CN106954243B

CN106954243B - 基于无线链状网的路由实现方法

Info

Publication number: CN106954243B
Application number: CN201710236491.3A
Authority: CN
Inventors: 朱全继; 甘露; 吕欣岩
Original assignee: Jiangsu Zhongke Yilian Communication Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Zhongke Yilian Communication Technology Co ltd
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: CN106954243A

Abstract

本发明提供一种基于无线链状网的路由实现方法，当节点收到路由更新消息时，路由模块根据自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表，合并成可达网络位图信息，将该路由更新消息发往空口相邻节点；当节点存在对等节点时，将该路由更新消息作为路由共享消息发送给同一组的所有对等节点；无对等节点时，只发送路由更新消息到空口相邻节点；节点根据收到的空口相邻节点的路由更新消息更新据自身节点路由信息表、根据收到的对等节点的路由更新消息更新对等节点路由信息表，根据收到的相邻节点空口测量结果进行更新自身链路链路信息表。本发明能降低路由对空口的占用开销。

Description

基于无线链状网的路由实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，其中具体涉及的是一种链状或树状的无线通信系统的路由实现方法。

背景技术

无线自组织网络是一种无中心，自组织，拓扑结构动态变化的无线通信网络。无线自组织网络从拓扑结构上进行划分，可以分为星型网络，如无线蜂窝网；树型网络，如一些无线传感器网络；网状网络，如无线网格网络，不同的拓扑结构应用在相应的场景具有独特的优势。无线链状网络作为无线自组织网络的一种特殊拓扑结构，其网络内节点组成“链状”路径，所有的网络节点共同构成一个链状网络，在应用于高速公路、桥梁隧道、街道监控，边防安全等链状场合，可以减少区域内不必要的节点部署，有提高网络带宽，降低成本等优点。

现有的无线网络路由协议，根据应用对象和路由实现机制等大致可以有如下划分：

表驱动型路由协议：又称为先应式路由协议，是指节点通过周期性交换路由信息，不断更新路由表，来及时反映拓扑结构变化。优点在于节点有路由需求时，可以立即获取路由信息。缺点是当网络拓扑变化频繁时，路由更新带来巨大网络开销。

按需驱动型路由协议：节点有路由需求时，洪泛一个路由分组，目的节点根据路由选择算法选择最优的路由路径，然后沿该路径进行路由应答。该方式不需要周期性对路由信息进行广播，节省有限的网络资源。但是等待路由发现带来一定的时延。

混合型路由协议：结合表驱动型路由协议和按需驱动型路由协议，当节点拓扑结构变化较慢时，路由获取时延小；当网络负载较低时，路由更新的开销也可以降低。

无线链状网工作在一定的物理环境下，受到无线信道干扰，无线链路质量、网络负载、设备故障等因素的影响，导致网络内的节点离线、故障或者节点重启等情况，网络拓扑结构很容易发生变化，原有的路径失效，数据无法正常传输，进而影响整个系统的通信性能，此时就要求无线通信节点可以适时调整通信状态。

现有技术一：中国专利申请201510098840.0提出了一种无线多跳链状网的路由实现方法，其拓扑结构是由节点一个个接入系统形成，一条链状网络作为一个组，每个组之间没有直接关联。在一个组中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，并将其体现在 IP 地址中。通过节点的LID来确定节点在网络内的位置，进而方便路由实现转发功能。该专利申请是通过逻辑标识符 LID，来确定IP地址，简化了路由表，实现分组较快转发。但是网络内拓扑结构发生变化时，部分节点的LID也需要发生变更，随之IP地址也会发生改变，发生变更的节点需要正常工作，必须修改配置的IP地址，网络内节点的灵活性较差。

现有技术二：中国专利201210178328.3提出了一种适用于无线传感器网络的动态自组织分层次路由方法，该发明采用基于多叉树状的拓扑结构建立网络，每个节点需要维护一个层次路由表，并记录着以该节点为根的子树拓扑结构。路由表通过在节点接入申请时插入序号来对路由表进行有效的更新，解决了上层节点的路由表中出现节点编号重复的问题。该技术主要解决当网络中节点移动或失效而导致路径失效数据无法传送的情况时，实现网络拓扑结构的动态重组。该发明可以解决节点移动或失效导致路径失效，数据无法传送的问题。但是每一个节点需要维护该节点为根的子树的所有拓扑信息，当节点下属叶子节点数目较多时，路由更新会带来的开销巨大，且更新时延较高。

本发明涉及的术语；

CCU：中央控制单元；CCUID：中央控制单元编号；

GROUP：组；GROUPID：组编号；

CLUSTER：群；CLUSTERID：群编号；

LINK：链路；LINKID：链路编号。

发明内容

本发明的目的是针对无线链状或树状网络，因节点离线或者重启等导致的拓扑结构的变更，需要一种多条链路相互备份的快速路由恢复机制，因而提出一种基于无线链状网的路由实现方法，以解决通用自组网路由协议在此场景下空口开销大，处理复杂的问题。本发明采用的技术方案是：

一种基于无线链状网的路由实现方法，其主要改进之处在于，

无线链状网中每一个节点对应一个组，用于绑定部署节点所属的逻辑范围，其中根节点为首节点，其他节点为普通节点，每个组通过一个CCU子网的群内唯一的GROUPID进行标识；多个节点构成的链状或者树状结构形成一条链路，该链路是指空口互联互通的一条多跳中继传输链路，通过一个CCU子网的群内唯一的LINKID进行标识；单条链路或者多条链路构建成一个群，用于绑定部署节点的链路所处的逻辑范围，通过CCU子网内唯一的CLUSTERID进行标识；多个群分属在一个CCU下，CCU负责链状网内网与内网的节点之间、内网节点与外部网络服务器的消息转发和调度，通过全网唯一的CCUID进行标识；

无线链状网内所有设备的唯一IP地址通过CCUID、CLUSTERID、LINKID和GROUPID计算得出；同属一个群内的链路，相互称为对等链路，链路中的每一个节点需要维护自身链路的链路信息表和对等链路的链路信息表；同属一个组内的多个节点相互称为对等节点，对等节点之间通过交换设备连接，每一个节点需要维护自身节点的路由信息表和对等节点的路由信息表，如果一个组内只有一个无线节点，则只需要维护自身节点的路由信息表。

进一步地，每一个节点的路由模块需要维护的路由表包括四个部分：自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表；

所述的基于无线链状网的路由实现方法至少包括如下的一种路由更新方法：

通过路由更新触发产生路由更新消息；当节点收到路由更新消息时，路由模块根据自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表，合并成可达网络位图信息，将该路由更新消息发往空口相邻节点；当节点存在对等节点时，将该路由更新消息作为路由共享消息发送给同一组的所有对等节点；无对等节点时，只发送路由更新消息到空口相邻节点；节点根据收到的空口相邻节点的路由更新消息进行更新，从可达网络位图消息中提取节点路由信息表更新自身节点路由信息表、提取出对等节点的路由更新消息更新对等节点路由信息表，提取出相邻节点空口测量结果进行更新自身链路链路信息表，提取出对等节点的空口测量结果更新对等链路链路信息表；对等节点根据收到的路由共享消息更新自身的路由信息；

当节点收到路由更新消息，比对发现可达网络位图信息不需要更改，则只需要更新本节点的路由表的生存时间；如果需要更新可达网络位图信息，则会触发产生路由更新消息；

路由更新消息的更新类型分为路由添加和删除，当有新节点入网或者离线节点重启时，需要添加新的路由信息；如果节点故障或者离线时，需要删除路由信息；

删除路由信息时根据离线节点的位置不同采取不同的删除方式：如果离线节点属于叶子节点，则该叶子节点的前一跳节点只需要删除关于叶子节点的路由信息；如果离线节点有下一跳节点即有子节点，离线节点的前一跳节点需要删除该离线节点为父节点的所有叶子节点的路由信息，离线节点的下一跳节点则只需要删除该离线节点的路由信息；更新后的节点产生新的可达网络位图消息，发给空口相邻的节点和对等节点。

进一步地，所述的基于无线链状网的路由实现方法还包括如下的一种路由查询方法：

路由查询需要提取报文中的目的IP地址，根据目的IP地址在自身节点的路由信息表以及自身节点的对等节点路由信息表中查找是否存在可达的路由信息；如果存在唯一的可达路由信息，则直接根据路由信息进行传输；如果存在多条可达路由信息，则根据链路状态选择最优的路由传输路径，然后发送节点根据选定的路由传输路径进行传输；如果不存在可达路由，需要判断目的IP地址是否在当前CCU子网范围内，如果在，则送给CCU进行群间路由；否则说明目的IP地址不可达，直接丢弃。

更进一步地，当传输路径中的节点存在对等节点时，路由的路径可以选择对等节点的交换设备，路由查找流程中会找到多条可达路由信息，此时需要根据链路状态信息选出最优传输链路；当节点存在空口相邻的节点和对等节点时，会先检测空口链路质量和链路允许的负载，满足传输要求时，使用空口相邻节点传输；不满足传输要求时，使用交换设备通过对等节点所在对等链路进行传输。

进一步地，对等节点之间通过交换设备有线连接。

本发明的优点在于：本发明提供了在链状或树状网的场景下，多条链路相互备份时的路由策略，降低路由对空口的占用开销，简化处理复杂度，进而提升链路可靠性及路由的快速自愈。

附图说明

图1为本发明的路由模块收到路由更新消息的处理流程图。

图2为本发明的路由查找处理流程图。

图3为本发明的链路选择处理流程图。

图4为本发明的无线链状网模型示意图。

图5为本发明链路正常时Node6往Node 9传输时路由选择路径示意图。

图6为本发明Node8离线时Node6往Node9传输时路由选择路径示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

无线链状网是由无线节点构成链状或者树状拓扑结构的网络；在此发明中所描述的节点是指具有无线收发、路由能力的通信基础设施，该节点信号覆盖范围内可以连接其他有线或者无线的通信终端（如无线访问接入点AP、有线数字电视等），下文描述的节点不包含通信终端；本发明的无线链状网中每一个节点对应一个组（即GROUP），用于绑定部署节点所属的逻辑范围，其中根节点为首节点，其他节点为普通节点，每个组通过一个CCU子网的群（CLUSTER）内唯一的GROUPID进行标识；多个节点构成的链状或者树状结构可以形成一条链路（LINK），该链路是指空口互联互通的一条多跳中继传输链路，通过一个CCU子网的群内唯一的LINKID进行标识；单条链路或者多条链路可以构建成一个群（即CLUSTER），用于绑定部署节点的链路所处的逻辑范围，通过CCU子网内唯一的CLUSTERID进行标识；多个群CLUSTER分属在一个CCU（中央控制单元）下，CCU负责链状网内网与内网的节点之间、内网节点与外部网络服务器的消息转发和调度，通过全网唯一的CCUID进行标识。

无线链状网内所有设备（不包含通信终端）的唯一IP地址可以通过CCUID、CLUSTERID、LINKID和GROUPID计算得出；同属一个群（CLUSTER）内的链路，相互称为对等链路，链路中的每一个节点需要维护自身链路的链路信息表和对等链路的链路信息表；同属一个组（GROUP）内的多个节点相互称为对等节点，对等节点之间通过交换设备(SWITCH)有线连接，每一个节点需要维护自身节点的路由信息表和对等节点的路由信息表，如果一个组(GROUP)内只有一个无线节点，则只需要维护自身节点的路由信息表。

每一个节点的路由模块需要维护的路由表包括四个部分：自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表；其中路由信息表包含网址，下一跳节点标识等路由信息；链路信息表包含链路质量、链路负载等信息；

路由实现方法具体包括：

1）路由更新方法；

路由更新触发方式包含周期性触发和事件触发；周期性触发，是指在节点中设置定时器，节点周期性产生路由更新消息，节点通过交换路由表的路由信息来更新自身的路由表；事件触发方式是指节点检测到空口链路发生了变化（如新节点入网、节点离线、切换等），则会触发产生路由更新消息；本发明中空口是无线连接的空中接口，而对等节点之间是有线连接；

通过路由更新触发产生路由更新消息；当节点收到路由更新消息时，路由模块根据自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表，合并成可达网络位图信息，将该路由更新消息发往空口相邻节点；当节点存在对等节点时，将该路由更新消息作为路由共享消息发送给同一组的所有对等节点；无对等节点时，只发送路由更新消息到空口相邻节点；节点根据收到的空口相邻节点的路由更新消息进行更新，从可达网络位图消息中提取节点路由信息表更新自身节点路由信息表、提取出对等节点的路由更新消息更新对等节点路由信息表，提取出相邻节点空口测量结果进行更新自身链路链路信息表，提取出对等节点的空口测量结果更新对等链路链路信息表；对等节点根据收到的路由共享消息更新自身的路由信息（指自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表中包含的路由信息）；

当节点收到路由更新消息，比对发现可达网络位图信息不需要更改，则只需要更新本节点的路由表（包括自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表）的生存时间；如果需要更新可达网络位图信息，则会触发产生路由更新消息；

路由更新消息的更新类型分为路由添加和删除，当有新节点入网或者离线节点重启时，需要添加新的路由信息（如上两段所述）；如果节点故障或者离线时，需要删除路由信息；

删除路由信息时根据离线节点的位置不同采取不同的删除方式：如果离线节点属于叶子节点，则该叶子节点的前一跳节点只需要删除关于叶子节点的路由信息；如果离线节点有下一跳节点（即有子节点），离线节点的前一跳节点需要删除该离线节点为父节点的所有叶子节点的路由信息，离线节点的下一跳节点（子节点）则只需要删除该离线节点的路由信息。如果节点发生切换，其IP地址发生了变更，则需要先删除再添加路由信息。更新后的节点产生新的可达网络位图消息，发给空口相邻的节点和对等节点。

路由模块收到路由更新消息的处理流程如图1所示；

2）路由查询方法；

路由查询需要提取报文中的目的IP地址，根据IP地址在自身节点的路由信息表以及自身节点的对等节点路由信息表中查找是否存在可达的路由信息；如果存在唯一的可达路由信息，则直接根据路由信息进行传输；如果存在多条可达路由信息，则根据链路状态选择最优的路由传输路径，然后发送节点根据选定的路由传输路径进行传输；如果不存在可达路由，需要判断目的IP地址是否在当前CCU子网范围内，如果在，则送给CCU进行群CLUSTER间路由；否则说明目的IP地址不可达，直接丢弃；路由查找处理流程图2所示；

当传输路径中的节点存在对等节点时，路由的路径可以选择对等节点的交换设备SWITCH，路由查找流程中会找到多条可达路由信息，此时需要根据链路状态信息选出最优传输链路；当节点存在空口相邻的节点和对等节点时，会先检测空口链路质量和链路允许的负载，满足传输要求时，使用空口相邻节点传输；不满足传输要求时，使用交换设备SWITCH通过对等节点所在对等链路进行传输；链路选择处理流程如图3所示：

以下利用具体的例子做进一步说明。

该例子的一个CCU下可以接入多个二级子网即群CLUSTER，每一个CLUSTER下可以挂载多条链路LINK，每一条LINK下的节点呈现链状分布，节点属性用GROUP标识；每一个CLUSTER下的链路相互称为对等链路，对等链路下同一个GROUP内的节点相互为对等节点，对等节点之间通过交换设备SWITCH进行连接。该例子中链路数量较多时，支持多个CCU联合部署。以下示例了在一个CCU下的一种拓扑结构模型，如图4所示；

每一个节点的路由模块需要维护的路由表包括四个部分信息：自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表；当节点需要发送路由更新消息时，四部分信息合并成可达网络位图消息；该可达网络位图消息会通过空口发给相邻的同链路节点，之后通过SWITCH发给同一个GROUP的所有对等节点，如果某个节点没有对等节点，如图4中Node11和Node12，这些节点的路由更新消息只会通过无线链路LINK2，由空口传递。

下面将根据图4的拓扑模型示意图，给出路由模块的处理过程的实例：

拓扑结构形成：

1)新节点入网

该链状或者树状的网络拓扑结构的建立，是通过叶子节点不断加入网络所形成的。叶子节点入网时，可以自身称为一个GROUP，也可以选择和对等链路的某个节点形成相互的对等节点；节点加入网络时，会向当前的CLUSTER更新路由。其更新过程如下方示例：

a) 入网鉴权：假如CLUSTER 2中的Node12 节点属于新入网的节点，Node12向Node11节点提交入网申请，经过鉴权，允许节点Node12 接入LINK 2网络。

b) 形成可达网络位图消息：则节点Node11 的路由模块检测到有关于Node12的新的路由需要添加，则路由更新消息添加新的路由信息，更新自身的路由信息表；同时检测Node11到Node12的链路质量和链路负载，更新Node11 节点的LINK2的链路信息表；由于节点Node11没有对等节点，所以对等节点的路由信息表和对等链路的链路信息表不需要进行更新。然后将四部分信息表合并成可达网络位图消息，通过无线LINK 2进行空口传输，由于Node11 没有对等节点，则不会进行向对等节点发送路由共享消息。

c) 可达网络位图消息通过空口传输：可达网络位图消息经过Node11的空口在LINK 2上传输，由相邻的节点LINK2上的Node8接收，节点Node8 通过解析路由更新消息，对比自身的可达网络位图信息，发现自身节点的路由信息表和自身链路链路信息表需要更新，则根据收到的路由更新消息形成新的可达网络位图消息。由于LINK2 的Node8存在对等节点，可达网络位图消息除了向LINK 2的Node7发送之外，还会经过SWITCH向对等节点发送更新消息，消息包含可达网络位图信息，标注为路由共享消息。

d）路由共享消息通过SWITCH传输：路由共享消息经过LINK1和LINK2的GROUP3之间的SWITCH进行传输。LINK1的Node3节点收到该路由共享消息，通过比对自身的可达网络位图信息，发现对等节点的路由信息表和对等链路链路信息表需要更新。然后根据收到的路由共享消息生成新的可达网络位图消息，在LINK1上进行空口更新。

ｅ）其他节点的路由更新过程类似b、c、d的过程，直至链状或者树状网络的路由全部更新完成。

2）节点离线

如果链路中的某一个节点需要往其他节点发送业务数据消息，则需要通过各个节点的路由表，选择出最优的传输路径。假如图4中LINK 2中的Node6需要往Node9节点发送业务请求，为了简化说明，将图4中的CLUSTER 2提取出来，其通过空口的路由路径选择如图5所示；

如果图5中的Node8节点因为某些因素导致了离线，则相邻的空口节点Node7、Node9和Node11，以及对等节点Node3会检测到该节点离线，这些节点会产生新的路由更新消息。其更新过程如下：此时Node11和Node12因为没有对等节点无法再向首节点方向传递消息，会被动进入休眠状态；而Node9节点存在对等节点，仍然可以通过对等链路传递消息。所以Node9的路由模块的自身路由表会删除关于Node8的路由消息，更新自身链路的链路信息表，往对等节点Node4发送路由共享消息；Node7节点检测到Node8节点失去联系，会删除路由表中关于Node 8的路由信息，并且删除所有以Node8为根节点的其他节点的路由信息，同时更新自身链路的链路信息表，形成可达网络位图消息，通过空口进行路由更新。形成的路由共享消息往对等节点Node2进行传递；Node3作为Node8的对等节点，检测到该节点离线，会更新对等节点路由信息表，删除关于该节点8和以该节点8为根节点的路由信息，更新对等链路信息表，形成新的可达网络位图消息，通过空口传递更新。更新过程中的其他节点收到传递来的更新消息的处理过程如上述步骤c和d。直到网络内的其节点收到Node8离线的通知，更新才完成。

此时节点Node6再往Node9发送业务请求，空口链路已经不通，但是由于对等链路的存在，路由的下一跳可以选择对等节点，则路由选择出的一种路径如图6所示；

3）节点恢复工作

假如某个节点之前因为离线等原因宕机，不能正常工作，后又恢复正常运行，以图6中Node8为例。当节点Node8恢复运行时，首先向周围一跳邻居节点广播入网申请，Node7获知Node8恢复正常，添加关于Node8的路由信息，并更新至全网。节点Node11和Node12处于休眠状态，但是会周期性的寻找可以接入的无线节点，当Node8恢复工作后，Node11会向Node8申请入网，然后由Node8发送路由更新消息至全网。Node9和Node10虽然仍在工作，但是和网络连接方式是通过对等节点有线连接入网，当Node9检测到Node8恢复运行时，也会重新申请加入无线网络，由Node8发起路由更新消息。对等节点Node3检测到路由更新消息后，会更新本地的对等节点路由表，然后发起路由更新通知，直至全网更新完成。

Claims

1.一种基于无线链状网的路由实现方法，其特征在于，

2.如权利要求1所述的基于无线链状网的路由实现方法，其特征在于，

每一个节点的路由模块需要维护的路由表包括四个部分：自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表；

通过路由更新触发产生路由更新消息；当节点收到路由更新消息时，路由模块根据自身节点路由信息表、对等节点路由信息表、自身链路链路信息表和对等链路链路信息表，合并成可达网络位图信息，将该路由更新消息发往空口相邻节点；当节点存在对等节点时，将该路由更新消息作为路由共享消息发送给同一组的所有对等节点和空口相邻节点；当节点无对等节点时，只发送路由更新消息到空口相邻节点；节点根据收到的空口相邻节点的路由更新消息进行更新，从可达网络位图消息中提取节点路由信息表更新自身节点路由信息表、提取出对等节点的路由更新消息更新对等节点路由信息表，提取出相邻节点空口测量结果进行更新自身链路链路信息表，提取出对等节点的空口测量结果更新对等链路链路信息表；对等节点根据收到的路由共享消息更新自身的路由信息；

3.如权利要求1所述的基于无线链状网的路由实现方法，其特征在于，

所述的基于无线链状网的路由实现方法还包括如下的一种路由查询方法：

4.如权利要求3所述的基于无线链状网的路由实现方法，其特征在于，

当传输路径中的节点存在对等节点时，路由的路径可以选择对等节点的交换设备，路由查找流程中会找到多条可达路由信息，此时需要根据链路状态信息选出最优传输链路；当节点存在空口相邻的节点和对等节点时，会先检测空口链路质量和链路允许的负载，满足传输要求时，使用空口相邻节点传输；不满足传输要求时，使用交换设备通过对等节点所在对等链路进行传输。

5.如权利要求1所述的基于无线链状网的路由实现方法，其特征在于，

对等节点之间通过交换设备有线连接。