NDMR路由算法的研究与改进

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.94MB 54 页 15积分

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摘要

移动 Ad Hoc 网络是由一组无线移动节点（带有多个终端的路由器、移动通

讯设备等），在没有固定可靠的基站和没有有线骨干网支持下组成的一个多跳的、

临时性的自治系统。在军事、法律执行、灾害营救方面具有广泛的应用前景。近

年来 Ad Hoc 网络日益成为一个非常活跃的研究领域。

路由协议是无线移动 Ad Hoc 网络的重要组成部分。目前，大多数路由协议

是单一路径的，但在现代信息时代不仅要求数据通信量大，而且还要安全可靠。

单一路径的路由很难满足现代通信的要求。鉴于此，本文提出了一种不相关多路

路由算法：SNNDMR+（Special Node Node-Disjoint Multipath Routing protocol）。

该算法在节点不相关多路路由算法 NDMR（On-demand Node-Disjoint Multipath

Routing in Wireless Ad Hoc Networks）的基础上，寻找关键节点，使源节点的数

据报文经过单条路径到达关键节点的上一跳节点后，除了按既定的不相关路径的

节点进行转发外，还向关键节点进行转发，关键节点接收到数据报文后向与其相

连的另一条或多条不相关路径的节点进行转发，使数据报文可以同时在多条节点

不相关的路径上路由到达目的节点。采用 NS2 进行仿真分析，结果表明，在存

在关键节点的情况下，该算法比节点不相关算法提高了报文转发率（分组投递

率）、降低了端到端延迟；如果不存在关键节点，该算法性能与节点不相关算法

相当。

关键词：移动Ad Hoc网络; AODV; NDMR; 多路径; SNNDMR+

ABSTRACT

Wireless Ad Hoc network is a multi-hop and temporally self-rule system

composed by a group of mobile nodes such as router with many terminals and

mobile communication equipments. It can be used in many environments, for

example, military, law executing, and disaster rescuing fields. Ad Hoc has

increasingly become a very active research field in recent years.

Routing protocol is an important component of wireless mobile Ad Hoc

network. At present, most routing protocols is a single-path, but today,it requires not

only large amount of data information, but also safe and reliable. Single-path

routing is difficult to meet the requirements of modern communication.So,a new

algorithm called Special Node Node-Disjoint Multipath Routing

protocol(SNNDMR+) is proposed. It based on On-demand Node-Disjoint Multipath

Routing in Wireless Ad Hoc Networks, searching for the key node so that when data

packets was routed to the former node of the key node from the source node to the

Destination node through a unipath, in addition to forwarding through the

established node-disjoint path, Also transmit to the key nodes. By this way, Data

packets can be routed to the Destination node by node-disjoint multipath at the same

time. Using ns-2 simulation analysis, the results indicate that in the condition of the

existing key node, Compared with the existing NDMR algorithms, the algorithm

improves the packet delivery rate 、reduces end-to-end delay; If there are no key

nodes, the performance of this algorithm is almost as same as NDMR.

Key Word: Mobile Ad Hoc network, AODV, NDMR, Multipath,

SNNDMR+

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究的背景 ................................................ 1

§1.2 研究的动机 ................................................ 3

§1.3 论文的主要工作 ............................................ 4

§1.4 论文各章节安排 ............................................ 4

第二章移动 Ad Hoc 网络中的典型路由协议 ............................. 5

§2.1 引言 ......................................................5

§2.2 Ad Hoc 网络路由协议的分类 ................................. 5

§2.3 表驱动路由协议(Table-Driven Routing Protocols) ............6

§2.3.1 DSDV 路由协议 ........................................6

§2.3.2 FSR 路由协议 .........................................7

§2.3.3 WRP 路由协议 .........................................8

§2.3.4 STARA 路由协议 .......................................8

§2.3.5 OLSR 路由协议 ........................................8

§2.4 按需路由协议(On-Demand Routing Protocols) .................9

§2.4.1 DSR 路由协议 .........................................9

§2.4.2 AODV 路由协议 .......................................10

§2.4.3 TORA 路由协议 .......................................14

§2.4.4 ABR 路由协议 ........................................15

§2.4.5 SSR 路由协议 ........................................16

§2.5 其它路由协议－分级路由协议 ...............................16

§2.5.1 分级路由协议概述 ....................................16

§2.5.2 分级路由协议的基本思想 ..............................17

§2.5.3 分级路由协议 ZRP（Zone Routing Protocol） ........... 17

第三章 Ad Hoc 网络中多路路由协议 ...................................19

§3.1 多径路由介绍 .............................................19

§3.1.1 多路路由概念 ........................................19

§3.1.2 多路路由分类 ....................................... 19

§3.1.3 单路路由与多路路由比较 ............................. 21

§3.1.4 几个典型的多路路由协议 ..............................22

第四章 Ad Hoc 网络路由协议的分析 ...................................26

§4.1 Ad Hoc 网络路由协议的目标 ................................ 26

§4.2 Ad Hoc 网络路由协议的评价标准 ............................ 27

§4.3 影响路由协议的一些因素 ................................... 28

第五章 NDMR 路由算法的研究与改进 ...................................29

§5.1 NDMR 协议的介绍 .......................................... 29

§5.1.1 NDMR 路由协议的路径积累 .............................29

§5.1.2 减少路由开销和避免环形路由 ......................... 30

§5.2 SNNDMR+算法的介绍 ........................................31

§5.2.1 SNNDMR+算法不相关路径的获取 ........................ 31

§5.2.2 SNNDMR+算法的路由发现机制 .......................... 33

§5.2.3 SNNDMR+与 NDMR 算法的不同之处 ....................... 36

§5.2.4 SNNDMR+算法的路由维护 .............................. 37

第六章基于 NS-2 的网络仿真及结果分析 .............................. 39

§6.1 仿真实验工具——仿真软件 ................................. 39

§6.2 NS-2 仿真工具介绍 ........................................ 39

§6.3 仿真实验以及结果分析 ..................................... 42

第七章总结展望 ................................................... 46

参考文献 .......................................................... 48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 51

致谢 ............................................................ 52

第一章绪论

§1.1 研究的背景

Ad Hoc 网络的前身是分组无线网(Packet Radio Network)[1]，分组无线网是一

种利用无线信道进行分组交换的通信网络，即网络中传送的信息要以“分组”或者

称“信包”（包）为基本单元。对分组无线网的研究源于军事通信方面的需要，并

已经持续了近 20 年。早在 1972 年，美国 DARPA(DefenseAdvanced Research Project

Agency)就启动了分组无线网(PRNET，Packet Radio NETwork)项目研究，分析分

组无线网在战场环境下数据通信中应用的可行性。项目完成之后，DAPRA 又在

1993 年启动了高残存性自适应网络(SURAN，SURvivable Adaptive Network)项

目，研究如何将 PRNET 的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，并开发能够

适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994 年，DARPA 又启动了全球移

动信息系统(GloMo，

Globle Mobile Information Systems)项目。在分组无线网已有

成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系

统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991 年成立的 IEEE802．1l 标准委

员会采用了“Ad Hoc 网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。

在战场恶劣的环境下，通信设备不可能依赖已经铺设的通信基础设施，一方

面这些设施可能根本不存在，另一方面，这些设施可能遭到破坏。因此，能快速

装备、自组织的移动基础设施是这种网络与其他商业蜂窝系统的显著区别。与此

同时，在 Ad Hoc 网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多

个中间结点的转发才能到达目的节点，即经过多跳（MultiHop），这也是 Ad Hoc

网络与其他移动网络的最本质区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互

协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网（MultiHop

Wireless Network）、自组织网络（SelfOrganized Network）或无固定设施的网络

（Infrastructureless Network）。在网络拓扑结构上，这种网络是由一系列移动结

点组成，是一种自组织的网络、不依赖于任何已有的网络基础设施。由于移动

Ad Hoc 无线网络是一种不需要基础设施的自组织网络，在动态的网络拓扑结构

下，网络中的各个节点可以同其他节点进行单跳或多跳的通信，它有设置部署快

速、不需要基站、网络拓扑结构动态变化以及路由多跳等特征，因此它的应用领

域与普通的通信网络有着显著的区别，在那些无法或不便预先铺设网络设施的场

合、需快速自动组网的场合等被广泛应用。它的应用场合主要有以下几类[2-3]：

军事应用：军事应用是 Ad Hoc 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需

架设网络设施、可快速部署展开、抗毁性强等特点，它是现代战争数字人战场通

NDMR 路由算法的研究与改进

信的首选技术。Ad Hoc 网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的

近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了 Ad Hoc 网络技术。

传感器网络：传感器网络是 Ad Hoc 网络技术的另一大应用领域。对于很多

地方如距离较远不方便有线通信的场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。

而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率一般不大。使用 Ad Hoc 网络实

现多跳通信是一种非常有效的解决方法。分散部署的传感器组成 Ad Hoc 网络，

可以实现传感器之间与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非

常广阔的应用前景。

紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难破坏打

击后，现有的固定通信网络设施(如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等

网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等)可能已经被全部摧毁或无法正常

工作，对于抢险救灾来说，这时就需要 Ad Hoc 网络这种不依赖任何固定网络设

施又能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样

无法依赖于固定或预设的网络设施进行有效通信。Ad Hoc 网络技术的独立组网

能力和自组织优点，是这些场合通信的最佳选择。

个人通信：个人局域网(PAN，Personal Area Network)是Ad Hoc 网络技术的

另一大应用领域。不仅可用于实现 PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备

之间的无线通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网

(Scatternet)就是目前应用的一个典型的例子。

与移动通信系统的结合：Ad Hoc 网络除了可以单独组网实现局部的通信外，

还可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动的通信网络，与蜂窝移动

通信系统相结合，利用移动终端的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范

围、均衡相邻小区的业务量、提高小区边缘的数据速率等。

在实际应用中，Ad Hoc 网络中的节点除了要具备普通移动终端的功能，还

要具有报文转发能力，即要具备路由器的功能。因此，从需要完成的功能考虑可

以将节点分为主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的计

算功能，包括人机接口、数据处理等应用软件；路由器部分主要负责维护网络的

拓扑结构以及路由信息，选择最合适的路由路径，完成报文的转发功能；电台部

分为信息传输提供无线信道支持。

近年来，移动 Ad Hoc 网络路由协议是本学科和技术领域研究的热点，国内

外许多学者和专家都在从事这一领域的研究。这些路由协议必须考虑 Ad Hoc 网

络自身限制所带来的一系列问题，例如：能量消耗、频繁的链路中断、有限的无

线通信带宽和高误码率等等。Ad Hoc 网络的路由协议面临最基本的问题是：如

何在没有预先知道网络拓扑结构的情况下，在节点之间有效的传递数据报文,这

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摘要：

摘要移动AdHoc网络是由一组无线移动节点（带有多个终端的路由器、移动通讯设备等），在没有固定可靠的基站和没有有线骨干网支持下组成的一个多跳的、临时性的自治系统。在军事、法律执行、灾害营救方面具有广泛的应用前景。近年来AdHoc网络日益成为一个非常活跃的研究领域。路由协议是无线移动AdHoc网络的重要组成部分。目前，大多数路由协议是单一路径的，但在现代信息时代不仅要求数据通信量大，而且还要安全可靠。单一路径的路由很难满足现代通信的要求。鉴于此，本文提出了一种不相关多路路由算法：SNNDMR+（SpecialNodeNode-DisjointMultipathRoutingprotocol）。该...

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