无线自组织网络AODV路由协议研究

HUNAN CITY UNIVERSITY
-------《无线网络技术》小论文
设计题目：无线自组织网络AODV路由协议研究专业： ____
学生姓名： ___________
班级学号： ________
指导教师： __
0000年 00月 00日
摘要:Ad Hoc 网络是随着无线通信技术的快速发展而出现的一种新型网络, 网络层的路由协议对于Ad Hoc 网络来说尤为重要。

首先阐述了Ad hoc 网络的概念和特点, 分析了自组网路由协议的有关情况。

重点研究了按需路由协议中的AODV 协议及其中断链恢复的改进, 结果表明在数据传输延迟和路由开销方面, 采用改进的本地修复方法都可以使性能获得一定程度的提高。

关键字:Ad hoc 网络; 路由协议; AODV 协议
1 无线自组网概述
1.1 Ad Hoc 网络的概念
Ad Hoc 网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络,是移动计算机通信网络的一种类型, 后者是指用户终端可以在网内随意移动的计算机网络,所以ad hoc 网络是移动通信和计算机网络的交叉。

作为一种无中心分布控制网络( InfrastructurelessNetworks) , 自组网是一种自治的无线多跳网, 整个网络没有固定的基础设施, 可以在不能利用或不便利用现有网络基础设施的情况下, 提供一种通信支撑环境, 拓宽了移动网络的应用场合。

自组网中也没有固定的路由器, 所有节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其他节点的联系。

在这种环境中, 由于终端的无线覆盖范围的有限性, 两个无法直接进行同信的用户终端可以借助于其他节点进行分组转发。

每个节点都可以说是一个路由器, 他们要能完成发现和维持到其他节点路由的功能。

Ad hoc 网络中的信息流采用分组数据格式, 阐述采用包交换机制, 基于TCP/IP 协议族。

若干个移动终端组成一个独立的网络, 与固定的互联网并行, 需要时也可与固定的互联网互联。

根据底层采用的无线通信技术而有所不同, 快的可在数秒钟内完成, 慢的也可在几个小时内完成, 有效通信距离通常在30 公里~50 公里范围之内。

在Ad Hoc 网络中, 主机同时还是路由器, 担负着寻找路由和转发报文的工作。

在Ad Hoc 网络中, 每个主机的通信范围有限, 因此路由一般都由多跳组成, 数据通过多个主机的转发才能到达目的地。

故Ad Hoc 网络也被称为多跳无线网络。

1.2 Ad Hoc 网络的特点
Ad Hoc 网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:
网络的独立性; 动态变化的网络拓扑结构; 有限的无线通信带宽; 有限的主机能源; 网络的分布式特性; 无中心和自组织性; 有限的物理安全; 网络的可扩展性不强; 多跳组网方式; 移动终端的局限性。

2 无线自组网的路由技术
2.1 路由概述
路由技术是移动节点通信的基础, 也是移动自组织网络的关键技术之一。

与一般的蜂窝无线网络不同, 移动自组织网络各节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换, 需要专门的路由协议进行分组转发操作。

无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。

移动自组织网络路由协议就是在这样的背景下产生的, 其主要作用是在自组织网络环境中, 建立各节点的路由, 同时, 通过监控网络拓扑结构的变化来更新和维护路由。

2.2 路由协议举例
IETF 的MANET 工作小组目前正专注于移动自组织网络路由协议的研究, 提出了许多协议草案, 如DSR、AODV、ZRP 等路由协议。

此外, 研究人员也发表了大量关于移动自组织网络路由协议的相关文章, 提出了DSDV、WRP 等协议。

根据路由触发原理, 目前的路由协议大致可以分为表驱动路由协议、按需路由协议和层次型路由协议三种。

3 AODV 协议
3.1 AODV 概述
AODV 实质上就是DSR 和DSDV 的综合, 它借用了DS中路由发现和路由维护的基础程序, 及DSDV 的逐跳(Hop- byhop)路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制, 以DSDV为基础, 结合DSR 中的按需路由思想并加以改进。

AODV 使用了分布式的、基于路由表的路由方式, 所以建立路由表项以后,在路由中的每个节点都要执行路由维持、管理路由表的任务,在路由表中都需要保持一个相应目的地址的路由表项, 实现逐跳转发。

这就与DSR 所采用的原路由方式有很大的不同。

后者在路由时, 只有源节点知道到目的节点的完整路由, 而中间节点都不知道有关的路由信息。

AODV 有别于其他协议的最显著特点是路由表中每个项都使用了目的序列号(Destination SequenceNumber) 。

目的序列号是目的节点创建, 并在发给发起节点的路由信息中使用的。

使用目的序列号可以避免环路的发生, 并且很容易用编程实现。

3.2 AODV 路由协议中断链修复的改进
由于常规路由协议维护完整的路由表, 能得知网络中的拓扑情况, 很容易在路由表项失效时找到备用的路由。

而ad hoc由于网络特点的限制要实时维护完整路由表, 这一做法很不现实, 现有AODV 中每个节点都要, 并且只能维持一个到目的地址的路由。

传统的AODV 在发现路由断路时使用源节点恢复的办法, 即当RERR 传回到源节点告知路由已断时, 源节点重新发现路由。

该方法虽然可靠但时延很大, 所以最新的AODV 中提到了本地修复( local repair)的思想, 由于造成断路的节点可能仍然在附近, 因而断链处的上游节点可使用生存时间(TTL)比较小的RREQ 广播来修复路由。

经比较, 采用本地修复可以获得更低的数据分组丢失率。

在节点移动性不高的情况下出现断链时, 使用本地修复可以减小时延, 提高数据传输的效率。

本地修复是一种按需的方法, 更符合自组网的特点, 在节点移动性不大、网络拓扑结构变化不很剧烈时, 使用本地修复技术可以带来小的延迟和高的效率, 但是当节点的移动性比较高、拓扑变化比较剧烈时, 反而会带来很多负面效果, 降低网络的整个性能。

因此, 本地修复路由的方法还有很多可以改进的地方。

在AODV 协议中, 源节点需要和新的目的节点通信时, 会广播RREQ 信息来查找相应路由, 收到RREQ 的节点建立起到源节点的反向路由, 但源节点本身并不知道已经找到了通往目的节点的路由, 必须通过目的或中间节点向源节点反向发送回来的RREP 信息才能建立正向的路由。

可见, 路由都是通过接收到的数据分组或者控制信息反向建立的, 真正起到建立到目的节点可用路由的作用的是反向发送回来的RREP: 而RREQ只是起到查找目的和通知目的回馈RREP 的作用, 要想建立一条到目的的路由, 必须在同一路径上来回传输RREQ 和RREP才能实现。

显然, 在路由建立时取消RREQ 的使用是不可能的,但在路由建立以后发生断链时, 由于目的节点在以前的操作中已经知道自身是传输的目的, 甚至在这条路由中的中间节点也知道自己是一条活动路由的中间节点, 所以可不必再使用RREQ 进行查找和通知目的发出RREP。

当目的节点检测到路由中间有断路时, 可以直接发出一个类似RREP 的消息来
通知建立正向路由, 而查找的功能可以通过广播来完成, 从而节省了发送RREQ 所造成的开销和延迟, 其具体操作如图1 所示。

当一条正在使用的路由中间的链路发生断路时, 断链处的下游节点检查路由表, 确定
与自己失去链接的节点是哪一条路由中的上游节点, 并针对该路由的目的节点发出一个类
似RREP 消息的广播消息, 称作RERREP(Repair RREP)。

每个节点接收到RERREP 消息后, 检查自己的路由表, 看是否有通向其中所指目的节点的可用路由, 如果没有相应表项, 则在
路由表中创建相应的表项并转发; 若有相应路由表项, 但是目的状态是不可达的, 则根据RERREP 消息内容更新路由表; 如果路由表中有相应的到目的节点的路由信息且是当前可用的, 则丢弃该消息。

当广播的RERREP 消息扩散到断链处的上游某个节点时, 正向的路由就可以立刻建立起来。

RERREP 消息通过广播就完成了路由查找的功能, 由于目的节点方知道自己是目的,中间节点也知道自己是中间节点, 所以可以使用RERREP 来完成RREP 的功能, 直接建立正向路由。

显然, 通过这种由下游广播RERREP 消息的方法, 可以减少重建失效路由的时间和RREQ 开销。

该方法中, 广播范围是一个重要的参数, 可通过设置TTL值来完成, 所以设定一个合适的TTL 值是就显得很重要了。

需要在仿真中针对不同环境, 通过性能比较来得出一个合适的值。

另外, 当接收到RERREP 的节点已经有相应的可用路由的话, 就会丢弃RERREP 报, 这从另一个方面控制了RERREP 消息的扩散。

仿真结果表明在数据传输延迟和路由开销方面, 采用改进的本地修复方法都可以使性能获得一定程度的提高。

4 结论
AODV是一种距离矢量路由协议, 采用的算法克服了以前提出的一些算法(如DS- DV)的
缺点, 具有如下优点: 基于传统的距离向量路由机制, 思路简单、易懂; 支持中间节点应答, 能使源节点快速获得路由, 有效减少了广播数, 但存在过时路由问题; 节点只存储需要的
路由, 减少了内存的需求和不必要的复制; 快速响应活跃路径上的断链; 通过使用目的序
列号来避免路由环路, 解决了传统的基于距离向量路由协议存在的无限计数问题, 并且易
于通过编程实现; 具有网络的可扩充性; 需要周期性地广播分组, 需要消耗一定的电池能
源和网络带宽。

创新点: 重点研究了按需路由协议中的AODV 协议及其中断链恢复的改进, 在数据传输延迟和路由开销方面, 采用改进的本地修复方法都可以使性能获得一定程度的提高。

参考文献
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