无线Ad hoc 网络路由技术研究与应用分析∗

程 宇 闫鑫欣

（海军装备部驻武汉地区第五军事代表室 武汉 430205）

1 引言

目前构建蜂窝网络或无线局域网主要依靠骨干网、基站或AP 接入点等基础设施［1］。而Ad hoc网络则是通过对等的移动终端形成一个多跳的分布式自治系统，基于终端位置形成各种各样网络拓扑［2］。无线自组网设备作为核心设施，其具有的快速拓展、强抗毁以及无需架设网络设施的特性，成为战场数字通信的优选技术，并满足当前海军数字化和信息战的需要［3～4］。当前美军基于Ad hoc 网络技术，开展了无线互联网控制器和数字电台等无线自组网设备，并装备于部队单兵、车载、指挥所等各种场合［5～6］。Ad hoc 网络是基于无线信道的动态变化的自组网，其体系架构、服务质量保障和应用等问题复杂，实现比较困难［7～8］。导致传统固网和蜂窝网络使用的各种技术协议不能有效使用，因此，有必要开展Ad hoc 网络路由技术和接口协议设计研究。

2 Ad hoc网络路由分类结构

通过对Ad hoc网络特点的分析，发现路由驱动模式在不同应用场景有所区别，Ad hoc网络的路由协议分为反应式和混合式两类路由协议［9～11］。同时基于网络拓扑结构的差异，混合式又分为分层路由和平面路由，如图1所示。

图1 Ad hoc单播路由分类结构示意图

3 Ad hoc网络路由协议研究

3.1 序列距离矢量路由协议（DSDV）

距离矢量路由协议（DSDV），是基于逐跳的协议，通过周期性广播对节点之间的连通性进行维护，并且每个节点构建一张路由表，目的节点、跳数、序列号以及到它们的距离等相关信息放置在该路由表中。节点通过更新自身当前序列号消息，传输序列号和距离信息。没有下一跳的节点，通过构建新的序列号，并将其应用于下一次广播中。针对给定目的节点的路由表，以分组的方式将其发送至目的节点，DSDV 以分布的方式进行目的节点树维护。

3.2 动态源路由协议（DSR）

动态源路由协议（DSR），是一种按需路由协议，并且基于源路由以高速缓冲区的方式对节点所有路由进行存放。当节点A 发送数据至节点G 时，在缓存中检查是否存有未过期路由，若有，则选择有效的路由；若无，则开启路由的发现过程。以下是路由的发现过程：

1）通过采用洪泛法，在源节点A 中对请求消息RREQ 进行发送，通过附带节点标识对RREQ 进行转发。见图2。

图2 DSR路由发现示意图

2）当RREQ 消息到达目的节点时，G 将发送路由应答消息RREP 至节点A，A 和G 之间的路由信息记录下来，为RREP提供调用的数据源。

3）采用cached方式，节点能够对响应消息进行发送，并能够对路由进行存储和监听，这种方法建立在基于混杂模式的基础上，同时为了降低生存期，基于分组跳记数方式以避免本地冲突。

3.3 距离矢量路由协议（AODV）

距离矢量路由协议（AODV），是基于反应式的路由协议［12］，这种协议能够动态创建路由表并进行维护。为了创建路由表，在进行数据传输时，AODV 发起请求，在路由维护过程中对路由表之间的数据传输进行维持，以下是反应式路由协议的详细过程：

1）路由发现过程：路由发现过程的开启是建立在源节点路由表中没有有效的路由到达目的节点，节点无法进行数据传输。在路由表中创建一个反向路由，与源节点进行关联，并对一个路由请求分组RREQ 进行广播，通过在路由表中对有效路由进行检索，若存在有效路由，则应答；若不存在有效路由，则对RREQ 进行广播。源节点为了创建正向路由，在目的节点应答RREQ 的时候，采用相对的方式，构建源节点与目的节点之间的反向路由，并发送RREP至源节点。

2）路由维护过程：通过使用定期的消息机制对路由进行维护，在节点规定的时间内下一跳节点的消息未接收到，表示此节点的链路已经处于不在线状态，会将相关的故障情况发送至上游节点。

3.4 场景模拟和性能比较

1）性能分析

为了验证表驱动的路由协议的性能，通过模拟数据发送，在路由表的支持下，节点能够快速对路由表进行检索，查询目的节点的有效路径，发送时延小；而针对按需路由协议，创建路径与检索路径同时进行。如果没有检索到有效路由时，在路由发现机制的支持下，对有效路由进行检索，采用此种方法费时耗力，而且影响业务的实时传输。

2）ns模拟和性能对比

通过选择3 个无线节点小场景进行分析。定义固定比特率业务流CBR 每0.05s发送512字节数据，CBR 在模拟10s 后开始进行数据发送，200 秒停止。模拟三种路由协议，通过gawk 脚本统计分析trace文件，由此得出分组投递率等，见表1。

表1 场景分组投递率对比

由上表看出，所有投递率接近于1。通过gawk脚本，每10s对传输速率进行计算，见图3。

图3 三个节点场景传输速率的对比分析

由图3 可知，AODV 的传输速率优于DSR 和DSDV。

4 Ad hoc网络路由接口技术研究

Ad hoc网络可为海军编队提供信息传输网络，由于Ad hoc网络拓扑的多变性，导致网络数据传输比较困难。

4.1 可靠流及扩展的链路度量

基于PPPoE 标准协议，无线链路建立成功后，PPPoE 客户端的无线发射设备与PPPoE 服务端的路由器建立PPPoE 会话。无线发射设备对链路状态进行周期性探测，发送PADQ 报文至本地路由器，路由器计算链路成本和权重。无线发射设备周期性发送数据速率至本地路由，形成流量控制机制。见图4。

图4 可靠流链路邻居建立示意图

4.2 无线路由控制协议（R2CP）

R2CP 在无线发射设备与路由设备间，利用UDP进行无线链路度量值的共享。R2CP能够建立无线发射设备和本地路由器，以及描述远端邻居的会话，而不会额外增加消息头，见图5。

图5 R2CP邻居建立示意图

设备上电后，R2CP实体与路由设备上的R2CP实体通过配对进行关联，利用心跳保持联系。当本地和对端无线设备之间正式建立通道后，双边的设备与本地路由器建立R2CP协议邻居。无线设备通过对链路进行周期性探测，收集链路度量值在本地路由对报文进行更新。

4.3 动态链路交换协议（DLEP）

DLEP 通过使用MANET 消息格式获取链路度量值。设备上电后，DLEP 实体与路由设备上的DLEP 实体通过配对进行关联，利用心跳消息保持联系。当本地无线设备探测到一个远端节点时，立即通知本地DLEP 实体，设备进行路由收敛，通过更新报文发送链路情况至DLEP 实体。如果远端节点断开，本地无线设备立即预警丢失邻居，有效缩短路由收敛时间。见图6。

图6 DLEP邻居建立示意图

5 结语

本文首先给出了无线Ad hoc 网络路由的分类结构，以路由技术和接口为着眼点，从路由优选和路由交互两个技术方面出发，对当前无线Ad hoc网络路由和接口技术进行了研究，为无线Ad hoc网络在海军通信系统的方案设计和设备研究奠定了基础。