移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究

唐海和++徐曉艷

摘要：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，因其可以在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。本文首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的概念、主要特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后，文章介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，并詳細(xì)列出了幾種分層協(xié)議的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0046-02

在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，目前最熱點(diǎn)的應(yīng)用當(dāng)屬IEEE802.11無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）。在這一領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)又分為無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET），無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），無線Mesh網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）。其中，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是后兩者的基礎(chǔ)和前身[1]。

1 什么是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

Ad Hoc一詞源自于拉丁語，本意是“無事先準(zhǔn)備的、臨時(shí)性的”。根據(jù)IEEE的定義，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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、臨時(shí)性、無中心網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)移動(dòng)終端可以自由移動(dòng)，所有移動(dòng)終端地位相等，因此可以在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建，而無需現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持。因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)也常被稱為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)自組網(wǎng)。因?yàn)槠湟子谑褂玫奶攸c(diǎn)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)很有吸引力，在軍事通信、野外通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。

1.1 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

（1）具有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的技術(shù)：其報(bào)文交換采用分組交換機(jī)制，而移動(dòng)終端是配有無線收發(fā)設(shè)備的移動(dòng)便攜式終端。移動(dòng)終端兼具雙重角色，既可以作為主機(jī)運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序，也可以作為路由器運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議。另外，各移動(dòng)終端之間路由通過多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)完成。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端之間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度可能受到其他無線信道、地形等綜合因素的影響，因此是不可預(yù)測的。另外，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端之間存在著某種協(xié)同工作關(guān)系，每個(gè)終端都將承擔(dān)為其它終端進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的義務(wù)。

（3）多跳路由的組網(wǎng)方式。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的接收端和發(fā)送端可以使用比兩者直接通信小得多的功率進(jìn)行通信，從而大大節(jié)約能量消耗。間節(jié)點(diǎn)能夠參與分組轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低無線傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì)難度和成本，擴(kuò)大自組網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（4）特殊的無線信道特征。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無線信道能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬比有線信道要低得多，且競爭共享無線信道會(huì)產(chǎn)生碰撞，同時(shí)存在信號(hào)衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等問題，影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

（5）安全性差。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路使網(wǎng)絡(luò)容易受到鏈路層的攻擊，節(jié)點(diǎn)漫游時(shí)缺乏物理保護(hù)，各移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)性使得節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系經(jīng)常變化。

（6）網(wǎng)絡(luò)和終端存在局限性。網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾造成網(wǎng)絡(luò)容量下降，各節(jié)點(diǎn)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)的增加而下降。且網(wǎng)絡(luò)中的終端在能量、存儲(chǔ)和計(jì)算等方面都有資源受限的問題。

1.2 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有兩種常見的結(jié)構(gòu)：節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（1）節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由主機(jī)、路由器和無線收發(fā)裝置構(gòu)成。其中，主機(jī)用于運(yùn)行應(yīng)用程序，完成數(shù)據(jù)處理等功能；路由器用于運(yùn)行路由協(xié)議，完成路由選擇、轉(zhuǎn)發(fā)分組等功能；無線收發(fā)裝置用于完成數(shù)據(jù)傳輸功能。如圖1和圖2所示，常見的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)有單機(jī)單接入和單機(jī)多接入兩種。

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又分為平面結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)兩種。1）平面結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)地位平等，如圖3所示。層次結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇（Cluster），每個(gè)簇由簇首節(jié)點(diǎn)（Cluster Head）和簇成員節(jié)點(diǎn)（Cluster Member）構(gòu)成；2）簇首節(jié)點(diǎn)可形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。圖4是使用多頻的兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)示意圖。

2 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

針對(duì)不同的體系結(jié)構(gòu)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為三大類[3]：1）平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，可以根據(jù)其設(shè)計(jì)理念進(jìn)一步分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。通常這類協(xié)議采用距離向量（Distance Vector，DV）和鏈路狀態(tài)（Link Status，LS）路由策略作為其基本的路由策略。2）分層結(jié)構(gòu)路由，通常的分層路由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配不同的層次地址，有些協(xié)議還需要一個(gè)分層尋址系統(tǒng)。3）基于位置輔助型路由協(xié)議，路由要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）或使用其他類型的定位服務(wù)。

其中，分層路由的設(shè)計(jì)分為聚類算法、簇頭選擇、簇內(nèi)路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議四個(gè)部分。構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)最流行的方式是簇，通過簇構(gòu)建一些動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，簇通常由簇頭和多個(gè)簇成員組成。不同的路由策略用于內(nèi)部范圍和外部的區(qū)域。通過這種靈活性，可以實(shí)現(xiàn)高效的路由性能。這里介紹幾種常見的分層路由協(xié)議。

（1）分簇路由協(xié)議（CBRP）。分簇路由協(xié)議（Cluster-Based Routing Protocols，CBRP）協(xié)議規(guī)定節(jié)點(diǎn)只知道周圍一跳及兩跳節(jié)點(diǎn)，并采用最小分簇算法構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)路由信息。協(xié)議規(guī)定簇間可重疊或相交，但不允許簇頭直接相鄰，即它們之間的每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)簇成員。當(dāng)需要簇間通信時(shí)，按需源路由則滿足線路需求。路線被發(fā)現(xiàn)后，簇通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息知道鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)這種有限的修復(fù)機(jī)制，需要使用路由緩存。CBRP支持多條線路，并可以使用單向鏈路和簇間路由。

（2）簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計(jì)劃，以形成集群和選舉簇頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)表：集群成員表（記錄每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)）和距離矢量路由表（記錄簇頭的下一跳）。集群成員表定期更新，節(jié)點(diǎn)將更新其相鄰的一個(gè)新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網(wǎng)關(guān)之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計(jì)劃使用一個(gè)序列號(hào)，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動(dòng)態(tài)路由算法（DDR）。分布式動(dòng)態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構(gòu)建森林的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)樹構(gòu)建森林以形成一個(gè)區(qū)域，然后，網(wǎng)絡(luò)被分成一組動(dòng)態(tài)非重疊區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算定期獨(dú)立的區(qū)域ID。每個(gè)區(qū)域連接的節(jié)點(diǎn)不在同一棵樹，但他們?cè)趯?duì)方的直接傳輸范圍內(nèi)。因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是一組連接區(qū)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在路由器模式或在其樹的位置通信。

（4）層次狀態(tài)路由協(xié)議（HSR）。層次狀態(tài)路由協(xié)議（Hierarchical State Routing，HSR）是一種多層次聚類的基礎(chǔ)設(shè)施，集群中有三種節(jié)點(diǎn)：簇頭、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當(dāng)選簇頭，它們成為下一級(jí)更高層的成員，這些新成員能夠再次組織集群，從而形成邏輯集群。簇頭通過虛擬鏈接被映射到底層的物理鏈路連接，每個(gè)簇收集關(guān)于它的鄰居節(jié)點(diǎn)和傳播其鄰居簇頭的上級(jí)集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結(jié)語

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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、臨時(shí)性、無中心網(wǎng)絡(luò)，可隨時(shí)隨地快速搭建。它具有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，多跳路由的組網(wǎng)方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網(wǎng)絡(luò)和終端等局限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種常見的體系結(jié)構(gòu)。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步詳細(xì)介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，并對(duì)幾種分層協(xié)議進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

參考文獻(xiàn)

[1]趙志峰，鄭少仁.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[J].中國數(shù)據(jù)通信，2002，4（9）：1-5.

[2]易平，蔣嶷川，張世永等.移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)安全綜述[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33（5）：893-899.

[3]趙根喜，張愛紅，孫偉.Ad Hoc路由協(xié)議綜述[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003（8）：45-46.

（2）簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計(jì)劃，以形成集群和選舉簇頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)表：集群成員表（記錄每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)）和距離矢量路由表（記錄簇頭的下一跳）。集群成員表定期更新，節(jié)點(diǎn)將更新其相鄰的一個(gè)新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網(wǎng)關(guān)之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計(jì)劃使用一個(gè)序列號(hào)，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動(dòng)態(tài)路由算法（DDR）。分布式動(dòng)態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構(gòu)建森林的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)樹構(gòu)建森林以形成一個(gè)區(qū)域，然后，網(wǎng)絡(luò)被分成一組動(dòng)態(tài)非重疊區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算定期獨(dú)立的區(qū)域ID。每個(gè)區(qū)域連接的節(jié)點(diǎn)不在同一棵樹，但他們?cè)趯?duì)方的直接傳輸范圍內(nèi)。因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是一組連接區(qū)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在路由器模式或在其樹的位置通信。

（4）層次狀態(tài)路由協(xié)議（HSR）。層次狀態(tài)路由協(xié)議（Hierarchical State Routing，HSR）是一種多層次聚類的基礎(chǔ)設(shè)施，集群中有三種節(jié)點(diǎn)：簇頭、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當(dāng)選簇頭，它們成為下一級(jí)更高層的成員，這些新成員能夠再次組織集群，從而形成邏輯集群。簇頭通過虛擬鏈接被映射到底層的物理鏈路連接，每個(gè)簇收集關(guān)于它的鄰居節(jié)點(diǎn)和傳播其鄰居簇頭的上級(jí)集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結(jié)語

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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、臨時(shí)性、無中心網(wǎng)絡(luò)，可隨時(shí)隨地快速搭建。它具有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，多跳路由的組網(wǎng)方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網(wǎng)絡(luò)和終端等局限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種常見的體系結(jié)構(gòu)。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步詳細(xì)介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，并對(duì)幾種分層協(xié)議進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

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（2）簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計(jì)劃，以形成集群和選舉簇頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩個(gè)表：集群成員表（記錄每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)）和距離矢量路由表（記錄簇頭的下一跳）。集群成員表定期更新，節(jié)點(diǎn)將更新其相鄰的一個(gè)新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網(wǎng)關(guān)之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計(jì)劃使用一個(gè)序列號(hào)，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動(dòng)態(tài)路由算法（DDR）。分布式動(dòng)態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構(gòu)建森林的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)樹構(gòu)建森林以形成一個(gè)區(qū)域，然后，網(wǎng)絡(luò)被分成一組動(dòng)態(tài)非重疊區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算定期獨(dú)立的區(qū)域ID。每個(gè)區(qū)域連接的節(jié)點(diǎn)不在同一棵樹，但他們?cè)趯?duì)方的直接傳輸范圍內(nèi)。因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看作是一組連接區(qū)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以在路由器模式或在其樹的位置通信。

（4）層次狀態(tài)路由協(xié)議（HSR）。層次狀態(tài)路由協(xié)議（Hierarchical State Routing，HSR）是一種多層次聚類的基礎(chǔ)設(shè)施，集群中有三種節(jié)點(diǎn)：簇頭、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當(dāng)選簇頭，它們成為下一級(jí)更高層的成員，這些新成員能夠再次組織集群，從而形成邏輯集群。簇頭通過虛擬鏈接被映射到底層的物理鏈路連接，每個(gè)簇收集關(guān)于它的鄰居節(jié)點(diǎn)和傳播其鄰居簇頭的上級(jí)集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結(jié)語

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)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、臨時(shí)性、無中心網(wǎng)絡(luò)，可隨時(shí)隨地快速搭建。它具有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，多跳路由的組網(wǎng)方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網(wǎng)絡(luò)和終端等局限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種常見的體系結(jié)構(gòu)。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步詳細(xì)介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，并對(duì)幾種分層協(xié)議進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。

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