時(shí)間：2022-12-03 18:18:18
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇路由協(xié)議，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
一、動(dòng)態(tài)路由協(xié)議OSPF
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，路由器是一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的目的是網(wǎng)絡(luò)通過路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)是基于路由表。路由協(xié)議路由表，路由協(xié)議，作為一種重要的TCP / IP協(xié)議的，路由過程實(shí)現(xiàn)好壞將直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。簡單網(wǎng)絡(luò)可以通過靜態(tài)路由協(xié)議之間的網(wǎng)絡(luò)路由，如果您正在使用一個(gè)靜態(tài)路由協(xié)議，路由表將會(huì)非常大，靜態(tài)路由不會(huì)考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的現(xiàn)狀，并不能自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓吐酚尚省Ｋ裕诂F(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通常使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議自動(dòng)計(jì)算最佳路徑。OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，使用SPF演算法，用于選擇最佳路徑。基于帶寬更快的收斂速度，支持變長子網(wǎng)掩碼VLSM，路由強(qiáng)大的測量大型網(wǎng)絡(luò)（255），大多數(shù)人支持OSPF路由器的數(shù)量，現(xiàn)在已經(jīng)成為最廣泛使用的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。
二、動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分類
（1）根據(jù)角色路由協(xié)議的范圍可分為：內(nèi)部和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議運(yùn)行是在一個(gè)自治系統(tǒng)中，外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議是自治系統(tǒng)之間的輪換。OSPF是一個(gè)最常用的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。根據(jù)算法和路由協(xié)議可以分為鏈路狀態(tài)和距離向量協(xié)議，距離矢量協(xié)議包括RIP和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議。鏈路狀態(tài)協(xié)議與OSPF是基本相同的，主要區(qū)別在上述兩個(gè)算法和計(jì)算發(fā)現(xiàn)路由的方法。
（2）根據(jù)目的地址的路由協(xié)議類型可分為：單播和多播協(xié)議。單播協(xié)議包括RIP、OSPF和東部，包括PIM SM -多播協(xié)議，PIM - DM，等等。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，應(yīng)增加路由器運(yùn)行OSPF協(xié)議的數(shù)量，并將導(dǎo)致LSDB（鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）占用大量的存儲(chǔ)空間，增加SPF（最短路徑優(yōu)先）算法操作的復(fù)雜性，增加CPU的負(fù)擔(dān)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加拓?fù)渥兓母怕室矊⒃黾樱恳粋€(gè)變化可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路由器計(jì)算“動(dòng)蕩”，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)往往會(huì)導(dǎo)致所傳播的網(wǎng)絡(luò)會(huì)有很多OSPF協(xié)議信息，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。為了解決這個(gè)問題，OSPF協(xié)議將自治系統(tǒng)分為不同的區(qū)域（區(qū)域）。邏輯路由器的區(qū)域被劃分為不同的群體。每個(gè)區(qū)域獨(dú)立于SPF路由算法的基礎(chǔ)上運(yùn)行，這意味著每個(gè)地區(qū)都有自己的LSDB和拓?fù)涞囊徊糠帧?duì)于每個(gè)區(qū)域，區(qū)域外的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫遣豢梢姷摹Ｍ瑯樱恳粋€(gè)區(qū)域的路由器也不了解該地區(qū)以外的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。OSPF LSA無線電阻礙該地區(qū)邊界，大大減少了OSPF路由信息流動(dòng)，提高了OSPF運(yùn)行效率。路由器接口基于區(qū)域，而不是劃分基于路由器，路由器可以屬于一個(gè)區(qū)域，也可以屬于多個(gè)領(lǐng)域。屬于多個(gè)區(qū)域稱為區(qū)域邊界路由器，OSPF路由器應(yīng)注意邊界路由器特征，可以呈現(xiàn)主體與部分之間的關(guān)系，也可以是一個(gè)邏輯連接。
三、OSPF協(xié)議的路由算法
OSPF CO pen最短路徑優(yōu)先，使用開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議，選擇最佳路徑最短路徑算法（SPF），也被稱為Dijkstra算法。SPF演算法是基于OSPF路由協(xié)議的，SPF算法將每個(gè)路由器作為根（ROOT），計(jì)算每個(gè)目的地的距離路由器，每個(gè)路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算方法是根據(jù)一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)樹，SPF演算法得到最短路徑樹。OSPF路由協(xié)議，根據(jù)樹干的最短路徑長度，即每個(gè)目的地路由器的OSPF路由器距離，稱為OSPF成本，根據(jù)最短路徑通過最小化的成本價(jià)值判斷每個(gè)路由器基于成本的總和值鏈接。每個(gè)路由器使用SPF演算法來計(jì)算最短路徑樹的根，樹便給了自治系統(tǒng)路由，路由器從表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于最短路徑，最短路徑樹結(jié)構(gòu)是不同的每個(gè)路由器的路由表。
四、OSPF協(xié)議網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
1、網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的路由器的數(shù)量小于10，你可以選擇配置靜態(tài)路由或運(yùn)行RIP路由協(xié)議。隨著路由器的數(shù)量的增加，用戶網(wǎng)絡(luò)的變化對(duì)于路由收斂和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率有更高的要求，比如你應(yīng)該選擇使用OSPF協(xié)議。
2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是樹型（大多數(shù)這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由器只有一個(gè)出口），可以考慮使用默認(rèn)路由加靜態(tài)路由。如果網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和任意兩個(gè)路由器的需求相通，應(yīng)該使用OSPF動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。
3、對(duì)路由器自身的要求。運(yùn)行OSPF協(xié)議對(duì)于CPU處理能力和內(nèi)存有一定要求，低性能不推薦使用OSPF協(xié)議的路由器。為了使網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)劃基于OSPF協(xié)議應(yīng)考慮各種因素，找出IP資源、信道帶寬、網(wǎng)絡(luò)流量，如根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境形成的思維和方法配置和應(yīng)用程序需求，避免造成不必要的混亂，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整將時(shí)消除隱患。通過在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)，系統(tǒng)、全面地掌握網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備、工作原理和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。通過OSPF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想，提高網(wǎng)絡(luò)管理水平，確保網(wǎng)絡(luò)的安全、可靠、開放。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]王達(dá).Cisco/H3C交換機(jī)配置與管理完全手冊(cè)（第2版）[M].北京：中國水利水電出版社，2012
[2]公凌.路由和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議介紹及配置分析[fJl.機(jī)電信息，2013（9）：85一86
關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)； 按需距離矢量路由協(xié)議； ns-2
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）26-6002-03
自組網(wǎng)（Ad Hoc Networks）是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)[1]。作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，自組網(wǎng)主要應(yīng)用在沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支持的環(huán)境中，或現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不能滿足移動(dòng)性等要求的場合。例如，軍事作戰(zhàn)前線、救災(zāi)現(xiàn)場、臨時(shí)會(huì)議等等。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布的、移動(dòng)的、無線的、多跳網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行僅利用節(jié)點(diǎn)自身，所以如何快速準(zhǔn)確地找到發(fā)送數(shù)據(jù)包的路由并且維護(hù)路由，將最終決定Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能，而AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing）是專門為移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的按需路由協(xié)議，它在DSDV和DSR路由協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到，結(jié)合了兩者的特點(diǎn)[1，2]。它由路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制和路由維護(hù)機(jī)制兩部分組成，同時(shí)使用序列號(hào)來管理區(qū)分路由信息的新舊，相對(duì)其它路由來說，是比較成熟、可用的一種協(xié)議。
1 AODV簡介
AODV是專為Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的按需路由。它使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)地、自啟動(dòng)地、多跳地建立和維護(hù)一個(gè)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)。AODV路由基于DSDV和DSR之上，在建立路由的方式上對(duì)DSDV進(jìn)行了改進(jìn)，利用了DSDV的按跳（hop-by-hop）路由、順序編號(hào)和周期更新的機(jī)制，借用了DSR的路由發(fā)現(xiàn)和路由維持機(jī)制，不在源/目的節(jié)點(diǎn)間被選路徑上的節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)路由信息或參加路由表交換[3]。AODV的主要特征是每個(gè)路由表項(xiàng)都有一個(gè)目的序列號(hào)。該目的序列號(hào)由每個(gè)節(jié)點(diǎn)來維護(hù)，而且該目的序列號(hào)會(huì)沿著路由信息發(fā)送到請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。
2 AODV的機(jī)制與改進(jìn)
2.1 AODV路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制
文章主要介紹AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)試圖給某一未知節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組但其路由表中又沒有去往這個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的路徑，或先前的去往該目的節(jié)點(diǎn)的有效路由已經(jīng)過期或被置為不活動(dòng)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，廣播路由請(qǐng)求消息RREQ給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)。路由請(qǐng)求消息的格式[4]如下：
其中：Type：表示消息的類型，這里統(tǒng)一為1，表示該包為路由請(qǐng)求包。
D：若此標(biāo)記被置為true，表示只有目的節(jié)點(diǎn)才能初始化路由應(yīng)答消息；否則，凡是知道去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑的中間節(jié)點(diǎn)都可初始化路由應(yīng)答消息。
G：若此標(biāo)記被置為true，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生路由應(yīng)答時(shí)，在單播返回源節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，無償?shù)匕l(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。只有在雙向鏈路的時(shí)候才能置該值。
Hop Count：表示從源節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)；
RREQ-ID：標(biāo)識(shí)RREQ的序列號(hào)；
Path Node：從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器：節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)和廣播號(hào)。唯一確定一個(gè)路由請(qǐng)求。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)新的RREQ，這個(gè)RREQ的ID號(hào)比上一次RREQ的ID號(hào)大1，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只維護(hù)一個(gè)RREQ-ID。在廣播RREQ之前，源節(jié)點(diǎn)緩存RREQ-ID和它自己的地址，在預(yù)期的路由發(fā)現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)一直保存，以避免在接收到路由應(yīng)答的時(shí)候繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求包[5]。在一段時(shí)間后，如果節(jié)點(diǎn)沒有收到路由信息，則應(yīng)發(fā)送另一個(gè)路由請(qǐng)求信息，同時(shí)RREQ-ID增1。重復(fù)發(fā)送RREQ的次數(shù)應(yīng)有一個(gè)最大值。等待發(fā)送的數(shù)據(jù)包按“先進(jìn)先出（FIFO）”的原則存在發(fā)送隊(duì)列中，如果重復(fù)發(fā)送RREQ的次數(shù)達(dá)到最大值，則丟棄該包。
2.2 AODV協(xié)議的改進(jìn)
無線網(wǎng)絡(luò)的終端可能是筆記本電腦、手機(jī)或PDA之類的設(shè)備，當(dāng)筆記本電腦重啟后，原先那些數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失（路由表清空，序列號(hào)重設(shè)），這時(shí)，由于序列號(hào)的重新設(shè)置，很有可能造成暫時(shí)性的路由環(huán)路。這種暫時(shí)性的路由環(huán)路會(huì)造成不必要的路由和帶寬的浪費(fèi)，應(yīng)當(dāng)盡量防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。
為了防止這種可能的發(fā)生，文章對(duì)那些重啟后丟失自己序列號(hào)的節(jié)點(diǎn)在發(fā)送路由消息之前，設(shè)置等待時(shí)間x。在這段時(shí)間x里，如果節(jié)點(diǎn)接收到RREQ、RREP或是RERR控制包，則它根據(jù)控制包中的相應(yīng)信息（比如序列號(hào)）建立路由表項(xiàng)，但它不進(jìn)行任何的轉(zhuǎn)發(fā)。如果在x時(shí)間段內(nèi)，節(jié)點(diǎn)接收到單播發(fā)往某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，則該節(jié)點(diǎn)應(yīng)廣播RERR消息通知周圍節(jié)點(diǎn)，本節(jié)點(diǎn)現(xiàn)在不可用，然后重新等待x時(shí)間。在這段時(shí)間之后，重啟節(jié)點(diǎn)跳出等待狀態(tài)，重新開始路由，在這個(gè)時(shí)候，它的所有鄰居節(jié)點(diǎn)將不會(huì)再認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是它們的下一跳了，從而避免了路由環(huán)路的形成。該節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的RREQ來更新自己的序列號(hào)；如果沒有接收到RREQ，節(jié)點(diǎn)將自行初始化序列號(hào)，但不為0，0為保留數(shù)字，表示未知節(jié)點(diǎn)。
3 路由仿真實(shí)現(xiàn)
為了驗(yàn)證改進(jìn)的效果，在研究的過程中采用Ns-2（Network Simulator 2）網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[6]。針對(duì)上節(jié)對(duì)AODV的改進(jìn)方法，在理解ns-2中有關(guān)AODV代碼的情況下，對(duì)其進(jìn)行修改完善。定義的重啟后節(jié)點(diǎn)等待時(shí)間為5s，在這段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能接收路由信息，根據(jù)路由消息中的信息填寫自己的路由表信息，如果接收到數(shù)據(jù)包，則丟棄該包，發(fā)送路由出錯(cuò)消息RERR給發(fā)送數(shù)據(jù)方。實(shí)驗(yàn)場景是在一個(gè)500m*500m的范圍內(nèi)，一共10個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的靜止時(shí)間為0.1s，最大速度為30m/s。
實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖1和圖2所示，下面對(duì)模擬所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析。圖1和圖2分別展示了不同網(wǎng)絡(luò)場景的增加重啟動(dòng)作后的網(wǎng)絡(luò)性能和沒有增加重啟動(dòng)作的網(wǎng)絡(luò)性能的比較圖。在圖1中，在2s時(shí)，節(jié)點(diǎn)1啟動(dòng)cbr流量發(fā)生器，這時(shí)，節(jié)點(diǎn)1廣播路由請(qǐng)求消息RREQ，一直到3.8s，節(jié)點(diǎn)1才找到路由，發(fā)送數(shù)據(jù)包，查找路由一共花費(fèi)了1.8s時(shí)間；而在圖2中，節(jié)點(diǎn)1也是在2s時(shí)啟動(dòng)cbr流量發(fā)生器，但由于增加了重啟動(dòng)作，所以在前5s內(nèi)，它沒有廣播RREQ消息，而是通過hello消息包互相知道彼此的信息，填入自己的鄰居節(jié)點(diǎn)路由表信息中去。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在5s時(shí)節(jié)點(diǎn)1廣播了第一個(gè)路由請(qǐng)求消息，5.2s時(shí)節(jié)點(diǎn)1找到路由，發(fā)送了第一個(gè)數(shù)據(jù)包，這在一定程度上表明所改的程序運(yùn)行的正確性。
在采用是相同的網(wǎng)絡(luò)場景、相同的路由協(xié)議（只，而得到不同的數(shù)據(jù)圖，這是因?yàn)樵?s的時(shí)候，圖1中的節(jié)點(diǎn)1還在使用它在3.8s找到的路徑，因?yàn)檫@條路徑?jīng)]有損壞，而此時(shí)可能這條路徑不是節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)0的最短路徑，那些比它更短的路徑會(huì)較先返回RREP給節(jié)點(diǎn)1。這樣導(dǎo)致了在同樣的網(wǎng)絡(luò)場景，使用同樣的AODV的情況下，因時(shí)間上的小小差異，而得到不同的結(jié)果。
4 結(jié)論
本文介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本原理、并對(duì)影響其性能的關(guān)鍵點(diǎn)—路由協(xié)議問題進(jìn)行了研究。路由協(xié)議的選擇要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體環(huán)境和具體要求決定。在眾多的路由協(xié)議中，選擇AODV作為研究的重點(diǎn)，因?yàn)樗菍ｉT為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的按需型路由協(xié)議，具有一定的代表性。在對(duì)AODV 路由協(xié)議的機(jī)制和原理進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，提出了一種種改進(jìn)的AODV協(xié)議，用來避免路由環(huán)路，降低由路由環(huán)路造成的不必要的路由和帶寬的浪費(fèi)。Ad Hoc無線分組網(wǎng)絡(luò)的研究是一項(xiàng)長期而艱巨的工作，依然有許多尚待解決的問題，有待于在今后的工作中做進(jìn)一步的分析研究。
參考文獻(xiàn)：
[1] Mohapatra P，Srikanth V K.Ad hoc networks： technologies and protocols[M].New York： Springer，2005.
[2] 陳林星，曾曦，曹毅.移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)：自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.
[3] 黃全樂.Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及其應(yīng)用前景[J].山西電子技術(shù)，2007（1）：85-87.
[4] Sachin Kumar Gupta，R.K.Saket.Performance Metric Comparision of AODV and DSDV Routing Protocols in MANETs Using NS-2 [J].IJRRAS，2011，7（3）： 339-350.
>> 能量高效的WSN分簇路由協(xié)議研究 WSN中路由協(xié)議的研究 基于WSN的防火裝置路由協(xié)議的設(shè)計(jì) WSN中基于LEACH的改進(jìn)路由協(xié)議 WSN定向擴(kuò)散路由協(xié)議的改進(jìn)和實(shí)現(xiàn)研究 WSN經(jīng)典路由協(xié)議比較 基于地理信息的WSN的路由協(xié)議的比較研究 基于混合型智能算法的WSN路由協(xié)議優(yōu)化 一種基于分層的簇首成鏈WSN路由協(xié)議 基于WSN帶狀網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究 基于分簇的WSN路由算法研究及改進(jìn) 一種WSN中分簇路由算法的改進(jìn) 基于蟻群算法的WSN路由應(yīng)用研究 一種改進(jìn)基于WSN路由安全的研究 基于節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制的WSN路由優(yōu)化 基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的WSN最小跳路由算法 基于能耗和距離的WSN分簇路由算法 WSN中基于位置和能量的LEACH協(xié)議改進(jìn) 睡眠調(diào)度MAC協(xié)議在WSN中的應(yīng)用 WSN中LEACH協(xié)議的研究及改進(jìn) 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：l.
[4]X.Chen，J.Wu，The Handbook of Ad Hoc Wireless Networks，CRC Press Inc（2002年12月26日）.
[5]Jeffrey E.Wiesel their，Gam D.Nguyen and Anthony Ephremides，On the Construction of Energy-Efficient Broadcast and Multicast Trees in Wireless Networks，Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE，Volume：2.
[6]K.Makki，N.Pissinou，and O.Frieder，“Efficient solutions to multicast routing in communication networks，”Mobile Networks and Applications （MONET），1，pp.221-232，1996.
[7]E.M.Royer and C.K.Toh，”A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks，”IEEE Personal Comm.，pp.46-55，Apr.1999.
[8]3.P.Bose，P.Morin，I.Stojmenovic and J.Urrutia，”Routing with Guaranteed Delivery in Ad Hoc Wireless Networks，”Proc.Third Int’，l Workshop Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Comm.，pp.48-55，Aug.1999.
[9]Wendi Rabiner Heinzelman，Anantha Chandrakasan and Hari Balakrishnan，Energy-Efficient Communication Protocol forWireless Microsensor Networks，Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences-2000.
[10]Charles E.Perkins，Elizabeth M.Belding-Royer，Samir R.Das，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中基于距離數(shù)組的按需（AODV）路由協(xié)議，2003.7.http：///link？url=wdahusmqcYoqMAGq81MdZYTuDwMcPbeYLf8iiejzW51OPHC_mphWpnS7Sg0oGwnWCBC0EodzmTQhIEa2m7SUnIe8BQZzH1ujRCCYEYvGJr3.
[11]Wendi Rabiner Heinzelman，Joanna Kulik，Hari Balakrishnan，Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks，in：Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking（MobiCom99），Seattle，WA，Aug.15-19，1999.
[12]K.Scott，N.Bambos，Routing and channel assignment for low power transmission in PCS，California Univ.，Los Angeles，CA In proceeding of：Universal Personal Communications，1996.Record.，1996 5th IEEE International Conference on.
[13]Toh，C.K.，Maximum battery life routing to support ubiquitous mobile computing in wireless ad hoc networks，Communications Magazine，IEEE （Volume：39， Issue：6）2001.
[14]I.F.Akyildiz，W.Su，Y.Sankasubramaniam，E.Cayirci，Wireless sensor networks：A survey，Computer Networks 38（2002） 393-422.
[15]Suesh Singh and Mke Woo，Power-Aware Routing in Mobile Ad Hoc Networks，12/2001，Source：CiteSeer，http：///publication/2379876_Power-Aware_Routing_in_Mobile_Ad_Hoc_Networks.
[16]Bambos，N.Stanford Univ.，CA，USA，Toward power-sensitive network architectures in wireless communications：concepts，issues，and design aspectshttp：///xpl/freeabs_all.jsp？arnumber=683739.
關(guān)鍵詞:RIP;OSPF;BGP;Netsim;Dynamips;zebra
中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2009)15-3878-03
Actual Situation Combining Studying Routing Protocol
LI Wan-gao, HU Yao-dong
(Network Management Center, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191,China)
Abstract: Routing protocols is a important member of the TCP/IP protocol family, Is the cornerstone of the current Internet, First, this paper introduce several going routing protocols for the current Internet applications,analyzes the characteristics of the three most important routing protocols( RIP,OSPF,BGP). Then combine the network teaching and network training, Introduce several virtual or simulation methods, Study, configure, analysis the related routing protocols.We realize to study ,configure, analysis routing protocol and to capture, analysis the protocols at the lower of teaching, training costs.
Key words: RIP; OSPF; BGP; netsim; dynamips; zebra
1 引言
由于當(dāng)前社會(huì)信息化的不斷推進(jìn),人們對(duì)數(shù)據(jù)通信的需求日益增加。自TCP/IP協(xié)議簇于七十年代中期推出以來,現(xiàn)已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也成為了最大、最重要的網(wǎng)絡(luò)。路由器作為IP網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備已經(jīng)得到空前廣泛的應(yīng)用。
2 路由器的概念及工作原理
路由器是工作在OSI參考模型第三層--網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,它通過路由表決定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)策略稱為路由選擇(routing),這就是路由器名稱的由來(router,轉(zhuǎn)發(fā)者)。路由器通過轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連,所以路由器是Internet網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
雖然路由器可以支持多種協(xié)議(如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等協(xié)議),但大多數(shù)路由器運(yùn)行TCP/IP協(xié)議。路由器通常連接兩個(gè)或多個(gè)由IP子網(wǎng)或點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議標(biāo)識(shí)的邏輯端口,至少擁有1個(gè)物理端口。路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址以及路由器內(nèi)部維護(hù)的路由表決定輸出端口以及下一跳地址,并且重寫鏈路層數(shù)據(jù)包頭實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由器通過路由表來反映當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并通過與網(wǎng)絡(luò)上其他路由器交換路由和鏈路信息來維護(hù)路由表。
3 主流路由協(xié)議及特點(diǎn)
決定路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的方法可以是人為指定,即采用靜態(tài)路由,但人為指定工作量大,而且不能采取靈活的策略,于是動(dòng)態(tài)路由協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生,動(dòng)態(tài)路由協(xié)議通過傳播、分析、計(jì)算、挑選路由,來實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)、路由選擇、路由切換和負(fù)載分擔(dān)等功能。
Internet上現(xiàn)在大量運(yùn)行的路由協(xié)議有RIP、OSPF和BGP。RIP、OSPF是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Interior Gateway Protocol,簡稱IGP),適用于單個(gè)ISP的網(wǎng)絡(luò)。由一個(gè)ISP運(yùn)營和管
理的網(wǎng)絡(luò)稱為一個(gè)自治系統(tǒng)(AS),BGP是自治系統(tǒng)間的路由協(xié)議,是一種外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。
RIP協(xié)議(Routing Information Protocol)是推出時(shí)間最長的路由協(xié)議,也是最簡單的路由協(xié)議。它是“路由信息協(xié)議”的縮寫,主要傳遞路由信息(路由表)來廣播路由:每隔30秒,廣播一次路由表,維護(hù)相鄰路由器的關(guān)系,同時(shí)根據(jù)收到的路由表計(jì)算自己的路由表。RIP運(yùn)行簡單,適用于小型網(wǎng)絡(luò),Internet上還在部分使用著RIP。
OSPF(Open Shortest Path First)協(xié)議是“開放最短路由優(yōu)先”的縮寫。“開放”是針對(duì)當(dāng)時(shí)某些廠家的“私有”路由協(xié)議而言,而正是因?yàn)閰f(xié)議開放性,才造成OSPF今天強(qiáng)大的生命力和廣泛的用途。它通過傳遞鏈路狀態(tài)(連接信息)來得到網(wǎng)絡(luò)信息,維護(hù)一張網(wǎng)絡(luò)有向拓?fù)鋱D,利用最小生成樹算法(SPF算法)得到路由表。OSPF是一種相對(duì)復(fù)雜的路由協(xié)議。
總的來說,OSPF、RIP都是自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由協(xié)議,適合于單一的ISP使用。一般說來,整個(gè)Internet并不適合使用單一的路由協(xié)議,因?yàn)楦鱅SP有自己的利益,不愿意提供自身網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)的路由信息。為了保證各ISP利益,標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了ISP間的路由協(xié)議BGP。
BGP(Border Gateway Protocol)是“邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議”的縮寫,處理各ISP之間的路由傳遞。其特點(diǎn)是有豐富的路由策略,這是RIP、OSPF等協(xié)議無法做到的,因?yàn)樗鼈冃枰值男畔⒂?jì)算路由表。BGP通過ISP邊界的路由器加上一定的策略,選擇過濾路由,把RIP、OSPF、BGP等的路由發(fā)送到對(duì)方。BGP的出現(xiàn),引起了Internet的重大變革,它把多個(gè)ISP有機(jī)的連接起來,真正成為全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)。
4 學(xué)習(xí)路由協(xié)議的方法
動(dòng)態(tài)、健壯的路由對(duì)于 Internet 網(wǎng)絡(luò)來說極其重要,因此任何一個(gè)初涉此領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)工程師不僅需要理解路由的概念,而且要有能力在復(fù)雜的的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下正確使用各種路由協(xié)議。但是,對(duì)于大多數(shù)人來說,只有在學(xué)校或者網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中才有條件學(xué)習(xí)路由,而且還要一直受到實(shí)踐時(shí)間和實(shí)踐條件的困擾。如何克服這些不利的條件快速、高效地學(xué)習(xí)并掌握路由器的配置?掌握動(dòng)態(tài)路由的交互過程?下面結(jié)合作者的體會(huì),給出了三種虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)路由協(xié)議的方法。
4.1 使用模擬軟件
這種方法被網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)廣泛的使用,通常培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的做法是購買一到兩臺(tái)低端的路由器,讓學(xué)員熟悉硬件基本結(jié)構(gòu)及軟件的配置管理后,大量使用模擬軟件來代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。例如,思科的認(rèn)證大量使用Boson Netsim for CCNA(CCNP)等軟件,華為的認(rèn)證采用HW-RouteSim等軟件。
這些軟件共同的特征是通過經(jīng)典的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)員快速掌握設(shè)備配置的能力,但這些實(shí)驗(yàn)的共同特征是受到設(shè)備數(shù)量的限制,通常不會(huì)多于3臺(tái),很難進(jìn)行對(duì)動(dòng)態(tài)路由的配置及檢驗(yàn),即使使用自定義實(shí)驗(yàn),也很難有改觀,基本無法使用抓包工具進(jìn)行協(xié)議分析。這樣的實(shí)驗(yàn)基本是以單個(gè)設(shè)備為出發(fā)點(diǎn)的,對(duì)深入了解路由協(xié)議的交互作用不大。
4.2 使用Dynamips加真實(shí)的IOS
Dynamips是Christophe Fillot編寫的一個(gè)Cisco7200模擬器。它模擬了Cisco7206的硬件平臺(tái),而且運(yùn)行了標(biāo)準(zhǔn)的7200 IOS文件,目前的版本(0.2.8RC2,20071014)已經(jīng)可以模擬出Cisco 7200 (NPE-100 to NPE-400),Cisco 3600 (3620, 3640 and 3660),Cisco 2691,Cisco 3725, Cisco 3745,Cisco 2600 (2610 to 2650XM),Cisco 1700 (1710 to 1760)等路由器。在Web站點(diǎn),這種模擬器作用如下:
1) 作為一個(gè)培訓(xùn)平臺(tái),使用真實(shí)環(huán)境中的軟件。Cisco作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全球領(lǐng)頭人,這款模擬器會(huì)讓大家更熟悉Cisco的設(shè)備。
2) 測試和試驗(yàn)Cisco IOS的特性。
3) 快速檢驗(yàn)即將在真實(shí)環(huán)境中部署的配置
當(dāng)然,這個(gè)模擬器不能替代真實(shí)的路由器,對(duì)于Cisco網(wǎng)絡(luò)管理員或者想通過CCNA/CCNP/CCIE考試的人來說,是一個(gè)簡單補(bǔ)充真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工具。可以在ipflow.utc.fr/blog/ 網(wǎng)站下載原版的Dynamips,提供的有windows和Linux版本,如果不想深入了解Dynamips的機(jī)制,僅僅想用其做試驗(yàn),推薦使用工大普瑞集成好的軟件試驗(yàn)包,可以在/ 下載。
Dynamips的優(yōu)點(diǎn)是它是開放源代碼的系統(tǒng),并運(yùn)行了真實(shí)的IOS系統(tǒng),拉近了我們到高端路由的距離。使我們的計(jì)算機(jī)變成了一臺(tái)路由器,在目前的主流配置計(jì)算機(jī)上,運(yùn)行5個(gè)路由器是沒什么問題的,可以很方便的熟悉Cisco路由器,檢驗(yàn)即將工作的路由器的配置,可以分析路由的交互。Dynamips的不足是對(duì)計(jì)算機(jī)的CPU占用率有點(diǎn)高(通過對(duì)參數(shù)的修改,可以改變),另外抓取路由間交互的路由信息的不太方便。
4.3 使用Zebra路由軟件
Zebra 是一個(gè)開源的 TCP/IP 路由軟件,同 Cisco Internet 網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(IOS)類似。它靈活而且具有強(qiáng)大的功能,可以處理路由信息協(xié)議(RIP)、開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)以及這些協(xié)議的所有變體。它的發(fā)行遵循 GNU 通用公共許可協(xié)議,可以運(yùn)行于 Linux 以及一些其他的 Unix 變體操作系統(tǒng)上。最新版本的 zebra-0.95a (20050908) 以及文檔可以從 GNU Zebra 網(wǎng)站上下載。
Zebra 的設(shè)計(jì)獨(dú)特,它采用模塊的方法來管理協(xié)議。可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要啟用或者禁用協(xié)議。Zebra 最為實(shí)用的一點(diǎn)是它的配置形式和 Cisco IOS 極其類似。盡管它的配置與 IOS 相比還是有一些不同,但是對(duì)于那些已經(jīng)熟悉 IOS 的網(wǎng)絡(luò)工程師來說在這種環(huán)境下工作將相當(dāng)自如。
我們以Fedora Core 4 Linux為例,安裝測試zebra-0.95a的功能,可以采用普通的PC機(jī)或Vmware虛擬出的客戶機(jī),安裝兩塊以上能被系統(tǒng)識(shí)別的網(wǎng)卡。首先從下載zebra-0.95a.tar.gz,解壓縮后直接按Install文件的過程安裝,./configure,make,make check,make install完成安裝,安裝完成后配置文件位于/usr/local/etc/下,包括bgpd.conf.sample,bgpd.conf.sample2,ospf6d.conf.sample,ospfd.conf.sample,ripd.conf.sample,ripngd.conf.sample,zebra.conf.sample等文件。
基本配置和使用:zebra 守護(hù)進(jìn)程是實(shí)際的路由管理者,控制著其他模塊;而且用戶主要通過它進(jìn)行交互。最先需要配置Zebra 守護(hù)進(jìn)程,將zebra.conf.sample拷貝為zebra.conf,Zebra.conf 配置文件的內(nèi)容很簡單,除了注釋外有效的為以下三行。
hostname Router
password zebra
enable password zebra
hostname 指定了當(dāng)您進(jìn)入交互式配置方式時(shí)的路由器名。它可以是任何一個(gè)標(biāo)識(shí),不一定要和機(jī)器的主機(jī)名相同,password 指定了登錄進(jìn)入交互式 Zebra 終端時(shí)需要的密碼。enable password 指定了當(dāng)您想要改變配置時(shí)以較高級(jí)別身份訪問 Zebra 所需要的密碼。
創(chuàng)建了 /etc/zebra/zebra.conf 文件以后,我們現(xiàn)在可以執(zhí)行下面的命令來啟動(dòng) zebra 守護(hù)進(jìn)程:
# zebra Cd
然后通過 telnet 到的機(jī)器的 2601 端口,就可以進(jìn)入 Zebra 交互式會(huì)話。
在交互式終端中操作很簡單。要獲得可用命令的提示,您可以在任何時(shí)刻按?鍵,然后命令的選項(xiàng)就會(huì)出現(xiàn)在屏幕上。如果您正在構(gòu)建您自己的 Zebra 路由器,而且您有配置 Cisco 路由器的經(jīng)驗(yàn)的話,您會(huì)覺得這個(gè)配置過程非常熟悉。
到這里為止,只有 Zebra 被配置好并且運(yùn)行起來了,但是還沒有任何其他的協(xié)議。接下來將進(jìn)入配置的實(shí)質(zhì)內(nèi)容,下面介紹這一過程。
使用 Zebra 安裝配置 RIP 路由,我們已經(jīng)在Linux上安裝配置了網(wǎng)絡(luò)接口,接下來我們?cè)賹?duì)它進(jìn)行配置,使之可以與 RIP更新協(xié)同工作。正如已經(jīng)提到過的,Zebra 使用單獨(dú)的守護(hù)進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)路由協(xié)議,所以必須首先為 RIP 守護(hù)進(jìn)程在/usr/local/etc/目錄下創(chuàng)建一個(gè)簡單的配置文件ripd.conf,可以直接將ripd.conf.sample拷貝而得到。一個(gè)基本的 /usr/local/etc/ripd.conf 文件內(nèi)容如下:
hostname ripd
password zebra
然后我們啟動(dòng) ripd 守護(hù)進(jìn)程 :
# ripd -d
完成后,我們可以 telnet 到Zebra 路由器的 2602 端口來配置 RIP 守護(hù)進(jìn)程。
OSPF路由,BGP路由也和RIP路由的配置類似。
Zebra是這三種軟件中最為強(qiáng)大的一個(gè)軟件,它可以將一個(gè)普通的PC機(jī),變?yōu)橐粋€(gè)功能強(qiáng)大的路由器,通過和相關(guān)的網(wǎng)卡連接,可以和真實(shí)的路由器交換路由信息,可以通過Sniffer等工具抓取相應(yīng)的路由會(huì)話,了解動(dòng)態(tài)路由的交互。
5 結(jié)束語
Boson Netsim for CCNA(CCNP),HW-RouteSim等軟件,給我們提供了一些經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)配置案例;Dynamips讓我們運(yùn)行了真實(shí)Cisco的IOS;Zebra將普通的PC變?yōu)榱寺酚善鳌Ｍㄟ^對(duì)真實(shí)路由器的了解,結(jié)合模擬或仿真的路由環(huán)境,可以讓即將步入崗位的網(wǎng)絡(luò)工程師快速地了解、掌握動(dòng)態(tài)路由的配置,同時(shí)也能給網(wǎng)絡(luò)知識(shí)的教學(xué)或培訓(xùn)提供一種很好的幫助。
參考文獻(xiàn):
[1] Christophe Fillot, Help for Cisco router simulator.[R] ipflow.utc.fr/blog/.
[2] Steve6309. Dynamips使用指南.[R] /.
關(guān)鍵詞：《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施
《路由協(xié)議與配置》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)不但可以強(qiáng)化所學(xué)習(xí)的理論，而且可以把這些理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能。使他們畢業(yè)后能順利地到中小型企業(yè)、公司從事網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、組裝、管理和維護(hù)工作。為了實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建一個(gè)恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)模式極其重要。[1]
一、《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式簡介
《路由協(xié)議與配置》這門課程，主要培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)的分析、設(shè)計(jì)、管理與應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)技能，加深對(duì)網(wǎng)絡(luò)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，以達(dá)到懂、建、管、用的目的。通過《路由協(xié)議與配置》實(shí)現(xiàn)全過程的教學(xué)，即從質(zhì)疑出的問題開始，經(jīng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、釋疑或分析該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，寫出報(bào)告的過程中，是學(xué)生通過觀察和實(shí)驗(yàn)手段處理《路由協(xié)議與配置》問題時(shí)的基本程序和技能，具備敢于質(zhì)疑的習(xí)慣，嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的態(tài)度和不斷求索的精神，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力和操作能力，學(xué)會(huì)思考問題、解決問題，提高學(xué)生對(duì)《路由協(xié)議與配置》學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)和興趣，培養(yǎng)一技之長。
《路由協(xié)議與配置》從本質(zhì)上說是一門實(shí)驗(yàn)課程，理論的建立，都必須以嚴(yán)格的《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。在觀察和實(shí)驗(yàn)中，需要掌握基本程序和技能，要有嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的態(tài)度和勤于思考、尋求規(guī)律的探索精神，以及較強(qiáng)的觀察能力、思維能力和操作能力。為了更好地實(shí)現(xiàn)《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，需要恰當(dāng)可行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即“理論，實(shí)驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)，設(shè)計(jì)”四位一體。理論，即課堂中所學(xué)的知識(shí)“夠用”即可;實(shí)驗(yàn)，即在學(xué)到的理論知識(shí)指導(dǎo)下，學(xué)會(huì)檢測某些《路由協(xié)議與配置》數(shù)據(jù)，學(xué)會(huì)使用基本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能按一定的要求正確完成《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)操作，分析和處理所得結(jié)果;實(shí)訓(xùn)，即與就業(yè)崗位緊密接軌的各種實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)，即以現(xiàn)有就業(yè)崗位為目標(biāo)，推進(jìn)高級(jí)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。[2]
二、《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施
行動(dòng)導(dǎo)向是一個(gè)教學(xué)論方案，它將認(rèn)知過程與職業(yè)活動(dòng)結(jié)合在一起，強(qiáng)調(diào)“為了行動(dòng)而學(xué)習(xí)，在行動(dòng)中學(xué)習(xí)”。教師是學(xué)的主導(dǎo)者和協(xié)調(diào)者，而學(xué)生則是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程遵循“資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施、檢查、評(píng)估”這一完整的行動(dòng)過程序列，在自己動(dòng)手的實(shí)踐過程中，掌握職業(yè)技能、習(xí)得專業(yè)知識(shí)，構(gòu)建屬于自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)體系。教學(xué)的關(guān)鍵在于為學(xué)生創(chuàng)建“學(xué)習(xí)情境”，所以主要的教學(xué)場所以實(shí)訓(xùn)室為中心，主要的教學(xué)組織形式是分組教學(xué)，主要教學(xué)方法為“理論，實(shí)驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)，設(shè)計(jì)”四位一體。為了有效開展教學(xué)，我們根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)特點(diǎn)加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)，我院組建了網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)訓(xùn)室，該實(shí)訓(xùn)室由5個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)組成。這樣的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室可以模擬出各種真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足大多數(shù)的學(xué)習(xí)領(lǐng)域課程教學(xué)要求。[3]
《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)由淺入深、循序漸進(jìn)，由感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中，興趣引導(dǎo)式教學(xué)是讓學(xué)生獲得對(duì)《路由協(xié)議與配置》的最直接認(rèn)識(shí)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法。比如，在講解靜態(tài)路由這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，選舉現(xiàn)實(shí)生活中的例子――交通指示牌，既貼近生活，又易于理解。啟發(fā)實(shí)驗(yàn)式教學(xué)應(yīng)以問題為驅(qū)動(dòng)、引導(dǎo)學(xué)生思考和理解基本理論知識(shí)，并設(shè)置相關(guān)較容易理解并具有一定靈活性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目幫助學(xué)生們消化理論知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生積極開動(dòng)腦筋把理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合起來。其特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體作用，實(shí)現(xiàn)教師主導(dǎo)作用與學(xué)生積極學(xué)習(xí)相結(jié)合;強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)書本知識(shí)與直接經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。一般來說，啟發(fā)式教學(xué)可分為置問、設(shè)置場景、解問、反饋與評(píng)價(jià)等幾個(gè)環(huán)節(jié)。
《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置應(yīng)以導(dǎo)出問題為出發(fā)點(diǎn)、以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和思考理論知識(shí)為目的;簡單的驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)難以引發(fā)學(xué)生思考，達(dá)不到啟發(fā)式教學(xué)的目的。因此，在制定和選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之前， 應(yīng)當(dāng)首先確定教學(xué)的理論知識(shí)點(diǎn)的相應(yīng)問題，也就是啟發(fā)式教學(xué)的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)―――置問。此外，因?yàn)椴煌瑢哟螌W(xué)生的已有知識(shí)和理解能力有一定的差異，所以問題的確定也應(yīng)當(dāng)按照學(xué)生當(dāng)前的基礎(chǔ)水平來進(jìn)行;合適的問題才能激發(fā)他們解決問題的動(dòng)機(jī)，釋放出他們的活力。在興趣引導(dǎo)式教學(xué)階段從學(xué)生的表現(xiàn)可以大致了解他們當(dāng)前具備的基礎(chǔ)，可以由此進(jìn)行問題的設(shè)置。完成了置問后，接著可以選擇合適的實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要注意的是實(shí)驗(yàn)場景的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)直觀易懂，并且為問題的提出完成順理成章的鋪墊，即具有目標(biāo)導(dǎo)向性;另外，也要具有一定的彈性，即實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)包含盡量多的因素，以適應(yīng)較多變化，避免出現(xiàn)限制學(xué)生思維的消極影響，有彈性的實(shí)驗(yàn)場景也有助于學(xué)生提出創(chuàng)造性、研究性課題。在實(shí)驗(yàn)中，可以采取小組實(shí)驗(yàn)的形式。在一個(gè)小組中，不同學(xué)生將逐漸承擔(dān)不同的角色，如對(duì)實(shí)驗(yàn)有深入了解的同學(xué)不只是自己正確就可以，還需要幫助其他同學(xué)共同完成，讓“小先生”的角色功能最大化。通過互動(dòng)，提高學(xué)生之間探討問題的熱情，使他們變被動(dòng)為主動(dòng)的進(jìn)行學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，可適當(dāng)講述一些基本概念和基本原理，但不宜深入，更不能講述完一個(gè)章節(jié)或幾個(gè)章節(jié)之后再做實(shí)驗(yàn)，否則很容易引起學(xué)生對(duì)課程不感興趣甚至厭學(xué)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完之后，在課堂上應(yīng)按預(yù)先設(shè)置的問題和實(shí)驗(yàn)過程詳細(xì)展開分層理論模型的講述，在解釋問題的同時(shí)讓學(xué)生接受相關(guān)理論知識(shí)。講述完理論知識(shí)之后，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握會(huì)由實(shí)驗(yàn)時(shí)的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，此時(shí)教師可根據(jù)指導(dǎo)過程中觀察到的情況，請(qǐng)有代表性的小組派代表向全班講述本組實(shí)驗(yàn)體會(huì)和根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)作總結(jié)。教師鼓勵(lì)他們大膽表述自己的意見，發(fā)揚(yáng)教學(xué)民主并給出及時(shí)評(píng)價(jià)。最后教師針對(duì)各代表的報(bào)告情況，做出總結(jié)性講評(píng)。
三、《路由協(xié)議與配置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式評(píng)價(jià)
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式評(píng)價(jià)中實(shí)行以人為本的整體性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)開放化，立足社會(huì)需求，做到課程標(biāo)準(zhǔn)與職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)的接軌，實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)生職業(yè)生涯發(fā)展的協(xié)調(diào)。評(píng)價(jià)主體多元化，不僅有學(xué)校和教師的評(píng)價(jià)，也有學(xué)生自評(píng)和互評(píng)，以及企業(yè)、行業(yè)的評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式評(píng)價(jià)方式綜合化，采用過程性評(píng)價(jià)、階段性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合，教師評(píng)價(jià)、學(xué)生評(píng)價(jià)、社會(huì)評(píng)價(jià)相結(jié)合。[4]
四、小結(jié)
隨著高等職業(yè)教育的跨越式發(fā)展，教育市場的競爭將日趨激烈，我院以“外語強(qiáng)，技能硬，綜合素質(zhì)高”為培養(yǎng)目標(biāo)，只有不斷更新理念，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新， 才能培養(yǎng)出適應(yīng)不斷調(diào)整的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的高級(jí)技能應(yīng)用型人才，才能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展， 實(shí)現(xiàn)辦學(xué)目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱文球，李長云，滿君豐.以就業(yè)為導(dǎo)向的IT人才培養(yǎng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探討[J].福建電腦，2008（11）：24-25
[2] 張進(jìn)松.創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式提升人才培養(yǎng)層次[J].科協(xié)論壇，2009（5）
關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；RPL；IP；能量路由
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）01-0057-03
0 引 言
低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 （RPL）是IETF的ROLL（Routing Over Low power and Lossy networks ）工作組，專門針對(duì)低功耗有損網(wǎng)絡(luò)LLN（Low power and Lossy network）新提出來的路由協(xié)議[1]。低功耗有損網(wǎng)絡(luò)是由功率、存儲(chǔ)空間、處理能力等資源受限的嵌入式設(shè)備所組成的網(wǎng)絡(luò)。它們可以通過多種鏈路連接，比如IEEE 802.15.4、藍(lán)牙、低功率Wi-Fi，甚至低功耗電力線通信（PLC）等等。ROLL將LLN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要?jiǎng)澐譃樗膫€(gè)領(lǐng)域[2]：城市網(wǎng)絡(luò)（包括智能電網(wǎng)應(yīng)用）、建筑自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化以及家庭自動(dòng)化，并且分別制定了針對(duì)四個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的路由需求[3-6]。由于LLN的獨(dú)特性，傳統(tǒng)的IP路由協(xié)議，比如OSPF、IS-IS、AODV、OLSR，無法滿足其獨(dú)特的路由需求，因此ROLL工作組制定了RPL協(xié)議，其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)RFC6550[1]于2012年3月。
本論文首先介紹了RPL的應(yīng)用場景及基本原理，并在路徑選擇策略中加入了對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量的考慮；最后通過仿真驗(yàn)證了改進(jìn)后的路由協(xié)議的性能。
1 RPL協(xié)議工作原理
RPL是一個(gè)矢量路由協(xié)議，通過構(gòu)建有向非循環(huán)圖（DAG）來形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，加入DAG中的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)形成一條指向根節(jié)點(diǎn)的路徑。RPL主要為數(shù)據(jù)匯聚型的場景設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)流量由葉節(jié)點(diǎn)指向根節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然RPL也擴(kuò)展支持多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（MP2P）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）的應(yīng)用場景。
圖1所示為典型的DAG結(jié)構(gòu)。其中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有一條指向根節(jié)點(diǎn)的路徑。
1.1 DODAG的形成
DODAG（Destination Oriented Directed Acyclic Graph）是面向目的地的有向非循環(huán)圖的簡稱，可以視為物理網(wǎng)絡(luò)上的邏輯路由拓?fù)洹?/p>
RPL中定義了由多種ICMPv6消息來控制拓?fù)涞男纬伞IO消息用于通告有關(guān)DODAG的參數(shù)，例如DODAGID、目標(biāo)函數(shù)（OF）、DODAG版本號(hào)等[1]。其中OF規(guī)定了拓?fù)浣⒓白顑?yōu)父節(jié)點(diǎn)的選擇方式，規(guī)定了節(jié)點(diǎn)級(jí)別的計(jì)算方法，是路徑選擇的首要參考標(biāo)準(zhǔn)。級(jí)別決定了節(jié)點(diǎn)在DODAG中的相對(duì)位置，主要用于避免回路。DAO消息是用來建立從根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)的“向下”的路徑。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力，RPL協(xié)議中將節(jié)點(diǎn)類型定義為可存儲(chǔ)型和非存儲(chǔ)型，兩者的區(qū)別在于是否存儲(chǔ)有路由表信息。在圖1中，當(dāng)D節(jié)點(diǎn)要和E節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，如果B節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)是非存儲(chǔ)型，那么必須先追溯到根節(jié)點(diǎn)A，查找路由，即路徑為D—C—B—A—B—C—E。若C為可存儲(chǔ)型節(jié)點(diǎn)，則只需追溯到共同的祖先節(jié)點(diǎn)即可找到路由，即路徑為D—C—E。DIS消息用于向鄰居節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求DODAG信息。當(dāng)一個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)沒有收到任何DIO消息的時(shí)候，可通過DIS向周圍節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求DODAG信息。收到DIS消息的節(jié)點(diǎn)會(huì)反饋DIO消息給DIS源節(jié)點(diǎn)。
如圖1所示，首先A節(jié)點(diǎn)通過DIO消息廣播自己創(chuàng)建的DODAG信息，收到DIO消息的節(jié)點(diǎn)根據(jù)OF來決定是否應(yīng)該加入該DODAG；加入之后然后再向自己周圍的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播DIO消息；這樣一層一層地建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入DODAG之后，就自動(dòng)創(chuàng)建一條“向上”匯聚到根節(jié)點(diǎn)的路徑。“向下”的路徑則由DAO消息完成。
1.2 定時(shí)器管理
RPL中使用細(xì)流算法[7]來控制DIO消息的發(fā)送。細(xì)流算法是一個(gè)適應(yīng)性的機(jī)制，用來限制控制協(xié)議的開銷。與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)不同，LLN網(wǎng)絡(luò)有著非常有限的資源，必須盡可能的減少控制協(xié)議消息所占的比例，但同時(shí)又必須要維護(hù)好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)以較高的頻率發(fā)送控制包；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定時(shí)，則控制流的速率減少。算法中定義了控制消息發(fā)送間隔參數(shù)I，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很穩(wěn)定時(shí)，則I成倍的增加；而網(wǎng)絡(luò)有動(dòng)蕩時(shí)，則發(fā)送間隔迅速降為最小值，高頻率的發(fā)送控制消息以修復(fù)網(wǎng)絡(luò)。
本文借助Contiki系統(tǒng)中的Cooja模擬器，對(duì)RPL協(xié)議進(jìn)行了仿真。圖2所示為節(jié)點(diǎn)布局圖，并在圖3中以節(jié)點(diǎn)5為例展示了DIO消息的發(fā)送控制過程。從圖3中可以看到，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)剛形成逐步趨于穩(wěn)定的時(shí)候，DIO消息發(fā)送間隔成倍增加；圖3中23：00和01：20附近陡峭的轉(zhuǎn)折點(diǎn)表明此時(shí)監(jiān)測到節(jié)點(diǎn)5和網(wǎng)絡(luò)存在不一致性，迅速將控制消息發(fā)送間隔調(diào)至最小值以迅速修復(fù)網(wǎng)絡(luò)。
1.3 環(huán)路避免機(jī)制
RPL中規(guī)定，在沿著葉節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的路徑上，節(jié)點(diǎn)級(jí)別必須是遞減的[1]，即父節(jié)點(diǎn)的級(jí)別必須小于子節(jié)點(diǎn)的級(jí)別。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中位置發(fā)生改變時(shí)，必須根據(jù)父節(jié)點(diǎn)重新計(jì)算自己的級(jí)別。假設(shè)節(jié)點(diǎn)N的最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)為P，P的級(jí)別為R（P），那么N的級(jí)別R（N）計(jì)算公式為：
R（N）=R（P）+ rank_increase
rank_increase為子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)級(jí)別的差值，其算法在OF中有定義。
節(jié)點(diǎn)的級(jí)別在環(huán)路避免中有著重要的意義。RPL協(xié)議也通過在包頭上設(shè)定標(biāo)志位來附帶路由控制數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)包被循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)。
2 考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的RPL協(xié)議
2.1 RPL協(xié)議原始路由方案
目標(biāo)函數(shù)決定了RPL協(xié)議的路徑選擇方式。目前RPL的官方文件中，只明確定義了零目標(biāo)函數(shù)（OF0）[8]，即以跳數(shù)（HC）為最佳路徑選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)，而其他的目標(biāo)函數(shù)則由開發(fā)者根據(jù)需求靈活定義。比如對(duì)鏈路可靠性要求較高的應(yīng)用，可將鏈路質(zhì)量作為路由選擇的首要考慮標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)能量受限的環(huán)境則可以定義在路徑中盡量避開電池供電節(jié)點(diǎn)。在文檔RFC6551[9]中，提出了多種可供開發(fā)者參考的路由度量。
在選擇路徑時(shí)，若只考慮跳數(shù)因素，必然會(huì)導(dǎo)致Sink周邊節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)壓力過大，從而使關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量過早消耗而死亡。文獻(xiàn)[10]將網(wǎng)絡(luò)的生命長度定義為第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間。對(duì)于能量受限的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)，如何平衡能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)整體壽命，是協(xié)議要考慮的重要因素。
2.2 優(yōu)化之后的RPL路由方案
目前已有多種針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化的路由協(xié)議，比如分級(jí)能量路由協(xié)議LEACH和TEEN，以數(shù)據(jù)為中心的能量有效路由協(xié)議DD和SPIN，還有基于地理位置的路由協(xié)議GPSR和GEAR等[11]。 但這些協(xié)議都很難實(shí)現(xiàn)和RPL協(xié)議的融合。RPL協(xié)議是通過在container metric中，定義路徑選擇時(shí)所考慮的參數(shù)，然后再以一定的方式將所需要考慮的參數(shù)相結(jié)合，從而確定一個(gè)合理的路徑選擇方案。
本篇論文中采取的是跳數(shù)（HC）和節(jié)點(diǎn)能量（EN）相結(jié)合的方式。結(jié)合方式有兩種[12]，一種是Lex，一種是Add。Lex是指優(yōu)先考慮跳數(shù)，只有在跳數(shù)相同的情況下，才考慮節(jié)點(diǎn)能量；而Add則是采取兩種參數(shù)綜合考慮的方式，按照一定的比例相結(jié)合，即：
其中：
本文對(duì)這兩種不同的結(jié)合方式做了仿真對(duì)比。
2.3 RPL協(xié)議改進(jìn)前后的仿真對(duì)比
仿真工具采用的是美國UIUC大學(xué)開發(fā)的針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的J-Sim平臺(tái)，該平臺(tái)基于Java語言，和NS2相比具有內(nèi)存消耗小、仿真速度快、有更好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。本文仿真了傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的場景。在100×100的區(qū)域里，規(guī)則的布置有100個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖4所示是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局圖和OF0的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中最左上側(cè)的0號(hào)節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，右下側(cè)的49-99和94-98這11個(gè)節(jié)點(diǎn)為傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)從右下側(cè)的11個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到左上側(cè)的0號(hào)節(jié)點(diǎn)。由于該網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)稱性，1和10對(duì)稱，2和20對(duì)稱等，對(duì)稱節(jié)點(diǎn)的能量消耗基本一致。本文中重點(diǎn)仿真了具有代表性的1、2、11、12、22這幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況。
對(duì)于OF0，由于跳數(shù)是路徑選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)位置固定的網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相對(duì)保持不變。圖4即為這種情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖4中可以看到，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)10承載了大部分的數(shù)據(jù)量，幾乎任何從下側(cè)或者右側(cè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到Sink節(jié)點(diǎn)。而節(jié)點(diǎn)11，則只有來自源節(jié)點(diǎn)99的數(shù)據(jù)由它轉(zhuǎn)發(fā)。
圖5所示是系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能耗圖。其中圖5（a）為OF0方案下部分節(jié)點(diǎn)能量消耗圖。從圖中可以看出，最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)10，能量很快就消耗殆盡。而節(jié)點(diǎn)11，則能耗相對(duì)較少。這對(duì)節(jié)點(diǎn)位置固定的網(wǎng)絡(luò)是很不利的，會(huì)使數(shù)據(jù)量較大的節(jié)點(diǎn)在短期內(nèi)能量迅速消耗完而死亡，而其他非位置關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，則一直被閑置。造成網(wǎng)絡(luò)能耗分布極其不均勻，能量利用率不高。
接下來可以仿真跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量相結(jié)合的路徑選擇方式，圖5（b）為跳數(shù)和能量按照2∶8的比例加權(quán)所得到的能耗結(jié)果。從圖5（b）可以看出，節(jié)點(diǎn)1、10和11的能耗更為均衡，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡的時(shí)間大為延長。跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量相結(jié)合的路徑選擇方式，能一定程度上改善以跳數(shù)為唯一度量所造成了能量消耗不均的情況，從而延長關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的生命長度。仿真中也能看到，最佳路徑的拓?fù)鋱D一直處于動(dòng)態(tài)變化，原先經(jīng)過節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)10到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，有一部分從節(jié)點(diǎn)11分流，從而緩解節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)10的壓力。
（a） HC路徑選擇方案節(jié)點(diǎn)能耗 （b） HC+EN路徑選擇方案節(jié)點(diǎn)能耗
本文也仿真了跳數(shù)（HC）和節(jié)點(diǎn)能量（EN）按照Lex的結(jié)合方式，即優(yōu)先考慮最小跳數(shù)，當(dāng)跳數(shù)相同的時(shí)候再考慮節(jié)點(diǎn)能量，以及在Add結(jié)合方式下按0.8HC+0.2EN和0.2HC+0.8EN的不同比例相結(jié)合的情況對(duì)比。最后得出的結(jié)論是，兩種不同的結(jié)合方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡都有一定程度的改善；而Add的結(jié)合方式能耗更為均衡，且剩余能量所占的比例越高，改善的效果越為顯著。圖6所示是在不同路由策略下，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能耗的對(duì)比情況。
4 結(jié) 語
本文描述了RPL協(xié)議的基本原理，并且對(duì)原路由協(xié)議的路徑選擇策略進(jìn)行了改進(jìn)，在只考慮跳數(shù)的基礎(chǔ)上，加入節(jié)點(diǎn)剩余能量的考慮，從而平衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)整體壽命。由于RPL是近幾年新提出的協(xié)議，隨著實(shí)踐的不斷深入，越來越多的新問題被提出，還有很大的研究空間。RPL協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，值得廣大學(xué)者進(jìn)一步深入研究。
5 致 謝
本論文的工作得到了實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的大力支持。感謝國家自然科學(xué)基金（61271257），北京市自然科學(xué)基金（4122034）和教育部博士點(diǎn)基金（20120005110007）對(duì)本文研究工作的支持。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] WINTER T. RFC6550 RPL： routing protocol for low power and lossy networks [S]. USA： Internet Engineering Task Force， 2012.
[2] VASSEUR J P， DUNKELS A.基于IP的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、技術(shù)與應(yīng)用[M]. ，田輝，徐貴保，譯.北京：人民郵電出版社，2011.
[3] DOHLER M. RFC 5548 routing requirements for urban low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2009.
[4] PISTER K. RFC5673 industrial routing requirements in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2009.
[5] BRANDT A. RFC5826 home automation routing requirements in low-power and lossy networks[S]. Internet Engineering Task Force， 2010.
[6] MARTOCCI J. RFC5867 building automation routing requirements in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2010.6
[7] LEVIS P. The trickle algorithm draft-ietf-roll-trickle-08 [S]. Internet Engineering Task Force， 2011.
[8] THUBERT P. RFC6552 objective function zero for the routing protocol for low-power and lossy networks （RPL） [S]. Internet Engineering Task Force， 2012.
[9] VASSEUR JP. RFC6551 routing metrics used for path calculation in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2012.
[10]廖夢澤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期最優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.
關(guān)鍵詞：ad hoc網(wǎng)絡(luò)；AODV協(xié)議；多徑路由
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2012）012-0134-03
1移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)
移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊無線移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)。它與一般無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)不需要依賴任何基礎(chǔ)設(shè)施，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)組成。在移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)地位都是平等的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)即能夠接受消息，也能夠轉(zhuǎn)發(fā)消息。即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都同時(shí)具有移動(dòng)終端和路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)最早起源于美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）的分組無線網(wǎng)（PRNET，Packet Radio NETwork）項(xiàng)目，研究分組無線網(wǎng)在戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。因此，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)最早也只限于軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在應(yīng)用得越來越廣泛，ad hoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于軍事、災(zāi)后重建、個(gè)人生活以及將其作為一個(gè)無線多跳接入網(wǎng)與其它網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接的應(yīng)用。
移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由于其自身的特殊性，具有以下特點(diǎn)：①無中心性，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)由于其所有節(jié)點(diǎn)地位相等，所以其為一個(gè)對(duì)等性網(wǎng)絡(luò)；②自組性，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，只要節(jié)點(diǎn)的距離在一定范圍內(nèi)，就能夠自發(fā)地通過某種算法組成網(wǎng)絡(luò)；③鏈路帶寬及能量有限性，移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)采用的是無線傳輸，所以其信道帶寬有限，且移動(dòng)ad hoc中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有轉(zhuǎn)發(fā)信息的能力，所以一般節(jié)點(diǎn)都要以電池作為其動(dòng)力，其節(jié)點(diǎn)能量也非常有限；④動(dòng)態(tài)拓?fù)湫裕捎谝苿?dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)，所以其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。
2移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的AODV協(xié)議
在移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)好的路由協(xié)議至關(guān)重要。ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，一般有2種劃分路由協(xié)議的方法。一種是分為按需路由和按時(shí)間路由，按需路由只在需要路由信息時(shí)，才發(fā)起路由請(qǐng)求過程，從而達(dá)到在路由開銷相對(duì)較小的情況下提供路由；而按時(shí)間路由中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用周期性發(fā)送信息包以達(dá)到更新路由表的目的，從而以相對(duì)較大的開銷來尋找最優(yōu)路徑（主要指距離最短，即所經(jīng)過跳數(shù)最少的路徑）。另外一種劃分方法是按通信模型，分為單徑路由和多徑路由。單徑路由在路由發(fā)現(xiàn)中只有一條信息通道；而多徑路由中，信息通道最少有兩條或者兩條以上。協(xié)議無線自組網(wǎng)是按需平面距離矢量路由協(xié)議（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV），是一種典型的按需單徑路由協(xié)議。
Aodv協(xié)議的傳輸過程為：在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)一張自己的路由表，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)（S節(jié)點(diǎn)）需要向目的節(jié)點(diǎn)（D節(jié)點(diǎn)）發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，首先檢查自己的路由表，查看是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息。如果有，則直接按照路由表上的路徑發(fā)送；如果沒有，則向周圍節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)RREQ用來請(qǐng)求路由信息。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，首先同樣會(huì)檢查自己的路由表是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息。如果有，則按此路徑進(jìn)行發(fā)送；如果沒有，中間節(jié)點(diǎn)將在此RREQ消息中加入自己的信息后，繼續(xù)向其周圍節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)此RREQ請(qǐng)求包，直到找到有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路徑的中間節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)D節(jié)點(diǎn)本身為止。在有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路徑的中間節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)本身收到該RREQ后（此RREQ含有源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的反向地址信息），會(huì)回復(fù)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)答信息包RREP。這樣，RREP沿著對(duì)應(yīng)的RREQ的反向路徑信息到達(dá)源節(jié)點(diǎn)，從而更新源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的正向路徑。
需要指出的是，為了避免路由環(huán)路和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重，中間節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在收到相同的RREQ信息包時(shí)，會(huì)立即將其丟棄。這樣在一定程度上避免了路由環(huán)路，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。但是也正是由于此種機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸效率不高。特別是在節(jié)點(diǎn)不停移動(dòng)，鏈路容易發(fā)生斷裂的移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中。因此，提出一種對(duì)AODV協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)的路由協(xié)議AODV-T（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing-Time，AODV-T），旨在進(jìn)一步提高ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率。
3AODV-T的算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3.1RREQ消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在RREQ消息中新增加了RREQ第一跳、路由記錄、RREQ時(shí)延。其具體格式如表1所示。其中，RREQ第一跳是記錄RREQ消息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路徑的第一跳，只要RREQ第一跳不相同，就是鏈路不相交路徑。路由記錄則為記錄經(jīng)過的多條路徑。RREQ時(shí)延則是記錄發(fā)出一個(gè)RREQ消息后，到接收到對(duì)應(yīng)的RREP消息的時(shí)間。
3.2RREP消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
同樣，在RREP消息中也增添了相對(duì)應(yīng)的最大時(shí)延、路由記錄、RREP時(shí)延選項(xiàng)。其中，最大時(shí)延是設(shè)定一個(gè)時(shí)延最大值，當(dāng)?shù)却齊REQ的時(shí)間超過此最大值時(shí)，默認(rèn)丟棄掉后來的RREQ消息。路由記錄與RREQ相同，從對(duì)應(yīng)的RREQ消息包中拷貝過來。RREP時(shí)延則是記錄RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，其結(jié)構(gòu)如表2所示。
4對(duì)AODV協(xié)議的改進(jìn)
AODV協(xié)議雖然能滿足一定要求的ad hoc網(wǎng)絡(luò)需求，但其并不是質(zhì)量很高的一種路由協(xié)議。首先，AODV是單徑路由，在帶寬有限的移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，單徑路由往往不能滿足業(yè)務(wù)傳輸要求；其次，AODV協(xié)議的各種路由指標(biāo)參數(shù)并不高。因此，對(duì)AODV可以進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，AODV-T相對(duì)于AODV協(xié)議，主要在兩方面進(jìn)行了改善。
一是在路由路徑數(shù)目方面，不再只是尋找一條路徑進(jìn)行路由，而是同時(shí)以最短路徑和次短路徑同時(shí)進(jìn)行路由。這里多條路徑記錄方法參考AOMDV協(xié)議。不同的是在AOMDV多徑路由協(xié)議中，是在一次路由發(fā)現(xiàn)中，找到多條路徑（一般不會(huì)超過3條）。在這多條傳輸路徑下以一條最短路徑為主路徑，以其它路徑為備份路徑進(jìn)行傳輸。這樣在實(shí)際傳輸中，往往只有一條路徑在進(jìn)行信息傳輸。而AODV-T協(xié)議則是根據(jù)時(shí)延，同時(shí)選擇最短路徑和次短路徑進(jìn)行傳輸。時(shí)延最小的為最短路徑，時(shí)延次之的為次短路徑。時(shí)延是指從源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由尋找的RREQ時(shí)刻開始，到接收對(duì)應(yīng)目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的RREP數(shù)據(jù)包為止所經(jīng)歷的時(shí)間。時(shí)延在一定程度上反應(yīng)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況的好壞，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量較大的情況下，跳數(shù)最短的路徑往往不是最優(yōu)路徑，而用時(shí)最少的路徑才是最優(yōu)路徑，即時(shí)延最少的路徑。
二是AODV-T協(xié)議同時(shí)提供QOS保障，必須在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間尋找必要資源以滿足QOS要求的路由。為了找到合適的QOS路徑，選擇以該路徑的時(shí)延作為基本判斷參數(shù)，來確定該路徑是否滿足QOS要求。根據(jù)MSR均衡負(fù)載的方法，對(duì)源節(jié)點(diǎn)搜索的3條（如果存在）路徑按照權(quán)值進(jìn)行業(yè)務(wù)分配。使用路由過程中RREQ-I的時(shí)延，即從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREQ-I的數(shù)據(jù)包到接收到該數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的RREP-I回復(fù)數(shù)據(jù)包的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間反映出了該條鏈路的狀態(tài)，即越穩(wěn)定越近的鏈路，其RREQ-I時(shí)延就越小。所以，該條鏈路的可用帶寬與RREQ時(shí)延成反比關(guān)系，可以通過Wi=min{dmax/di，A}表示。其中，Wi為路徑權(quán)值，dmax為到源節(jié)點(diǎn)的多條路徑的RREQ-I的最大時(shí)延，di為路徑i的RREQ-I時(shí)延，A是設(shè)定的一個(gè)邊界值，是為了防止一條路徑負(fù)載過重。從公式中可以看出，對(duì)于時(shí)延越小的路徑，其權(quán)值越大，即路徑的穩(wěn)定性就越高，可用帶寬就越大，其分配的負(fù)載業(yè)務(wù)相對(duì)其它條路徑就越大。
5仿真結(jié)果分析
選擇網(wǎng)絡(luò)仿真工具為NS2，操作系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下進(jìn)行的。其它仿真的各項(xiàng)參數(shù)為：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量選取為50個(gè)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶O(shè)置為長500m、寬500m的正方形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中的最大連接數(shù)為30個(gè)，仿真持續(xù)時(shí)間設(shè)為100s。在相同的仿真環(huán)境下，改變節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，分別對(duì)AODV協(xié)議和改進(jìn)的AODV-T協(xié)議的分組投遞率、平均端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開銷進(jìn)行分析比較。
圖1分組投遞率隨節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度的變化
從圖1可以看出，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較低的情況下，兩種路由協(xié)議能較好地將信息傳遞給目的節(jié)點(diǎn)，而隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，分組投遞率出現(xiàn)下降。而AODV-T的分組投遞率比AODV要高，這是因?yàn)锳ODV-T采用雙信道傳輸，當(dāng)一條路徑傳輸因節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度過快而斷裂時(shí)，仍然有一條備份路徑進(jìn)行傳輸信息。
圖2時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度的變化
從圖2可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，端到端時(shí)延明顯增大。而AODV-T協(xié)議時(shí)延大概比AODV協(xié)議低3%左右。這是由于AODV-T選擇以時(shí)延作為路徑選擇參數(shù)，優(yōu)先考慮時(shí)延較小的路徑作為信息傳輸路徑，從而降低端到端時(shí)延。
從圖3可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，路由開銷不斷增大。這是由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加，使鏈路斷裂幾率增大，從而增加路由尋找次數(shù)，增大路由開銷。由于AODV-T采用的是最短路徑和次短路徑兩條路徑進(jìn)行傳輸，只有兩條路徑同時(shí)失效時(shí)，才發(fā)起路由尋找請(qǐng)求，從而降低路由請(qǐng)求次數(shù)，降低路由開銷。
圖3路由開銷隨節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度的變化
6結(jié)語
本文針對(duì)AODV的不足，提出了一種以時(shí)延為參數(shù)的改進(jìn)多徑路由協(xié)議AODV-T。此路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀況同時(shí)以最短路徑和次短路徑傳輸信息。經(jīng)過仿真測試表明，該路由協(xié)議在分組傳輸率、平均端到端時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開銷方面較AODV協(xié)議而言，均有所改善。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄭相全.無線自組網(wǎng)技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.
[2]C. K TOH.Ad hoc mobile wireless networks：protocols and system[M].New Jersey：Prentice-Hall PTR，2006.
[3]IEEE Computer Society LAN/MAN Standards Committee.IEEE standard for wireless LAN medium access control（MAC） and physical layer（PHY） specifications[S].1997.
[4]D work address translator （NAT）-friendly application design guidelines[S].Internet Engineering TaskForce （IETF），2002.
[5]石晶林.移動(dòng)自組織通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概況及未來前景[J].信息技術(shù)快報(bào)，2004（7）.
[6]舒炎泰，高德云，王雷.無線ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的多徑源路由[J].電子學(xué)報(bào)，2002（2）.
[7]李洪剛，周洲.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由機(jī)制[J].信息技術(shù)，2002（7）.
Research on the Improving of AODV Routing Protocol in
Mobile ad Hoc Networks
關(guān)鍵詞：EEUC路由協(xié)議；剩余能量；通信代價(jià)；路由協(xié)議
中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）08-0039-03
1概述
近年來，由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless SensorNetwork，WSN）受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，WSN通過大量分布于不同區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)感知、收集信息并分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的監(jiān)控，是集信息采集、傳輸與處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，能夠攜帶的能量有限，所以選擇一種合理的路由協(xié)議，降低能耗，延長整個(gè)WSN的生存時(shí)間是當(dāng)前WSN的主要研究方向之一。
層次路由協(xié)議因能量利用率高、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟子诳刂啤?shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用其中等特點(diǎn)聊，整體性能優(yōu)于平面路由協(xié)議，因而它在WSN網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛研究與應(yīng)用。LEACH協(xié)議是最早提出的層次路由協(xié)議，該協(xié)議設(shè)定一個(gè)閾值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)0到1間且大于閾值的隨機(jī)數(shù)決定簇頭并進(jìn)行分簇，當(dāng)沒有考慮網(wǎng)絡(luò)簇頭的分布均衡和簇頭間路由。李在分析分簇路由基礎(chǔ)上提出了EEUC協(xié)議，利用節(jié)點(diǎn)與基站的距離不同來決定簇的大小，距離基站近的成簇半徑小，以便騰出更多能量進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量高于半徑內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)則能夠當(dāng)選簇頭。EEUC協(xié)議雖然解決了均勻分簇中擔(dān)任路由節(jié)點(diǎn)的簇頭能耗過大、全網(wǎng)能耗不均衡等問題，但沒有很好的考慮簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及通信代價(jià)等問題。
本文針對(duì)非均勻分簇協(xié)議EEUC的不足，對(duì)EEUC協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)協(xié)議利用節(jié)點(diǎn)與基站的距離、節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量來決定成簇半徑，綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)c相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量和成簇通信代價(jià)以及到基站的距離等因素進(jìn)行分簇。在中繼路由節(jié)點(diǎn)的選擇上，除了考慮簇頭選擇的因素外，還增加中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)和傳送信息次數(shù)作為參考，優(yōu)化路由節(jié)點(diǎn)選擇協(xié)議，均衡路由節(jié)點(diǎn)通信能耗。
2參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算方式
2.1非均勻競爭半徑計(jì)算方式
半徑的大小決定該簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量或簇內(nèi)通信開銷，因而針對(duì)EEUC協(xié)議在競爭半徑的確定中只考慮節(jié)點(diǎn)到基站距離的不足進(jìn)行改進(jìn)，加入節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量因素。改進(jìn)算法的競爭半徑計(jì)算公式如下：
（1）
其中，dmax和dmin分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離基站的最大和最小距離。di為節(jié)點(diǎn)i與基站距離，Nmax為最大節(jié)點(diǎn)數(shù)量，Ni為節(jié)點(diǎn)i相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，為大于0小于1的參數(shù)。R0為最大競爭半徑。
2.2簇頭選擇閾值定義
簇頭的選擇不應(yīng)該僅僅由剩余能量來決定，還應(yīng)該綜合考慮成簇半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量、各節(jié)點(diǎn)到簇頭的通信代價(jià)以及簇頭與基站的距離等因素，以確保簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能過多或通信距離過遠(yuǎn)而增加能量損耗。所以簇頭選擇閾值Tnew定義如下：
（2）
（3）
其中a+b+e=1，En為節(jié)點(diǎn)i當(dāng)前剩余能量值，EA為網(wǎng)絡(luò)平均能量。由公式可知，節(jié)點(diǎn)乘0余能量越多當(dāng)選簇頭概率越大，距離基站越近、節(jié)點(diǎn)相鄰區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量越大且簇內(nèi)通信代價(jià)越小越容易成為簇頭。
2.3路由閾值定義
路由節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)則中繼信息傳遞的重任，若能量過低或頻繁的承擔(dān)中繼任務(wù)都會(huì)導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)過早失效，因而，簇頭在選擇路由節(jié)點(diǎn)時(shí)除了考慮剩余能量等綜合信息外，還要考慮該路由節(jié)點(diǎn)為多少個(gè)簇頭傳遞消息給基站，傳遞了多少次消息等。因此，路由閾值的定義為：
（4）
其中，β+γ+ω=1，Nr為中繼節(jié)點(diǎn)服務(wù)簇頭數(shù)量，nr輪數(shù)，ni為中繼路由擔(dān)任次數(shù)。當(dāng)服務(wù)簇頭個(gè)數(shù)M越大，該節(jié)點(diǎn)添加新簇頭的概率越小，傳遞的信息越頻繁，成為中繼路由的概率就越小。以此來降低中繼節(jié)點(diǎn)的能量損耗。
3協(xié)議設(shè)計(jì)
在網(wǎng)絡(luò)部署開始階段，基站BS首先要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱計(jì)算自己與基站的距離，用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)半徑。本節(jié)分別對(duì)簇頭競選、分簇和簇頭間通信路由選擇兩個(gè)部分對(duì)改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行描述。
3.1簇的建立
第一步：首輪所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的基站廣播信息獲取到dmax和dmin信息并計(jì)算出自己的成簇半徑Rnew。
第二步：判斷節(jié)點(diǎn)剩余能量是否大于平均能量，如果是則根據(jù)自己的計(jì)算出來的成簇半徑Rnew廣播自己的簇頭競爭閾值Tnew，否則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠等待簇頭節(jié)點(diǎn)喚醒成簇。
第三步：所有競爭簇頭的節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的Tnew值決策是否成為簇頭。若相鄰的節(jié)點(diǎn)Tnew值比自己高，則判斷其是否成簇頭，若成則直接加入該簇，否則自己成為簇頭。
第四步：競爭過程結(jié)束后，簇頭節(jié)點(diǎn)廣播成簇信息，未參與競爭的節(jié)點(diǎn)被喚醒，選擇距離自己最近即通信代價(jià)最小的簇加人。并建立簇內(nèi)時(shí)分復(fù)用時(shí)隙通信機(jī)制，所有簇頭收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合才向路由節(jié)點(diǎn)或BS發(fā)送數(shù)據(jù)，減少能耗。
在首輪過后并非每輪都進(jìn)行分簇，也不是全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都重新分簇，而是簇頭節(jié)點(diǎn)能量En小于平均能量匠的簇重新選擇簇頭，需要重新分簇的節(jié)點(diǎn)根據(jù)上面2到4步重新進(jìn)行非全局分簇。如此小范圍的重新分簇，即減少需要組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，較大程度提升了成簇速度，又降低了因全局分簇而導(dǎo)致的能量不必?fù)p耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量。
3.2簇間路由選擇
簇頭節(jié)點(diǎn)除了負(fù)責(zé)本簇內(nèi)成員信息的收集與融合，還有可能擔(dān)任其他簇頭與基站通信的橋梁即中繼節(jié)點(diǎn)作用，因而每個(gè)簇頭還要設(shè)置兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是幾個(gè)節(jié)點(diǎn)通過自己向基站方向發(fā)送消息，另一個(gè)是自己發(fā)送了幾次消息。引入一個(gè)閾值D，若簇頭節(jié)點(diǎn)與基站的距離小于D，則直接與基站進(jìn)行通信，否則通過多跳與基站通信。簇頭節(jié)點(diǎn)在選擇基站方向上那個(gè)節(jié)點(diǎn)作為自己的中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)接收到的Eroute信息中選擇最大的點(diǎn)作為自己的中繼節(jié)點(diǎn)。若有信息通過自己發(fā)送向基站發(fā)送消息，如果是首次接收到該節(jié)點(diǎn)的消息，則增加自己的Nr值和ni值，否則只增加ni值。如此，某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的Eroute值越大，表明其剩余能量越多、為其他節(jié)點(diǎn)擔(dān)任中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越少或中繼發(fā)送的消息量少等，被新節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)的概率越大，反正，該節(jié)點(diǎn)越不容易增加新中繼信息，從而達(dá)到均衡中繼節(jié)點(diǎn)信息量，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)能量損耗，延長節(jié)點(diǎn)壽命的目的。
4實(shí)驗(yàn)與分析
4.1仿真參數(shù)設(shè)置
本文通過Matlab對(duì)改進(jìn)的分簇協(xié)議、經(jīng)典EEUC協(xié)議和LEA CH協(xié)議進(jìn)行模擬仿真。實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表1所示，協(xié)議中其他參數(shù)的取值均通過多次模擬運(yùn)行后取較優(yōu)的值。
4.2實(shí)驗(yàn)與分析
將200個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在200*200的區(qū)域中，分別使用LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進(jìn)協(xié)議進(jìn)行仿真模擬。圖1給出了改進(jìn)協(xié)議在200輪網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及簇頭節(jié)點(diǎn)分布情況。其中，“0”表示普通節(jié)點(diǎn)，“*”表示簇頭節(jié)點(diǎn)，sink基站在左下角原點(diǎn)。
由簇頭分布情況可以知道整個(gè)網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)分布還算比較均勻，沒有簇頭節(jié)點(diǎn)過于集中或某些區(qū)域無簇頭節(jié)點(diǎn)的情況。
圖2和圖3分別給出了EEUC協(xié)議在343輪和改進(jìn)協(xié)議在456輪死亡節(jié)點(diǎn)情況，EEUC協(xié)議死亡節(jié)點(diǎn)分布還是比較均勻，沒有出現(xiàn)集中在某部分區(qū)域情況。改進(jìn)協(xié)議在450輪節(jié)點(diǎn)死亡數(shù)量還是不太大，但在460輪以后節(jié)點(diǎn)開始快速死亡，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)迅速癱瘓，由圖3看出，改進(jìn)協(xié)議節(jié)點(diǎn)死亡會(huì)比較集中而且迅速擴(kuò)散至全網(wǎng)。
圖4給出了LEACH協(xié)議、EEUC協(xié)議和改進(jìn)的EEUC協(xié)議的仿真比較圖，由于節(jié)點(diǎn)能耗不均衡，LEACH協(xié)議在120多輪的時(shí)候開始有節(jié)點(diǎn)死亡，在250輪左右節(jié)點(diǎn)死亡過半，到500輪左右節(jié)點(diǎn)幾乎全部死亡，節(jié)點(diǎn)開始死亡到全部死亡跨度比EEUC協(xié)議和改進(jìn)協(xié)議都大。EEUC協(xié)議自270輪左右出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)死亡情況，在360輪到430輪區(qū)間節(jié)點(diǎn)迅速死亡，網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而改進(jìn)的EEUC協(xié)議，在430輪左右出現(xiàn)死亡節(jié)點(diǎn)，在470輪節(jié)點(diǎn)幾近全部死亡，跨度較小，也體現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)能耗相對(duì)比較均衡。因而，改進(jìn)的EEUC協(xié)議有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)路；路由協(xié)議；路由分類；路由機(jī)制
中圖分類號(hào)TN8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）35-0173-03
0 引言
隨著微電子技術(shù)，無線通訊與傳感技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Networks， WSNs）引起了人們廣泛的關(guān)注。WSNs是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通訊方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSNs不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，在軍事國防，生物醫(yī)療，環(huán)境監(jiān)測及智能家居等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。
作為一種新型的無線自組網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile Ad Hoc networks，MANET）有著明顯的差異，主要體現(xiàn)在：1）WSNs節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)或很少移動(dòng)，而MANET節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)；2）WSNs絡(luò)旨在收集信息，而MANET則傾向于分布式計(jì)算和端到端通信；3）WSNs節(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力有限；4）WSNs節(jié)點(diǎn)通訊高能耗，數(shù)據(jù)計(jì)算低能耗，節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量耗盡而失效；5）WSNs節(jié)點(diǎn)數(shù)量更大，分布范圍更廣，節(jié)點(diǎn)沒有統(tǒng)一編址，節(jié)點(diǎn)之間通過廣播、多跳通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；6）WSNs節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有較大的冗余度；這些差異使得MANETs路由協(xié)議不適合直接運(yùn)用到WSNs中，需要結(jié)合WSNs的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出新的路由協(xié)議。本文對(duì)當(dāng)前較為典型的路由協(xié)議進(jìn)行了分類和總結(jié)，指出了路由協(xié)議將來發(fā)展的趨勢，目的在于為路由協(xié)議的進(jìn)一步研究作參考。
1 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類研究
近幾年，人們提出多種基于不同應(yīng)用目標(biāo)的路由協(xié)議，并根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)路由進(jìn)行了分類研究與比較[3，4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究最早從Flooding開始，逐漸得到關(guān)注。到目前為止，針對(duì)WSNs提出的具有代表性的路由協(xié)議有MDR、SAR、TBF、TEEN等。
為揭示協(xié)議特點(diǎn)，我們根據(jù)路由協(xié)議采用的路由結(jié)構(gòu)、路由建立時(shí)機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸模式等不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行了分類。由于路由協(xié)議的研究人員組合多種策略來實(shí)現(xiàn)路由機(jī)制，故同一路由協(xié)議可分屬不同類別。
1.1平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議
根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在路由過程中作用是否有差異、是否有層次結(jié)構(gòu)，可以將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議。
平面路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊的節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，不存在等級(jí)和層次的差異。它們通過局部操作和信息反饋來生成路由，原則上不存在瓶頸問題。網(wǎng)絡(luò)流量均勻地分散在網(wǎng)絡(luò)中，路由算法易于實(shí)現(xiàn)，健壯性好。缺點(diǎn)是建立、維護(hù)路由的開銷大，數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多，可擴(kuò)展性小，在一定程度上限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
層次路由協(xié)議采用簇的概念對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分。若干個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)簇，每一個(gè)簇有一個(gè)簇首。簇內(nèi)通信由簇頭結(jié)點(diǎn)來完成。簇頭結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)聚集和融合以減少傳輸?shù)男畔⒘浚詈蟠仡^結(jié)點(diǎn)把融合的數(shù)據(jù)傳送給匯聚結(jié)點(diǎn)。層次路由擴(kuò)展性好，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，但簇的維護(hù)開銷大，且簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其失效將導(dǎo)致路由失敗。
1.2主動(dòng)路由協(xié)議和被動(dòng)路由協(xié)議
根據(jù)路由建立時(shí)機(jī)與數(shù)據(jù)發(fā)送的關(guān)系，可分為主動(dòng)路由協(xié)議和被動(dòng)路由協(xié)議。
主動(dòng)路由協(xié)議，又稱表驅(qū)動(dòng)的（table-driven）路由協(xié)議，它的路由發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似，節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播路由信息分組，交換路由信息，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由。這一類的路由協(xié)議試圖在所有的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中維護(hù)一組到其他所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的一致的、實(shí)時(shí)的路由信息表。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，所需的延時(shí)很小。缺點(diǎn)是主動(dòng)路由需要花費(fèi)較大開銷，盡可能使得路由更新能夠緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，浪費(fèi)了一些資源來建立和重建那些根本沒有被使用的路由。而且，動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能使得這些路由更新變成過時(shí)信息，路由協(xié)議始終處于不收斂狀態(tài)。
被動(dòng)路由協(xié)議也稱為按需（On Demand）路由協(xié)議。這種路由協(xié)議并不要求移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一直維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的路由信息表，只有在節(jié)點(diǎn)需要某條路由時(shí)才動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建它。被動(dòng)路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分組的傳輸請(qǐng)求，被動(dòng)地搜索從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)沒有分組傳遞請(qǐng)求時(shí)，路由器處于靜默狀態(tài)，并不需要交換路由信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。它的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的路由信息廣播，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源。缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒有去往目的節(jié)點(diǎn)的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時(shí)。
1.3單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議
從路徑的表現(xiàn)形式上角度考慮，可分為單路徑路由協(xié)議和多路徑路由協(xié)議[5]。 單路徑路由節(jié)約存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)通信量少；多路徑路由容錯(cuò)性強(qiáng)，健壯性好，且可從眾多路由中選擇一條最優(yōu)路由。
1.4基于位置的路由協(xié)議和非基于位置的路由協(xié)議
根據(jù)是否以地理位置來標(biāo)識(shí)目的地、路由計(jì)算中是否利用地理位置信息，可分為基于位置的路由協(xié)議和非基于位置的路由協(xié)議。有大量WSNs應(yīng)用需要知道突發(fā)事件的地理位置，這是基于位置的路由協(xié)議的應(yīng)用基礎(chǔ)，但需要GPS定位系統(tǒng)或者其他定位方法協(xié)助節(jié)點(diǎn)計(jì)算位置信息。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析
1）Flooding [6]：它是一個(gè)經(jīng)典的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和進(jìn)行路由計(jì)算。在Flooding協(xié)議中，接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)以廣播的方式向轉(zhuǎn)發(fā)分組，數(shù)據(jù)包直到過期或到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)才停止傳播。該協(xié)議本身算法簡單，不需要維護(hù)路由信息，容易實(shí)現(xiàn)，但消息的“內(nèi)爆”（implosion）和“重疊”（overlap）是其固有的缺陷。對(duì)此，S?hedetniemi等人提出了Gossiping策略，節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生或收到的數(shù)據(jù)隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，避免了內(nèi)爆，但同時(shí)也增加了時(shí)延。
2）DD（Directed Diffusion）[7]：它是由加州大學(xué)洛杉磯分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Deborah Estrin等人在DARPA的1997-98ISAT項(xiàng)目完成后提出的。這是一個(gè)基于數(shù)據(jù)的、查詢驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。DD路由機(jī)制分為周期性的興趣（Interest）擴(kuò)散、梯度（gradient）建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段。在興趣擴(kuò)散階段，sink節(jié)點(diǎn)通過廣播興趣消息來尋找數(shù)據(jù)源。梯度建立階段，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)對(duì)興趣消息進(jìn)行緩存與合并，并創(chuàng)建包含上報(bào)率、下一條等信息的梯度，從而建立多條指向sink節(jié)點(diǎn)的路徑。路徑加強(qiáng)階段，sink節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)最先收到消息的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送路徑加強(qiáng)信息。接收到該信息的節(jié)點(diǎn)做路徑加強(qiáng)工作，源節(jié)點(diǎn)沿這個(gè)較高梯度的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)主路徑失效時(shí)，其他發(fā)送梯度較小的路徑作為備用路徑，這種機(jī)制增強(qiáng)了路由的穩(wěn)定性。然而，梯度建立的開銷很大，不適合多sink點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)聚合過程采用時(shí)間同步技術(shù)，會(huì)帶來較大開銷和時(shí)延。
3）MDR（Multi-path on-Demand Routing）：它是一種按需路由的多徑路由協(xié)議，僅在源節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)間有數(shù)據(jù)包傳輸才進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，建立新路徑，從而減少了通訊流量和能量損耗。MDR協(xié)議的路由機(jī)制包括路由請(qǐng)求和路由答復(fù)兩個(gè)過程。數(shù)據(jù)源先發(fā)送路由請(qǐng)求，向鄰居節(jié)點(diǎn)flooding短信息。當(dāng)sink節(jié)點(diǎn)收到該信息后，馬上向轉(zhuǎn)發(fā)該路由請(qǐng)求消息的鄰節(jié)點(diǎn)返回路由答復(fù)信息，并且在數(shù)據(jù)包域中增加了一個(gè)跳數(shù)項(xiàng)，用來指示到目前為止它傳播的跳數(shù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到路由答復(fù)后增加一跳，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)鄰節(jié)點(diǎn)直至到達(dá)數(shù)據(jù)源。它的建立過程如圖1所示。該協(xié)議健壯性好，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁發(fā)生變化，數(shù)據(jù)依然能可靠地傳輸?shù)侥康牡亍Ｓ捎诎l(fā)送端將源數(shù)據(jù)分裂成有冗余的子數(shù)據(jù)包后傳輸，這相對(duì)于發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包副本減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，因而平衡了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量和可靠性，相應(yīng)也提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
本文為全文原貌 未安裝PDF瀏覽器用戶請(qǐng)先下載安裝 原版全文
圖 1MDR 路由建立過程
4）SAR（Sequential Assignment Routing）[8]：它是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一個(gè)研究中提出的一種保證QoS的路由協(xié)議。協(xié)議中sink節(jié)點(diǎn)的所有一跳鄰節(jié)點(diǎn)都以自己為根建立生成樹，其余各節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)延、丟包率等QoS參數(shù)來反向建立到sink節(jié)點(diǎn)的多條路徑。在選擇路徑時(shí)， SAR協(xié)議充分考慮了功耗和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求，采用局部路徑恢復(fù)和多路徑備份策略，避免由于節(jié)點(diǎn)或鏈路失敗而引起的重新計(jì)算路由的開銷。
5）TinyOS Beaconing[9]：該協(xié)議路由算法較為簡單，路由建立前先對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址。sink節(jié)點(diǎn)對(duì)其信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)周期性廣播路由更新消息，接收到消息的節(jié)點(diǎn)將該sink點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)保存到路由表中，然后在物理信道上廣播該消息。該路由機(jī)制適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，在較大網(wǎng)絡(luò)中將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和sink點(diǎn)間跳數(shù)增加；廣播式路由更新消息消耗網(wǎng)絡(luò)能量；路徑建立只與接收到beaconing的時(shí)序有關(guān)，不進(jìn)行任何優(yōu)化，擴(kuò)展性差；sink點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)由于過多地參與數(shù)據(jù)傳輸，耗能較多，容易失效。
6）SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）[10]：它是第一個(gè)基于數(shù)據(jù)協(xié)商的路由協(xié)議。SPIN路由建立基于三次握手過程：ADVREQDATA。路由建立過程如圖2所示。節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生或收到數(shù)據(jù)后，為避免盲目傳播，用包含元數(shù)據(jù)的ADV消息向鄰節(jié)點(diǎn)通告，需要數(shù)據(jù)的鄰節(jié)點(diǎn)用REQ消息提出請(qǐng)求，數(shù)據(jù)通過DATA消息發(fā)送到請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議通過ADV消息和數(shù)據(jù)命名機(jī)制解決了Flooding協(xié)議中的內(nèi)爆和重疊問題。與Flooding和Gossiping協(xié)議相比，該協(xié)議有效地節(jié)約了能量。但是它也有缺點(diǎn)：當(dāng)產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的所有鄰節(jié)點(diǎn)均不需要該數(shù)據(jù)時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，會(huì)使較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)無法得到數(shù)據(jù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中大多節(jié)點(diǎn)都是潛在sink點(diǎn)時(shí)，問題并不嚴(yán)重，但當(dāng)sink點(diǎn)較少時(shí)，則是一個(gè)很嚴(yán)重的問題；而且當(dāng)某sink點(diǎn)對(duì)任何數(shù)據(jù)都需要時(shí)，其周圍節(jié)點(diǎn)的能量容易耗盡。
圖2SPIN路由建立過程
7）TBF（Trajectory Based Forwarding）：它是基于源站和位置的路由協(xié)議。與通常的源站路由協(xié)議不同，TBF協(xié)議在數(shù)據(jù)包頭中指定連續(xù)的傳輸軌道參數(shù)，中間各節(jié)點(diǎn)根據(jù)參數(shù)按貪心算法，計(jì)算出軌道最近的下一跳節(jié)點(diǎn)。通過指定不同的軌道參數(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)多路徑傳播和廣播。由于是源站路由協(xié)議，數(shù)據(jù)包頭的路由信息開銷不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)變大而增加，從而避免了傳統(tǒng)源站路由協(xié)議的缺點(diǎn)。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，路徑加長，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算的開銷也相應(yīng)增加。
8）LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[11]：它是2000年麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Wendi Heizelman等人為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專門設(shè)計(jì)的分簇路由協(xié)議。LEACH的基本思想：通過等概率地隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能量耗費(fèi)、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。簇頭是周期性按輪隨機(jī)選舉的，每輪選舉方法是：在簇的建立階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選取一個(gè)介于0和1之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個(gè)數(shù)小于某個(gè)閾值，該節(jié)點(diǎn)成為簇頭；然后，簇頭向所有節(jié)點(diǎn)廣播自己成為簇頭的消息；每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到廣播信號(hào)的強(qiáng)弱來決定加入哪個(gè)簇，并回復(fù)該簇頭。在數(shù)據(jù)傳輸階段， 簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)按照TDMA（時(shí)分復(fù)用）時(shí)隙向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)，簇頭將數(shù)據(jù)融合之后把結(jié)果發(fā)給基站。該協(xié)議采用隨機(jī)選舉簇頭的方式避免簇頭過分消耗能量，提高了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。簇間路由采用一跳通訊，雖然傳輸時(shí)延小，但節(jié)點(diǎn)的通訊能耗較高且擴(kuò)展性差。
9）TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）：它利用過濾方式來減少數(shù)據(jù)傳輸量。該協(xié)議采用與LEACH協(xié)議相同的聚簇方式，但簇頭根據(jù)與sink點(diǎn)距離的不同形成層次結(jié)構(gòu)。TEEN定義了硬、軟兩個(gè)門限來過濾發(fā)送數(shù)據(jù)。只有滿足如下兩個(gè)條件的時(shí)候才能發(fā)送數(shù)據(jù)：當(dāng)前數(shù)據(jù)的屬性值大于硬門限；當(dāng)前數(shù)據(jù)的屬性值與上一次發(fā)送數(shù)據(jù)的屬性值之間的差距大于軟門限。該協(xié)議通過利用軟、硬門限減少了數(shù)據(jù)傳輸量。其缺點(diǎn)是：如果數(shù)據(jù)的屬性值一直達(dá)不到門限，節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶將接收不到網(wǎng)絡(luò)的任何數(shù)據(jù)，并且不能得知所有節(jié)點(diǎn)是否死亡。
3 結(jié)論與展望
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，單路徑路由協(xié)議算法簡單，數(shù)據(jù)通信量少，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，但是其容錯(cuò)性和健壯性差。多路徑路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)過程中得到多條不相關(guān)路徑，減少了路由發(fā)現(xiàn)次數(shù)，并增強(qiáng)了路由的穩(wěn)定性。
平面路由協(xié)議健壯性好，但建立和維護(hù)路由的開銷大，數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)多，適合小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。層次路由協(xié)議擴(kuò)展性好，其能量消耗比較均衡，但簇的維護(hù)開銷大。由于簇頭是路由的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其失效將導(dǎo)致路由失敗。
主動(dòng)型路由協(xié)議需要定期更新路由，而響應(yīng)性路由協(xié)議只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才會(huì)建立和更新路由。如果網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量很大，主動(dòng)型路由協(xié)議的路由開銷一般要比響應(yīng)型路由協(xié)議小。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于能量限制、拓?fù)渥兓皫捪拗疲瑢?duì)路由算法要求非常高。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究重點(diǎn)主要集中在能量效率上，高效利用能量幾乎是設(shè)計(jì)的第一策略。設(shè)計(jì)兼有平面結(jié)構(gòu)和分簇結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的新型數(shù)據(jù)傳輸模式，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在某些基于簇的路由協(xié)議中，并沒有簇頭的概念，每個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它將轉(zhuǎn)發(fā)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們把這類協(xié)議叫做基于虛擬簇的平面路由協(xié)議。這類協(xié)議既能有效地管理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又能有效地利用能量傳輸數(shù)據(jù)。此外，如何在簇內(nèi)和簇間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和處理，也很值得探索。
未來的研究中可能還需要解決由視頻和圖像傳感以及實(shí)時(shí)應(yīng)用引起的QoS問題。能量感知的QoS分簇路由越來越受到重視，它將在目標(biāo)的實(shí)時(shí)追蹤等方面得到應(yīng)用，這就對(duì)帶寬保證和能量高效路徑的有效利用提出了嚴(yán)格要求。
參考文獻(xiàn)
[1]REN Fengyuan，HUANG Haining， LIN Chuang。 Wireless sensor networks[J].Journal of Software，2003，14(2)：1148-1157.
[2]MA Zuchang，SUN Yining， MEI Tao。 Survey on wireless sensors network[J].Journal of China Institute of Communications，2004(4)：114-124.
[3]FAN Xinyun，WANG Fubao，REN Fengyuan.Routing protocol for wireless sensor puter Automated Measurement & Control，2005(9)：1010-1013.
[4]CHEN Yuequan，GUO Xiaofeng，ZENG Qingka，iet al.Multipath routing research in mobile ad hoc networks[J].Computer Science，2005，32(6)：33-36.
本文為全文原貌 未安裝PDF瀏覽器用戶請(qǐng)先下載安裝 原版全文
[5]TANG Yong，ZHOU Mingtian，ZHANG Xin.Overview of routing protocols in wireless sensor networks[J].Journal of Software，2006，17(3)：410-421.
[6]Haas ZJ，Halpern JY，Li L.Gossip-Based ad hoc routing.In：Proc。of the IEEE INFOCOM。New York：IEEE Communications Society，2002：1707-1716.
[7]Intanagonwiwat C，Govindan R，Estrin D，iet al。 Directed diffusion for wireless sensor networking。IEEE/ACM Trans.on Networking，2003，11(1)：2-16.
[8]Sohrabi K，Gao J，Ailawadhi V，iet al。 Protocols for self-organization of a wireless sensor network.IEEE Personal Communications，2000，7(5)：16-27.
[9]Karlof C，Wagner D.Secure routing in sensor networks：attacks and countermeasures.Ad Hoc Networks，2003，1(1)：293-315.
[10]Kulik J，Heinzelman WR， Balakrishnan H. Negotiation based protocols for disseminating information in wireless sensor networks。Wireless Networks，2002，8(2-3)：169-185.
關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組網(wǎng)；路由協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；性能分析
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2012）010-0145-03
作者簡介：王莎莎（1987-），女，西安郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)；朱國暉（1969-），男，西安郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)架構(gòu)、通信網(wǎng)路由算法；王鑫（1986-），男，西安郵電大學(xué)通信與信息系統(tǒng)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)。
0引言
移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)能夠在沒有基礎(chǔ)設(shè)施且需要臨時(shí)通信的環(huán)境下快速組網(wǎng)，可以滿足人們“無論何時(shí)無論何地”的通信需要，被廣泛應(yīng)用于緊急搜索、臨時(shí)會(huì)議等環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。
由于AdHoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的特殊性、通信設(shè)備的限制、無線資源的有限性等原因，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題一直是AdHoc網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，而負(fù)載過重導(dǎo)致的擁塞是制約移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要的因素之一，它可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的惡化。文獻(xiàn)[1]通過仿真分析了重負(fù)載對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的影響，文獻(xiàn)中設(shè)置重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)場景并給出了這種場景在網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延方面的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，重負(fù)載下網(wǎng)絡(luò)的丟包率、時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)開銷都會(huì)增加，網(wǎng)絡(luò)性能明顯降低。近幾年來，研究人員提出了多種AdHoc網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典路由協(xié)議，考慮到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的影響，本文通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)場景仿真分析3種代表性的路由協(xié)議在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的性能及適用性，并通過仿真結(jié)果得出結(jié)論。
1AdHoc路由協(xié)議
Adhoc網(wǎng)絡(luò)有很多經(jīng)典路由協(xié)議，常見的分類方法是按照驅(qū)動(dòng)模式的不同分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議及混合路由協(xié)議。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議與傳統(tǒng)的路由協(xié)議類似，需要網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)或多個(gè)路由表來儲(chǔ)存路由信息，并周期性更新路由表。按需路由協(xié)議僅當(dāng)有源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)才建立路由，路由信息不會(huì)一直保存。
1.1表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議
經(jīng)典的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議是DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）路由協(xié)議，該協(xié)議以BellmanFord算法為基礎(chǔ)，加入目的序列號(hào)機(jī)制避免路由環(huán)路，協(xié)議中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張路由表，路由表中含有到網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的路由信息，并定期更新路由表。所以，該協(xié)議不適用于大型網(wǎng)絡(luò)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變換的網(wǎng)絡(luò)。
1.2按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議
經(jīng)典的按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議有DSR和AODV。DSR是動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議，以源路由算法為基礎(chǔ)，每個(gè)數(shù)據(jù)分組的頭部攜帶有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)的列表，協(xié)議采用緩存技術(shù)。AODV引入DSDV的目的序列號(hào)機(jī)制，與DSR一樣也是按需路由協(xié)議，路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)均按需進(jìn)行。不同的是AODV采用逐跳路由機(jī)制，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的路由表項(xiàng)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)按路由表進(jìn)行傳輸。按需路由協(xié)議一般包括路由建立、路由維護(hù)和路由刪除三大部分。
2基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的仿真分析
本文采用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行仿真分析，NS2基于事件驅(qū)動(dòng)模型，支持無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)仿真。
2.1網(wǎng)絡(luò)場景設(shè)置
網(wǎng)絡(luò)場景利用TCL腳本語言設(shè)置如下：設(shè)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶鸀?000×1000，共有50個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)移動(dòng)，各節(jié)點(diǎn)的最大移動(dòng)速度為30m/s，網(wǎng)絡(luò)中有20個(gè)連接數(shù)，業(yè)務(wù)類型采用CBR數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包分組大小為512bytes，MAC層采用IEEE802.11DCF協(xié)議，接口隊(duì)列最大長度為50，網(wǎng)絡(luò)帶寬為2Mbps，仿真時(shí)間為400s，每個(gè)節(jié)點(diǎn)停留預(yù)設(shè)的停滯時(shí)間后，在規(guī)定的移動(dòng)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)目的位置，并向目的位置移動(dòng)。
本文設(shè)置兩種不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的網(wǎng)絡(luò)場景，兩種不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)場景發(fā)包速率分別為1packet/s、5packets/s，分別表示輕負(fù)載業(yè)務(wù)流網(wǎng)絡(luò)場景和重負(fù)載業(yè)務(wù)流網(wǎng)絡(luò)場景，并分別在兩種不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載場景下對(duì)DSDV，DSR，AODV3種AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行仿真，其中兩種業(yè)務(wù)流模型通過NS2工具Cbrgen生成，例如，nscbrgen.tcl-typecbr-nn50-seed0-mc20-rate1.0（5.0）>cbr-50n，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)場景則通過場景發(fā)生器Setdest生成。
2.2仿真結(jié)果分析
移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中常用的性能指標(biāo)包括平均端到端時(shí)延、分組投遞率、路由負(fù)荷。仿真過程中選擇以上3項(xiàng)進(jìn)行分析比較，各性能指標(biāo)值從仿真后的Trace文件中獲得，并通過改變節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間表示節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，停留時(shí)間越短說明節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)越激烈，拓?fù)渥兓筋l繁。
2.2.1端到端平均時(shí)延
該性能指標(biāo)包含所有時(shí)延，如接口隊(duì)列排隊(duì)時(shí)延、MAC層重傳時(shí)延、傳播時(shí)延、傳輸時(shí)延。
由圖1和圖2可知，無論表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議還是按需路由協(xié)議，在重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延都增大，在實(shí)時(shí)性要求比較高的網(wǎng)絡(luò)中3種協(xié)議都不適合。DSR最為明顯，其延時(shí)大幅增加，因?yàn)镈SR使用緩存技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大的時(shí)候，緩存溢出，使鏈路的時(shí)延增大，尤其是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性比較大的時(shí)候，DSR協(xié)議中的路由緩存不能及時(shí)更新，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)使用無效路由；在輕負(fù)載情況下，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性比較小時(shí)DSR的時(shí)延性能最好，AODV和DSDV性能相似；在重負(fù)載情況下，低移動(dòng)性與較高移動(dòng)性相比時(shí)延性能相似，這是因?yàn)楦咭苿?dòng)性下節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)導(dǎo)致鏈路斷開，使源節(jié)點(diǎn)重新路由，這樣就避免了因部分節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重發(fā)生擁塞而丟棄數(shù)據(jù)分組造成更大的時(shí)延。
2.2.2分組到達(dá)率
分組到達(dá)率是目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組數(shù)的比值。這個(gè)指標(biāo)反映了協(xié)議的完整性、正確性、可靠性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的能力。
圖3與圖4對(duì)比表明重負(fù)載下3種協(xié)議分組投遞率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輕負(fù)載的情況。圖3表明，輕負(fù)載情況下，AODV與DSR具有良好的數(shù)據(jù)傳輸率，DSDV性能則較差且節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性越強(qiáng)其分組丟失越嚴(yán)重，這是因?yàn)镈SDV是表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)到全網(wǎng)的路由信息，在節(jié)點(diǎn)高速移動(dòng)的情況下即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化的情況下，要頻繁更新路由表項(xiàng)，且在短時(shí)間內(nèi)無法建立新的有效路由，導(dǎo)致分組丟失嚴(yán)重。圖4表明，在重負(fù)載情況下3種協(xié)議分組投遞率性能均不好，且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的降低并沒有使分組投遞率有太多提高。可見3種協(xié)議在重負(fù)載情況下分組到達(dá)率均不理想。
2.2.3歸一化路由開銷
該性能指標(biāo)定義為發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)的總路由分組數(shù)與接收數(shù)據(jù)分組數(shù)的比值，用于衡量協(xié)議的效率。路由分組包括路由請(qǐng)求分組、路由應(yīng)答分組及錯(cuò)誤消息。
由圖5和圖6所知，除了DSDV，DSR和AODV在重負(fù)載情況下的路由開銷稍高；表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的變化，路由負(fù)荷基本保持不變；除了在移動(dòng)性很強(qiáng)的情況下，按需路由協(xié)議DSR比AODV在路由開銷方面的性能要好，這取決于DSR采用的緩存技術(shù)和混雜接收方式偵聽路由請(qǐng)求分組，大大降低了路由負(fù)荷，所以DSR的路由負(fù)荷性能比AODV好。
3結(jié)語
節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等都是影響AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由性能的因素，而其中網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載是其中最關(guān)鍵的因素之一。本文通過無線網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2基于兩種負(fù)載情況建立網(wǎng)絡(luò)場景，并分別在這兩種網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)場景下對(duì)AdHoc兩類典型的路由協(xié)議進(jìn)行仿真分析。從以上仿真分析結(jié)果可知，在輕負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各協(xié)議時(shí)延性能差別不大性能較好，DSDV的分組投遞率即使在輕負(fù)載下性能也很差，但路由開銷上隨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性。在重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，各協(xié)議各性能指標(biāo)均惡化，3種協(xié)議都不太適合重負(fù)載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，尤其是DSR不適用于重負(fù)載高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境但在輕負(fù)載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定的情況下DSR各性能指標(biāo)均表現(xiàn)了良好的特性，DSDV也不適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的高速變化，AODV協(xié)議作為DSR與DSDV的綜合，對(duì)移動(dòng)性和業(yè)務(wù)量的適應(yīng)能力較強(qiáng)。可見3種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，具體使用何種路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的具體要求及各協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)決定。所以，AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議一直被很多人研究，人們希望能研究出適合各種網(wǎng)絡(luò)場景的AdHoc路由協(xié)議。近年來也有一些負(fù)載均衡路由協(xié)議的研究，但都只是就網(wǎng)絡(luò)性能的某一方面有所提高，僅適用于特定的網(wǎng)絡(luò)場景，結(jié)合高層或底層信息設(shè)計(jì)性能良好的跨層負(fù)載均衡路由協(xié)議是負(fù)載均衡路由協(xié)議研究的重要方向之一。
參考文獻(xiàn)：
[1]吳瑋.Adhoc網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測與控制的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.
[2]賈站鋒.Adhoc網(wǎng)絡(luò)按需路由算法優(yōu)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.
[3]STARUNA，GNPUROHIT.ScenarioBasedPerformanceAnalysisofAODVandDSDVinmobileAdHocNetwork[C].CCSIT2011，2011.
[4]李杜，劉麗霞.AdHoc路由協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的性能仿真[J].通信技術(shù)，2006（11）.
關(guān)鍵詞：自組網(wǎng); 組播路由協(xié)議; 傳輸效率; 按需驅(qū)動(dòng)
中圖分類號(hào)：TN915-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1004-373X(2011)01-0007-04
An Efficient Multicast Routing Protocol in Small Scale Ad Hoc Network
LIU Xiao-pei, LI Ying, ZHANG Hao, XU Shu
(Chongqing Communication University, Chongqing 400035, China)
Abstract： The multicast routing protocol has a wide application in Ad Hoc network. It is hard to design a multicast routing protocol with high efficient and transmission capability for the change of topology. On considering the mobility, discovery and maintenance of routing in Ad Hoc network, a new efficient routing protocol based on the stateless multicast routing protocol is proposed to improve the transmission efficiency.
Keywords： Ad Hoc; multicast routing protocol; transmission efficiency; on-demand driven routing
0 引 言
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)終端具有路由功能，是由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。因其具有獨(dú)立自組網(wǎng)能力以及無中心、動(dòng)態(tài)性、易于鋪設(shè)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于緊急救援、道路交通、軍事戰(zhàn)場、偏遠(yuǎn)野外和探險(xiǎn)等臨時(shí)信息系統(tǒng)建設(shè)，成為當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1-2］。
基于Ad Hoc的組播路由協(xié)議有多種分類方法，┮話悛把它們按組播傳輸結(jié)構(gòu)可分為樹狀組播路由協(xié)議、柵格狀組播路由協(xié)議、混合性組播路由協(xié)議和無狀態(tài)組播路由協(xié)議。在小規(guī)模的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，無狀態(tài)組播路由協(xié)議因其獨(dú)特的性能和特點(diǎn)得到眾多研究人員的關(guān)注和認(rèn)可。
無狀態(tài)組播路由協(xié)議是基于這樣一種考慮：基于樹和基于網(wǎng)格的組播路由協(xié)議都需要進(jìn)行路由樹或網(wǎng)格的創(chuàng)建和維護(hù)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)頻繁的拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致這種過程的開銷非常大。為了減少這種開銷，無狀態(tài)的組播路由采用組播發(fā)送者集中管理組播成員關(guān)系的方法，在分組的報(bào)頭中顯式的列出組播的接收者，中間節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)動(dòng)態(tài)的組播路由信息。無狀態(tài)的組播路由主要用于小規(guī)模的組播，并由單播路由協(xié)議根據(jù)分組的報(bào)頭轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)接收者。
1 DDM協(xié)議
DDM［3］(Differentail Destination Multicast)是┮恢知典型的無狀態(tài)組播路由協(xié)議，它由組播發(fā)送者負(fù)責(zé)對(duì)成員的管理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入組播組時(shí)，利用單播路由，發(fā)送JOIN消息到組播發(fā)送者，JOIN消息包括組播的ID號(hào)，加入節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，發(fā)送者的ID號(hào)。組播發(fā)送者接收到JOIN后，將加入節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)加入成員列表中，加入節(jié)點(diǎn)就成了一個(gè)組播發(fā)送者的接收成員。
成員列表的更新是發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動(dòng)完成的。發(fā)送成員在數(shù)據(jù)分組中周期地捎帶一個(gè)查詢標(biāo)志，接收成員通過單播一個(gè)JOIN信息來響應(yīng)發(fā)送成員的“查詢”。當(dāng)一個(gè)成員需要退出組播分組時(shí)，顯式地發(fā)送一個(gè)LEAVE消息。
DDM議的關(guān)鍵技術(shù)是基于組播接收成員的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)頭計(jì)算與編碼，DDM采用差分編碼。它的控制包有四種類型，即JOIN,ACK,LEAVE和RSYNC。┣叭種控制分組用于成員控制算法，RSYNC用于節(jié)點(diǎn)與其上游節(jié)點(diǎn)的組播成員列表同步。DDM的包格式如圖1所示。其包格式分?jǐn)?shù)據(jù)包和控制包，數(shù)據(jù)包主要包括DDM報(bào)頭和有效負(fù)荷。
圖1 DDM的包頭格式
每一個(gè)DDM塊對(duì)應(yīng)一個(gè)下游鄰居。DDM塊包括有期望的接收者、DDM塊類型、DDM塊序列號(hào)。有┤種類型的DDM塊：空(Empty)塊、刷新(Refresh)塊、差分(Difference)塊，簡便記為E,R,D。在無線廣播網(wǎng)絡(luò)中，到不同鄰居節(jié)點(diǎn)的DDM塊可能匯聚到一個(gè)分組中，以減少傳輸次數(shù)。
DDM的包頭中需要轉(zhuǎn)發(fā)的信宿節(jié)點(diǎn)的集合稱作FS。在組播的源節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)S和成員列表是一致的。在其他節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)S是所有上游鄰居節(jié)點(diǎn)FS的并集。節(jié)點(diǎn)到達(dá)FS中的信宿節(jié)點(diǎn)的路徑是不同的，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的┫亂惶，可將FS中的信宿節(jié)點(diǎn)劃分為不同的子集，成為方向子集DS。每個(gè)DS對(duì)應(yīng)一個(gè)下游鄰居節(jié)點(diǎn)。┟扛霆DS還包括一個(gè)強(qiáng)制刷新標(biāo)志，用于轉(zhuǎn)發(fā)組的同步。節(jié)點(diǎn)在接到數(shù)據(jù)包以后，首先比較序列號(hào)，如果已經(jīng)處理過，則丟棄該包，并根據(jù)DDM快的期望接收節(jié)點(diǎn)，定位自己的DDM塊。如果是R塊，則創(chuàng)建新的FS，如果是D塊，則更新FS，F(xiàn)S=∪FS。
當(dāng)采用差分編碼時(shí)，在DDM塊中僅包含節(jié)點(diǎn)的差分列表，因此保持上游節(jié)點(diǎn)的FS表與下游節(jié)點(diǎn)的DS表的一致性是十分重要的，DDM用序列號(hào)來維護(hù)表的同步。每個(gè)DDM塊都有一個(gè)序列號(hào)，來標(biāo)記上游節(jié)點(diǎn)FS表的序列號(hào)為，每發(fā)一個(gè)分組序列號(hào)加1，發(fā)E塊時(shí)不變。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到序列號(hào)不連續(xù)時(shí)，就發(fā)送一個(gè)RSYNC消息到相應(yīng)的上游節(jié)點(diǎn)，接收到RSYNC的節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)RSYNC消息的節(jié)點(diǎn)的ID定位將發(fā)送DDM相應(yīng)的分組DSS，并更新列表，從而使列表同步。
2 對(duì)DDM的分析和擴(kuò)展
評(píng)價(jià)一個(gè)協(xié)議好壞的標(biāo)準(zhǔn)有很多，其中數(shù)據(jù)傳輸效率是很重要的一條。在Ad Hoc環(huán)境中，能量和帶寬是有限的，怎么樣在一定的時(shí)間里用盡可能少的能量傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)，一直是人們努力實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。DDM是一個(gè)適用于規(guī)模小、移動(dòng)速度快的Ad Hoc環(huán)境，但從DDM的包格式來看，其控制部分在整個(gè)包中占了很大比例，這將嚴(yán)重影響協(xié)議的傳輸效率。一般情況下，按需路由協(xié)議的包頭都帶有大量控制信息；表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議則需要大量的控制信息。
表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議又稱為主動(dòng)式的路由協(xié)議，該路由協(xié)議試圖維護(hù)網(wǎng)格中各個(gè)節(jié)點(diǎn)到其余所有節(jié)點(diǎn)的最新路由信息，所有路由信息保持一致。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)┮徽弄或幾張到網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的信息表，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過交互信息來實(shí)時(shí)地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由表。在表驅(qū)動(dòng)協(xié)議中，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)地維護(hù)路由信息，這樣在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、拓?fù)渥兓^快的環(huán)境中，大量拓?fù)湫畔⒏孪?huì)占用過多的信道資源，使得系統(tǒng)效率下降。按需路由協(xié)議是只有在節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，才激活路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制尋找到達(dá)目的地的路由，很多控制信息加在數(shù)據(jù)包上，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，靈活性、健壯性較好，但其包格式的控制部分占比例太大，影響傳輸效率［4］。
為了保持協(xié)議的傳輸效率和健壯性，可以取長補(bǔ)短，使用表驅(qū)動(dòng)和按需驅(qū)動(dòng)兩種方式相結(jié)合的協(xié)議。即組播路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)使用按需驅(qū)動(dòng)的方式，而傳輸組播數(shù)據(jù)包則用表驅(qū)動(dòng)的方式。這里提出一種同樣適用于規(guī)模小，移動(dòng)速度快的Ad Hoc環(huán)境的新的組播路由協(xié)議EDDM。
3 EDDM組播路由協(xié)議
EDDM(Efficient Differentail Destination Multicast)是一種靠單播鏈路來進(jìn)行分發(fā)的組播協(xié)議，它是使用按表驅(qū)動(dòng)和按需驅(qū)動(dòng)混合的一種高傳輸效率的組播協(xié)議。它內(nèi)嵌的單播協(xié)議也是DSR協(xié)議。
3.1 EDDM的包格式
EDDM主要有JOIN,REQ,ACK,DATA,LEAVE和RSYNC六種包格式，其中，JOIN,REQ,ACK,LEAVE和RSYNC是控制包，它們的包格式是DSR格式，如JOIN的包格式，如圖2所示。JOIN,REQ,LEAVE是用來維護(hù)和發(fā)現(xiàn)路由的，RSYNC是用來同步數(shù)據(jù)包的。這些包中含有部分控制信息，包頭相對(duì)較長。
圖2 JOIN包的格式
DATA包是數(shù)據(jù)包，它的格式相對(duì)就簡單多了。為了提高傳輸效率，EDDM的數(shù)據(jù)包不包含控制信息，控制信息都寫在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的表中，其格式如圖3所示。
圖3 DATA包的格式
3.2 組播路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)
EDDM的路由維護(hù)和管理是由組播的發(fā)送者來實(shí)施的。其過程如下：
(1) 想加入組播的節(jié)點(diǎn)通過向源節(jié)點(diǎn)單播一個(gè)JOIN消息來加入組播組，源節(jié)點(diǎn)收到JOIN消息后，把發(fā)送JOIN的節(jié)點(diǎn)加入組播組然后單播REQ消息給請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)。
(2) 中間節(jié)點(diǎn)在收到JOIN消息后，就認(rèn)為自己是組播的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并記下JOIN消息的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)、下一個(gè)節(jié)點(diǎn)以及JOIN消息的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，從而建立了┮恢華組播鏈路。
(3) 組播源節(jié)點(diǎn)周期性的組播確認(rèn)信息REQ，當(dāng)成員節(jié)點(diǎn)收到REQ后，將回復(fù)JOIN消息。
(4) 如果組播成員節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到REQ消息，那么它將繼續(xù)周期性的發(fā)送JOIN消息，直到得到源節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)。
(5) 如果某條鏈路在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中發(fā)生斷鏈，那么發(fā)現(xiàn)斷鏈的節(jié)點(diǎn)將使用單播的形式發(fā)送RSYNC消息給與本鏈路相關(guān)的各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)收到RSYNC消息后將重啟單播尋路機(jī)制，然后向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送JOIN消息，從而達(dá)到維護(hù)路由的目的。
(6) 如果某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)想退出組播組，則發(fā)送LEAVE消息給源節(jié)點(diǎn)，那么沿途所有收到LEAVE消息的中間節(jié)點(diǎn)都會(huì)取消針對(duì)退出的目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。源節(jié)點(diǎn)如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到某個(gè)成員的JOIN消息，也沒收到LEAVE消息，會(huì)將該節(jié)點(diǎn)從組播成員中刪除。而中間節(jié)點(diǎn)如果在一定的時(shí)間內(nèi)（這個(gè)時(shí)間設(shè)定為刷新時(shí)間的2倍）沒有收到經(jīng)過它的JOIN消息，則認(rèn)為自己不再是中間節(jié)點(diǎn)，不再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
3.3 EDDM數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)
當(dāng)源節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包時(shí)，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間已經(jīng)通過發(fā)送JOIN消息和REQ消息建立起了組播路由。組播路由表是獨(dú)立于單播路由表的，它只是從靠JOIN消息中解讀出有用的信息保存在JION所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)的表中。
(1) 當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)組播數(shù)據(jù)包，先檢查是不是收到過同樣的包，如果以前收到過則銷毀。
(2) 如果第一次收到這個(gè)包，則檢查這個(gè)包經(jīng)過的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)號(hào)和它的組播號(hào)并將他們跟自己的組播路由表對(duì)比，看其是否與自己相關(guān)如果不相關(guān)則銷毀。
(3) 如果這個(gè)數(shù)據(jù)包與自己相關(guān)，則立即給上游鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK消息并廣播數(shù)據(jù)包，然后等待下游鄰節(jié)點(diǎn)的ACK消息。
(4) 如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到下游鄰節(jié)點(diǎn)的ACK消息，則認(rèn)為該處斷鏈。
4 仿真與分析
為了評(píng)測EDDM協(xié)議的性能，使用NS2仿真工具對(duì)其性能進(jìn)行模擬研究，并與經(jīng)典組播協(xié)議ODMRP進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信半徑最大為250 m，信道能力為2 Mb/s，節(jié)點(diǎn)的無線傳輸模型選Two-Ray Ground傳輸模型，仿真過程中每個(gè)組播組中僅有一個(gè)信號(hào)源發(fā)送數(shù)據(jù)；仿真時(shí)間為400 s，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為2~20 m/s。節(jié)點(diǎn)在1 000 m×1 000 m的矩形平面空間中進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)。
本實(shí)驗(yàn)針對(duì)ODMRP和EDDM的數(shù)據(jù)包傳輸效率進(jìn)行了仿真比較，比較結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，組播成員節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少的情況下，EDDM的數(shù)據(jù)包傳輸效率明顯優(yōu)于ODMRP。但隨著成員節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多，其性能逐漸下降,說明EDDM的擴(kuò)展性不強(qiáng)。在這里沒有從仿真中嚴(yán)格比較DDM和EDDM在數(shù)據(jù)傳輸效率方面的優(yōu)劣，但給出了EDDM和ODMRP的比較。在成員節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況下，他的數(shù)據(jù)傳輸效率都優(yōu)于ODMRP，但這種優(yōu)勢也都隨著組播成員個(gè)數(shù)的增多而變小。
圖4 EDDM和ODMRP的數(shù)據(jù)包傳輸率比較結(jié)果
從傳輸單個(gè)數(shù)據(jù)包的角度來看，EDDM的效率與DDM的效率相比差別很大。現(xiàn)在設(shè)DDM的源節(jié)點(diǎn)周圍有m個(gè)下游節(jié)點(diǎn)(也就是說第一次轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包中需要帶m個(gè)DS塊)，設(shè)每個(gè)DS塊中有n個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，m和n的最小值為1，每個(gè)段按最小8位，x為數(shù)據(jù)大小，гDDM的數(shù)據(jù)部分占總大小比例為
圖5 DDM和EDDM數(shù)據(jù)部分在數(shù)據(jù)包中的比例
5 結(jié) 語
EDDM是一種使用于小規(guī)模的高效組播路由協(xié)議。它從無狀態(tài)組播路由協(xié)議延伸而來，是一種樹狀結(jié)構(gòu)的協(xié)議，但其狀態(tài)結(jié)構(gòu)的組織非常松散，類似于無狀態(tài)的組播結(jié)構(gòu)。該協(xié)議充分考慮了表驅(qū)動(dòng)與按需路由驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，使用二者相結(jié)合的方式形成的一種高效數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。從各個(gè)方面的比較來看，EDDM確實(shí)有效地保證了在小規(guī)模、高速度Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的高效數(shù)據(jù)傳輸。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］郭永洪,李光勝,毛啟容,等.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組播路由協(xié)議研究現(xiàn)狀、問題和方向［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用及軟件,2006,23(4):8-10,65.
［2］孫寶林,李臘元,李相棚.移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多播路由協(xié)議的研究進(jìn)展［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2004,40(32):139-143.
［3］JI Lu-sheng, CORSON M Soctt. Explicit multicasting for mobile Ad Hoc network[J]. Mobile Networks and Applications, 2003,8(1): 535-549.
［4］鄭少仁,王海濤.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社,2004.
［5］LEE S, SU W, GERLA M. On-demand multicast routing protocol(ODMRP)[C]// Proceedings of IEEE WCNC′99. New Orleans, LA: IEEE, 1999: 1298-1302.
［6］LUO Jun-hai,YE Dan-xia. A survey of multicast routing protocol for mobile Ad Hoc networks ［C］// IEEE Communications Surveys & Tutorials.[S.l.]: IEEE, 2009, 11(1): 78-91.
［7］KALIAPERUMAL B, EBENEZER A, Jeyakumar. Adaptive core-based scalable multicasting networks ［J］. Proc. IEEE INDICON, 2005, 29(3): 198-202.
［8］SOON Y O, PARK J S, GERLA M. E-ODMRP: enhanced ODMRP with motion adaptive refresh ［J］. Proc. ISWCS, 2005, 49(17): 211-217.
［9］YUYao,ZHOUYu. Impact of Interference on multicast throughput over Ad Hoc Networks［R］. Fifth International Joint Conference on INC,IMS and IDC, 2009.
［10］TIAN Ke, ZHANG Bao-xian. Destination-driven on-demand multicast routing protocol for wireless Ad Hoc networks ［R］. IEEE Communication Society subject matter expert for publication in the IEEE ICC, 2009.
作者簡介：
劉曉培 男，1981年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)锳d Hoc網(wǎng)絡(luò)組播研究。
李 穎 男，博士,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)?Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；RPL路由協(xié)議；Cooja仿真工具
中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）05-0211-03
Abstract： In Wireless Sensor Networks，the node’s processing capability，storage capacity and energy are limited by the hardware.The RPL routing protocol is an IPv6 routing protocol proposed by the IETF RoLL working group and specifically designed for Low-power and Lossy Networks.This paper introduces the RPL routing protocol topology，routing construction and security mechanisms. Finally，the routing protocol is simulated by Cooja simulation tool，and the efficiency of the routing protocol in wireless sensor network is verified.
Key words： Wireless Sensor Network； RPL routing protocol； Cooja
傳統(tǒng)上基于現(xiàn)場總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測技術(shù)存在著設(shè)備搭建復(fù)雜度高、拓展性受地域影響較大等缺點(diǎn)。基于6LoWPAN技術(shù)搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），借由物聯(lián)網(wǎng)的概念以全I(xiàn)P的方式實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，具有易于布置、易于維護(hù)、易于拓展等優(yōu)點(diǎn)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多散布于工作區(qū)的節(jié)點(diǎn)組成，在監(jiān)測地域自組織的構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備受體積所限，普遍具有處理能力差、傳輸速率低、能量儲(chǔ)備有限等問題，網(wǎng)絡(luò)連接也存在高丟包率、低數(shù)據(jù)傳輸和不穩(wěn)定等特性。為了減少組網(wǎng)開銷，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，IETF RoLL工作組提出了RPL路由協(xié)議。RPL路由協(xié)議通過交換距離矢量構(gòu)造一個(gè)有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，DAG），節(jié)點(diǎn)通過廣播方式與其余節(jié)點(diǎn)互相交換信息，計(jì)算最優(yōu)路徑，有效防止路由環(huán)路問題。
本文詳述了無線節(jié)點(diǎn)通過RPL路由協(xié)議組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由的建立過程，安全機(jī)制等，最后通過Contiki系統(tǒng)的Cooja工具模擬無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)行了仿真并驗(yàn)證其性能。
1 簡述
RPL是基于Ipv6而設(shè)計(jì)的距離矢量路由協(xié)議。基于有向無環(huán)圖的拓?fù)涓拍睿ㄟ^使用目標(biāo)函數(shù)（Object Function，OF）和度量集合構(gòu)建以目的節(jié)點(diǎn)為導(dǎo)向的有向無環(huán)圖（Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG）。最優(yōu)路徑依賴于目標(biāo)函數(shù)的約束條件和度量。
1.1 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
與日常有線網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸不同的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受地域環(huán)境限制，一般沒有預(yù)先設(shè)定好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無線節(jié)點(diǎn)必須自己去發(fā)現(xiàn)其他的節(jié)點(diǎn)并根據(jù)RPL規(guī)則建立通信。RPL路由把網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有無線節(jié)點(diǎn)向外的信道匯集到一個(gè)或者多個(gè)指定的出入口，外部的信息也從這些出入口分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)里面的節(jié)點(diǎn)。因此，整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)被視為一個(gè)DAG圖，RPL路由協(xié)議將這個(gè)DAG圖分割為多個(gè)DODAG圖，每個(gè)DODAG圖含有一個(gè)root節(jié)點(diǎn)（出入口，可以接收或發(fā)送外網(wǎng)信息）。
2.1 DODAG的形成和向上路由的建立
在節(jié)點(diǎn)上電開始工作之前，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境指定不同的節(jié)點(diǎn)分別作為root節(jié)點(diǎn)和node節(jié)點(diǎn)。上電之后，root節(jié)點(diǎn)會(huì)向臨近的所有節(jié)點(diǎn)廣播DIO消息，不同的root節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)廣播DIO消息，有時(shí)會(huì)造成一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到多個(gè)DIO消息，這時(shí)接收節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)DIO消息中攜帶的信息，通過比對(duì)Rank值、目標(biāo)函數(shù)以及根據(jù)路由選擇度量標(biāo)準(zhǔn)量化的ETX值選擇是否加入該DODAG圖。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入該DODAG圖后，root節(jié)點(diǎn)隨即成為這個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)確定之后，該節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)自己DIO消息中的路由方面的信息進(jìn)行修改，然后將含有新路由消息的DIO消息向臨近自己的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送。如此循環(huán)，其他的節(jié)點(diǎn)也會(huì)收到許多DIO消息，通過同樣方法確定自己的父節(jié)點(diǎn)。在路由建立時(shí)，節(jié)點(diǎn)的下一跳都為其父節(jié)點(diǎn)，至此向上的路由建立起來。
2.2 向下路由的建立
向下路由的構(gòu)建存在著兩種模式：Storing Mode和Non-Storing Mode。在構(gòu)建過程中node節(jié)點(diǎn)可以保留向下的路由信息的模式為Storing Mode，而只有root節(jié)點(diǎn)能保存的模式為Non-Storing Mode。
在Storing Mode下，節(jié)點(diǎn)通過比較上一級(jí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的DIO消息，確定自己的父節(jié)點(diǎn)，會(huì)對(duì)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息進(jìn)行回復(fù)。父節(jié)點(diǎn)收到DAO消息，處理其前綴信息，并在路由表上加入一條路由項(xiàng)，從而更新了整個(gè)路由表。當(dāng)這個(gè)父節(jié)點(diǎn)完成該步驟后，它會(huì)向自己上一級(jí)的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送DAO消息包，如此循環(huán)直至整個(gè)向下路由建立起來。
而在Non-Storing Mode下，節(jié)點(diǎn)處理DIO消息后向root節(jié)點(diǎn)直接回復(fù)DAO消息，而其父節(jié)點(diǎn)不會(huì)接收這些消息，只是這些消息要經(jīng)父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。最后當(dāng)root節(jié)點(diǎn)收到所有節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的DAO消息后，就會(huì)建立到所有節(jié)點(diǎn)的路由表。
3 安全機(jī)制
3.1 環(huán)路避免和檢測
在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)位置和拓?fù)湮恢貌煌剑赡軐?dǎo)致臨時(shí)環(huán)路的產(chǎn)生。環(huán)路可能導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)包、堵塞鏈路等問題，因此要求迅速檢測出環(huán)路。但在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)路對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響是有限的，相反如果采取較大的措施避免環(huán)路反而會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量消耗與路由混亂。因此RPL協(xié)議允許環(huán)路的出現(xiàn)，定義了兩種基于Rank值的策略來盡量避免環(huán)路的出現(xiàn)。
1） 不允許節(jié)點(diǎn)選擇DODAG圖中Rank值更大的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)。
2） 不允許節(jié)點(diǎn)在DODAG內(nèi)向更深方向移動(dòng)（增加Rank），以便增加父代集規(guī)模或改善其他度量。
3.2 修復(fù)機(jī)制
當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)能量耗盡或因故障不能繼續(xù)工作時(shí)，為了數(shù)據(jù)正常轉(zhuǎn)發(fā)需建立其他路由，RPL路由協(xié)議支持兩種修復(fù)方式：全局修復(fù)和局部修復(fù)。當(dāng)監(jiān)測到鏈路失效后，節(jié)點(diǎn)在向上方向沒有父節(jié)點(diǎn)，觸發(fā)一個(gè)局部修復(fù)以尋找另外父節(jié)點(diǎn)；當(dāng)局部修復(fù)發(fā)生時(shí)，有可能會(huì)破壞整個(gè)DODAG圖的最優(yōu)模式，或者當(dāng)root節(jié)點(diǎn)失效，該DODAG圖就會(huì)重建，從而觸發(fā)全局修復(fù)，DODAGVersionNumber的值會(huì)加1。
3.3 Trickle Algorithm定時(shí)器
4 Cooja平臺(tái)仿真及分析
Cooja作為Contiki操作系統(tǒng)的自帶插件，能夠?qū)Υ罅抗?jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬仿真。本文模擬一仿真環(huán)境，存在一個(gè)root節(jié)點(diǎn)，10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的方式分布在仿真環(huán)境中。節(jié)點(diǎn)1是root節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，圓圈表示節(jié)點(diǎn)1的通信范圍，通信范圍外的節(jié)點(diǎn)只能通過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)與節(jié)點(diǎn)1通信，仿真環(huán)境如圖2所示。
在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第一次穩(wěn)定之后，如圖3所示。但節(jié)點(diǎn)不允許選擇DODAG圖中更深的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，通過比對(duì)Rank值與ETX值，節(jié)點(diǎn)3重新選擇節(jié)點(diǎn)5作為自己的父節(jié)點(diǎn)，RPL協(xié)議發(fā)起一個(gè)局部修復(fù)，根據(jù)涓流算法，重置Trickle Timer定時(shí)器，提高DIO消息包發(fā)送頻率，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)3在01：05左右重置定時(shí)器，重置DIO消息包發(fā)送間隔，直至DODAG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
人為挪動(dòng)節(jié)點(diǎn)7、8位置使其相對(duì)位置變化導(dǎo)致DODAG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，節(jié)點(diǎn)4、6、11重新選擇自己的父節(jié)點(diǎn)，新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。RPL路由協(xié)議發(fā)起一個(gè)局部修復(fù)，根據(jù)涓流算法（Trickle Algorithm），重置Trickle Timer定時(shí)器，提高DIO消息發(fā)送頻率，待其穩(wěn)定之后，仍會(huì)按照“階梯”式增長。涓流算法對(duì)節(jié)點(diǎn)DIO消息發(fā)送頻率的影響如圖所示，從圖7中可以看出節(jié)點(diǎn)到達(dá)一個(gè)階梯上，原因是涓流算法第四步會(huì)檢測當(dāng)前積累的一致性的數(shù)量是否小于冗余常量，只有滿足該條件后才可發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而避免了所有節(jié)點(diǎn)在檢測到不一致現(xiàn)象后同時(shí)反應(yīng)引起的廣播風(fēng)暴。圖8為節(jié)點(diǎn)4移動(dòng)后，由于大量的發(fā)送DIO消息包導(dǎo)致的功耗急劇上升。
5 結(jié)語
RoLL工作組為了解決低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的路由問題，提出了RPL路由協(xié)議。該協(xié)議利用ICMPv6的控制消息DIO、DIS和DAO來實(shí)現(xiàn)路由過程。本文使用Contiki Cooja模擬器模擬了實(shí)際仿真環(huán)境中的組網(wǎng)過程，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，通過修復(fù)機(jī)制重置Trickle定時(shí)器，有效地控制消息包的發(fā)送頻率，從而降低路由協(xié)議開銷。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李樹軍. 基于6LoWPAN的RPL路由協(xié)議研究[J]. 重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，08：72-77.
[2] 朱燕，黃明科. 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用探討[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)，2010，11：34-37.
[3] 張宏科，梁露露，高德云. IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究及其應(yīng)用[J]. 中興通訊技術(shù)，2009，05：37-40.
[4] 王o涵. 基于Contiki操作系統(tǒng)的RPL路由協(xié)議能耗均衡的研究[D].蘭州大學(xué)，2015.
[5] 丘建. 基于Contiki/Cooja平臺(tái)的IEEE 802.15.4協(xié)議實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)[D].電子科技大學(xué)，2014.
[6] 宋菲，侯樂青. 淺析智能物件網(wǎng)絡(luò)中的RPL路由技術(shù)[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)，2011，09：23-26.
[7] 于鵬澎. 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué)，2015.
[8] T. Winter， P. Thubert， A. Brandt， J. Hui， R. Kelsey， P. Levis， K. Pister， R. Struick， J. Vasseur， R. Alexander， RPL： IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks IETF RFC 6550， 2012.
