無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究

摘要無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種新型的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，主要用于因特網(wǎng)的無(wú)線接入。路由是WMN中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文先介紹路由技術(shù)的概念以及一般有線網(wǎng)絡(luò)的路由，然后以Adhoc為例介紹無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的路由，并比較它們與有線網(wǎng)絡(luò)路由的區(qū)別。接著著重介紹WMN路由協(xié)議。最后本文詳細(xì)介紹分析一種適用于無(wú)線網(wǎng)狀接入網(wǎng)的TBR協(xié)議及其改進(jìn)協(xié)議。

關(guān)鍵詞WMN；Adhoc；路由協(xié)議；TBR1引言

如今，無(wú)線通信技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展著，并日益廣泛地融入到人們的生活之中。蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)比較成熟，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)，然而它在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持方面明顯不足。無(wú)線局域網(wǎng)在近年來(lái)得到了較快的發(fā)展，成為無(wú)線接入的有效手段，但是它的覆蓋范圍又很有限。下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)究竟該朝哪個(gè)方向發(fā)展？雖然還沒(méi)有定論，但能同時(shí)提供大覆蓋范圍、高數(shù)據(jù)速率和移動(dòng)性支持則是共識(shí)。近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（WirelessMeshNetwork，WMN）以其特有的優(yōu)勢(shì)引起了人們的廣泛關(guān)注，并可能成為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的重要組成部分。2WMN概述

WMN是一種從移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展起來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此也是一種動(dòng)態(tài)自組織、自配置的多跳寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。與Adhoc網(wǎng)絡(luò)不同，WMN可以通過(guò)位置相對(duì)固定的無(wú)線路由器，將多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)，并提供高速的骨干網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被納入到802.16e，802.11s等標(biāo)準(zhǔn)中。WMN作為未來(lái)無(wú)線城域核心網(wǎng)最理想的方式之一，具有可能挑戰(zhàn)3G技術(shù)的能力，是構(gòu)建B3G/4G的潛在技術(shù)之一。

WMN由客戶節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。客戶節(jié)點(diǎn)也可以分為普通WLAN客戶節(jié)點(diǎn)和具有路由與信息轉(zhuǎn)發(fā)功能的客戶節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)。與傳統(tǒng)的無(wú)線路由器相比，WMN路由器在很多地方均作了增強(qiáng)，除了提升多跳環(huán)境下的路由功能外，對(duì)MAC協(xié)議、多無(wú)線接口等技術(shù)也有所改進(jìn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有到Internet有線寬帶的連接，WMN通過(guò)其網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入Internet。WMN接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。按照結(jié)構(gòu)層次，WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)均為對(duì)等結(jié)構(gòu)，適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)少又不連入核心網(wǎng)的場(chǎng)合；多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為上下層兩個(gè)部分，上層為MESH結(jié)構(gòu)的路由器網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，下層為普通WLAN客戶節(jié)點(diǎn)，它們只能通過(guò)接入上層的網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)相互間的通信；混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即以上兩種結(jié)構(gòu)的混合，網(wǎng)絡(luò)也分為上下兩層，但其下層是具有路由與信息轉(zhuǎn)發(fā)功能的客戶節(jié)點(diǎn)。3Internet路由協(xié)議與Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

路由是WMN中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文主要針對(duì)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行研究。3.1路由技術(shù)的概念

路由技術(shù)是計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它隨著網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展而發(fā)展。簡(jiǎn)而言之，路由技術(shù)是指采用一種或多種策略，為數(shù)據(jù)分組從源地址到目的地址的轉(zhuǎn)發(fā)選擇一條或幾條理想的路徑。它是通過(guò)在路由設(shè)備（如路由器等）上運(yùn)行路由協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。路由器間可進(jìn)行相互通信，從而在每個(gè)路由器都建立一張路由表，用于存放網(wǎng)絡(luò)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)信息。通過(guò)查找路由表中相應(yīng)表項(xiàng)（下一跳地址等）來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。3.2Internet路由協(xié)議

Internet路由協(xié)議根據(jù)其設(shè)計(jì)理念，主要分為為兩大類(lèi)：距離向量路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)路協(xié)議。距離向量路由協(xié)議（如RIP）主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且有效率，但是，這種方法存在收斂慢、易出現(xiàn)路由環(huán)路等問(wèn)題。鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（如OSPF）的特點(diǎn)是，所有路由器均保存全網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉⒆鲋芷诟?，并且任何一個(gè)環(huán)節(jié)的改變引發(fā)即時(shí)更新。相對(duì)于傳統(tǒng)的距離向量路由協(xié)議，鏈路狀態(tài)路由協(xié)議有全網(wǎng)拓?fù)湫畔?，因此可以防止出現(xiàn)路由環(huán)路且收斂速度較快。然而，這種協(xié)議通過(guò)全網(wǎng)廣播來(lái)傳遞最新信息，因此，尤其是在高移動(dòng)性（或嚴(yán)重?zé)o線電干擾）造成鏈路狀態(tài)改變的時(shí)候，此類(lèi)協(xié)議會(huì)耗費(fèi)大量的網(wǎng)絡(luò)資源并產(chǎn)生過(guò)多的控制開(kāi)銷(xiāo)，而使其變得不可行。

傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議（如OSPF，RIP）是專(zhuān)為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。它們不能夠很好處理無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)環(huán)境中常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈接質(zhì)量的快速變化。因此，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中不能直接使用傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議，而要使用為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議。3.3Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種沒(méi)有有線基礎(chǔ)設(shè)施支持的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均由移動(dòng)主機(jī)構(gòu)成，移動(dòng)主機(jī)之間可以直接通信，移動(dòng)主機(jī)既是主機(jī)又是路由器，通過(guò)移動(dòng)主機(jī)自由的組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

如圖2所示，根據(jù)發(fā)現(xiàn)路由的驅(qū)動(dòng)模式不同，Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議一般分為以下兩種：一種稱為表驅(qū)動(dòng)（TableDriven）路由，或者預(yù)先式（Proactive）路由，如DSDV（DynamicDestination-SequencedDistanceVector）是一種典型的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，基于Bellman-Ford算法；另一種稱為按需（OnDemand）路由，或者反應(yīng)式（Reactive）路由，如DSR（DynamicSourceRouting）是一種典型的按需路由協(xié)議。此外，還有一種混合式路由協(xié)議——ZRP（ZoneRoutingProtocol）[1]。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議通過(guò)連續(xù)地檢測(cè)鏈路質(zhì)量，時(shí)刻維護(hù)準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚尚畔ⅰＦ鋬?yōu)點(diǎn)是發(fā)送報(bào)文時(shí)可立即得到正確的路由信息，然而表驅(qū)動(dòng)路由需要大量的控制報(bào)文，開(kāi)銷(xiāo)太大，不具有良好的擴(kuò)展性。而按需路由協(xié)議則有所不同，其節(jié)點(diǎn)僅當(dāng)需要時(shí)才查找相應(yīng)路由，節(jié)省了路由維護(hù)的開(kāi)銷(xiāo)，但在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要尋找路由，造成不可預(yù)測(cè)的路由延遲，因而不適應(yīng)對(duì)時(shí)延敏感性應(yīng)用[2]。從上述的分析中可以看出，無(wú)論是表驅(qū)動(dòng)路由還是按需路由，對(duì)規(guī)模較大的自組織網(wǎng)絡(luò)的支持都不是很好，而混合式又過(guò)于復(fù)雜而不適合實(shí)際應(yīng)用。4WMN路由協(xié)議4.1WMN與Adhoc的比較

雖然在WMN的路由設(shè)計(jì)時(shí)可以參考一些現(xiàn)有的用于adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。但事實(shí)上WMN與移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）還是有較大區(qū)別的。主要體現(xiàn)在：

（1）MANET的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥⒅氐氖且苿?dòng)，而WMN的移動(dòng)性低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇傮w呈現(xiàn)靜態(tài)或弱移動(dòng)。

（2）MANET的節(jié)點(diǎn)能量有限，功率節(jié)省是其路由設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，而WMN關(guān)注的是高吞吐量的路由協(xié)議，側(cè)重?zé)o線寬帶大容量傳輸。

（3）MANET的業(yè)務(wù)側(cè)重于網(wǎng)內(nèi)通信，而WMN的業(yè)務(wù)側(cè)重于網(wǎng)間通信，主要用于因特網(wǎng)或?qū)拵Ф嗝襟w接入。

（4）此外，MANET的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型單一，即兼具路由與主機(jī)功能、地位平等的客戶端節(jié)點(diǎn)，而WMN的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型一般有三種。

正是由于WMN和Adhoc網(wǎng)絡(luò)兩者之間的差別決定了為AdHoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由協(xié)議可能不適合WMN，因此，我們必須充分考慮WMN的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)最適合WMN的路由協(xié)議，以提高WMN的性能。4.2WMN路由協(xié)議的設(shè)計(jì)因素