水下通信移动自组织网路由协议分析研究*

姚文明 金晓宇 邓 荣

(海军蚌埠士官学校兵器系 蚌埠 233012)

水下通信移动自组织网路由协议分析研究*

姚文明 金晓宇 邓 荣

(海军蚌埠士官学校兵器系 蚌埠 233012)

针对当前点对点的小范围通信无法满足水下运动载体编队间通信需求的问题,研究了适合水下通信网络的移动自组织网(MANET)及其特点,分析了可用于水下运动载体编队多节点通信网络的路由协议,研究表明无线自组网按需平面距离向量路由协议(AODV)适用于水下通信自组织网。

水下; MANET; 路由协议

1 引言

近年来,随着海洋监测、资源勘探及海防的发展,水下编队已成为执行复杂任务的重要形式,然而受水下复杂环境所限,目前水下通信仍旧大多采取点对点式通信,通信范围窄、组网能力差、抗干扰能力弱等问题不同程度地影响着通信效果,使其难以满足水下编队通信需要,迫切需要研究和建立水下通信自组织网。MANET是由一组移动节点形成的一个多跳的、临时性的自治集合,具有无固定中心、自行组织、多跳路由、可独立组网、节点运动等特点,它不需要有线基础设备的支持,通信距离远、抗干扰能力强,可按需快速展开,可通过自由组网实现通信。国内外已有水下环境下相关研究,以期解决当前水下通信面临问题,虽取得一定成果,但还有很多技术问题亟待解决。论文针对水下MANET展开研究,在系统研究其特点的基础上,分析水下MANET的网络结构和路由协议,为后期水下组网通信技术研究提供思路。

2 MANET

一般的通信网络都是有中心的,如蜂窝移动通信网络、WLAN等。蜂窝移动通信网络的移动终端和固定基站互相通信,移动终端不具备路由功能,基站负责路由和交换功能并充当接入有线网络的网关。WLAN的移动节点配备无线网网卡,通过接入点与固定网络连接,对网络层来说WLAN是一个单跳网络。它们必须基于预设的网络设施才能运行。MANET由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成,网络中每个终端可以自由移动、地位相等,是一个多跳、临时、无中心的网络,无需基础网络设施,可以根据任务需求简单快速地在任何时间、任何地点完成构建[1]。与蜂窝移动通信网络等常规移动通信网络比较,MANET不依赖基站进行通信,采用分组交换机制,以数据通信业务为主,拓扑结构动态变化。与WLAN等结构复杂的传统固定网络比较,MANET网络规模相对较小,拓扑结构简单且快速变化[2]。

MANET网络中节点动态变化且任意分布,节点间通过无线方式互联,节点既是通信的主体又充当路由器的角色。这种特性能够保证移动性很强、拓扑经常变化的突发通信。在水下环境中,蛙人、UUV、AUV以及水下潜艇与舰艇之间若要建立有效通信链接,基本上没有基础设施可以依附,节点随机运动,拓扑结构变化较大。MANET理念满足水下通信组网的要求。

3 水下MANET需要解决的问题

实现水下MANET的关键技术有路由协议、服务质量、功率控制和安全问题等,其中最主要的便是选择适合水下通信环境的网络结构和路由协议,以控制开销、减小网络延时等。这是保证完成通信任务、确保通信质量的基础。

3.1 MANET网络结构

MANET在网络结构上主要存在两种形式:分层分布式结构和平面式结构。分层分布式结构中(图1),网络节点按照层次被分为簇首和簇成员,相同层次的簇首之间可相互联系,每个簇首拥有属于自己的多个簇成员,簇成员之间可相互联系,但不同簇首下属的簇成员之间无法直接联系,必须通过上层簇首转发信息,这种结构中节点间地位不平等,且网络算法复杂度会根据网络层数的增加大大提高;平面式结构中(图2),网络中所有的节点地位平等,节点功能完全相同,节点间通过自由竞争通信,算法复杂度相对于分层分布式结构较低,允许其他自由节点随时加入网络,并能方便快速地将加入的自由节点纳入网络体系中。平面式网络结构是一种对等式网络结构,其节点用户的平等关系使得网络结构算法简单易行。由此可见,平面式结构更适合于水下MANET通信需要。

3.2 MANET路由协议

MANET为多跳通信网络,发送节点和目的节点可能不在相互的传输范围内,需要其他节点充当路由器承担转发工作,节点移动时要及时发现并更新路由信息。路由协议需能够及时感知网络拓扑结构的变化,维护网络拓扑的链接,并且具有高度自适应。

图1 分层分布式结构

图2 平面式结构

MANET要求在无网络基础设施的支持下,完全由移动节点自行构建网络,并能在节点移动、节点加入或离开、网络拓扑结构发生变化后快速重建网络。由此可以看出路由协议的选择对于MANET尤为重要,路由方案的好坏将对整个网络性能的优劣产生极其重要的影响。

目前,适用于水下MANET的路由协议可以分为表驱动路由协议(主动路由协议)和按需路由协议两类[3]。

3.2.1 表驱动路由协议

表驱动路由协议亦称为先应式路由协议。顾名思义,表驱动路由协议指的就是网络中的每个节点都存储了一张路由表,该路由表中存储了该节点到达网络中所有其他节点的路由路径信息,当节点有数据需要发送到目的节点时,该节点便可以在所存储的路由表中快速找到合适的路由路径,该路由协议的特点是分组延迟小。节点存储的路由表信息会因节点的加入和离开或网络拓扑的变化而部分失效,为了保证路由信息的准确性,表驱动路由协议通过周期性的广播路由信息分组以更新路由表信息,这样虽然做到了路由表信息的更新可以满足网络变化的需要,但是需花费较大的开销[4]。

3.2.2 按需路由协议

按需路由协议包括路由发现和路由维护两个过程。在这种类型的路由协议中,每个节点并不保存及时准确的路由信息,仅当源节点需要向目的节点发送数据时,才在网络中开始进行路由查找,在检验完所有可能的路由路径或者找到新的路由后结束路由发现过程,继而按照建立起来路由发送信息,并通过路由维护保持这条路由的通畅[5]。

按需路由协议的优点是不需要周期性更新,拓扑结构和路由表内容按需建立。这样就降低了控制开销,节省了一定的网络资源。但是当没有去往目的节点的路由而必须建立新路由路径时,路由发现将以增加组网延时为代价。

表1 表驱动路由协议与按需路由协议的比较

综合比较表驱动路由协议与按需路由协议的优缺点(表1),按需路由协议更适合应用于水下运动载体编队。

4 典型按需路由协议

典型的按需路由协议主要有DSR(动态源路由)协议、AODV(无线自组网按需平面距离向量路由)协议等[6]。

4.1 DSR协议

DSR协议是一种基于源路由机制上的按需路由协议[7]。DSR协议为每个节点分配一个路由存储器用于保存路径。当源节点需要与目的节点通信时,首先在存储器中查找是否有到达目的节点的路由,如果有效路由存在,则经此路径发送数据;若没有,则向所有邻居广播RREQ(Route Requst),以启动一个路由发现过程寻找可用路由,RREQ消息从一个节点传输到另一个节点,直到RREQ消息到达目的节点或存在到达目的节点路由的中间节点时停止传输,这些节点需对RREQ做出应答消息RREP(Route Reply),RREP通过RREQ在传输过程中节点间建立起来的反向路径进行传输。当源节点收到RREP时,标志着路由发现过程结束,此时便可以从源节点向目的节点传输信息。并且每个节点都记录已经收到的请求信息,从而有效防止同一请求信息的反复发送,进而减少路由建立阶段的开销。在路由建立过程中,当中间节点检测到通往目的节点的下一跳链路中断时,它将从自己的路由存储器中移去包含该链路的路由并向源节点返回一个路由出错信息RERR。源节点收到RERR后,触发一次新的路由发现[8]。

DSR协议中数据分组自身携带从源节点到目的节点的路由信息,无需转发分组的中间节点存储路由信息,这是动态源路由协议的最大优点。同时,由上述分析可知,DSR协议中节点仅需要维护与之通信的节点的路由,减少了协议开销。

4.2 AODV路由协议

AODV协议是一种需求驱动的路由协议[9]。AODV根据业务需求建立和维护路由。在AODV协议中,当源节点发送数据包或者转发数据包到目的节点时,源节点检查路由表,如果有到达目的节点的路由,那么直接发送数据。如果没有到达目的节点的路由或路由表项已过期,那么源节点启动路由发现过程[10]。

在路由发现过程中,源节点广播路由请求分组RREQ,收到RREQ的下一跳节点将根据RREQ中所携带的路由信息,建立到源节点的路由并在路由表中增加此路由条目,这条路由称为“反向路由”,广播RREQ的源节点是反向路由条目的目的节点。当RREQ发送到目的节点时,路由发现过程结束,开始传输数据。否则将继续向周围节点广播此分组,直到传输至目的节点为止。

图3 AODV流程图

经过n个中间节点中继后,当目的节点收到RREQ时,需向源节点以路由应答分组RREP形式进行回复,RREP沿着反向路由向源节点传送,传送过程中,收到RREP的节点建立到目的节点的路由并在路由表中增加此路由条目,这条路由称为“正向路由”。新路由建立的标志是源节点收到目的节点的路由应答RREP,此时,数据便可通过这条路由进行传送。

中间节点在传输过程中起到“接力”的作用。但当中间节点检测到一条正在传输数据的活动路由的下一跳链路断开或者节点没有去往源节点中指定的目的节点的有效路由时,该节点向源节点单播或多播路由错误RRER,当源节点收到RRER后重新寻找其他路由。AODV通过周期性广播Hello报文来监视链路连通性。Hello包只在相邻节点间传播,通过节点有无收到Hello包判断是否新建邻居条目和判断节点是否依然处于连接状态。

4.3 DSR协议与AODV协议的比较

DSR协议是一种简单而高效的路由协议,按需更新路由信息,从而避免了在无数据传输时因周期性更新网络路由信息而造成的不必要的开销。同时DSR协议支持中间节点应答,使得存储器中已有的路由资源得以利用,缩短了建立路由的时间。

AODV协议和DSR协议同样按需更新路由信息,在需要时才开始实施路由算法。与DSR协议相比,AODV协议的好处在于数据分组中不包含源路由信息,只带有目的节点信息,这样会使路由协议的开销小于DSR协议,带宽利用率得以提高,减小网络延时(图4)。AODV协议集合了DSR协议中路由发现和路由维护及表驱动路由协议中设定序列号和定期更新路由信息等优点。

综上所述,水下通信MANET适宜采用AODV协议。

5 结语

本文对MANET特性及可用于MANET的网络结构、路由协议的类型和特点进行了研究,分析表明MANET适合水下组网通信,AODV适宜作为水下通信MANET的路由协议。

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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,硕士研究生,助理讲师,研究方向:水下通信与光电技术。

TN915

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.023