CN104703242B

CN104703242B - 基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法

Info

Publication number: CN104703242B
Application number: CN201310652929.8A
Authority: CN
Inventors: 焦臻桢; 郭冠华; 张宝贤
Original assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2018-10-30
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN104703242A

Abstract

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法。具有位置服务的无线多跳网络中，当网络有建立路由需要时，节点逐跳地转发路由请求报文(RREQ)，在转发过程中，节点通过计算性价比，在自己的直接和间接邻居中选择性价比最优的作为转发RREQ的下一跳节点。到达间接邻居的路径可以用于实现网络编码以降低数据转发成本。通过这种机制，可以建立具有高编码机会、低代价、多路径的端到端路由；从而达到提高网络吞吐量的目的。

Description

基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法

技术领域

本发明属于无线网络协议技术领域，具体涉及一种基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法。该方法主要用于在网络中按需地建立多路径的具有高网络编码机会、低代价的路由，从而达到提高网络吞吐量的目的。

背景技术

近些年来，无线多跳网络(无线传感器网络、移动Ad hoc网络、无线mesh网络等)领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。其中，网络编码(Network Coding)技术，正日益受到研究人员的关注。

网络编码技术通过在数据传输中合理地对数据包进行编码，已被证明是可以逼近网络容量理论传输极限的有效方法。无线网络中的网络编码的理论和应用有着更加显著的特点：由于无线链路的不可靠性和物理层广播特性，无线网络环境非常适宜网络编码。同样得益于无线介质的广播特性，无线网络中的网络编码尤其能够增加单播流的吞吐量。附图1所示为一无线网络中某三个节点使用网络编码进行通信的例子：节点A、节点B通过节点C的中继相互传递信息P1、P2。采用传统的无线通信方式需要四次传输来完成报文的交换，如附图1(a)所示。但是如果利用无线介质的广播特性，使节点C在接收到P1和P2后，将二者作异或运算后直接广播，则在节点B处，根据接收到的信息可恢复出P1；同理，在节点A处也可以恢复出信息P2。可见采用了网络编码技术后，如附图1(b)所示，只需要三次传输就可以实现传统方式的所有通信要求。

依据这一基本原理可知，当网络中存在两个方向相反但路径重叠的数据流时，在整条路径上，节点均可以利用上述的网络编码方式来转发数据包。而如果在建立路由时能够在有限代价内使两条方向相对的数据流建立起采用同样节点序列组成的路由路径，则在该条路径上将存在大量的编码机会，有利于极大提高网络的吞吐量。

发明内容

本发明是针对无线多跳网络的一种基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法。

本发明要求：网络中的节点可以是静止的，也可以是移动的；网络中的每个节点配备一个全向天线；网络中的每个节点通信范围有限，与通信范围之外的节点通信时需要其他节点中继；网络中的所有节点周期性与邻居节点交换HELLO报文，每个HELLO报文包含自己的ID、自己的位置信息、当前流经自己的数据流，记录的每个数据流的信息包括该流所经历路径的源节点方向上的节点序列、以及该段路径上每个节点ID及其位置信息。

网络中的每个节点存在三类邻居节点：第一类邻居节点是其直接一跳邻居节点，称作直接邻居节点，对于节点x来说，其直接邻居节点的集合记做Nx；第二类邻居节点是有流相关的路径流经当前节点的每一个上游节点，称作一阶间接邻居节点。第三类是有流相关的路径流经当前节点的直接邻居节点的每一个上游节点，称作二阶间接邻居节点。比如，对于当前节点x，若有一条右向路径P={s1，1，2，...，i，j，x，...d1}流经节点x，则称s1，1，2，...，i为x的一阶间接邻居节点(注意，不包括j)；又比如，路径P={s1，1，2，...，i，j，...d1}未流经节点x，而是流经了节点x的邻居节点j，则s1，1，2，...，i为节点x的二阶间接邻居节点。以下将统称一阶间接邻居节点和二阶间接邻居节点为“间接邻居节点”，除明确指出外，将同等对待。

到达间接邻居节点的路径可以用于实现网络编码以降低数据转发成本。对于节点x来说，其间接邻居节点的集合定义为所有流经节点x的流的上游路径节点与所有流经节点x的直接邻居节点的流的上游路径节点的集合(排除节点x本身和节点x的任何直接邻居节点)，并且节点x可以通过查询自己或邻居节点的路由表得知相应流的逆向路径及获知到达每个间接邻居节点的跳数距离；如果存在多个这样的流可以逆向到达同一个间接邻居节点，则选择跳数距离最小的一个；如果跳数距离相同，则任选一个。

对于网络中一个节点x来说，将一个目的节点为d的数据分组转发给一个带来正位移的直接邻居节点或间接邻居节点的“性价比”计算方法：对于一个带来正位移的直接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为L_dx-L_dy，即转发一次带来的正位移总量，L_uv代表节点u和节点v之间的几何距离；对于一个带来正位移的一阶间接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为L_dx-L_dy；对于一个带来正位移的二阶间接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为(L_dx-L_dy)/2，因为要将分组转发给y需要x首先将分组转发给对应的自己的直接邻居节点。注意，其余的分组转发代价被中间节点上的网络编码机会吸收了，即所制造出的公用路径可以创造出编码机会。

本发明的技术方案是：当源节点s需要与一个目的节点d(s≠d)通信但没有路由时，节点s将启动一个寻径进程。具体来说：节点s将生成一个路由请求(RREQ，RouteRequest)报文，且该报文携带k(k≥1)个票据。通常k是一个比较小的正整数，如k=2、3或4。寻径过程中，每个路由请求报文至少携带一个票据，每个票据负责寻找一条端到端路径。比如，当k=4时，路由协议负责寻找4条端到端路径。一般来说，将k设为一个很大的值将增加寻径成本，但带来的额外收益则随着k的增大越来越小。每个路由请求报文携带迄今为止离开信源的路径上的所有节点序列。若信源一段时间T₀(如5秒)内未收到路由应答报文，它将重新生成一个路由请求报文以继续寻径，直到找到一条端到端路径或重复3次仍未找到路径，则通知上层应用寻径失败。

当一个网络中间节点x(x≠d，x的第一个值为s)持有一个携带c(1≤c≤k)个票据的RREQ报文需要继续转发时，将执行以下操作：

步骤0：设下一跳节点集合

步骤1：节点x将所有到目的节点d的正位移直接和间接邻居节点作为下一跳节点备选集合D；

步骤2：节点x从D中性价比最大的一个(记为：u)：如果u为x的直接邻居节点，则直接将u加入到下一跳节点集合NEXT中，D=D-{u}；若u为x的间接邻居节点，则直接将u加入到下一跳节点集合NEXT中，并将从u到x的路径上的所有节点从D中删除后；若c=1或转步骤3；否则若c＞1，则c=c-1，转步骤2；

当前中间节点x要选择某间接邻居节点为下一跳节点时，将以“严格源路由”方式直接将RREQ报文投递给该间接邻居节点，即：RREQ报文上携带从当前节点到达该间接邻居节点的整条路径上的所有节点信息，处在源路由上的中间节点只需按照“源路由”指定的方式向下传递报文而不需要进一步处理，直到该RREQ报文投递到该间接邻居节点。

当目的节点接收一个第一个RREQ之后，等待一段时间T(如T=3秒)或收到k个票据，则将等待时间内收到的RREQ报文，选择其中性价比最高的一个路径，沿该路径逆向向信源发送路由应答(RREP，Route Reply)报文，以通知信源该路径的存在。RREP报文携带所选RREQ报文上的完整路径。收到该路由应答报文的中间节点将自己标记为该流上的节点并记录整个上游路径。信源收到该报文后，即可沿该路径发送分组。

通过这种机制，可以建立具有高编码机会、低代价、多路径的端到端路由；从而达到提高网络吞吐量的目的。

附图说明

附图1网络编码技术示例图。

附图2路由表表项格式示例图。

附图3HELLO报文格式示意图。

附图4RREQ报文格式示意图。

附图5RREP报文格式示意图。

具体实施方式

本发明中需要注意地实施细节有：

节点路由表结构：节点按需建立路由并在路由建立的各阶段记录相应信息，在路由建立的同时形成存储于本地的路由表。该路由表中的信息能够体现流经该节点的流的情况以及该流相关路径所涉及节点的一些关键信息。路由表由为每个流形成的路由表项组成。单个的路由表项包含：Flow_ID、Node_Sequence_onflowid。

Flow_ID：流的ID，为了标识流。

Node_Sequence_onflowid：记录ID为Flow_ID的流的路径的完整节点序列。该序列是由结构为(Node_ID：Node_Location)(即，节点ID：节点位置)的键值对所组成的序列。这样，节点的路由表将记录每条经过该节点的流的详细信息。

路由表表项格式例子可见附图2。

主要报文结构及说明：

(1)HELLO报文：节点通过交换HELLO报文了解一跳内邻居节点包括位置信息、流经的数据流情况等详细情况。HELLO报文携带了生成节点的路由表信息，主要由3个域组成：

Node_ID：节点ID。

Node_Location：节点的地理位置信息。

Route_Table：节点当前的路由表。表中各项如上文所介绍，包含了流。

具体的HELLO报文格式可见附图3。

(2)RREQ报文：RREQ报文由源节点在需要建立路由时生成。与其他按需源路由相比所不同的是，本发明中RREQ报文携带了一个票据信息。目的节点仅对持有票据且性价比最高节点回送RREP报文。

RREQ报文由域：RREQ_ID、Destination_ID、Source_ID、Ticket、Traversed_Sequence、Efficiency组成。各域的意义及作用为：

RREQ_ID：RREQ报文的ID，标示每个RREQ报文。

Destination_ID：目的节点ID。

Source_ID：源节点ID。

Ticket：报文所携带的票据数量。

Traversed_Sequence：RREQ报文当前所经过的节点序列。保存该序列是为了使RREP报文能够沿着该序列建立的反向路径回送给源节点从而建立路由。

Efficiency：RREQ报文所经过的路径的性价比。该性价比的计算及更新方式在发明内容中己详述。

RREQ报文在其被转发的过程中，将记录或更新相应域。

具体的RREQ报文格式可见附图4。

(3)RREP报文：当目的节点接收一个第一个RREQ之后，等待一段时间T(如T=3秒)或收到k个票据，则将等待时间内收到的RREQ报文，选择其中性价比最高的一个路径，沿该路径逆向向信源发送路由应答(RREp，Route Reply)报文，以通知信源该路径的存在。RREP报文携带所选RREQ报文上的完整路径。收到该路由应答报文的中间节点将自己标记为该流上的节点并记录整个上游路径。信源收到该报文后，即可沿该路径发送分组。

RREP报文由4个域组成：RREP_ID、Destination_ID、Source_ID、Traverse_Sequence。各域的意义及作用为：

RREP_ID：RREP报文的ID。标示每个RREP报文。

Destination_ID：目的节点ID。

Source_ID：源节点ID。

Traverse_Sequence：RREP报文要经过的节点序列。由RREQ报文中的Traversed_Sequence域保存的节点序列逆向复制而来。

具体的RREP报文格式可见附图5。

不存在编码机会时的路由方法：当当前节点发现其可用的下一跳节点中均不存在能够编码的机会(即没有符合条件的流经过)时：将从直接邻居节点中选择能够带来正位移最大的节点转发RREQ，直到发送给目的节点。

Claims

1.基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法，其特征在于：具有位置服务的无线多跳网络中，当有建立路由需要时，从源节点开始，节点逐跳地转发路由请求(RREQ)报文，在转发过程中，节点通过计算性价比，在自己的直接和间接邻居中选择性价比最优的作为转发RREQ的下一跳节点；到达间接邻居的路径可以用于实现网络编码以降低数据转发成本；其中，在网络中定义每个节点存在三类邻居节点，第一类邻居节点是其直接一跳邻居节点，称作直接邻居节点，第二类邻居节点是有流相关的路径流经当前节点的每一个上游节点，称作一阶间接邻居节点，第三类是有流相关的路径流经当前节点的直接邻居节点的每一个上游节点，称作二阶间接邻居节点；一阶间接邻居节点和二阶间接邻居节点统称为间接邻居节点；节点可以通过查询自己和邻居节点的路由表得知相应流的逆向路径以获知到达每个间接邻居节点的跳数距离；如果存在多个符合要求的流可以逆向到达同一个间接邻居节点，则选择跳数距离最小的一个；如果跳数距离相同，则任选一个；对于网络中一个节点x来说，将一个目的节点为d的数据分组转发给一个带来正位移的直接邻居节点或间接邻居节点的“性价比”计算方法：对于一个带来正位移的直接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为L_dx-L_dy，即转发一次带来的正位移总量，L_uv代表节点u和节点v之间的几何距离；对于一个带来正位移的一阶间接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为L_dx-L_dy；而对于一个带来正位移的二阶间接邻居节点y来说，x将分组转发给y的性价比为(L_dx-L_dy)/2，这是因为为了将分组转发给y需要x首先将分组转发给对应的直接邻居节点。

2.根据权利要求1所述的基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法，其特征在于：源节点生成一个路由请求(RREQ)报文，该报文携带k(k≥1)个票据，通常k是一个比较小的正整数；这k个票据在RREQ的转发过程中被分配和转发；寻径过程中，每个路由请求报文至少携带一个票据，每个票据负责寻找一条端到端路径。

3.根据权利要求1所述的基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法，其特征在于：当前节点要选择一个间接邻居节点为下一跳节点时，将以“严格源路由”方式直接将RREQ报文投递给该间接邻居节点，即：RREQ报文上携带从当前节点到达该间接邻居节点的整条路径上的所有节点信息，处在源路由上的中间节点只需按照“源路由”指定的方式向下传递报文而不需要进一步处理，直到该RREQ报文投递到该间接邻居节点。

4.根据权利要求1所述的基于位置信息和票据的多路径编码感知无线网络路由方法，其特征在于：当目的节点接收一个第一个RREQ之后，等待一段时间T或收到k个票据，则将等待时间内收到的RREQ报文，选择其中性价比最高的一个路径，沿该路径逆向向信源发送路由应答(RREP)报文，以通知信源该路径的存在。