CN112383947A - 基于网络环境的无线自组网混合式路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于网络环境的无线自组网混合式路由协议方法，应用于无线自组网技术领域，针对现有无线自组网存在的通信链路不稳定、带宽受限、容量时变、能源受限等问题；本发明采用表驱动和按需驱动的混合路由模式，二跳范围内通过周期性交换Hello信息维护拓扑，二跳范围外通过按需路由发现建立多路由；基于局部拓扑变动程度和直连链路质量自适应调整Hello信息发送周期；基于包接收率评估链路质量，并将链路质量作为路由的基本度量；基于链路质量、下一跳负载、下一跳可用性进行路由决策；采用基于链路质量和节点度的MPR选择算法；按需路由发现过程增加正向学习和反向学习，建立冗余路由。

Description

基于网络环境的无线自组网混合式路由协议方法

技术领域

本发明属于无线自组网技术领域，特别涉及一种无线自组网混合式路由协议技术。

背景技术

自组网节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换的，需要路由协议进行分组转发决策。无线信道变化的不规则性，节点的移动、加入、退出等也会引起网络拓扑结构的动态变化。路由协议的作用就是在这种环境下，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。它是移动节点互相通信的基础，因此成为当前自组网体系结构中的研究热点。相对于传统无线网络而言，无线自组网这种网络结构也有着相应的缺点，主要表现在几个方面：通信链路不稳定、带宽受限、容量时变、能源受限等。因此无线自组网的路由设计需要综合考虑其运行的网络环境从而进行优化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，采用混合式路由，基于网络运行环境调整路由协议运行参数、完成按需路由发现和路由决策，在维持较低路由开销的情况下降低丢包率，提升传输效率。

本发明采用的技术方案为：基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，

首先，二跳范围内通过周期性的Hello信息交互来维护拓扑，二跳范围外通过按需路由发现建立按需的多路由；从而找出所有可用路由；

然后，从路由质量、下一跳可用性、下一跳负载三个角度对每一条路由分别按照降序打分，并将每一条路由这三个角度的分数求和，得到各条路由的总评分；

最后，若存在总评分相同的多条路由，则选择有效时间最长的路由进行转发；否则选择总评分最高的路由进行转发。

所述建立按需的多路由的过程为：

源节点广播Req报文；

若中间节点为Req报文的目标节点，则广播一个TTL为1的Rep报文；否则根据MPR机制转发Req报文；具体的：该中间节点根据MPR选择器集合来决定是否转发Req报文；

源节点收到Rep报文，则记录一条到目的节点的路由。

针对节点y，采用改进的MPR算法得到节点y的MPR选择器集合，具体为：

1)计算得到节点y一跳邻居集合N和二跳邻居集合N2；

2)计算集合N中所有节点的D(y)，D(y)为节点y一跳邻居的个数；

3)将集合N中唯一可到集合N2某节点的节点加入到MPR集合中，删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

4)此时若仅通过MPR集合中的节点还未能到达节点y的所有二跳邻居，则：

计算当前集合N的DA(y)，DA(y)为当前集合N中节点y对于当前集合N2的度；

计算当前集合N中每个节点的P，P＝节点可用性-本节点到该节点的链路质量；

5)选择P最大的节点，如果存在P相同的多个节点，则选择DA(y)较大的，若还存在相同的DA(y)，则选择D(y)较大的；

6)删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

7)返回步骤4)，直到N2集合为空，最终得到节点y的MPR集合。

当二跳邻居集合发生变化时，或相邻节点的负载超过关键节点阈值KEYNODE_TH时，则重新计算MPR集合。

还包括：自适应调整Hello周期，具体的：

每个节点周期性地维护一个初始值为0的邻居关系动态性指标D，每个周期内记录自己一跳邻居表和二跳邻居表的变化；当节点新增或失去一个一跳邻居时，动态性指标增加2；当节点新增或失去一个二跳邻居时，动态性指标增加1；根据邻居关系的动态性指标，得到邻居关系的变动程度：稳定、轻微波动、剧烈变化，稳定、轻微波动、剧烈变化分别对应3种Hello广播周期T_Hello：

其中，T_base为一个基础周期，d表示轻微波动和剧烈变化这两种变动程度的阈值。

本发明的有益效果：本发明的方法二跳范围内通过周期性的Hello信息交互来维护拓扑，二跳范围外通过按需路由发现建立按需的多路由；具备以下优点：

1、混合式的协议模式降低了路由控制开销，实现二跳范围内快速路由，二跳范围外按需路由；

2、使用链路质量作为路由的基本度量，路由质量即整条路由上链路质量的累加，在多路径选路时优先选择路由质量更优的路由，降低业务数据包丢包的概率；

3、采用自适应调整的Hello周期，在拓扑变化激烈时能过迅速响应，在拓扑稳定时降低路由控制开销；

4、采用了改进的MPR算法，减少广播开销，同时协助按需路由发现优先选择直连链路质量较好的节点进行转发；

5、采用正反向学习，在按需路由发现的过程中，沿路节点记录冗余路由。

附图说明

图1为本发明实施例提供的路由决策流程。

图2为本发明试试例提供的链路(一跳邻居)探测流程。

图3为本发明试试例提供的二跳邻居探测流程。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明主要包括链路(一跳邻居)探测、二跳邻居探测、Hello消息周期自适应调整、改进MPR选择算法、按需路由发现和路由决策6个过程，每个过程具体如下描述：

1.链路(一跳邻居)探测

Hello消息的各个组成域的设置是：将负载域设为本节点的负载(MAC发送队列长度/总长度，取值为[0，100])；将可用性域设为本节点的可用性(剩余电量，取值为[0，100])；将Hello消息发送周期域设为本节点参数T_Hello(自适应变化)的数值；后面为链路集合，包括链路状态码，链路消息长度，和相邻节点接口地址；其中链路状态码包括链路类型、邻居节点类型和链路质量，链路质量通过MAC统计的平均包接收率(APPR，即一段时间内，正确接收的数据包数量/接收的所有数据包数量)进行映射，对应链路状态L_QUALITY的取值为{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13}。链路质量L_QUALITY的计算方法为：

对称链路表示节点双方均可收到对方的Hello报文，若满足此条件即可将此链路标记为对称链路；非对称链路表示本节点目前可以收到对方的Hello报文但对方节点暂未将本节点的链路标记为对称链路或非对称链路，若本节点收到了对方的Hello报文即可将此链路标记为非对称链路。按照图2所示流程即可完成节点间的直连链路(一跳邻居)探测，链路与一跳邻居的状态是一致的。

链路探测流程如下：

1)接收Hello消息后，如果本地的链路集合中不存在到该Hello消息源节点的链路，则产生一个新的链路项：

a)邻居节点接口地址＝源节点地址；

b)对称时间＝当前时间-1(暂时为非对称节点)；

c)有效时间＝当前时间+消息有效时间。

2)若链路集合中包含到该Hello消息源节点的项，则按以下方法更新该链路项：

a)非对称时间＝当前时间+消息有效时间；

b)若Hello消息中的链路消息包含本节点的接口地址，则按以下方法修改该链路项：

i.若Hello消息中关于本节点的链路消息的链路类型为LOST_LINK，则对称时间＝当前时间-1(暂时为非对称节点)；

ii.若链路类型为SYM_LINK或ASYM_LINK，则对称时间＝当前时间+消息有效时间，有效时间＝对称时间+消息有效时间。

一跳邻居集合的生成过程如下：

1)数组建立。每当链路集合建立一个新的链路项时，同时需要在邻居集合中建立一个邻居项，并计算相邻节点状态，若存在到该邻居节点的对称链路，则邻居节点状态为对称相邻节点；否则该邻居节点状态为非对称相邻节点；记录Hello消息中的链路质量字段，作为本节点到该邻居节点的链路质量；记录Hello消息中的可用性字段，作为该邻居节点的可用性指标；

2)更新。每当一条链路变化时，更新邻居节点项的状态，若存在到该邻居节点的对称链路，则邻居节点状态为对称相邻节点；否则该邻居节点状态为非对称相邻节点；同时使用Hello消息中的链路质量字段更新对应邻居项的链路质量；使用Hello消息中的可用性字段更新对应邻居项的可用性；

3)删除。每当一条链路被删除时，其关联的邻居节点项也必须被删除。

2.二跳邻居探测

如图3所示，收到Hello消息后，则应该按照如下方法更新二跳相邻节点集合：

1)对于本条Hello消息列出的每个地址(下面用二跳相邻节点地址描述)，并且其相邻节点类型等于SYM_NEIGH(对称相邻节点)或者MPR_NEIGH(MPR相邻节点)，则：

a)若该二跳相邻节点地址等于该接收节点的地址，则丢弃该二跳相邻节点地址。

b)否则，建立一个满足如下条件的二跳相邻节点数组：邻居地址＝本条消息的源节点地址，二跳邻居地址＝该二跳相邻节点地址，有效时间＝当前时间+消息有效时间，链路质量＝本节点到本消息源节点的链路质量+本消息中的链路质量字段值。

2)对于本条Hello消息列出的每个地址，并且其相邻节点类型等于NOT_NEIGH(非对称相邻节点)，删除邻居节点与本消息的源节点地址相同、且二跳邻居地址与该地址相同的全部二跳相邻节点数组。

3.Hello消息周期自适应调整

节点根据邻居关系的动态性自适应的调整Hello周期，当邻居关系动态性较强时，Hello周期相应减短；当邻居关系动态性较弱时，Hello周期相应增长。自适应Hello周期使得拓扑剧烈变化时节点能够迅速发现拓扑变化并及时更新邻居关系，拓扑稳定时可以减少Hello机制的开销。

每个节点周期性地维护一个初始值为0的邻居关系动态性指标D，每个周期内记录自己一跳邻居表和二跳邻居表的变化。当节点新增或失去一个一跳邻居时，动态性增加2；当节点新增或失去一个二跳邻居时，动态性增加1。根据邻居关系的动态性指标，得到邻居关系的变动程度即稳定、轻微波动、剧烈变化，对应3种Hello广播周期T_Hello：

其中，T_base为一个基础周期，d表示轻微波动和剧烈变化这两种变动程度的阈值，T_base与d可以根据实际应用场景进行调整。T_base的默认取值为2s，d的默认取值为2，如在网络拓扑变化程度剧烈以及对网络建立生成时间、拓扑变化收敛时间要求较高的场景下，T_base可取低于2s的数值；如果网络拓扑比较稳定，T_base可取较大的值。节点在广播Hello报文时将根据邻居关系的变动程度自适应调整Hello消息周期。

4.改进MRP算法

节点根据已掌握的二跳范围内的邻居信息，选取一部分邻居节点作为其MPR集合，其中MPR集合需要满足：本节点仅通过MPR集合中的节点转发即可完成与其所有二跳范围内节点的通信。MPR集合的选择考虑了节点的负载、直连链路状态、节点可用性以及节点的度。MPR集合会通过Hello机制扩散，收到MPR集合信息的节点会建立一个MPR选择器集合，即选择本节点作为MPR节点的节点。在转发广播报文时，节点会根据MPR选择器集合来决定是否转发：若发送广播的节点在自己的MPR选择器集合中则转发，否则不转发。

重新计算MPR集合的时机(以下条件满足其一)：

1)二跳邻居集合发生变化时；

2)相邻节点的负载超过关键节点阈值KEYNODE_TH时，KEYNODE_TH默认为0.6；

MPR选择算法描述如下：

1)计算得到一跳邻居集合N和二跳邻居集合N2；

2)计算集合N中所有节点的D(y)，即D(y)＝节点y一跳邻居的个数；

3)将集合N中唯一可到集合N2某节点的节点加入到MPR集合中，删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

4)此时若仅通过MPR集合中的节点还未能到达本节点的所有二跳邻居，则：

计算当前集合N的DA(y)，即当前集合N中节点y对于当前集合N2的度；

计算当前集合N中每个节点的P，P＝节点可用性-本节点到该节点的链路质量；

5)选择P最大的节点，如果存在P相同的选择，则选择DA(y)较大的，若还存在DA(y)相同的选择，则选择D(y)较大的；

6)删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

7)返回步骤4)，直到N2集合为空，MPR集合计算完成。

5.按需路由发现

当数据报文需要进行路由时，首先查找路由表是否存在可达路由，若存在立刻转发；若路由不存在，先将数据报文进行缓存，然后发起按需路由请求，即广播Req(按需路由请求)报文。目的节点收到该Req报文后，回复Rep(按需路由响应)报文。

所述按需路由实现过程为：

A、源节点发起按需路由发现的流程：

A1、首先将数据报文缓存，然后查找过去REQ_INTERVEL时间(默认1s)内，是否发起过到相同目的地的按需路由发现请求，若是，则流程结束；否则，执行步骤A2；

A2、封装一个Req报文，广播该报文；所述Req报文中包括：源节点的接口地址、目节点的接口地址、一个值为0的端到端链路状态字段、一个路由管理消息公共头部、一个管理报文公共头部；

B、当中间节点收到Req报文时，进行如下操作：

B1、首先记录一条到源节点的反向路由，同时记录该条反向路由的端到端链路状态；

B2、将Req报文的路由管理消息公共头部中的消息序列号字段和消息源节点地址字段作为Req报文的唯一标识，查看本节点是否收到过相同标识的Req报文，若是，则再查看Req报文的目的节点地址是否为自己，若为自己，则执行步骤B3，若不为自己则不做处理；否则，记录该唯一标识；

B3、若本节点是Req报文的目的节点，则广播一个TTL为1的Rep报文，否则该中间节点更新Req报文中的端到端链路状态字段；所述Rep报文包括：源节点的接口地址、目节点的接口地址、本节点记录的反向路由的下一跳节点接口地址，以及一个值为-1的端到端链路状态字段；

B4、根据MPR机制决定该中间节点是否要继续广播Req报文；

C、当中间节点收到Rep报文时，进行如下操作：

C1、首先记录一条到目的节点的路由，同时记录该条路由的端到端链路状态；

C2、查看Rep报文中的下一跳处理节点是否为自己，若是，则将Rep报文中的下一跳处理节点改为本节点记录的反向路由的下一跳节点的接口地址，将TTL设置为1，更新端到端链路状态字段，继续广播；否则，不做任何处理；

D、当源节点收到Rep时，进行如下操作：

D1、记录一条到目的节点的路由，记录该条路由的端到端链路状态；

D2、源节点可能会收到多个Rep报文以建立多径路由，当节点收到第一个Rep报文即建立了第一条到目的节点的路由时，节点即可将缓存的报文取出后进行路由转发。

端到端链路状态的记录方法为：取出报文中的端到端链路状态S，查询本节点与该条路由的下一跳节点之间的链路状态值S_link，则最终记录的端到端链路状态为S_route＝S+S_link。

端到端链路状态的更新方法为：将按照上述记录方法得到的S_route写入Req或Rep的端到端链路状态字段中。

6.路由决策

如图1所示，当节点有业务需要路由时，首先找出所有可用路由。然后从三个角度对每一条路由进行打分。下一跳负载打分的方式为：对所有的N条可用路由的下一跳的负载进行升序排列，下一跳负载最小的路由得N分，次小的得N-1分，依次递减，若出现负载相同的情况，则相同负载的路由得分取该负载下排名最高的得分；端到端链路状态的打分方式与负载打分一致；下一跳可用性的打分方式与负载打分类似，区别在于可用性采用降序排列。最终将三项打分求和，得到路由的总评分，选择总评分最高的路由进行转发。若存在评分相同的情况则选择有效时间最长的路由进行转发。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，包括：

首先，二跳范围内通过周期性的Hello信息交互来维护拓扑，二跳范围外通过按需路由发现建立按需的多路由；从而找出所有可用路由；

然后，从路由质量、下一跳可用性、下一跳负载三个角度对每一条路由分别按照降序打分，并将每一条路由这三个角度的分数求和，得到各条路由的总评分；

最后，若存在总评分相同的多条路由，则选择有效时间最长的路由进行转发；否则选择总评分最高的路由进行转发。

2.根据权利要求1所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，所述建立按需的多路由的过程为：

源节点广播Req报文；

若中间节点为Req报文的目标节点，则广播一个TTL为1的Rep报文；否则根据MPR机制转发Req报文；具体的：该中间节点根据MPR选择器集合来决定是否转发Req报文；

源节点收到Rep报文，则记录一条到目的节点的路由。

3.根据权利要求2所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，所述Req报文中包括：源节点的接口地址、目节点的接口地址、一个值为0的端到端链路状态字段、一个路由管理消息公共头部、一个管理报文公共头部。

4.根据权利要求3所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，当中间节点收到Req报文时，将Req报文的路由管理消息公共头部中的消息序列号字段和消息源节点地址字段作为Req报文的唯一标识，查看该中间节点是否收到过相同标识的Req报文，若是，则再查看Req报文的目的节点地址是否为自己。

5.根据权利要求2所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，针对节点y，采用改进的MPR算法得到节点y的MPR选择器集合，具体为：

1)计算得到节点y一跳邻居集合N和二跳邻居集合N2；

2)计算集合N中所有节点的D(y)，D(y)为节点y一跳邻居的个数；

3)将集合N中唯一可到集合N2某节点的节点加入到MPR集合中，删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

4)此时若仅通过MPR集合中的节点还未能到达节点y的所有二跳邻居，则：

计算当前集合N的DA(y)，DA(y)为当前集合N中节点y对于当前集合N2的度；

计算当前集合N中每个节点的P，P＝节点可用性-本节点到该节点的链路质量；

5)选择P最大的节点，如果存在P相同的多个节点，则选择DA(y)较大的节点，若还存在DA(y)相同的多个节点，则选择D(y)较大的节点；

6)删除集合N2中通过MPR集合节点可达的节点，删除N集合中已经被选为MPR的节点；

7)返回步骤4)，直到N2集合为空，最终得到节点y的MPR选择器集合集合。

6.根据权利要求5所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，当二跳邻居集合发生变化时，或相邻节点的负载超过关键节点阈值KEYNODE_TH时，则重新计算MPR选择器集合集合。

7.根据权利要求6所述的基于网络环境的无线自组织网混合式路由协议方法，其特征在于，还包括：自适应调整Hello周期，具体的：

每个节点周期性地维护一个初始值为0的邻居关系动态性指标D，每个周期内记录自己一跳邻居表和二跳邻居表的变化；当节点新增或失去一个一跳邻居时，动态性指标增加2；当节点新增或失去一个二跳邻居时，动态性指标增加1；根据邻居关系的动态性指标，得到邻居关系的变动程度：稳定、轻微波动、剧烈变化，稳定、轻微波动、剧烈变化分别对应3种Hello广播周期T_Hello：

其中，T_base为一个基础周期，d表示轻微波动和剧烈变化这两种变动程度的阈值。

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