無線自組織網絡抗毀路由協議研究

（1.中國科學院 研究生院 計算與通信工程學院， 北京 100049； 2.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所 傳感器網絡與通信重點實驗室， 上海 200050）

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摘要：終端的自由移動導致無線自組織網絡拓撲結構的頻繁變化，這給通信的持續性和穩定性提出了挑戰。針對無線自組織網絡的抗毀性要求，著重分析現有的無線自組織網絡抗毀路由、拓撲控制，以及其他一些相關協議、方法，闡述它們的工作機制、特點，比較不同的抗毀策略的優缺點及適用場合。

關鍵詞：無線自組織網絡； 抗毀路由； 多路徑路由

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)11-3209-05

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Research of protocols for survivable routing in wireless Ad hoc networks

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AI Ming-da1， ZHAO Zhuang1，2， YAO Zheng1， ZHANG Bao-xian1，2

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(1.College of Computing Communications Engineering， Graduate School， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 2.Key Laboratory of Wireless Sensor Network Communications， Shanghai Institute of Microsystem Information Technology， Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050， China)

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Abstract:The free and unpredictable mobility of mobile terminals cause highly dynamics of such networks， which make continuous and stable communications challenging. To meet the robustness and fault tolerance requirements of wireless Ad hoc networks， this paper introduced existing work in robust routing， topology control， and other related protocols. It discussed how they work， their characteristics， and their merits and deficiencies.

Key words：wireless Ad hoc network; survivable routing; multipath routing

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0引言

無線自組織網絡是一種不需要信息基礎設施的自組織和自管理網絡，網絡中所有的節點同時具有終端和路由的功能。它起源于DARPA PRNet^[1]以及SURAN^[2]項目。無線自組織網絡無須事先建立網絡基礎設施，因此可以快速部署，增加網絡的靈活性并降低成本。具有良好的靈活性，可部署在無法敷設通常的網絡基礎設施的惡劣環境中；其具有較低的部署成本，可用于建立臨時性的網絡。近年來，無線網絡在軍事之外的商業和工業領域也得到越來越多組織的重視。其典型的應用場景包括軍事應用、傳感器網絡、緊急和突發場合、偏遠野外地區、臨時場合、動態場合和分布式系統、個人通信、商業應用等。

在無線自組織網絡中，移動終端可以隨意運動，網絡拓撲隨時間頻繁變化。通常一條路徑的生存時間小于一個流的生存時間，因此相對于傳統的網絡，需要設計專門的抗毀機制適應網絡的快速變化，以便通信能正常進行。可以從以下幾個方面設計抗毀路由機制：a)在路由協議設計中加入抗毀處理機制；b)生成抗毀骨干網絡拓撲，從而提高通信路徑的整體抗毀性。下面將主要分別從這兩方面展開來討論已有無線網絡抗毀機制的特點和工作特性。本文的討論主要集中在抗毀單播應用方面，但討論的很多策略對于支持抗毀組播也具有很好的借鑒意義。

1抗毀路由協議

抗毀路由協議的主要任務是在通信節點之間建立抗毀能力強的路徑，而當路徑中斷時具有快速路徑恢復能力。這是設計動態無線自組織網絡的要求。抗毀路由機制可以分成先處理和后處理兩類。先處理機制是在路徑發現階段就建立一到多條備用路徑；當主路徑中斷時，可以立即啟用備用路徑。先處理機制是在路徑中斷之前提前做好準備；后處理則是在路徑中斷之后立即啟動路徑恢復進程，通常是由源節點或路徑上的中間節點發起全局或局部路徑發現過程，重新找到一條端到端的可用路徑。與后處理相比，先處理機制在路徑失效時無須立即啟動重新路徑發現過程，因此路徑恢復時間短；另一方面，先處理機制在整個通信過程中需要動態維護多條路徑，因而具有較高的控制開銷。此外，抗毀路由策略中還包括穩定路由策略，即尋找路徑較為穩定、生存時間較長的路徑，以降低尋徑頻度，提高路徑傳輸質量。

11先處理——多路徑路由協議

多路徑路由按照路徑相交情況可以分成纏繞多路徑、節點不相交多路徑和鏈路不相交多路徑。節點不相交多路徑就是各條路徑中除源節點和目的節點之外，沒有其他任何共用節點。鏈路不相交多路徑是指各條路徑間沒有任何共用的鏈路，但可能有共用的節點。纏繞多路徑是指各條路徑間既有共用的節點，又有共用的鏈路。節點不相交多路徑具有更好的容錯性，但是需要較多的路徑維護開銷；鏈路不相交多路徑容錯性次之，需要路徑維護開銷較少；纏繞多路徑容錯性最差，但是路徑維護開銷最小。應用時根據網絡的動態和實際應用對抗毀性能的需求，選取其中的一種方法。

111AODV-BR協議

AODV-BR(Ad hoc on-demand distance vector-backup routing)協議^[3]是一種在AODV(Ad hoc on-demand distance vector)協議^[4]基礎上擴展的按需多路徑路由協議。AODV-BR能在信源和信宿節點的主路徑周圍建立一組纏繞交織的備用多路徑。

AODV-BR尋徑的過程分成廣播請求和路由應答兩個階段。廣播請求階段源節點廣播路由請求分組（route request，RREQ），目的節點收到后轉入應答請求階段，發送應答分組（route reply，RREP），源節點收到RREP后即建立主路徑。建立備用路徑的過程利用了無線信道的廣播特性。在應答請求階段，不在主路徑上的節點在收聽到不是發給自己的RREP分組時，就會在路由表中添加一條到信宿的備用路徑，將這個RREP包的下一跳節點作為備用路徑的下一跳。RREP到達源節點后，路徑建立完成，數據分組沿主路徑發送。當主路徑上的某條鏈路中斷時，斷點處的節點將數據分組在一跳范圍廣播。收到此廣播數據分組的鄰居節點如果有一條可用備用路徑，則會將此節點轉發到主路徑節點上的下一跳。之后數據分組在主路徑上照常傳送。

112AOM DV協議

AOMDV（Ad hoc on-demand multipath distance vector）^[5]協議基于AODV協議，能夠發現并維護鏈路或節點不相交多路徑（可以配置協議，生成某一類的多路徑）。AOMDV路由發現過程包含兩個階段：源節點廣播路由請求（RREQ）；目的節點收到RREQ后返回請求應答（RREP）。AOMDV協議的路由表為每一個目的節點保存多個下一跳節點。節點每當收到一個路由分組，通過路由表更新過程向路由表加入新路徑。AOMDV 協議為路由表中每一個目的節點附加一個廣告跳數(advertised hopcount)值，以保證路由更新過程中沒有環路。路由表中加入多路徑的方法是，當收到從一個源為a產生的路由請求分組RREQ時，如果路由表中已有到a的下一跳節點，這時若新生成的反向路徑符合路由表更新規則，就可以添加到路由表中。更新規則是：當節點i收到一個由節點a發出的路由分組時，如果分組中的序列號等于節點i路由表中到a的表項的序列號時，同時路由分組中的廣告跳數小于當前路由表項時，就將在路由表中添加一條到a的路徑信息。當目的節點在同一個序列號值對多個到來的RREQ返回多個RREP時，就會在網絡中形成多條從源到目的節點的路徑。

113AODV_Multipath協議

AODV_Multipath^[6]的路由發現過程同樣包含兩個階段：源節點廣播路由請求（RREQ）；目的節點收到RREQ后返回請求應答（RREP）。其不同點是節點在收到RREQ時，只是將它緩存在一個RREQ表中，記錄RREQ的源、上一跳和跳數等信息。由于路徑是節點不相交的，中間節點無須維護到目的節點的多個下一跳信息，也就不需要AOMDV中的路由表更新規則。與AOMDV一樣，目的節點在收到RREQ后，會產生RREP分組，并傳給發送RREQ的那個鄰居節點。中間節點轉發RREP時，查找節點的RREQ緩存列表，找出從所需源而來的RREQ，選取其中跳數最小的RREQ的上一跳節點作為此RREP的下一跳節點，然后在RREQ表中刪除該項。重復這個過程，直到 RREP到達源節點，此時一條從源到目的節點的路徑就建立好了；目的節點對多個收到的RREQ返回RREP就建立了多條路徑。為了保證中間節點不會出現在多條路徑上，中間節點在收到不是發給自己的RREP時，也會刪除RREQ表中的上一跳節點與此RREP下一跳節點相同的條目。如果中間節點收到一個RREP，但是在它的RREQ表中，找不到可以投遞的下一跳鄰居，那么它將產生一個RDER（route discovery error）分組，并傳給RREP的上一跳節點，由此節點再選擇一個鄰居投遞RREP；如果仍舊無法投遞，則重復這個過程，直到RDER到達目的節點。

114SMR協議

SMR（split multipath routing）^[7]是基于DSR^[8]的多路徑改進型協議。它屬于按需路由協議類型。它與DSR的主要區別在于路徑發現過程的兩個方面：a)即使中間節點存有到目的節點的路徑信息，也不能向源節點發送RREP。多路徑的選擇完全由目的節點獨立完成，這樣有助于選取最大不相交路徑集(maximally disjoint route set)。b)對于重復接收的RREQ分組，中間節點不會簡單丟棄，而是通過檢查。如果發現該RREQ包是從不同的前一節點發送過來，而且該RREQ中路徑的跳數小于或等于之前收到的RREQ包中的路徑跳數，則接收這個RREQ，并進行后續處理、轉發；反之，則將這個RREQ丟棄。這樣可以為目的節點提供更多的多路徑信息以選擇性能更好的多路徑。

115小結

上述四個協議，前三個是基于AODV協議的，最后一個是基于DSR的。前三個不支持單向鏈路，最后一個支持單向鏈路。AODV-BR協議生成的多條備用路徑圍繞在主路徑周圍，而其他三個的多路徑是分布在整個網絡之中。AOMDV可以根據配置生成鏈路不相交或節點不相交多路徑， AODV_Multipath生成的路徑一定是節點不相交的（AODV_Multipath提供了一個將協議改造成生成鏈路不相交多路徑的方法，其中使用了可靠節點作為鏈路不相交路徑的交叉點）。AOMDV是在路由請求廣播階段生成的多路徑，AODV_Multipath是在轉發應答路由請求階段生成的多路徑。

無線自組織網絡中的多路徑路由協議還有很多，如 ROAM^[9]、TORA^[10]、MP-DSR^[11]、MSR^[12]、HM PR^[13]。ROAM是一種基于距離向量的按需路由協議，它通過引入可達距離（feasible distance）來維護無環多路徑。TORA協議因節點無須交換鏈路狀態或距離信息，降低了多路徑維護的控制開銷。MP-DSR在DSR協議上加入了多路徑機制，并引入了QoS機制，可以為對抗毀性有不同需求的應用提供不同品質的服務。MSR對DSR中的路由搜索和路由維護機制針對多路徑進行了擴展，實現了路徑負載均衡，并采用多路徑并發數據傳輸模式來及時剔除多路徑中的陳舊路由信息。HM PR是一種混合多路徑路由算法，其中采用了聯合選路的方法和估計鏈路壽命的新方法。另外，文獻[14]將票據（ticket）概念引入到基于QoS的多路徑尋徑過程中，以平衡多路徑數量和尋徑開銷；尋徑過程中同時尋找滿足QoS要求的工作路徑和備用路徑。

12后處理——路徑修復策略

后處理機制需要在路徑發生中斷時發起重尋徑過程。路徑恢復可以是局部的，即由路徑中斷處的節點發起，只在周圍很小的范圍內尋徑；路徑修復也可以是全局的，即由源節點在全網范圍內重新發起一次尋徑過程。源節點進行的重尋徑需要全網廣播路由請求，因此開銷較大；而局部修復的尋徑過程只局限在很小的范圍中，因此控制開銷小、恢復速度快。協議通常是先進行局部修復，修復失敗后再由源進行修復。局部修復也有缺點，即不能保證修復后的路徑是最優的，多次修復后會使路徑變長、性能下降。

121AODV協議

AODV是以距離向量協議為基礎的按需路由協議。AODV引入了目的節點序列號，表示路徑的新鮮程度，以此來辨別無線自組織網絡中的陳舊路徑信息，避免環路的產生。該協議包含路由發現和路由維護兩個部分。

路由發現包括兩個過程：首先源廣播路由請求（RREQ）；然后目的節點在收到RREQ后沿原路返回請求應答（RREP）到源。

AODV中的路徑維護可以分成中間節點發起的局部修復和由源節點發起的全局修復。局部修復過程是發現鏈路斷開后，斷鏈處的上游節點發起到目的節點的重尋徑，根據該節點到目的節點的距離，設置RREQ的TTL值，使洪泛局限在較小范圍。全局修復過程是源節點在收到路徑失效通知（RREP）時，如果有數據需要傳送，會重新進行一個到目的節點的尋徑過程。

122DSR協議

DSR（dynamic source routing）是基于源路由概念的按需路由協議。源節點路由表中包含從源節點到目的節點的完整的路由信息，且數據分組頭中包含源路由信息，路由器按照數據分組頭中攜帶的路由對分組進行轉發。DSR 協議由兩個階段組成，即路由發現和路由維護。路由發現過程全網洪泛RREQ。與AODV不同的是，DSR在RREQ分組中保存該分組經歷的每一跳節點，RREP可以不沿RREQ所建立的反向路徑返回，DSR可以支持含有單向鏈路的網絡路由。在路徑修復階段，當前的DSR還提供了一種局部修復方法，中間節點i檢測到下一跳鏈路失敗時，查詢本地緩存。如果有另一條到目的節點的路徑，則修改分組中的源路由，發送分組到新的下一跳。另外，通過節點自適應監聽，DSR具有很好的路徑學習能力，并支持多路徑。

123RDMAR協議

RDMAR（relative distance micro-discovery Ad hoc routing）協議^[15]是一種基于距離向量的按需路由協議。此協議的新穎之處在于設計了一套估計節點間距離的算法。通過過去一段時間的節點間距離信息、節點移動速度估計值，以及距離上次統計的時間間隔，就可以估計出源與目的節點間的當前距離。在路徑發現階段，源節點利用距離信息可以限制RREQ分組的TTL值，縮小洪泛范圍。

在路由維護階段，協議的特別之處在于，中斷鏈路的上游節點i通過比較其到源節點s和目的節點d的距離決定使用何種修復策略。如果i到d的距離小于等于i到s的距離，則i啟動局部修復；如果i到d的距離大于i到s的距離，則i向s報告鏈路錯誤，并由源節點s進行重新尋徑。局部修復時，由i廣播RREQ進行尋徑，并根據到d的距離設定其擴散跳數。這種方法能有效降低路徑修復開銷。

124IZR協議

IZR（independent zone routing）^[16]是一種混合型路由協議，吸收了ZRP（zone routing protocal）^[17]的網絡分區概念，并加入了動態調整的區域大小的算法。網絡中定義以每個節點為中心的p（p≥1）跳范圍構成一個區域；區域邊界處的節點稱為邊界節點。區域內的通信使用表驅動路由協議，跨區通信則使用按需路由協議。即源節點s將路由請求廣播到區域的邊界節點，如果邊界節點有到目的節點的路，則發送應答信息；如果沒有，則再廣播到它自己的區域邊界節點。IZR的路由維護機制也是混合的，區域內的表驅動路由協議會更新鏈路狀態，去除失效路徑；區域間的路徑修復可以由鏈路中斷處的上游節點發起局部路由請求，也可以通知源節點，由源重新尋徑。IZR的區域大小是可調的，每個節點可以根據局部的路由分組交通量來調整區域半徑。由于每個節點都具備p（p≥1）跳范圍網絡信息，上述局部修復策略并沒有引入新的開銷。IZR通過動態優化區域大小可以平衡區域內路由修復開銷和區域間路由修復開銷。

125小結

DSR協議的中間節點執行的局部修復只是簡單地檢查其路由緩存中是否有到目的節點的其他路徑，并不會廣播路由請求。局部修復能力較弱，而AODV和RDMAR的局部修復會廣播尋徑請求。RDMAR利用距離信息來判斷是進行局部修復還是通知源進行重尋徑；在局部修復時，又能根據到目的節點的距離確定一個較小的RREQ擴散半徑。因此相比AODV，局部修復更加有效，控制開銷更低。另外RDMAR能應用在有單向鏈路的網絡中。

13穩定路由協議

路由協議選路策略通常是選跳數最小的路徑。但是，跳數最小的路徑不一定是最好的路徑^[18]。因為跳數最小的路徑可能存在質量較差的鏈路。這樣的鏈路不僅帶寬小、易受干擾，而且由于鏈路兩端節點距離遠，節點移動情況下易發生鏈路中斷。路徑中只要有一條鏈路中斷，整個路徑也就中斷了。因此選用最小跳數選出的路徑往往存活期短。要想獲得穩定的路徑，就要讓路徑上的每一條鏈路都穩定。鏈路的穩定程度可用鏈路的信號強度、鏈路以往的狀態以及節點的運動信息等進行預測。根據每條鏈路的穩定度，就可估計整條路徑的穩定度。

131ABR協議

ABR（associativity-based routing）^[19]協議是一種按需路由協議，采用廣播路由請求和接收路由應答來發現路徑。ABR的設計目標是選擇最穩定的路徑。其理論依據是：過去一段時間里保持靜止的節點，接下來很可能繼續保持靜止狀態。因此，節點獲取鏈路穩定狀態的方法是周期性地向鄰居廣播信標分組，節點根據一段時間內從某條鏈路接收到的信標分組的數量來估計該鏈路的穩定程度。在尋徑階段，路由請求分組中記錄所經過的每條鏈路的穩定度、鏈路質量等信息。目的節點在收到第一個RREQ后等待一段時間，待收到由同一個源發出的多個沿不同路徑的多個RREQ后（或超時后），選擇其中穩定度最高的路徑進行應答；如果穩定度一樣，選擇跳數最小的路徑。通過這種方法，ABR協議可以有效地降低重尋徑次數。另外，ABR引入了局部路徑修復機制，可以減小路由修復延遲和修復開銷。

132SSA協議

SSA（signal stability-based adaptive routing）^[20]協議也是一種按需路由協議，其路由機制與ABR類似。與ABR不同的是，SSA根據信號強度判斷鏈路穩定程度。節點維護一張鏈路信號強度表（SST），里面記錄每一個鄰居和自己的連接信號強度。每個節點周期性地向鄰居廣播信標分組。根據接收到的信標分組，節點可以獲取鄰居與自己之間鏈路的信號強度，并將鄰居分成強連接（信號較強）和弱連接（信號較弱）兩類。只有強連接的節點才可以添加到路由表中作為到目的節點的下一跳。在路由發現階段，源節點洪泛廣播路由請求，中間節點只轉發來自強連接鄰居節點的路由請求分組，來自SST表中弱連接節點的路由請求分組會被直接丟棄。這樣就保證了目的節點收到路由請求分組所經過的路徑由強信號鏈路組成。目的節點會立即應答第一個收到的路由請求，即選擇信號最強路徑中的延時最短路徑。SSA可能存在的問題是，當源與目的節點間只有弱信號路徑存在時，它可能找不到路徑。

133FORP協議

FORP（flow oriented routing protocol）^[21]是一種基于距離向量的按需路由協議，使用類似DSR的路由發現過程。FORP通過GPS設備獲取節點的位置和運動速度信息估計路徑的生存時間，一方面可以根據路徑生存時間選路，另一方面可以在鏈路即將斷開之前通知源節點重新尋徑。根據節點的運動速度、當前的距離和節點傳輸半徑可以計算出多長時間之后，節點之間的距離會大于傳輸半徑，也就等于得到了鏈路的生存時間。在尋徑階段，源節點洪泛廣播Flow-REQ分組進行尋徑。Flow-REQ分組每經過一個節點都會記錄經過的鏈路的預計生存時間LET。目的節點收到Flow-REQ后，選取路徑中最小的鏈路LET值作為路徑的預計生存時間。目的節點可以此選擇一條生存期最長的路徑。同時，該協議還可以預測路徑中斷的時間，可以提前開始重尋徑的工作。依賴于節點位置信息和移動預測能力，FORP能減少路徑修復次數，降低因路徑中斷帶來的延遲。

2抗毀拓撲結構生成方案

本章介紹通過建立穩定的拓撲結構來提高網絡整體抗毀性的方法。不論是路徑發現還是路徑維護，都是建立在一定的網絡拓撲結構之上的，因此，提高網拓撲結構的穩定性，也就能夠提高網絡路由的穩定性。

21基于核結構的分布式路由方案

CEDAR（core-extraction distributed Ad hoc routing protocol）^[22]協議是一種基于核結構的路由協議。該協議主要包含三個組成部分：a)在網絡中提取核節點。提取核節點就是要找出網絡的近似最小支配集(minimum dominating set)。核節點就是最小支配集中的支配節點。方法是每個節點周期性地廣播beacon消息，其中包含自己的鄰居個數和哪些鄰居選擇自己作為支配節點。其原則是選擇鄰居數最多的節點以及被最多鄰居選為支配節點的節點作為核節點。這樣保證了核節點的節點數較少。b)擴散鏈路狀態。CEDAR協議可以檢測鏈路信號強度、帶寬信息，并在核節點間交換鏈路質量變化信息。傳播原則是信號緩慢增加和信號快速下降的鏈路信息傳播得遠。c)通過核節點進行路徑發現。路徑發現時會利用b)中傳遞的質量好的鏈路，以便于選擇存活時間長、質量好的路徑。由于b)c)都是在核節點上進行，這就在提高網絡抗毀性的同時，避免了控制開銷的急劇增加。

22基于備用簇頭的分簇方案

備用簇頭方案^[23]針對分簇路由協議，目的是加強簇結構的穩定性。在傳統的分簇協議中，網絡被分割成若干的簇，每個簇有一個簇頭節點，簇內節點的通信通過簇頭轉發。因此，如果簇頭移出簇的范圍或發生故障，它所屬的整個簇都需要重構。為此在傳統分簇協議基礎上提出了一種新方法以延長簇的生存時間。簇內節點通過周期性地廣播hello消息，交換節點的位置、剩余能量等信息，以選出一個主簇頭 (primary cluster head，PCH)。PCH承擔傳統分簇協議的轉發數據分組和交換局部拓撲信息的工作。PCH選取剩余能量最大且距離自己最近的簇內節點作為第二簇頭（second cluster head，SCH），并將這一決定通知簇內節點。SCH作為未來的簇頭，不承擔簇頭的具體工作，只是記錄局部拓撲信息，緩存PCH需要轉發的數據分組，以便將來必要時可以馬上接替PCH。當PCH無法再擔任簇頭時(移出簇的范圍、節點故障或剩余能量太低等原因)， SCH將升級成PCH，并再選一個節點作為新的SCH。同樣，當SCH不能再擔當備用簇頭時，PCH也會重新選出一個SCH。通過這種策略，簇的平均生存期會延長，網絡中因簇重構而造成的控制開銷和延遲也會減小。

3結束語

提高無線自組織網絡的抗毀性方法還有很多，如使用分集編碼（diversity coding）技術。文獻[24]就提出了這樣一種方案：源節點將數據進行冗余編碼，并將這些數據沿多條路徑傳輸。目的節點只要能收到一定比例的分組就可以解碼出原始數據。因此只要多路徑的質量不同時下降，就不會出現較大的端到端丟包，并且冗余數據量不大。結合具體應用的特性進行網絡協議設計，以適應無線網絡環境，也是提高抗毀性的一個途徑。例如文獻[25]提供了一種傳輸視頻的方法，通過將視頻編碼成多個視頻流，Ad hoc網絡中的多條路徑同時傳輸，可以改善傳輸性能。另外，基于地理位置信息的逐跳分組轉發（參見文獻[26]及其中引用的文獻）也是提供抗毀路由能力的一種重要方法。這種轉發機制的優點在于：無須節點保持流狀態，具有較好的可擴展性和抗毀性。缺點在于：a）需要配備節點位置獲知裝置;b）通常需要復雜的位置服務機制來提供動態無線網絡中其他節點的位置信息；c)路由性能受位置服務能力和節點位置精確性影響較大。

如前所述，不同的抗毀策略帶來的性能改進方面不同，同時也會引入額外的開銷。有些協議需要特殊硬件的支持，如SSA需要網卡能提供鏈路信號強度，FORP需要節點有GPS設備；另外不同的應用對傳輸延遲和丟包率的需求也不同，如文件傳輸需要所有的數據都正確傳送，因此對丟包率更加敏感；實時視頻和音頻傳輸能容忍一定的丟包，但是對延遲有較高的要求。因此，應根據實際應用的需求和網絡設備的性能特性選擇相應的抗毀策略。

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