TWI398126B - 一種支援快速網路拓樸變化低協定開銷的路由方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於並主張2008年10月17日由申請人強剛、張楊、陳全、蘭小明、及李鵬所申請，標題為「以支援快速網路拓樸變化低協議開銷的路由方法與裝置」之美國暫准專利案第61/106,272號。
本發明涉及的是一種通訊方法，具體地說，是一種支援快速網路拓撲變化低協定開銷的路由方法，屬於通訊技術領域。
隨著通訊技術的發展和移動終端性能的提高，多跳網路的應用越來越廣泛。多跳網路中，用戶終端的移動性具有很大的隨機性，它們可以隨時移動，也可以隨時開機和關機。再加上無線發射裝置發送功率的變化、無線通道間的相互干擾以及地形等因素的影響，網路的拓撲結構可能隨時發生變化，而且這種變化無法預先知曉。網路拓撲動態變化頻繁。節點的移動使得網路拓撲不斷變化，對於頻繁的網路拓撲變化，傳統的固定網路路由協定很難及時地、準確地、反映網路的拓撲結構，而且為了維護網路拓撲所使用的控制資訊不斷地分發到網路中去，要佔用大量的無線帶寬。
網路中，大部分路由協定是基於DBF(Distributed Bellman Ford)和LS(Link State)設計的。由於DBF具有分散式的特點，因此使用上較為簡單且計算效率較高，這是它的優勢。但其路由收斂較慢，而且有形成環形路由的可能，因此不適用於拓撲變化高的網路。雖然有些方案已解決了環形路由問題，但到目前為止還沒有較好的方案能解決DBF收斂較慢這一問題。
正是由於DBF的這些問題，人們才找到一種全新的方案LS。在LS路由協議中，每個節點都維護著一個全局拓撲結構表，因而很容易避免環形路由。而且鏈路的任何變化都會立即觸發鏈路更新，這樣收斂到新的拓撲結構所需要的時間遠遠小於DBF。但是LS依靠廣播去分發路由更新信息，可能會帶來過多的帶寬開銷，特別是在鏈路變化頻繁的網路中，大量的更新信息會佔用相當多的寶貴帶寬，增加協議的開銷。
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種有效的解決方法及裝置，其利用協定信息(例如信標)的通訊，而達成及時的適應網路拓撲的變化，以及具有較低的路由協議開銷的優勢。
本發明實施例提供一種支援快速網路拓撲變化的通訊方法，此方法包含：以一第一廣播週期，發送一第一協定信息，此第一協定信息係用以建立一節點與一目的節點間的一路由資訊；以及以一第二廣播週期，發送一第二協定信息，此第二協
定信息用以建立節點與一鄰居節點間的一鏈路資訊，其中第一廣播週期不同於第二廣播週期，以及其中第一協定信息包含複數個資訊區段，而第一廣播週期根據複數個資訊區段內的一對應細節信息作調整，進而減少第一協定信息的一發送量。
本發明實施例亦提供一種支援快速網路拓撲變化的通訊裝置，本裝置通過以下方法發送通訊協定信息：以一第一廣播週期，發送一第一協定信息，此第一協定信息係用以建立一節點與一目的節點間的一路由資訊；以及以一第二廣播週期，發送一第二協定信息，此第二協定信息用以建立節點與一鄰居節點間的一鏈路資訊，其中第一廣播週期不同於第二廣播週期，以及其中第一協定信息包含複數個資訊區段，而第一廣播週期根據複數個資訊區段內的一對應細節信息作調整，進而減少第一協定信息的一發送量。
本發明之一面向，係根據各種協定信息，如梯度路由信標(即HT Beacon)與鄰居節點信標(即NBR Beacon)內所包含的細節信息，動態地調整其發送週期，進而達到及時適應網路拓撲變化與降低路由協定開銷的優勢。
本發明可以梯度路由的方式實施，如圖1所示，梯度路由(Height Routing)也稱為純目的性路由，其基本的出發點是放棄在無線網路中尋找最優路由的思想，而建立動態變化的指向
目標點的梯度，如同以源點作為山頂的泉眼，以目標點為山底的水潭，資料通過山頂到山底的勢(Height)流下來。
參照圖1，其繪示本發明所適用的梯度路由的圖式。根據本發明，在一無線網路(如無線網路100)中，一來源節點(如來源節點102)可能想傳送資料到一目的節點(如目的節點104)。如圖1所示，來源節點102與目的節點104之間可能有許多網路資料流或路徑，如路徑106、108、及110。
在梯度路由的概念中，具體的流水路徑並不一定是山頂到山底的最短路徑，其重點在於保持水向下流的趨勢。當水流處在高勢的水準時，並不需要山底勢的變化而影響其路徑，因為流動的過程仍使水流在流向山底。換句話說，建立梯度的過程並不是建立路由，而是為路由提供方向。
根據本發明，來源節點102無需找出與目的節點104間最短的路徑，如路徑106。來源節點102可建立對應其節點到目的地之距離的一個梯度，使資料可以持續傳輸到目的地。在本發明之一實施例中，梯度可根據節點相對於目的地的位置而持續改變，但永遠是朝向特定目的地，例如目的節點104。
換句話說，在無線網路100中，當要傳輸到目的節點104的資料在相對較高的位置，即距離來源節點102較近處，目的節點104附近的拓撲改變不會影響目前資料所在位置的資料流，只要資料持續朝目的節點104的方向作傳輸即可。因此，根據
本發明，建立梯度的目的不是在於建立路由，而是為路由提供方向，使資料持續不斷地向目的地作傳輸，已如上述。
然而，為了在不同的勢之間進行選擇，首先要保持對不同的勢作記錄，即為梯度表(Height Table)，而被選擇出來用於資料傳輸的梯度就成為了路由表(Route Table)。
根據梯度原則，在網路中資料的收發採用本地路由表。本地(即到達目標點一跳)直接通過鄰居節點(NBR)之間的鏈路(Link)，進行資料的發送，與梯度並無關聯。因此，為了實現本地路由，鄰居節點間要採用快速檢測，及時發現鄰居節點之間鏈路的變換情況。非本地目標通過梯度進行發送，則無需快速更新路由資訊。
具體來講，根據本發明，發送資料首先查詢鄰居路由表(Neighbor Routing Table)，以直接利用本地路由發送，如果沒有相應的目的地，則根據路由表(Route Table)中的路由進行資料發送。
圖2顯示了系統中鄰居節點和梯度路由(Height)的關係。鄰居表(Neighbor Table)包含了所有的鄰居節點資訊，其中有一部分成為鄰居路由表(Neighbor Routing Table)。
依照本發明的基本原則，一是，傳播週期短的廣播包要小，再者，信息量大的定期廣播包要少發，三是，迅速改變的資訊不要傳播的太遠。一般而言，在一個節點裡需要保存兩種資訊，一種是節點到鄰居節點的鏈路狀況資訊，一種是節點到目的節
點的路由資訊。節點到目的節點的路由資訊，建立在節點到鄰居節點的鏈路狀況資訊的基礎上。當目的節點的數目變大時，節點到目的節點的路由信息量也會隨之增大，但是節點到鄰居節點的鏈路狀況信息量，不會因為目的節點的數目變大而有太大的變化。因此，根據本發明，鄰居節點變化快，所以信息量要小，廣播週期也要短，而路由資訊，信息量大，定期廣播要少發。
本發明是利用協定信息(如信標)的通訊，而達成及時適應網路拓撲變化與降低路由協定開銷的優勢。具體而言，本發明根據各種協定信息，如梯度路由信標(即HT Beacon)與鄰居節點信標(即NBR Beacon)內所包含的細節信息，動態地調整其發送週期，進而達到及時適應網路拓撲變化與降低路由協定開銷的優勢。
本發明可以一梯度路由信標(即HT Beacon)與一鄰居節點信標(即NBR Beacon)實施，根據此二信標所攜帶的細節信息，動態地調整發送此二信標的週期。具體而言，梯度路由信標可用來建立路由表(Route Table)，其特性在於，信息量大，更新速度慢，因此廣播週期可較長，而鄰居節點信標用來建立鄰居路由表(Neighbor Routing Table)，其特性則在於，信息量小，因此廣播週期可較短。
因此，在本發明的實施例中，根據上述二信標的細節信息，以不同的週期，分別廣播此二信標，即可透過梯度路由信標來
建立梯度路由，以及透過鄰居節點信標來建立本地路由及鄰居鏈路關係，進而得以及時適應網路拓撲變化，並可因為發送週期不同而降低路由協定開銷。
參照圖3與圖4，其分別繪示本發明的梯度路由信標及鄰居節節點信標的範例封包。參照圖3，在本發明的一實施例中，梯度路由信標內可定義有一區段，負責表示此信標是一梯度路由信標(即HT Beacon)。本發明的梯度路由信標用以建立路由表，已如前述。
具體而言，本發明的梯度路由信標內更可包含例如三個區段，以進一步提供有關梯度路由信標的細節信息。舉例而言，圖3所示的梯度路由信標包含詢問(Query)區段、回覆(Reply)區段、以及更新(Update)區段。根據本發明，在每區段填入相對應的細節信息，並以適當的週期發送，即可減少傳輸空間消息的個數，進而降低協議開銷。
舉例而言，攜帶詢問及/或回覆細節信息的梯度路由信標可以較短的週期發送，而攜帶更新細節信息的梯度路由協定則可以較長的週期發送。換句話說，梯度路由信標係可以事件導向(event driven)的方式進行發送。亦即，當梯度路由信標攜帶的是詢問及/或回覆細節信息時，即以較短的週期發送，而當梯度路由信標攜帶的是更新細節信息時，即以較長的週期發送。藉此，本發明得以進一步的根據協定信息中所攜帶的細節信息調整其發送週期，進而減少不必要的協定信息發送量。
在本發明的一實施例中，這些細節資訊可以通過同一梯度路由信標中進行發送。在本發明的另一實施例中，這些細節信息亦可在不同的梯度路由信標中進行發送。
在本發明的一實施例中，路由生存週期可劃分為五種狀態，因此，梯度路由信標內所包含的資訊，亦可根據路由生存週期的狀態而發送不同的資訊：路由不存在(No Exist)。
路由不可用(Not Ready)。在一實施例中，本發明的梯度路由信標可發送一詢問信息。
路由從不可用狀態轉變成可用狀態(Pre-Ready)。在一實施例中，本發明的梯度路由信標可發送一回覆信息。
路由處於結束了回覆的可用狀態(Ready)。
詢問超時(Dead)。
參照圖4，在本發明的一實施例中，鄰居節點信標內可包含傳輸通道ID、傳輸功率、間隔、節點類型、鄰居節點號碼、以及鄰居信息等資訊。在本發明的一實施例中，通過接受的鄰居節點信標可以建立鏈路關係和鄰居節點關係。發送鄰居節點信標，可包括特殊鄰居節點(Special NBR)和鄰居的特殊鄰居節點之外的所有鄰居信息。發送週期亦可調整為可配置參數。
本發明的鄰居節點信標可要求攜帶發送週期時間和鄰居節點類型資訊。在雙方相互可見的基礎上選擇一定量鄰居，作為附近鄰居(Close Neighbor)。這個過程可以輔以現有的附近鄰居
選擇機制。附近鄰居亦可將現有梯度所指向的最佳鄰居(Best Neighbor)也選擇進來。
由於路由選擇是為了合理的減少時間，增加無線資源的利用，因此，在本發明中進一步地引入成本值(Cost)的概念，來動態地調整協定信息的發送週期。在本發明的一實施例中，成本值可定義為發起節點到達目的節點路由所需要的一時間參數。此時間參數可根據一無線狀態、一網路流量、一封包大小、一資料傳輸率、或任一結合者的影響而有所改變。根據本發明，成本值在梯度表與鄰居表中皆有紀錄。舉例而言，鄰居表中所紀錄的成本值是節點到鄰居節點的成本值，而梯度表中所紀錄的成本值是節點到目的節點的成本值。
本發明進一步引入平滑因數，對成本做適應性處理，即，將新成本值以加權平均方式影響原有成本，形成成本的平穩變換，如以下公式所示。
Cost=Old_Cost+A×New Cost(0<A<1，為一可調參數)。
根據本發明，依照例如梯度路由信標及鄰居節點信標所攜帶的細節信息，分別週期性地廣播發送各種信標，即可分別週期性地更新梯度表(Height Table)與鄰居表(Neighbor Table)。
參照圖5，其繪示本發明的一實施例中，接收鄰居節點信標後所可能導致的一動作。如圖5所示，在本發明的一實施例中，接收鄰居節點信標時，首先會觸發鄰居表(Neighbor Table)出現變化。根據鄰居表的變化，鄰居路由表會在進行週期更新時，
查詢各個鏈路的成本值，以將其路由表的資訊進行更新。並根據路由情況，從鄰居表中，選擇出路由鄰居，以作本地路由。
在本發明的一實施例中，如果成本變換超過一門限(或臨界值)，則會影響梯度路由的成本值，而此門限或(或臨界值)可以手動的方式設定。藉此，當這些本地路由的鏈路變化超過一定範圍後，會影響梯度路由的成本。由於梯度路由為所有可選的梯度資訊，這些梯度資訊根據一定的原則(例如成本最優原則)，選出用於資料發送的路由。因此，如果梯度路由的成本變化超過了一定的範圍，則勢必會影響最終路由選擇。
在本發明的一實施例中，當鏈路成本變化沒有超過鏈路切換門限時，不會進行鏈路切換。在本發明的又一實施例中，當鄰居節點的成本變化沒有超過路由切換門限時，不會進行鄰居切換。
根據本發明，在鏈路級別上，根據鄰居節點信標中提供的週期時間，可以計算一上升值(Ramp)，從而使鏈路超時。本發明的上升值是指所紀錄一個鄰居節點信標週期中，資料包丟失的個數，當資料包丟失的個數超過規定的數值時，此鏈路則被視為不能正常工作。
由於鄰居節點等級上的成本是本地路由的成本值，並不直接等於最優鏈路的成本值，而是經過適應性平滑後的值。因此，在鄰居節點信標中，仍需要攜帶鏈路的成本和損耗發送，以作為計算成本的參考。
在本發明的一實施例中，當接收到梯度路由信標的更新(Update)信息(例如neighbor cost to destination,Cnd)、或著當相應鄰居節點的成本(例如cost to neighbor,Cn)變化超過路由成本門限時，可能導致梯度表中某一表項的成本(例如cost to destination,Cd)發生變換，從而產生路由切換或路由凍結(Frozen)機制。更新流程如圖6所示。
根據本發明，勢的建立必須避免路由鏈路的回環(Loop)發生。路由鏈路的回環是指在路由鏈路中，當某一鏈路的成本由於外界的因素而突然激變，而在短時間內不能通知到其他的節點，根據路由最優原則，路由會選擇剛剛走過的節點，從而導致路由鏈路的回環。在通常情況下，只有在當前選擇的最優勢的成本增加時，才會有形成路由鏈路的回環的可能性。本發明通過凍結機制來避免路由鏈路回環的發生。如果有可選的其他不會形成路由鏈路回環的梯度，則不必進入凍結狀態。
如圖7所示，當最優梯度(Best Height)的成本增大時，就有發生路由鏈路回環的可能，所以需要決定是否進行凍結。如果當前存在次優(Sub-optimum)梯度，則不必進行凍結，而可直接切換。
在本發明的一實施例中，次優梯度可以利用以下任一條件選定：對方的Cnd比自身的沒有凍結之前的Cd還要小的梯度。
對方在梯度上的位置比自身低(Hop<My Hop)。
在本發明的實施例中，凍結時要記錄之前的成本(Cdf)，以用於解除凍結(Unfrozen)的條件檢測。
梯度路由(Height Routing)是建立動態變化的指向目標點的梯度，如同以源點作為山頂的泉眼，以目標點為山底的水潭，資料通過山頂到山底的勢(Height)流下來，水所流經和沒有流經的地方都具有向水潭的勢，已如上述。
為了減少協定的開銷，適應網路拓撲的快速變化，本發明採取所有的勢中，只有一部分是可以轉化為需要的勢，這些具有可以被需要的勢的點形成了一個特定形狀的區域，如橢圓區。通過對這個橢圓區的限定，可以進一步地減少勢對網路部分的影響。
圖8繪示本發明的一實施例中限制梯度路由的勢對網路所產生的影響的圖式。如圖8所示，通過到可活動節點的跳數(HOP to Live，即HTL)和到目的節點的跳數(Hop to Dest，即HTD)的相互關係，即HTD(Hop to Dest)+HTL(HOP to Live)<=最大跳數(MAX hop)，可以做到對機動梯度(On-Demand Height)的影響範圍進行限制，滿足此條件的區域為一梯形，即可選取區域，如圖所示，否則不予考慮，進而減少無用的路由資訊，減少網路路由協定的開銷，適應快速的網路拓撲變化。然而，滿足此條件的區域亦可為橢圓區或其他形狀的區域，已如上述。
本發明的有益效果是：1、大大減少了協議在無線資源中的開銷。2.大大減少了由於需要適應高速移動而增加協定開銷對網路的影響。3.使大面積佈網和支援大量客戶成為可能。
本發明已透過以上具體實施例作一詳細說明，惟以上所述者，僅用以說明本發明的較佳實施例，並不能限定本發明的實施範圍。即凡依本發明權利要求所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明專利涵蓋範圍內。
100‧‧‧無線網路
102‧‧‧來源節點
104‧‧‧目的節點
106、108、110‧‧‧路徑
圖1為本發明所適用的梯度路由的圖式。
圖2為適用於本發明的系統中鄰居節點和梯度路由的關係圖。
圖3為本發明的梯度路由信標的一範例封包。
圖4為本發明的鄰居節點信標的一範例封包。
圖5為本發明的一實施例中接收鄰居節點信標後所可能導致的一系列動作。
圖6為本發明的一實施例中接收到梯度路由信標的更新消息後的更新流程。
圖7為本發明的一實施例中決定是否進行凍結步驟的圖式。
圖8為本發明的一實施例中限制梯度路由的勢對網路所產生的影響的圖式。
Claims (18)
- 一種支援快速網路拓撲變化的通訊方法，所述的方法包含：以一第一發送週期，發送一第一協定信息，該第一協定信息係用以建立一節點與一目的節點間的一路由資訊；以及以一第二發送週期，發送一第二協定信息，該第二協定信息係用以建立該節點與一鄰居節點間的一鏈路資訊，其中該第一發送週期不同於該第二發送週期，其中該第一協定信息包含複數個資訊區段，而該第一發送週期係根據該複數個資訊區段內的一對應細節信息作動態的調整，進而減少該第一協定信息的一發送量，其中該對應細節信息包含一詢問信息、一回覆信息以及一更新信息的其中之一、或任一結合者，以及其中該詢問信息與該回覆信息係以一較短週期進行發送，而該更新信息係以一較長週期進行發送。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含利用一成本值，決定是 否調整該第一發送週期與該第二發送週期，其中該成本值係以一時間參數作計算，以及其中該第一協定信息的該成本值是該節點路由到該目的節點所需的該時間參數，以及該第二協定信息的該成本值是該節點到該鄰居節點所需的該時間參數。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該成本值是以以下公式計算：一成本值=一現有成本值+一可調參數×一新成本值，其中該可調參數介於0與1之間的一數值。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該時間參數係根據一無線連線狀態、一網路流量、一封包大小、一資料傳輸率、或其任一結合的影響而有所改變。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，更包含以手動方式設定一臨界值，當該成本值的一改變超過該臨界值時，即調整該第一發送週期與該第二發送週期。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含設定一最大跳數，以限制鄰居節點的一範圍。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，更包含根據該成本值，決定進行一凍結步驟或一切換步驟，以避免一路由鏈路回環。
- 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中若有一次優梯度存在，則進行該切換步驟，若否，則進行該凍結步驟。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含根據該第二協定信息中所包含之一對應細節信息，動態地調整該第二發送週期，以減少該第二協定信息之一發送量。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第二協定信息包含一鄰居節點信息。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含根據該第二協定信息所提供的一週期時間，計算一上升值，其中該上升值係用以紀錄該第二協定信息在該第二發送週期內所丟失的一資料包個數，當該上升值超過一既定值時，則使一鏈路被視為超時而無法正常工作。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一協定信息是一梯度路由信標。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第二協定信息是一鄰居節點信標。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一協定信息是以一事件導向的方式進行發送。
- 如申請專利範圍第2項所述的方法，更包含將該第一協定信息的 該成本值與該第二協定信息的該成本值分別紀錄於該路由資訊及該鏈路資訊中。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該路由資訊係為一路由表，以及該鏈路資訊係為一鄰居路由表。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包含根據一路由生存週期狀態發送不同的細節信息。
- 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中該最大跳數小於到一來源的跳數與到一目的地跳數的一總和。
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