基于主動網(wǎng)絡的ＭＡＮＥＴ路由研究

摘要：通過對主動網(wǎng)絡和移動Ad hoc網(wǎng)絡特點的分析，提出了將主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡相結(jié)合的思想，分析了這種結(jié)合的可行性和有效性。根據(jù)用戶傳輸數(shù)據(jù)的大小和對路由可靠性的要求，提出了兩種基于主動網(wǎng)絡的移動Ad hoc網(wǎng)絡的路由查找方法。仿真結(jié)果表明了采用主動網(wǎng)絡技術后的移動Ad hoc網(wǎng)絡能夠方便地滿足不同的路由要求。

關鍵詞：主動網(wǎng)絡;移動無線自組網(wǎng)絡;路由

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0244－03

0引言

移動Ad hoc網(wǎng)絡(Mobile Ad hoc Network，MANET)是一種新型移動無線通信網(wǎng)。它不依賴于任何固定的網(wǎng)絡設施，可以看做是由一組帶有無線網(wǎng)絡接口的移動主機組成的多跳臨時自治系統(tǒng)。它是一種無中心的分布式控制網(wǎng)絡，采取分組交換機制，用戶終端采用便攜式設備如筆記本、PDA等，配有相應的無線收發(fā)裝置，可以隨意移動或處理靜止狀態(tài)。移動Ad hoc網(wǎng)絡以其靈活、健壯、投資少等特性，現(xiàn)已廣泛用于作戰(zhàn)指揮、搶險救災以及應付突發(fā)事件和執(zhí)行臨時任務的場合，在分布式計算和傳感網(wǎng)絡中也得到了充分的應用。

移動Ad hoc網(wǎng)絡是一種移動通信和計算機網(wǎng)絡相結(jié)合的網(wǎng)絡。一方面，網(wǎng)絡的信息交換采用了計算機網(wǎng)絡中的分組交換機制；另一方面，用戶終端是可以移動的終端。其最大特點就是每個用戶終端均兼有路由器和主機兩種功能。移動Ad hoc網(wǎng)絡的這些特點勢必導致它存在如下問題[1]：

（1）動態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)。移動Ad hoc網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)隨時變化，而且這種變化難以預測。

（2）有限的傳輸帶寬。移動Ad hoc網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為通信手段，相比于有線信道具有較低的容量。

（3）移動終端的局限性。移動Ad hoc網(wǎng)絡中的用戶終端（如筆記本、手持終端等）雖然具有靈巧、便攜的特點，但是每個主機都兼做路由器的工作，對路由協(xié)議的要求很高。

（4）分布式控制。移動Ad hoc網(wǎng)絡不存在中心控制點，用戶終端地位平等，通常采用分布式控制協(xié)議。這就要求網(wǎng)絡有更強的魯棒性和抗毀性。

（5）多跳通信。移動Ad hoc網(wǎng)絡要求支持多跳通信。這也就帶來了隱藏終端、暴露終端和公平性的問題。

（6）安全。移動無線網(wǎng)絡由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等，容易面臨危險，如竊聽、電子欺騙和拒絕服務等攻擊手段。

如何解決這些問題，一直是移動Ad hoc網(wǎng)絡研究的重點內(nèi)容，也取得了一些相應的成果。在路由協(xié)議方面，已經(jīng)產(chǎn)生了相當多的適用于不同情況的路由協(xié)議[2]，主要分為表驅(qū)動路由和按需路由。它們具有各自不同的優(yōu)點和不足，故沒有形成一種被普遍接受的協(xié)議標準。在安全性[3]方面，正在通過密鑰管理、路由安全、入侵檢測等內(nèi)容的融合，試圖尋找到一個綜合的解決方案。此外在移動Ad hoc網(wǎng)絡的QoS[4]研究上也取得了一些成果。但是上述這些都沒有完全解決移動Ad hoc網(wǎng)絡所存在的問題。

移動Ad hoc網(wǎng)絡所存在的這些問題，已經(jīng)在一定程度上限制了它的發(fā)展速度和廣泛應用。所以筆者就想到這樣一個問題：是否可以找到一種能夠更好地解決移動Ad hoc網(wǎng)絡所存在問題的途徑呢？筆者想到了主動網(wǎng)絡。

主動網(wǎng)絡(Active Network)是未來網(wǎng)絡發(fā)展的一個方向，也是國際上的一個研究熱點。在主動網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡節(jié)點(路由器、交換機等)不僅能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而且可以執(zhí)行用戶定制的程序?qū)?jīng)過該節(jié)點的數(shù)據(jù)包進行處理。主動網(wǎng)絡的新特性使新標準和新技術的采用變得迅速而簡單。

1主動網(wǎng)絡

主動網(wǎng)絡[5~7]是可編程的分組交換網(wǎng)絡。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡技術最大的不同就是，它采用存儲—計算—轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡傳輸模式。網(wǎng)絡節(jié)點不僅具有分組路由的能力，而且能對分組的內(nèi)容進行計算，使分組在傳送過程中可以被修改、存儲或重定向。

主動網(wǎng)絡允許用戶向網(wǎng)絡節(jié)點插入定制的程序，網(wǎng)絡節(jié)點在處理數(shù)據(jù)包時被激活并執(zhí)行這些程序，以此來修改或擴展網(wǎng)絡的基礎配置，從而實現(xiàn)快速、動態(tài)地定制和配置網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡具有更強的靈活性和可擴展性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡采用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)模式，用戶數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的傳輸是不透明的；網(wǎng)絡僅對報文進行無修改的端到端傳送；節(jié)點對報文只作有限的計算處理。

主動網(wǎng)絡中采用統(tǒng)一的主動網(wǎng)絡編程語言，可以將主動代碼加載到主動包中，在主動節(jié)點上執(zhí)行，可以很方便地進行服務的擴展。主動網(wǎng)絡中節(jié)點間通過各種低層網(wǎng)絡技術連接在一起。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點依舊可以工作在主動網(wǎng)絡環(huán)境中，用戶通過主動應用獲得業(yè)務，提供了更多的選擇，使網(wǎng)絡應用的開發(fā)更靈活。而且，網(wǎng)絡硬件設備的升級也更為經(jīng)濟、方便。

通過對主動網(wǎng)絡特點的分析不難發(fā)現(xiàn)，主動網(wǎng)絡技術和移動Ad hoc網(wǎng)絡是可以進行有效結(jié)合的[8，9]。

一方面，主動網(wǎng)絡節(jié)點因具有計算能力，要消耗節(jié)點的資源，主要包括CPU和內(nèi)存。移動Ad hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點主要是筆記本、PDA等設備，它們既是主機又是路由器，正好可以滿足主動網(wǎng)絡對節(jié)點資源的需求；而且隨著科技的不斷發(fā)展，移動設備的存儲和計算能力會不斷增強，將更有利于實現(xiàn)主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡的結(jié)合。

另一方面，移動Ad hoc網(wǎng)絡存在的很多問題，可以通過應用主動網(wǎng)絡技術得到更好的解決。對于移動Ad hoc網(wǎng)絡中的帶寬受限問題，應用主動網(wǎng)絡技術后，充分利用節(jié)點的計算能力，制定更加高效的路由協(xié)議和傳輸機制；針對移動終端的局限性，可以通過主動節(jié)點上路由協(xié)議的動態(tài)轉(zhuǎn)換和擴展來改善；對于安全性問題，結(jié)合主動網(wǎng)絡技術之后，可以將安全機制和策略從MAC層推進到網(wǎng)絡層，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g節(jié)點進行安全策略的實施，改變以往集中于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬啥藢嵤┌踩呗缘那闆r，可以很好地提高網(wǎng)絡安全性。結(jié)合主動網(wǎng)絡技術后，主動節(jié)點可以通過采集節(jié)點自身和網(wǎng)絡的信息，對自身的運行作出適當調(diào)整，以提高節(jié)點的魯棒性和抗毀性。另外，應用主動網(wǎng)絡技術之后，使網(wǎng)絡具有更好的擴展性[10]，就可以建立一個較小的協(xié)議標準，這樣也更有利于標準的制定。



通過上面的分析不難發(fā)現(xiàn)，主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡的結(jié)合就是通過更加充分地利用移動Ad hoc網(wǎng)絡的節(jié)點資源，來更好地解決移動Ad hoc網(wǎng)絡所存在的問題，進而提升整個網(wǎng)絡的性能。主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡的結(jié)合，不僅具有較好的可行性和有效性，而且具有很好的應用前景。

下面通過兩個利用主動網(wǎng)絡實現(xiàn)的移動Ad hoc路由查找方法，來具體說明結(jié)合主動網(wǎng)絡技術后的移動Ad hoc網(wǎng)絡能夠更好地提高網(wǎng)絡性能和滿足用戶的不同需要。

2基于用戶傳輸數(shù)據(jù)量的主動MANET路由

通過眾多移動Ad hoc網(wǎng)絡研究人員的努力，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了很多移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議。有些協(xié)議的性能較好，但是由于考慮的因素比較多，算法就比較復雜，路由開銷較大；而有些協(xié)議的算法較簡單，路由開銷較小，但是性能上會差一點。這兩類協(xié)議在不同傳輸數(shù)據(jù)量的情況下，綜合性能表現(xiàn)是不一樣的。前者更適合于較大數(shù)據(jù)量的傳輸，后者更適合于較小數(shù)據(jù)量的傳輸。現(xiàn)有的移動Ad hoc網(wǎng)絡協(xié)議中，不能很好地根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小來合理選擇查找路由方式，但在結(jié)合主動網(wǎng)絡后，卻可以很好地實現(xiàn)這種選擇。

下面提出一種能夠基于用戶傳輸數(shù)據(jù)量，來進行路由查找方法選擇的主動的移動Ad hoc網(wǎng)絡路由。筆者是在對現(xiàn)有DSR協(xié)議進行改進的基礎上，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量，來實現(xiàn)對現(xiàn)有DSR和改進DSR的選擇。

現(xiàn)有DSR協(xié)議為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，在RREQ獲取中間節(jié)點上可用的路由信息后，直接向源節(jié)點發(fā)送RREP。這種情況不是全局泛洪，就可能丟失掉最優(yōu)路由。

以圖1為例，節(jié)點1是源節(jié)點，節(jié)點12是目的節(jié)點。當RREQ到達節(jié)點6時，節(jié)點6正在通過節(jié)點10、11、12進行數(shù)據(jù)傳輸。而在建立6－10－13－12路由時，節(jié)點9正在虛線位置；當節(jié)點1要查找到達節(jié)點12的路由時，節(jié)點9已經(jīng)移動到了實線位置。根據(jù)現(xiàn)有的DSR協(xié)議，當RREQ到達節(jié)點6后，會立即向節(jié)點1發(fā)送RREP，而不再向前發(fā)送RREQ。這樣節(jié)點1所獲得的路由就是1－2－6－10－13－12，而實際上的最優(yōu)路由1－2－6－9－12卻沒找出來。

現(xiàn)在本文就在不降低數(shù)據(jù)傳輸實時性的情況下改進DSR，使得能夠找到這條最優(yōu)路由。方法是在RREQ到達節(jié)點6之后，在向節(jié)點1發(fā)送RREP的同時，繼續(xù)向前發(fā)送RREQ；但要將跳數(shù)限制為已有路由上從節(jié)點6到達節(jié)點12的跳數(shù)，即為3跳，這樣就可以將1－2－6－9－12找出來。但這是以發(fā)送更多控制包為代價的。

比較現(xiàn)有DSR協(xié)議和改進DSR協(xié)議可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有DSR協(xié)議更適合小數(shù)據(jù)量的傳輸，而改進DSR更適合大數(shù)據(jù)量的傳輸。下面本文就是要通過主動網(wǎng)絡技術實現(xiàn)根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小來靈活選擇采用現(xiàn)有DSR協(xié)議還是采用改進DSR協(xié)議。

具體方法是在發(fā)送RREQ時，根據(jù)所要發(fā)送數(shù)據(jù)量的大小，在RREQ的主動代碼段中加入?yún)f(xié)議方式選擇。0方式代表現(xiàn)有DSR協(xié)議，1方式代表改進DSR協(xié)議。含有到達目的節(jié)點路由的中間節(jié)點在收到這個主動RREQ后，執(zhí)行主動代碼；根據(jù)代碼中所描述的所要采用的協(xié)議方式來決定是只發(fā)送RREP還是在發(fā)送RREP的同時繼續(xù)發(fā)送RREQ。

衡量單純采用現(xiàn)有方式，即0方式和采用0－1選擇方式，每個數(shù)據(jù)包所帶來的平均網(wǎng)絡開銷：

平均開銷=(控制總包跳數(shù)+所選路由跳數(shù)×數(shù)據(jù)包數(shù)）/數(shù)據(jù)包數(shù)

得到用跳數(shù)來衡量的不同方式下的每個數(shù)據(jù)包所帶來的平均網(wǎng)絡開銷（圖2）。

0－1選擇方式在30個包以下采用的是0方式，在30個包以上采用的是1方式。可以發(fā)現(xiàn)，通過這種選擇可以降低現(xiàn)有DSR在大數(shù)據(jù)量情況下的平均網(wǎng)絡開銷，彌補了現(xiàn)有DSR協(xié)議在大數(shù)量傳輸時的不足。

實際上在數(shù)據(jù)量很大時，控制包開銷的比重就很小了，平均的網(wǎng)絡開銷基本上就是所選路由的跳數(shù)，所以應該盡量查找最優(yōu)路由來降低開銷。在數(shù)據(jù)傳輸量小時，采用控制包開銷少、算法簡單的路由查找方式；在數(shù)據(jù)量大時，要盡量查找一條高性能的路由，雖然增加了控制包的開銷，但考慮到后面數(shù)據(jù)傳輸開銷所占比重較大，還是能夠降低平均開銷的。0－1選擇正是體現(xiàn)了這個原則。其實也可以將這一思想靈活地通過主動網(wǎng)絡技術靈活地應用到其他路由協(xié)議中。

3基于可靠性要求的主動MANET路由

現(xiàn)有路由協(xié)議較多地考慮了延時、開銷等問題，但對于所選路由的可靠性并沒有采取專門的保障措施。那就可能存在這樣的情況：在消耗了相當網(wǎng)絡開銷后所找到的一條路由，由于沒有連接可靠性的保證，導致在數(shù)據(jù)傳輸開始后不久就出現(xiàn)了路由的斷裂。一旦出現(xiàn)這種情況，那么最初找到的那條傳輸路由的價值也大大降低了。此外，不同用戶對于所要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚梢灿胁煌目煽啃砸螅咝У木W(wǎng)絡就應該能夠滿足用戶的這種不同要求。

因此，可以根據(jù)用戶需要對所查找的路由有一定的可靠性要求。這樣雖然有可能失去最快傳輸路由，但是卻提高了路由的可靠性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定，降低丟包率，使所查選擇的路由在綜合性能上得到提升，并且滿足了不同用戶的需要。

下面來看一下有可靠性保障和沒有可靠性保障的路由在不同時間內(nèi)的斷裂概率。設a＝1.3，b＝1.1，路由為5跳，各節(jié)點上的信號強度和強度變化率均為隨機，如圖3所示。

從圖3中可以很明顯地看出，采用可靠性保障后路由發(fā)生斷裂的概率要遠小于沒有可靠性保障下路由發(fā)生斷裂的概率。但是需要強調(diào)的是，如果網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)有限，那么可靠性要求就不能提得太高；否則會導致無法找到滿足要求的路由。

4結(jié)束語

對主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡的結(jié)合作了一個具體的分析，并且提出了兩種利用主動網(wǎng)絡技術實現(xiàn)的移動Ad hoc網(wǎng)絡路由，來減少網(wǎng)絡的開銷和滿足用戶對路由可靠性的要求。可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)合主動網(wǎng)絡后，可以靈活地對現(xiàn)有協(xié)議進行擴展，以滿足不同用戶的不同需求，提高整個網(wǎng)絡的靈活性和擴展性。

未來的網(wǎng)絡應該可以讓用戶主動地選擇個性化的網(wǎng)絡服務，而不再是被動接受標準的網(wǎng)絡服務。主動網(wǎng)絡正是體現(xiàn)了用戶定制服務這一思想。當然真正要將主動網(wǎng)絡與移動Ad hoc網(wǎng)絡有效結(jié)合，還要涉及到節(jié)點改造、編程語言的選擇和更多的安全性問題。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”