CN109714260A - Olsr路由协议中基于ucds算法构建虚拟骨干网的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法，该方法包括如下步骤：(1)通过“DS规则”选出DS节点；(2)通过“CS规则”、“CS例外规则”和“非CS规则”选出CS候选节点(CS’)和CS节点；(3)通过Hello消息和TC消息进行信息的交互和维护。本发明将UCDS算法应用于OLSR协议中，通过OLSR协议的控制消息洪泛来维护DS和CS节点，从而构建出一个虚拟骨干网。该虚拟骨干网在能量消耗、功率控制、链路重建、控制消息洪泛等方面都会带来性能优化。

Description

OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法

技术领域

本发明将UCDS(Unifying Connected Dominating Set，统一连通支配集)算法应用于OLSR(Optimized Link State Routing，最优化链路状态路由)协议中，并通过Hello和TC(Topology Control，拓扑控制)控制消息的洪泛来维护DS(Dominating Set)和CS(Connecting Set)节点信息，实现全网信息交互，完成虚拟骨干网的搭建。

背景技术

无线自组织网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)是由一组兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的无中心、多跳、临时性自治系统，其目的是通过动态路由和移动管理技术传输满足一定服务质量要求的信息流。无线自组织网络是一种新型的网络形式，它不需要任何基础设施支持，节点通过自组织的方式进行多跳的无线网络。通信时，当源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，它们可以借助中间节点中继来实现通信。中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的消息，然后再向下一个节点转发以实现中继。

OLSR是为MANET而开发的一种表驱动式链路状态路由协议，它是对经典链路状态协议进行优化而形成的。其核心思想是通过多点中继(Multipoint Relays,MPR)机制来减少消息的发送。协议通过节点之间Hello消息的周期性交互，执行链路检测、邻居发现功能；通过TC消息的周期性交互执行MPR信息声明功能，最终以这些消息建立起来的拓扑结构为基础，进行基于MPR的路由计算。OLSR路由协议利用MPR节点转发达到减少控制消息的目的。

OLSR路由协议是一种先应式的链路状态路由协议，节点在数据传输时已经存在到达目的节点的路径信息，具有路径选择等待时延小的优点；协议采用中继节点转发机制，减少由于链路状态信息洪泛所带来的路由开销。

UCDS算法是一个分布式的算法，即每个节点仅需获得两跳邻居拓扑，并不需要全网拓扑结构，就可正确执行该算法。该算法可以产生一个UCDS集合，即DS和CS节点集，用以组成整个网络的一个虚拟骨干网络。

将UCDS算法应用于OLSR协议中，可以利用OLSR协议中的Hello和TC控制消息周期性交互完成UCDS算法中的DS和CS节点集的构建，而该节点集的构建可以将全网组成一个虚拟骨干网，从而实现全网互连，进行网络性能优化。

发明内容

本发明的目的是OLSR协议信息交互的特点，提出一种OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法，该方法能够构建出一个虚拟骨干节点网，并实现网络性能的优化和提升。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法，具体包括如下步骤：

OLSR协议中存在Hello和TC两种控制消息，网络节点之间周期性地交换各种控制消息，通过分布式计算更新和建立自己的网络拓扑图。为了实现UCDS算法，修改对控制消息结构进行修改，并对本地表等进行维护。

(1)修改Hello和TC的消息结构，增加DS、CS本地表

(1.1)Hello消息格式修改

Hello消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特。从中留出一定长度的比特用于标记本节点选择的DS节点。

再留出一定长度的比特表示三个信息，分别用来标记本节点是否为DS、CS、CS’(CS候选节点)节点。

(1.2)TC消息格式修改

TC消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特。从中留出一定长度的比特用于标记本节点选择的CS节点。

再留出一定长度的比特表示两个信息，分别用来标记本节点是否为DS或CS节点。

(1.3)增加DS表

每个节点在本地维护2个DS表。

其一，本节点通过接收邻居节点的Hello消息来获取自己和邻居节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表1中进行插入或清除。

其二，本节点通过接收TC消息来获取二跳及更多跳节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表2中进行插入或清除。

(1.4)增加CS表

每个节点在本地维护3个CS表。

其一，本节点通过接收邻居节点的Hello消息来获取邻居节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表1中进行插入或清除。

其二，本节点通过接收TC消息来获取二跳及更多跳节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表2中进行插入或清除。

其三，本节点通过接收TC消息来获取本节点是否为CS节点，并将本节点及对应的选择本节点为CS节点的节点作为一个元组在本地CS表3中进行插入或清除。

(2)DS节点推选与更新

DS规则：拓扑图G中某一节点i在其所有邻居节点j中具有最高支配因子d_i，则节点i指定自身为DS成员；也有可能是节点i在其邻居节点j的所有邻居k中具有最高支配因子d_i，则节点j指定节点i为DS成员。

(2.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；另外，本节点通过“DS规则”可推选具有最大支配因子的节点成为DS节点，并通过Hello消息中对应比特来标记该节点。

(2.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息可知发送节点是否为DS节点，以及该节点推选的DS节点，并及时更新本地DS表1。

(2.3)发送TC消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对TC消息中对应比特进行赋值。

(2.4)接收TC消息：本节点通过接收到的TC消息可知发送节点是否为DS节点，并及时更新本地DS表2。

(3)CS节点推选与更新

CS规则：对于非DS成员节点i，存在邻居节点j和k，其中二者至少有一个为DS成员，且二者DS邻居节点集不相交，则节点i为CS的候选成员CS’；若节点j和k的共同邻居节点中存在多个CS’，则具有最高支配因子d_i的CS’成员被选为CS成员。

CS例外规则：对于非DS成员节点i，当邻居节点j与k的共同邻居中有一个CS成员，此时CS规则不用执行；当邻居节点j与k中仅有一个非DS成员，且节点i与该非DS成员有一个共同的DS邻居节点，CS规则也不用执行。

非CS规则：对于非DS成员节点i，其任意邻居节点j和k都是直接相连，则节点i一定不为CS成员。

通过CS规则的前半部分推选普通节点为CS’，再通过CS规则的后半部分从CS’中推选CS节点。

(3.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；另外，本节点通过以上规则能够确定自己是否为CS’节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；

(3.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息可知发送节点是否为CS节点，并及时更新本地CS表1；另外，也可知Hello消息的发送节点是否为CS’节点，并逐渐得知所有邻居节点的CS’信息。

(3.3)发送TC消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对TC消息中对应比特进行赋值；另外，在已知的所有邻居CS’节点中，本节点通过执行“CS规则”的后半部分推选其中一个CS’节点成为CS节点，并通过TC消息中对应比特来标记该节点。

(3.4)接收TC消息：本节点通过收到的TC消息中可知发送节点是否为CS节点，并及时更新本地CS表2；另外，也可知本节点是否被选为CS节点，以及被什么节点选为CS节点，从而及时更新本地CS表3中。

优选的，步骤(1.1)中，用于标记本节点选择的DS节点的比特长度为其中n为网络节点总数；所述的标记本节点是否为DS节点、是否为CS节点、是否为CS’节点的比特长度均为1bit。

优选的，步骤(1.2)中，用于标记本节点选择的CS节点的比特长度为其中n为网络节点总数；所述的标记本节点是否为DS节点、是否为CS节点的比特长度均为1bit。

本发明具有的有益效果是：充分考虑OLSR协议和UCDS算法的特点，设计算法在协议中实现的方法。由于OLSR协议中的Hello和TC控制消息周期性交互，网络中控制消息的洪泛很严重，通过UCDS算法构建的虚拟骨干网，可有效缩小MPR节点集，进而减少控制消息的洪泛；另外，当算法中的支配因子选取不同的参数时，该方法在能量消耗、功率控制、链路重建、控制消息洪泛等方面都会带来性能优化。

附图说明

图1是网络拓扑结构示意图；

图2是网络DS节点集示意图；

图3是网络CS节点集示意图；

图4是网络UCDS节点集示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方法和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的具体实施方式作更加详细地说明：

UCDS算法在OLSR协议中实现时，要考虑全网节点的规模，根据规模的不同，改变控制消息的结构和长度。下面就以20个节点为例，进行说明。图1为网络拓扑结构图，以0-19对所有节点进行标号，相连的两个节点存在对称链路。

OLSR协议中存在Hello和TC两种控制消息，网络节点之间周期性地交换各种控制消息，通过分布式计算更新和建立自己的网络拓扑图。为了实现UCDS算法，修改对控制消息结构进行修改，并对本地表等进行维护。OLSR中分组的格式都如表1所示，根据消息的不同修改Message部分。表2、3为修改之后的Hello和TC消息结构，这是在标准消息结构的基础上利用预留域的比特增加DS、CS、CS’交互信息之后得到的消息结构。

表1 OLSR路由协议分组格式表

(1)修改Hello和TC的消息结构，增加DS、CS本地表

(1.1)Hello消息格式修改

Hello消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特。从中留出5bit的长度用于存放choose_ds_node_id，标识本节点选择该节点为DS节点。

再从空余的比特中用3bit分别标识mine_ds_node(1bit)、mine_cs_node(1bit)、mine_cs_candidate(1bit)三个信息，三者分别用来标记本节点是否为DS、CS、CS’节点，1表示是，0表示否。一般而言，正常的二进制组合为000、001、100、010、110。

修改后的Hello消息格式如表2所示。

表2修改后Hello消息格式表

(1.2)TC消息格式修改

TC消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特。从中留出5bit的长度用于存放choose_cs_node_id，标识本节点选择该节点为CS节点。

再从空余的比特中用2bit分别标识mine_ds_node(1bit)、mine_cs_node(1bit)，用于表示本节点是否为DS或CS节点。

修改后的TC消息格式如表3所示。

表3修改后TC消息格式表

(1.3)增加DS表

其一，本节点通过接收邻居节点的Hello消息，从mine_ds_node和choose_ds_node_id来获取自己和邻居节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表1中进行插入或清除。另外，当本节点选择自己为DS节点时，也需要在本地DS表1中插入本节点号，当本节点及其邻居节点都未选本节点为DS节点时，从本地DS表1中删除本节点号。

其二，本节点通过接收TC消息，来获取二跳及更多跳节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表2中进行插入或清除。

(1.4)增加CS表

每个节点在本地维护3个CS表。

其一，本节点通过接收邻居节点的Hello消息，从mine_cs_node来获取邻居节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表1中进行插入或清除。另外，当本节点选择邻居节点为CS节点时，也需要在本地CS表1中插入邻居节点号，当Hello消息中的mine_cs_node为0时，则从本地DS表1中删除邻居节点号。

其二，本节点通过接收TC消息，从mine_cs_node来获取二跳及更多跳节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表2中进行插入或清除。

其三，本节点通过接收TC消息，从choose_cs_node_id来获取本节点是否为CS节点，并将本节点及对应的选择本节点为CS节点的节点作为一个元组在本地CS表3中进行插入或清除。

(2)DS节点推选与更新

DS规则：拓扑图G中某一节点i在其所有邻居节点j中具有最高支配因子d_i，则节点i指定自身为DS成员；也有可能是节点i在其邻居节点j的所有邻居k中具有最高支配因子di，则节点j指定节点i为DS成员。

这里的支配因子指的是节点深度，即邻居节点个数。

(2.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对mine_ds_node_id进行赋值；另外，本节点通过“DS规则”可推选具有最大支配因子的节点成为DS节点，并通过Hello消息中的choose_ds_node_id来标记该节点号。当有多个节点同时拥有最大支配因子时，本节点推选节点号更大的节点为DS节点。

(2.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息中mine_ds_node_id来更新本地DS表1；并识别其中的choose_ds_node_id，若该节点号与本节点号相等，则更新DS表1，否则，忽略该部分信息。

(2.3)发送TC消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对mine_ds_node_id进行赋值。

(2.4)接收TC消息：本节点通过接收到的TC消息中mine_ds_node_id来更新本地DS表2。

如图2，每个节点的边上都标注其支配因子，即邻居节点数目。通过上述的节点推选和信息交互过程可知全网的DS节点，如图中斜条纹标注节点。

(3)CS节点推选与更新

CS规则：对于非DS成员节点i，存在邻居节点j和k，其中二者至少有一个为DS成员，且二者DS邻居节点集不相交，则节点i为CS的候选成员CS’；若节点j和k的共同邻居节点中存在多个CS’，则具有最高支配因子d_i的CS’成员被选为CS成员。

CS例外规则：对于非DS成员节点i，当邻居节点j与k的共同邻居中有一个CS成员，此时CS规则不用执行；当邻居节点j与k中仅有一个非DS成员，且节点i与该非DS成员有一个共同的DS邻居节点，CS规则也不用执行。

非CS规则：对于非DS成员节点i，其任意邻居节点j和k都是直接相连，则节点i一定不为CS成员。

通过CS规则的前半部分推选普通节点为CS’，再通过CS规则的后半部分从CS’中推选CS节点。

(3.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对mine_cs_node_id进行赋值；另外，本节点通过以上规则能够确定自己是否为CS’节点，并对mine_cs_candidate进行赋值；

(3.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息中mine_cs_node_id来更新本地CS表1。并通过mine_cs_candidate可知Hello消息的发送节点(本节点邻居节点)是否为CS’节点，并逐渐得知所有邻居节点的CS’信息。

(3.3)发送TC消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对mine_cs_node_id进行赋值；另外，在已知的所有邻居CS’节点中，本节点通过执行“CS规则”的后半部分推选其中一个CS’节点成为CS节点，并通过TC消息中的choose_cs_node_id广播。

这里的choose_cs_node_id一定是本节点的邻居节点，所以这里TC充当的是Hello消息的功能，只有当本节点号和该TC消息中choose_cs_node_id相等时，本节点才会处理该部分信息，记录自己是CS节点，并更新CS表3，其他节点收到该TC之后忽略choose_cs_node_id的信息。

(3.4)接收TC消息：本节点通过收到的TC消息中的mine_cs_node_id来更新本地CS表2。并识别其中的choose_cs_node_id，若该节点号与本节点号相等，则将本节点及选择本节点成为CS的节点(发送该TC消息的源节点)作为一个元组插入本地CS表3中，否则，忽略该部分信息。并通过维护该CS表来维护自己是否为CS节点的消息。

如图3，通过上述的节点推选和信息交互过程可知全网的CS节点，如图中网格条纹标注节点。

DS节点集合和CS节点集共同构成了UCDS节点集，从而构建了一个虚拟骨干网，如图4所示。

本发明是一种OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法。针对自组织网络中的OLSR协议，将UCDS算法应用其中，搭建虚拟骨干网，我们要求将其作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的信道估计方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。

Claims (3)

1.一种OLSR路由协议中基于UCDS算法构建虚拟骨干网的实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)修改Hello和TC的消息结构，增加DS、CS本地表

(1.1)Hello消息格式修改

Hello消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特；从中留出相应长度的比特用于标记本节点选择的DS节点；

再留出相应长度的比特表示三个信息，分别用来标记本节点是否为DS、CS、CS’节点，其中CS’节点为CS候选节点；

(1.2)TC消息格式修改

TC消息的长度是固定的，除去必要的信息存储之外，还有空余的比特；从中留出相应长度的比特用于标记本节点选择的CS节点。

再留出相应长度的比特表示两个信息，分别用来标记本节点是否为DS或CS节点；

(1.3)增加DS表

每个网络节点在本地维护2个DS表，分别为本地DS表1和本地DS表2；

本节点通过接收邻居节点的Hello消息来获取自己和邻居节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表1中进行插入或清除；

本节点通过接收TC消息来获取二跳及更多跳节点是否为DS节点，并将对应的节点号在本地DS表2中进行插入或清除；

(1.4)增加CS表

每个节点在本地维护3个CS表，分别为本地CS表1、本地CS表2和本地CS表3；

本节点通过接收邻居节点的Hello消息来获取邻居节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表1中进行插入或清除；

本节点通过接收TC消息来获取二跳及更多跳节点是否为CS节点，并将对应的节点号在本地CS表2中进行插入或清除；

本节点通过接收TC消息来获取本节点是否为CS节点，并将本节点及对应的选择本节点为CS节点的节点作为一个元组在本地CS表3中进行插入或清除；

(2)DS节点推选与更新

(2.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；另外，本节点通过UCDS算法中的DS规则推选具有最大支配因子的节点成为DS节点，并通过Hello消息中对应比特来标记该节点；

(2.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息可知发送节点是否为DS节点，以及该节点推选的DS节点，并更新本地DS表1；

(2.3)发送TC消息：本节点通过查询本地DS表1来确定本节点是否为DS节点，并对TC消息中对应比特进行赋值；

(2.4)接收TC消息：本节点通过接收到的TC消息可知发送节点是否为DS节点，并更新本地DS表2；

(3)CS节点推选与更新

(3.1)发送Hello消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；另外，本节点通过UCDS算法中的CS规则、CS例外规则和非CS规则确定自己是否为CS’节点，并对Hello消息中对应比特进行赋值；

(3.2)接收Hello消息：本节点通过接收到的Hello消息可知发送节点是否为CS节点，并更新本地CS表1；另外，也可知Hello消息的发送节点是否为CS’节点，并得知所有邻居节点的CS’信息；

(3.3)发送TC消息：本节点通过查询本地CS表3来确定本节点是否为CS节点，并对TC消息中对应比特进行赋值；另外，在已知的所有邻居CS’节点中，本节点按照UCDS算法中的CS规则推选其中一个CS’节点成为CS节点，并通过TC消息中对应比特来标记该节点；

(3.4)接收TC消息：本节点通过收到的TC消息中可知发送节点是否为CS节点，并更新本地CS表2；另外，也可知本节点是否被选为CS节点，以及被什么节点选为CS节点，从而更新本地CS表3中。

2.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，步骤(1.1)中，用于标记本节点选择的DS节点的比特长度为其中n为网络节点总数；

所述的标记本节点是否为DS节点、是否为CS节点、是否为CS’节点的比特长度均为1bit。

3.根据权利要求1所述的实现方法，其特征在于，步骤(1.2)中，用于标记本节点选择的CS节点的比特长度为其中n为网络节点总数；

所述的标记本节点是否为DS节点、是否为CS节点的比特长度均为1bit。