CN114338513A - 基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法和系统，方法包括路由发现、维护以及路由使用步骤。在路由发现步骤，各个节点发现邻居节点，组建Mesh网络；在路由维护步骤，当网络中某个节点发生故障或从网络中消失时，路由协议快速收敛；以及在路由使用步骤，引入网络控制器，获取网络中所有节点状态信息，将网络动态性与业务动态信引入路由选择过程，根据不同业务类型按需路由。本发明采用软件定义路由的方式，由控制器统一分配路由，可实现根据业务类型按需路由；通过采集网络状态信息，自适应的更改节点权重，根据节点性能状况选择合适路由；本发明运行于数据链路层，通过以太网帧的方式传递路由信息，降低了数据包处理时延。

Description

基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法和系统

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法和系统。

背景技术

随着移动互联网和无线通信技术的快速发展，人们的生活方式得到了极大的改变。各种各样的网络服务改善了人们的生活体验。但是，人们的需求还在进一步多样化，需要多媒体移动通信提供更加多样的服务种类。所以，许多高速宽带通信技术不断涌现出来。作为最重要的网络组织结构之一，无线Mesh网络为用户提供的互联网接入服务，方便而又经济。

无线Mesh网络具有高速率、易组网、自愈性和自组织等优点，受到了世界上各个标准化研究组织和科研机构的关注。在实际中，无线Mesh网络也得到了广泛的应用，例如：校园、企业和其他临时场景都可以采用无线Mesh网络进行组网。但传统的无线Mesh网络常常会出现网络拥塞，不稳定和无法保障QoS等问题，将SDN技术应用于无线Mesh网络可以大大改善Mesh网络的性能。通过网络控制器获取全网视图，实现根据业务类型自适应的下发路由策略，保障业务的QOS。

相较于运行于OSI第三层的路由协议，运行于第二层的路由协议在时延与吞吐量等方面有着更好的表现。因此将运行于第二层的路由协议与软件定义网络相结合，可以大大提升Mesh网络性能。

发明内容

本发明的目的：本发明旨在将网络动态性与业务动态性相结合，共同引入路由选择过程，根据不同业务类型按需路由，实现基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策算法。

为实现以上目的，本发明提供了一种基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法，包括以下步骤：

步骤S1、路由发现步骤，各个节点发现邻居节点，组建Mesh网络；

步骤S2、路由维护步骤，当网络中某个节点发生故障或从网络中消失时，路由协议快速收敛；以及

步骤S3、路由使用步骤，引入网络控制器，获取网络中所有节点状态信息，将网络动态性与业务动态信引入路由选择过程，根据不同业务类型按需路由。

本发明的进一步改进在于，步骤S1还包括以下步骤：

步骤S1.1、每个节点组建OGM广播包，广播包的内容主要包括ttl、序列号、源节点的MAC地址、上一跳节点的MAC地址、链路传输质量等；

步骤S1.2、节点收到OGM包后更新路由表，主要更新内容主要为本地节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地节点可达的源节点链表；以及

步骤S1.3、根据收发OGM包的数量计算链路质量，链路质量分为RQ(接收链路状态)、EQ(回环链路状态)和TQ(传输链路状态)三部分。

本发明的进一步改进在于，步骤S2还包括以下步骤：当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，则所有路由将不会经过该节点，因此节点的故障不会影响网络的正常运行；同时协议也给了故障节点恢复时间，当200秒内重新收到该节点广播的数据包，将不从网络中删除该节点。

本发明的进一步改进在于，步骤S3还包括以下步骤：

步骤S3.1、控制器汇总所有节点的状态信息；

步骤S3.2、控制器汇总各个节点上传的信息，通过内存使用率、CPU利用率、网络负载信息得出所有节点的负载情况，对节点的负载情况从小到大排序，选出前30％负载较小的节点；

步骤S3.3、对于对时延要求较高的语音业务，选择走跳数最少的路径；以及

步骤S3.4、对于对吞吐量要求较高的视频业务，选择则走吞吐量较大的路径。

本发明的进一步改进在于，步骤S3.1还包括以下步骤：

步骤A3.1.1、通过Alfred服务器实现控制器与普通节点间的数据交互，控制器周期性的广播“priminary”消息来通告自己控制器的身份；

步骤A3.1.2、普通节点周期性的上传自身状态信息至控制器；在步骤A3.1.2中，每隔10s上传MAC地址、内存使用率、CPU利用率、网络负载信息至控制器。

本发明的进一步改进在于，在步骤S3.2中，根据协议中传输链路质量的公式：TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty，控制器下发策略减小跳数惩罚系数hop_penalty来增大该条链路的TQ值，以增大这些空间节点被路由的概率；对于普通的物联网数据业务或TFP等对网络状况要求不高的业务，将会在这几条空闲的链路上传输。

本发明的进一步改进在于，在步骤S3.3中，每个普通节点运行最短路径算法，得到去往其他节点的最短路径，并将获取的路径以ip的形式上传至控制器，控制器对每条路径上的节点下发策略，根据源ip、目的ip以及端口号，下发指令iptables-t nat至各个节点；当有语音业务请求，将会根据控制器下发的路径路由；以及在步骤S3.4中，每个节点通过batctl指令测量与邻居节点之间的吞吐量，将测量到的吞吐量大小上报给控制器；当环境不发生变化时吞吐量的大小稳定，测量周期为3分钟；将吞吐量作为链路权值，获得去往每个节点的最佳路径，与获得最少跳数下发的控制信息相似，由控制器下发指令至各个节点。

本发明的进一步改进在于，RQ表示收到该邻居接口的OGM包数量，本节点收到某个邻居节点发送的广播包时，首先检查报文中的序列号是否是最新的，如果是就把这个报文放入滑动窗口中，滑动窗口向前移动，最新位置为'1'，移出滑动窗口外的报文就会被丢弃；在规定的时间内，通过滑动窗口中'1'的数量来统计本时间段内收到的来自该邻居的OGM报文数量，即可对所有邻居接口的RQ值进行计算；EQ也使用滑动窗口来计算；得到EQ和RQ后即可计算得本地的TQ值，本地的TQ计算公式为：

在考虑不对称链路的影响下，本地TQ计算公式为：TQ_local＝TQ_local×(1-(1-RQ)³)。

本发明的进一步改进在于，在源节点进行消息发送时，设置TQ字段，这个字段是8位的，最大值为255；在本地节点接收到了邻居节点发送的广播包后，会计算出本地传输质量，同时会抽取出消息中的TQ字段；在重新广播时，本地节点根据本地传输质量和抽取出的TQ字段重新计算一个全局传输质量，放入重广播消息中向外传输，公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM；最后考虑跳数对链路质量的影响，每经过一跳就乘上跳数惩罚系数hop_penalty，从而获得协议TQ的计算公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty。

为了实现发明目的，本发明还提供了一种实施如前所述的基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法的系统。

本发明的有益效果如下：本发明采用软件定义路由的方式，由控制器统一分配路由，可实现根据业务类型按需路由；通过采集网络状态信息，自适应的更改节点权重，根据节点性能状况选择合适路由；本发明运行于数据链路层，通过以太网帧的方式传递路由信息，降低了数据包处理时延。

附图说明

图1是本发明提供的基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策算法实现的效果图。

图2是本发明提供的协议路由发现过程。

图3是本发明提供的协议路由维护过程。

图4是本发明提供的路由使用过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

需要强调的是，在描述本发明过程中，各种公式和约束条件分别使用前后一致的标号进行区分，但也不排除使用不同的标号标志相同的公式和/或约束条件，这样设置的目的是为了更清楚的说明本发明特征所在。

如图1所示，本发明提供了一种基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策算法。在传统的Mesh网络中加入网络控制器，通过软件定义路由的方法实现根据不同业务类型按需路由。控制器通过采集网络中所有节点的状态信息，从节点的负载情况、跳数以及吞吐量等方面，针对物联网业务、语音业务以及视频业务等采取不同的路由策略，实现了将网络动态性与业务动态性相结合，保障了业务的QOS。

本发明所述的路由算法路由发现过程如图2所示，包括如下步骤：

步骤S1、路由发现，各个节点发现邻居节点，组建Mesh网络；具体地：

步骤S1.1、每个节点组建OGM广播包，包的内容主要包括ttl、序列号、源节点的MAC地址、上一跳节点的MAC地址、链路传输质量等。OGM包有两个作用：一是源节点向其他节点通告自身的存在和可能到达它的下一跳节点，二是传递到达其他节点的路径的传输链路质量；

步骤S1.2、节点收到OGM包后更新路由表，主要更新内容主要为本地节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地节点可达的源节点链表；

步骤S1.3、根据收发OGM包的数量计算链路质量。链路质量分为RQ(接收链路状态)、EQ(回环链路状态)和TQ(传输链路状态)三部分。

RQ表示收到该邻居接口的OGM包数量。本节点收到某个邻居节点发送的广播包时，首先检查报文中的序列号是否是最新的，如果是就把这个报文放入滑动窗口中，滑动窗口向前移动，最新位置为'1'，移出滑动窗口外的报文就会被丢弃。在规定的时间内，通过滑动窗口中'1'的数量来统计本时间段内收到的来自该邻居的OGM报文数量，即可对所有邻居接口的RQ值进行计算。

EQ的计算和RQ类似，也使用滑动窗口来计算。得到EQ和RQ后即可计算得本地的TQ值，本地的TQ计算公式为：

另外还考虑了不对称链路的影响，得公式：TQ_local＝TQ_local×(1-(1-RQ)³)。

然后是一条路径的传输质量的计算。在源节点进行消息发送时，会设置TQ字段，这个字段是8位的，最大值为255。在本地节点接收到了邻居节点发送的广播包后，会计算出本地传输质量，同时会抽取出消息中的TQ字段。在重新广播时，本地节点会根据本地传输质量和抽取出的TQ字段重新计算一个全局传输质量，放入重广播消息中向外传输，公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM。最后考虑跳数对链路质量的影响，每经过一跳就乘上跳数惩罚系数hop_penalty，综上所述，协议的度量值TQ的计算公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty。

本发明所述的路由算法路由维护过程如图3所示，包括如下步骤：

步骤S2、路由维护。当网络中某个节点发生故障或从网络中消失时，路由协议有着快速收敛的能力。具体地，

步骤S2.1、从传输链路质量上考虑，当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，则所有路由将不会经过该节点，因此节点的故障不会影响网络的正常运行。同时协议也给了故障节点一定的恢复时间，当200秒内重新收到该节点广播的数据包，将不从网络中删除该节点。

本发明所述的路由使用过程如图4所示。在这个使用过程中引入网络控制器，获取网络中所有节点状态信息，将网络动态性与业务动态信引入路由选择过程，实现根据不同业务类型按需路由，保障了服务质量。具体步骤如下：

步骤A1、控制器汇总所有节点的状态信息。具体地，包括：

步骤A1.1、通过Alfred服务器实现控制器与普通节点间的数据交互，控制器周期性的广播“priminary”消息来通告自己控制器的身份；

步骤A1.2、普通节点周期性的上传自身状态信息至控制器。每隔10s上传MAC地址、内存使用率、CPU利用率、网络负载信息至控制器。

步骤A2、控制器汇总各个节点上传的信息，通过内存使用率、CPU利用率、网络负载信息得出所有节点的负载情况，对节点的负载情况从小到大排序，选出前30％负载较小的节点。具体地，包括：

步骤A2.1、控制器对获取的负载较小的几个节点下发策略。根据协议中传输链路质量的公式：TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty，控制器下发策略减小跳数惩罚系数hop_penalty来增大该条链路的TQ值，这样可以增大这些空间节点被路由的概率。对于普通的物联网数据业务或TFP等对网络状况要求不高的业务，就会在这几条空闲的链路上传输。

步骤A3、对于语音业务，其对时延要求较高，适合走跳数最少的路径。具体地，包括：

步骤A3.1、每个普通节点运行最短路径算法，得到去往其他节点的最短路径，并将获取的路径以ip的形式上传至控制器，控制器对每条路径上的节点下发策略，根据源ip、目的ip以及端口号，下发指令iptables-t nat至各个节点。当有语音业务请求，就会根据控制器下发的路径路由。

步骤A4、对于视频业务，其对吞吐量要求较高，适合走吞吐量较大的路径。具体地，包括：

步骤A4.1、每个节点通过batctl指令测量与邻居节点之间的吞吐量，将测量到的吞吐量大小上报给控制器。当环境不发生变化时吞吐量的大小比较稳定，因此测量周期稍长为3分钟。类似于最短路径算法，将吞吐量作为链路权值，获得去往每个节点的最佳路径，与获得最少跳数下发的控制信息相似，由控制器下发指令至各个节点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1、路由发现步骤，各个节点发现邻居节点，组建Mesh网络；

步骤S2、路由维护步骤，当网络中某个节点发生故障或从网络中消失时，路由协议快速收敛；以及

步骤S3、路由使用步骤，引入网络控制器，获取网络中所有节点状态信息，将网络动态性与业务动态信引入路由选择过程，根据不同业务类型按需路由。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S1还包括以下步骤：

步骤S1.1、每个节点组建OGM广播包，广播包的内容主要包括ttl、序列号、源节点的MAC地址、上一跳节点的MAC地址、链路传输质量等；

步骤S1.2、节点收到OGM包后更新路由表，主要更新内容主要为本地节点与一跳邻居之间的链路质量以及本地节点可达的源节点链表；以及

步骤S1.3、根据收发OGM包的数量计算链路质量，链路质量分为RQ(接收链路状态)、EQ(回环链路状态)和TQ(传输链路状态)三部分。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S2还包括以下步骤：当节点发生故障或离开网络，将导致其他节点与该节点之间的传输链路质量变为0，则所有路由将不会经过该节点，因此节点的故障不会影响网络的正常运行；同时协议也给了故障节点恢复时间，当200秒内重新收到该节点广播的数据包，将不从网络中删除该节点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S3还包括以下步骤：

步骤S3.1、控制器汇总所有节点的状态信息；

步骤S3.2、控制器汇总各个节点上传的信息，通过内存使用率、CPU利用率、网络负载信息得出所有节点的负载情况，对节点的负载情况从小到大排序，选出前30％负载较小的节点；

步骤S3.3、对于对时延要求较高的语音业务，选择走跳数最少的路径；以及

步骤S3.4、对于对吞吐量要求较高的视频业务，选择则走吞吐量较大的路径。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤S3.1还包括以下步骤：

步骤A3.1.1、通过Alfred服务器实现控制器与普通节点间的数据交互，控制器周期性的广播“priminary”消息来通告自己控制器的身份；

步骤A3.1.2、普通节点周期性的上传自身状态信息至控制器；其中，每隔10s上传MAC地址、内存使用率、CPU利用率、网络负载信息至控制器。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤S3.2中，根据协议中传输链路质量的公式：TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty，控制器下发策略减小跳数惩罚系数hop_penalty来增大该条链路的TQ值，以增大这些空间节点被路由的概率；对于普通的物联网数据业务或TFP等对网络状况要求不高的业务，将会在这几条空闲的链路上传输。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤S3.3中，每个普通节点运行最短路径算法，得到去往其他节点的最短路径，并将获取的路径以ip的形式上传至控制器，控制器对每条路径上的节点下发策略，根据源ip、目的ip以及端口号，下发指令iptables-t nat至各个节点；当有语音业务请求，将会根据控制器下发的路径路由；以及在步骤S3.4中，每个节点通过batctl指令测量与邻居节点之间的吞吐量，将测量到的吞吐量大小上报给控制器；当环境不发生变化时吞吐量的大小稳定，测量周期为3分钟；将吞吐量作为链路权值，获得去往每个节点的最佳路径，与获得最少跳数下发的控制信息相似，由控制器下发指令至各个节点。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：RQ表示收到该邻居接口的OGM包数量，本节点收到某个邻居节点发送的广播包时，首先检查报文中的序列号是否是最新的，如果是就把这个报文放入滑动窗口中，滑动窗口向前移动，最新位置为'1'，移出滑动窗口外的报文就会被丢弃；在规定的时间内，通过滑动窗口中'1'的数量来统计本时间段内收到的来自该邻居的OGM报文数量，即可对所有邻居接口的RQ值进行计算；EQ也使用滑动窗口来计算；得到EQ和RQ后即可计算得本地的TQ值，本地的TQ计算公式为：

在考虑不对称链路的影响下，本地TQ计算公式为：TQ_local＝TQ_local×(1-(1-RQ)³)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在源节点进行消息发送时，设置TQ字段，这个字段是8位的，最大值为255；在本地节点接收到了邻居节点发送的广播包后，会计算出本地传输质量，同时会抽取出消息中的TQ字段；在重新广播时，本地节点根据本地传输质量和抽取出的TQ字段重新计算一个全局传输质量，放入重广播消息中向外传输，公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM；最后考虑跳数对链路质量的影响，每经过一跳就乘上跳数惩罚系数hop_penalty，从而获得协议TQ的计算公式为：TQ＝TQ_local×TQ_OGM×(1-(1-RQ)³)×hop_penalty。

10.一种实施如权利要求1-9任意一项所述的基于跨层信息感知的无线多跳路由快速决策方法的系统。

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