CN104735743A - 嵌入式无线自组织网络的路由优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，其中网络节点不仅处理通信目标为本节点的数据包，对于节点周围处于一跳范围内的邻居节点发出的数据包也保持监听过程。如果发现某个邻居节点重复发送出相同的数据包，则意味着该邻居节点因为没有收到数据包确认而进入了数据重传过程，网络中可能存在路由失效的情况。如果当前节点具有到达数据包指定目的地的可用路由，其会主动通知邻居节点，请求邻居节点暂时切换路由。从而达到在多跳网络节点遇到数据传输困难时，周围的节点可以快速主动提供替代路径选择的目的。

Description

嵌入式无线自组织网络的路由优化方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种嵌入式无线自组织网络的路由优化方法。

背景技术

无线自组织网络指由多个完全独立的节点通过无线连接组成网络。当需要通信的两个节点不在点对点直接通信范围内时，信息交换将借助其它节点用多跳转发的方式实现。

无线自组织网络的一大特点是节点间完全独立，因此从网络拓扑结构的角度来考虑，网络内不存在中心控制节点，这有别于其他网络，比如用光纤连接的因特网骨干网络，或者WIFI网络的基础模式。在布线和能源供给比较困难的应用场景里，无线自组织网络可以被很方便地部署，并且不需要过多的人为干预。环境监测，仓库管理，物流追踪等应用已经开始普及无线自组织网络的使用。

有线网络中，因为存在线缆连接，处在线缆结合部的节点可以配置强大的计算和存储能力，并对所连接的其他节点进行有计划的调度，但是在无线自组织网络中受限于各种因素，比如节点间的连接是无线方式，独立工作的节点在功耗，存储和计算能力上都有限制等，这种集中式控制是很难实现的。如图1所示为一个典型的无线多跳网络使用方式。

图1中，多个网络节点分布在一个区域中。当节点1需要向上位机汇报数据时，因为节点1和能够与上位机通信的节点间的距离超过了无线电收发机的直接通信范围，因此节点1将数据发送给中间位置的节点，由这些节点按序转发，最终到达上位机。

很明显，在这种节点间完全没有物理线缆连接的网络中，正确寻找到一条合适的路径成为了第一个问题。其次的问题是，在通信过程中，当通信不顺畅时，数据发送者或者转发者需要适时切换路径，以避开前方的网络拥塞。

对于第一个问题，在实际应用中已经有了各种无线多跳的网络协议可以使用。具体来说，分为主动式路由协议和被动式路由协议。主动式路由协议通常的做法是，网络中每个节点，或者某些被选择出来的节点周期性发送拓扑结构信息。拓扑结构信息会在整个网络中传播，直到所有的节点都接收到。每个节点凭借拓扑结构信息，可以计算出从自身出发到其他节点的路径。

被动式路由通常在节点有通信需求的时候开始工作。通信的发起者在通信开始前先会广播出路由请求，该请求中包括了通信发起者的网络地址和通信目的地地址。收到路由请求的节点先查找自身的路由表。如果路由表中不存在被请求的目的地，则将路由请求用广播的方式进行转发，同时在本地路由表中创建到达路由发起者的反向路由。如果节点的路由表中有到达目的地的路由，或者当前节点就是目的地时，节点会返回路由回复。路由回复使用单播的方式发送，发送路径将沿着之前建立的反向路径传递。当路由回复到达路由请求的发起者时，从发起者到目的地的路径就建立起来了。图2a和图2b为这两种路由方式的运行过程。

如图2a中节点1将自身拓扑信息向全网广播。其他节点进行广播转发，并计算出从自身到节点1的路径。比如节点2因为直接收到了节点1的信息，节点2可以创建到达节点1的路径，其下一跳就是节点1，而节点3将收到节点2的转发广播，并由此计算出通过节点2可以到达节点1。图2b中，节点1请求到达节点3的路径。路由请求（实线）通过广播发出，经过多次转发后，到达节点3，节点3因此产生路由回复（虚线），沿着之前广播转发的路径到达节点1。因为广播可能沿不同路径被转发，因此节点1可能收到多个路由回复。分别是3->2->1和3->6->5->4->1。

路由表中通用的路由项格式包括目的地地址，下一跳节点地址，以及到达目的地的转播次数。所以节点1会对返回结果做出判断，选择符合预设条件的路径写入路由表。图2b中，节点1如果以经历的节点数量为条件，那么路径3->2->1将被采用，路径3->6->5->4->1将被抛弃。但是，在节点4上，该条路径将被保留。

对于第二个问题，大多数路由协议会考虑路由失效时的更新机制。在主动式路由中，每次拓扑结构信息广播时，节点会重新计算路径。因为网络阻塞等原因而无法顺利转发拓扑结构的节点将会被其他节点当做无效节点而不列入计算的数据源，所以更新时可以被避开。对于被动式路由协议，当源节点或者转发节点在数据发送或者转发过程中，由于不能收到数据链路层的确认信息，节点可以重新发起路由请求过程，直到一条新的路径被检测到。这两种方式虽然可以作为标准的路由过程，但是存在着共同的缺陷：响应时间慢。主动式路由协议中，为了减少由拓扑信息广播带来的过多的开销，拓扑结构更新的间隔会比较长。而在被动式路由中，数据源节点或者转发节点要等到一定次数的回复丢失后才可以开始发起路由请求。由于完整的路由请求同样需要经历从广播路由请求到获得路由回复这一过程，耗费的时间往往不可控制。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，以实现在多跳网络节点遇到数据传输困难时，周围的节点可以快速主动提供替代路径选择的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，所述无线自组织网络满足条件为：无线自组织网络中的网络节点工作在混合模式下，且在无线自组织网络中当前节点有到达目的地的活跃路径存在；优化方法具体如下：优化方法具体如下：从当前点到下一个转发节点间的无线链路受到干扰，导致下一个转发节点无法接收到当前节点发送的数据，或者下一个转发节点返回的确认消息无法到达当前节点，即当前节点不能正常接收确认消息时，当前节点将不断尝试重新发送数据包，此时：

潜在转发节点是当前节点的一跳范围内的邻居节点，处于混合模式下的潜在转发节点将不断接收到当前节点的数据包；

潜在转发节点对收到的数据包将展开以下分析和处理过程：

如果该数据包的通信类型是数据通信以外的类型，比如信令包，或者数据确认包；将该数据包抛弃；

如果潜在转发节点接收的多个数据包具有相同MAC层序列号、MAC层目的地址和MAC层源地址，且在最近一段统计周期内未达到指定数量，则将接收的多个数据包抛弃；

否则，如果相同序列号的数据包已经收到多次并超过指定次数，该潜在转发节点从数据包内容中分析出网络层目的地址，如果本地路由表中不存在对应于该网络层目的地址的活跃路由，其将该数据包丢弃；如果本地路由表中存在处于活跃状态的路由项，且该路由项指定的下一跳地址不为本数据包的MAC层源地址，那么当前节点将创建路由回复信息，并将该路由回复信息以单播的方式发往被分析数据包的MAC层源地址；

当前节点收到路由回复信息时：

更新本地路由表，并在下一次数据重发时，采用该路由回复的发送者地址为下一跳地址；

维持其他系统状态变量不变，如新的下一跳地址确实可用，当前节点将收到正确的回复，并且清空重传次数计数器；如果新的路径不可用，当前节点按照所采用的路由协议规则，在指定条件满足时，进行路由更新过程。

优选的，节点传输的数据包格式包括帧类型、MAC层目的地址、MAC层源地址、网络层目的地址、网络层源地址和MAC层序列号，

所述帧类型代表本数据包的类型；MAC层目的地址指本数据包指定的接收者，即转发过程中的下一跳节点的MAC地址；MAC层源地址指数据包的转发者地址，每个转发节点在转发前要把自身地址更新到MAC层源地址中；网络层目的地址和网络层源地址指数据通信真正的发起者和目的地地址，在转发过程中不会被修改；MAC层序列号是一个单调增长的数值，和MAC层目的地址以及MAC源地址一起用于确定唯一的数据包。

优选的，所述路由回复信息包括帧类型、网络层目的地址、本节点地址和到达目的地需要的开销。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案中，网络节点不仅处理通信目标为本节点的数据包，对于节点周围处于一跳范围内的邻居节点发出的数据包也保持监听过程。如果发现某个邻居节点重复发送出相同的数据包，则意味着该邻居节点因为没有收到数据包确认而进入了数据重传过程，网络中可能存在路由失效的情况。如果当前节点具有到达数据包指定目的地的可用路由，其会主动通知邻居节点，请求邻居节点暂时切换路由。从而达到在多跳网络节点遇到数据传输困难时，周围的节点可以快速主动提供替代路径选择的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为常用典型多跳网络结构示意图；

图2a为现有的主动路由协议构造原理示意图；

图2b为现有的被动式路由协议构造原理示意图；

图3为本发明实施例所述的数据包格式示意图；

图4为本发明实施例所述的网络通信过程和拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例所述的节点2替换路由更新策略流程图；

图6为常规网络节点接收端流程图；

图7为本发明实施例所述的DSP模块工作框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明技术方案的嵌入式无线自组织网络的路由优化方法需要满足下面两个条件：

1、网络节点要工作在混合模式下。

通常的网络节点可以接收广播消息以及目标地址和自身地址匹配的单播消息。其他消息在媒体控制层会被过滤掉。为了侦听到网络中目标地址为其他节点的消息，节点需要工作在混合模式下。混合模式中即使接收到的消息的目标地址和当前节点不匹配，也会被上报处理。

2、当前节点需要有到达目的地的活跃路径存在。

当这个响应机制被使能后，一旦通过混合模式获得上报数据，每个节点只对其一跳范围内的邻居节点发出的数据通信包进行分析。无论是主动式协议还是被动式协议，在路由创建过程中节点都是通过广播的方式向周围邻居节点请求信息，所以邻居节点也有机会创建到达相同目的地的路由项。这为替代路径的提供创造了条件。

如图3所示，帧类型代表本数据包的类型。媒体控制层MAC层目的地址指本数据包指定的接收者。这个接收者不同于网络层的目的地址，通常指转发过程中的下一跳节点地址。MAC层源地址指数据包的转发者地址。每个转发节点在转发前要把自身地址更新到MAC层源地址中。网络层目的地址和网络层源地址指本次数据通信真正的发起者和目的地地址，在转发过程中不会被修改。MAC层序列号是一个单调增长的数值，和MAC层目的地址，MAC源地址一起可用于确定唯一的数据包。

如图4所示，源节点正在向目的节点发送数据。路径1代表源节点（即当前节点）正在使用的路径，路径2代表可替换的路径。对于无线通信来说，大多数路由表只保存到达目的地的一条路径。假设路由判断机制使用到达目的地的跳数作为依据，源节点在创建路由时会优先选择路径1，而路径2不会被记录。对于节点2（即潜在转发节点）来说，因为路径2是从当前位置到达目的节点的唯一可用路径，因此在节点2的路由表中路径2会被创建。图4中示意的是网路节点间的逻辑关系，每个节点只和邻近的节点处在通信范围内。

当从源节点到节点1（即下一个转发节点）间的无线链路受到干扰，导致节点1无法接收到源节点发送的数据，或者节点1返回的确认消息无法到达源节点。无论哪种情况，由于源节点不能正常接收确认消息，因此将不断尝试重新发送数据包。此时：

节点2是源节点的一跳范围内的邻居节点，处于混合模式下的节点2将不断接收到源节点的数据包。

数据包在媒体控制层被封包时，都会被赋予独立的MAC层序列号。节点2对收到的数据包将展开以下分析和处理过程：

如果该数据包的通信类型不是数据通信，而是信令包，或者数据确认包等，抛弃。

如果具有相同MAC层序列号，MAC层目的地址和MAC层源地址的数据包在最近一段统计周期内连续发送未达到指定数量，抛弃， “指定数量”和“统计周期”由用户根据实际情况指定，一般应小于节点允许的最大重传次数和短于原有路由协议指定的路由更新间隔。

否则，如果相同序列号的数据包已经收到多次并超过指定次数，当前节点从数据包内容中分析出网络层目的地址。如果本地路由表中不存在该目的地址，丢弃。如果本地路由表中存在处于活跃状态的路由项，且该路由项指定的下一跳地址不为本数据包的MAC层源地址（防止路由循环），那么当前节点将创建路由回复信息。该路由回复信息主要包括帧类型，网络层目的地址，本节点地址和到达目的地需要的开销。由于标准路由协议都会有预留空间给特殊包类型，因此这个信息可以很方便地添加到系统中。路由回复信息以单播的方式发往被分析数据包的MAC层源地址。

在图4中，节点2将会发送路由回复信息给源节点。节点2上的路由更新处理流程图如图5所示。

当源节点收到路由回复信息时：

更新本地路由表，因此在下一次数据重发时，将采用该路由回复的发送者地址为下一跳地址。

维持其他系统状态变量不变，比如已经失败的重传次数等。如果新的下一跳地址确实可用，源节点将收到正确的回复，并且清空重传次数计数器。如果路径因为某些原因仍旧不可用，源节点按照所采用的路由协议规则，在指定条件满足时（通常是重传失败达到指定次数），发起路由更新请求。

另外当前节点不仅限于源节点，也可以是无线自组织网络数据传输过程中的中间节点。

因为混合模式的使用，本发明提出的路由优化措施会对常规系统的使用产生影响。通常当数据包从物理层上传到媒体控制层时会经过过滤，将目标地址不为本节点的数据包丢弃。通过筛选后的数据包才会上报到网络层。通常多跳网络的通信模块为了便于使用，都是采用单片机作为控制器，如果所有数据都需要网络层来做处理，其有限的处理能力会被过多占用。同时为了提高工作效率，媒体控制层的运行通常由厂商提供的已经封装好的库文件执行，用户不被允许直接干预其运行如图6所示。

本发明技术方案公开的优化方法适合在使用数字信号处理(DSP)模块提供物理层和媒体控制层的系统中。DSP经常被用来作为软件无线电的基带模块，有着使用灵活，自带存储能力和运算能力，可方便添加底层优化措施的特点。

如图7所示，当DSP完成信道解码后，由数据包协议分析模块完成初步解析，如果满足主动路由修复的条件，将直接进入发送过程，如果是普通的发送给本节点的数据包，则按照流程上报网络层。网络层在形成或者更新路由表信息时，将通过“路由表信息同步”数据流和DSP模块保持同步。因此不会对网络层自身的工作流程产生明显影响。

本发明技术方案在无线多跳网络在路由自我修复方面被赋予最大的灵活性和可靠性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，所述无线自组织网络满足条件为：无线自组织网络中的网络节点工作在混合模式下，且在无线自组织网络中当前节点有到达目的地的活跃路径存在；其特征在于，优化方法具体如下：从当前点到下一个转发节点间的无线链路受到干扰，导致下一个转发节点无法接收到当前节点发送的数据，或者下一个转发节点返回的确认消息无法到达当前节点，即当前节点不能正常接收确认消息时，当前节点将不断尝试重新发送数据包，此时：

潜在转发节点是当前节点的一跳范围内的邻居节点，处于混合模式下的潜在转发节点将不断接收到当前节点的数据包；

潜在转发节点对收到的数据包将展开以下分析和处理过程：

如果该数据包的通信类型是数据通信以外的类型，比如信令包，或者数据确认包；将该数据包抛弃；

如果潜在转发节点接收的多个数据包具有相同MAC层序列号、MAC层目的地址和MAC层源地址，且在最近一段统计周期内未达到指定数量，则将接收的多个数据包抛弃；

否则，如果相同序列号的数据包已经收到多次并超过指定次数，该潜在转发节点从数据包内容中分析出网络层目的地址，如果本地路由表中不存在对应于该网络层目的地址的活跃路由，其将该数据包丢弃；如果本地路由表中存在处于活跃状态的路由项，且该路由项指定的下一跳地址不为本数据包的MAC层源地址，那么当前节点将创建路由回复信息，并将该路由回复信息以单播的方式发往被分析数据包的MAC层源地址；

当前节点收到路由回复信息时：

更新本地路由表，并在下一次数据重发时，采用该路由回复的发送者地址为下一跳地址；

维持其他系统状态变量不变，如新的下一跳地址确实可用，当前节点将收到正确的回复，并且清空重传次数计数器；如果新的路径不可用，当前节点按照所采用的路由协议规则，在指定条件满足时，进行路由更新过程。

2.根据权利要求1所述的嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，其特征在于，节点传输的数据包格式包括帧类型、MAC层目的地址、MAC层源地址、网络层目的地址、网络层源地址和MAC层序列号，

所述帧类型代表本数据包的类型；MAC层目的地址指本数据包指定的接收者，即转发过程中的下一跳节点的MAC地址；MAC层源地址指数据包的转发者地址，每个转发节点在转发前要把自身地址更新到MAC层源地址中；网络层目的地址和网络层源地址指数据通信真正的发起者和目的地地址，在转发过程中不会被修改；MAC层序列号是一个单调增长的数值，和MAC层目的地址以及MAC源地址一起用于确定唯一的数据包。

3.根据权利要求1或2所述的嵌入式无线自组织网络的路由优化方法，其特征在于，所述路由回复信息包括帧类型、网络层目的地址、本节点地址和到达目的地需要的开销。