CN1207872C - 无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，利用特殊的报文格式在无线自组织网络中传输路由请求报文，使接收节点可以根据识别的报文片断来判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或丢失，并在发现路由请求报文丢失时立即通知相关节点重发该报文，从而保障寻径过程的可靠性和有效性，使路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。该方法对路由请求报文的识别在物理层或者数据链路层完成，正常接收的情况下不需要发送确认信息，从而最大程度地减少了对网络资源和系统资源的使用。另外，相对传统的超时重传机制而言，该方法可以更快地发现路由请求报文的丢失并重传该报文。

Description

无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法

技术领域

本发明涉及移动通信网络技术领域，特别是一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，尤其是一种在无线自组织网络中，利用一种特殊的报文格式，使主机能及时发现由于报文冲突或噪声干扰造成的路由请求报文的丢失，并迅速通知相关节点重发该报文以提高寻径可靠性和有效性的方法。

背景技术

我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的，要基于预设的网络设施才能运行。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些环境对通信有一个共同的要求，即动态的、可以快速部署的、不依赖于或很少依赖现有的有线网络的移动通信。满足这种环境的网络就是Ad hoc网络(无线自组织网络)。无线自组织网络技术是目前国际公认的第四代移动通信的代表技术。一般认为，无线自组织网络是一种无基站的无线网络，它利用无线技术在可移动的各个节点之间传送数据包，由于网络中的各个节点都可用作路由器或主机，因此各个节点都可以为其它节点传送数据并运行应用程序。Ad hoc网络技术早在20多年前就已开始研究，当时研究的重点主要放在国防项目上，诸如抗毁的、自适应的网络研究计划(SURAN)、低开销的分组无线网络研究计划(LCR)。Ad hoc网络技术在军事领域发展的同时，也引起了商用领域的极大兴趣。

无线自组织网络和有线网络存在根本性的区别，例如带宽有限、拓扑结构一直在动态变化中、节点的处理能力和存储能力都非常有限等等。因此怎样才能在移动节点之间，以及移动节点与固定的因特网之间进行快速和有效的传输路径选择就变得十分复杂。现有的无线自组织网络中的路由算法中都没有任何的可靠性保障机制。然而，因为无线自组织网络采用无线传输技术作为底层通信手段，多路访问中的报文冲突、噪声和信号干扰等多种因素都可能造成路由请求报文的毁坏和丢失。路由请求报文丢失后，可能使路由协议无法找到最优的(最短的或最稳定的)传输路径。尤其是在无线自组织网络中的QoS(服务质量)路由中，不仅需要找到一条从源节点到目的节点的路径，还要求该路径能满足端到端的QoS要求，如延迟要求和带宽要求等。所以QoS路由中最终可以满足要求的路径本就寥寥无几，如果恰恰在唯一满足QoS要求的路径上丢失了路由请求报文，可能会使QoS路由协议错误的判断没有可用的路径，使正常通信无法进行。另外，无线信道相对于有线信道具有较低的容量；并且由于多路访问、多径衰落、噪声和信号干扰等多种因素，使得移动节点的实际带宽小于理论上的最大带宽值。这要求在实现路由功能的同时不能占用太多的网络资源。如果在无线自组织网络中采用ACK(ACKNOWLEDGE，确认帧)确认机制来保障寻径可靠性，会因为大量的ACK报文浪费网络带宽。而超时重传机制又会增加源节点获得路由信息的时间。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，使丢失的路由请求报文能够被重传，从而保障寻径过程的可靠性和有效性。

本发明的另一个目的是设计一种特殊的报文格式，使路由请求报文采用这种格式进行传输时，接收节点可以根据识别的报文片断来判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或被丢失。

本发明的另一个目的是提供一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，使接收节点在发现路由请求报文丢失时，能够立即通知相关节点重发该报文，从而确保路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。

本发明的另一个目的是提供一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，使接收节点只有在发现路由请求报文丢失时才会通知上游节点重传该报文，而在正确接收时无需发送确认报文，从而最大程度地减少对网络资源和系统资源的使用。

本发明的另一个目的是提供一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，该方法中接收节点对路由请求报文的识别在物理层或者数据链路层完成，速度快，且对应用程序透明。

无线自组织网络底层协议采用IEEE 802.11无线局域网协议，其原理与我们熟悉的IEEE 802.3(以太网协议)类似，都是采用载波侦听的方式来控制网络中信息的传送。不同之处是以太网采用的是CSMA/CD(载波侦听/冲突检测)技术，而802.11无线局域网则引进了CSMA/CA(载波侦听/冲突避免)技术，从而尽可能地避免网络中冲突的发生，以提高网络效率。但是，IEEE 802.11不是基于资源预留的协议，既不像TDMA(时分多路复用)协议可以通过对时隙的预约请求来避免冲突，也没有中央管理节点对整体的数据传输进行管理和调控，所以虽然协议经过了精心设计，报文冲突还是时有发生，冲突产生后相关报文都会被丢失。对于这种情况，可以通过上层传输协议增加确认机制予以保证，对帧丢失予以检测并重新发送，以增强异步传输业务的可靠性。此外，为了进一步减少碰撞，收发节点在数据传输前可交换简短的控制帧，来完成信道占用时间确定等功能。但是，这种做法不仅降低了无线信道的利用率，使无线信道本来就很宝贵的带宽资源要被大量的确认报文和控制报文所占用，并且超时重传机制往往需要较长的时间才能发现报文丢失。如果将其应用在无线自组织网络的路由机制中必然会浪费网络资源和系统资源，并增加源节点获得路由信息的时间。

首先分析一下报文发生冲突时的情况。假设A、B、C为三个移动节点，B正在接收A发来的报文。在此过程中，如果C也向B发送报文，则两个报文内容就会重叠，使得B无法正确接收报文。受到噪声和信号干扰的情况与此类似，都是使接收节点无法把需要接收的报文内容从干扰信号中正确分离出来，甚至无法判断丢失了哪个节点发来的报文。比如在上面的例子中，如果B刚开始接收A发来的信号就受到了干扰，此时B还没有来得及识别出报文的源地址，因此无法判断是A发来的报文遭到了破坏。而如果B还没有收到A的信号的时候，C就已经开始向B发送报文，也就是说如果C发的报文比A到的还要早，当两报文重叠后，B更加无法判断是A发来的报文遭到了破坏。在这种情况下，B只有将该报文丢弃。如果A、B间有确认和超时重传机制，那么A在定时器超时后会重发该报文；否则该报文就会永久丢失。具体到无线自组织网络的路由协议，其寻径一般采用平面泛洪。即源节点将路由请求以广播方式发给所有的相邻节点，各节点收到该请求后再向自己的相邻节点转发，直到找到目的节点或超出路由范围(可以用TTL来控制寻址范围)。如果是QoS路由，每个节点收到路由请求后会先核对自己的资源是否符合该请求的QoS要求，符合的话向相邻节点转发，否则丢弃该请求报文。由于采用泛洪的方式寻径本身开销就很大，加之无线自组织网络中，节点的处理和存储能力都非常有限，而且电力不足也是很大的问题，如果采用确认和超时重传机制，将会极大的降低整个无线自组织网的效率，还会增加源节点获得路由信息的时间。因此，目前无线自组织网的路由协议在寻径时都未采用任何的可靠性保障机制。如果某个路由请求报文因发生报文冲突或受到干扰而丢失，则此方向上的寻径过程就会中断。这可能使路由协议无法找到最优的(最短的或最稳定的)传输路径。在QoS路由当中，甚至会使QoS路由协议错误地判断没有可用的路径，使正常通信无法进行。

本发明技术方案如下：

一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，在无线自组织网络中，利用一种特殊的报文格式，使主机能够及时发现由于报文冲突或噪声干扰造成的路由请求报文的丢失，并迅速通知相关节点重发该报文以提高寻径可靠性和有效性；

该方法设计一种特殊的报文格式来传输路由请求报文，通过在帧的开头和结尾处各放入一个特殊的识别标志(该识别标记可以为特殊的前导码或者特殊的信令)，使接收节点可以根据识别的报文片断来判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或丢失；

接收节点在发现路由请求报文丢失时，立即通过广播报文将此事件通知自己的相邻节点，刚刚向这个节点发送了路由请求报文的节点在收到该通知后，就会立即重发该报文，从而确保路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。

接收节点只有在发现路由请求报文丢失时才会通知上游节点重传该报文，在正常接收的情况下不需要发送确认报文，从而最大程度地减少对网络资源和系统资源的使用。

接收节点对路由请求报文的识别在物理层或者数据链路层完成，速度快，且对应用程序透明。

附图说明

图1是以特殊的报文格式封装路由请求报文的流程图；

图2是通过报文首部的信号片断识别路由请求报文的示意图；

图3是通过报文尾部的信号片断识别路由请求报文的示意图。

本发明所提出的解决方案首先定义了一种特殊的报文格式，用以封装路由请求报文。具体做法是当节点要发送路由请求报文时，由其数据链路层在帧的开头和结尾处各放入一个特殊的识别标志。也就是说，数据链路层首先根据无线链路的特性，将报文分成若干等长的小片(帧)来传送，同时根据上层的信息判断该报文是否是路由请求报文。如果是路由请求报文，则在首尾小片中置入特殊的控制信息作为识别标志，然后再向物理层提交。该识别标记可以为特殊的前导码或者特殊的信令，例如4位全1。最后，由物理层负责将该报文通过无线信道发送出去。

图1是上面所说的以特殊的报文格式封装路由请求报文的流程图。在接收端，只要看到这种特殊的标志字段，就可以确定该报文属于路由请求报文。也就是说，接收节点只需通过报文最初的信号片断或最后的信号片断，就可以识别这种报文类型。图1中，上层协议，例如IP层。数据链路层，根据无线链路的特性将报文分成若干等长的小片(ARQ机制)，并在首尾小片中置入特殊的控制信息(例如4位全1)。物理层，将报文通过无线信道发送出去。

图2是通过报文首部的信号片断识别路由请求报文的示意图。比如在前面的例子中，如果B刚开始接收A发来的信号时就受到了干扰，此时B还没有来得及识别出报文的源地址，因此无法判断是A发来的报文遭到了破坏。但是B已经收到了报文最初的特殊字符串，因而可以判断，自己正在接收的某个路由请求报文遭到了破坏。图2中，分为正确接收，根据特殊标志识别为QoS路由请求报文，多个报文信号叠加，报文丢弃。

图3是通过报文尾部的信号片断识别路由请求报文的示意图。比如在前面的例子中的另外一种情况下，如果B还没有收到A的信号的时候，C已经开始向B发送报文，也就是说如果C发的报文比A到的还要早，当两报文重叠后，B更加无法判断是A发来的报文遭到了破坏。但是B可以识别出A发来的报文的尾部的特殊字符串(如果C发送的报文先结束的话)，因而可以判断，自己正在接收的某个路由请求报文遭到了破坏。通过这种方式，当路由请求报文采用这种特殊格式进行传输时，接收节点就可以根据识别的报文片断及时地判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或被丢失。在发现路由请求报文丢失的情况下，该节点立即通过广播报文通知自己的相邻节点。那么刚才向这个节点发送了路由请求报文的节点在收到该通知后，就会立即重发该路由请求报文。相反，在节点正常接收了路由请求报文的情况下，该节点不会向上游节点发送确认信息。对于一般性报文的丢失，除非应用程序有特殊要求，节点也不会向上游节点发送重传请求。因此可以避免确认风暴，也可以最大程度地减少对网络资源和系统资源的使用。而且，采用这种方法，接收节点可以快速发现路由请求报文的丢失并立即通知相关节点重发，所以发送节点不必等到超时重传的计时器超时再重新发送该报文，从而确保了源节点能尽快地获得可用的路由信息。另外，对这种特殊报文的识别在物理层或者数据链路层完成，速度快，且对应用程序是透明的。在无线自组织网络的路由协议中增加本发明所提出的保障寻径可靠性的方法，可以使丢失的路由请求报文能够被及时发现并重传，从而保障寻径过程的可靠性和有效性，使路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。

但是，采用这种方法，接收者无法在路由请求报文的所有信号都被破坏的情况下发现该报文的丢失。比如，干扰报文先于路由请求报文到达，又比路由请求报文更晚结束，在这种情况下，用于识别路由请求报文的特殊标志字段也无法被识别出来。另外，如果接收节点要求重发报文的请求丢失，则丢失的路由请求报文也无法被恢复。但是考虑到实际应用环境，在无线自组织网络中，某条路径上发生长时间的干扰和冲突，本身就是该路径不稳定的一种表现，而且路由协议有一定的实时性要求，需要尽快找到可用的传输路径，并不强调所有可能的路径全都要找到。所以本发明所提出的方法主要考虑在不过多占用系统资源和保证一定实时性的前提下，使无线自组织网络中寻径过程的可靠性和有效性有明显的提高，以便使路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，从而做出最佳的路由选择。

我们提出的利用特殊的报文格式(在帧的开头和结尾处各放入一个特殊的标记)传输路由请求报文，在无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，使接收节点可以根据识别的报文片断来判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或丢失，并在发现路由请求报文丢失时通知相关节点重发该报文，从而保障了寻径过程的可靠性和有效性，使路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。该方法对路由请求报文的识别在物理层或者数据链路层完成，速度快，且对应用程序透明。正常接收的情况下不需要发送确认信息，从而最大程度地减少了对网络资源和系统资源的使用。另外，相对传统的超时重传机制而言，该方法可以更快地发现路由请求报文的丢失并重传该报文，从而确保源节点能尽快地获得可用的路由信息。

Claims (3)

1.一种无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，其特征在于，在无线自组织网络中，设计一种特殊的报文格式来传输路由请求报文，通过在帧的开头和结尾处各放入一个特殊的识别标志，该识别标记可以为特殊的前导码或者特殊的信令，使接收节点可以根据识别的报文片断来及时判断是否存在路由请求报文由于报文冲突或噪声干扰被毁坏或丢失，接收节点在发现路由请求报文丢失时，立即通过广播报文将此事件通知自己的相邻节点，刚刚向这个节点发送了路由请求报文的节点在收到该通知后，就会立即重发该报文，使路由协议能尽快找到尽可能多的可选路径，以便做出最佳的路由选择。

2.根据权利要求1所述的无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，其特征在于，接收节点只有在发现路由请求报文丢失时才会通知上游节点重传该报文，在正常接收的情况下不需要发送确认报文。

3.根据权利要求1所述的无线自组织网络中保障寻径可靠性的方法，其特征在于，接收节点对路由请求报文的识别在物理层或者数据链路层完p成，对应用程序透明。

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