物联网组网与通信技术——Ad Hoc 网络路由协议

Ad Hoc 网络路由协议

Ad Hoc 网络路由面临的问题

在设计Ad Hoc 网络路由协议时，我们首先要明确可能面临的问题：
（1）路由信息不易获得：定期交换路由信息的开销大、网络资源有限，并且必须被所有节点共享、节点资源（电池、CPU）等有限、也许不能接收到所有的路由信息。
（2）路由信息不完整：移动和分区很难将信息分发到一个没有固定成员网络的所有节点。
（3路由信息可能过期：不可能连续地或者立即交换信息、节点随时移动、无线传播变化大。

MANET（Mobile Ad Hoc Net）对路由协议的需求

收敛迅速、提供无环路由、控制管理开销小、对终端无过高要求、支持单向信道、尽量简单实用。

为什么不能把传统的路由协议直接用于Ad Hoc 网络呢？

（1）Ad Hoc 网络具有动态变化的网络拓扑结构，可能有节点加入、离开、移动的情况，这样的话路由算法还未收敛，网络拓扑结构就发生变化。
（2）Ad Hoc网络的系统带宽、能量等资源是有限的，传统的路由协议会周期性地通告，这样的话会严重降低系统的性能。
（3）Ad Hoc需要间歇性的网络分割，传统的路由协议用于Ad Hoc网络容易形成回路。
（4）Ad Hoc是支持单信道无线传输的，而传统路由协议一般假设链路是对称的。

Ad Hoc 路由协议的性能指标

（1）端到端数据吞吐量和延时 ，反映了数据的传输质量。
（2）路由获取时间-有数据要发送到发送出去的时间。
（3）乱序分组发送率-衡量无连接路由协议应用于需要有序发送的传输层协议。
（4）路由协议的效率-路由控制消息/发送数据。

Ad Hoc 路由分类结构

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|| 表驱动（Table Driven）/ 先应式（Proactive）路由

what？ 每个节点维护到网络中所有其它节点的路由、所有节点都已存在并且随时可用。
feature？ 路由延时小，但是路由开销大。

@ DSDV（Destination-Sequenced Distance Vector）

※ 先应、逐跳转发、DV

※ 传统DV的不足？
开销大；可能出现环路——浪费网络带宽、为消除环路需要额外开销、 对拓扑变化适应慢。

※ feature？
（1）利用目的地序列号来解决无穷计数问题。
（2）路由更新——周期性通告、检测到链路变化就突发性通告。
（3）简单易实现（RIP的优点）
（4）用于对称链路。

※ 如何解决无穷计数问题呢？

思考环路问题解决的关键是什么？？是传递信息的不全，无法区别路由表项的新旧。

解决办法：设置目的序列号——每个节点设置序列号（路由通告携带序列号），各节点只保存最新序列号的目的表项。

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※ 通告机制 ？
（1）周期性通告与突发性通告——尽快通告路由变化
（2）整体通报与增量通报（减少路由开销）——局部采用增量通报
（3）限制不稳定的路由通报，防止路由震荡。

※ 什么是路由震荡以及如何解决这种问题？？

@ FSR : Fisheye State Routing Protocol

L-S、减少路由开销。

※ 基本思想： 局部拓扑、了解远地拓扑。不使用flooding。时间驱动代替事件驱动。

※ Fisheye技术： 不同距离节点的链路状态路由表项的交互频率不同：与近距离节点的链路状态的交互频率高，维护精确的拓扑信息；与远距离节点的链路状态的交互频率低，拓扑不精确。

※ 存在问题？？

（1）路由不是全局最优——远离目的节点时，路径信息不全面准确。
（2）不适用于规模较大的网络——收敛时间长、存在许多不稳定的路由。

|| 按需（On-demand）/ 反应（Reactive） 路由

what？ 源节点根据需要通过路由来发现过程来确定路由，控制消息采用洪泛（Flooding）方式。

feature？路由延时大，但是路由开销小。

※ 实现技术： 源路由（分组携带完整的路由信息）
逐跳（Hop-by-Hop）路由

比如 DSR、AODV、DYMO协议

※ 什么是数据洪泛？？有什么优缺点？？

优点：
（1）简单
（2）当信息传输需求足够低时，可能比其他协议更高效——因为其他协议所产生的显式路由发现、维护的开销是相对较高的
（3）潜在的更高的数据传输可靠性——因为分组可能会通过多条路径传输到目的地。

缺点：
（1）潜在的高开销——数据分组可能会被传输到太多并不需要接受它的节点。
（2）潜在的数据传输的低可靠性——潜在的冲突

所以，基于上述内容，许多协议执行控制分组洪泛，而不是数据分组：
控制分组是发现路由的，发现路由后用于发送数据。

@ DSR Dynamic Source Routing

※ DSR中的假设

• 所有节点都愿意转发分组到网络中的其他节点
• 自住址网络不会太大（如果路由非常长，分组首部将超过有效负荷）
• 节点的速度是缓慢的（如果节点的速度很快，本地的路由缓存将过期）
• 所有节点都能收听到（混杂）不节能

※ 操作步骤

（1）节点S洪泛路由请求（RREQ：Route Request），RREQ包括
<目的地址、起始地址、路由记录、请求ID>。
（2）当节点Y收到一个RREQ时，可能进行如下三种操作：

• 丢弃——若<起始地址、请求ID>已经在它的表中。
• 返回一个包括从起始地到目的地路由的路由响应分组——如果Y已经是目的地或者Y的路由缓存中存在一个到目的地的路由
• 不是以上情况的话就在RREQ的路由记录中附上自己的地址并重新广播RREQ。
  （3）目的节点D收到该RREQ后，会回送RREP（Route Reply），RREP中包含RREQ中的地址列表。当节点S收到RREP后，会将RREP中的路由缓存起来，在节点S发送一个数据分组到D时，整条路由将包含在分组首部中。

注意： 如果单向的链接是允许的，那么RREP可能需要一个从节点D到节点S的路由发现（除非节点D已经知道一条到节点S的路由），在D的路由请求中会捎带路由响应。

※ 路由维护 ？？

也可以分为逐条维护、端到端的维护。

※ 路由优化？？

每个节点通过任何方式学习到一个新路由都会将其缓存起来
比如

但是问题在于： 过期的缓存无论从资源方面还是时间方面都会使系统增大开销。

• 加速路由发现 ？？？？
  
  路由缓存的优点： 可以减少路由请求的传播（从K到Z的响应RREP限制了RREQ的洪泛），加速路由发现。

※ summary

DSR优点：

• 只需要在交流节点之间维护，减少路由维护的开销。
• 路由缓存可以进一步减少路由发现的开销。
• 一个单一的路由发现可能产生多条路由到目的地，因为中间的节点根据本地缓存进行响应。

DSR缺点：

• 分组首部大小随路由长度的增大而增大，因为源路由开销大。
• 路由请求的洪泛可能会到达网络中的所有节点
• 邻居之间生成的路由请求可能会产生碰撞（在转发RREQ之前要产生插入的随机延迟）
• 路由响应风暴：节点根据自己本地的缓存产生了太多的路由响应。
• 过期的缓存将增大开销。

@ AODV （Ad Hoc on-demand DV）

许多文献称之为DSDV的反应式版本；是逐条转发协议的，中间节点根据目的地址确定“下一跳”地址；采用标准IP报头：源地址，目的地址；

下面介绍AODV的路由行为——路由发现（请求、应答）、路由维护

※ 路由请求？？？

• 源点：
  广播到指定节点的路由请求消息（RREQ）
  <源地址、请求ID、目的地址、源序列号、目标序列号、跳计数>

• 中间节点：
  step1：比较源地址+请求ID，重复则丢弃。
  step2：如果是目的节点，直接回复RREP
  step3：查找自己的路由表，如果有到达目的节点的路由，且对应的序列号大于或等于RREQ中的目标序列号（最新的已知），回复RREP。
  step4：创建到源节点的“下一跳”表项（假设为双向链路），记录跳数，构造反向路由，启动反向路由定时器。
  step5：向目的节点转发（广播）路由请求，跳计数加1。

※ 路由应答？？？

• 目的节点向源节点发送路由应答（RREP）消息

  RREP中包含序列号（RREQ中的源和目标序列号在RREP中调换）、跳数计数（初始为0），RREP沿着RREQ消息的路径反向传输。

• 中间节点：

收到RREP以后，创建到目的节点的“下一跳”表项，记录跳数，建立向前路由。RREP的“跳数计数”字段加一，沿着反向路径转发消息。清除相应的反向路由定时器，将反向路由加入路由表

• 源节点：

选择最小跳数的路径（下一跳）
AODV只维护一条路由。

注意：

源序列号是保证反向路由的有效性，因为在反向路径中，源序列号就是目的序列号。

目的序列号是保证前向路由的有效性，用于告知中间节点当前源节点所了解的关于目的节点的路由信息（前向）的最新的序列号。

反向路由定时器是为了去除那些没有使用到的反向路由。

※ ※ 路由维护？？？

• 路由表项 ： 目的地址、前继、下一跳、跳数、序列号
• 更新的依据： 序列号大或者短路由
• 每个节点维护非递减的序列号——在RREQ、RREP消息中发送，每个新消息加2，作为路由表项的“时间戳”，保留最新消息
• 若中间节点表项的序列号大，或者序列号相同但到目的节点的距离更短，则向源节点发送RREP（路由表项设置生存期定时器，到期删除该路由，用到时再复位；反向路由定时器超时，还未收到相应RREP，则删除相应路由）
• 产生路由错误消息（RERR）会向前继发送

※ 性能比较 ？？？

• 报文长度—— DSR长于AODV
• 路由开销 ——拓扑稳定时，DSR可以发现多条路由；拓扑不稳定时，DSR多条路由可能都是“脏”路由，不一定优于AODV。当然因为DSR具有路由缓存功能，所以DSR有更少的RREQ广播，但是会有更多的RREP以及RERR。

那么怎样清除脏路由呢？？DSR没有定时机制；AODV使用定时机制

• 错误报告——DSR通知目前route上的前继节点以及源节点。AODV主动通知所有用过此link的前继节点。
• 节点较少，低负荷，节点移动性小——DSR，有备选路由；反之，DSR的备选路由可能都是错误的，DSR对链路错误的反应速度慢。

|| battle一下~

|| 两者杂交体——混合路由

|| 其他分类

地理定位辅助路由协议——能提高路由性能，适合拓扑结构高度动态变化（比如车联网），缺点是实现成本高，路由协议比较复杂。

典型的有 LAR、DREAM、GPSR、DV-MP、FORP等

多路径路由协议——优点是以低成本提供足够的冗余度，平衡网络负载，提高分组交付的可靠性，缺点是复杂度高，开销大。

典型的有 AOMDV、SMR、MP-DSR、MSR、TBRPF、CHAMP。

|| 姐姐作业来咯~