程。上述指定节点可以是具备与其他网络（如蜂窝网、因特网、卫星网络等）通信能力的一个节点，或者电量比较充足的节点，或者地理上比较靠近网络中心的节点，或者随机选择的节点。我们将该节点记做ROOT节点。如何选择ROOT节点与下面树的构造过程无关。以下是以ROOT节点为树根的树的构造过程。

树的前向发现过程：ROOT节点发起树的构造过程。具体如下：首先，ROOT节点生成一个Tree Construct分组。该分组包含ROOT的ID、Tree Construct分组的序列号(由ROOT节点自身维护并具有递增特性)、Tree Construct分组已经走过的节点列表（初值为ROOT节点自身的ID）、已经走过的路径的稳定度值（初值为RROOT）。ROOT节点然后向网络广播该Tree Construct分组。当一个节点i（i≠ROOT）收到第一个Tree Construct分组后，它将该分组缓存一小段时间T。T是一个预先设定的值，如T=200毫秒。如果这期间收到多个Tree Construct分组， 则i从中选择从稳定度最高的路径。当过了T时间后，节点i将自身ID附到该分组已经走过的节点列表中，更新从ROOT到i的路径稳定值（即将自身邻接链路稳定度值R_i加到分组已经走过的路径稳定值之上，具体更新方法是公式

），将更新后的Tree Construct分组广播出去，并记录发送给自己该分组的节点为其上一跳节点（或称父节点）。此后，节点i不再接受与此会话相关的重复性Tree Construct分组（即：发起节点ID和序列号都相同的分组）。

树叶节点和树内节点具体判别方法：如果一个节点没有监听到过任何其他节点转发的Tree Construct分组中携带的“该分组已经走过的节点列表”中包含自己，则自己为树叶节点，否则为树内节点。

树的后向响应过程：前向Tree Construct分组广播后，每个树叶节点将分别发起响应进程。具体来说，每个树叶节点将向其树上的父节点发送Tree Reply消息，该消息中附带自身ID信息。收到Tree Reply消息的节点，如果该节点的下游子树只有单个树枝构成，那么它将自己的ID附到Tree Reply消息中后，将该消息继续向自己的父节点上传；否则，它将等待自己的所有儿子节点都返回Tree Reply消息后，再将自己的ID信息附到Tree Reply消息中后，再将该消息上传给自己的父节点。为可靠期间，父节点需要返回一个短ACK信息；否则子节点将重传，直到收到ACK或多次重传都没有ACK。同时，根据下游子树结构，该节点为自己下游子树中的每一个节点创建一条路由表，记录其ID和到达该节点的下一跳信息。因此看出，一个Tree Reply消息携带了下游子树的结构信息。如果超时没有收到某个子节点的Tree Reply消息，则父节点不再等待，它会根据收到的其他信息生成其下游子树信息并上行发送Tree Reply消息。树根节点（ROOT）接收到其所有儿子节点的Tree Reply消息并创建相关路由表后，树的构建过程完毕。

路由学习机制，结合树的构造的免费路径学习方法、路由表的生成方法：一个节点i如果监听到邻居节点j上传的Tree Reply消息后，且i、j不是父子（或子父）关系，我们称i、j为姊妹关系，那么i将j设为到达j上传的Tree Reply消息中的下游子树中的节点的下一跳。如果到达某个具体节点，i有多个这样的选择的话，那么它选择其中距离最小的一个。这一路由学习过程可以使得分组可以在临近的姊妹树枝上提前进行传递，而无需绕行到更远的祖先节点甚至树根节点。

基于单树的数据发送过程：如果一个节点有一个数据分组需发送，它首先检查目标节点是否在自己的邻居中，如果是的话，直接发送；否则，检查目标节点是否在自己的下游子树中，如果是的话，直接递交给能够到达该目的节点的儿子节点；否则检查自己的路由表中是否有免费学习来的可达路由，如果有的话，直接提交给相关路由表中的下一跳；否则，提交给自己在树上的父节点。收到分组的节点持续上述过程，就可以依赖生成树结构实现逐跳式的端到端数据转发。如果上述端到端逐跳转发过程中，某节点没有相关目的节点的下一跳信息，则说明在树的构建过程中没有找到到达相关节点的路径，或者找到的路径已经中断。这时需要反向向数据包的源节点发送Route Error信息，沿途节点删除相关到达该目的地的路由表项（如果分组原先是沿缺省方向（即父节点）发送的，则添加否定式路由表项，以表示该目的地当前不可达），直到Route Error信息到达源节点。如果源节点有备用路径（或备用下一跳）的话，那么将向备用下一跳发送分组。否则，需要等待树根节点从新发起树的构建过程时再次实现到目的节点的数据发送。

树的维护：由于存在网络动态，已经构建的树可能会断裂，因此需要重建树。本发明中，树的重建可以是周期性的（如以T1为周期），也可以是由于“某个信源节点失去了到达某个目的节点的路径”来激活重建，根据应用需求和场景而定。

本发明分组转发方法扩展到多树的情况：

首先选择网络中K（K>1）个节点作为树根节点。一般来说，K<<N（N是网络中节点的总数）。每个选定的树根节点根据前面的方法各自独立地建立以自己为根的网络生成树，各树构建过程相互独立、互不干扰，网络中各节点可以分别结合各个树的构建过程进行路径学习。每个节点在不同的树上，可能有不同的父节点（也可能是相同的）。数据转发时，信源将从中随机选择一棵生成树，数据分组在逐跳转发过程中，仍优先根据路由表的路径信息进行转发，若无路由表，则沿选定的树进行基于树的转发；如果沿该树的分组转发失败，则尝试下一颗树，直到分组发送成功或者沿所有的树的尝试均失败。这时，信源只能等待其中一个树根发起生成树的重建过程。

Claims (1)

1.无线网络中树状骨干结构的构造方法，其特征是方法如下：

1）树的前向发现过程

首先，树根节点ROOT生成一个Tree Construct分组，然后向网络广播该Tree Construct分组，网络中的节点i收到第一个Tree Construct分组后，它将该分组缓存一小段时间T，当过了T时间后，节点i将自身ID附到该分组已经走过的节点列表中，更新从ROOT到i的路径稳定值，将更新后的Tree Construct分组广播出去，并记录发送给自己该分组的节点为其父节点；

所述的路径稳定值由该节点的邻居变化率来表征，具体方法是：设t1时刻节点x的邻居集合为S_{x_t1}，t2时刻节点x的邻居集合为S_{x_t2}，那么节点x的邻居变化率为

  

，                       

路径稳定度的计算方法：对于一条简单路径P，其路径稳定度为

，                             

其中V(P)代表路径P上节点的集合；

2）判别树叶节点和树内节点

节点i没有监听到过任何其他节点转发的Tree Construct分组中携带的“该分组已经走过的节点列表”中包含自己，则自己为树叶节点，否则为树内节点；

3）树的后向响应过程

前向Tree Construct分组广播后，每个树叶节点将向其树上的父节点发送Tree Reply消息进行响应，Tree Reply消息中附带自身ID信息，树根节点ROOT接收到其所有子节点的Tree Reply消息并创建相关路由表后，树的构建过程完毕。

 2. 根据权利要求1所述的无线网络中树状骨干结构的构造方法，其特征是在同一无线网络中，可以选择多个节点建立多个树状结构。