無(wú)線Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究與應(yīng)用分析?

程 宇 閆鑫欣

（海軍裝備部駐武漢地區(qū)第五軍事代表室 武漢 430205）

1 引言

目前構(gòu)建蜂窩網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線局域網(wǎng)主要依靠骨干網(wǎng)、基站或AP 接入點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施［1］。而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)則是通過(guò)對(duì)等的移動(dòng)終端形成一個(gè)多跳的分布式自治系統(tǒng)，基于終端位置形成各種各樣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?］。無(wú)線自組網(wǎng)設(shè)備作為核心設(shè)施，其具有的快速拓展、強(qiáng)抗毀以及無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的特性，成為戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字通信的優(yōu)選技術(shù)，并滿足當(dāng)前海軍數(shù)字化和信息戰(zhàn)的需要［3～4］。當(dāng)前美軍基于Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開展了無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)控制器和數(shù)字電臺(tái)等無(wú)線自組網(wǎng)設(shè)備，并裝備于部隊(duì)單兵、車載、指揮所等各種場(chǎng)合［5～6］。Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)是基于無(wú)線信道的動(dòng)態(tài)變化的自組網(wǎng)，其體系架構(gòu)、服務(wù)質(zhì)量保障和應(yīng)用等問(wèn)題復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)比較困難［7～8］。導(dǎo)致傳統(tǒng)固網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用的各種技術(shù)協(xié)議不能有效使用，因此，有必要開展Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)和接口協(xié)議設(shè)計(jì)研究。

2 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由分類結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)路由驅(qū)動(dòng)模式在不同應(yīng)用場(chǎng)景有所區(qū)別，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議分為反應(yīng)式和混合式兩類路由協(xié)議［9～11］。同時(shí)基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異，混合式又分為分層路由和平面路由，如圖1所示。

圖1 Ad hoc單播路由分類結(jié)構(gòu)示意圖

3 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

3.1 序列距離矢量路由協(xié)議（DSDV）

距離矢量路由協(xié)議（DSDV），是基于逐跳的協(xié)議，通過(guò)周期性廣播對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的連通性進(jìn)行維護(hù)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一張路由表，目的節(jié)點(diǎn)、跳數(shù)、序列號(hào)以及到它們的距離等相關(guān)信息放置在該路由表中。節(jié)點(diǎn)通過(guò)更新自身當(dāng)前序列號(hào)消息，傳輸序列號(hào)和距離信息。沒(méi)有下一跳的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建新的序列號(hào)，并將其應(yīng)用于下一次廣播中。針對(duì)給定目的節(jié)點(diǎn)的路由表，以分組的方式將其發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)，DSDV 以分布的方式進(jìn)行目的節(jié)點(diǎn)樹維護(hù)。

3.2 動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DSR）

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DSR），是一種按需路由協(xié)議，并且基于源路由以高速緩沖區(qū)的方式對(duì)節(jié)點(diǎn)所有路由進(jìn)行存放。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A 發(fā)送數(shù)據(jù)至節(jié)點(diǎn)G 時(shí)，在緩存中檢查是否存有未過(guò)期路由，若有，則選擇有效的路由；若無(wú)，則開啟路由的發(fā)現(xiàn)過(guò)程。以下是路由的發(fā)現(xiàn)過(guò)程：

1）通過(guò)采用洪泛法，在源節(jié)點(diǎn)A 中對(duì)請(qǐng)求消息RREQ 進(jìn)行發(fā)送，通過(guò)附帶節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)對(duì)RREQ 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。見圖2。

圖2 DSR路由發(fā)現(xiàn)示意圖

2）當(dāng)RREQ 消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，G 將發(fā)送路由應(yīng)答消息RREP 至節(jié)點(diǎn)A，A 和G 之間的路由信息記錄下來(lái)，為RREP提供調(diào)用的數(shù)據(jù)源。

3）采用cached方式，節(jié)點(diǎn)能夠?qū)憫?yīng)消息進(jìn)行發(fā)送，并能夠?qū)β酚蛇M(jìn)行存儲(chǔ)和監(jiān)聽，這種方法建立在基于混雜模式的基礎(chǔ)上，同時(shí)為了降低生存期，基于分組跳記數(shù)方式以避免本地沖突。

3.3 距離矢量路由協(xié)議（AODV）

距離矢量路由協(xié)議（AODV），是基于反應(yīng)式的路由協(xié)議［12］，這種協(xié)議能夠動(dòng)態(tài)創(chuàng)建路由表并進(jìn)行維護(hù)。為了創(chuàng)建路由表，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，AODV 發(fā)起請(qǐng)求，在路由維護(hù)過(guò)程中對(duì)路由表之間的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行維持，以下是反應(yīng)式路由協(xié)議的詳細(xì)過(guò)程：

1）路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程：路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的開啟是建立在源節(jié)點(diǎn)路由表中沒(méi)有有效的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在路由表中創(chuàng)建一個(gè)反向路由，與源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并對(duì)一個(gè)路由請(qǐng)求分組RREQ 進(jìn)行廣播，通過(guò)在路由表中對(duì)有效路由進(jìn)行檢索，若存在有效路由，則應(yīng)答；若不存在有效路由，則對(duì)RREQ 進(jìn)行廣播。源節(jié)點(diǎn)為了創(chuàng)建正向路由，在目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)答RREQ 的時(shí)候，采用相對(duì)的方式，構(gòu)建源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的反向路由，并發(fā)送RREP至源節(jié)點(diǎn)。

2）路由維護(hù)過(guò)程：通過(guò)使用定期的消息機(jī)制對(duì)路由進(jìn)行維護(hù)，在節(jié)點(diǎn)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)下一跳節(jié)點(diǎn)的消息未接收到，表示此節(jié)點(diǎn)的鏈路已經(jīng)處于不在線狀態(tài)，會(huì)將相關(guān)的故障情況發(fā)送至上游節(jié)點(diǎn)。

3.4 場(chǎng)景模擬和性能比較

1）性能分析

為了驗(yàn)證表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議的性能，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)發(fā)送，在路由表的支持下，節(jié)點(diǎn)能夠快速對(duì)路由表進(jìn)行檢索，查詢目的節(jié)點(diǎn)的有效路徑，發(fā)送時(shí)延小；而針對(duì)按需路由協(xié)議，創(chuàng)建路徑與檢索路徑同時(shí)進(jìn)行。如果沒(méi)有檢索到有效路由時(shí)，在路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制的支持下，對(duì)有效路由進(jìn)行檢索，采用此種方法費(fèi)時(shí)耗力，而且影響業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2）ns模擬和性能對(duì)比

通過(guò)選擇3 個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)小場(chǎng)景進(jìn)行分析。定義固定比特率業(yè)務(wù)流CBR 每0.05s發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)，CBR 在模擬10s 后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，200 秒停止。模擬三種路由協(xié)議，通過(guò)gawk 腳本統(tǒng)計(jì)分析trace文件，由此得出分組投遞率等，見表1。

表1 場(chǎng)景分組投遞率對(duì)比

由上表看出，所有投遞率接近于1。通過(guò)gawk腳本，每10s對(duì)傳輸速率進(jìn)行計(jì)算，見圖3。

圖3 三個(gè)節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景傳輸速率的對(duì)比分析

由圖3 可知，AODV 的傳輸速率優(yōu)于DSR 和DSDV。

4 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由接口技術(shù)研究

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可為海軍編隊(duì)提供信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩嘧冃裕瑢?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸比較困難。

4.1 可靠流及擴(kuò)展的鏈路度量

基于PPPoE 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，無(wú)線鏈路建立成功后，PPPoE 客戶端的無(wú)線發(fā)射設(shè)備與PPPoE 服務(wù)端的路由器建立PPPoE 會(huì)話。無(wú)線發(fā)射設(shè)備對(duì)鏈路狀態(tài)進(jìn)行周期性探測(cè)，發(fā)送PADQ 報(bào)文至本地路由器，路由器計(jì)算鏈路成本和權(quán)重。無(wú)線發(fā)射設(shè)備周期性發(fā)送數(shù)據(jù)速率至本地路由，形成流量控制機(jī)制。見圖4。

圖4 可靠流鏈路鄰居建立示意圖

4.2 無(wú)線路由控制協(xié)議（R2CP）

R2CP 在無(wú)線發(fā)射設(shè)備與路由設(shè)備間，利用UDP進(jìn)行無(wú)線鏈路度量值的共享。R2CP能夠建立無(wú)線發(fā)射設(shè)備和本地路由器，以及描述遠(yuǎn)端鄰居的會(huì)話，而不會(huì)額外增加消息頭，見圖5。

圖5 R2CP鄰居建立示意圖

設(shè)備上電后，R2CP實(shí)體與路由設(shè)備上的R2CP實(shí)體通過(guò)配對(duì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用心跳保持聯(lián)系。當(dāng)本地和對(duì)端無(wú)線設(shè)備之間正式建立通道后，雙邊的設(shè)備與本地路由器建立R2CP協(xié)議鄰居。無(wú)線設(shè)備通過(guò)對(duì)鏈路進(jìn)行周期性探測(cè)，收集鏈路度量值在本地路由對(duì)報(bào)文進(jìn)行更新。

4.3 動(dòng)態(tài)鏈路交換協(xié)議（DLEP）

DLEP 通過(guò)使用MANET 消息格式獲取鏈路度量值。設(shè)備上電后，DLEP 實(shí)體與路由設(shè)備上的DLEP 實(shí)體通過(guò)配對(duì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用心跳消息保持聯(lián)系。當(dāng)本地?zé)o線設(shè)備探測(cè)到一個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)時(shí)，立即通知本地DLEP 實(shí)體，設(shè)備進(jìn)行路由收斂，通過(guò)更新報(bào)文發(fā)送鏈路情況至DLEP 實(shí)體。如果遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)斷開，本地?zé)o線設(shè)備立即預(yù)警丟失鄰居，有效縮短路由收斂時(shí)間。見圖6。

圖6 DLEP鄰居建立示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先給出了無(wú)線Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)路由的分類結(jié)構(gòu)，以路由技術(shù)和接口為著眼點(diǎn)，從路由優(yōu)選和路由交互兩個(gè)技術(shù)方面出發(fā)，對(duì)當(dāng)前無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由和接口技術(shù)進(jìn)行了研究，為無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)在海軍通信系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和設(shè)備研究奠定了基礎(chǔ)。