無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議解析

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是由Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的一種多點(diǎn)對多點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，目前無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議都從很大程度上參考Ad Hocl~絡(luò)的路由協(xié)議，其中經(jīng)典型路由協(xié)議更是直接將Ad Hoc路由協(xié)議應(yīng)用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。對經(jīng)典型無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由協(xié)議進(jìn)行介紹，并對其中具有代表性的協(xié)議進(jìn)行重點(diǎn)分析。
　　
　　一、無線網(wǎng)狀網(wǎng)的路由協(xié)議
　　
　　傳統(tǒng)的路由協(xié)議是專為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，并不適用于無線網(wǎng)狀網(wǎng)環(huán)境。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的路由協(xié)議不能夠很好處理無線網(wǎng)狀網(wǎng)環(huán)境中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈接質(zhì)的快速變化。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)都有一些顯著的特性，例如：高動態(tài)性，智能性，端對端最佳路徑選擇，多跳性，通常帶寬有限和計(jì)算能力不足。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)性的原因有兩個：第一，路由器本身可能移動，并造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的快速變動。第二，即使路由器本身不移動，由于干擾、地理和環(huán)境等因素，無線電鏈路的質(zhì)量仍可能發(fā)生快速變化。

從以上這些特性可以知道，完備的無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由協(xié)議必須需要具備以下特點(diǎn)：①分布式操作；②快速收斂(適應(yīng)更快的移動)；③可擴(kuò)展性：④適用于大量的小型設(shè)備；⑤只占用有限的帶寬和計(jì)算能力主動式操作(減少初始延遲)：⑥在選擇路由時考慮無線電鏈路的質(zhì)量和容量；⑦避免環(huán)路：⑧安全性。

由于無線網(wǎng)狀網(wǎng)是由Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的無線網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間具有一定的相似性，因此現(xiàn)有的主流無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由協(xié)議也是從AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議發(fā)展而來的，主要包括三種類型的路由協(xié)--議：一種為先驗(yàn)式路由協(xié)議：一種為反應(yīng)式路由協(xié)議；另外一種就是二者的混合，稱為混合式路由協(xié)議。
　　
　　二、先驗(yàn)式路由協(xié)議
　　
　　(一)簡介

先驗(yàn)式路由協(xié)議是一種基于表格的路由協(xié)議。在這種協(xié)議中，每個節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張或多張表格，這些表格包含到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其它所有節(jié)點(diǎn)的路由信息。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送路由更新信息。收到更新信息的節(jié)點(diǎn)更新自己的表格，以維護(hù)一致的、及時的、準(zhǔn)確的路由信息。不同的先驗(yàn)式路由協(xié)議的區(qū)別在于拓?fù)涓滦畔⒃诰W(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆绞胶托枰鎯Φ谋淼念愋?。先?yàn)式路由協(xié)議不斷的檢測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌焚|(zhì)量的變化，根據(jù)變化更新路由表，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦需要發(fā)送報(bào)文，可以立即得到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。
　　
　　(二)典型先驗(yàn)式路由協(xié)議DSDV協(xié)議

DSDV的基本原理是：每一個節(jié)點(diǎn)維持一個到其它節(jié)點(diǎn)的路由表，表的內(nèi)容為路由的“下一跳”節(jié)點(diǎn)。DSDV創(chuàng)新之處是為每一條路由設(shè)置一個序列號，序列號大的路由為優(yōu)選路由，序列號相同時，跳數(shù)少的路由為優(yōu)選路由。正常情況下，節(jié)點(diǎn)廣播的序列號是單調(diào)遞增的偶數(shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B發(fā)現(xiàn)到節(jié)點(diǎn)D的路由(路由序列號為s)中斷后，節(jié)點(diǎn)B就廣播一個路由信息，告知該路由的序列號變?yōu)閟+l，并把跳數(shù)設(shè)置為無窮大，這樣，任何一個通過B發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn)A的路由表中就包括一個無窮大的距離，這一過程直到A收到一個到達(dá)D的有效路由(路由序列號為s+1-1)為止。

在此方案中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的移動終端都建立一個路由表，包括所有的目的節(jié)點(diǎn)到達(dá)各個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳躍次數(shù)(或標(biāo)識距離矢量的路徑矩陣)。每個路由記錄都有一個由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)定的序列號。序列號使移動終端可以區(qū)分當(dāng)前有效路由路徑和已過時的路由路徑。路由表周期性地做全網(wǎng)更新以維護(hù)全網(wǎng)的通信有效性。通常，為了減少由于路由表更新而產(chǎn)生的大量路由信息傳遞，減少網(wǎng)絡(luò)路由開銷，可以采用兩種路由更新方式。第一種是全清除方式，即通過多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元將路由更新信息在全網(wǎng)中傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端出現(xiàn)移動，則產(chǎn)生的新路由分組信息不定期的傳達(dá)至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有終端。第二種是部分更新方式，或稱為增量更新方式，即在最后一次全清除傳輸后，只傳遞那些涉及變化了的路由信息進(jìn)行傳輸，這些信息通常被放置在一個標(biāo)準(zhǔn)的NPDU里，從而減少路由信息的傳遞量。在增量更新方式中移動終端可以增加另外一個附加的表來存儲路由更新信息。

新路由信息的廣播信息包含目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址，到每個目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、接收信息的序列號，以及獨(dú)有的廣播序列號。新路由信息適用最新的序列號。如果兩次更新具有相同的序列號，則具有較小的距離矢量陣的路由具有優(yōu)先權(quán)。因?yàn)樗砺窂阶疃?或跳數(shù)最少)。在通常情況下，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)可能存在多條路徑，在最佳路由路徑的確定過程中，移動終端跟蹤不同路由路徑的時間，最佳路由路徑就是時間最短的路徑。在找到最佳路徑之前，該時間呈收斂性漲落。一旦路徑確定，這些信息就存放到每一個終端的路由表中，直到節(jié)點(diǎn)收到新的路由信息。 三、反應(yīng)式硌由協(xié)議
　　
　　反應(yīng)式路由選擇協(xié)議是一種當(dāng)需要一條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時才查找路由的路由選擇方式。節(jié)點(diǎn)并不保存整個網(wǎng)絡(luò)的及時準(zhǔn)確的路由信息。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時，源節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由后，才開始發(fā)送報(bào)文。為了提高效率，節(jié)點(diǎn)可以將找到的路由保存在緩存中供后續(xù)發(fā)送使用。反應(yīng)式路由協(xié)議按需路由的特點(diǎn)可以較好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)移動較為頻繁的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，節(jié)點(diǎn)發(fā)生移動后，只需要更新需要發(fā)送數(shù)據(jù)的相關(guān)路徑的路由信息即可。
　　
　　四、混合式路由協(xié)議
　　
　　混合式路由是將前面兩種路由方式結(jié)合起來，在局部范圍內(nèi)使用先驗(yàn)式路由協(xié)議，維護(hù)準(zhǔn)確的路由信息，并可以縮小路由控制消息傳播的范圍。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時，則使用反應(yīng)式路由協(xié)議查找發(fā)現(xiàn)路由。ZRP協(xié)議就是混合式路由協(xié)議的代表。ZRP協(xié)議是一種專為多變的通信環(huán)境(如可重構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，RwN)設(shè)計(jì)的平鋪式路由協(xié)議。在每個節(jié)點(diǎn)定義一個區(qū)域，此區(qū)域包含一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的距離(也就是跳數(shù))在一個限定的范圍之內(nèi)。這個距離被成為區(qū)域半徑rzone。每一個節(jié)點(diǎn)只需要知道它的路由區(qū)域內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且其路由信息隨著區(qū)域內(nèi)的拓?fù)涓露?。這樣，盡管網(wǎng)絡(luò)很大，但更新僅僅在局部區(qū)域進(jìn)行。由于距離大于1，這樣區(qū)域就有大量重疊。

若s要與D通信，則s發(fā)送query消息，并一級一級廣播下去，直到到達(dá)D，D響應(yīng)這個請求，表明路山為：S-H-B-D。

B知道路由路徑的機(jī)制成為路由累積。累積過程如下：query消息每經(jīng)過一個節(jié)點(diǎn)，則在query消息中加上該節(jié)點(diǎn)的信息。為了限定信息大小并能反應(yīng)出路由發(fā)現(xiàn)過程，在query消息中加入跳數(shù)限制，并且每經(jīng)過一個節(jié)點(diǎn)，跳數(shù)減l，若跳數(shù)域?yàn)?，則丟棄該消息。區(qū)域內(nèi)部采用先驗(yàn)式路由協(xié)議。

可以看出ZRP僅需要一些相對小數(shù)量的query信息，這些信息只是發(fā)給周邊節(jié)點(diǎn)的信息。由于區(qū)域半徑相對于整個網(wǎng)絡(luò)來說總是比較小，得知區(qū)域內(nèi)部拓?fù)涞拈_銷只是整個網(wǎng)絡(luò)很少的一部分。而且，每一個節(jié)點(diǎn)儲蓄的信息也大為減小。另外，ZRP協(xié)議比全網(wǎng)的反應(yīng)式路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制要快得
　　
　　五、結(jié)論
　　
　　無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為一種可以解決“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)接入瓶頸問題的方案，和智能天線、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)以及超寬帶技術(shù)一起，正在成為無線通信領(lǐng)域中壓倒一切的技術(shù)。因此在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)尚桌統(tǒng)一的前提下，對無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)進(jìn)行分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。