基于DSR協議的Ad Hoc網絡在鐵路通信中的應用分析

張 東，倪曉林，楊 妮

（蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，蘭州730070）

傳統的無線通信網絡按照其組網控制方式一般為集中控制的，即有中心的。此類無線網絡的運行要依賴預先部署的網絡基礎設施。

鐵路沿線多處于偏遠的地區，通信質量較差，線路一旦發生突發性的災難（諸如地震、水災、大型山體滑坡等），預先部署的固定設施很可能被破壞，無法進行正常的通信。在這種特殊的場合下，需要一種能夠快速自動組網的移動通信技術。Ad Hoc網絡具有組網快速、靈活、使用方便等特點，還具有很強的抗毀性、臨時自治性以及自組織的性能。本文根據Ad Hoc網絡的特點以及鐵路自身的具體特性，建立基于DSR協議的路由，分析Ad Hoc網絡在緊急情況下的應用。

1 Ad Hoc網絡簡介

Ad Hoc網絡最初的研究動機是滿足軍事戰場的通信需求。在戰場惡劣的環境下，通信設備不可能依靠的通信基礎設施，需要一種能快速裝備、自組織的移動基礎設施的網絡，使之報文交換不受固定或有線的基礎設施限制的環境下運行。在結構上，Ad Hoc網絡是由一系列移動結點組成，是一種自組織、無中心的網絡，不依靠于任何已有的網絡基礎設施。網絡中的結點動態且任意分布，結點之間通過無線方式互連，它將分組交換網絡的概念引伸到廣播網絡的范疇。

2 Ad Hoc網絡的結構

2.1 平面結構

平面結構如圖1，在平面結構的Ad Hoc網絡中，所有節點地位平等，當節點之間距離足夠近，無線電波能夠相互傳播時，就建立連接（只受網絡連通性的影響及安全條件的限制）。由于源節點和目標節點之間可存在多條路徑，可以在多條徑路上實現流量平衡，在這種網絡中，數據流可根據自身的特征選擇最合適的路徑進行發送。

圖1 平面結構的ADHOC網絡

2.2 分層結構

在分層結構Ad Hoc網絡中，節點被劃分成組，稱為簇（cluster）。每個簇由一個簇頭(cluster header)和多個簇成員（cluster member）組成。簇頭主要負責簇間數據的轉發，它要維護好到其他簇頭的路由及所有節點與簇的所屬關系。簇內成員的功能相對簡單，基本上不需要維護路由。不同簇間節點的通信都要經過各自的簇頭轉發。根據分層的數量，Ad Hoc網絡的深度可分為單層和多層，圖2是一個兩層的網絡結構。為了維護分層結構網絡的層次性需要實現較復雜的簇頭選擇算法。

圖2 一個兩層的分層Ad Hoc網絡

3 基于DSR協議的Ad Hoc路由的建立

根據對網絡拓撲結構變換的反應不同，Ad Hoc網絡的路由協議可以分為先應式（基于路由表）路由協議和反應式（基于需求）路由協議。

先應式路由協議是基于傳統的距離向量路由機制。反應式路由協議僅在需要時才去發現和建立路由。

一個Ad Hoc網絡協議需要解決3個問題：建立路由、數據轉發、維護路由。當源節點需要傳送數據到目的節點，必須找到路由，然后才能傳送，一旦Ad Hoc網絡拓撲結構發生變化，原有建立的路由質量可能惡化甚至斷開。本文基于DSR協議建立路由，研究分析其在鐵路通信中的應用。

3.1 建立路由

動態源主機路由（DSR）從源節點開始，源節點需要一條到達目的節點的路由，它將廣播一個路由請求（ROUTE_REQ）信息包給它的鄰居。當一個節點收到ROUTE_REQ包時，分兩種情況進行不同的處理：

（1）未知去往目的節點的路由：可以看作2個步驟，第1步，源節點將其地址信息附加到ROUTE_REQ包中并把這條請求信息廣播給鄰居，尋找目的節點。第2步，當目的節點收到一個ROUTE_REQ時，它返回給源節點一個包含了ROUTE_REQ中的路由信息的路由回應(ROUTE_REPLY)包。ROUTE_REPLY包以單播的形式沿著建立路由相反的方向或者沿著一條目的節點已知的路線發送給源節點。一旦源節點收到ROUTE_REPLY包，將把這條路由放到路由緩存中。

如圖3，A為源節點，I為目的節點，A節點通過ROUTE_REQ包的擴散，通過箭頭傳輸的方向進行傳輸，箭頭上的字符序列表示包頭中包含的經歷的主機序列，當I收到信息后，挑選最佳路徑向源節點A發送ROUTE_REPLY包。

圖3 DSR中路由發現的過程

（2）如中間節點的緩存中存在一條足夠新的路由，可以直接返回一個ROUTE_REPLY包，這樣，中間節點只要把ROUTE_REQ中的路由與緩存中的路由合并起來返回給源節點即可。同時中間節點記錄已收到的ROUTE_REQ防止重復收到ROUTE_REQ。

3.2 數據轉發

DSR協議采用源節點路由的方法轉發數據。數據包在轉發的過程中中間節點不查看路由表，數據包要穿過的整個路徑信息已包含在包頭中，中間節點不需要保存任何路由信息，只是根據包頭中的路徑信息傳送數據包，所有的路由工作都由源節點完成。

3.3 路由維護

當中間節點向下一個節點轉發數據時，前一個節點預先檢查后面節點的鏈路狀況，如果前一個節點沒有發現其后節點對數據的任何傳輸動作，它就認為本節點到下一個節點的鏈路是斷開的，這個檢查的節點就會發送一個錯誤報告信息給源節點，源節點主機收到通知之后就會重新建立一條新的路由。錯誤報告信息沿著返回的路徑通知其他中間節點主機失效的路由表項。ROUTE_REQ信息包只在舊的路由所包含的節點鄰居中傳輸。

4 結束語

本文根據Ad Hoc自身的網絡結構及特點，并結合鐵路自身的特性，基于DSR協議建立合適的路由，利用自身的無線收發設備與其發射范圍內的其它節點直接通信。基于DSR的Ad Hoc網絡能夠克服現在偏遠地區鐵路通信質量差的問題，在地震等突發事件發生時，原有部署的通信設備可能被破壞，Ad Hoc網絡能夠不依賴原有網絡，進行快速組網。

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