CN104811990B - 基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于自适应双向路径重建的HR‑WPAN Mesh网络高效路由修复方法，通过采用“自适应双向路径重建”、“精简Route Error消息”、“精简Route Formation消息”和“跨层旁听”4种新机制，解决了现有基于拓扑服务器的HR‑WPAN Mesh网络路由修复方法存在的反向路径重建方式导致冗余的控制开销和数据分组等待延迟、两条受损路径的端点互为源、目的节点时重复进行路径重建、Route Error消息和Route Formation消息中存在冗余字段、链路失效时上游节点缓存的数据分组因路由信息有限而易被丢弃4个问题，提高了路由修复后投入使用的速度和数据分组传送成功率，降低了控制开销和数据分组平均时延。本发明提出的快速高效路由修复方法在运行时分为故障报告、建路通知和路径重建3个阶段。

Description

基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复 方法

技术领域

本发明属于WPAN Mesh(Wireless Personal Area Networks Mesh，无线个域网状网)网络技术领域，特别涉及HR(High Rate，高速率)-WPAN Mesh网络路由方案的路由修复方法和过程。

背景技术

WPAN Mesh网络是一种由携带短距离无线通信装置的电子通信设备采用自组织方式形成分布式多跳网状无线网络。WPAN Mesh网络能够在不增加节点发射功率和提高接收灵敏度的情况下扩展网络的覆盖范围，而且能够通过路由冗余增加数据传输的可靠性；WPAN Mesh网络配置较为简便，有助于节省节点的能量从而延长网络寿命。根据数据传输速率的不同，WPAN Mesh网络大致可分为HR-WPAN Mesh网络和LR(Low Rate，低速率)-WPANMesh网络。

为保障HR-WPAN Mesh网络的运行，IEEE 802.15.5标准(参见文献：IEEE Std802.15.5^TM-2009:Part 15.5:Mesh Topology Capability in Wireless Personal AreaNetworks(WPANs)[J].IEEE Standard,IEEE Press,New York,2009.)为HR-WPAN Mesh网络定义了一种基于拓扑服务器(Topology Server,TS,提供与网络拓扑有关的服务的设备)的路由方案。在该方案中，所有节点都是MPNC(Mesh-capable Piconet Coordinator，具有Mesh组网功能的微微网协调器)，通常静止不动，具有数据和控制消息转发能力，可作为拓扑服务器使用。在HR-WPAN Mesh网络中，被选为拓扑服务器的节点保存有它的子节点(组网时关联到拓扑服务网的节点)的链路状态信息，可以通过链路状态信息和最短路径求解算法计算出自己的子节点之间的最优路径；而非拓扑服务器节点只转发收到的消息。

为了使网络中的数据传输在路由出现故障的情况下继续进行，基于拓扑服务器的路由方案设计了一种路由修复方法，该方法的操作步骤具体如下：

步骤1：当一个节点发现存在失效链路时，它便向拓扑服务器(TS)发送一个RouteError消息进行报告，以便拓扑服务器更新路由。

步骤2：拓扑服务器收到Route Error消息后重新计算受失效链路影响的所有源－目的节点对间的最优路径；接着，创建一个Route Notification消息，该分组包含源－目的节点对间更新后的每个中继节点；然后，拓扑服务器沿着树结构向受到影响的目的节点(Dest)分别逐个发送Route Notification消息。

步骤3：目的节点如果收到Route Notification消息，则创建一个RouteFormation消息，将Route Notification消息中的中继列表复制到Route Formation消息中，将它本身和源节点(Src)的标志号(ID)分别写入该分组的路由源节点TREEID字段和路由目的节点TREEID字段；然后，目的节点使用Route Notification消息中包含的中继节点信息将Route Formation消息发送至源节点。

步骤4：中继节点如果收到Route Formation消息，则根据Route Formation消息中的中继列表更新对应的路由表项。如果中继节点的路由表中不存在指向目的节点的表现，则创建一个新的路由表项。然后，中继节点根据中继列表，转发Route Formation消息至下一跳中继节点。

步骤5：源节点接收到Route Formation消息后，根据该分组的中继节点列表为目的节点更新路由表项(如果没有该路由表项则创建它)。源节点更新(或创建)路由表项后，就可以沿着更新后的路径传输数据。

上述基于拓扑服务器的路由修复方法比较适合在IEEE802.15.5标准定义的基于拓扑服务器的路由方案中使用，原理简捷，操作方便，但在多个方面仍存在待提升之处。雷宏江等(参见文献：雷宏江,邓科,郑渊,任智.WPAN Mesh网络自适应快速路由修复算法[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2014.4,26(2):214-218.)提出一种改进的基于拓扑服务器的路由修复方法，该方法的主要思路是：在使用基于拓扑服务器的路由方案的WPAN Mesh网络中，当一个节点发现与它相连的链路失效时，它判断并找到源节点和邻居节点集中与拓扑服务器距离最近(可用跳数、开销等指标来衡量)的节点，然后将Route Error控制消息发送给该节点，由该节点负责将Route Error控制消息转发给拓扑服务器；后续操作与IEEE802.15.5标准中基于拓扑服务器的路由方案定义的路由修复方法相同。这样，在将Route Error控制消息向拓扑服务器和源节点发送的过程中，该修复方法有可能减少部分控制开销；但对于路由重建发起节点等环节引起的冗余控制开销和耗时，该方法未作处理。

目前，除了IEEE802.15.5标准在基于拓扑服务器的路由方案中定义的WPAN Mesh网络路由修复方法之外，已有一些关于无线Mesh网络路由修复的研究在开展。

Chiu等(参见文献：J.Chiu,C.-Y.Zheng,Y.-C.Huang,et al.Design andimplementation of sequential repair and backup routing protocol for wirelessmesh network[C].2014International Conference on Computing,Networking andCommunications(ICNC),2014:1066-1070.)在无线Mesh网络路由协议AODV-SRBR(Ad-hocOn-demand Distance Vector Routing-Sequential Repair and Backup RoutingProtocol)中设计了一种路由修复方法，主要思路为：当一个节点发现通往目的节点的链路断裂时，它首先在1跳范围内广播一个RERR分组给邻居节点以便让它们删除与断裂链路相关的路由信息；然后，该节点在路由表中寻找通往目的节点的替代路由，如果找到则立即使用该路由继续传输数据；如果没找到，则启动一个与AODV协议的本地修复机制类似的操作，由该节点广播一个寻找目的节点的RREQ分组，目的节点收到该RREQ分组后回复一个RREP分组，从而完成路由修复。AODV-SRBR协议的路由修复方法能够利用替代路由，有助于快速修复受损路由，但1跳广播RERR分组的操作会增加额外的控制开销。

在Pei等为认知无线Mesh网络设计的路由协议—CIH-AODV(Cognitive ImprovedHierarchical Ad-hoc On-demand Distance Vector)(参见文献：T.Pei,Z.Zhao,W.Zeng,et al.A cognitive improved hierarchical AODV routing protocol for cognitivewireless mesh network[J].Information Technology Journal,Feb.2011,10(2):376-384.)中介绍了一种路由修复方法，在该方法中，当一条链路断裂时，断裂链路的上游节点(与失效链路相连且靠近源节点一侧)先寻找最新的可用替代路由，找到则使用该替代路由；如果没找到，则启动本地路由修复进程，在一个簇(CIH-AODV协议将网络分为多个簇)的范围内进行路由修复；如果修复成功则使用修复后的路由，如果没成功，则按照AODV协议的做法进行后续修复工作。在路由修复过程中没有成功传递的数据会被缓存。CIH-AODV协议在路由修复过程中要使用网络分簇的条件，这对路由修复方法的应用范围会造成一定影响。

Mir等(参见文献：S.Mir,A.A.Pirzada,M.Portmann.HOVER:Hybrid On-demandDistance Vector Routing for Wireless Mesh Networks[C].Thirty-FirstAustralasian Computer Science Conference(ACSC 2008),Jan.2008:63-71.)在为多接口(Multiple Radio)无线Mesh网络提出的路由协议HOVER(Hybrid On-demand DistanceVector Routing)中设计了一种路由修复方法，该方法通过监听邻居节点发出的Hello消息来检测链路的质量。当节点收到邻居节点的Hello消息，说明链路是可用的，如果一段时间内没有收到Hello消息，那么就将该链路标记为不可用。如果不可用的链路是正在进行数据转发的路由的一部分，那么该修复方法会立即将通往邻居节点的链路切换到其它可用链路，从而避免了发送额外的控制分组且较为快速。但是对于单接口的无线Mesh网络，HOVER协议的路由修复方法与AODV协议类似。

郭学文等在(参见文献：郭学文,邓诗钊,唐靓.基于自愈性的无线Mesh网络路由协议的研究[J].广西通信技术,2010,2010(1):23-26.)为无线Mesh网络设计的AODV-RP路由协议中介绍了一种路由修复方法，该方法基于可替换路由的思路，让每个主路由上的节点维持主路由表和替代路由表两个路由表，前者包括主路由的信息，后者用于保存替代路由；该方法通过使目的节点或部分中间节点在网络中广播RREP消息的方式产生替代路由，虽然能较快地为故障路由提供替代路由，但会产生一定的额外控制开销。陶洋等在(参见文献：陶洋,王刚,武俊.一种基于单接口多信道无线Mesh网路由协议改进[J].计算机测量与控制,2011,18(11):2821-2823.)无线Mesh网络路由协议PRE-MCRP中设计了一种基于信号强度预测链路可用性的路由修复方法，它引入了信号强度阈值；当中间节点通过估算信号强度发现信号强度小于阈值后，会认为当前链路不可用并返回一个预测消息给源节点；源节点接收到该预测消息后就不会再沿该路由发送数据包给目的节点，而是重新查找和建立通往目的节点的新路由。该方法能够在链路断开前及时地修复链路，在一定程度上减少了时延和因为洪泛而造成的网络开销。但信号强度阈值的设置需要仔细考虑。

从上述技术背景和研究现状可看出，虽然无线Mesh网络路由修复技术的研究近年来在开展，但现有相关方法在控制开销、修复效果等方面仍有待提升；尤其是有关IEEE802.15.5标准定义的基于拓扑服务器的WPAN Mesh网络路由修复方法的研究，目前开展得较少，在路由重建的发起节点、控制开销、修复耗时等方面存在影响修复效果和性能的问题，有待解决。

经过深入研究，我们发现现有基于拓扑服务器的HR-WPAN Mesh网络路由修复方法存在以下问题：

(1)拓扑服务器采用反向路径重建的方式，即将最优路径信息逐个发送给目的节点，然后再由目的节点转发给源节点；从目的节点开始，向源节点的方向重建路径。装载整条路径信息的Route Formation消息会在传送过程中会经历整个路径，在控制开销上可能存在冗余；源节点只有收到目的节点发来的最优路径信息后才能传输数据，会造成不必要的数据分组等待延迟。

(2)拓扑服务器收到Route Error消息后，需要向所有受故障链路影响的目的节点发送最优路径信息；当两个节点互为源、目的节点时，只需将最优路径信息发送给其中一个节点便能完成路由重建，但现有相关路由修复方法向两个节点发送最优路径信息，对同一条路径要重建两次，因重复进行路径重建而产生了冗余的控制开销。

(3)Route Error消息和Route Formation消息中存在冗余字段，导致冗余的控制开销。

(4)链路失效时如果上游节点缓存有从源节点发来的数据分组，现有路由修复方法通常采用被动等待的方式，因节点获取的路由信息有限而易导致缓存的数据分组最终因无路由而被丢弃，引起数据分组传送丢包率上升，影响路由性能。

上述4个问题对现有基于拓扑服务器的路由修复方法的时延、控制开销和丢包率性能造成不利影响，因此有必要提出新的技术方案加以解决。

发明内容

为了解决现有基于拓扑服务器的路由修复方法存在的上述4个问题，本发明提供的一种基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法，包括在逻辑上有先后关系的故障报告阶段、建路通知阶段和路径重建阶段，具体包括以下步骤：

S1：所述故障报告阶段，用于发现路径出现故障的节点向拓扑服务器报告路径故障。

S2：所述建路通知阶段，用于拓扑服务器选择合适的节点并通知它们进行路径重建。

S3：所述路径重建阶段，用于节点进行重新建立新的路径以替换发生故障的路径。

进一步，所述S1中故障报告阶段的具体步骤为：

S11：当一个节点发现有链路失效时，它首先检查是否有备用路由；如果有备用路由，则启用备用路由继续向目的节点传送数据分组；并且转步骤S12(因为备用路由难以保证是最优路由，因此需要进行路由重建)。如果没有备用路由，则直接执行步骤S12。

S12：发现链路失效的节点创建一个精简的Route Error消息并将其发往拓扑服务器。

S13：收到邻居节点发来的Route Error消息的节点，首先用该消息的信息更新自己的路由表，然后将该消息沿着树结构继续向拓扑服务器传送；收到Route Error消息的节点都执行该项操作，直至Route Error消息到达拓扑服务器。如果一个节点在MAC层接收到装有Route Error消息的帧但它不是该帧的目的节点，则将Route Error消息中的源、目的节点和探测端、探测对端节点等信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储。

进一步，所述S2中建路通知阶段的具体步骤为：

S21：拓扑服务器按照路径对应的表项在路由表中的顺序，依次对受损路径进行修复。具体操作为：首先，拓扑服务器检查待修复路径的源、目的节点之间的路径(无论哪端为源节点)是否已经被修复；如果是，则不再进行路径修复操作；否则，从源、目的节点之间新路径的中间节点中寻找距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的节点；如果找到了这样的中间节点，则启用双向路径重建方式，创建一个Route Notification消息，该消息的“Route cost type”字段(长度为2字节)的值设置为一个有别于已用值的特殊值(如“AAAA”)，表示采用双向路径重建方式，并且该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向距离自己最近的中间节点单播发送。如果拓扑服务器在新路径中没有找到距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的中间节点，则启用正向路径重建方式，创建一个Route Notification消息，该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表，并且该消息的“Route cost type”字段的值设置为另一个有别于已用值的特殊值(如“5555”)，表示采用正向路径重建方式；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向源节点单播。

S22：如果一个节点收到邻居节点发来的Route Notification消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发；收到RouteNotification消息的节点都执行该项操作，直至Route Notification消息到达其目的节点。如果一个节点在MAC层接收到装有Route Notification消息的帧但它不是该帧的目的节点，则将Route Notification消息中的源、目的节点、中继节点列表等信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储。

进一步，所述S3中路径重建阶段的具体步骤为：

S31：如果一个节点收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“双向路径重建”方式的Route Notification消息，则生成两个比原Route Formation消息更短的、精简的Route Formation消息，接着分别装入到源、目的节点的中继节点列表，然后分别沿着新的最优路径向源、目的节点发送Route Formation消息。如果一个节点收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“正向路径重建”方式的RouteNotification消息，说明拓扑服务器通知它作为源节点采用“正向路径重建”方式发起路径重建；于是该节点生成一个精简的Route Formation消息，接着装入通往目的节点的新路径的中间节点列表，然后沿着新的最优路径向目的节点发送该Route Formation消息。接下来，如果该节点还有需要发往目的节点的数据，它便使用从Route Notification消息获得的新路径信息，立即向目的节点发送数据。

S32：如果一个节点收到邻居节点发来的Route Formation消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发；收到RouteFormation消息的节点都执行该项操作，直到Route Formation消息到达其目的地。如果一个节点在MAC层接收到装有Route Formation消息的帧但它不是该帧的目的节点，则将Route Formation消息中的源、目的节点、中继节点列表等信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储。

本发明的有益效果主要体现在3个方面，具体如下：

(1)路由修复更加高效

本发明提出的“精简Route Error消息”、“精简Route Formation消息”新机制和“双向路径重建”的新方式能够缩短Route Error消息和Route Formation消息的长度，并且在修复互为源、目的地的两个节点之间的两条受损路径时能够减少Route Formation消息的发送次数(本发明提出的新路由修复方法沿新路径只发送一次Route Formation消息，而现有基于拓扑服务器的路由修复方法要沿新路径的正、反向发送两次Route Formation消息)，从而能够明显地降低控制开销，路由修复的效率得以提高。

(2)路由修复更加快速

采用本发明提出的“自适应双向路径重建”新机制后，与现有相关路由修复方法相比，无论是采用双向还是正向路径重建的方式，都能够使源节点比原来更快地获知修复后的路由信息，修复后的路由能够更快地投入使用，源节点因此能够更快地开始向目的节点发送数据，路由修复更加快速，有利于降低数据分组的平均端到端时延；此外，双向路径重建方式由于是并行修复受损路径的不同部分，因此修复耗时更少，也同样促使路由修复更加快速。

(3)数据分组传送丢包率更低

本发明提出的“跨层旁听”新机制，能够紧密结合HR-WPAN Mesh网络中基于拓扑服务器的路由修复方法的特点，尽可能地从每个Route Formation、Route Notification、Route Error分组和数据分组中获取有用的路由信息用于路由受损后继续传送数据分组，因此有助于使更多的数据分组被传送到目的节点，从而降低数据分组传送丢包率。

附图说明

附图1为本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”组成图。

附图2为本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”的主要操作步骤。

附图3为本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”的“双向路径重建”方式操作示意图。

附图4为本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”的“正向路径重建”方式操作示意图。

附图5为现有相关HR-WPAN Mesh网络路由修复方法采用的反向路径重建方式操作示意图。

附图6为“自适应双向路径重建”新机制中拓扑服务器的操作流程。

附图7为精简前后Route Error消息格式比较。

附图8为精简前后Route Formation消息格式比较。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”，该方法运用“自适应双向路径重建”、“精简Route Error消息”、“精简RouteFormation消息”和“跨层旁听”4种新机制，能够加快新建路由投入使用的速度，减小控制开销，并且有利于降低数据分组传送丢包率。

(一)本发明提出的新机制的原理

以下具体介绍本发明提出的4种新机制的原理

1.自适应双向路径重建

自适应双向路径重建新机制工作在建路通知和路径重建阶段，它的基本思路是根据待修复受损路径的不同自适应地采用双向或正向修复方式进行修复。具体内容如下：

拓扑服务器收到Route Error消息后，先找出受影响的所有路径的源、目的节点；接着，拓扑服务器在网络拓扑图中为这些源、目的节点计算出可用的、新的最优路径；接下来，拓扑服务器按照路径对应的表项在路由表中的顺序，依次对受损路径进行修复。

拓扑服务器首先检查待修复路径的源、目的节点之间的路径(无论哪端为源节点)是否已经被修复；如果是，则不再进行路径修复操作。这样，就避免了在互为源、目的节点的两个节点之间重复进行路径修复操作，降低了控制开销。

如果待修复路径未被修复，拓扑服务器则从源、目的节点之间新路径的中间节点中寻找距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的节点；如果找到了这样的中间节点，则启用本发明提出的“双向路径重建”方式，拓扑服务器创建一个RouteNotification消息，该消息的“Route cost type”字段(长度为2字节)的值设置为一个有别于已用值的特殊值(如“AAAA”)，表示采用“双向路径重建”方式；并且消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向距离自己最近的中间节点单播发送。

如果拓扑服务器在新路径中没有找到距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的中间节点，则启用本发明提出的“正向路径重建”方式，创建一个RouteNotification消息，该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表，并且该消息的“Route cost type”字段的值设置为另一个有别于已用值的特殊值(如“5555”)，表示采用“正向路径重建”方式；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向源节点单播发送。

相比于现有基于拓扑服务器的路由修复方法采用的无条件反向路径重建方式，由于路径重建过程从源节点或中间节点开始，因此自适应双向路径重建新机制能够缩短源节点获取最新路径所需的时间，从而使源节点能更快地开始发送数据分组，加快新建路由投入使用的速度；而且，从中间节点开始重建路径时，Route Notification消息只需包含从中间节点到源节点或从中间节点到目的节点的新建路径的信息，而无需包含整条新建路径的信息，因此能够通过缩短Route Notification消息的长度降低控制开销；另一方面，由于无需在互为源、目的节点的节点对之间进行重复的路径修复操作，与重复进行路径修复的现有相关路由修复方法相比，减少了Route Notification消息和Route Formation消息的传送，降低了控制开销。

2.精简Route Error消息

“精简Route Error消息”新机制工作在故障报告阶段，它的基本思路是在不影响Route Error消息功能的前提下缩短消息长度，具体如下：

根据现有HR-WPAN Mesh网络中基于拓扑服务器的路由修复方法，Route Error消息用于将链路失效的情况通知拓扑服务器，它包含有“探测端TREEID”和“Length”(长度)字段。按照网络分组的转发规则，装载Route Error消息的分组的头部的“源节点地址”字段会填入探测端节点的TREEID，于是拓扑服务器可以通过“源节点地址”字段获得探测端节点的TREEID，而且Route Error消息的长度在网络运行过程中始终是固定的，不会发生变化；因此，“探测端TREEID”和“长度”两个字段是冗余的，将它们去除后能够减少3字节的控制开销，并且不会影响路由修复的效果和性能。

3.精简Route Formation消息

“精简Route Formation消息”新机制工作在路径重建阶段，它的基本思路是在不影响Route Formation消息功能的前提下缩短消息长度，具体如下：

在源、目的节点间重建路由时使用的Route Formation消息包含有“Route SourceTREEID”(路由源节点ID)和“Route Destination TREEID”(路由目的节点ID)字段，而装载Route Formation消息的分组的头部的“源节点地址”和“目的节点地址”字段也分别装有“Route Source TREEID”和“Route Destination TREEID”，它们是重复的，因此RouteFormation消息中的“Route Source TREEID”和“Route Destination TREEID”字段是冗余的，将它们去除后能够减少4字节的控制开销，并且不会影响路由修复的效果和性能。

4.跨层旁听

“跨层旁听”新机制工作在路由修复过程中的每个阶段，它的主要思路是

当一条有效路由中的链路失效时，该链路的上游节点通常缓存有从源节点发来的数据分组。按照现有的HR-WPAN Mesh网络路由修复方案，如果重建的路由不经过该上游节点，这些数据分组会被丢弃，导致丢包率上升。为解决此问题，本发明提出了结合基于拓扑服务器路由方案的“跨层旁听”新机制，主要思路如下：

①在网络运行过程中，节点的MAC层从邻居节点处收到不是发给自己的帧时，也不直接丢弃它们，而是取出帧体中的内容进行判断。如果是该内容是Route Formation分组(装载Route Formation消息的分组)或Route Notification消息(装载RouteNotification消息的分组)，则将其中的中继节点列表以及分组头部的源、目的节点信息取出；如果是Route Error分组(装载Route Error消息的分组)或数据分组，则将分组头部中的源、目的节点信息和探测端、探测对端节点信息取出。然后，通过跨层信息共享的方式将上述信息传递给网络层；完成上述操作后，当前节点的MAC层才将旁听到的帧丢弃。网络层收到这些信息后，在路由表中建立起通往源、目的节点以及它们之间的中继节点的路由；如果当前节点已有通往上述3种节点的路由，则新建路由作为备用路由进行存储以待后用。

②当一条链路失效时，如果该链路的上游节点检测到链路失效且缓存有源节点发来的数据分组，则立即从路由表中查找是否有通往目的节点的备用路由；如果有，则使用它继续向目的节点发送数据分组。

这样，按照“跨层旁听”新机制，节点能够结合基于拓扑服务器的路由方案的特点，尽可能地从每个Route Formation、Route Notification、Route Error分组和数据分组中获取有用的路由信息用于链路失效后继续传送数据分组，因此有助于使更多的数据分组被传送到目的节点，降低丢包率。

(二)本发明提出的路由修复新方法的主要操作步骤

本发明提出的基于自适应双向路径重建的路由修复新方法在运行时分为故障报告、建路通知和路径重建3个阶段，各阶段的主要操作步骤如下：

1.故障报告阶段

故障报告阶段的主要操作步骤为：

(1)当一个节点发现有链路失效时，它首先检查自己的路由表是否有备用路由，备用路由是采用本发明提出的“跨层旁听”新机制在网络运行过程中生成的。如果有备用路由，则启用备用路由继续向目的节点传送数据分组；并且转步骤(2)(因为备用路由难以保证是最优路由，因此需要进行路由重建)。如果没有备用路由，则直接执行步骤(2)。

(2)发现链路失效的节点向拓扑服务器发送一个Route Error消息进行故障报告。该节点在创建Route Error消息时，使用本发明提出的“精简Route Error消息”新机制，创建更短Route Error消息，在不影响路由修复性能的前提下降低控制开销。

(3)如果一个节点收到邻居节点发来的Route Error消息，它首先用该消息的信息更新自己的路由表，然后将该消息沿着树结构继续向拓扑服务器传送。每个收到RouteError消息的节点都执行上述操作，直到Route Error消息到达拓扑服务器。如果一个节点在MAC层旁听到装有Route Error消息的帧(即它不是该帧的目的节点)，则使用本发明提出的“跨层旁听”新机制，将分组源、目的节点和探测端、探测对端节点等信息跨层传送到网络层存储。

2.建路通知阶段

建路通知阶段的主要操作步骤为：

(1)拓扑服务器收到Route Error消息后，查找出受失效链路影响的所有路径及这些路径的源、目的节点；然后，为每个源－目的节点对计算出避开失效链路的、可用的、新的最优路径。

(2)拓扑服务器使用本发明提出的“自适应双向路径重建”新机制，按照路径对应的表项在路由表中的顺序，依次对受损路径进行修复，具体如下：

首先，拓扑服务器检查待修复路径的源、目的节点之间的路径(无论哪端为源节点)是否已经被修复；如果是，则不再进行路径修复操作。这样，就避免了在互为源、目的节点的两个节点之间重复进行路径修复操作，降低了控制开销。如果待修复路径未被修复，拓扑服务器则从源、目的节点之间新路径的中间节点中寻找距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的节点；如果找到了这样的中间节点，则启用本发明提出的“双向路径重建”方式，拓扑服务器创建一个Route Notification消息，该消息的“Route cost type”字段的值设置为一个表示采用“双向路径重建”方式的特殊值(如“AAAA”)；并且该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表；然后，拓扑服务器将RouteNotification消息向距离自己最近的中间节点单播发送。

如果拓扑服务器在新路径中没有找到距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的中间节点，则启用本发明提出的“正向路径重建”方式，创建一个RouteNotification消息，该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表，并且该消息的“Route cost type”字段的值设置为一个表示采用“正向路径重建”方式的特殊值(如“5555”)；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向源节点单播发送。

(3)如果一个节点收到邻居节点发来的Route Notification消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发。每个收到RouteNotification消息的节点都执行上述操作，直到Route Notification消息到达自己的目的地(距离拓扑服务器最近的中间节点或源节点)。如果一个节点在MAC层旁听到装有RouteNotification消息的帧(即它不是该帧的目的节点)，则使用本发明提出的“跨层旁听”新机制，将分组源、目的节点、中继节点列表等信息跨层传送到网络层存储。

3.路径重建阶段

路径重建阶段的主要操作是进行路径重建，在该阶段继续使用本发明提出的“自适应双向路径重建”新机制，同时也使用了本发明提出的“精简Route Formation消息”新机制，具体步骤为：

(1)如果一个节点收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“双向路径重建”方式的Route Notification消息(说明拓扑服务器通知它发起路径重建)，则使用本发明提出的“精简Route Formation消息”新机制，生成两个比原RouteFormation消息更短的Route Formation消息，接着分别装入到源、目的节点的中继节点列表，然后分别沿着新的最优路径向源、目的节点发送Route Formation消息。如果一个节点收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“正向路径重建”方式的Route Notification消息，说明拓扑服务器通知它作为源节点采用“正向路径重建”方式发起路径重建；于是该节点使用本发明提出的“精简Route Formation消息”新机制，生成一个比原Route Formation消息更短的Route Formation消息，接着装入通往目的节点的新路径的中间节点列表，然后沿着新的最优路径向目的节点发送该Route Formation消息。接下来，如果该节点还有需要发往目的节点的数据，它便使用从Route Notification消息获得的新路径信息，立即向目的节点发送数据，从而加快新路由投入使用的速度，提高路由修复的效率，并且有利于降低数据分组的端到端时延。

(2)如果一个节点收到邻居节点发来的Route Formation消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发。每个收到RouteFormation消息的节点都执行上述操作，直到Route Formation消息到达自己的目的地(新的最优路径的目的节点或源节点)。如果一个节点在MAC层旁听到装有Route Formation消息的帧(即它不是该帧的目的节点)，则使用本发明提出的“跨层旁听”新机制，将分组源、目的节点、中继节点列表等信息跨层传送到网络层存储。

(3)如果一个节点收到目的地为自己的Route Formation消息，则从RouteFormation消息中取出中继节点列表，获得通往重建路径对端节点的下一跳节点，并用该信息更新自己的路由表，从而完成路由重建。之后，该节点便可使用修复后的路由向位于路径对端的节点发送数据。

至此，本发明提出的基于自适应双向路径重建的路由修复新方法的操作结束，源、目的节点间的路由修复得以完成，而且本发明提出的自适应双向路径重建、精简RouteError消息、精简Route Formation消息和跨层旁听4种新机制也得到运行并发挥作用。

本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”适用于使用HR-WPAN Mesh网络进行数据通信的领域。一个具体的实施方式为：在一个HR-WPAN Mesh网络中，所有节点都是MPNC(Mesh-capable Piconet Coordinator，具有Mesh组网功能的微微网协调器)，都具有数据和控制消息转发功能，通常由电源供电且静止不动。所有节点都周期性地广播Beacon消息，且周期性地采集自己与邻居节点的链路状态信息；每个节点都可作为拓扑服务器。在网络以拓扑服务器为基础形成了网络拓扑和有效路由并正常运行之后，当有节点检测到有链路失效时，可以采用本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”，对失效链路影响的所有路由进行高效、快速的修复；路由修复的具体操作步骤请参照技术方案的内容。与现有基于拓扑服务器的路由修复方法相比，本发明提出的“基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法”运用“自适应双向路径重建”、“精简Route Error消息”、“精简RouteFormation消息”和“跨层旁听”4种新机制，能够在完成同样的路由修复功能和性能的前提下，以更少的控制开销更快速地重新建立最优路径，节省网络带宽资源，降低数据分组的平均端到端时延并有助于提高数据分组的传送成功率。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明方法权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.基于自适应双向路径重建的HR-WPAN Mesh网络高效路由修复方法，其特征是：包括在逻辑上有先后关系的故障报告阶段、建路通知阶段和路径重建阶段，具体如下：

S1：所述故障报告阶段，用于发现路径出现故障的节点向拓扑服务器报告路径故障，本阶段运行“精简Route Error消息”和“跨层旁听”两种新机制，本阶段运行过程和上述两种新机制具体实现过程如下：

S11：当一个节点发现有链路失效时，它首先检查是否有备用路由；如果有备用路由，则启用备用路由继续向目的节点传送数据分组；并且转步骤S12，因为备用路由难以保证是最优路由，因此需要进行路由重建；如果没有备用路由，则直接执行步骤S12；

S12：发现链路失效的节点运行“精简Route Error消息”新机制，创建一个精简的RouteError消息并将其发往拓扑服务器，精简后的Route Error消息不含“探测端TREEID”和“长度”两个字段；

S13：收到邻居节点发来的Route Error消息的节点，首先用该消息的信息更新自己的路由表，然后将该消息沿着树结构继续向拓扑服务器传送；收到Route Error消息的节点都执行该项操作，直至Route Error消息到达拓扑服务器；如果一个节点在MAC层接收到装有Route Error消息的帧但它不是该帧的目的节点，则运行“跨层旁听”新机制，将RouteError消息中的源、目的节点和探测端、探测对端节点信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储；

S2：所述建路通知阶段，用于拓扑服务器选择合适的节点并通知它们进行路径重建，本阶段运行“自适应双向路径重建”和“跨层旁听”两种新机制，本阶段运行过程和上述两种新机制具体实现过程如下：

S21：拓扑服务器按照路径对应的表项在路由表中的顺序，依次对受损路径进行修复；具体操作为：首先，拓扑服务器检查待修复路径的源、目的节点之间的路径是否已经被修复；如果是，则不再进行路径修复操作；否则，运行“自适应双向路径重建”新机制，从源、目的节点之间新路径的中间节点中寻找距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的节点；如果找到了这样的中间节点，则启用双向路径重建方式，创建一个RouteNotification消息，该消息的“Route cost type”字段缺省长度为2字节，其值设置为一个有别于已用值的特殊值，表示采用双向路径重建方式，并且该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向距离自己最近的中间节点单播发送；如果拓扑服务器在新路径中没有找到距离自己最近、同时也比源和目的节点距离自己更近的中间节点，则启用正向路径重建方式，创建一个RouteNotification消息，该消息包含源－目的节点对间新的最优路径所含中间节点的列表，并且该消息的“Route cost type”字段的值设置为另一个有别于已用值的特殊值，表示采用正向路径重建方式；然后，拓扑服务器将Route Notification消息向源节点单播；

S22：如果一个节点收到邻居节点发来的Route Notification消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发；收到RouteNotification消息的节点都执行该项操作，直至Route Notification消息到达其目的节点；如果一个节点在MAC层接收到装有Route Notification消息的帧但它不是该帧的目的节点，则运行“跨层旁听”新机制，将Route Notification消息中的源、目的节点、中继节点列表信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储；

S3：所述路径重建阶段，用于节点进行重新建立新的路径以替换发生故障的路径，本阶段运行“自适应双向路径重建”、“精简Route Formation消息”和“跨层旁听”三种新机制，本阶段运行过程和上述三种新机制具体实现过程如下：

S31：如果一个节点在运行“自适应双向路径重建”新机制的过程中收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“双向路径重建”方式的RouteNotification消息，则运行“精简Route Formation消息”新机制，生成两个比原RouteFormation消息更短的、去掉了“Route Source TREEID”和“Route Destination TREEID”字段的、精简的Route Formation消息，接着分别装入到源、目的节点的中继节点列表，然后分别沿着新的最优路径向源、目的节点发送Route Formation消息；如果一个节点收到拓扑服务器发给自己的、“Route cost type”字段值表示采用“正向路径重建”方式的RouteNotification消息，说明拓扑服务器通知它作为源节点采用“正向路径重建”方式发起路径重建；于是该节点生成一个精简的Route Formation消息，接着装入通往目的节点的新路径的中间节点列表，然后沿着新的最优路径向目的节点发送该Route Formation消息；如果该节点还有需要发往目的节点的数据，它便使用从Route Notification消息获得的新路径信息，立即向目的节点发送数据；

S32：如果一个节点收到邻居节点发来的Route Formation消息，它先用该消息包含的路由信息更新自己的路由表，然后根据该消息的目的节点进行转发；收到Route Formation消息的节点都执行该项操作，直到Route Formation消息到达其目的地；如果一个节点在MAC层接收到装有Route Formation消息的帧但它不是该帧的目的节点，则运行“跨层旁听”新机制，将Route Formation消息中的源、目的节点、中继节点列表信息取出并用跨层方式从MAC层传送到网络层，网络层收到上述信息后进行存储。