無線Ad hoc 網絡路由技術研究與應用分析?

程 宇 閆鑫欣

（海軍裝備部駐武漢地區第五軍事代表室 武漢 430205）

1 引言

目前構建蜂窩網絡或無線局域網主要依靠骨干網、基站或AP 接入點等基礎設施［1］。而Ad hoc網絡則是通過對等的移動終端形成一個多跳的分布式自治系統，基于終端位置形成各種各樣網絡拓撲［2］。無線自組網設備作為核心設施，其具有的快速拓展、強抗毀以及無需架設網絡設施的特性，成為戰場數字通信的優選技術，并滿足當前海軍數字化和信息戰的需要［3～4］。當前美軍基于Ad hoc 網絡技術，開展了無線互聯網控制器和數字電臺等無線自組網設備，并裝備于部隊單兵、車載、指揮所等各種場合［5～6］。Ad hoc 網絡是基于無線信道的動態變化的自組網，其體系架構、服務質量保障和應用等問題復雜，實現比較困難［7～8］。導致傳統固網和蜂窩網絡使用的各種技術協議不能有效使用，因此，有必要開展Ad hoc 網絡路由技術和接口協議設計研究。

2 Ad hoc網絡路由分類結構

通過對Ad hoc網絡特點的分析，發現路由驅動模式在不同應用場景有所區別，Ad hoc網絡的路由協議分為反應式和混合式兩類路由協議［9～11］。同時基于網絡拓撲結構的差異，混合式又分為分層路由和平面路由，如圖1所示。

圖1 Ad hoc單播路由分類結構示意圖

3 Ad hoc網絡路由協議研究

3.1 序列距離矢量路由協議（DSDV）

距離矢量路由協議（DSDV），是基于逐跳的協議，通過周期性廣播對節點之間的連通性進行維護，并且每個節點構建一張路由表，目的節點、跳數、序列號以及到它們的距離等相關信息放置在該路由表中。節點通過更新自身當前序列號消息，傳輸序列號和距離信息。沒有下一跳的節點，通過構建新的序列號，并將其應用于下一次廣播中。針對給定目的節點的路由表，以分組的方式將其發送至目的節點，DSDV 以分布的方式進行目的節點樹維護。

3.2 動態源路由協議（DSR）

動態源路由協議（DSR），是一種按需路由協議，并且基于源路由以高速緩沖區的方式對節點所有路由進行存放。當節點A 發送數據至節點G 時，在緩存中檢查是否存有未過期路由，若有，則選擇有效的路由；若無，則開啟路由的發現過程。以下是路由的發現過程：

1）通過采用洪泛法，在源節點A 中對請求消息RREQ 進行發送，通過附帶節點標識對RREQ 進行轉發。見圖2。

圖2 DSR路由發現示意圖

2）當RREQ 消息到達目的節點時，G 將發送路由應答消息RREP 至節點A，A 和G 之間的路由信息記錄下來，為RREP提供調用的數據源。

3）采用cached方式，節點能夠對響應消息進行發送，并能夠對路由進行存儲和監聽，這種方法建立在基于混雜模式的基礎上，同時為了降低生存期，基于分組跳記數方式以避免本地沖突。

3.3 距離矢量路由協議（AODV）

距離矢量路由協議（AODV），是基于反應式的路由協議［12］，這種協議能夠動態創建路由表并進行維護。為了創建路由表，在進行數據傳輸時，AODV 發起請求，在路由維護過程中對路由表之間的數據傳輸進行維持，以下是反應式路由協議的詳細過程：

1）路由發現過程：路由發現過程的開啟是建立在源節點路由表中沒有有效的路由到達目的節點，節點無法進行數據傳輸。在路由表中創建一個反向路由，與源節點進行關聯，并對一個路由請求分組RREQ 進行廣播，通過在路由表中對有效路由進行檢索，若存在有效路由，則應答；若不存在有效路由，則對RREQ 進行廣播。源節點為了創建正向路由，在目的節點應答RREQ 的時候，采用相對的方式，構建源節點與目的節點之間的反向路由，并發送RREP至源節點。

2）路由維護過程：通過使用定期的消息機制對路由進行維護，在節點規定的時間內下一跳節點的消息未接收到，表示此節點的鏈路已經處于不在線狀態，會將相關的故障情況發送至上游節點。

3.4 場景模擬和性能比較

1）性能分析

為了驗證表驅動的路由協議的性能，通過模擬數據發送，在路由表的支持下，節點能夠快速對路由表進行檢索，查詢目的節點的有效路徑，發送時延?。欢槍Π葱杪酚蓞f議，創建路徑與檢索路徑同時進行。如果沒有檢索到有效路由時，在路由發現機制的支持下，對有效路由進行檢索，采用此種方法費時耗力，而且影響業務的實時傳輸。

2）ns模擬和性能對比

通過選擇3 個無線節點小場景進行分析。定義固定比特率業務流CBR 每0.05s發送512字節數據，CBR 在模擬10s 后開始進行數據發送，200 秒停止。模擬三種路由協議，通過gawk 腳本統計分析trace文件，由此得出分組投遞率等，見表1。

表1 場景分組投遞率對比

由上表看出，所有投遞率接近于1。通過gawk腳本，每10s對傳輸速率進行計算，見圖3。

圖3 三個節點場景傳輸速率的對比分析

由圖3 可知，AODV 的傳輸速率優于DSR 和DSDV。

4 Ad hoc網絡路由接口技術研究

Ad hoc網絡可為海軍編隊提供信息傳輸網絡，由于Ad hoc網絡拓撲的多變性，導致網絡數據傳輸比較困難。

4.1 可靠流及擴展的鏈路度量

基于PPPoE 標準協議，無線鏈路建立成功后，PPPoE 客戶端的無線發射設備與PPPoE 服務端的路由器建立PPPoE 會話。無線發射設備對鏈路狀態進行周期性探測，發送PADQ 報文至本地路由器，路由器計算鏈路成本和權重。無線發射設備周期性發送數據速率至本地路由，形成流量控制機制。見圖4。

圖4 可靠流鏈路鄰居建立示意圖

4.2 無線路由控制協議（R2CP）

R2CP 在無線發射設備與路由設備間，利用UDP進行無線鏈路度量值的共享。R2CP能夠建立無線發射設備和本地路由器，以及描述遠端鄰居的會話，而不會額外增加消息頭，見圖5。

圖5 R2CP鄰居建立示意圖

設備上電后，R2CP實體與路由設備上的R2CP實體通過配對進行關聯，利用心跳保持聯系。當本地和對端無線設備之間正式建立通道后，雙邊的設備與本地路由器建立R2CP協議鄰居。無線設備通過對鏈路進行周期性探測，收集鏈路度量值在本地路由對報文進行更新。

4.3 動態鏈路交換協議（DLEP）

DLEP 通過使用MANET 消息格式獲取鏈路度量值。設備上電后，DLEP 實體與路由設備上的DLEP 實體通過配對進行關聯，利用心跳消息保持聯系。當本地無線設備探測到一個遠端節點時，立即通知本地DLEP 實體，設備進行路由收斂，通過更新報文發送鏈路情況至DLEP 實體。如果遠端節點斷開，本地無線設備立即預警丟失鄰居，有效縮短路由收斂時間。見圖6。

圖6 DLEP鄰居建立示意圖

5 結語

本文首先給出了無線Ad hoc 網絡路由的分類結構，以路由技術和接口為著眼點，從路由優選和路由交互兩個技術方面出發，對當前無線Ad hoc網絡路由和接口技術進行了研究，為無線Ad hoc網絡在海軍通信系統的方案設計和設備研究奠定了基礎。