CN110417663A - 一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，包括以下步骤：步骤1：每个节点探测与其邻居节点间的链路；步骤2：每个节点检测与其具有双向链路的邻居节点间，并生成邻居信息库；步骤3：每个节点选择自己的中继节点集；步骤4：根据中继节点集得到拓扑表，删除重复的拓扑消息；步骤5：根据邻居信息库和拓扑表得到路由表。本发明可在动态实时获去全网节点拓扑连接关系，实时综合分析跳数、链路质量、负载、能量等因素计算路由信息的情况下，降低路由信令开销，节约网络带宽。

Description

一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法

技术领域

本发明涉及无线自组网通信协议领域，具体地说是一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法。

背景技术

无线通信技术的迅速发展，驱使了各种无线传输网络技术的发展。人们对于网络的要求与期望也越来越高，对具有移动性，随时随地的数据访问和数据交换的需求越来越明显。

无线自组网主要用于解决各类突发事件现场的全方位态势感知问题。在不依托基础设施的情况下，无线宽带自组网可在事发现场迅速完成部署，及时、迅速、准确、安全的将现场实时信息传送给指挥人员，使指挥员对现场“看得见、听得到、控得了”，继而实现快速反应、准确判断、科学有效地处置。无线宽带自组网在军事战术通信、政府应急(包括应急处突、重大活动安保、抢险救灾等)以及工业物联网等行业领域有着非常广泛的应用前景。

在无线自组网中，路由算法是最关键的技术之一，高效的路由算法可以在有效的信令开销内，提供高效、准确、可靠路由信息，保证数据的可靠、安全、及时的传输。是整个网络正常工作的基础。

发明内容

针对现有自组网路由协议的不足，本发明提供了一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法。

本发明的技术方案如下：一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，包括以下步骤：

步骤1：每个节点探测与其邻居节点间的链路，更新链路信息表；

步骤2：每个节点根据链路信息表检测与其具有双向链路的邻居节点，并生成邻居信息库；

步骤3：每个节点选择自己的中继节点集；

步骤4：根据中继节点集得到拓扑表；

步骤5：根据邻居信息库和拓扑表得到路由表。

所述步骤1包括以下步骤：

节点发送HELLO消息至邻居节点，链路信息表作为消息的内容；

节点收到HELLO消息，更新链路信息表。

所述步骤2包括以下步骤：

当节点A收到来自于邻居节点B的HELLO消息，A将B放入自己的邻居信息库中，并将到B的链路状态标记为非对称状态；然后，在A向B发送HELLO消息时，该HELLO消息包含B是A的非对称状态的邻居节点的信息；当B收到该HELLO消息时，B将在自己的邻居信息库中将A的链路状态更新为对称状态；

B再次向A发送HELLO消息时，HELLO消息中包含A是B的对称状态的邻居节点的信息；当A收到该HELLO消息时，A就在自己的邻居信息库中将B的状态更新为对称状态。

所述步骤3包括以下步骤：

节点发送hello消息来获取一跳信息；

对于节点i的一跳邻居节点j而言，节点i的一跳邻居就是节点j的两跳邻居；

节点i如果满足如下条件，则节点i是节点j的中继节点；

(1)节点j与中继节点i之间是双向对称链路；

(2)节点j所发送的消息通过节点i的中继，能够到达所有的两跳邻居节点。

所述hello消息包含节点的状态。

所述节点与中继节点之间是双向对称链路。

所述步骤5，包括以下步骤：

1)清除现有路由表中的所有表项；

2)跳数h＝1，将具有对称链路的邻居作为目的地址，将自己的邻居节点加入路由表；

3)跳数h＝2，对于任意两跳邻居，表项中包含neighbor_addr即该两跳邻居的前一跳邻居等于本地的一个一跳邻居；将每个两跳邻居节点加入路由表；

4)跳数＝h+1，将目的地为h+1跳的路由表项记录在路由表；

h从2开始，每次加1，对于h的每个值，在迭代中没有新表项被记录时，执行停止；

对于拓扑表中的每个拓扑表项，如果其拓扑目的地址T_dest_addr不等于于路由表中任何表项的路由目的地址R_dest_addr且其前一跳地址T_last_addr等于一个跳数R_dist为h的路由表项的路由目的地址R_dest_addr，则记录新的路由表项。

所述步骤2)中，跳数h＝1时，路由表项包括：

R_weight＝＝a*负载+b*能量+c*链路质量

其中，R_weight表示路由的权重值，a、b、c为系数。

所述步骤3)中，跳数h＝2时，表项包括：

信号强度R_weight＝＝α*R_dist+β*R_weight_last

其中，α是该路由总跳数的系数，β是最后一跳R_weight值的系数；R_weight表示路由的权重值，R_dist表示跳数，R_weight_last表示当前节点到上一跳节点的路由权重值。

所述步骤4)中，跳数＝h+1时，路由表项包括：

R_weight＝＝α*(h+1)+β*R_weight_last

其中，h为计算过程中的临时跳数，α是该路由总跳数的系数，β是最后一跳weight值得系数；R_weight表示路由的权重值，R_weight_last表示当前节点到上一跳节点的路由权重值。

本发明的有益效果和优点：

1.本发明可在动态实时获去全网节点拓扑连接关系，实时综合分析跳数、链路质量、负载、能量等因素计算路由信息的情况下，降低路由信令开销，节约网络带宽。

附图说明

图1为邻居侦听过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

该算法主要包括链路感知、邻居探测、中继节点集生产、拓扑消息处理、路由计算和路由表维护六个过程。每个过程具体如下所述。

1.链路感知

每个节点都要探测与其邻居节点间的链路，由于无线传播的不确定性，某些链路可能会被认为是单向的。因此，所有链路必须双向验证才被认为是可用的。链路感知是通过HELLO消息的周期性交互实现的。本地链路信息表存储了该节点到邻居节点的链路信息。节点发送HELLO消息时，本地链路信息表作为消息的内容。节点收到HELLO消息，更新本地链路信息表。

1)接收到一个HELLO消息，如果不存在如下表项：

邻居节点地址neighbor_addr＝＝HELLO分组的源地址originator address

则建立一个新的表项如下：

邻居节点地址neighbor_addr＝＝HELLO分组的原地址originator address

对称链路有效期L_SYM_TIME＝＝当前时间-1(过期)

非对称链路有效期L_ASYM_TIME＝＝当前时间+有效时间

链路质量Link_Quality＝＝HELLO分组中携带的链路质量

2)若存在前述的链路表项，则修改如下：

非对称链路有效期L_ASYM_TIME＝＝当前时间+有效时间，

如果链路类型是对称链路SYM_LINK，则：

对称链路有效期L_SYM_TIME＝＝当前时间+有效时间

同时更新链路质量:

链路质量Link_Quality＝＝HELLO分组中携带的链路质量

2.邻居探测

每个节点必须检测它与哪些邻居节点间具有双向链路。节点周期性地广播HELLO消息，它携带了其邻节点的负载信息、能量信息和链路状态。HELLO消息只在一跳范围内传输。通过HELLO分组的周期性交互，节点生成了邻居信息库。邻居侦听的过程如图1所示，在初始化阶段，当节点A收到一个来自于邻居节点B的HELLO消息，A将B放入自己的邻居集中，并将到B的链路标记为非对称状态，然后，在A向B发送HELLO消息时，在HELLO消息中就包含有B是A的非对称状态的邻居节点的信息，当B收到该HELLO消息时，B将在邻居集中将A的状态更新为对称状态，同理，在B再次向A发送HELLO消息时，HELLO消息中就包含了A是B的对称状态的邻居节点的信息，当A收到该HELLO消息时，A就在邻居集中将B的状态更新为对称状态。之后，A、B再分别计算自己的中继节点集，在后面的HELLO消息交互中会包含各自的中继节点集信息。

邻居侦听具体操作过程如下：

从一个对称邻居中接收到一个HELLO消息，节点应更新该邻居节点的负载信息、能量信息和链路状态，以及本节点的两跳邻居集，注意HELLO消息不被转发，也不被存储在副本集。如果链路集中的一个链路表项的neighbor_addr是消息的originator address且SYM_TIME大于等于当前时间(即，HELLO源地址是一个对称邻节点)，则两跳邻居集更新如下：对HELLO消息中列出的每个具有对称邻居SYM_NEIGH或中继邻居RELAY_NEIGH邻居类型的地址(即相对应于接收HELLO分组的节点的两跳邻居)：

如果两跳邻居的地址等于接收节点的地址，丢弃这个两跳地址(即，节点不是自身的两跳邻节点)。

1)否则一个如下的两跳邻居表项生成：

neighbor_addr＝＝HELLO分组的originator address

两跳邻居地址2hop_addr＝＝HELLO分组相应邻居的地址，即接收HELLO分组节点的两跳邻居

邻居有效期N_time＝＝当前时间+有效时间这一表项有可能替代一个具有相同neighbor_addr和2hop_addr老的相似表项。

3.中继节点集

网络中的每个节点独立的选择自己的中继节点集。选择中继节点集的目的是使得通过该中继节点转发，节点发送的控制分组可以被转发到其他所有的两跳邻居。计算中继节点集需要知道本节点的一跳和两跳邻居的信息。算法使用本地发送hello消息来获取一跳信息。对于节点i的一跳邻居节点j而言，节点i的一跳邻居就是节点j的两跳邻居。节点i发送HELLO分组的同时附上它自己的一跳邻居列表，当节点j收到节点i发送的HELLO分组时，就可以知道节点i的一跳邻节点的信息，对于节点j来说，就获得了节点j的两跳邻节点信息。

节点i如果满足如下条件，则节点i是节点j的中继节点；

(1)节点j与中继节点i之间必须是双向对称链路；

(2)节点j所发送的分组通过节点i的中继，能够到达所有的严格(该两套节点既不是节点j本身，也不是节点j的一跳邻居节点)两跳邻居节点。如果能够满足这两点，那么节点i就可以成本节点j的中继节点，就能有效地进行拓扑消息的转发。

计算中继节点集的要求是：节点与中继节点之间必须是双向对称链路，节点所发送的分组通过中继节点的中继，能够到达所有的严格两跳邻居节点，如果能够满足这两点，那么中继节点就能有效地进行拓扑消息的转发。同时，应该使中继节点集尽量的小。

4.拓扑消息处理

拓扑表中的表项是根据拓扑消息的拓扑信息建立的。在拓扑消息重复记录表中登记了拓扑消息后，就在拓扑表中记录相关信息，步骤如下：

1)如果拓扑表中存在某个表项，其上一跳节点T_last对应于拓扑消息发送源节点地址且其SN号(序列号)大于收到消息中的SN号，那么，就不再对该拓扑消息做进一步处理，丢弃该拓扑消息。

2)否则删除拓扑表中所有T_last对应于拓扑消息发送源节点地址，如果其SN号小于收到的拓扑消息的SN号值。

3)对从拓扑消息中接收到的每个节点称之为选择节点，如果拓扑表存在某个条目，其去T_last对应拓扑消息中的选择节点，且其T_last对应于拓扑消息的原始发送节点地址，则更新该条目的有效期。否则，在拓扑表中记录新的拓扑条目。

5.路由表计算

每个节点维护一张保存到网络中其它节点的路由表，路由表的计算基于节点本地存储的链路表、邻居表和拓扑表。接收到拓扑消息的节点，分析并储存[last_hop，node，weight]连接对。其中Last_hop是当前节点到node节点的前一跳节点，“node”是在拓扑消息中发现的选择节点，“weight”是拓扑消息发送节点与其选择节点之间的路由权重值。简单来说，为了找到从给点源节点到较远节点R的路径，必须找到连接对(X，R)，然后在找到连接对(Y，X)，以此类推，直到发现Y节点就是源节点的邻居节点时结束连接对查找。为了使得路径是最优的，在计算每一跳路由时，都需根据链路质量、节点负载、节点能量计算出每一跳的路由权重weight值，计算多跳路由时，要根据每一跳的weight值及总跳数，计算出该跳路由的总weight值。当链路表、邻居表拓扑表发生变化时，都需要更新路由表。

在本算法中，根据最大weight值建立每个节点的路由表。任意一个节点路由表的添加过程可分为三部分：首先，添加自己的邻节点进入路由表，即跳数h＝1；其次，添加自己的两跳邻节点进入路由表，即h＝2；最后，循环添加跳数等于h+1(h＝2开始)的节点进入路由表，具体过程描述如下：

清除现有路由表中的所有表项。

1)将具有对称链路的邻居作为目的地址，一个如下的新的表项加入路由表：

目的节点地址R_dest_addr＝＝邻节点地址

下一跳节点地址R_next_addr＝＝邻节点地址

跳数R_dist＝＝1

本地发送接口地址R_iface_addr＝＝本地地址

路由权重值R_weight＝＝a*负载+b*能量+c*链路质量

其中，a、b、c是节点负载、节点剩余能量(对于电池供电设备而言)和链路质量三个因素的系数。

2)对于任意两跳邻居，其两跳邻居表中必然存在着这样一个表项，其neighbor_addr等于本地的一个一跳邻居,则将每个两跳邻居加入路由表如下：

R_dest_addr＝＝两跳邻居地址

R_next_addr＝＝已有的具有如下特征的路由表表项的R_next_addr：

其R_dest_addr为该两跳邻居表项的neighbor_addr

R_dist＝＝2

R_iface_addr＝＝已有的具有如下特征的路由表表项的

R_iface_addr：其R_dest_addr为该两跳邻居表项的

N_neighbor_main_addr

R_weight＝＝α*R_dist+β*R_weight_last

其中，α是该路由总跳数的系数，β是最后一跳weight值得系数。

在计算两跳路由时，两跳邻居表中有部分节点是非严格两跳邻居(即一跳邻居)，故可与已算好的一跳路由进行对比，如新计算的两跳路由比一跳路由weight大，则更新到该一跳邻居的路由信息为2条。

3)将目的地为h+1跳的路由表项记录在路由表，对于h的每个值，下面的程序必须被执行，h从2开始，每次加1，在迭代中没有新表项被记录时，执行停止。对于拓扑集中的每个拓扑表项，如果其拓扑目的地址T_dest_addr不符合于路由表中任何表项的R_dest_addr且其拓扑上一跳地址T_last_addr符合于一个R_dist为h的路由表项的R_dest_addr，则一个新的路由表项被记录如下：

R_dest_addr＝＝T_dest_addr

R_next_addr＝＝已有的具有如下特征的路由表表项的

R_next_addr：其R_dest_addr＝＝T_last_addr

R_dist＝＝h+1

R_iface_addr＝＝已有的具有如下特征的路由表表项的

R_iface_addr：其R_dest_addr＝＝T_last_addr

R_weight＝＝α*(h+1)+β*R_weight_last

R_next_addr表示下一跳地址。

4)路由表维护

路由表的计算是根据网络的拓扑结构来进行的，此外也与邻居节点的状态密切相关。因此，当检测到邻居表、链路表、拓扑表发生变化时，具体地说，当邻居节点链路质量发生变化，邻居增加或消失、两跳邻居条目增加或无效时，拓扑表项增加或无效时都要根据前面提出的原则重新计算路由表。

Claims (10)

1.一种基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：每个节点探测与其邻居节点间的链路，更新链路信息表；

步骤2：每个节点根据链路信息表检测与其具有双向链路的邻居节点，并生成邻居信息库；

步骤3：每个节点选择自己的中继节点集；

步骤4：根据中继节点集得到拓扑表；

步骤5：根据邻居信息库和拓扑表得到路由表。

2.根据权利要求1所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

节点发送HELLO消息至邻居节点，链路信息表作为消息的内容；

节点收到HELLO消息，更新链路信息表。

3.根据权利要求1所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤2包括以下步骤：

当节点A收到来自于邻居节点B的HELLO消息，A将B放入自己的邻居信息库中，并将到B的链路状态标记为非对称状态；然后，在A向B发送HELLO消息时，该HELLO消息包含B是A的非对称状态的邻居节点的信息；当B收到该HELLO消息时，B将在自己的邻居信息库中将A的链路状态更新为对称状态；

B再次向A发送HELLO消息时，HELLO消息中包含A是B的对称状态的邻居节点的信息；当A收到该HELLO消息时，A就在自己的邻居信息库中将B的状态更新为对称状态。

4.根据权利要求3所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤3包括以下步骤：

节点发送hello消息来获取一跳信息；

对于节点i的一跳邻居节点j而言，节点i的一跳邻居就是节点j的两跳邻居；

节点i如果满足如下条件，则节点i是节点j的中继节点；

(1)节点j与中继节点i之间是双向对称链路；

(2)节点j所发送的消息通过节点i的中继，能够到达所有的两跳邻居节点。

5.根据权利要求4所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述hello消息包含节点的状态。

6.根据权利要求4所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述节点与中继节点之间是双向对称链路。

7.根据权利要求1所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤5，包括以下步骤：

1)清除现有路由表中的所有表项；

2)跳数h＝1，将具有对称链路的邻居作为目的地址，将自己的邻居节点加入路由表；

3)跳数h＝2，对于任意两跳邻居，表项中包含neighbor_addr即该两跳邻居的前一跳邻居等于本地的一个一跳邻居；将每个两跳邻居节点加入路由表；

4)跳数＝h+1，将目的地为h+1跳的路由表项记录在路由表；

h从2开始，每次加1，对于h的每个值，在迭代中没有新表项被记录时，执行停止；

对于拓扑表中的每个拓扑表项，如果其拓扑目的地址T_dest_addr不等于于路由表中任何表项的路由目的地址R_dest_addr且其前一跳地址T_last_addr等于一个跳数R_dist为h的路由表项的路由目的地址R_dest_addr，则记录新的路由表项。

8.根据权利要求7所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤2)中，跳数h＝1时，路由表项包括：

R_weight＝＝a*负载+b*能量+c*链路质量

其中，R_weight表示路由的权重值，a、b、c为系数。

9.根据权利要求6所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤3)中，跳数h＝2时，表项包括：

信号强度R_weight＝＝α*R_dist+β*R_weight_last

其中，α是该路由总跳数的系数，β是最后一跳R_weight值的系数；R_weight表示路由的权重值，R_dist表示跳数，R_weight_last表示当前节点到上一跳节点的路由权重值。

10.根据权利要求6所述的基于主动式路由协议的多因素混合路由算法，其特征在于所述步骤4)中，跳数＝h+1时，路由表项包括：

R_weight＝＝α*(h+1)+β*R_weight_last

其中，h为计算过程中的临时跳数，α是该路由总跳数的系数，β是最后一跳weight值得系数；R_weight表示路由的权重值，R_weight_last表示当前节点到上一跳节点的路由权重值。