简述自组网络中按需路由协议和主动路由协议的主要区别
|
路由技术是移动节点通信的基础，也是移动自组织网络的关键技术之一。 与一般的蜂窝无线网络不同，移动自组织网络各节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要专门的路由协议进行分组转发操作。无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。移动自组织网络路由协议就是在这样的背景下产生的，其主要作用是在自组织网络环境中，建立各节点的路由，同时，通过监控网络拓扑结构的变化来更新和维护路由。 挑 战 传统的路由算法有两类：一是距离矢量路由算法(Distance Vector Algorithm，DVA)，另一类是链路状态算法(Link State Algorithm，LSA)。传统路由算法在有基础设施的网络中运行得很好，但是在移动自组织网络环境中却存在以下问题和挑战： ● 快速变化的网络拓扑结构 当拓扑结构发生变化后，传统路由算法需要花费较大的代价才能到达收敛状态，给网络造成很大的控制负荷。 ● 有限的无线信道带宽 相对于有线信道，无线信道的带宽要有限得多；同时，路由消息的交换大大减少了有效系统带宽，可利用的无线信道带宽更是有限。 ● 移动节点性能受限 移动节点一般采用可耗尽能源进行供电，而周期性的路由刷新造成固定网的睡眠模式无法应用，并加大了节点的能量消耗。 ● 单向信道的存在 传统路由算法通常认为，底层的通信信道是双向的，但是在移动自组织网络中，由于发射功率或地理位置等因素的影响，可能存在单向信道。它为传统路由算法带来三个严重影响：认知的单向性、路由单向性和汇点不可大。 要 求 基于分布式无线网络体系结构，在无线带宽受限、多跳路由频率变化及网络拓扑动态变化条件下，传统的路由算法和协议无法满足这些特性，需要专门的应用于移动自组织网络的路由协议。路由协议的设计必须满足以下条件： ● 具备分布式操作功能，能对网络拓扑结构动态变化进行快速应变，尽量避免路由环路的产生，提供方便简单的网络节点定位方法。 ● 高效利用有限的无线信道带宽资源，压缩不必要的开销。 ● 尽量减少转发的数据量和转发时间，支持睡眠周期操作，节省节点受限的工作能源。 ● 支持单向信道连接，使在移动自组织网络中可能出现的单向信道连接可以正常操作。 ● 具有一定的安全性，降低节点遭受入侵、攻击和窃听的可能性。 ● 具有良好的可扩展性，当网络规模扩大时，网络性能不至于大幅下降。 路由协议之一：表驱动路由协议 IETF的MANET工作小组目前正专注于移动自组织网络路由协议的研究，提出了许多协议草案，如DSR、AODV、ZRP等路由协议。此外，研究人员也发表了大量关于移动自组织网络路由协议的相关文章，提出了DSDV、WRP等协议。根据路由触发原理，目前的路由协议大致可以分为表驱动路由协议、按需路由协议和层次型路由协议三种。 表驱动路由协议也称为主动路由协议或者先验式路由协议。其原理是每个节点维护一张包含到达节点路由信息的路由表。源节点一旦需要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。当网络拓扑发生变化时，更新路由表信息，并把这个更新消息传遍整个网络。目前常用的表驱动路由协议主要有DSDV、WRP等。 (1) DSDV 在DSDV（Destination Sequenced Distance Vector）协议中，每一个节点都保存着一个路由表，凡是有可能与该节点有连接的节点都记录在表中，并且连同到这个节点的跳数也一并记录在其中。每一条记录都有一个相应的序列号，用来标记所记录路径的陈旧与否，有效避免使用陈旧的路径，防止可能产生的环路路由。其缺点是不支持单向信道，每一个节点都必须维护一个全网的路由信息表。因此，在网络规模比较大的情况下，所需要的更新信息量是巨大的。 (2) WRP WRP（Wireless Routing Protocol）协议中，每一个节点必须维护四个表：路由表、距离表、链路状态表和消息重传列表。节点都通过这些保存着所有邻近节点与该节点的连接状态。节点通过距离和倒数第二跳信息来进行寻路。如果一个节点没有消息需要发送，它必须定期发送hello消息以声明其存在。在该协议中，因为每个节点存储着与所有邻近节点的连接信息，因此可以使所建立的路径相对优化。但是网络中维护了更多的信息，当拓扑变化导致节点间连接变化时，更新网络中的信息所需要的开销也就更大。 路由协议之二：按需路由协议 按需路由协议又称为随选型路由协议或者反应式路由协议，是专门针对MANET环境提出来的。与表驱动路由协议相反，该类协议并不事先生成路由，而是仅在源节点需要时才这样做。因此，路由表信息是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。按需路由一般包括两个阶段，路由发现和路由维护。该类型中各路由协议的差别表现在发现路由的过程、取得和维护信息的方法、传输数据的方式。主要包括AODV、DSR和ABR等协议。 (1) AODV AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing)协议在建立路由的方式上对DSDV进行了改进。在路由过程中，中间节点不需维护路由信息或参与路由表交换。在路由发现阶段，当节点需要发送信息而又没有目的节点的有效路由时,启动一个路由发现过程，向网络广播一个RREQ分组。AODV允许中间节点响应RREQ。发现路由后，中间节点或目的节点以单播的方式向源节点发送一个RREP分组，RREP沿着刚建立的逆向路径传输。因此，AODV不支持单向链路。在路由维护阶段，当源节点得到链路中断消息后重启路由发现过程。AODV的显著特点是引入了组播路由协议扩展，并通过序列号的方式解决了无限计数问题。但与WRP相似，它需要定期地发送hello报文，造成了一定的额外开销。 (2) DSR DSR(Dynamic Source Routing)协议基于源路由概念，数据分组头部必须包含完整的路由信息，因此和AODV协议一样，中间节点可以响应RREQ，但不需要维护路由信息。与AODV不同的是，DSR支持单向链路，并且在路由发现的中继RREQ阶段，中间节点需要将自己的地址加入到请求分组中，然后转发。它的缺点是每个数据分组都携带了路径信息，造成协议开销较大，降低了带宽利用率。 (3) ABR ABR（Associativity-Based Routing）协议的设计主要考虑到了移动自组织网络动态拓扑的特点，引进了能表征链接持久性和传输质量的相关性稳定度（Associativity Stability）概念。ABR通过向相邻节点间定期产生信标（Beacon）来表示自己的存在。当一个节点收到邻近节点发送过来的信标时，本节点就会对相关性表（Associativity Table）进行更新。 对于相邻的每一个节点相关性表中都有其相关性计数，表示着该节点相对于本节点的稳定程度。这个相关性计数为路由选择中路由的稳定度提供了一个重要的参考。该路由协议把所选路径的稳定性考虑在内，在一定程度上避免了路由在传输过程中发生中断，选择的路由持久性较好，质量也较高；同时由于节点运算量比较大，源节点需要等待比较长的时间。 路由协议之三：层次型路由协议 针对网络所采用的逻辑拓扑结构形式，路由协议又可以分为平面型(Flat)和层次型(Hierarchical)。前面阐述的表驱动路由协议和按需路由协议都属于平面型的路由协议；而层次型路由协议则混合了表驱动路由协议和按需路由协议的优点，因此又被称为混合型路由协议。在平面型路由协议中，所有节点功能都是对等的；而在层次型路由协议中，层次指的是一个“群”(“Cluster”)或“区”(“Zone”)，它们由若干个节点组成，在层次内的节点间采用表驱动路由算法，在各层次间采用按需路由算法。 (1) CGSR CGSR（Clusterhead Gateway Switch Routing）协议是在DSDV协议基础上融合分层次的思想设计的。协议采用LCC（Least Cluster Change）算法，把移动自组织网络划分成若干个簇，每一个簇中有一个“簇首”（Clusterhead），而同时位于多个簇的节点被称为网关。每个节点维护两种数据结构：路由表和簇成员表。节点使用DSDV协议，周期性地与同簇内的邻居节点交换簇成员表，更新表信息。当一个节点要通信时，数据包首先传递给自己所在簇的簇首，然后通过网关到达另外一个簇首，以此种方法穿过中间的分簇，到达目的节点所在簇的簇首，然后再转发给目的节点。CGSR通过分簇，大大减少了维护路由表所需要的信息量。另外，采用这种路由的网络有比较好的扩展性，但其缺点是算法相对复杂，需要一定的执行代价。 (2) ZRP ZRP(Zone Routing Protocol)协议巧妙地结合了表驱动和按需路由协议的优点。网络内的所有节点都有一个以自己为中心的虚拟区，区内的节点数与设定的区半径有关。在区内使用表驱动路由算法，中心节点使用区内路由协议IARP维持一个到区内其他成员的路由表，对区外节点的路由使用按需路由算法，利用区间路由协议IERP建立临时的路由。ZRP的性能依赖于区域半径参数值。区域半径应根据网络特征（例如节点密度、节点速度等）来确定。 三种路由协议比较 表驱动路由协议使节点维护的路由表可以较准确反映网络的拓扑结构。节点一旦发送报文，可以立即获取目的节点路由，因此，该路由协议的时延较小，但是协议需要付出大量的路由控制报文，开销较大。在网络规模和移动性增大到一定程度时，大部分表驱动路由协议将不可行。 相反，按需路由协议不需要周期性维护尚未需要的路由，只有在发送报文之前才需要获取路由，因此，产生的路由控制信息比表驱动路由协议要少得多。但因为数据传输之前必须先获取路由，所以存在一定的时延。按需路由协议适用于网络载荷不太重、节点移动速度不太大的场合。 虽然按需路由协议和表驱动路由协议都各有其优缺点，但总体而言，按需路由协议是针对移动自组织网络的特点设计的，更适合于移动自组织网络。 而在层次型路由协议中，路由信息分层次转发，需要在全局传播的路由信息较少，降低了大型网络的存储要求和通信载荷。因此，与前两种路由协议相比，具有更好的可扩展性和更高的效率。但另一方面，层次性路由协议的移动管理比较复杂，在实施上存在很多困难。 展 望 目前，移动自组织网络路由协议的研究还存在许多待解决的问题，下一步的发展方向应该包括以下几个方面： ● QoS路由：由于移动性、信道时变性和可靠性问题，QoS要求很难得到满足，上述路由协议都没有涉及QoS路由算法。 ● 安全性：无线信道易受到非法主机的窃听和攻击，目前提出的路由协议尚未考虑通信的安全性问题。 ● 支持单向信道连接：这样可使在移动自组织网络中可能出现的单向信道连接可以正常操作。 ● 基于能源的路由：现有路由协议都没有考虑能源的消耗，因此设计基于能源的路由，可以使节点有更长的工作期。 ● 可扩展性：通过进一步减少路由控制信息和引入分层次路由的思想两种途径，提高路由可扩展性。 ·小资料· 与其他移动通信系统的比较 蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。移动用户之间以及移动用户和非移动用户之间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换网络。蜂窝系统是一种有连接网络，一旦一个信道被分配给某个用户，通常此信道可一直被此用户使用。 集群系统与蜂窝系统类似，也是一种有连接的网络，一般属于专用网络，规模不大，主要为移动用户提供语音通信。 卫星通信系统的通信范围最广，可以为全球每个角落的用户提供通信服务。在此系统中，卫星起着与基站类似的功能。卫星通信系统存在成本高、传输延时大、传输带宽有限等不足。 上述移动通信系统都需要有线网络通信基础设施的支持，如基站、交换机、卫星等。这些设施的建立和运转需要大量的人力和物力，因此成本比较高，同时建设的周期也长。移动自适应网络不需要基站的支持，由主机自己组网，因此，网络建立的成本低，同时时间短，一般只要几秒钟或几分钟。 上述通信系统中，移动终端之间并不直接通信，并且移动终端只具备收发功能，不具备转发功能。而移动自组织网络由移动主机构成，移动主机之间可以直接通信，而移动主机不仅收发数据，同时还转发数据。 此外目前的移动通信系统主要为用户提供语音通信功能，通常采用电路交换，拓扑结构比较稳定。而移动自组织网络使用分组转发技术，主要为用户提供数据通信服务，拓扑结构易于变化。 |