JP2005065267A - 発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発信元アドレスと、宛先アドレスと、発信元ノードが発信元ノードから宛先ノードまでの経路情報を要求することを指示するフィールドとを含むデータパケットを発信元ノードに生成させることにより、アドホックネットワークにおいて発信元ノードから宛先ノードまでの経路が探索される。
【解決手段】そのデータパケットは、宛先ノードによって受信されるまで、ネットワークの中を転送される。それに応答して、宛先ノードは、経路情報を含む経路応答パケットを生成する。その経路情報はコストを含むことができる。経路応答パケットは、発信元ノードによって受信されるまで、ネットワークの中を転送される。転送中に、種々のコストを含む複数の経路応答パケットが生成されることができる。その後、発信元ノードはコスト計算を行い、そのコストに基づいて最良の経路を選択することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は無線ネットワークに関し、より詳細にはアドホックネットワークにおいて経路を探索することに関する。

アドホックネットワークは、従来のネットワークのように集中管理されない通信ノードの集まりである。さらに、アドホックネットワークのトポロジーは頻繁に変化する。ノードは自由自在にネットワークに出入りし、ネットワークのノードは動的なルーティングを提供する。多くの場合に、ノードは移動体（無線）であり、リソースは限られている。

アドホックネットワークのための一般的な応用形態は、軍事指令および統制、探索および救助、センサ、および災害救助、オフィス、大学キャンパス、家庭、移動体無線データネットワーク、ならびにこれらおよび他の生命あるいは治安／安全に細心の注意を要するネットワーク配備における数多くの他のミッションクリティカルなリソースによる運用を含む。

アドホックネットワーク内のノードが互いに通信できるようになる前に、最初に経路を探索する必要がある。アドホック・オンデマンド・ディスタンスベクトル（ＡＯＤＶ）プロトコルは、要求があったときにのみ、経路を決定する。Perkins等著「Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing」（Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, pp.90-100, February 1999）を参照されたい。

これは以下のようになされることができる。発信元ノードが宛先ノードに送信するためのパケットを有するが、その宛先ノードへの経路を持たないとき、発信元ノードは経路要求（ＲＲＥＱ）パケットをブロードキャストする。そのパケットは宛先および固有のＲＲＥＱブロードキャスト識別子を明記する。最終的には、宛先ノードが要求パケットを受信し、経路応答パケットで応答する。発信元ノードが応答パケットを受信した後にのみ、その通常のデータパケットが転送されることができる。

運用中に、ノードがネットワークに出入りするのに応じて、経路キャッシュが保持される必要がある。これは著しく複雑なルーティングアルゴリズムと、かなり大きな経路キャッシュとを必要とする。

従来技術のルーティングアルゴリズムのように複雑でない、ノードのためのアドホックルーティングを提供することが望ましい。

その発信元アドレスと、宛先アドレスと、発信元ノードがその発信元ノードから宛先ノードまでの経路情報を要求することを指示するフィールドとを含むデータパケットを発信元ノードに生成させることにより、アドホックネットワークにおいて発信元ノードから宛先ノードへの経路が探索される。

そのデータパケットは、宛先ノードによって受信されるまで、ネットワークの中を転送される。それに応答して、宛先ノードが、経路情報を含む経路応答パケットを生成する。

経路情報はコストを含むことができる。経路応答パケットは、発信元ノードによって受信されるまで、ネットワークの中を転送される。

転送中に、種々のコストを有する複数の経路応答パケットが生成されることができる。その後、発信元ノードはコスト計算を行い、そのコストに基づいて最良の経路を選択することができる。

ノード定義
本発明によるアドホック無線通信ネットワークは複数のノードを含む。各ノードはデータおよび制御パケットを送信および受信するための無線機を備える。

本発明では２つのタイプのノード、すなわち簡単なルーティングノード（ＲＮ−）と複雑なルーティングノード（ＲＮ＋）とが定義され、それらはその複雑さおよびルーティング機能によって区別される。ＲＮ−ノードはリソース、たとえばメモリおよび処理能力が限られた非常に簡単なデバイスである。ＲＮ−ノードは、複雑なルーティング過程を実行するためには用いられない。ＲＮ＋ノードははるかに大きなメモリおよび処理能力を有し、それゆえルーティングアルゴリズムを実行することができる。またＲＮ＋ノードは経路キャッシュを用いて、ルーティング情報を保持することもできる。

本発明のネットワーク１００は異種ノードから構成され、一様に分散されるＲＮ＋およびＲＮ−ノードを含む。それは、任意のノードが概ね等しい数の隣接するＲＮ＋およびＲＮ−ノードを有することを意味する。本発明のノードに要求されるのは、データおよびＲＲＥＰパケットを生成し、転送することだけである。本発明のノードは、従来技術のＲＲＥＱパケットを理解あるいは処理することは要求されない。本発明はＲＲＥＱパケットを用いないので、高速で、安価で、簡単で、しかも良好なアドホックネットワークを可能にする。

ここで、ルーティングに関するＲＮ−ノードの動作を説明する。ＲＮ−ノードはルーティング情報を格納しないので、ＲＮ−ノードは、記憶することを必要としない簡単な過程を用いてパケットをルーティングする。これは「ツリールーティング」として知られている方法によってなされる。

図１はネットワーク１００を示しており、ノード（Ａ〜Ｇ、ＸおよびＺ）がツリー、具体的には限定されたスパンニングとして配置されている。ノード１０１は発信元ノードであり、ノード１０２は宛先ノードである。ツリールーティングを可能にするために、ネットワーク１００内の全てのノードは、ネットワークトポロジーを限られた範囲で理解している。すなわち、ノードは、親／子関係でネットワークを定義するツリー構造１００を知っている。ノードを接続するライン１０３は、その関係を示す。ライン１０３は、潜在的な通信リンクあるいはホップを示す。複数のホップが経路を形成する。

各ノードは、別のノードが先祖であるか、子孫であるか、あるいは先祖、子孫のいずれでもないかを判定することができる。例示的なネットワーク１００では、ノードＥはノードＢの親であり、すなわち同じように、ノードＢはノードＥの子である。さらに、ノードＤは子孫ノードＸおよびＡを有し、先祖ノードＧを有する。全ての他のノードは、ノードＤの子孫でも先祖でもない。共通の親ノードを有する全てのノードは「クラスタ」と見なされ、たとえば、ノードＣＺＦ、ノードＸＡＤおよびノードＢＥＧはクラスタを形成する。

このトポロジーの場合、本発明による方法は、ツリー構造に従ってノード間でパケットをルーティングする。このルーティングの一例として、発信元ノードＸ１０１が、宛先ノードＺ１０２にデータパケットを送信する必要がある。ノードＸは、ノードＺが子孫でも先祖でもないものと判断し、そのパケットを単に、ツリーを「上って」、その親ノードＤにパケットを転送する。ノードＤも、ノードＺが子孫でも先祖でもないものと判断し、ツリーを上って、その親ノードＧにパケットを転送する。

ノードＧは従来どおりに、ツリー１００の「根」として知られていることに留意されたい。根ノードは全ての子孫ノードを知っており、それゆえコーディネータノードとしての役割を果たすことができる。

ノードＧは、ノードＺ１０２がその子孫であると判断する。それゆえ、ノードＧは、ツリーを下って、その子ノードＦにパケットを転送する。ノードＦはさらに、宛先Ｚ１０２にそのパケットを転送する。ノードＸからノードＺまでの全経路はＸ→Ｄ→Ｇ→Ｆ→Ｚである。このタイプのルーティングは「ツリールーティング」と呼ばれ、単に親／子関係によって定義されるトポロジーを基にする。

本発明のＲＮ−ノードは自らの親／子関係のみを格納する。この情報から、ＲＮ−ノードは、他のノードが先祖であるか、子孫であるかを判定することができる。このようにして、ＲＮ−ノードのみを含むネットワークが、ネットワーク内の任意の他のノードにパケットをルーティングすることができる。

この手法が抱える問題は、経路が、コストに基づいて決定されるのではなく、親／子関係に基づいてのみ決定されることである。すなわち、ここで、親あるいは子ノードを基にしてパケットを転送すること以外に、経路およびノードを改善する方法がある。

無線ネットワークを通してパケットをルーティングするために、いくつかのルーティング方法が知られている。それらの方法の大部分は、パケット伝送中に消費される「ホップ」数あるいは「エネルギー」のような簡単な測定基準に基づく。

１つのそのような技術の例はＡＯＤＶルーティングアルゴリズムである。ＡＯＤＶでは、発信元ノードＸ１０１が、経路要求（ＲＲＥＱ）パケットをブロードキャストすることにより宛先ノードＺ１０２への経路を探索することによって開始する。ＲＲＥＱパケットは、宛先ノードＺに到達するまで、ネットワークの中を転送される。宛先ノードＺは、経路応答（ＲＲＥＰ）パケットで応答する。ノードＸからノードＺまでの経路は、ＲＲＥＱおよびＲＲＥＰパケットが転送されている間に、ノードＺへ経路のためのコストおよび次のホップを格納する中間ノードによって決定される。

最適な経路を選択するためには、ノードは、経路を探索する際のコストについての情報を格納しなければならない。コストは、所与の宛先ノードのための次のホップおよびコストを保持するルーティングテーブルに格納される。このタイプのルーティング技法を用いて、ノードは所与のコスト判定基準の場合に取り得る最良の経路を決定することができる。

図１は、ノードＸからノードＺまでにいくつかの取り得る経路が存在することを示す。たとえば、ツリー経路ＸＤＧＦＺおよび経路ＸＡＢＣＺ、ＸＡＥＣＢが存在する。ＲＮ＋ノードにおいて利用することができる更なるメモリおよび処理能力を用いることにより、経路探索中に、これらのパスのうちの３つ全てが探索され、比較されることができる。

しかしながら、この技法はＲＮ−ノードでは利用することができない。このため、ネットワークにいくつかのＲＮ＋ノードが追加され、「より望ましい」経路を探索し、利用するのに役立つことができる。当然、本発明によるＲＮ−およびＲＮ＋ノードを異種ノードから構成されるネットワークでは、ＲＮ−ノードがルーティングテーブルを格納しないので、最良の経路を常に探索することができるとは限らないかもしれない。

しかしながら、本発明は、最適な経路が存在するなら、その大部分を探索する解決策を提供する。さらに本発明は、その経路を正確に組み合わせて、ノードが余分なパケット転送を実行したり、あるいはネットワークに経路探索トラフィックの負荷をかけすぎて、利用可能な帯域幅が削減されたりすることのないようにする。

経路探索のためのＲＲＥＱおよびＲＲＥＰパケットのコスト計算
ＲＲＥＱを利用するコストを意識したルーティングでは、ＲＲＥＱパケットをブロードキャストすることにより、発信元ノードが経路要求を開始する。中間ＲＮ＋ノードがＲＲＥＱパケットを受信する場合には、そのＲＮ＋ノードは、宛先のための経路エントリを持たないとき、そのパケットをブロードキャストし直す。このようにブロードキャストし直すことにより、複数のＲＲＥＱパケットが生成される。そのＲＲＥＱパケットは、そのパケットが移動する経路に応じて、種々の時間遅延を受けた後に、種々のコストが累加されて、ある未知の順序で宛先ノードに到達する。

図２に示されるように、その結果として、宛先ノードは、以前に分かっていたコストよりも低い別のコストのＲＲＥＱパケットを受信する度に、別のＲＲＥＰパケットを生成し、それを発信元ノードにユニキャストする。その全体的な影響は、経路探索が発信元ノードから宛先ノードへの複数のＲＲＥＱパケット２０１と、宛先ノードから発信元ノードへの複数のＲＲＥＰパケット２０２とを生成し、発信元ノードが複数のＲＲＥＰパケットに関するコスト計算を実行し、データパケットを送信するために用いるＲＲＥＰ経路２０３を決定しなければならないことである。したがって、費用対効果のある経路探索のために、ＲＲＥＱパケットのコスト計算とともに、ＲＲＥＰパケットのコスト計算が不可欠である。

経路探索のためのＲＲＥＰパケットのコスト計算
図３に示されるように、本発明の根底にある概念は、ＲＲＥＰパケット３０２を受信した後にのみコスト計算を実行することである。すなわち、発信元ノードのみが、計算を実行し、最良の経路を決定することに関与する。

この結果、性能を劣化させることなく、ＲＲＥＱおよびＲＲＥＰ両方のパケットのコストを計算することと比較して、ネットワークトラフィックが下げられるものと考えられる。本発明は、経路探索中のＲＲＥＱパケットの必要性を完全に排除するために、既存のツリー構造も利用する。

従来技術の場合のように、ＲＲＥＱパケットで経路を探索し始める代わりに、本発明の発信元ノード１０１は、たとえば上記のように、発信元ノードがネットワークトポロジーに関して有するあらゆる知識を用いて、データパケット３０１を宛先ノード１０２に直に送信する。中間ＲＮ−ノードは同じようにしてデータパケットを転送する。中間ＲＮ＋ノードは、更なるルーティング情報を用いて、データパケットを宛先ノードに転送することができるか、あるいは中間ＲＮ＋ノードはツリー構造を利用することができる。

データパケットを受信すると、宛先ノードはＲＲＥＰパケット３０２を生成する。ＲＮ＋ノードは発信元ノード１０１に向けてＲＲＥＰパケットを転送し、それゆえ、宛先ノードから発信元ノードへの複数のＲＲＥＰパスが生成される。ＲＲＥＰパケットが到着すると、発信元ノードは、ＲＲＥＰパケット３０２によって特定された各経路のコストに基づいて、最良の経路３０３を選択する。後続のデータパケットは、その選択された経路に従う。

本発明の経路探索方法は、既知の従来技術の方法よりもはるかにネットワークトラフィックを低減する。

本発明の経路探索方法は、データパケットを最初に転送するためにツリー構造を利用し、その後、存在するなら、より良好なパスを選択する。本発明の方法はＲＲＥＱパケットを必要とせず、それゆえ、必要とされるパケットが少ないという点で、従来のＡＯＤＶ方法よりも簡単である。

パケット構造
図４はデータパケット４００を示し、図５はＲＲＥＰパケット５００を示す。これら２つのパケット内のフィールドおよびビットの大部分の構造は従来どおりであるが、以下にさらに詳細に説明されるフィールドおよびビットが異なる。上の行はビットあるいはバイト数を示しており、下の行はビットおよびバイトの機能を示す。

最初に、発信元ノードは、ツリー経路に沿って、データパケット４００を宛先ノードに送信する。第１のデータパケットは、「ＲＲＥＰ要求フラグ」フィールド４０１が１に設定される。このフィールドによって、データパケットが実質的には経路要求パケットとしての役割を果たすようになる。「次ホップアドレス」４０２が、転送ノードによって挿入される。

ＲＲＥＰ要求フラグが「オン」であるデータパケットを受信すると、宛先はＲＲＥＰパケット５００を生成する。宛先ノードがＲＮ−ノードである場合には、ＲＲＥＰパケットは、ツリー経路に沿ってユニキャストされ、発信元ノードに戻される。ＲＮ−宛先ノードは「ブロードキャストフラグ」ビット５０１を０に設定し、自らのアドレスを「転送ノードのアドレス」フィールド５０２に入れる。宛先ノードは、「宛先アドレス」フィールド５０３を発信元ノードのアドレスに設定し、「発信元アドレス」フィールド５０４をデータパケットの発信元ノードのアドレスに設定する。宛先アドレスおよび発信元アドレスフィールドは、ＲＲＥＰパケットが発信元ノードに転送される際に変化しない。「累加されるコスト」５０５は、パケットが転送される際に更新される。

パケット処理
ノードのタイプＲＮ＋あるいはＲＮ−に応じて、ＲＲＥＰパケットの処理はわずかに異なる。本発明は、ＲＮ＋およびＲＮ−両方のノードが、ルーティングツリーを用いてパケットをルーティングすることも想定する。

以下のルールは、ノードがＲＲＥＰパケットを如何に転送するかを記載する。ＲＮ−ノードは常に、あるノードから受信されたＲＲＥＰパケットを別のクラスタに入れる。すなわち、受信ノードは、送信ノードの中間の先祖あるいは子孫である。

ＲＲＥＰパケットが、ＲＲＥＰ ＩＤ５０６および宛先アドレス５０３に基づいて、低い累加コストを有する限り、ＲＮ＋は常にＲＲＥＰパケットをブロードキャストする。

このルールに従うことにより、ＲＲＥＰパケットは、いくつかの経路を横切って、宛先ノードから発信元ノードに戻されることができる。ＲＲＥＰパケットがネットワークを横切る際に、ＲＲＥＰパケットを転送するＲＮ＋ノードによってルーティングテーブルが確立される。ＲＮ＋は、ある特定の宛先ノードから、ある特定のＲＲＥＰ ＩＤを有するＲＲＥＰパケットを転送する度に、最もコストが低い経路を利用する。発信元ノードは複数のＲＲＥＰパケットを受信することができる。発信元ノードがＲＮ＋ノードである場合には、発信元ノードはそのルーティングテーブルを更新する。

図６は、データパケットを受信する（６０１）際に従う過程を示す。そのノードが、自分が宛先ノードであるか否かを判定する（６０２）。ＲＲＥＰフラグ４０１がオンであるか否かを判定する（６０３）。オンである場合には、そのノードがＲＮ＋ノードであるか否かを判定する（６０４）。ＲＮ＋ノードである場合には、ＲＲＥＰパケットをブロードキャストし（６０５）、そのデータを処理する。

一方、ＲＮ＋ノードでない場合には、ＲＲＥＰパケットを親ノードにユニキャストし（６０７）、そのデータパケットを処理する（６０８）。

そのノードが宛先ノードでない場合には、そのノードがＲＮ＋ノードであるか否かを判定する（６１０）。ＲＮ＋ノードである場合には、その宛先ノードが子孫ノードであるか否かを判定する（６１１）。子孫ノードでない場合には、ルーティングテーブル内にエントリが存在するか否かを判定する（６１２）。存在する場合には、そのデータパケットをユニキャストする（６１３）。

宛先ノードが子孫ノードである場合には、そのデータパケットを子ノード（複数可）にユニキャストする（６２０）。

受信ノードが宛先ノードでもＲＮ＋ノードでもない場合には、宛先ノードが子孫ノードであるか否かを判定する（６３０）。子孫ノードである場合には、そのデータパケットを子ノード（複数可）にユニキャストする（６２０）。

一方、子孫ノードでない場合には、そのデータパケットが子ノードからのものであるか否かを判定する（６４０）。子ノードからのものである場合には、データパケットを親ノードにユニキャストする（６４１）。そうでない場合には、そのデータパケットを破棄する（６５０）。

図７は、ＲＲＥＰパケットの受信（７０１）時に従う過程を示す。そのノードは、自らがＲＮ−ノードであるか否かを判定する（７０２）。ＲＮ−ノードである場合には、そのノードが発信元ノードであるか否かを判定する（７０３）。発信元ノードである場合には、そのパケットを破棄する（７０４）。

一方、そのノードがＲＮ−ノードでない場合には、そのノードが発信元ノードであるか否かを判定する（７１０）。発信元ノードである場合には、そのコストが低いなら、その経路を記録し（７１１）、そうでない場合には、そのＲＲＥＰパケットを破棄する（７０４）。

一方、そのノードが発信元ノードでない場合には、コストが下がっているか否かを判定する。コストが下がっていない場合には、そのＲＲＥＰパケットを破棄する（７０４）。一方、コストが下がっている場合には、宛先への経路を記録し、ＲＲＥＰパケットをブロードキャストする。

そのノードがＲＮ−ノードでも発信元ノードでもない場合には、そのパケットが親ノードからのものであるか否かを判定する（７３０）。親ノードからのものである場合には、発信元ノードが子孫ノードであるか否かを判定し（７３１）、そうでない場合には、そのパケットを破棄する（７０４）。子孫ノードである場合には、そのＲＲＥＰパケットを子ノードにユニキャストする（７３２）。

ＲＲＥＰが親ノードからのものでない場合には、そのパケットが子ノードからのものであるか否かを判定し（７４０）、そうでない場合には、そのパケットを破棄する（７０４）。子ノードからのものである場合には、宛先ノードが子孫ノードであるか否かを判定し（７５０）、そうでない場合には、そのパケットを破棄する（７０４）。子孫ノードである場合には、そのツリー内でＲＲＥＰパケットをユニキャストする（７６０）。

本発明は好ましい実施形態によって例示されてきたが、本発明の精神および範囲内で、他の種々の改変および変更がなされることができることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入るような、全てのそのような変形および変更を網羅することである。

本発明によるアドホックネットワークの図である。 従来技術の経路探索のブロック図である。 本発明による経路探索のブロック図である。 本発明によるデータパケットのブロック図である。 本発明による経路応答パケットのブロック図である。 本発明によるデータパケットを処理するための過程の流れ図である。 本発明による経路応答パケットを処理するための過程の流れ図である。

Claims (7)

1. 複数のノードを含むネットワークにおいて、発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法であって、
   前記発信元ノードにおいて、発信元アドレス、宛先アドレス、及び前記発信元ノードから前記宛先ノードまでの経路情報を前記発信元ノードが要求することを指示するフィールドを含むデータパケットを生成すること、
   前記データパケットが前記宛先ノードによって受信されるまで、前記ネットワークの中で前記データパケットを転送すること、
   前記宛先ノードにおいて、前記経路に関する前記経路情報を含む経路応答パケットを生成すること、並びに
   前記経路応答パケットが前記発信元ノードによって受信されるまで、前記ネットワークの中で前記経路応答パケットを転送すること
   を含む、発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
2. 前記発信元ノードにおいて、前記発信元アドレス、前記宛先アドレス、前記発信元ノードが前記経路情報を有することを指示するフィールド、及び前記経路情報をそれぞれが含む複数の後続のデータパケットを生成すること、並びに
   前記後続のデータパケットが前記宛先ノードによって受信されるまで、前記経路情報に従って前記ネットワークの中で前記後続のデータパケットを転送すること
   をさらに含む請求項１記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
3. 前記複数のノードはツリー状の構造に配置され、
   前記ツリー構造に従って前記データパケット及び前記経路応答パケットを転送するように構成されるＲＮ−ノードと、
   経路キャッシュに格納される経路データに従って前記データパケット及び前記経路応答パケットを転送するように構成されるＲＮ＋ノードと
   をさらに含む請求項１記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
4. 前記ネットワークは、前記ネットワークに自由自在に出入りする複数のノードを有するアドホックネットワークである
   請求項１記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
5. 前記経路情報は前記経路のコストを含む
   請求項１記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
6. 前記発信元ノードのみが前記コストに基づいて最良の経路を決定する
   請求項５記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。
7. 前記経路応答パケットを転送する間に、複数の経路応答パケットが生成され、前記複数の経路応答パケットはそれぞれ特定のコストを含み、
   前記発信元ノードにおいてのみ、前記特定のコストに基づいて最良の経路を決定すること
   をさらに含む請求項１記載の発信元ノードから宛先ノードまでの経路を探索する方法。

Images