移动Ad Hoc网络路由协议的研究

唐海和++徐晓艳

摘要：Ad Hoc网络是无线局域网领域的研究重点，因其可以在任何时候、任何地点快速构建的特点得到了广泛的应用。本文首先介绍了Ad Hoc网络的概念、主要特点和网络结构，然后，文章介绍了Ad Hoc网络的路由协议，并详细列出了几种分层协议的内容。

关键词：无线网络技术 Ad Hoc网络 路由协议

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0046-02

在无线网络技术中，目前最热点的应用当属IEEE802.11无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）。在这一领域中的研究热点又分为无线Ad Hoc网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET），无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），无线Mesh网（Wireless Mesh Network，WMN）。其中，Ad Hoc网络是后两者的基础和前身[1]。

1 什么是移动Ad Hoc网络

Ad Hoc一词源自于拉丁语，本意是“无事先准备的、临时性的”。根据IEEE的定义，Ad Hoc网络由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳、临时性、无中心网络。网络中每个移动终端可以自由移动，所有移动终端地位相等，因此可以在任何时候、任何地点快速构建，而无需现有信息基础网络设施的支持。因此，Ad Hoc网络也常被称为移动Ad Hoc网络或移动自组网。因为其易于使用的特点，Ad Hoc网络很有吸引力，在军事通信、野外通信、应急通信等领域有着广泛的应用前景[2]。

1.1 移动Ad Hoc网络的特点

（1）具有移动通信网络和计算机网络的特点。移动Ad Hoc网络采用移动通信和计算机网络相结合的技术：其报文交换采用分组交换机制，而移动终端是配有无线收发设备的移动便携式终端。移动终端兼具双重角色，既可以作为主机运行面向用户的应用程序，也可以作为路由器运行相应的路由协议。另外，各移动终端之间路由通过多个中间节点转发完成。

（2）网络拓扑动态变化。移动Ad Hoc网络的移动终端之间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度可能受到其他无线信道、地形等综合因素的影响，因此是不可预测的。另外，移动Ad Hoc网络的移动终端之间存在着某种协同工作关系，每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务。

（3）多跳路由的组网方式。移动Ad Hoc网络的接收端和发送端可以使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，从而大大节约能量消耗。间节点能够参与分组转发，从而降低无线传输设备的设计难度和成本，扩大自组网络的覆盖范围。

（4）特殊的无线信道特征。移动Ad Hoc网络的无线信道能提供的网络带宽比有线信道要低得多，且竞争共享无线信道会产生碰撞，同时存在信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等问题，影响信号传输的质量。

（5）安全性差。移动Ad Hoc网络的无线链路使网络容易受到链路层的攻击，节点漫游时缺乏物理保护，各移动设备的移动性使得节点之间的信任关系经常变化。

（6）网络和终端存在局限性。网络的各节点之间的相互干扰造成网络容量下降，各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降。且网络中的终端在能量、存储和计算等方面都有资源受限的问题。

1.2 移动Ad Hoc网络的体系结构

移动Ad Hoc网络有两种常见的结构：节点结构和网络结构。

（1）节点结构。节点结构由主机、路由器和无线收发装置构成。其中，主机用于运行应用程序，完成数据处理等功能；路由器用于运行路由协议，完成路由选择、转发分组等功能；无线收发装置用于完成数据传输功能。如图1和图2所示，常见的节点结构有单机单接入和单机多接入两种。

（2）网络结构。网络结构又分为平面结构和层次结构两种。1）平面结构中的所有节点地位平等，如图3所示。层次结构中网络被划分为簇（Cluster），每个簇由簇首节点（Cluster Head）和簇成员节点（Cluster Member）构成；2）簇首节点可形成更高一级的网络。图4是使用多频的两级层次结构示意图。

2 移动Ad Hoc网络的路由协议

针对不同的体系结构，Ad Hoc网络的路由协议可分为三大类[3]：1）平面结构的路由协议，可以根据其设计理念进一步分为主动型和被动型。在平面结构中，所有节点的地位平等，所以又称为对等式结构。通常这类协议采用距离向量（Distance Vector，DV）和链路状态（Link Status，LS）路由策略作为其基本的路由策略。2）分层结构路由，通常的分层路由网络节点分配不同的层次地址，有些协议还需要一个分层寻址系统。3）基于位置辅助型路由协议，路由要求每个节点配备全球定位系统（Global Positioning System，GPS）或使用其他类型的定位服务。

其中，分层路由的设计分为聚类算法、簇头选择、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。构建层次结构最流行的方式是簇，通过簇构建一些动态网络结构，簇通常由簇头和多个簇成员组成。不同的路由策略用于内部范围和外部的区域。通过这种灵活性，可以实现高效的路由性能。这里介绍几种常见的分层路由协议。

（1）分簇路由协议（CBRP）。分簇路由协议（Cluster-Based Routing Protocols，CBRP）协议规定节点只知道周围一跳及两跳节点，并采用最小分簇算法构建网络，维护路由信息。协议规定簇间可重叠或相交，但不允许簇头直接相邻，即它们之间的每个网关节点都必须有一个簇成员。当需要簇间通信时，按需源路由则满足线路需求。路线被发现后，簇通过网关节点数据信息知道链路拓扑结构。要实现这种有限的修复机制，需要使用路由缓存。CBRP支持多条线路，并可以使用单向链路和簇间路由。

（2）簇头网关交换路由协议（CGSR）。簇头网关交换路由协议（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作为底层协议和LCC集群计划，以形成集群和选举簇头。每个节点维护两个表：集群成员表（记录每个目的节点）和距离矢量路由表（记录簇头的下一跳）。集群成员表定期更新，节点将更新其相邻的一个新的集群成员表中的信息。数据包在簇头和网关之间交替传递。协议计划使用一个序列号，以获得无环路的路线，避免陈旧的路由条目。

（3）分布式动态路由算法（DDR）。分布式动态路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息构建森林的树型拓扑结构。每个树构建森林以形成一个区域，然后，网络被分成一组动态非重叠区。每个节点计算定期独立的区域ID。每个区域连接的节点不在同一棵树，但他们在对方的直接传输范围内。因此，整个网络可以看作是一组连接区，移动节点可以在路由器模式或在其树的位置通信。

（4）层次状态路由协议（HSR）。层次状态路由协议（Hierarchical State Routing，HSR）是一种多层次聚类的基础设施，集群中有三种节点：簇头、网关和内部节点，集群可能是物理和逻辑的形式。如果在底层形成集群的当选簇头，它们成为下一级更高层的成员，这些新成员能够再次组织集群，从而形成逻辑集群。簇头通过虚拟链接被映射到底层的物理链路连接，每个簇收集关于它的邻居节点和传播其邻居簇头的上级集群成员的链路状态信息。

3 结语

Ad Hoc网络由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳、临时性、无中心网络，可随时随地快速搭建。它具有移动通信网络和计算机网络的特点，多跳路由的组网方式，有特殊的无线信道特征，也存在安全性差、网络和终端等局限性。Ad Hoc网络有节点结构和网络结构两种常见的体系结构。本文在此基础上进一步详细介绍了Ad Hoc网络的路由协议，并对几种分层协议进行了重点介绍。

参考文献

[1]赵志峰，郑少仁.Ad Hoc网络[J].中国数据通信，2002，4（9）：1-5.

[2]易平，蒋嶷川，张世永等.移动ad hoc网络安全综述[J].电子学报，2005，33（5）：893-899.

[3]赵根喜，张爱红，孙伟.Ad Hoc路由协议综述[J].内蒙古科技与经济，2003（8）：45-46.

（2）簇头网关交换路由协议（CGSR）。簇头网关交换路由协议（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作为底层协议和LCC集群计划，以形成集群和选举簇头。每个节点维护两个表：集群成员表（记录每个目的节点）和距离矢量路由表（记录簇头的下一跳）。集群成员表定期更新，节点将更新其相邻的一个新的集群成员表中的信息。数据包在簇头和网关之间交替传递。协议计划使用一个序列号，以获得无环路的路线，避免陈旧的路由条目。

（3）分布式动态路由算法（DDR）。分布式动态路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息构建森林的树型拓扑结构。每个树构建森林以形成一个区域，然后，网络被分成一组动态非重叠区。每个节点计算定期独立的区域ID。每个区域连接的节点不在同一棵树，但他们在对方的直接传输范围内。因此，整个网络可以看作是一组连接区，移动节点可以在路由器模式或在其树的位置通信。

（4）层次状态路由协议（HSR）。层次状态路由协议（Hierarchical State Routing，HSR）是一种多层次聚类的基础设施，集群中有三种节点：簇头、网关和内部节点，集群可能是物理和逻辑的形式。如果在底层形成集群的当选簇头，它们成为下一级更高层的成员，这些新成员能够再次组织集群，从而形成逻辑集群。簇头通过虚拟链接被映射到底层的物理链路连接，每个簇收集关于它的邻居节点和传播其邻居簇头的上级集群成员的链路状态信息。

3 结语

Ad Hoc网络由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳、临时性、无中心网络，可随时随地快速搭建。它具有移动通信网络和计算机网络的特点，多跳路由的组网方式，有特殊的无线信道特征，也存在安全性差、网络和终端等局限性。Ad Hoc网络有节点结构和网络结构两种常见的体系结构。本文在此基础上进一步详细介绍了Ad Hoc网络的路由协议，并对几种分层协议进行了重点介绍。

参考文献

[1]赵志峰，郑少仁.Ad Hoc网络[J].中国数据通信，2002，4（9）：1-5.

[2]易平，蒋嶷川，张世永等.移动ad hoc网络安全综述[J].电子学报，2005，33（5）：893-899.

[3]赵根喜，张爱红，孙伟.Ad Hoc路由协议综述[J].内蒙古科技与经济，2003（8）：45-46.

（2）簇头网关交换路由协议（CGSR）。簇头网关交换路由协议（Cluster-head Gateway Switch Routing，CGSR）使用DSDV作为底层协议和LCC集群计划，以形成集群和选举簇头。每个节点维护两个表：集群成员表（记录每个目的节点）和距离矢量路由表（记录簇头的下一跳）。集群成员表定期更新，节点将更新其相邻的一个新的集群成员表中的信息。数据包在簇头和网关之间交替传递。协议计划使用一个序列号，以获得无环路的路线，避免陈旧的路由条目。

（3）分布式动态路由算法（DDR）。分布式动态路由算法（Distributed Dynamic Routing，DDR）是利用路由周期性的消息构建森林的树型拓扑结构。每个树构建森林以形成一个区域，然后，网络被分成一组动态非重叠区。每个节点计算定期独立的区域ID。每个区域连接的节点不在同一棵树，但他们在对方的直接传输范围内。因此，整个网络可以看作是一组连接区，移动节点可以在路由器模式或在其树的位置通信。

（4）层次状态路由协议（HSR）。层次状态路由协议（Hierarchical State Routing，HSR）是一种多层次聚类的基础设施，集群中有三种节点：簇头、网关和内部节点，集群可能是物理和逻辑的形式。如果在底层形成集群的当选簇头，它们成为下一级更高层的成员，这些新成员能够再次组织集群，从而形成逻辑集群。簇头通过虚拟链接被映射到底层的物理链路连接，每个簇收集关于它的邻居节点和传播其邻居簇头的上级集群成员的链路状态信息。

3 结语

Ad Hoc网络由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳、临时性、无中心网络，可随时随地快速搭建。它具有移动通信网络和计算机网络的特点，多跳路由的组网方式，有特殊的无线信道特征，也存在安全性差、网络和终端等局限性。Ad Hoc网络有节点结构和网络结构两种常见的体系结构。本文在此基础上进一步详细介绍了Ad Hoc网络的路由协议，并对几种分层协议进行了重点介绍。

参考文献

[1]赵志峰，郑少仁.Ad Hoc网络[J].中国数据通信，2002，4（9）：1-5.

[2]易平，蒋嶷川，张世永等.移动ad hoc网络安全综述[J].电子学报，2005，33（5）：893-899.

[3]赵根喜，张爱红，孙伟.Ad Hoc路由协议综述[J].内蒙古科技与经济，2003（8）：45-46.