【文章內容簡介】 信息，這會造成很大的信息量，當在移動環(huán)境下，為了保持準確的路由信息，需要對路由表頻繁地更新，這也會產生很大的控制負載。在大規(guī)模的通信網中使用按需路由，雖然只在需要的時候才產生信息負載，但是，當節(jié)點的 Cache 中無相關路由信息時，則需要通過洪泛 (Flooding)方式來搜尋路徑信息，這就會產生大的負載。由于移動性和 Cache 路由器的中止，長路徑更容易中斷，這又會引起新的洪泛搜索 新的路由。 (3)在大規(guī)模的平面網中，移動網絡使得對遠端節(jié)點的路由信息是不準確的。由于網絡很大，路由信息需要花費很長時間才能到達遠端節(jié)點，當到達時，該信息可能就過時了，這種過時的路由信息就會使數據包在傳輸途中丟失。 分級結構 網絡被劃分為簇 (Cluster) ， 每 個 簇 由 一 個簇 頭 (Cluster Header) 和多個簇成員(ClusterMember )組成，這些簇頭形成了高一級的網絡，在高一級的網絡中，又可以再分簇，再次形成更高一級的網絡，直至最高級。分級結構中，簇頭節(jié)點負責簇間數據 的轉發(fā)，它可以預先指定，也可以由節(jié)點使用算法選舉產生。根據不同的硬件配置，分級結構的網絡又可以分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻分級所有節(jié)點使用同一個頻率通信。實現簇頭之間的通信，要有網關節(jié)點的支持。簇頭和網關節(jié)點形成高一級的網絡，稱為虛擬骨干網絡。在分簇結構中，網關是指同時位于兩個簇頭通信范圍內的節(jié)點。而多頻分級網絡中，不同級采用不同的通信頻率。低級節(jié)點的通信范圍較小，而高級節(jié)點要覆蓋較大的范圍。高級的節(jié)點同時處于多個級中，使用多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信。在兩級網絡中，簇頭節(jié)點有兩個頻率。頻率 1 用于簇頭與簇成員的通信，而頻率 2 用于簇頭之間的通信。硬件支持的話，分級網絡中的每個節(jié)點都可以成為簇頭。這樣需要適當的簇頭選舉算法，算法要能根據網絡拓撲的變化重新分簇或廢除和選舉簇頭。 分層結構的優(yōu)點： (1)具有較好的擴展性； (2)層次結構通過路由信息局部化可提高系統的吞吐量，而且路由信息局部化，使得一個群的拓撲結構的變化不會被其它群感知，減少了路由控制報文的開銷 。 (3)層次結構中節(jié)點定位功能的實現要比平面結構簡單得多 。 (4)層次結構易于實現節(jié)點的移動管理和尋址，便于與移動網絡實現互聯互通。 分層結構的缺點 : (1)群首易被攻擊，是整個群的瓶頸 。 (2)易被竊聽。 在這種結構中，低層節(jié)點之間的通信利用了高層次的鏈路，減少了節(jié)點通信之間的跳數，可以很好地用在大規(guī)模通信網中，但是，這種結構在改善網絡擴展性的同時，也出現了一些其他的局限。 (1)所有的通信量，即使是同一個群內的通信，也要經過骨干節(jié)點，這就會在骨干節(jié)點處引起擁塞和爭用。 (2) 每個群實 際上 是一個 單跳 群，這 就限 制了群 的規(guī) 模， 同時會 引起 頻繁的HID(Hierarchical ID)的更新。 (3)在分層網中，由于一些節(jié)點的位置重要 (如骨干節(jié) 點和 UAV)，易受到攻擊，可能對整個網絡的性能造成很大的影響。 從分層網絡的結構上可以看出，分層網絡在擴展性和網絡的容量方面有了很大的改善，因此它能構建很大的網絡，但是由于骨干節(jié)點易受攻擊，因而， Ad hoc 網絡用到軍事上時，就要采取一些措施來盡量減少骨干節(jié)點被攻擊的可能。例如，可以利用群首選擇算法選擇多個備用骨干節(jié)點，當原來的骨干節(jié)點受到攻擊時，第二優(yōu)先級的骨干節(jié)點可以代替原來那個繼續(xù)執(zhí)行骨干節(jié)點的功能。 路由、傳輸層技術 Ad Hoc 由于通信半徑的限制，網絡節(jié)點之間是通過多跳數據轉 發(fā)機制進行數據交互的，需要路由協議完成分組轉發(fā)決策。路由協議的主要作用是迅速準確地計算到達目的節(jié)點的路由，同時通過監(jiān)控網絡拓撲變化來更新和維護路由。 傳統的路由算法有兩類，一是距離矢量路由算法，另一類是鏈路狀態(tài)算法。 距離矢量路由算法的特點是： 1) 周期性地與所有物理相鄰的節(jié)點交換可達性消息； 2) 當有多條可達路徑時選擇一個最短的。 鏈路狀態(tài)算法的特點是： 1) 周期性地向網中所有的路由器通知當前所有物理鏈路的狀態(tài)； 2) 每個路由器都得到一張完整的網絡拓撲圖。 傳統路由算法在有基礎設施的網絡中運行得很好，但是在自組網中卻存在 如下的問題： 1) 網絡拓撲變化太快，傳統算法將會給網絡造成很大控制負荷； 2) 周期性的路由刷新加大了移動節(jié)點的能量消耗，固定網的睡眠模式無法應用于自組織網絡中； 3) 路由消息的交換大大減少有效系統帶寬； 相對于有線網絡里的靜態(tài)節(jié)點， Ad hoc 網絡的特點： 1) 網絡拓撲動態(tài)變化、 2) 帶寬受限、 3) 信道容量變化、 4) 移動終端有限的可用資源 Ad Hoc 網絡的獨特性使得常規(guī)路由協議 (如距離矢量 RIP、鏈路狀態(tài) OSPF 等 )不再適用，表現在： 1) 動態(tài)變化的網絡拓撲使得常規(guī)路由協議難以收斂； 2) 常規(guī)路由協議無法有效利用單向信道； 3) 常規(guī)路由協議 的周期性廣播、路由器間交換大量路由信息會耗費大量帶寬和能量，嚴重降低系統性能。 設計 Ad Hoc 網絡路由協議必須考慮上述技術難點，其目標是 快速、準確、高效、可擴展性好 。 1) 能對網絡拓撲動態(tài)變化做出快速反應，查找路由時間較短； 2) 能提供準確的路由信息，支持單向信道，避免路由環(huán)路； 3) 計算和維護路由的控制消息少，提供最佳路由，并支持節(jié)點休眠； 4) 路由協議要能夠適應網絡規(guī)模的增長。 ad hoc 網絡是一種自組織網絡，網絡的拓撲隨著通信節(jié)點的運動會經常改變，正因為ad hoc 網絡有著動態(tài)拓撲的特點使得傳統的路由協議無法在 ad hoc 網絡環(huán)境下有效地工作，ad hoc 網絡下路由協議的研究主要也是針對 ad hoc 動態(tài)變化的拓撲這一特點而展開。 ad hoc網絡中通信節(jié)點的運動造成了網絡拓撲的動態(tài)變化，同時由于通信節(jié)點的無線信號覆蓋的范圍有限，通信節(jié)點在運動的過程中需要不斷切換到有信號覆蓋的通信節(jié)點，保持通信。通信過程中大量的切換必然會導致網絡通信的延遲，切換也會增加網絡路由熏新發(fā)現的資源消耗，因此如何有效地減少通信過程中的切換次數，增強通信節(jié)點兩次切換之間的連續(xù)通信時間是評估 ad hoc 網絡性能的重要指標。 現有無線 Ad hoc 中 的路由協議主要有： 1) 動態(tài)源路由算法 (DSR)、 2) 基于反向路徑轉發(fā)的拓撲分發(fā)協議 (Topology Broadcast Based on Reverse Path Forwarding) (TBRPF)、 3) 優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由算法 (Optimized Link State Routing Protoco1) (OLSR)、 4) 按需距離矢量路由算法 (Ad hoc on Demand Distmce Vector Routing) (AODV)、 5) 臨時按序路由算法 (Temporally Ordered Routing Algorithm) (TORA)、 6) 區(qū)域路由算法 (ZRP)；包括區(qū)域間路由協議 IERP(the Interzone Routing Protoco1)；區(qū)域內路由協議 IARP(the Intrazone Routing Protoco1)。 7) 目的序列距離矢量路由算法 (DS— DV)、 8) 無線路由協議 (WRP)、 9) 陸標路由協議 (LANMAR)、 10) 位置輔助路由 (IAR)、 11) 魚眼狀態(tài)路由算法 (Fisheye State Routing Protoco1) (FSR)。 研究現狀 Ad hoc 網絡規(guī)模 性的研究可以廣義地定義為：研究當網絡中有大量節(jié)點存在時，網絡能否為分組提供可以接受的服務，它與網絡大小、節(jié)點分布的密度、運行的環(huán)境傳播模型、 地形環(huán)境等及移動性相關。對于中小規(guī)模通常為幾十個節(jié)點 )Ad hoc 網絡路由協議的研究已取得了重要進展，而大規(guī)模 Ad hoc 網絡的路由技術是 Ad hoc 網絡研究的一個難點，它是指可以支持數百到數千個網絡節(jié)點的路由算法。 現有的路由協議或者利用全網泛洪 (Global flooding)或者利用分層的方法完成路由的發(fā)現。但是，前者由于開銷太大并不適合大規(guī)模的網絡；后者在分層 的過程中需要交互大量 信息，而且可能由于節(jié)點的移動造成性能的急劇惡化。 路由方式分類 路由協議根據所采用的基本路由機制的不同，可分為基于鏈路狀態(tài)的路由協議、基于距離矢量的路由協議、源路由協議及反向鏈路協議； 按照網絡邏輯結構的不同，可分為平面結構的路由協議和分層結構的路由協議； 按照路由發(fā)現策略的不同，可分為表驅動路由協議、按需路由協議以及混合路由協議。 分類命名 1 依據路由信息的獲取方式， Ad Hoc 路由協議大致可分為先驗式 (proactive)、反應式reactive)和混合式 (hybrid)路由協議。 在先驗式路由協議中，每個節(jié)點維護到達其他節(jié)點的路由信息的路由表，故又稱表驅動(table driven)路由協議。當檢測到網絡拓撲變化時，節(jié)點在網絡中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點將更新路由表，以維護一致的、準確的路由信息。源節(jié)點一旦要發(fā)送報文，可以立即獲得到達目的節(jié)點的路由。因此這種路由協議的時延較小，但開銷較大。 反應式路由協議 (AODV、 DSR 和 TORA 等 )不需要維護路由信息，當需要發(fā)送數據時才查找路由，故又稱按需 (on demand)路由協議。與先驗式路由相比，反應式路由的開銷較小 ，但傳送時延較大。 在高速動態(tài)變化的 Ad Hoc 網絡中，使用先驗式路由會產生大量控制報文；如果單獨采用反應式路由，則需要為每個報文查找路由。由此可見，結合先驗式和反應式路由的混合式路由協議是一種較好的折衷：在局部范圍使用先驗式路由，維護準確的路由信息，縮小路由消息的傳播范圍；當目標節(jié)點較遠時，按需查找路由。這樣既可以減少路由開銷，也可以改善時延特性。 分類命名 2 這些路由算法可以分為 3 種類型：表驅動算法、需求驅動算法、集群路由算法． 表驅動路由協議采用周期性的路由分組廣播，來交換路由信息．每個節(jié)點維護去 往全網所有節(jié)點的路由．表驅動路由協議的優(yōu)點是當節(jié)點需要發(fā)送一個去往其它節(jié)點的數據分組時，只要路由存在，發(fā)送分組的延時就很?。蝗秉c是表驅動路由協議需花費較高代價 (如帶寬、電源、 CPU 資源等 )，使路由表能夠跟上當前網絡拓撲結構的變化，但動態(tài)變化的拓撲結構又可能使高價得來的路由表中內容變成無效信息，因此，這種路由協議始終處于不收斂狀態(tài)．目前，這種類型的無線 Ad hoc 網絡路由協議已提出了幾種機制，用以改善這些方面的性能．現有的表驅動協議有： DSDV， WRP， STARA， GSR， FSR 等等． 需求驅動路由協議是根據 發(fā)送節(jié)點的需要，按需進行路由發(fā)現過程，網絡拓撲結構和路由表內容也是按需建立的，所以其內容可能僅僅是整個網絡拓撲結構信息的一部分．按需路由的優(yōu)點是不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定的網絡資源；缺點是在發(fā)送數據分組時，因沒有去往目的節(jié)點的路由，要臨時啟動路由發(fā)現過程來尋找路由，所以數據分組需要等待一定時間的延時，并且由于路由發(fā)現過程通常采用全網擴散機制進行搜索，這在一定程 度上也減弱了按需機制帶來的好處．現有的需求驅動協議有： DSR， AODV， TORA， LAR等等． 在集群路由協議中，網絡由多個集群組成，節(jié) 點分為兩種類型：普通和群首節(jié)點．處于同一集群的群首節(jié)點和普通節(jié)點共同維護所在集群內部的路由信息，群首節(jié)點負責所管轄集群的拓撲信息的壓縮和摘要處理，并與其它群首節(jié)點交換處理過后的拓撲信息。層次結構就是一種典型的集群方式．采用集群路由主要有兩個目的．一是通過減少參與路由計算的節(jié)點數目，減小路由表尺寸，降低交換路由信息所需的通信開銷和維護路由表所需的內存開銷，這與有線網絡中層次思想的目標是一致的．二是基于某種集群形成策略，選舉產生一個較為穩(wěn)定的子網絡，減少拓撲結構變化對路由協議帶來的影響．集群路由的優(yōu)點是適合大規(guī) 模的自組網環(huán)境，可擴展性較好．缺點是群首節(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性對全網性能影響較大，并且為支持節(jié)點在不同集群之間漫游所進行的移動管理將產生一定的協議開銷．現有的集群路由協議有： ZRP， CEDAR， CGSR 等等． 移動 IP 協議的應用 由于移動 協議并不是專門針對 Ad Hoc 網絡而設計的，因此在 Ad Hoc 網絡中應用移動IPv6 協議會出現一些問題。主要有下面兩點： (1)廣播問題：在 Ad Hoc 網絡內，為了節(jié)約能量，通常使用反應式的路由方法。而在移動 IPv6 中多使用先驗式的協議，通過路由器周期性的廣播公 告信息來宣布自身的存在。當反應式路由方法應用于移動協議中時，會影響移動協議的性能。如果在 Ad Hoc 網絡內引入先驗式的路由方法，則周期性的廣播會耗費大量的系統資源，所以應該盡可能地減少將協議結合所帶來的負面作用。 (2)多跳問題 Ad Hoc 網絡具有多跳特性，在 Ad Hoc 網絡內的移動結點很可能通過多跳方式連入 intemet。而多跳路徑的存在使得 Ad Hoc 網絡內的移動結點并不能夠僅僅依靠鏈路層的反饋來檢測正在使用的路由是否已經斷開。 在解決多跳間題中，可以引入一鐘鏈路斷開通告機制，鄰居節(jié)點周期性地探測鏈路 是否斷開，一旦出現斷路，由鄰居節(jié)點直接通過網關默認路由將斷路信息通告給網