一种基于Ad Hoc网络的跨层路由优化协议

摘要

本发明公开了一种基于Ad Hoc网络的跨层路由优化协议，Ad Hoc网络中的节点周期性地广播路由报文，该路由报文的内容是本地节点至网络中其他节点的主路径，其他节点根据接收到的路由广播报文更新路由信息；跨层路由优化协议需要周期性广播路由表主路径信息，这样的报文被称为广播报文，type字段表示报文的类型，path[m]表示到目的节点的路径信息，hop表示路径的跳数，pq表示路径的质量，pt表示路径的排队时延，node[n]表示经过的节点；跨层路由优化协议涉及物理层、MAC层以及网络层，其中MAC层是将链路质量、节点排队时延与跳数相结合，作为路由协议的路由度量。

说明书

技术领域

本发明属于跨层路由优化协议领域，具体涉及一种基于AdHoc网络的跨层路由优化协议。

背景技术

近年来，随着网络的高速发展，AdHoc网络的应用普及率越来越广，移动无线网络已成为人们工作与生活必不可少的重要媒介。传统的无线网络多数是基于固定的控制中心，需要基站与移动交换子系统的支撑才能中转需要传递的信息。移动AdHoc网络是一种自组织网络，具有动态的拓扑结构，网络内部的各个节点可自由移动。移动AdHoc网络中的路由协议需要根据链路状态的变化选择合适的路径，传统分层路由协议可采用按需路由协议、表驱动路由协议或混合式路由协议，但这些协议均只关注网络中某一层功能的优化，想要进行性能优化也只能局限于协议栈的局部优化。本发明能打破协议栈的分层界线，采用“跨层”的理念实现路由协议的优化。

现有移动AdHoc网络中的路由协议主要有三大类，分别是：按需路由协议、表驱动路由协议、混合式路由协议。

按需路由协议。典型的按需路由协议包括DSR协议、AODV协议，其相关的路由表与网络拓扑结构信息是按需生成的，虽在一定程度上减少了网络开销，但获取的只是部分拓扑结构信息，该种协议是在网络节点发送数据但还没有到达目的节点的时段内才发出路由查询，对于已经获得的路由可暂存一段时间，待检测其失效后再进行路由查询，增加了时延，对于一些实时性要求高的业务并不适宜。

表驱动路由协议。典型的表驱动路由协议包括DSDV协议、OLSR协议以及FSR协议，在采用表驱动路由协议的网络中，每个移动节点会周期性向邻居节点广播数据报，交换更新路由信息，一旦检测到路由发生变化，就会根据协议中的路由算法维护路由表，保证路由表信息与网络状态的同步与准确。由于该协议会生成大量的广播报文，所以开销较大，也占用了较多的可用带宽。

混合式路由协议。典型的混合式路由协议是ZRP协议、HMesh(OLSR+AODV协议的结合)协议，该种类型协议不仅有按需路由协议的特点，也具有表驱动路由协议的特点，是根据距离进行协议的分类应用。在近距离网络通信时，采用表驱动路由协议；在较远距离通信时，采用按需路由协议，能更好地实现路由的发现与维护管理。

与本发明最近的是混合式路由协议中的分层路由协议HMesh。基于移动AdHoc网络的分层路由HMesh协议能实现多跳的无线网络，能增加传统蜂窝网络的无线接入范围。分层路由HMesh协议是基于分层的网络结构，采用的是混合式路由协议。其中，分层的网络结构主要包括核心网络、固定骨干网络以及移动接入网络。

分层网络拓扑结构主要包括客户端无线Mesh网络，骨干Mesh网络以及Internet骨干网络，可以提供蜂窝网、传感网和单纯移动Ad Hoc网络所不能提供的高可行通信服务。其中，Mesh路由器不仅有路由功能，还具备一定的网关功能，可以作为数据报的转发节点，也可以通过有线网络与其他网络中的节点进行互联。分层网络中混合式路由的基本处理流程如下描述：

1、Mesh路由器基于树的路由协议，首先建立骨干Mesh路由器的树形拓扑，连接网络中所有的网关节点与Mesh路由器，骨干网络中使用表驱动路由协议OLSR。

2、对于接入的网络，路由器使用的是被动协议AODV协议。网关根据网络运行状况，周期性地广播RREQ消息报文，保证Mesh路由器到网关之间的路由是通畅的。

3、Mesh客户端之间采用的是ADOV协议，当骨干节点接收到RREQ消息报文时，实时更新路由信息，并回复Mesh客户端，避免生成不稳定的路由信息，减少因洪泛RREQ而引起的通信开销。

4、当AdHoc网络中的移动节点发送RREQ消息报文时，Mesh路由器一旦接收到RREQ消息报文，先查询路由器本地的OLSR路由表；若路由表中没有到达目的节点的路径信息，路径查询过程就转换至被动路由中；若路由表中有到达目的节点的路径信息，则直接根据路由表进行转发处理。

与本发明最近的是混合式路由协议中的分层路由协议HMesh，该种分层路由协议存在的主要问题是：

1、Mesh客户端节点容易受到网络流量以及移动性的影响，每次链路断开时都需要重新找到路由信息，而频繁找路由信息会增加开销与负载，影响了网络整体性能。

2、现有对分层路由HMesh协议的研究中，多数是以跳数作为度量指标，而对于干扰、能量等方面影响网络路由性能的研究甚少，OLSR与AODV两者主被动协议间的切换与结合有时因路由的不合理选择或者网络资源的不合理利用而增加网络内干扰，导致无线资源利用不均衡。

发明内容

解决的技术问题：针对上述现有Mesh客户端节点容易受到网络流量以及移动性的影响，每次链路断开时都需要重新找到路由信息，而频繁找路由信息会增加开销与负载，影响了网络整体性能；OLSR与AODV两者主被动协议间的切换与结合有时因路由的不合理选择或者网络资源的不合理利用而增加网络内干扰，导致无线资源利用不均衡等技术问题，为了解决这些问题，本发明提出了一种基于Ad Hoc网络的跨层路由优化协议。

技术方案：

一种基于Ad Hoc网络的跨层路由优化协议，所述基于Ad Hoc网络的跨层路由建立过程的设计为Ad Hoc网络中的节点周期性地广播路由报文，该路由报文的内容是本地节点至网络中其他节点的主路径，其他节点根据接收到的路由广播报文更新路由信息，具体为：Step1:node1节点发送广播路由报文sop后，网络中各个节点收到sop报文后，遍历报文中节点node1到各个目的节点的所有路径信息，并查看本地节点路由表中是否已有到各个目的节点的路由信息，若有，则执行step2，若没有，则执行step4；

Step2:分析判断本地路由表中到各个目的节点的路由信息，是否包含sop报文中的节点node1到目的节点的路径信息，若有，则分析下一跳节点是否含有其他邻居节点，若是，则执行step3；否则，执行step4；

Step3:根据邻居节点的路由sop报文所包含的路径信息，计算各条路径的路径质量；Step4:将sop报文中的节点node1到目的节点的路径信息保存至本地节点路径组中，计算各条路径的路径质量；

Step5:计算本地路由表中各条路径的排队时延，再生成各条路径的路径权重，取权值最大的路径为主路径，其余作为备份路径；

Step6:网络将本地节点到各个目的节点的主路径信息传递至MAC层，返回step1继续。进一步的，所述路径质量是指本地节点到目的节点所经过的所有链路中，取链路质量的最小值。

进一步的，所述Step5中路径排队时延是指本地节点到目的节点所经过的链路中，各个中间节点的排队延时总和。

进一步的，所述路由表是存储在移动AdHoc网络中网络层内存中的一张覆盖全网的路由信息表，表中记录的是本地节点至网络中其他节点的路径信息。

进一步的，所述路由表中DST数组内存储的是本地节点到各个目的节点的主路径mp以及备份路径sp[N]，DST[MAX_NODE]中的数组下标表示当前移动AdHoc网络所能支持的最大节点数目，而每条备份路径sp[N]中包含了跳数、路径排队时延以及路径节点Node[MAX_HOP],MAX_HOP是Node数组中某一路径中支持的最大跳数。

进一步的，所述跨层路由优化协议需要周期性广播路由表主路径信息，这样的报文被称为广播报文，type字段表示报文的类型，path[m]表示到目的节点的路径信息，hop表示路径的跳数，pq表示路径的质量，pt表示路径的排队时延，node[n]表示经过的节点。

进一步的，跨层路由优化协议涉及物理层、MAC层以及网络层，其中MAC层是将链路质量、节点排队时延与跳数相结合，作为路由协议的路由度量。

进一步的，所述跨层路由优化协议中路由维护过程实现二大功能，分别是：路由的稳定性感知、路由的合理化切换，所述路由的稳定性感知是根据路由的质量与状态变化能感知下一周期路由质量，并能做好快速有效的拓扑调整，具体为：

Step1：MAC层根据记录的最近l个统计周期中本节点到邻居节点的链路质量，分析链路质量是呈上升还是下降趋势，若趋势为下降，则进行路由的合理化切换处理；否则，记录本周期的链路质量；

Step2：根据公式

Step3：根据计算生成的下一周期的链路质量值，判断该值是否小于链路质量的阈值，若小于，则进行路由的合理化切换处理，否则转至step1。

进一步的，所述路由的合理化切换，若感知下一周期的路由质量变低，则可以将路由切换成路径质量高的备份路径；若没有合适的备份路径，则需要进行路由的局部调整，具体为：Step1:通过查询本地路由表，判断路径组中是否存在合适的备份路径，若有，则切换并执行备份路径；

Step2：删除路由表中原来的主路径信息，将选择的备份路径信息填入路由表，转至step6；

Step3:node1节点向邻居节点广播至目的节点的REQ报文，判断在一周期内是否接收至REP应答报文；若有REP应答报文，则执行step4，否则执行step5；

Step4:对接收到REP应答报文进行分析，提取其中的路径信息，并将这些路径信息根据权重进行排序，将权值最大的路径作为主路径，其余作为备份路径，分别填入路由表；

Step5:node1节点向全网广播至目的节点的INCALID失效报文，清除路由表中至目的节点的路径信息；

Step6:将路由表中生成的新路径信息反馈给MAC层。

进一步的，所述一个周期是指网络中的路由报文由本地节点通过若干个中间节点的转发而到达目的节点的过程时间,具体根据当前AdHoc网络的带宽、吞吐量、时延性能指标设定一下周期阈值，该阈值5-10个周期，也就是节点发送报文后，判断5-10个周期内是否接收至应答报文。

有益效果：

1、本发明打破协议栈的分层界线，采用“跨层”的理念提出的基于物理层、MAC层与网络层的跨层路由协议，能通过物理层获取的信息实现路由共享，提高链路质量，并达到优化路由性能的目的。

2、本发明将MAC层中的链路质量、节点排队时延与跳数相结合，作为路由协议的路由度量，可增强路由的可靠性，提高数据传输的准确性。

3、相对于有线网络，Ad Hoc网络的通信环境更为多变复杂，不同层次的路由协议都相互协作配合才能从整体上优化网络路由性能。

4、本发明提出的基于物理层、MAC层与网络层的跨层路由协议，能通过物理层获取的信息实现路由共享，提高链路质量，并达到优化路由性能的目的。

5、现有对分层路由协议的研究中，多数只是以跳数作为度量指标，本发明将MAC层中的链路质量、节点排队时延与跳数相结合，作为路由协议的路由度量，可增强路由的可靠性，提高数据传输的准确性。

6、本发明的跨层路由优化协议能提高链路质量，优化路由性能。

附图说明

图1为现有技术基于移动Ad Hoc网络的分层网络拓扑结构图。

图2为本申请路由表信息图。

图3为本申请广播报文的格式设计图。

图4为本申请跨层信息交互示意图。

图5为本申请路由建立过程的设计示意图。

图6为本申请Ad doc网络的拓扑结构示意图。

图7为本申请节点的报文投递率对比图。

图8为本申请节点网络时延对比图。

具体实施方式

以下通过实施例说明本发明的具体步骤，但不受实施例限制。

在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

在下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

根据下述实施例和比较例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例和比较例所描述内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1

一种基于Ad Hoc网络的跨层路由优化协议，所述跨层路由优化协议能提高链路质量，优化路由性能，路由表结构的设计为：路由表是存储在移动AdHoc网络中网络层内存中的一张覆盖全网的路由信息表，表中记录的是本地节点至网络中其他节点的路径信息。路由表信息如图2所示。

所述DST数组内存储的是本地节点到各个目的节点的主路径mp以及备份路径sp[N]，DST[MAX_NODE]中的数组下标表示当前移动Ad Hoc网络所能支持的最大节点数目。而每条备份路径sp[N]中包含了跳数、路径排队时延以及路径节点Node[MAX_HOP],MAX_HOP是Node数组中某一路径中支持的最大跳数。

所述服务标识号SID完成查询或发生改变时，都会启动路由器缓存管理模块，缓存管理模块就是采用一定的缓存算法管理存储的内容，应用较普遍的是MRU算法与FIFO算法。其中，FIFO算法就是先进先出算法。路由器缓存管理模块的处理流程设计如图2。

所述跨层路由优化协议需要周期性广播路由表主路径信息，这样的报文被称为广播报文，其格式设计如图3所示；其中，type字段表示报文的类型，path[m]表示到目的节点的路径信息，hop表示路径的跳数，pq表示路径的质量，pt表示路径的排队时延，node[n]表示经过的节点。

所述路由度量参数设计，跨层路由优化协议主要涉及物理层、MAC层以及网络层。其中MAC层是将链路质量、节点排队时延与跳数相结合，作为路由协议的路由度量。跨层信息交互设计如图4所示。

所述路由建立过程的设计，AdHoc网络中的节点周期性地广播路由报文，该路由报文的内容是本地节点至网络中其他节点的主路径，其他节点根据接收到的路由广播报文更新路由信息。如图5所示：

Step1:node1节点发送广播路由报文sop后，网络中各个节点收到sop报文后，遍历报文中节点node1到各个目的节点的所有路径信息，并查看本地节点路由表中是否已有到各个目的节点的路由信息，若有，则执行step2,若没有，则执行step4。

Step2:分析判断本地路由表中到各个目的节点的路由信息，是否包含sop报文中的节点node1到目的节点的路径信息，若有，则分析下一跳节点是否含有其他邻居节点，若是，则执行step3。否则，执行step4。

Step3:根据邻居节点的路由sop报文所包含的路径信息，计算各条路径的路径质量。

Step4:将sop报文中的节点node1到目的节点的路径信息保存至本地节点路径组中，计算各条路径的路径质量。

Step5:计算本地路由表中各条路径的排队时延，再生成各条路径的路径权重，取权值最大的路径为主路径，其余作为备份路径。

Step6:网络将本地节点到各个目的节点的主路径信息传递至MAC层，返回step1继续。其中路径质量是指本地节点到目的节点所经过的所有链路中，取链路质量的最小值。

路径排队时延是指本地节点到目的节点所经过的链路中，各个中间节点的排队延时总和。进一步的，所述路由维护过程的设计是路由维护过程主要实现二大功能，分别是：路由的稳定性感知、路由的合理化切换。

路由的稳定性感知，路由的稳定性感知是根据路由的质量与状态变化能感知下一周期路由质量，并能做好快速有效的拓扑调整，具体步骤如下：

Step1:MAC层根据记录的最近l个统计周期中本节点到邻居节点的链路质量，分析链路质量是呈上升还是下降趋势，若趋势为下降，则进行路由的合理化切换处理；否则，记录本周期的链路质量。

Step2:根据公式

Step3:根据计算生成的下一周期的链路质量值，判断该值是否小于链路质量的阈值，若小于，则进行路由的合理化切换处理，否则转至step1。

所示路由的合理化切换，若感知下一周期的路由质量变低，则可以将路由切换成路径质量高的备份路径。若没有合适的备份路径，则需要进行路由的局部调整：

Step1:通过查询本地路由表，判断路径组中是否存在合适的备份路径，若有，则切换并执行备份路径。

Step2：删除路由表中原来的主路径信息，将选择的备份路径信息填入路由表，转至step6。

Step3:node1节点向邻居节点广播至目的节点的REQ报文，判断在某一周期内是否接收至REP应答报文。若有REP应答报文，则执行step4，否则执行step5。

Step4:对接收到REP应答报文进行分析，提取其中的路径信息，并将这些路径信息根据权重进行排序，将权值最大的路径作为主路径，其余作为备份路径，分别填入路由表。

Step5:node1节点向全网广播至目的节点的INCALID失效报文。清除路由表中至目的节点的路径信息。

Step6:将路由表中生成的新路径信息反馈给MAC层。

实施例2：

实验测试环境是基于Ad doc网络的，拓扑结构如下图6所示：Ad doc网络拓扑中共包含了四个网络子域，分别是：Network1、Network2、Network3、Network4，每个子域网中都设置有资源服务管理器与路由器。具体的实验测试参数如下表所示：

表1实验测试参数

(一)报文投递成功率测试

在网络拓扑缓慢变化与节点移动的情况下，ZRP协议、HMesh(OLSR+AODV协议的结合)协议、以及本发明的跨层路由优化协议CLROP(Cross layer routing OptimizationProtocol)的报文投递成功率均能保持到95％以上。当网络拓扑变化加快、节点移动速度加快时，三种协议的报文传递成功率均下降，但由于CLROP协议不仅采用跳数作为路由度量，还考虑了链路质量与排队时延，同时还能预测下一周期链路质量，链路质量变差时可切换至权值最高的备份路径上，所以路由可靠性明显增强，报文传递成功率下降最慢。具体如下图7所示。

(二)网络时延测试

在Ad Hoc网络拓扑中，当节点移动速度小于5m/s时，CLROP协议的网络时延略高于HMesh协议，这是由于HMesh协议的路由跳数较少，而CLROP协议选择的是链路质量好的路由，并不是单独考虑跳数少的路由。当节点移动速度逐渐增大，CLROP协议的网络时延虽也不断增加，但相对于ZRP协议、HMesh协议而言，增加最为缓慢。这是因为CLROP协议需要定期广播路由报文，保存了所有到目的节点的路由信息，不需要等待路由的重新建立；同时加入了排队时延的路由度量指标，路由失效的可能性就会明显降低，从而使得网络时延增加缓慢。具体如下图8所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。