CN111901241A

CN111901241A - 一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法

Info

Publication number: CN111901241A
Application number: CN202010790260.9A
Authority: CN
Inventors: 康凯; 任伟; 郑强; 谭武征
Original assignee: Shanghai Koal Safety Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Koal Safety Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2020-11-06

Abstract

本发明公开了一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法。该方法的实现是基于“最多最短路径数”的测度，引入分配因子，每个节点独立选择将业务分配到多条最短路径上传输，兼顾多路径业务分散和传输性能。该方法采用分布式算法，实现简单灵活，不需要对现有链路状态协议进行修改。

Description

一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法

技术领域：

本发明公开了一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法。该方法引入分配因子，每个节点独立选择将业务分配到多条最短路径上传输，兼顾多路径业务分散和传输性能。

背景技术：

无线自组网，是由一组移动节点组建的自组织网络。每个节点同时兼备信息处理和转发双重功能，可以在不需要基础设施支持的情况下，只依靠节点自身建立一个独立、完整的无线网络。

无线自组网以其独特的可快速部署、分布式组网、可靠性高、机动灵活等特性，在军队、公安、应急通信、物联网等领域有着重要的应用。无线自组网在军用通信中，用于在高度机动环境下，为移动用户提供通信支持；在公安、应急通信中，可以为应急突发事件处理提供临时性通信支持；在物联网应用中，可用于实现可快速部署的分布式专用无线信息网络。

无线自组网中的一个关键技术是路由选择。无线自组网中的路由协议可以分为表驱动(table-driven)路由协议和按需驱动(on-demand)路由协议两大类。表驱动路由协议中，节点之间交换路由更新消息，维护到达所有节点的路由表，分组可以立即发送，而且可以走最优路由。因此，对于需要频繁数据交互，实时性和可靠性要求高的背景下，表现得更为有效。目前，基于链路状态的路由协议(如OLSR(Optimized Link State)等)，成为表驱动路由协议的主流。

无线自组网中，由于无线信道的广播特性，每对在通信距离之内的节点之间，都会存在一条通信链路，大大增加了等价多路径的存在的可能性。但是，同时这又使得一些位于网络拓扑中心部分的节点，会处于多对节点之间的最短路径上，可能成为传输瓶颈。在路由选择时，应当尽量避免经过网络中心部分的节点，防止在这些节点上造成负载集中，产生拥塞，实现较为合理的负载均衡分配。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于针对现有采用表驱动路由协议的无线自组网所存在的上述问题而提出了一种无线自组网中基于表驱动路由协议的多路径业务均衡的路由方法。该方法适用于链路状态协议，引入了基于网络拓扑的“最多最短路径数”测度确定的分配因子，选择将业务分配到多条最短路径上传输。

在链路状态协议中，节点之间交换链路状态消息(LSA)，可以得到网络拓扑结构，数学上表示为网络连接矩阵。通过Dijkstra算法，计算出源节点到所有目的节点的最短路径。

将网络抽象表示为一个有向赋权图G＝<V,E>，V为n个节点的集合，E＝{l(i,j)|i,j∈V}为链路的集合。如果节点j处于节点i的通信距离之内，则存在节点i到节点j的一条有向链路l(i,j)。

定义：

Ni：表示节点i的相邻节点集合。

Path(i,j)：表示节点i到节点j的路径，表示为路径上的点列。

Path(i,j|k)：表示节点i经由下一跳节点k，到节点j的最短路径。路径Path(i,j|k)不一定是从节点i到节点j最短的。

dist(i,j)：表示路径Path(i,j)的距离，OLSR等协议中距离即定义为跳数。

dist(i,j|k)：表示路径Path(i,j|k)的距离。

Next(i,j)：表示节点i到节点j的最短路径上，下一跳节点的集合。

node_spnum(k)：表示节点k的“节点的最短路径数”，定义为节点k在图G中，处在节点对之间的最短路径的数量。

route_spnum(i,j|k)：表示路径Path(i,j|k)的“最多最短路径数”，定义为路径Path(i,j|k)上所有中间节点的node_spnum中的最大值：

route_spnum(i,j|k)＝max{node_spnum(u),u∈Path(i,j|k),u≠i,u≠j}

“最多最短路径数”测度计算示例如图1所示。

新的多路径路由方法，引入了分配因子。

定义分配因子：

α(i,j|k)：表示节点i到节点j的业务，以α(i,j|k)比例选择发送到下一跳节点k(k∈Next(i,j))。

节点i到节点j的分配因子{α(i,j|k1),…,α(i,j|km)}，满足α(i,j|k1)+…+α(i,j|km)＝1(Next(i,j)＝{k1,…,km})。

分配因子设为“最多最短路径数”测度的函数，以实现业务均衡。对于节点k，如果所处在的最短路径的数量越多，越可能承担更多的源—目的节点之间的转发业务，出现拥塞的可能性越高。在路径选择时，应当避免经过此类节点传输分组。因此，对于“最多最短路径数”较小的路径，分配较大的分配因子，即分配较多的业务；而对“最多最短路径数”较大的路径，分配较小的分配因子，即分配较少的业务。例如，节点i到节点j的分配因子确定策略采用与路径的“最多最短路径数”成反比，即α(i,j|k1)×route_spnum(i,j|k1)＝…＝α(i,j|km)×route_spnum(i,j|km),(k1,…,km∈Next(i,j))。

分配因子确定方法可以是：

(1)选择分配到所有最短路径上的下一跳节点。

(2)可以选择分配到部分最短路径上。例如对“最多最短路径数”较大的路径，设置分配因子为0，避免拥塞产生的可能性。

(3)对不同的业务采用不同的分配因子。例如对于安全性要求较高的业务，分配到所有最短路径上，而对于其他业务选择“最多最短路径数”较小的一条(或部分)路径。

每个节点都独立根据分配因子选择路径，因此保证了传输过程中，逐段起到了路由优化作用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其特征在于，引入了基于网络拓扑的“最多最短路径数”测度确定的分配因子，选择将业务分配到多条最短路径上传输；每个节点独立确定分配因子，确定转发策略，实现业务均衡分流，兼顾业务分散和传输效率。

在本发明的一个优选实施例中，所述无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法具体包括如下步骤：

步骤1：网络中节点i检测到相邻链路变化，或者路由更新周期定时器到期时，向相邻节点发送链路状态通知(LSA)消息；

步骤2：节点i检测到相邻链路变化，或者收到了链路状态通知(LSA)消息时，更新图的连接矩阵；

步骤3：节点i调用Dijkstra算法，计算所有节点对(s,j)之间的最短距离dist(s,j)；

步骤4：节点i对每个节点s，计算节点的最短路径数node_spnum(s)；

步骤5：如果节点i经由邻节点k，到目的节点j的路径距离是最短的，则计算该路径的“最多最短路径数”route_spnum(i,j|k)；

步骤6：节点i对目的节点j，确定最短路径的下一跳节点集合Next(i,j)；

步骤7：节点i确定到目的节点j的分配因子α(i,j|k)；

步骤8：节点i将到目的节点j的业务以比例α(i,j|k)分配到下一跳节点集合，进行转发。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤3中，节点i依次以每个节点s作为源节点，调用Dijkstra算法，计算得到节点s到所有目的节点j的最短距离dist(s,j)(s,j∈V),V是节点的集合。

在本发明的一个优选实施例中，所述步骤5中，

route_spnum(i,j|k)＝max{node_spnum(u)|u∈Path(i,j|k),u≠i,u≠j}；

Path(i,j|k)：表示节点i，经相邻节点k，到节点j的路径。

本发明提出了一种无线自组网中基于链路状态协议的分布式多路径路由选择方法，多路径路由应用意义在于，提高负载均衡、安全性、可靠性：

(1)通过将业务分散传输，可以实现负载均衡、避免拥塞，提高传输性能。

(2)通过将源—目的节点之间的业务在网络中分散传输，避免走单一路径，可以提高传输的安全性，同时可以使得网络中每对节点之间的业务分布尽可能均匀化，以对抗业务流量分析。

(3)可以减少链路或节点故障对业务的影响。

本发明提出的一种无线自组网中基于链路状态协议的分布式多路径路由选择方法的优点为：

(1)根据基于“最多最短路径数”参数定义的分配因子，实现业务分流，兼顾业务分散和传输效率。

(2)每个节点可以独立确定分配因子，确定转发策略。

(3)新方法实现简单易行，采用分布式算法，每个节点可以根据自身维护的网络拓扑信息，完成选路计算。

(4)对原有路由协议消息不需要进行修改，没有附加协议开销。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为节点i到节点j的最多最短路径数计算。

图2中所示为17个节点的无线自组网中的路由选择说明。源节点0到目的节点15的路由选择如箭头所示。路径上节点的“最短路径数”如括号中所示。分配因子确定策略采用与“最多最短路径数”成反比。

具体实施方式：

本发明的一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其引入了基于网络拓扑的“最多最短路径数”测度确定的分配因子，选择将业务分配到多条最短路径上传输；每个节点独立确定分配因子，确定转发策略，实现业务均衡分流，兼顾业务分散和传输效率。

上述无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法具体包括如下步骤：

步骤1：如果网络中的节点i检测到相邻链路变化，或者路由更新周期定时器到期，向相邻节点发送链路状态通知(LSA)消息。

步骤2：节点i检测到相邻链路变化，或者收到相邻节点发来的链路状态通知(LSA)消息时，更新图的连接矩阵。

步骤3：节点i依次以每个节点s作为源节点，调用Dijkstra算法，计算得到节点s到所有目的节点j的最短距离dist(s,j)(s,j∈V)，V是节点的集合。

步骤4：节点i对每个节点s(s∈V)，计算s的节点最短路径数node_spnum(s)。

步骤5：如果节点i经由邻节点k(k∈Ni)，到目的节点j的路径距离是最短的，则计算路径Path(i,j|k)的“最多最短路径数”route_spnum(i,j|k)：

route_spnum(i,j|k)＝max{node_spnum(u)|u∈Path(i,j|k),u≠i,u≠j}；

Path(i,j|k)：表示节点i，经相邻节点k，到节点j的路径。

步骤6：节点i对于到目的节点j(j∈V)的最短路径中，确定下一跳节点集合Next(i,j)。

步骤7：节点i确定到目的节点j的分配因子α(i,j|k)；

步骤8：节点i将到目的节点j的业务，以比例α(i,j|k)分配到下一跳节点k(k∈Next(i,j))，进行转发。

参见图2，结合17个节点的无线自组网，对本发明的无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法进行说明，其中源节点0到目的节点15的路由选择如箭头所示。路径上节点的“最短路径数”如括号中所示。分配因子确定策略采用分配到所有最短路径上，与“最多最短路径数”成反比。

参见图2，具体的路由选择实现如下：

(1)对于节点0的三个相邻节点{3,4,5}，有：

route_spnum(0,15|3)＝route_spnum(0,15|4)＝route_spnum(0,15|5)＝112。

节点0确定分配因子：α(0,15|3)＝α(0,15|4)＝α(0,15|5)＝0.33。

(2)对于节点3的两个相邻节点{7,8}，有：

route_spnum(3,15|7)＝68，route_spnum(3,15|8)＝112。

节点3确定分配因子：α(3,15|7)＝0.62，α(3,15|8)＝0.38。

(3)对于节点4和节点5，都只有一个下一跳节点8。

(4)对于节点7的两个相邻节点{10,11}，有：

route_spnum(7,15|10)＝8，route_spnum(7,15|11)＝68。

节点7确定分配因子：α(7,15|10)＝0.89，α(7,15|11)＝0.11。

(5)对于节点8的两个相邻节点{11,12}，有：

route_spnum(8,15|11)＝68，route_spnum(8,15|12)＝52。

节点8确定分配因子：α(8,15|11)＝0.43，α(8,15|12)＝0.57。

Claims

1.一种无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其特征在于，引入了基于网络拓扑的“最多最短路径数”测度确定的分配因子，选择将业务分配到多条最短路径上传输；每个节点独立确定分配因子，确定转发策略，实现业务均衡分流，兼顾业务分散和传输效率。

2.如权利要求1所述的无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤7：节点i确定到目的节点j的分配因子α(i,j|k)；

3.如权利要求2所述的无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其特征在于，所述步骤3中，节点i依次以每个节点s作为源节点，调用Dijkstra算法，计算得到节点s到所有目的节点j的最短距离dist(s,j)(s,j∈V)，V是节点的集合。

4.如权利要求2所述的无线自组网中基于链路状态协议的多路径业务均衡的路由方法，其特征在于，所述步骤5中，

route_spnum(i,j|k)＝max{node_spnum(u)|u∈Path(i,j|k),u≠i,u≠j}；

Path(i,j|k)：表示节点i，经相邻节点k，到节点j的路径。