CN103607352A - 一种基于网络拓扑的多播路由方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于网络拓扑的多播路由方法，包括如下步骤：当多播源节点有数据包需要发送时，其洪泛一个带有有效载荷数据的成员登记数据包JOIN QUERY，该JOIN QUERY数据包阶段性地广播到整个网络来刷新成员关系信息和更新路由，形成从源节点到接收节点之间的路由并建立一个称为转发组的节点的网格拓扑结构；在分组建立和路由结构形成以后，源节点对数据包进行签名，并将签名后的数据包经选定路由和转发分组广播至接收者；当接收到广播数据包时，节点仅当确认它是非重复并且FG_FLAG置位后才转发，直至目的节点；目的节点接收到数据包后对其进行验证，本发明有效地改进了自组网数据包传递过程中的路由安全问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线自组网络的路由控制协议，特别是涉及一种基于网络拓扑的多播路由方法。
背景技术
在Ad Hoc网络设计中，开发节点之间提供高质量高效率通信的路由协议显得尤为重要。由于网络节点的频繁移动使得网络拓扑结构不断产生变化，传统的基于因特网的路由协议已满足不了这些特性，那么就需要专门设计应用于Ad Hoc网络的路由协议，针对Ad Hoc网络结构和特点的分析，设计的路由协议必须满足以下的条件:1.能够对网络拓扑结构快速频繁变化作出及时准确的反应，提供方便简单的网络节点定位法，并且尽量避免路由环路的发生。2.高效利用宝贵的带宽及运算能力等无线资源，减少不必要的开销并尽可能地减少发射时间和发射的数据量。3.尽量控制多跳通信的中间转接次数一般不要超过3次。4.由于自组网的特点，必须充分考虑到安全性的要求，减少遭受各种安全攻击的可能性。
目前对Ad hoc网络的研究主要集中在基本路由协议上，MANET研究组提出的许多协议草案，比如单播路由协议DSR、AODV、ZRP和多播路由协议AMRIS、AMRoute等，而在无线多播中大部分路由协议是基于树状的，但多播树的结构非常脆弱，并且当连接改变时它必须进行调整，进一步来说，多播树总是需要一个全局的路由子结构如链路状态或距离向量。路由向量或链路状的频繁改变产生拓扑结构的频繁变化，最终产生大量开销和信道负载。
由于无线网的广播特性，使得自组网中的多播有着独特的优势，打破了有线网络中多播建立在单播基础之上的定律，可以独立地更有效地解决多播路由问题。常见的多播协议有MAODV，AMRIS，AMRoute、ODMRP、CAMP等。其中ODMRP(On—Demand Multicast Routing Protoco1)协议是上述自组网多播协议中性能较好的一个，具有吞吐量大、适合高速运动等特点。但ODMRP是建立在数据明文传送的基础之上，数据传输过程中安全问题得不到保障。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于网络拓扑的多播路由方法及系统，通过于节点间数据传递时进行签名和验证，对路由层发送数据包时进行签名和接收数据包时MAC层进行验证，有效地改进了自组网数据包传递过程中的路由安全问题，并通过加入恶意节点的概念，改善了自组网其它路由协议未考虑到的安全因素。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于网络拓扑的多播路由方法，包括如下步骤：
步骤一，当多播源节点有数据包需要发送时，其洪泛一个带有有效载荷数据的成员登记数据包JOIN QUERY，该JOIN QUERY数据包阶段性地广播到整个网络来刷新成员关系信息和更新路由，形成从源节点到接收节点之间的路由并建立一个称为转发组的节点的网格拓扑结构；
步骤二，在分组建立和路由结构形成以后，源节点对数据包进行签名，并将签名后的数据包经选定路由和转发分组广播至接收者；
步骤三，当接收到广播数据包时，节点仅当确认它是非重复并且FG_FLAG置位后才转发，直至目的节点；
步骤四，目的节点接收到数据包后对其进行验证。
进一步地，步骤一还包括如下步骤：
当节点收到一个非重复的JOIN QUERY数据包时，把上游节点ID写入路由表并广播数据包；
当JOIN QUERY数据包到达一个多播组成员接收者时，接收者创建和广播一个JOIN REPLY数据包到它的邻节点；
当邻节点收到JOIN REPLY时，它检查下一节点ID是否与自己的ID中的某一项相匹配，如果匹配，该邻节点置FG_FLAG位，并且广播建立匹配各项的自己的JOIN REPLY数据包，如此，JOIN REPLY数据包由每一个转发组成员传播直到经由最短路径到达多播源节点。
进一步地，若一个多播源节点想离开分组，只需停止发送JOIN QUERY数据包。
进一步地，如果一个接收者不再想从一个特定的多播分组接收数据，所述接收者对于这个分组不再发送JOIN REPLY数据包。
进一步地，转发分组超时的值须大于路由更新时间的值。
进一步地，各节点包含路由表、转发分组表、消息缓存、JOIN QUERY数据包与所述JOIN REPLY数据包
进一步地，所述路由表由每一个节点按需创建和保持，当收到一个非重复的JOIN QUERY时，插入或更新路由表中的一项，节点存储目的节点和通往目的节点的下一跳，当传输JOIN REPLY时，所述路由表提供下一跳信息。
进一步地，当一个节点是多播组中的一个转发节点时，其在所述转发分组表中保持一个分组信息，该分组信息记录多播组ID和节点最后更新的时间。
进一步地，当一个节点收到一个新的JOIN QUERY数据包或数据包时，利用所述消息缓存存储源节点ID和数据包的序列号，以便检测消息的重复接收。
进一步地，所述JOIN QUERY数据包的数据格式包括类型、TTL、跳数、目的组播IP地址、序列号、源节点IP地址、前一跳节点的IP地址；所述JOINREPLY数据包的数据格式包括类型、计数器、目的组播IP地址、序列号、发送者IP地址及下一跳IP地址。
与现有技术相比，本发明一种基于网络拓扑的多播路由方法于节点间数据传递时引入进行签名和验证的方法，通过对路由层发送数据包时进行签名和接收数据包时MAC层进行验证，有效地改进了自组网数据包传递过程中的路由安全问题，并通过加入了恶意节点的概念，改善了自组网其它路由协议并没有考虑到的安全因素等
附图说明
图1为本发明一种基于网络拓扑的多播路由方法的步骤流程图；
图2为本发明较佳实施例中网格拓扑结构配置优势的一个例子是意图；
图3为本发明较佳实施例中JOIN QUERY数据包格式的结构示意图；
图4为本发明较佳实施例中JOIN REPLY数据包格式的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于网络拓扑的多播路由方法的步骤流程图，如图1所示，本发明一种基于网络拓扑的多播路由方法，包括如下步骤：
步骤101，当多播源节点有数据包需要发送时，其洪泛一个带有有效载荷数据的成员登记数据包，此数据包叫做JOIN QUERY，它阶段性地广播到整个网络来刷新成员关系信息和更新路由，形成从源节点到接收节点之间的路由并建立一个节点的网格拓扑结构。其具体过程如下：
当节点收到一个非重复的JOIN QUERY时，把上游节点ID写入路由表并广播数据包；
当JOIN QUERY数据包到达一个多播组成员接收者时，接收者创建和广播一个JOIN REPLY到它的邻节点；
邻节点收到JOIN REPLY时，它检查下一节点ID是否与自己的ID中的某一项相匹配，如果匹配，该邻节点意识到自己在通往源节点的路径上，也就是说是转发组成员的一员，那么它置FG_FLAG位，并且广播建立匹配各项的自己的JOIN REPLY，这样的话，JOIN REPLY由每一个转发组成员传播直到经由最短路径到达多播源节点。以此方式形成从源节点到接收节点之间的路由并建立一个节点的网格拓扑结构，叫做“转发组”
实际上转发组就是负责转发多播数据包的一系列节点。它支持任意成员对之间的最短路径。注意:一个多播接收者如果在多播源节点和另一个接收者之间的路径上，那么它也可以是转发组成员节点。网格拓扑与树状相比在多播成员之间提供更富余的连接。转发组成员之间路由冗余帮助克服节点转移和信道衰退的缺点。因此它不需要像树状网络结构一样频繁地重新配置。
图2为本发明较佳实施例中网格拓扑结构配置优势的一个例子是意图，三个源节点S1，S2，S3发送多播数据包途经三个转发分组A，B，C到三个接收节点R1，R2，R3。假设从S1到R2的路由是<S1-A-B-R2>。在树状配置结构中，如果节点A和B之间的链路断裂，那么直到树结构重新配置之前R2就不能从S1接收到任何数据包。而在本发明中，已经存在一个富余路由<S1-A-C-B-R2>来传递数据包而不需要通过A和B之间的损坏链路。
步骤202，在分组建立和路由结构形成以后，源节点对数据包进行签名，并将签名后的数据包经选定路由和转发分组广播至接收者；
步骤203，当接收到广播数据包时，节点仅当确认它是非重复并且FG_FLAG置位后才转发，直至目的节点。
步骤204，目的节点接收到数据包后对其进行验证。
在本发明中，节点加入和离开分组并不需要特别的控制数据包。如果一个多播源节点想离开分组，它只需停止发送JOINQUERY数据包，因为它这时没有任何多播数据包发送到分组。如果一个接收者不再想从一个特定的多播分组接收数据，它对于这个分组不再发送JOINREPLY。如果在超时之前没有更新(没有接到JOINREPLY)转发分组中的节点自动降级为非转发节点。
对于路由更新间隔和转发分组超时界限，定时器值的选择将影响到本发明的性能。这些性能参数定时的选择应适合网络环境(如流量类型，流量负载，移动模式，移动速度，信道容量等)。如果使用较小的路由更新时间，以产生更多数据包和导致网络聚集为代价，新路由和成员关系信息能够经常得到。另一个方面，如果选择大的路由更新时间间隔，即使会产生更少的流量数据包，但不能知道即时路由和成员关系。因此，在高移动网络中，使用大的路由更新间隔值会使协议性能变差。在大流量负荷网络中应该选择更小值，以便不需要的节点会很快超时并创建更多的冗余路由。在高移动速度情况下，应选择大值，以便提供更多可供选择路由。值得注意的是转发分组超时的值必须大于路由更新时间的值。
需说明的是，本发明还具有单播能力。本发明不仅能够与任何单播路由协议共存，而且还能有效地作为一个单播路由协议来使用。所以一个使用了本发明的网络不再需要另外的单播路由协议。
以下将详细说明本发明中所使用到的几种数据结构：
1.路由表
路由表由每一个节点按需创建和保持。当收到一个非重复的JOINQUERY时，插入或更新路由表中的一项。节点存储目的节点(如JOIN QUERY源节点)和通往目的节点的下一跳(如:从它接收到JOIN QUERY的节点)。当传输JOINREPLY时，路由表提供下一跳信息。
2.转发分组表
当一个节点是多播组中的一个转发节点时，它在转发分组表中保持一个分组信息。其中记录多播组ID和节点最后更新的时间。
3.消息缓存
每一个节点保存一个消息缓存来检测消息的重复接收。当一个节点收到一个新的JOIN QUERY或数据包时，它存储源节点ID和数据包的序列号。注意消息缓存项不需要永久地保存。为了避免溢出，可以采取LRU(最近最少使用)或FIFO(先进先出)的办法结束和移走陈旧项。
4.控制数据包
本发明使用特别的能被包括在任何现有的IP数据包中的控制信息的表头。控制分组有以下两种类型的数据包:JOIN QUERY数据包和JOIN REPLY数据包。
图3为本发明较佳实施例中JOIN QUERY数据包格式的结构示意图。在本发明中，JOIN QUERY数据格式:
●类型(Type):本发明的JOIN QUERY的类型号为01。
●TTL:RREQ的生存时间。
●跳数(HopCount):从Source IP Address字段指明的是源节点到处理此RREQ的节点之间的跳数。
●目的组播IP地址(GroupIP):多播组的IP地址。
●序列号:由源节点分配的唯一能标识此数据包的序列号
●源节点IP地址:产生此数据包的节点的IP地址
●前一跳节点的IP地址:己处理过此数据包的最后一节点的IP地址。
图4为本发明较佳实施例中JOIN REPLY数据包格式的结构示意图。在本发明中，JOIN REPLY数据格式:
●类型(Type):本发明的JOINREPLY的类型号为02。
●计数器:记录发送者的IP地址和下一跳节点的IP地址
●目的组播IP地址(Group IP):多播组的IP地址
●序列号:由前一跳节点分配的唯一能标识此数据包的序列号
●发送者IP地址:这个多播组源节点的IP地址
●下一跳IP地址:此数据包将要到达的下一跳节点的IP地址。
综上所述，本发明一种基于网络拓扑的多播路由方法于节点间数据传递时引入进行签名和验证的方法，通过对路由层发送数据包时进行签名和接收数据包时MAC层进行验证，有效地改进了自组网数据包传递过程中的路由安全问题，并通过加入了恶意节点的概念，改善了自组网其它路由协议并没有考虑到的安全因素等。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种基于网络拓扑的多播路由方法，包括如下步骤：
步骤一，当多播源节点有数据包需要发送时，其洪泛一个带有有效载荷数据的成员登记数据包JOIN QUERY，该JOIN QUERY数据包阶段性地广播到整个网络来刷新成员关系信息和更新路由，形成从源节点到接收节点之间的路由并建立一个称为转发组的节点的网格拓扑结构；
步骤二，在分组建立和路由结构形成以后，源节点对数据包进行签名，并将签名后的数据包经选定路由和转发分组广播至接收者；
步骤三，当接收到广播数据包时，节点仅当确认它是非重复并且FG_FLAG置位后才转发，直至目的节点；
步骤四，目的节点接收到数据包后对其进行验证。
2.如权利要求1所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于，步骤一还包括如下步骤：
当节点收到一个非重复的JOIN QUERY数据包时，把上游节点ID写入路由表并广播数据包；
当JOIN QUERY数据包到达一个多播组成员接收者时，接收者创建和广播一个JOIN REPLY数据包到它的邻节点；
当邻节点收到JOIN REPLY时，它检查下一节点ID是否与自己的ID中的某一项相匹配，如果匹配，该邻节点置FG_FLAG位，并且广播建立匹配各项的自己的JOIN REPLY数据包，如此，JOIN REPLY数据包由每一个转发组成员传播直到经由最短路径到达多播源节点。
3.如权利要求2所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：若一个多播源节点想离开分组，只需停止发送JOIN QUERY数据包。
4.如权利要求3所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：如果一个接收者不再想从一个特定的多播分组接收数据，所述接收者对于这个分组不再发送JOIN REPLY数据包。
5.如权利要求4所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：转发分组超时的值须大于路由更新时间的值。
6.如权利要求4所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：各节点包含路由表、转发分组表、消息缓存、JOIN QUERY数据包与所述JOIN REPLY数据包。
7.如权利要求6所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：所述路由表由每一个节点按需创建和保持，当收到一个非重复的JOIN QUERY时，插入或更新路由表中的一项，节点存储目的节点和通往目的节点的下一跳，当传输JOIN REPLY时，所述路由表提供下一跳信息。
8.如权利要求6所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：当一个节点是多播组中的一个转发节点时，其在所述转发分组表中保持一个分组信息，该分组信息记录多播组ID和节点最后更新的时间。
9.如权利要求6所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：当一个节点收到一个新的JOIN QUERY数据包或数据包时，利用所述消息缓存存储源节点ID和数据包的序列号，以便检测消息的重复接收。
10.如权利要求5所述的一种基于网络拓扑的多播路由方法，其特征在于：所述JOIN QUERY数据包的数据格式包括类型、TTL、跳数、目的组播IP地址、序列号、源节点IP地址、前一跳节点的IP地址；所述JOIN REPLY数据包的数据格式包括类型、计数器、目的组播IP地址、序列号、发送者IP地址及下一跳IP地址。
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