CN104618980B - 无线多跳链状网的路由实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，提出一种无线多跳链状网的路由实现方法。通过二叉树形式构造链状或树状的拓扑结构。这种拓扑结构的建立，是通过节点一个个接入系统而形成的。采用一种特殊的具有逻辑性的编址方式，使得全网中每个通信节点具有唯一逻辑标识符LID（包含两个域BID和NID），并将其体现在IP地址中。由于系统的LID具有一定的逻辑性，即同一分叉上的节点其BID相同，且前向节点的NID大于反向节点的NID，利用这规律，便于路由转发功能的实现。本发明实现基于无线多跳链状网的路由，以达到路由控制开销小，路由表的简化，转发数据分组更快速的目的。

Description

无线多跳链状网的路由实现方法

技术领域

发明属于无线通信技术领域，涉及一种无线多跳链状网的路由实现方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，在实际应用中实现了多种无线通信网络技术，如移动自组织网络，无线局域网，无线网格网络，无线蜂窝网等。从网络拓扑结构上，无线通信网络可以分为星型，如无线蜂窝网；网状，如无线网格网络；簇状，如一些传感器网络等，应用于不同拓扑结构上的技术。

现有的无线通信技术可满足区域覆盖需求，但难以满足链状拓扑结构的应用场景对于高带宽、低成本、低延迟等技术需求，如高速公路、江河湖泊、输油管道和高压电网等监控管理应用场合。

研究表明，现有路由方法在降低路由开销、提高数据传输效率，节省网络能耗和降低网络复杂性方面存在一些问题，具体体现：

（1）由于上述列举的现有无线通信网络的拓扑结构无规则性，所以在利用现有的路由方法转发数据分组的时候，为了找到一条合适的路径，源节点往往会采用洪泛的方式，这种寻找路径的方式具有很大的盲目性，消耗大量的带宽，增加路由开销；

（2）按照所依据网络逻辑结构的不同，现有路由方法采用了平面结构和分层结构，平面结构中各个节点在路由功能上地位相同，其可扩展性差，在一定程度上限制了网络的规模；分层结构方法实现复杂，路由开销较高；

（3）在现有路由方法中，通常需要在节点中建立和维护全局的路由信息，这将增大路由的控制开销，增大路由的复杂度，降低网络的有效吞吐量；

（4）现有路由方法大都采用了先应式路由方法和反应式路由方法，先应式路由方法虽然具有寻找路由延时小的特点，但会造成带宽资源的浪费；反应式路由方法虽然可以降低路由开销，提高网络吞吐量，但在路由查找时会引入较大的时延。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于二叉树拓扑结构的路由实现方法，具有控制开销少，数据传输效率高等优点。

为了实现上述目的，本发明的方法如下：

（1）通过二叉树形式构造链状或树状的拓扑结构；

（2）IP地址的生成：首节点为每个等待接入网络的节点分配一个既具有唯一性又具有逻辑性的逻辑标识符LID，其他节点根据一个节点的逻辑标识符得知通过哪条路径可以到达该节点；节点根据LID计算生成对应的IP地址；

（3）路由表的构造：节点上的路由表包含两条路由表项，前向右子树路由表项和前向左子树路由表项，所述前向右子树路由表项表示节点前向右子树方向上存在哪些节点的分叉号，前向左子树路由表项表示节点前向左子树方向上存在哪些节点的分叉号。

其中，所述逻辑标识符LID包括分叉号BID和节点号NID，BID用于标识节点所在的分叉，NID用于标识节点本身。

节点接入网络时LID的分配方法为：规定远离首节点的方向为前向，靠近首节点的方向为反向；在同一分叉内的节点分叉号BID相同，节点号NID沿着远离首节点的方向顺序增大；分配的规则为通过判断新接入的节点所处系统拓扑结构中的第几条分叉及处于分叉中第几个节点来计算出相应的LID。节点根据获得的逻辑标识符LID映射到IP地址中。

当新接入节点首次与父节点（即被接入节点）的链路层建立连接时，没有获得LID，所以由等待接入节点的父节点为待接入节点向首节点申请LID；首节点收到来自父节点的请求后，决定是否同意新节点的接入，如果同意，则发送LID给待接入节点的父节点；父节点收到首节点回复消息，若首节点分配了新的LID，则将消息中新分配的LID告知新接入节点。

待接入节点获得LID之后，向首节点方向，发送路由控制消息，并进行路由更新；节点路由更新操作仅关联从接入父节点到首节点方向所经过的节点。

进行所述路由更新，首先判断网络系统是否分配LID给新接入节点，是则执行路由更新操作，否则不需要执行路由更新操作。

当节点作为新接入节点的父节点时其路由更新过程为：

如果系统允许新接入节点入网，那么节点首先判断自己是否具有右子节点，如果不具有右子节点，说明新接入节点与自己在一条分叉上，因此不需要更新路由表；

如果节点具有右子节点，则说明新接入节点作为一条新的分叉接入到系统中，因此，需要记录新接入节点的BID，并将BID添加到节点的前向左子树路由表项中。

当节点作为新接入节点的非父节点时其路由更新过程为：

节点收到路由控制信息后，首先判断节点自身是否为分叉节点；如果不是分叉节点，则路由更新的操作肯定是针对节点的前向右子树路由表项；

如果该节点是分叉节点，则判断该路由控制信息从哪个邻居来；如果来自左子邻居，说明控制信息中路由更新的操作是针对前向左子树路由表项；如果来自右子邻居，说明控制中路由更新的操作是针对前向右子树路由表项；确定了所要针对修改的路由表项后，根据路由控制信息特定字段的取值采取不同的操作，对节点路由表项进行添加及删除操作。

本发明的优点是：使用本发明所述方法实现基于二叉树拓扑结构路由，具有控制开销少，数据传输效率高等优点，能够满足链状或树形网络通信需求。

附图说明

图1 是无线网络的系统架构图。

图2 是节点申请分配LID以及相关节点路由更新示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和本发明的实施例作进一步说明，并不能用来限制本发明的保护范围。

本发明主要包括3个组成部分：（1）支持二叉树拓扑结构，保证网络的连通性；（2）具有逻辑性的IP地址，首节点为每个等待加入网络的节点分配一个既具有唯一性又具有逻辑性的标识，只要一个节点的逻辑标识符确定了，其他节点就可以知道通过哪条路径可以到达该节点。这既便于业务调度，也可以起到简化路由的作用；（3）路由表分叉设计：节点上的路由表包含两条路由表项，前向右子树路由表项和前向左子树路由表项。

以下分别进行详细介绍。

（1）IP地址的生成：通常网络中的每个节点都具有一个物理地址标识，这个标识具有全网唯一性。但是，它不具有逻辑性。因此，需要有一个既具有唯一性又具有逻辑性的标识，所以本发明引入逻辑标识符（LID）。只要一个节点的LID确定了，其他节点就可以知道通过哪条路径可以到达该节点。这既便于业务调度，也可以起到简化路由的作用。节点根据LID计算生成对应的IP地址。LID采用两部分表示，一部分为分叉号（BID），用于标识该节点所在的分叉，另一部分为节点号（NID），用于标识节点本身。其中，IP地址的中间部分由分配的LID来填补。

（2）路由表的构造：节点上的路由表包含两条路由表项，一条表示其前向右子树方向上存在哪些节点的分叉号，另一条表示前向左子树方向上存在哪些节点的分叉号。

（3）节点接入网络LID的分配：本发明中规定远离首节点的方向为前向，靠近首节点的方向为反向。在同一分叉内的节点，其分叉号相同，节点本身号沿着远离首节点的方向顺序增大。系统中节点的LID由系统按照分配原则统一进行分配，具体在系统中由首节点完成。分配的规则为通过判断新接入的节点所处系统拓扑结构中的第几条分叉及处于分叉中第几个节点来计算出相应的LID。节点再根据获得的LID映射到IP地址中。

（4）节点接入网络进行路由更新：当节点获得LID后，向首节点方向，发送路由控制消息，节点路由更新首先要判断系统是否分配LID给新接入节点，如果系统没有分配LID给新接入节点，那么节点不需要执行路由更新操作。

当节点作为新接入节点的父节点时其路由更新过程为：

如果系统允许新接入节点入网，那么节点首先判断自己是否具有右子节点，如果不具有右子节点，说明新接入节点与自己在一条分叉上，因此不需要更新路由表；如果节点具有右子节点，则说明新接入节点作为一条新的分叉接入到系统中，因此，需要记录新接入节点的BID，并将BID添加到节点的前向左子树路由表项中。

当节点作为新接入节点的非父节点时其路由更新过程为：

节点收到路由控制信息后，首先判断节点自身是否为分叉节点。如果不是分叉节点，则路由更新的操作肯定是针对右子树路由表项；如果该节点是分叉节点，于是判断该路由控制信息从哪个邻居来。如果来自左子邻居，说明控制信息中路由更新的操作是针对左子树路由表项；如果来自右子邻居，说明控制中路由更新的操作是针对右子树路由表项。确定了所要针对修改的路由表项后，根据路由控制信息特定字段的取值采取不同的操作，对节点路由表项进行添加和删除操作。

节点路由更新操作，仅关联有限的节点，即从接入父节点到首节点方向所经过的节点，无需涉及其他节点的路由更新操作，有利于减小路由控制开销。

图1给出系统架构图。系统包含两种类型节点：首节点、普通节点。首节点承担通信系统中LID（逻辑标识符）的统一分配任务，并用于路由更新和中继转发。普通节点用于路由更新、中继转发以及与外部设备连接，即通过无线或有线的形式连接一些外部设备，例如可以通过网线连接网络摄像头或者通过WiFi AP连接笔记本电脑等，该类节点为这些外部设备提供本地接入功能。

每个节点均包括三个通信接口，即一个以太网口和两个空口。无线链状网络中的节点之间通过空口进行通信，而通过以太网与能够采用以太网标准进行通信的外部设备（如电脑、摄像头等）进行通信。

节点IP地址的生成：节点根据LID计算生成对应的IP地址。LID可以采用两个字节表示，前6个比特位为分叉号，用于表示该节点所在的分叉，其余10个比特位为节点号，用于表示节点本身。可以规定节点的IP地址为10.0.0.0/24网段，采用24位掩码。其中，IP地址的中间16位由分配的LID来填补，如节点的逻辑标识符为LID，这个节点网段就是10.LID（前8bit）.LID（后8bit）.0/24。以此类推，当一个节点接入系统后，根据节点的LID，就可以知道接入节点的网段，每个节点的网段都不相同。节点外部设备的IP地址与所连接的节点的IP地址属于同一个网段。系统可以规定节点的主机号为2，其余的主机号可以分配给节点的外部设备。例如，某一节点的LID为5，则该节点的IP地址为10.0.5.2，其下连接的外部设备的IP地址可以为10.0.5.X。

在节点进行入网之前，首先采用手动设置，为每个节点设置节点类型，即设置为首节点、普通节点。设置好节点类型后，即需要将各节点进行入网，才能进行网络通信。

各通信节点进行入网包括：

首先，对首节点进行手工配置LID，例如：当且仅当分叉号为0，节点本身号为1时，表示该节点为首节点。

接着，其他通信节点分别入网。具体地，当新接入节点首次与父节点（即被接入节点）的链路层建立连接时，没有获得LID，所以父节点代替新接入节点向首节点申请LID。首节点收到来自父节点的请求后，决定是否同意新节点的接入，如果同意，则分配新的LID给新接入节点。然后，发送LID给新接入节点的父节点。父节点收到首节点回复消息，若首节点分配了新的LID，则将消息中新分配的LID告知新接入节点。至此，新接入的节点完成入网过程。

各通信节点入网之后，需要进行路由更新操作包括：

节点上的路由表包含两条路由表项，一条表示其前向右子树方向上存在哪些节点的分叉号，另一条表示前向左子树方向上存在哪些节点的分叉号。

新接入的节点获得LID后进行路由更新操作，只需要在新接入节点到首节点方向上所经过的节点上更新路由表即可实现正确的路由功能。因此，该过程是通过新接入节点向首节点处发送路由更新消息完成的。

接下来，详细说明节点接入系统中的路由更新操作，如图2所示，节点1|5获得LID之后，向首节点0|1发送路由更新消息，通过路由更新后，节点0|1和节点0|5在其前向右子树的路由表中添加了新的分叉号1，节点0|9在其前向左子树上的路由表中添加了新的分叉号1。

本发明通过二叉树形式构造链状或树状的拓扑结构。这种拓扑结构的建立，是通过节点一个个接入系统而形成的。采用一种特殊的具有逻辑性的编址方式，使得全网中每个通信节点具有唯一逻辑标识符LID（logical identity，包含两个域BID和NID），并将其体现在IP地址中。由于系统的LID具有一定的逻辑性，即同一分叉上的节点其BID相同，且前向节点的NID大于反向节点的NID，利用此规律，便于路由转发功能的实现。本发明实现了基于无线多跳链状网的路由，以达到路由控制开销小，路由表的简化，转发数据分组更快速的目的。

Claims (8)

1.无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，

(1)通过二叉树形式构造链状或树状的拓扑结构；

(2)IP地址的生成：首节点为每个等待接入网络的节点分配一个既具有唯一性又具有逻辑性的逻辑标识符LID，其他节点根据一个节点的逻辑标识符得知通过哪条路径可以到达该节点；节点根据LID计算生成对应的IP地址，所述逻辑标识符LID包括分叉号BID和节点号NID，BID用于标识节点所在的分叉，NID用于标识节点本身，通过父节点为待接入节点申请，并经过首节点的同意后，首节点分配LID给新节点：规定远离首节点的方向为前向，靠近首节点的方向为反向；在同一分叉内的节点分叉号BID相同，节点号NID沿着远离首节点的方向顺序增大；分配的规则为通过判断新接入的节点所处系统拓扑结构中的第几条分叉及处于分叉中第几个节点来计算出相应的LID；以及规定节点IP地址的网段，以及将IP地址中间16位由分配的LID来填补；

(3)路由表的构造：节点上的路由表包含两条路由表项，前向右子树路由表项和前向左子树路由表项，所述前向右子树路由表项表示节点前向右子树方向上存在哪些节点的分叉号，前向左子树路由表项表示节点前向左子树方向上存在哪些节点的分叉号。

2.根据权利要求1所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，节点接入网络时LID的分配方法为：规定远离首节点的方向为前向，靠近首节点的方向为反向；分配的规则为通过判断新接入的节点所处系统拓扑结构中的第几条分叉及处于分叉中第几个节点来计算出相应的LID。

3.根据权利要求1所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，节点根据获得的逻辑标识符LID映射到IP地址中。

4.根据权利要求1所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，由等待接入节点的父节点为待接入节点向首节点申请LID；首节点收到来自父节点的请求后，决定是否同意新节点的接入，如果同意，则发送LID给待接入节点的父节点；父节点收到首节点回复消息，若首节点分配了新的LID，则将消息中新分配的LID告知新接入节点。

5.根据权利要求2所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，待接入节点获得LID之后，向首节点方向，发送路由控制消息，并进行路由更新；节点路由更新操作仅关联从接入父节点到首节点方向所经过的节点。

6.根据权利要求5所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，进行所述路由更新，首先判断网络系统是否分配LID给新接入节点，是则执行路由更新操作，否则不需要执行路由更新操作。

7.根据权利要求6所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，当节点作为新接入节点的父节点时其路由更新过程为：

如果系统允许新接入节点入网，那么节点首先判断自己是否具有右子节点，如果不具有右子节点，说明新接入节点与自己在一条分叉上，因此不需要更新路由表；

如果节点具有右子节点，则说明新接入节点作为一条新的分叉接入到系统中，因此，需要记录新接入节点的BID，并将BID添加到节点的前向左子树路由表项中。

8.根据权利要求6所述无线多跳链状网的路由实现方法，其特征在于，当节点作为新接入节点的非父节点时其路由更新过程为：

节点收到路由控制信息后，首先判断节点自身是否为分叉节点；如果不是分叉节点，则路由更新的操作肯定是针对节点的前向右子树路由表项；

如果该节点是分叉节点，则判断该路由控制信息从哪个邻居来；如果来自左子邻居，说明控制信息中路由更新的操作是针对前向左子树路由表项；如果来自右子邻居，说明控制中路由更新的操作是针对前向右子树路由表项；确定了所要针对修改的路由表项后，根据路由控制信息特定字段的取值采取不同的操作，对节点路由表项进行添加及删除操作。