专利名称：一种支持无线自组网网络编码机会发现的方法
技术领域：
本发明涉及一种支持无线自组织网络(Ad Hoc)网络编码机会发现的方法，属于通 信网络协议设计领域。采用本方法，可以令运行距离向量路由协议的网络节点以低的开销 获取网络编码机会发现所需的信息，从而执行网络编码算法。
背景技术：
Ad Hoc网络源自上个世纪七十年代，当时美国的军方研究机构(DefenseAdvanced Research Project Agency)提出 了多跳无线分组网络 PRNET (multi-hopmulti-access packet radio network)的概念。该网络的核心功能是无线终端所产生的数据可以通过无 线基站或移动转发器(i^peater)经过多跳转发而传送至目的终端。PRNET中的网络转发器 可以具有移动特性，并且无需安装固定基站设备，所以PRNET具有网络架设较快、能够实现 动中通和残存性较好的特点。到了 90年代之后，由于集成电路和材料工艺技术的进步，移 动转发器的功能大大增强并且已经可以集成到数据终端之中。这样PRNET中的网络节点便 不再区分终端设备和路由器设备，所有的移动节点既是终端又是路由器，网络系统和拓扑 维护能够实现完全的动态自组织。IEEE802. 11委员会将这种网络取名为Ad Hoc网络，并着 手研究与其相关的技术和推广其应用。从Ad Hoc网络的发展可以看出移动Ad Hoc网络中不存在固定的设施，各节点地 位平等，每个节点既是终端又是路由器，并且各个节点相对独立的移动，对于一跳可达的收 发节点，可以直接通信，对于不在一跳范围内的节点，其数据可以通过其他节点转发，直到 到达目的地。因此，可以将Ad Hoc网络看成是移动的计算机网络，在这种动态、自组织的网 络拓扑下，承担分组转发寻路功能的路由协议就显得尤为重要，IETF也成立了移动Ad Hoc 网络工作组，主要研究Ad Hoc网络中的路由协议，并且进行了一些标准化工作。长期以来，Ad Hoc网络路由协议的设计与研究都基于存储_转发的工作模式，首 先利用各种技术手段将无线链路打造成“有线链路”，再将适合有线网络的路由协议等各种 研究结果稍加改造后应用于Ad Hoc网络。由于仅是想屏蔽无线通信不同于有线通信的特 点，这一类解决思路对Ad Hoc网络性能的改善是有限的。在无线通信与有线通信的区别中， 突出的一点是无线通信具有广播特性，这会导致网络中存有大量冗余分组，比如许多节点 会收到目的节点并不是自己的数据分组，如果像有线网络那样丢弃这些冗余的数据分组， 将会极大地浪费有限的无线信道资源。因此，如果能够合理利用这些广播信道所带来的冗 余分组，Ad Hoc网络的性能将获得进一步改善。网络编码对如何利用无线通信的广播特性给出了很好的解决思路，使用网络编 码，网络节点不仅执行数据转发功能，还将对接收的数据分组进行编码处理，这其中就可以 包括那些被认为是冗余且将被丢弃的分组。Ad Hoc网络的广播特性以及拓扑的多跳特征 非常适合网络编码的多播需求，反过来，网络编码又能够很好地适应Ad Hoc网络的动态性。 因此，在Ad Hoc网络受限的带宽资源和动态、多跳的网络环境下，网络编码可以提供更高的 带宽利用率，在近年来Ad Hoc网络路由技术的研究中成为了热点领域。
在网络编码技术的研究初期，大多数的结果都是针对组播业务流，并且多是理论 性工作，2006年，MIT的研究人员提出了一种可以应用于Ad Hoc网络单播业务流的网络编 码方案COPE并进行了实际实现，编码节点仅仅需要了解自己一跳邻居的分组接收情况，就 可以将多个不同单播业务流的分组执行异或操作后发送，由于在一次发送过程中携带了多 个分组的信息量，同时无线信道的广播特性保证了编码分组的下一跳节点能够有足够的信 息解码这个携带了多个分组信息量的编码分组，Ad Hoc网络的吞吐量得以提高。但是，COPE 的研究基于Srcr路由协议，这是一种链路状态路由协议，每个节点都可以通过路由交互得 到全网的拓扑，而对于大量的距离向量路由协议而言，，每个节点只能了解到自己的一跳邻 居的信息，从而无法对一跳邻居节点的分组接收情况进行准确的预测，因为自己一跳邻居 所接收的分组往往来自自己的两跳邻居。专利申请人在2009年对此问题进行了研究并得 到理论结果对于Ad Hoc网络距离向量路由协议而言，要想准确预测自己一跳邻居的分组 接收情况从而进行有效的编码机会发现，必须掌握两跳邻居节点的拓扑信息以及接收分组 的两跳前继节点信息。本申请所提出的支持无线自组网网络编码机会发现的方法可以以低的开销实现 我们在2009年的理论研究结果，从而利用COPE中所提出的网络编码技术提高Ad Hoc网络 的吞吐量，另外，本申请所设计的方法借助了路由协议大都支持的Hello消息，可以方便地 应用到各种距离向量路由协议，具有很高的应用潜力和推广价值。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种支持无线自组网网络编码机会发现的方法。 利用方法中的拓扑信息交互与获知机制，网络节点应该可以了解到自己的两跳邻居节点的 信息以及所接收分组的两跳前继节点信息，进而对一跳邻居节点的分组接收情况进行预 测，从而在获得发送机会时，能够按照COPE协议中所提的网络编码方案将多个单播业务流 的分组进行异或编码，在单次传输中携带这多个分组的信息量，最终提高Ad Hoc网络的吞 吐量。另外，由于Ad Hoc网络带宽受限的无线信道，为支持网络编码所带来的开销应该尽 可能的小。技术方案利用距离向量路由协议的路由发现与维护过程，每个节点都可以掌握 自己的一跳邻居节点信息。本发明令邻居节点通过拓扑信息交互来相互通告自己所维护的 一跳邻居节点信息以及通过自已的每个一跳邻居节点可以到达的目的节点；由此，通过拓 扑信息获知，每个节点都可以了解到自己的两跳邻居节点信息以及可用于获知接收分组两 跳前继的信息；在接收到分组后，利用链路对称特性，接收节点就可以通过分组的源节点地 址和两跳邻居信息确定该分组的两跳前继节点信息，并利用一跳邻居节点分组接收情况预 测技术，猜测自己一跳邻居节点的分组接收情况。从而利用COPE协议中的网络编码方法有 效地发现编码机会，执行网络编码，改善网络的吞吐量。本发明仅是利用周期性的Hello消息捎带拓扑信息，可以方便地应用于各种距离 向量路由协议，同时以低的开销支持了网络编码机会发现与网络编码操作，适合用于各种 特别是带宽受限的Ad Hoc网络。本发明的支持无线自组网网络编码机会发现的方法的技术方案主要包括拓扑信 息交互、拓扑信息获知以及一跳邻居分组接收情况预测，具体如下
a.拓扑信息交互在网络节点间交互本节点的一跳邻居节点信息；b.拓扑信息获知利用网络节点间交互的拓扑信息获知编码机会发现所需要的 拓扑信息；c. 一跳邻居分组接收情况预测利用获知的拓扑信息对邻居节点的分组接收情 况进行预测，从而支持有效地发现编码机会。在网络节点间交互本节点的一跳邻居节点信息的方法为使用Hello消息来捎带 需要交互的拓扑信息，在Hello消息中要体现一跳邻居的数目，同时包含一跳邻居节点信 息以及每个一跳邻居节点所对应的目的节点信息；其具体步骤为1)当节点要向邻居节点发送Hello消息，查看自己的路由表，计算自己的一跳邻 居节点数目，并将该值记录在Hello消息的保留字段；2)针对每个路由表项，在Hello消息的尾部添加一跳邻居节点信息以及该邻居节 点所对应的目的节点信息；3)发送 Hello 消息。利用网络节点间交互的拓扑信息获知编码机会发现所需要的拓扑信息的方法为 将Hello消息中携带的邻居节点信息以及邻居节点所对应的目的节点信息利用起来，用于 获知本节点的两跳邻居节点信息以及接收分组的两跳前继节点信息；其具体步骤为1)接收到邻居节点发来的Hello消息，利用Hello消息中携带的邻居节点信息，可 以获知该邻居节点的一跳邻居，即本节点的两跳邻居信息，并进行记录；2)利用Hello消息中对于邻居节点的目的节点信息，记录下每个本节点的两跳邻 居所对应的目的节点信息，供确定接收分组的两跳前继节点时使用。利用获知的拓扑信息对邻居节点的分组接收情况进行预测的方法为利用本节点 掌握的拓扑信息，每个节点从网络拓扑的角度猜测邻居节点的分组接收情况，其具体步骤 为1)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的一跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组；2)通过分组的头部确定分组的源节点，再利用分组的一跳前继节点信息，就可以 确定该分组的两跳前继节点；3)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的两跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组。通过以上3步，节点就可以在接收到某个分组时，确定自己的哪些一跳邻居也会 收到该分组，从而确定自己的一跳邻居的分组接收情况。当获得发送机会时，节点就可以执行COPE协议中设计的网络编码算法，从而提高 Ad Hoc网络的吞吐量。有益效果本发明通过在Ad Hoc网络的邻居节点间使用Hello消息捎带拓扑信 息，使得每个节点都可以猜测并掌握自己的一跳邻居节点的分组接收情况。通过该方法，每 个节点都可以获得执行网络编码所需要的信息，从而利用网络编码提高Ad Hoc网络的吞吐 量并具有以下有益效果1、适用于距离向量路由协议；2、利用Hello消息捎带拓扑信息，开销低；
3、不产生新的消息类型，可以与不执行网络编码的路由协议兼容；4、对上层应用透明，可扩展性较好。综上所述，本发明具有兼容性好、可扩展性好、低开销等特点，适合用于各种特别 是带宽受限的Ad Hoc网络。
下面结合附图对本发明进一步说明。图1:方法组成图。图2 修改后的Hello消息格式。灰色字段为所做的修改，其中原Hello消息中的 保留字段改为对一跳邻居节点数目的说明，而Hello消息尾部的灰色字段则是捎带的拓扑
fn息ο图3 掌握两跳邻居节点信息后猜测一跳邻居分组接收情况的场景。虚线表示两 个节点间存在无线通信连接，箭头表示数据流向；图4 获得接收分组的两跳前继节点信息的场景。虚线表示两个节点间存在无线 通信连接，箭头表示数据流向；图5 掌握接收分组的两跳前继节点信息后猜测一跳邻居分组接收情况的场景。 虚线表示两个节点间存在无线通信连接，箭头表示数据流向；
具体实施例方式本发明的具体实施方式
包含拓扑信息交互、拓扑信息获知以及一跳邻居分组接收 情况预测三部分。1、拓扑信息交互当节点获得发送机会时，要想对经过自己的多个单播业务流执行网络编码操作， 必须了解自己的一跳邻居的分组接收情况，只有满足这个条件，发送节点发送的编码分组 才能在自己的下一跳节点被正确解码。而要了解一跳邻居节点的分组接收情况，必须掌握 自己的两跳邻居节点信息与接收分组的两跳前继节点信息，因此，需要在节点间交互自己 所掌握的拓扑信息。要让节点了解自己的两跳邻居节点信息，只需要在邻居节点间交互自己所掌握的 一跳邻居节点信息，这对于距离向量路由协议很容易实现。要让节点了解自己所接收到的分组的两跳前继节点，每个节点在向一跳邻居节点 通告自己的有哪些一跳邻居节点的时候，还要通告通过这些一跳邻居节点所能到达的目的 节点，这样，利用链路的对称特性，在接收到一个分组时，节点就可以从分组头部获得该分 组的源节点的信息，再加上发来分组的一跳邻居节点的信息，就可以确定该分组的两跳前 继节点。我们使用周期性的Hello消息捎带需要交互的拓扑消息，当每个节点与邻居节点 利用Hello消息测试链路状态时，就将自己的一跳邻居信息添加到Hello消息中。由于不 需要新类型的消息，我们的实现开销很低。2、拓扑信息获知当接收到邻居节点发送来的Hello消息，节点就可以利用Hello消息所携带的邻居节点信息以及每个邻居节点所对应的目的节点信息，获知自己的两跳邻居信息以及接收 分组的两跳前继节点所需的拓扑信息。3、一跳邻居分组接收情况猜测当节点接收到一个分组，它将执行以下步骤来确定自己的哪些一跳邻居也接收到 了该分组1)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的一跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组；2)通过分组的头部确定分组的源节点，再利用分组的一跳前继节点信息，就可以 确定该分组的两跳前继节点；3)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的两跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组。实例1、拓扑信息交互1)当节点要向邻居节点发送Hello消息，查看自己的路由表，计算自己的一跳邻 居节点数目，并将该值记录在Hello消息的保留字段；2)针对每个路由表项，在Hello消息的尾部添加一跳邻居节点信息以及该邻居节 点所对应的目的节点信息；3)发送 Hello 消息。2、拓扑信息获知1)接收到邻居节点发来的Hello消息，利用Hello消息中携带的邻居节点信息，可 以获知该邻居节点的一跳邻居并进行记录；2)利用Hello消息中对于邻居节点的目的节点信息，记录下每个本节点的两跳邻 居所对应的目的节点信息，供确定接收分组的两跳前继节点时使用。3、一跳邻居分组接收情况预测1)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的一跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组。如节点R收到了节点S发来的分组p，就查找节点S的一 跳邻居，发现节点A也是自己的邻居，则节点R记录，节点A也保存有分组ρ ；2)通过分组的头部确定分组的源节点，再利用分组的一跳前继节点信息，就可以 确定该分组的两跳前继节点。如节点R收到了节点S发送来的分组p，检查分组ρ的头部， 发现该分组的源节点是节点E，利用链路对称性，则分组R查找节点S的哪个邻居节点对应 的目的节点是节点E，若结果为节点B，则分组R记录，节点B为分组ρ的两跳邻居；3)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的两跳前继节点的一跳邻居，并 记录，这些节点接收到了该分组。如节点R收到了节点S发来的分组p，通过步骤2)获知了 节点B是分组ρ的两跳前继，并查找自己邻居节点的邻居表，发现节点A的一跳邻居是节点 B，则记录，节点A也拥有分组P。
权利要求
一种支持无线自组网网络编码机会的发现方法，其特征在于该方法包括以下步骤a.拓扑信息交互在网络节点间交互本节点的一跳邻居节点信息；b.拓扑信息获知，利用网络节点间交互的拓扑信息获知编码机会发现所需要的拓扑信息；c.一跳邻居分组接收情况预测，利用获知的拓扑信息对邻居节点的分组接收情况进行预测，从而支持有效地发现编码机会。
2.根据权利要求1所述的一种支持无线自组网网络编码机会的发现方法，其特征是 在网络节点间交互本节点的一跳邻居节点信息的方法为使用Hello消息来捎带需要交互 的拓扑信息，在Hello消息中要体现一跳邻居的数目，同时包含一跳邻居节点信息以及每 个一跳邻居节点所对应的目的节点信息；其具体步骤为1)当节点要向邻居节点发送Hello消息，查看自己的路由表，计算自己的一跳邻居节 点数目，并将该值记录在Hello消息的保留字段；2)针对每个路由表项，在Hello消息的尾部添加一跳邻居节点信息以及该邻居节点所 对应的目的节点信息；3)发送Hello消息。
3.根据权利要求1所述的一种支持无线自组网网络编码机会的发现方法，其特征是 利用网络节点间交互的拓扑信息获知编码机会发现所需要的拓扑信息的方法为将Hello 消息中携带的邻居节点信息以及邻居节点所对应的目的节点信息利用起来，用于获知本节 点的两跳邻居节点信息以及接收分组的两跳前继节点信息；其具体步骤为1)接收到邻居节点发来的Hello消息，利用Hello消息中携带的邻居节点信息，可以获 知该邻居节点的一跳邻居，即本节点的两跳邻居信息，并进行记录；2)利用Hello消息中对于邻居节点的目的节点信息，记录下每个本节点的两跳邻居所 对应的目的节点信息，供确定接收分组的两跳前继节点时使用。
4.根据权利要求1所述的一种支持无线自组网网络编码机会的发现方法，其特征是 利用获知的拓扑信息对邻居节点的分组接收情况进行预测的方法为利用本节点掌握的拓 扑信息，每个节点从网络拓扑的角度猜测邻居节点的分组接收情况；其具体步骤为1)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的一跳前继节点的一跳邻居，并记录， 这些节点接收到了该分组；2)通过分组的头部确定分组的源节点，再利用分组的一跳前继节点信息，就可以确定 该分组的两跳前继节点；3)在自己的一跳邻居中，查找哪些节点是该分组的两跳前继节点的一跳邻居，并记录， 这些节点接收到了该分组。
全文摘要
本发明涉及一种支持无线自组网网络编码机会发现的方法。邻居节点通过拓扑信息交互来相互通告自己所维护的一跳邻居节点信息以及通过自己的每个一跳邻居节点可以到达的目的节点；由此，通过拓扑信息获知，每个节点都可以了解到自己的两跳邻居节点信息以及可用于获知接收分组两跳前继的信息；在接收到分组后，利用链路对称特性，接收节点就可以通过分组的源节点地址和两跳邻居信息确定该分组的两跳前继节点信息，并利用一跳邻居节点分组接收情况预测技术，猜测自己一跳邻居节点的分组接收情况。最终，网络节点可以利用获知的一跳邻居节点的分组接收情况，通过COPE协议中的网络编码方法有效地发现编码机会，执行网络编码，改善网络的吞吐量。
文档编号H04W28/06GK101883394SQ20101016757
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者王海, 米志超, 董超, 陈贵海 申请人:南京大学