移動Ad Hoc網絡路由協(xié)議的研究

唐海和++徐曉艷

摘要：Ad Hoc網絡是無線局域網領域的研究重點，因其可以在任何時候、任何地點快速構建的特點得到了廣泛的應用。本文首先介紹了Ad Hoc網絡的概念、主要特點和網絡結構，然后，文章介紹了Ad Hoc網絡的路由協(xié)議，并詳細列出了幾種分層協(xié)議的內容。

關鍵詞：無線網絡技術 Ad Hoc網絡 路由協(xié)議

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0046-02

在無線網絡技術中，目前最熱點的應用當屬IEEE802.11無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）。在這一領域中的研究熱點又分為無線Ad Hoc網絡（Mobile Ad Hoc Network，MANET），無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），無線Mesh網（Wireless Mesh Network，WMN）。其中，Ad Hoc網絡是后兩者的基礎和前身[1]。

1 什么是移動Ad Hoc網絡

Ad Hoc一詞源自于拉丁語，本意是“無事先準備的、臨時性的”。根據(jù)IEEE的定義，Ad Hoc網絡由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動節(jié)點組成的一個多跳、臨時性、無中心網絡。網絡中每個移動終端可以自由移動，所有移動終端地位相等，因此可以在任何時候、任何地點快速構建，而無需現(xiàn)有信息基礎網絡設施的支持。因此，Ad Hoc網絡也常被稱為移動Ad Hoc網絡或移動自組網。因為其易于使用的特點，Ad Hoc網絡很有吸引力，在軍事通信、野外通信、應急通信等領域有著廣泛的應用前景[2]。

1.1 移動Ad Hoc網絡的特點

（1）具有移動通信網絡和計算機網絡的特點。移動Ad Hoc網絡采用移動通信和計算機網絡相結合的技術：其報文交換采用分組交換機制，而移動終端是配有無線收發(fā)設備的移動便攜式終端。移動終端兼具雙重角色，既可以作為主機運行面向用戶的應用程序，也可以作為路由器運行相應的路由協(xié)議。另外，各移動終端之間路由通過多個中間節(jié)點轉發(fā)完成。

（2）網絡拓撲動態(tài)變化。移動Ad Hoc網絡的移動終端之間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時可能發(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，因此是不可預測的。另外，移動Ad Hoc網絡的移動終端之間存在著某種協(xié)同工作關系，每個終端都將承擔為其它終端進行分組轉發(fā)的義務。

（3）多跳路由的組網方式。移動Ad Hoc網絡的接收端和發(fā)送端可以使用比兩者直接通信小得多的功率進行通信，從而大大節(jié)約能量消耗。間節(jié)點能夠參與分組轉發(fā)，從而降低無線傳輸設備的設計難度和成本，擴大自組網絡的覆蓋范圍。

（4）特殊的無線信道特征。移動Ad Hoc網絡的無線信道能提供的網絡帶寬比有線信道要低得多，且競爭共享無線信道會產生碰撞，同時存在信號衰落、噪聲干擾以及信道之間的干擾等問題，影響信號傳輸?shù)馁|量。

（5）安全性差。移動Ad Hoc網絡的無線鏈路使網絡容易受到鏈路層的攻擊，節(jié)點漫游時缺乏物理保護，各移動設備的移動性使得節(jié)點之間的信任關系經常變化。

（6）網絡和終端存在局限性。網絡的各節(jié)點之間的相互干擾造成網絡容量下降，各節(jié)點吞吐量隨網絡節(jié)點總數(shù)的增加而下降。且網絡中的終端在能量、存儲和計算等方面都有資源受限的問題。

1.2 移動Ad Hoc網絡的體系結構

移動Ad Hoc網絡有兩種常見的結構：節(jié)點結構和網絡結構。

（1）節(jié)點結構。節(jié)點結構由主機、路由器和無線收發(fā)裝置構成。其中，主機用于運行應用程序，完成數(shù)據(jù)處理等功能；路由器用于運行路由協(xié)議，完成路由選擇、轉發(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)點結構有單機單接入和單機多接入兩種。

（2）網絡結構。網絡結構又分為平面結構和層次結構兩種。1）平面結構中的所有節(jié)點地位平等，如圖3所示。層次結構中網絡被劃分為簇（Cluster），每個簇由簇首節(jié)點（Cluster Head）和簇成員節(jié)點（Cluster Member）構成；2）簇首節(jié)點可形成更高一級的網絡。圖4是使用多頻的兩級層次結構示意圖。

2 移動Ad Hoc網絡的路由協(xié)議

針對不同的體系結構，Ad Hoc網絡的路由協(xié)議可分為三大類[3]：1）平面結構的路由協(xié)議，可以根據(jù)其設計理念進一步分為主動型和被動型。在平面結構中，所有節(jié)點的地位平等，所以又稱為對等式結構。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）分層結構路由，通常的分層路由網絡節(jié)點分配不同的層次地址，有些協(xié)議還需要一個分層尋址系統(tǒng)。3）基于位置輔助型路由協(xié)議，路由要求每個節(jié)點配備全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）或使用其他類型的定位服務。

其中，分層路由的設計分為聚類算法、簇頭選擇、簇內路由協(xié)議和簇間路由協(xié)議四個部分。構建層次結構最流行的方式是簇，通過簇構建一些動態(tài)網絡結構，簇通常由簇頭和多個簇成員組成。不同的路由策略用于內部范圍和外部的區(qū)域。通過這種靈活性，可以實現(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)點只知道周圍一跳及兩跳節(jié)點，并采用最小分簇算法構建網絡，維護路由信息。協(xié)議規(guī)定簇間可重疊或相交，但不允許簇頭直接相鄰，即它們之間的每個網關節(jié)點都必須有一個簇成員。當需要簇間通信時，按需源路由則滿足線路需求。路線被發(fā)現(xiàn)后，簇通過網關節(jié)點數(shù)據(jù)信息知道鏈路拓撲結構。要實現(xiàn)這種有限的修復機制，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）簇頭網關交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網關交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計劃，以形成集群和選舉簇頭。每個節(jié)點維護兩個表：集群成員表（記錄每個目的節(jié)點）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)點將更新其相鄰的一個新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網關之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計劃使用一個序列號，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動態(tài)路由算法（DDR）。分布式動態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構建森林的樹型拓撲結構。每個樹構建森林以形成一個區(qū)域，然后，網絡被分成一組動態(tài)非重疊區(qū)。每個節(jié)點計算定期獨立的區(qū)域ID。每個區(qū)域連接的節(jié)點不在同一棵樹，但他們在對方的直接傳輸范圍內。因此，整個網絡可以看作是一組連接區(qū)，移動節(jié)點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設施，集群中有三種節(jié)點：簇頭、網關和內部節(jié)點，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當選簇頭，它們成為下一級更高層的成員，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，每個簇收集關于它的鄰居節(jié)點和傳播其鄰居簇頭的上級集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結語

Ad Hoc網絡由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動節(jié)點組成的一個多跳、臨時性、無中心網絡，可隨時隨地快速搭建。它具有移動通信網絡和計算機網絡的特點，多跳路由的組網方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網絡和終端等局限性。Ad Hoc網絡有節(jié)點結構和網絡結構兩種常見的體系結構。本文在此基礎上進一步詳細介紹了Ad Hoc網絡的路由協(xié)議，并對幾種分層協(xié)議進行了重點介紹。

參考文獻

[1]趙志峰，鄭少仁.Ad Hoc網絡[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ad hoc網絡安全綜述[J].電子學報，2005，33（5）：893-899.

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

（2）簇頭網關交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網關交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計劃，以形成集群和選舉簇頭。每個節(jié)點維護兩個表：集群成員表（記錄每個目的節(jié)點）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)點將更新其相鄰的一個新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網關之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計劃使用一個序列號，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動態(tài)路由算法（DDR）。分布式動態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構建森林的樹型拓撲結構。每個樹構建森林以形成一個區(qū)域，然后，網絡被分成一組動態(tài)非重疊區(qū)。每個節(jié)點計算定期獨立的區(qū)域ID。每個區(qū)域連接的節(jié)點不在同一棵樹，但他們在對方的直接傳輸范圍內。因此，整個網絡可以看作是一組連接區(qū)，移動節(jié)點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設施，集群中有三種節(jié)點：簇頭、網關和內部節(jié)點，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當選簇頭，它們成為下一級更高層的成員，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，每個簇收集關于它的鄰居節(jié)點和傳播其鄰居簇頭的上級集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結語

Ad Hoc網絡由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動節(jié)點組成的一個多跳、臨時性、無中心網絡，可隨時隨地快速搭建。它具有移動通信網絡和計算機網絡的特點，多跳路由的組網方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網絡和終端等局限性。Ad Hoc網絡有節(jié)點結構和網絡結構兩種常見的體系結構。本文在此基礎上進一步詳細介紹了Ad Hoc網絡的路由協(xié)議，并對幾種分層協(xié)議進行了重點介紹。

參考文獻

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

（2）簇頭網關交換路由協(xié)議（CGSR）。簇頭網關交換路由協(xié)議（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作為底層協(xié)議和LCC集群計劃，以形成集群和選舉簇頭。每個節(jié)點維護兩個表：集群成員表（記錄每個目的節(jié)點）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)點將更新其相鄰的一個新的集群成員表中的信息。數(shù)據(jù)包在簇頭和網關之間交替?zhèn)鬟f。協(xié)議計劃使用一個序列號，以獲得無環(huán)路的路線，避免陳舊的路由條目。

（3）分布式動態(tài)路由算法（DDR）。分布式動態(tài)路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息構建森林的樹型拓撲結構。每個樹構建森林以形成一個區(qū)域，然后，網絡被分成一組動態(tài)非重疊區(qū)。每個節(jié)點計算定期獨立的區(qū)域ID。每個區(qū)域連接的節(jié)點不在同一棵樹，但他們在對方的直接傳輸范圍內。因此，整個網絡可以看作是一組連接區(qū)，移動節(jié)點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設施，集群中有三種節(jié)點：簇頭、網關和內部節(jié)點，集群可能是物理和邏輯的形式。如果在底層形成集群的當選簇頭，它們成為下一級更高層的成員，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，每個簇收集關于它的鄰居節(jié)點和傳播其鄰居簇頭的上級集群成員的鏈路狀態(tài)信息。

3 結語

Ad Hoc網絡由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動節(jié)點組成的一個多跳、臨時性、無中心網絡，可隨時隨地快速搭建。它具有移動通信網絡和計算機網絡的特點，多跳路由的組網方式，有特殊的無線信道特征，也存在安全性差、網絡和終端等局限性。Ad Hoc網絡有節(jié)點結構和網絡結構兩種常見的體系結構。本文在此基礎上進一步詳細介紹了Ad Hoc網絡的路由協(xié)議，并對幾種分層協(xié)議進行了重點介紹。

參考文獻

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

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