Adhoc网络拓扑发现算法综述

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《自动化与仪器仪表》２００９ 年第 １ 期（总第 １４１ 期）
范围内使用先验式路由协议，缩小了路由控制消息传播 的范围； 较远距离时，通过查找发现路由，以减少开销， 时延特性也得到了改善。
网络拓扑发现是指通过某种算法发现相应子网上的 网络元素及各元素之间的连接关系，并以适当的形式 （ 如：图或树） 呈现出来。它是网络管理的基本要求和重 要功能， 反映某些重要服务器、路由器和交换机的布局状 况， 对网络环境仿真、协议设计与评价、网络性能及流量 分析具有重要意义［ ２ ］ 。通常分为两大类：逻辑拓扑发现 算法和物理拓扑发现算法。其中，物理拓扑发现算法主 要是向网络中主动发送探针，然后从探针的响应包中解 析网络拓扑信息。其基本步骤是：先获得待测子网的地 址空间， 然后获取这个地址空间中的各合法地址之间的连 接关系， 并最终将这些合法地址及其间的连接关系绘制成 网络拓扑结构图。根据算法所采用的协议的不同， 又可分 为基于Ｓ Ｎ Ｍ Ｐ 协议的算法和基于ＴＣＰ／ＩＰ 协议的算法［３］。
目前，对于Ad hoc网络研究的热门方向集中在动态 路由协议、安全问题、组播问题、网络互联、Ｑ ｏ Ｓ 支持以 及跨层设计上。其中，Ad hoc网络的路由协议大致可以 分为三种［ １ ］：
（１）先验式（Ｐｒｏａｃｔｉｖｅ）／表驱动（Ｔａｂｌｅ Ｄｒｉｖｅｎ） 路由协议， 包括Ｄ Ｓ Ｄ Ｖ 、Ｗ Ｒ Ｐ 等。这种方式中，每个节点维 护一张路由表，一旦检测到变化就向其他节点发送更新 消息。这种方法，时延较小，但开销较大。在高速动态 变化的网络中，会产生大量甚至无用的控制报文；
出版社，２００４ ２ 刘和平等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰ 结构、原理及应用［Ｍ］．北京：
北京航空航天大学出版社，２ ０ ０ ２ ３ 王璐刚．ＤＳＰＣ２０００ 程序员高手进阶［Ｍ］．北京：机械工业出
版社，２００５ ４ Ｙｕ Ｚ Ｙ．Ｓｐａｃｅ－Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ ｗｉｔｈ ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ／Ｆ２４ｘ Ｕｓｉｎｇ
２ 基于网格的拓扑发现算法 这类网络常用于家庭或办公室的混杂网络和传感器
网络。其无线通信节点的移动性相对较小，如图１ 中的节 点Ｍ ；有些节点连接到有线网络，如节点Ｂ ；有线和无线 的节点间通过网关节点来连接，如节点Ｇ 。
图１ 混杂网络系统
第一阶段是传播查询报文阶段。源节点先广播一个 拓扑发现请报文（Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ ）。Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包含源和目的节点地址 以及唯一的标志号，中间节点转发Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ ，并附上自己的 节点标识。各节点若首次收到，则将发出报文的节点记 录为父节点，并本地广播此Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包，同时创建其本地邻 节点信息。当整个广播拓扑请求阶段结束时，网络中每 一个可达的节点组成了一个网格。
参考文献
１ 王晓明．电动机的 ＤＳＰ 控制［Ｍ］．北京：北京航空航天大学
（上接第 ９ 页） 期的到目的节点的路由，若存在，则直接使用，否则启 动路由发现过程。源节点先使用洪泛法发送Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包。Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包经中间节点到达目的节点，同时记录所经过的各节点 标识。各中间节点收到Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包后，处理过程如图３ 所示。
１ 研究现状及热点 Ad hoc的研究始于７０年代美国政府和军方资助的一些
收稿日期： ２ ０ ０ ８ － １ １ － ０ ５ 作者简介：张宇（１ ９ ７ ９ － ），在读硕士，毕业于黑龙江齐齐哈尔 大学计算机科学与技术专业，研究方向为控制软件。 ＊ 国家 ８ ６ ３ 数字化仪表课题，项目号为 ２ ０ ０ ６ Ａ Ａ ０ ４ ０ ３ ０ ２
但Ｄ Ｓ Ｒ 也存在一些不足：（ １ ） 每个数据报文的头部都 需要携带路由信息，数据包的额外开销较大；（ ２ ） 路由请 求消息采用洪泛方式，相邻节点路由请求消息可能发生 传播冲突并可能会产生重复广播；（ ３ ） 由于缓存，过期路 由会影响路由选择的准确性。
图３ ＤＳＲ中间节点ＲＲＥＱ包处理流程图
由算法而不是逐跳路由的方法。主要包括两个过程：路 由发现和路由维护。 ４．１ 路由发现
当源节点发送数据时，首先检查缓存是否存在未过 （下转第 １５ 页）
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《自动化与仪器仪表》２００９ 年第 １ 期（总第 １４１ 期） ４ 结束语 本研究介绍了基于Ｄ Ｓ Ｐ 的Ｓ Ｖ Ｐ Ｗ Ｍ 控制算法的软件实现 方法。试验结果表明了Ｓ Ｖ Ｐ Ｗ Ｍ 控制相对于其它Ｐ Ｗ Ｍ 控制具 有转矩脉动小、电压利用率高的优点，对调速系统的性 能有较大的提升。
Ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｎｓ． Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ
（２ ）端到端证实机制：通过端到端的证实机制来检 测整个路由的有效性，但不能确定故障位置。 ４．３ ＤＳＲ的特征
Ｄ Ｓ Ｒ 具有如下优点：（ １ ） 节点仅需要维护与之通信的 节点的路由，减少了协议开销；（ ２ ） 使用路由缓存技术减 少了路由发现的耗费；（ ３ ） 一次路由发现过程可能会产生 多条到目的点的路由。
（１ ）直接响应模式，簇头分次发送Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ 包。在收到 Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包之后，簇头先回送自己的Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ 包。等其簇成员的 信息回送到该簇头后，簇头再一次发送Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ 包，将其簇 成员的信息转发给源节点；
（２ ）集中响应，簇头必须等待自己的簇成员给它返 回应答报文之后，集合簇头自己的路由信息，一起向源 节点发送ＲＲＥＰ 包；
第二阶段是收集拓扑信息阶段。每个节点在其子节 点发送完邻节点信息后，向其父节点反馈它自身和它的 子节点的邻节点信息。
此算法需通过应答响应来设计一个可靠的广播发送 模式，算法中各节点广播的次数，取决于节点移动的次 数和速度。子节点在收集拓扑信息阶段向其父节点发送
图２ Ａｄ ｈｏｃ网络的分簇网络结构
基于分簇的拓扑发现算法中，源节点首先向每一个 簇头分发Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包， 然后簇头返回的该簇各邻节点的路由列 表，从而得到整个网络的拓扑。其中，簇头反馈路由应 答消息（ Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ ） 的模式有三种：
的返回消息，可能由于节点的移动性，不发出或不能达 到。这时需要父节点启动超时定时器。由此可能导致生 成的网络拓扑不完整［ ４ ］ 。
３ 分簇拓扑发现算法 较大规模的网络通常采用分级结构，需要通过分簇
的方法来构造，如图２ 所示。在分簇结构中，每个簇通常 由一个簇头／ 簇首和多个普通节点组成，簇头和网关形成 高一级的虚拟骨干网（ Ｖ Ｂ Ｎ ） 。这种方式可扩充性好，路由 和控制开销小，并由于减少了共享相同信道的节点数， 从而降低了碰撞概率。但等到的可能不是最佳路由，簇 头也有可能成为瓶颈。因而分簇算法的不同，直接影响 到Ad hoc网络的各项性能指标。
Ａｄ ｈｏｃ 网络拓扑发现算法综述 张 宇，等
Ａｄ ｈｏｃ网络拓扑发现算法综述＊
张 宇１，田英明２ （１ 重庆大学计算机学院 重庆，４ ０ ０ ０ ３ ７ ） （２ 中国四联仪器仪表集团 重庆，４ ０ １ １ ２ １ ）
摘 要 ： Ad hoc是一种无线自组织多跳网络。采用无中心的分布式控制，无线节点或终端相互合作而成，独 立于固定的基础设施。各节点平等、无中心，动态拓扑。网络拓扑对网络规划、仿真、管理都有非常重要的意 义。针对Ad h oc拓扑结构频繁、快速变化的特点，本文主要提出了Ｎ 种移动自组网络拓扑发现的算法，并基于笔 者的实践提供了一个简单的算法实现，该算法主要针对同一个管理机构下的Ｉ Ｐ 网络的拓扑自动发现，更复杂的拓 扑发现算法可在此基础上进一步扩展。
研究项目，在最近几年内，其自身的独特性将赋予其具 有巨大的发展前景，使得它不但在军事领域中成为数字 化战场通信的首选技术，而且也在民用移动通信中得到 了广泛地关注。尤其是在一些特殊的工作环境中，例如 应急通信、个人通信、大规模无线会议，以及传感器网 络等。Ad hoc网络还可与移动通信系统结合，或作为各 种通信网络的无线接入手段之一。
０ 引 言 移动Ad hoc网络是一种无线自组织多跳网络。作为移
动通信的两种基本组网模式之一，Ad hoc网络与传统的蜂 窝移动通信技术的根本区别在于：在蜂窝网中，只有移 动交换机具有路由选择和交换功能，移动节点不具备路 由选择功能；而Ad hoc网中各节点都可为相邻节点转发信 息、充当路由器，报文在其间多跳传输，不需附加设 施。只要终端支持Ad hoc，就可在开机后，自动快速地组 成一个独立的无线网。Ad hoc网中各节点平等、无中心， 可自由出入，局部故障不影响全网。由于移动性强，所 以拓扑结构变化频繁快速。动态跟踪拓扑结构的变化， 快速定位和恢复连接，是Ad hoc网络的基本要求。网络拓 扑自动发现技术的应用，可以很好的实时获取拓扑结构 图，用以搜索网络瓶颈、解决交通（ Ｔ ｒ ａ ｆ ｉ ｃ ） 拥塞、排查 潜在致命点、增强网络连接性、实现网络自动升级、进 行实时网络仿真、帮助新用户决策、开发新型网络协议 和算法等。
同时，各中间节点还可使用路由缓存技术（Ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｃａｃｈｅ）对协议作进一步优化［５］。到达目的节点后，Ｒ Ｒ Ｅ Ｑ 包中将包含整条路由的信息。目的节点反馈Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ 消息， 并反转该路由信息，供Ｒ Ｒ Ｅ Ｐ 包在反馈的过程使用。 ４．２ 路由维护
传统的路由协议中通过周期性广播路由更新消息将 路由发现和路由维护合二为一。但在Ｄ Ｓ Ｒ 协议中，由于没 有这种周期性的广播，节点必须通过路由维护过程来检 测路由的可用性。［ ６ ］Ｄ Ｓ Ｒ 协议的路由维护分为两种：
关 键 词 ： 无线自组织网络；网络拓扑；拓扑发现算法 Abstract: The Ad hoc network is a kind of special multi-hop mobile wireless network£¬which has the extensively applied situation. And the network topology discovery is a technology that research for network structure by collecting network transmission data, which is important in network management and network security evaluation. In this paper, basic ideals and methodology for network topological discovery are introduced, and we find many factors which have influence on the algorithms performance. There are three topology discovery algorithms proposed be debated. Keywords: Ad hoc networks ; Network topology ; Topology discovery algorithms 中图分类号：Ｔ Ｐ ３ ９ ３ ． ０ ５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ １ － ９ ２ ２ ７ （ ２ ０ ０ ９ ） ０ １ － ０ ０ ０ ８ － ０ ３