AdHoc中的常用路由算法分析

Ad Hoc 中的常用路由算法分析
孙晓艳,李建东,张光辉,田红涛
(西安电子科技大学信息科学研究所　陕西西安　710071)
摘　要:在传统的移动无线In ternet 接入方式中,通常是以宽带有线接入网为支撑,无线用户只通过一跳(不需要在无线网中多次转接)就可以接入固定网络。

在很多应用场合,如个人区域网、家域网、军事应用、抢险救灾等,无线网络没有固定的基础设施作支撑,移动用户的信息需要通过移动用户之间的多次中转才能到达目的用户,这种网络通常称为分布式或无中心式(A d hoc )网络。

本文首先介绍了A d Hoc 网络,然后介绍了目前运用于A d Hoc 网络中的几种路由算法,并指出其优缺点。

关键词:A d Hoc ;D SDV ;CGSR ;W R P ;D SR ;AODV ;TORA
中图分类号:T P 30116 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2003)1301804
Ana lysis of the Severa l Routi ng A lgor ith m s i n Ad Hoc
SUN X iaoyan ,L I J iandong ,ZHAN G Guanghu i ,T I AN Hongtao
(Institute of Info r m ati on Science ,X idian U niversity ,X i ′an ,710071,Ch ina )
Abstract :In traditi onal access m ethods to In ternet in mob ile and w ireless environm en t ,u ser can access to fixed netw o rk by one hop (w ithou t m u lti relay )based on w ideband access netw o rk 1In som e app licati on s ,such as personal local netw o rk ,hom e local netw o rk ,m ilitary app licati on ,em ergency rescue patien t care operati on s ,m essages from sou rce u sers can on ly arrive at destinati on term inals by m u lti relay (m u lti hop )among several mob ile u sers becau se w ireless netw o rk is infrastructu ral ,w h ich is so called distribu ted o r A d Hoc netw o rk 1Fo llow ing in troducti on to A d Hoc netw o rk concep ts ,rou ting algo rithm s u sually u tilized in A d Hoc 1
Keywords :A d Hoc ;D SDV ;CGSR ;W R P ;D SR ;AODV ;TORA
收稿日期:20030424
1　引　言
在通信基础设施很少或没有通信基础设施的地方,在现存的基础设施很昂贵或不方便使用的地方,例如学生使用笔记本电脑进行交互式的讲座时,商家在会议当中共享信息时,战士在战场上需要依靠信息获得地形状况[1,2]时,以及当洪水或地震后的紧急灾难援救人员共同协作时,如何来进行通信联系呢?这时就需要用A d Hoc 的思想来实现通信。

A d Hoc 网络是在没有任何现存网络基础设施或是集中管理的情况下动态形成的暂时网络。

由于无线节点的发射功率和无线网络接口传输范围的限制,多跳网络可能需要有一个节点或多个节点来和网络中的其他节点交换数据,而且网络中的移动节点动态的在他们之间建立路由以形成动态变化的网络。

A d Hoc 网络的这个思想也称为无基础设施的网络[3]。

所以由于A d Hoc 的存在,无线移动用户可能(在某种情况下)仍然可以通过一个A d
Hoc 网络来交换信息。

在这种网络中,每一个移动节点不仅作为主机而且还作为路由器来为网络中的其他不
能直接通信的节点转发分组信息。

通常,在A d Hoc 网络中需要考虑的移动性有:源节点的移动性(当源节点移动时必须把这种变化通知路由上游的节点)、目的节点的移动性(当目的节点移动时必须通知路由下游节点这种变化)和中转节点的移动性(对于路由中的这种变化,采用不同协议处理的方式也不同)。

由于A d Hoc 网络中的节点并不是物理上相互连接,因此通信节点就必须寻找到网络的连接。

通信节点寻找网络连接是通过发现来实现的。

一个新节点可以通过检测其他节点发出的信标来和这个节点相连接,然后这个新加入的节点就通知主节点这条新的连接,这个信息就会在网络中得到进一步的广播(到协议所认为必要的范围内)。

现在,当源节点试图建立到这个新加入节点的链路时,查询过程就可以通过广播消息的节点来进行。

每一个A d Hoc 网络路由协议的节点都允许通过网络中的其他节点发现路由。

随着通信技术的发展,人们对网络更大的移动性要求和军队对于传感器网络的
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要求使得无中心控制或称为A d Hoc网络的概念得以普及。

2　Ad Hoc网络概述
211　A d Hoc的挑战
在A d Hoc网络中拓扑不断变化,所以A d Hoc主要的挑战之一就是伴随着链路断链后的寻路问题。

由于寻路等实时分布信息很容易使网络进入饱和状态,这样后达到的信息就会导致网络陷于不稳定状态中。

首先,在A d Hoc网络中广播树已不再是静态的了,所以广播路由就成为A d Hoc的另一个挑战。

再者,对于A d Hoc网络而言,要在不断变化的环境中提供不同等级的服务质量也是需要解决的问题。

因此这种自适应的服务质量必须能够应用到以往的资源预留机制中。

除此之外,我们还要考虑能量的预留和预知能量的链路,这样才能在长期的链路中寻找路由。

最后,位置辅助寻路的需要。

这一点可以通过使用不同的定位信息来规定不同的区域以实现群寻路。

212　A d Hoc网络中的通信业务
A d Hoc网络中有不同种类型的网络通信业务,其中一些业务类似于标准的网络业务,也有不同于标准的通信业务。

其主要通信业务有3种:
端到端业务　这是距离为一跳的2个节点之间的业务。

这种业务通常是可靠稳定的;
远程业务　这种业务是在2个距离超过一跳的节点之间的业务。

这种业务在2个通信节点之间维持了一条稳定的路由,但是这条稳定的路由可能是在一个单独的区域内,多个处于彼此通信范围内的节点或是多个节点以群方式移动的结果。

这种通信业务类似于标准的网络业务。

动态通信业务　这种业务是在网络中的节点持续动态移动时出现的。

在这种情况下路由必须重新建立,这将导致网络较差的连通性和网络活动的短突发性。

3　Ad Hoc的路由协议
A d Hoc无线网络是一种分布式的PRN ET。

A d Hoc无线网络的路由可分为2大类:第1类是路由表驱动的路由(T ab le D riven),第2大类是源节点触发的按需路由(Sou rce in itiated O n dem and)。

第1类路由包括D SDV路由(H igh ly D ynam ic D estinati on Sequenced D istance V ecto r Rou ting),CGSR(C lu s2 terhead Gatew ay Sw itch Rou ting)和W R P(T heW ire2 less Rou ting P ro toco l)。

第2类路由包括D SR(D y2nam ic Sou rce Rou ting),AODV(A d hoc O n dem and D istance V ecto r Rou ting)和TOA R(T em po rally O r2 dered Rou ting A lgo rithm)。

311　路由表驱动的协议
(1)D SDV
D SDV[4]是逐跳的距离矢量路由协议,他需要每一个节点周期的广播路由更新。

D SDV相对于传统的距离矢量协议的优越性在于他保证了网络中无环路。

在这种路由机制中,网络中每个节点都保存了一个路由表。

路由表中含有所有可能的目的节点以及到他们的距离信息。

这些路由表以在网络周期性的广播中来维持网络中节点的连通性。

D SDV通过在路由接口附加序列号的方法解决了DV路由中的环路问题。

一个节点增加他的当前序列号并把他增加到自身所产生的更新消息中,因此这个序列号和距离信息一起进行传输。

任何没有下一跳节点而不能进入其目的节点接口的节点,需要增加这个序列号并在这条路由的下一次广播中使用这个新的序列号。

如果一个节点的邻节点广播了到相同目的节点的序列号大于此节点的序列号,则这个节点就把这个路由接口变为无效或是更改路由接口。

当这个节点收到具有相同序列号(和他本身所有的一样)的路由时,这个无效接口就可以有效。

对于给定目的节点的所有节点的路由表接口全部明确了一棵基于目的节点的树来发送分组到目的节点。

对于D SDV,最简单的看法就是以分布的方式在每个节点都维护了一棵这样的目的节点树。

D SDV是一种较好的路由算法在于他有2种路由更新消息:一种消息较大,而另一种则很小。

这种较小的路由更新消息只用于累加更新,而不用于网络拓扑改变时重新广播整个网络的结构。

然而,D SDV算法的实现依赖于更新消息的周期性传输,这种传输所产生的开销以n2增长。

(2)CGSR
CGSR与D SDV类似,但是CGSR并不是一个大的平面网络。

CGSR分配指定了群首节点和网关节点,其中群首节点用来控制一组节点和网关节点,而网关节点是2个群之间的节点。

当一个节点要发送分组时,这个分组首先到达该发送节点的群首结点,然后群首节点把这个分组通过网关节点转发给另一个群首节点。

不断重复这个过程直到分组到达目的节点。

因此,每个节点都必须有其群成员的路由表。

当一个节点不在任何群的范围内时或是2个或多个群首节点在彼此的范围内时,就产生一个新的群首节点。

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虽然CGSR用D SDV作为其底层的协议,但是由于在CGSR中寻路是通过群首节点和网关节点来完成的,所以他比D SDV更有效。

此外在CGSR中还可以采用启发式的方法如优先级令牌的调度、网关编码调度和通路预约来改善其性能。

(3)W R P
W R P是另一种路由表驱动的协议,在网络的节点中保存路由信息。

每个节点保存在路由表中的信息如下:距离、路由、链路开销和重传消息的列表(M RL)。

M RL记录关于消息序列号、重传计数器、每一个邻节点正确应答所需的标识和更新消息的更新列表等信息。

这就使得节点可以决定何时发送更新消息以及发送给那个节点。

更新消息包括目的节点的地址、到目的节点的距离和目的节点的上游节点。

然后邻节点就修改自己的路由表并试图通过预备的节点建立新的路由。

W R P的优点就是当一个节点试图执行路径计划算法时,可以通过目的节点的上游节点所保存的信息和邻节点所保存的信息来限制算法,使得算法收敛得更快并避免路由当中的环路。

由于W R P需要保存4个路由表,所以比大多数的协议需要更大的内存。

W R P还依赖于周期性的H ello消息,这也要占用带宽。

他的优点就是上面所描述的路由路径产生算法。

312　源节点触发的按需路由
(1)D SR
D SR[5～7]用源节点路由而不是用逐跳路由,每一个寻路的分组在其头部都携带了完整的分组所必须经过的节点的顺序列表。

在D SR中,节点有一个高速缓冲区用来存放所知道的目的节点的所有路由。

当要发送分组时,节点首先查询路由表。

如果目的节点和所需要的路由在路由表中,则使用这条路由;否则,就广播路由请求分组进行寻路。

当路由请求分组在网络中传输时,他到达的每一个节点都检查自己的路由表看他们是否有到达目的节点的路由。

如果这些节点的路由表中有到达目的节点的路由,就应答这个请求并提交这条路由。

当路由请求分组到达了目的节点时,中转接点就查看路由请求分组经过的这条路径是否在高速缓冲区中。

如果高速缓冲区中没有这条路由,就把这个目的节点和路由加到自己的高速缓冲区中以备将来使用。

D SR的优点在于中间节点无需维持更新的路由信息为他们的转发分组寻路,因为分组本身已经包含了所有的路由决定。

事实上,这个协议和按需相结合消除了周期路由广播和其他协议中所出现的邻节点的检测分组;再者他不依赖于其他节点的保持有效的消息,这就减少了带宽的占用和所需的能量。

而且,由于节点的高速缓冲区储存了到目的节点的多条路由,所以如果当一条路由断开时,节点可以在高速缓冲区中找到预备的路由。

缺点是在D SR中的分组比较大,因为携带了整个路由信息。

这就使得D SR的网络参数相对的比较小,也避免了按比例放大到大的网络中所存在的一些问题。

(2)AODV
AODV是基于距离矢量的算法。

所不同的是, AODV和像D SDV一样的前摄协议不同,他是反向的。

AODV只保持需要的路由,而不需要节点维持通信过程中未激活的目的节点的路由。

当节点S需要到某个节点D的路由时,他就广播一个路由请求消息给他的邻节点,其中还包含了那个目的节点的最终所知道的序列号。

路由请求消息以一种控制的方式在网络中进行泛洪直到他到达了一个节点,并且这个节点知道到目的节点的路由。

每一个转发路由请求的节点就为自身创建一条到节点S的反向路由。

当路由请求分组到达有路由到节点D的节点时,这个节点就产生一个包含到达节点D所必需的跳数和此节点最近所知道的节点D的路由应答分组的序列号。

每一个参与转发应答分组给产生路由请求原始节点的转发节点都建立一条到节点D的转发路由。

从节点S到节点D路由上的每个节点的链路状态是逐跳状态。

也就是说,每一个节点仅仅是记住下一跳而不是像源节点路由那样记住整个路由。

除此之外, AODV为了维护路由还周期性地发送H ello分组。

从本质上来说,AODV[8]是D SR和D SDV的结合。

他借用了路由发现的基本的按需机制和D SR中的路由维护,再加上逐条路由,序列号和D SDV中的周期性的信标。

因此,AODV的优点是他可以利用多播的优势,这正是所有其他协议所缺少的;而缺点则是他依赖于对称性的链路,而不能处理非对称性链路的网络。

(3)TO RA
TO RA[9,10]是基于逆向路由算法的分布式路由协议。

他的设计是用来发现按需路由,提供到目的节点的多条路由,快速建立路由和当可能时通过拓扑变化的局部算法反应来减小通信开销。

路由的优化(最短路径路由)是次要的,我们通常采用更长的路由来避免发现新路由时的开销。

TO RA协议是通过不同的属性来给每个节点分
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配一个突发的高度实现的。

这种方法建立了一种始于源节点终于目的节点的体制。

从本质上来说,分组就是通过这种体制从源节点到达目的节点的。

TO RA的优点是可以处理高密度的网络。

还支持保存2个节点间的多条路由以及广播。

然而,TO RA 算法是基于同步时钟的,所以时钟时间的不同可以导致路由故障。

并且这种算法还有潜在的振荡性,这可能影响路由的建立时间。

(4)ABR
对于A d Hoc协议来说,ABR协议是一种不同的方法。

在ABR中每个节点周期性的发送信标。

所有收到这个信标的节点更新关联表。

信标被一个节点收到所需的时间越长,这个节点的移动性就越小。

这个协议通过移动性差的节点(比如更稳定的节点)建立生存期较长的节点。

当一个节点收到这个消息时,他就把这个地址和关联性计数添加到路由中并转发这条消息。

因此,当发现多条路由时,发送节点可以选择最可靠或最短的路由。

4　结　论
本文介绍的几种路由算法各有优缺点,不能严格地说那种路由算法就一定优于其他的算法。

由于A d Hoc是网络中较新的一个领域,并且随着大量便携通信设备和无线通信的发展,A d Hoc网络的应用也大量增加,所以,必须充分地考虑到通信环境和大量的移动设备来选用路由算法,有时还可以把这些路由结合起来使用以更好地提供通信服务。

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