CN114598638B - 应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法。本发明的优势在于提出一种多路径路由建立方法，在一次路由建立过程中，网络中各节点同时以源路由和逐跳路由两种形式，保存两条不同的路径，用于数据传输。数据以源路由传输过程中，出现路由中断情况时，则发现路由中断的节点按照之前建立的逐跳路由，将数据重新发送给目的节点，不必重新开始路由建立过程，缩短数据传输时延，提高网络传输效率。

Description

应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法

技术领域

本发明涉及水声网络传输领域，具体涉及一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法。

背景技术

对海洋环境的持续探索需要水下传感器网络来支持，水声通信目前是能够在水下进行长距离通信的主要通信方式。对等式多跳拓扑结构网络是指只在临近节点间可以通信，源节点到目的节点的通信靠中间节点的中继跳转来完成，网络的作用距离取决于节点数量，不受限于单个调制解调器的作用距离，具有网络覆盖面积大，且单个节点的功耗低等优点。该网络适用于水下远距离传输。但水下环境的多变性使得水声网络间数据传输面临严峻挑战。所以需要设计适应水下环境的数据传输方法，以提升水声传感器网络信息获取效率。

按需路由是一种常见的水下路由，适用于动态变化的网络。它是在有数据需要传输的情况下才开始寻找路径，这样可以降低控制流量和路由开销。但是当网络出现中断情况时，网络需向源节点反馈路由中断信息，源节点需要重新开始建立路由过程，这段过程的网络时延较大，特别是在水下环境，网络时延会更大，这将影响网络内数据传输效率。

申请日为2016年12月5日，申请公布日为2017年5月31日的CN106789621A的中国专利发明申请 “无线多跳网络中基于服务质量和定向广播的冗余路由方法”（申请人：东莞理工学院），该专利申请文献涉及了无线多跳网络中从源节点到目的节点建立主路由和备份路由的方法，是基于每个节点的坐标位置和相关节点的信噪比实现的，其中信噪比需要实时计算，该方法对于复杂的水下通信环境和长的水下通信时延，是无法适用的。

本发明针对如何提高水声网络信息传输效率的问题，提出了一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，可缩短网络传输时延，提高信息传输效率。本发明的目的是这样实现的。

网络内一个节点需向另一节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送；如果不存在，则启动多路径混合路由建立方法，建立通往目的节点的路由。在一次路由建立过程中，网络中各节点同时建立两条路由，一条为源路由，一条为逐跳路由。路由建立成功后，数据按照源路由的路径发送；如果后续数据传输过程中，路由出现中断，则发现路由中断的节点将选择先前建立好的逐跳路由，将数据重新发送到目的节点。

进一步的，为了改善时延，所述多路径混合路由建立方法，通过数据发送节点发起路由请求包RREQ，各中间节点接收、解析并再生路由请求包RREQ，持续以数据发送节点为中心向周边扩散，以最快的速度寻找到目的节点。每次再生的路由请求包RREQ都携带有从数据发送节点到再生节点的路由信息，当目的节点接收到路由请求包RREQ后，该RREQ中携带的路由即为用时最少的路由，即源路由。

进一步的，为了提高通信效率，减少路由建立时间，当中间节点已经具备有到目的节点的路由时，则直接采用接收到路由请求包RREQ的路由加上已有到目的节点的路由作为源路由。

进一步的，所述的多路径-路由应答包D_RREP除了包含源节点、目的节点、包序列号等信息外，还包含两个结构，分别为路由缓存和路由记录。其中路由缓存用于记录最快到达的RREQ包传输到目的节点过程中记录的源路由，在D_RREP转发过程中不会变化；路由记录用于记录D_RREP转发过程中产生的逐跳路由，包含转发节点和转发次数。

进一步的，为提高通信效率，减少时延，采取改进型路由更新方法。通过该方法，可以为源路由寻找到最优的防中断路由，即逐跳路由。当某个中间路由出现故障而中断时，发现路由中断的节点将直接选择逐跳路由进行数据传输，而不需要通知数据发送节点重新传输数据，从而大大减少因路由故障而额外产生的时延。并且，上述改进型路由更新方法让逐跳路由不断得到优化，最终达到最好的效果。

进一步的，为了网络的健壮性和可靠性，当源路由中断，并且逐跳路由也失效后，发现路由中断的节点将向数据发送节点反馈路由错误包RRER，数据发送节点在收到路由错误包RRER后将会启动路由重建过程。

本发明的效益主要体现在：

本发明提出的一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，在一次路由建立过程中，网络中各节点同时以源路由和逐跳路由两种形式，保存两条不同的路径，用于数据传输。通过本方法建立好的源路由，时延最短，在正常情况下，数据能够以最短时延沿源路由传输，从而缩短数据传输时延，提高网络传输效率；同时，在源路由传输过程中，出现路由中断情况时，则发现路由中断的节点按照之前建立的逐跳路由，将数据重新发送给目的节点，不必重新开始路由建立过程，从而缩短数据传输时延，提高网络传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1多路径混合路由建立方法工作流程示意图；

图2为实施例2改进型路由更新方法工作流程示意图；

图3为实施例3多路径-路由应答包结构示意图；

图4为实施例4测试网络示意图；

图5为实施例4源节点发送路由请求示意图；

图6为实施例4中间节点转发路由请求示意图；

图7为实施例4转发路由请求的中间节点统计示意图；

图8为实施例4网络节点建立的源路由；

图9为实施例4网络节点建立的逐跳路由。

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，下面将结合附图对本发明实施方式做进一步的详细描述。

以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

<实施例1>

当网络中某一节点要发送数据时，首先检查自身路由表，如果有到达目的节点的路由，则直接按照已有路由发送数据。如果没有到达目的节点的路由，则向全网络广播发送路由请求包RREQ。为最快的获取到达目的节点的有效路由，网络中各节点将采用多路径混合路由建立方法，帮助快速建立数据发送节点到目的节点的路由。结合附图1，该方法的具体步骤如下：

步骤101：网络中节点X处于侦听状态，监测是否有物理层数据包到达；

步骤102：节点X检查控制数据包类型，如果是路由请求包RREQ，则下一步；如果为多路径-路由应答包D_RREP，则转到步骤121；

步骤103：节点X检查自身是否为第一次收到RREQ，如果是，则下一步；如果不是，则回到步骤101；

步骤104：更新路由信息；

步骤105：检查自身是否为RREQ包的数据目的节点，如果不是，则下一步；如果是，则转到步骤108；

步骤106：检查自身是否有到数据目的节点的路由，如果没有，则下一步；如果具有，则转到步骤108；

步骤107：节点把自身节点号更新到RREQ中的路由记录中，并将RREQ的跳数信息加1，然后广播发送出去，回到步骤101；

步骤108：节点X根据路由请求里保存的转发节点信息，生成数据发送节点到数据目的节点的源路由，放入D_RREP中的路由缓存中，生成D_RREP后，将D_RREP广播发送出去，然后回到步骤101；

步骤121：节点X判断自己是否属于源路由中的节点，如果是，则下一步；如果不是，转到步骤124；

步骤122：节点X判断本节点源路由与接收到的源路由是否不同，如果是，则下一步；如果不是，转到步骤124；

步骤123：节点X更新源路由；

步骤124：节点X根据改进型路由更新方法，建立或更新逐跳路由；

步骤125：节点X判断自身是否为数据发送节点，如果不是，则下一步；如果是，转到步骤128；

步骤126：节点X 判断自身源路由或逐跳路由是否有更新，如果有更新，则下一步；如果没有更新，转到步骤101；

步骤127：节点X生成D_RREP，并广播发送，再回到步骤101；

步骤128：数据发送节点开始沿源路由向目的节点发送数据，回到步骤101。

显而易见，通过以上方法，数据发送节点和数据目的节点的路由将以最快的时间建立；在后续的正常通信过程中，该路由也是耗时最短，效率最高的。

<实施例2>

水声网络较陆地通信，其环境更加复杂，路由出现中断的可能性更高。为了提高系统的健壮性，提高系统效率，通过本发明的改进型路由更新方法，在节点具备源路由的情况下，为节点准备最优的冗余路由，具体步骤如下：

步骤201：节点X解析出接收到的D_RREP的信息，包括源节点Y、数据发送节点、数据目的节点、转发节点Z和跳数N；

步骤202：节点X判断自身是否在源路由中，如果在，则进入下一步；如果不在，转到步骤204；

步骤203：如果源节点Y属于源路由中的节点，则转到步骤207，否则进入下一步；

步骤204：节点X的逐跳路由如果为空，则转到S206，否则进入下一步；

步骤205：将本节点路由记录中的跳数，与跳数N加1后进行对比，如果自身保存的跳数小于等于N+1，则转到步骤207；否则进入下一步；

步骤206：更新本节点的逐跳路由，转发节点更新为Y，跳数更新为N+1；

步骤207：进入下一进程。

通过以上步骤的实施，中间节点将会寻找到一条最佳的替代转发节点，从而完成当源路由中断时，选择替代转发节点继续完成数据传输，提高了网络的效率，使网络更加健壮和可靠。

<实施例3>

为了进一步说明本发明的技术方案和优点，图3显示的是本发明中一种多路径-路由应答包D_RREP的包结构。D_RREP的包结构除了包含源节点、目的节点、包序列号外，还包含两个结构，分别为路由缓存和路由记录；其中路由缓存用于记录源路由，在多路径-路由应答包D_RREP转发过程中不会变化；路由记录用于记录D_RREP转发过程中产生的逐跳路由，包括转发节点和跳数。

在路由正常时，数据将沿着源路由传输；当源路由中某个节点中断时，发现路由中断的节点将选择上述逐跳路由中的转发节点继续进行传输，而不需要反馈给数据发送节点，再由数据发送节点重新选择路由进行传输，从而减少时延，提高了网络效率。

<实施例4>

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，通过网络仿真做出进一步的说明。具体如下：

仿真设计的网络拓扑结果如图4所示，为由9个固定节点和一个移动节点组成的多等式多跳网络。图中#91节点需往#39节点发送数据，但#91节点没有到#39节点的路由，其通过本发明所提的多路径混合路由建立方法建立通往#39节点的路由，按照图1和图2的方法流程，#91节点首先发送路由请求RREQ（如图5所示），建立去往#39节点的路由。如图6所示，网络其他节点（#35节点）转发RREQ。图7为监测到的网络状态信息，从中可以统计RREQ信号的转发情况，从图中可以看出#35、#36、#33、#34、#38、#31、#32、#37依次转发RREQ。

#39节点收到RREQ，提取其中的路由信息（#91-#36-#38-#39），将该路由信息放入D_RREP中，D_RREP中路由记录的跳数设为0，并将D_RREP以广播的形式发送出去。按照RREQ的转发次序推算可得，#37、#38、#36、#35依次会接收到D_RREP，之后D_RREP被#91节点接收，如图8和图9所示，各节点接收到D_RREP后，根据自身所处位置更新自身保存的源路由和/或逐跳路由，图8为91#节点源路由更新结果，图9为各节点逐跳路由更新结果。

路由建立成功后，#91节点将数据打包，按照源路由（#91-#36-#38-#39）的方式发送。如果后续数据传输过程中，发现该路径出现路由中断情况，则发现路由中断的节点按照之前建立的逐跳路由，将数据重新发送给目的节点。例如，如果#36节点按照源路由转发#91节点的数据时，发现#36和#38之间的链路中断，即#36无法将数据发送给#38节点，此时#36节点无需向#91节点反馈路由中断信息，其直接查询自身到目的节点的逐跳路由（如图9所示），#36节点发现自身存在到达目的节点的逐跳路由，且下一跳节点为#37。#36节点将数据直接发送给#37节点，#37节点收到数据后查询自身的逐跳路由，将数据转发给#39目的节点。

在出现链路中断的情况下，按照本发明方法，网络在不重新发起路由建立过程的情况下，仍能将数据传输到目的节点，缩短数据传输时延，提高网络传输效率。

以上为本发明的部分实施例，尽管本发明的内容已经通过上述部分实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，其特征在于，网络内一个数据发送节点向一个数据目的节点发送数据时，首先检查自身是否存在到达数据目的节点的路由，如果存在，则直接将数据打包发送；如果不存在，则启动多路径混合路由建立方法，建立通往数据目的节点的路由；在路由建立过程中，网络中各节点，会同时建立两条路由，一条为源路由，一条为逐跳路由；路由建立成功后，数据发送节点将数据打包，按照建立好的源路由发送；如果后续数据传输过程中，出现路由中断情况，则发现路由中断的节点将按照之前建立的逐跳路由，将数据重新发送给数据目的节点，

所述的多路径混合路由建立方法具体包含如下步骤：

数据发送节点广播发送路由请求包RREQ，将本身节点加入路由表，路由跳数置零；

位于数据发送节点和数据目的节点之间的中间节点在首次接收到路由请求包RREQ后，将本身节点添加入路由表，路由跳数加1；并检查是否有到数据目的节点的路由，如果有到数据目的节点的路由，则生成源路由，生成多路径-路由应答包D_RREP并广播发送；如果没有到数据目的节点的路由则更新路由请求包RREQ并广播发送；

当数据目的节点接收到上述路由请求包RREQ后，依据路由请求包RREQ所携带的路由信息生成源路由，再生成多路径-路由应答包D_RREP并广播发送；

网络中的节点接收到上述多路径-路由应答包D_RREP后，属于源路由的节点将自身源路由与多路径-路由应答包D_RREP的源路由进行比较，如果不同则更新本节点源路由；

中间节点和数据发送节点通过改进型路由更新方法生成逐跳路由；如果中间节点的源路由或逐跳路由发生更新，则生成多路径-路由应答包D_RREP并广播发送；数据发送节点则开始依照源路由向目的节点传送数据。

2.根据权利要求1所述的应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，其特征在于，所述的多路径-路由应答包D_RREP除了包含源节点、目的节点、包序列号外，还包含两个结构，分别为路由缓存和路由记录；其中路由缓存用于记录源路由，在多路径-路由应答包D_RREP转发过程中不会变化；路由记录用于记录D_RREP转发过程中产生的逐跳路由，包括转发节点和跳数。

3.根据权利要求2所述的应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，其特征在于，上述的改进型路由更新方法具体包含如下步骤：

中间节点接收到多路径路由应答包D_RREP后，解析出源节点，数据发送节点，数据目的节点，路由记录中的逐跳路由；

中间节点发现自身属于源路由中的节点且解析出的源节点属于源路由中的节点，则本节点存储的逐跳路由不做变化；

中间节点发现自身属于源路由中的节点且解析出的源节点不属于源路由中的节点，或者中间节点发现自身不属于源路由中的节点时：如果本节点存储的逐跳路由为空，则将本节点逐跳路由的转发节点设为源节点，跳数为D_RREP包中跳数加1：如果本节点存储的逐跳路由不为空，则将本节点逐跳路由中的跳数与D_RREP包中逐跳路由的跳数进行比较，如果本节点逐跳路由中的跳数减1后小于或等于D_RREP包中逐跳路由的跳数，则不做变化，否则将本节点逐跳路由的转发节点设为源节点，跳数为D_RREP包中逐跳路由的跳数加1。

4.根据权利要求1或2所述的应用于对等式水声多跳网络的多路径混合路由建立方法，其特征在于：当发现路由中断的节点的逐跳路由失效时，由发现路由中断的节点向数据发送节点反馈数据中断错误RRER信息；数据发送节点收到数据中断错误RRER信息后将启动路由重建。

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