水下通信移動自組織網路由協議分析研究*

姚文明 金曉宇 鄧 榮

(海軍蚌埠士官學校兵器系 蚌埠 233012)

水下通信移動自組織網路由協議分析研究*

姚文明 金曉宇 鄧 榮

(海軍蚌埠士官學校兵器系 蚌埠 233012)

針對當前點對點的小范圍通信無法滿足水下運動載體編隊間通信需求的問題,研究了適合水下通信網絡的移動自組織網(MANET)及其特點,分析了可用于水下運動載體編隊多節點通信網絡的路由協議,研究表明無線自組網按需平面距離向量路由協議(AODV)適用于水下通信自組織網。

水下; MANET; 路由協議

1 引言

近年來,隨著海洋監測、資源勘探及海防的發展,水下編隊已成為執行復雜任務的重要形式,然而受水下復雜環境所限,目前水下通信仍舊大多采取點對點式通信,通信范圍窄、組網能力差、抗干擾能力弱等問題不同程度地影響著通信效果,使其難以滿足水下編隊通信需要,迫切需要研究和建立水下通信自組織網。MANET是由一組移動節點形成的一個多跳的、臨時性的自治集合,具有無固定中心、自行組織、多跳路由、可獨立組網、節點運動等特點,它不需要有線基礎設備的支持,通信距離遠、抗干擾能力強,可按需快速展開,可通過自由組網實現通信。國內外已有水下環境下相關研究,以期解決當前水下通信面臨問題,雖取得一定成果,但還有很多技術問題亟待解決。論文針對水下MANET展開研究,在系統研究其特點的基礎上,分析水下MANET的網絡結構和路由協議,為后期水下組網通信技術研究提供思路。

2 MANET

一般的通信網絡都是有中心的,如蜂窩移動通信網絡、WLAN等。蜂窩移動通信網絡的移動終端和固定基站互相通信,移動終端不具備路由功能,基站負責路由和交換功能并充當接入有線網絡的網關。WLAN的移動節點配備無線網網卡,通過接入點與固定網絡連接,對網絡層來說WLAN是一個單跳網絡。它們必須基于預設的網絡設施才能運行。MANET由一組帶有無線通信收發裝置的移動終端節點組成,網絡中每個終端可以自由移動、地位相等,是一個多跳、臨時、無中心的網絡,無需基礎網絡設施,可以根據任務需求簡單快速地在任何時間、任何地點完成構建[1]。與蜂窩移動通信網絡等常規移動通信網絡比較,MANET不依賴基站進行通信,采用分組交換機制,以數據通信業務為主,拓撲結構動態變化。與WLAN等結構復雜的傳統固定網絡比較,MANET網絡規模相對較小,拓撲結構簡單且快速變化[2]。

MANET網絡中節點動態變化且任意分布,節點間通過無線方式互聯,節點既是通信的主體又充當路由器的角色。這種特性能夠保證移動性很強、拓撲經常變化的突發通信。在水下環境中,蛙人、UUV、AUV以及水下潛艇與艦艇之間若要建立有效通信鏈接,基本上沒有基礎設施可以依附,節點隨機運動,拓撲結構變化較大。MANET理念滿足水下通信組網的要求。

3 水下MANET需要解決的問題

實現水下MANET的關鍵技術有路由協議、服務質量、功率控制和安全問題等,其中最主要的便是選擇適合水下通信環境的網絡結構和路由協議,以控制開銷、減小網絡延時等。這是保證完成通信任務、確保通信質量的基礎。

3.1 MANET網絡結構

MANET在網絡結構上主要存在兩種形式:分層分布式結構和平面式結構。分層分布式結構中(圖1),網絡節點按照層次被分為簇首和簇成員,相同層次的簇首之間可相互聯系,每個簇首擁有屬于自己的多個簇成員,簇成員之間可相互聯系,但不同簇首下屬的簇成員之間無法直接聯系,必須通過上層簇首轉發信息,這種結構中節點間地位不平等,且網絡算法復雜度會根據網絡層數的增加大大提高;平面式結構中(圖2),網絡中所有的節點地位平等,節點功能完全相同,節點間通過自由競爭通信,算法復雜度相對于分層分布式結構較低,允許其他自由節點隨時加入網絡,并能方便快速地將加入的自由節點納入網絡體系中。平面式網絡結構是一種對等式網絡結構,其節點用戶的平等關系使得網絡結構算法簡單易行。由此可見,平面式結構更適合于水下MANET通信需要。

3.2 MANET路由協議

MANET為多跳通信網絡,發送節點和目的節點可能不在相互的傳輸范圍內,需要其他節點充當路由器承擔轉發工作,節點移動時要及時發現并更新路由信息。路由協議需能夠及時感知網絡拓撲結構的變化,維護網絡拓撲的鏈接,并且具有高度自適應。

圖1 分層分布式結構

圖2 平面式結構

MANET要求在無網絡基礎設施的支持下,完全由移動節點自行構建網絡,并能在節點移動、節點加入或離開、網絡拓撲結構發生變化后快速重建網絡。由此可以看出路由協議的選擇對于MANET尤為重要,路由方案的好壞將對整個網絡性能的優劣產生極其重要的影響。

目前,適用于水下MANET的路由協議可以分為表驅動路由協議(主動路由協議)和按需路由協議兩類[3]。

3.2.1 表驅動路由協議

表驅動路由協議亦稱為先應式路由協議。顧名思義,表驅動路由協議指的就是網絡中的每個節點都存儲了一張路由表,該路由表中存儲了該節點到達網絡中所有其他節點的路由路徑信息,當節點有數據需要發送到目的節點時,該節點便可以在所存儲的路由表中快速找到合適的路由路徑,該路由協議的特點是分組延遲小。節點存儲的路由表信息會因節點的加入和離開或網絡拓撲的變化而部分失效,為了保證路由信息的準確性,表驅動路由協議通過周期性的廣播路由信息分組以更新路由表信息,這樣雖然做到了路由表信息的更新可以滿足網絡變化的需要,但是需花費較大的開銷[4]。

3.2.2 按需路由協議

按需路由協議包括路由發現和路由維護兩個過程。在這種類型的路由協議中,每個節點并不保存及時準確的路由信息,僅當源節點需要向目的節點發送數據時,才在網絡中開始進行路由查找,在檢驗完所有可能的路由路徑或者找到新的路由后結束路由發現過程,繼而按照建立起來路由發送信息,并通過路由維護保持這條路由的通暢[5]。

按需路由協議的優點是不需要周期性更新,拓撲結構和路由表內容按需建立。這樣就降低了控制開銷,節省了一定的網絡資源。但是當沒有去往目的節點的路由而必須建立新路由路徑時,路由發現將以增加組網延時為代價。

表1 表驅動路由協議與按需路由協議的比較

綜合比較表驅動路由協議與按需路由協議的優缺點(表1),按需路由協議更適合應用于水下運動載體編隊。

4 典型按需路由協議

典型的按需路由協議主要有DSR(動態源路由)協議、AODV(無線自組網按需平面距離向量路由)協議等[6]。

4.1 DSR協議

DSR協議是一種基于源路由機制上的按需路由協議[7]。DSR協議為每個節點分配一個路由存儲器用于保存路徑。當源節點需要與目的節點通信時,首先在存儲器中查找是否有到達目的節點的路由,如果有效路由存在,則經此路徑發送數據;若沒有,則向所有鄰居廣播RREQ(Route Requst),以啟動一個路由發現過程尋找可用路由,RREQ消息從一個節點傳輸到另一個節點,直到RREQ消息到達目的節點或存在到達目的節點路由的中間節點時停止傳輸,這些節點需對RREQ做出應答消息RREP(Route Reply),RREP通過RREQ在傳輸過程中節點間建立起來的反向路徑進行傳輸。當源節點收到RREP時,標志著路由發現過程結束,此時便可以從源節點向目的節點傳輸信息。并且每個節點都記錄已經收到的請求信息,從而有效防止同一請求信息的反復發送,進而減少路由建立階段的開銷。在路由建立過程中,當中間節點檢測到通往目的節點的下一跳鏈路中斷時,它將從自己的路由存儲器中移去包含該鏈路的路由并向源節點返回一個路由出錯信息RERR。源節點收到RERR后,觸發一次新的路由發現[8]。

DSR協議中數據分組自身攜帶從源節點到目的節點的路由信息,無需轉發分組的中間節點存儲路由信息,這是動態源路由協議的最大優點。同時,由上述分析可知,DSR協議中節點僅需要維護與之通信的節點的路由,減少了協議開銷。

4.2 AODV路由協議

AODV協議是一種需求驅動的路由協議[9]。AODV根據業務需求建立和維護路由。在AODV協議中,當源節點發送數據包或者轉發數據包到目的節點時,源節點檢查路由表,如果有到達目的節點的路由,那么直接發送數據。如果沒有到達目的節點的路由或路由表項已過期,那么源節點啟動路由發現過程[10]。

在路由發現過程中,源節點廣播路由請求分組RREQ,收到RREQ的下一跳節點將根據RREQ中所攜帶的路由信息,建立到源節點的路由并在路由表中增加此路由條目,這條路由稱為“反向路由”,廣播RREQ的源節點是反向路由條目的目的節點。當RREQ發送到目的節點時,路由發現過程結束,開始傳輸數據。否則將繼續向周圍節點廣播此分組,直到傳輸至目的節點為止。

圖3 AODV流程圖

經過n個中間節點中繼后,當目的節點收到RREQ時,需向源節點以路由應答分組RREP形式進行回復,RREP沿著反向路由向源節點傳送,傳送過程中,收到RREP的節點建立到目的節點的路由并在路由表中增加此路由條目,這條路由稱為“正向路由”。新路由建立的標志是源節點收到目的節點的路由應答RREP,此時,數據便可通過這條路由進行傳送。

中間節點在傳輸過程中起到“接力”的作用。但當中間節點檢測到一條正在傳輸數據的活動路由的下一跳鏈路斷開或者節點沒有去往源節點中指定的目的節點的有效路由時,該節點向源節點單播或多播路由錯誤RRER,當源節點收到RRER后重新尋找其他路由。AODV通過周期性廣播Hello報文來監視鏈路連通性。Hello包只在相鄰節點間傳播,通過節點有無收到Hello包判斷是否新建鄰居條目和判斷節點是否依然處于連接狀態。

4.3 DSR協議與AODV協議的比較

DSR協議是一種簡單而高效的路由協議,按需更新路由信息,從而避免了在無數據傳輸時因周期性更新網絡路由信息而造成的不必要的開銷。同時DSR協議支持中間節點應答,使得存儲器中已有的路由資源得以利用,縮短了建立路由的時間。

AODV協議和DSR協議同樣按需更新路由信息,在需要時才開始實施路由算法。與DSR協議相比,AODV協議的好處在于數據分組中不包含源路由信息,只帶有目的節點信息,這樣會使路由協議的開銷小于DSR協議,帶寬利用率得以提高,減小網絡延時(圖4)。AODV協議集合了DSR協議中路由發現和路由維護及表驅動路由協議中設定序列號和定期更新路由信息等優點。

綜上所述,水下通信MANET適宜采用AODV協議。

5 結語

本文對MANET特性及可用于MANET的網絡結構、路由協議的類型和特點進行了研究,分析表明MANET適合水下組網通信,AODV適宜作為水下通信MANET的路由協議。

[1] 張海憶,任重,孫杜娟,等.基于Ad Hoc網絡的水下無線通信技術研究[J].電聲技術,2015,4:54-57.

[2] 移動自組織網[EB/OL].(2013-08-18)[2016-08-20].http://www.chinadmd.com/file/uw3siiauwazwoceaar6papw3_1.html.

[3] 孫長宇.無線Ad Hoc網絡路由協議的性能分析與改進研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[4] 代燕妮,張節群.AODV過程的OPNET仿真實現[J].科技信息,2011,1:67-68.

[5] 趙健,孫俊鎖.基于NS2的Ad Hoc網絡路由協議仿真與分析[J].鞍山科技大學學報,2007,30(2):160-163.

[6] AODV路由協議在Ad Hoc網絡中的應用[EB/OL].(2013-06-18)[2016-08-20].http://cisco.chinaitlab.com/others/811238.html..

[7] 趙新偉,鄭洪飛.Ad Hoc網絡路由協議分析與仿真[J].計算機安全,2011,7:40-43.

[8] 鄭創明.Ad Hoc網絡多目標發送的DSDV路由協議[J].軍事通信技術,2005,26(4):6-10.

[9] 王霄峻,余旭濤.Ad Hoc網絡路由協議[J].移動通信,2004,28(13):15-19.

[10] 金堂,李臘元.移動Ad Hoc網絡中AODV路由協議的改進與仿真[J].武漢理工大學學報,2007,31(1):1-34.

Analysis of Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks in Underwater Communication

YAO Wenming JIN Xiaoyu DENG Rong

(Department of Weaponry, Navy College of Petty Officer, Bengbu 233012)

In order to solve the current problem that point-to-point communication of a small range cannot meet the needs of communication between the underwater motion vector formation, this paper analyses the mobile ad hoc networks (MANET) which is suitable for underwater communication networks and its characteristics, the routing protocols that may be used for multi node communication network of the underwater motion vector formation is also analysed. The results show that the Ad hoc on-demand distance vector routing (AODV) is applicable to underwater communications network.

underwater, MANET, routing protocol

TN915

2016年9月11日,

2016年10月29日

姚文明,男,碩士研究生,助理講師,研究方向:水下通信與光電技術。

TN915

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.023