专利名称：一种基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，是属于移动Ad hoc网络的一种基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法。
背景技术：
最近几年来，随着Internet的发展，连入网络的主机和用户数目逐年呈指数增长。网络的普及为我们生活带来了许多方便而快捷的服务，如下载网上信息、收发电子邮件、实现远程办公等等，人们变得越来越依赖于计算机网络。与此同时，移动计算机网络业务已逐渐成为人们日益关注的话题。在网络中提供移动性支持可使网络用户在任何时刻、任何地点通过网络发送和接收各种数据，实现人们提出的“Anytime，Anywhere，Mobile Networks in your pocket”的愿望。
移动Ad hoc网络作为移动计算机的一种特殊形式，它可以通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输。由于它不需要固定的基站，各个节点均可自由移动，且能实现动态的连接，加上其具有生存性极强，且创建与移动极为方便的特点，使之弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着不可替代的作用。可广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络，尤其在未来战场上，移动Ad hoc网络对于高技术武器装备、集中指挥、协同作战和提高作战机动性等具有非常重要的意义。
因此，移动Ad hoc网络的研究对科技进步具有重大促进作用。同时，随着移动Ad hoc网络研究的发展和相关产品的成熟，移动Ad hoc网络必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与发展前景。而路由协议作为影响网络性能的一个重要因素，是确保移动Ad hoc网络正确运行的关键。对该领域进行深入而广泛的研究将为移动Ad hoc网络的应用提供重要科学依据。
多播是一种允许一个源节点同时向多个目的节点传输信息的通信方式。多播技术正成为支持多媒体应用网络的关键技术之一。多播路由要寻找一个源节点和一组目的节点之间的一棵多播树，信息以并行方式沿这棵树的树枝发送到不同的节点，信息只需在树的分枝处进行复制，这样网络中需要传送的信息最小，从而节省了一定的网络资源。
在一个典型的移动Ad hoc网络环境中，多播具有重要意义，一方面，移动Ad hoc网络用户常需要组成协同工作组，例如军事上对人员、装备的指挥与控制、在游戏、交通管理等；另一方面，这也是充分利用无线通信的广播特性，有效利用有限的无线信道资源的重要手段。因为在移动Ad hoc网络中，利用无线介质的广播特性，多播能够提高无线链路的传输效率，因而可以有效地支持以紧密协作为特点的多种应用，如移动视频会议、视频点播(VODVideo On Demand)和无线群体游戏等。多播路由协议是多播中的一个重要问题，直接关系到多播的实现、服务质量和资源的有效利用。
固定网络中的多播路由协议在移动Ad hoc网络中不能胜任，因为传统的多播分发树结构是很脆弱的且在连接变化时必须调整，而且，多播树经常需要一个总体路由子结构如连接状态和距离矢量。频繁的距离矢量或连接状态表的交换会使信道不堪重负。移动Ad hoc网络多播提出的一个主要要求是在整体移动和频繁的节点失效下的高健壮性。
在设计移动Ad hoc网路的多播路由算法时，需要重点考虑以下问题(1)建立和维护路由状态的效率，既要在动态的网路中保持路由状态的健壮性和保持转发结构的连通性，又要降低路由开销，这是一对矛盾。
(2)算法对网络拓扑变化的敏感性和主动适应能力。算法通过协议消息的交互获得网络的拓扑信息，才能维护路由状态的有效性；对网络拓扑变化的处理机制需要考虑算法消息的效率，采用按需的状态建立和维护策略，由广播数据驱动建立和维护广播路由状态，可有效降低广播流量较轻时网络维护的开销。
(3)数据转发的效率和可靠性，避免路由环路，降低重传率，避免路由状态失效导致大量的分组丢失。
迄今为止，人们已经提出了多种以移动Ad hoc网络为应用环境的多播路由协议，它们在寻路机制和路由结构上各有不同，可以根据通往组成员的路由产生方法不同把它们分为三类基于树的多播路由协议、基于网格的多播路由协议和混合型多播路由协议。多播自组网按需距离矢量路由协议MAODV(Multicast Ad hoc On-Demand Distance VectorRouting Protocol)是应用按需的路由技术的一种基于树的多播路由协议，所谓的按需路由协议就是指该路由协议并不是一直保持到每一目的的路由，而是根据路由源的需要建立相应的路由。这种按需的路由技术有效的减轻了网络信道中协议控制包的负载，提高了信道利用率。按需多播路由协议非常适合应用于无线自主多跳网络，在大规模移动Ad hoc网络中，由于网络的拓扑结构随着节点的移动不断变化，可能会导致某个连接上传输的短暂中断，甚至会导致网络分段，因此它对网络带宽、延时等都有很高的要求。而在网络规模较大的情况下，MAODV协议将产生大量的路由开销和较高的网络延迟。因此，提高MAODV的性能具有重要的意义，它将进一步促进Ad hoc网络的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是从网络时延和带宽，以及路由开销几个因素出发对Ad hoc网络多播路由协议MAODV进行优化分析，提出了一种基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法MAODV-MPR(MAODV with MultipointRelay)。
为了实现上述目的，本发明多播路由树的建立和更新是由数据源节点触发的。为了找到通往目的节点的路由，源端将广播一个路由请求分组，MPR节点接到后将依次向周围节点广播此分组直到该分组被送到一个知道目的节点路由信息中间节点或目的节点本身，非MPR节点将不广播该分组。当源端移动时，它会重新发起路由发现算法；如果中间节点移动，那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点发送链路失效消息并一直传到源节点，而后源节点根据情况重新发起路由发现过程。
(2)主动的路由维护在MAODV中，是在尝试发送单播数据包时通过MAC(Medium AccessControl)层的反馈来检测链路断开情况，而此时链路断开已经发生，这时就会出现包丢失的情况。在MAODV-MRP中，运用了一种主动进行路由维护的方法，在旧的链路实际变得不可用之前构建一个新的连接，这样就避免在该链路丢失数据包。
仿真结果表明，本发明能够有效地减少路由开销和降低网络时延，在高动态情况下改善效果更加明显。
附图为本发明多播树的建立流程图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的广播中继(MPR)机制及算法MPR的原理就是减少同一个区域内重复广播的数据而获得较小的开销，但同时又保持了泛洪的效果。网络中每个节点N从自己的邻居节点集合中适当选取部分节点构成自己的广播中继集合MPRs，只有集合中的节点邻居(MPR Neighbor)收到来自节点N的泛洪数据后才会进行转播，其他邻居只作适当处理。定义节点N经过2跳而且至少2跳才能到达的节点为N的两跳邻居，则MPRs的选择算法要保证做到N广播的泛洪数据经过N选择的广播中继邻居转发后，可以被N的所有两跳邻居收到。在MAODV-MPR中，每个节点都周期性发送GRPH(Group Hello)消息，其中包含了自己的邻居列表。每个节点通过收到的邻居节点的GRPH消息的邻居列表是否包含自己来判断该链路是否双向链路，获得自己的双向邻居列表。通过这些GRPH消息，节点N同时也可以获得N的两跳邻居集合。下面以节点x为例给出MAODV-MPR中的MPRs选择算法。
(1)节点x把所有的双向邻居按最后一次收到它们的数据的时间，分时间段从晚到早排序。同一时间段节点按照它们的邻居个数从多到少排序。设最后获得序列S(x)＝{N1，N2，...，Nk}，共k个邻居，设X的所有2跳邻居的集合为Q(x)，并设x的MPRs集合为M(x)，初始M(x)为空。
(2)从序列S(x)中选取第一个邻居Ni(i∈{1，2，...，k})，如果这个邻居的邻居中包含了Q(x)集合中的某些节点，那么把Ni加入到M(x)中，并把Ni覆盖的Q(x)中的节点从Q(x)中删除。然后把Ni从S(x)序列中删除。
(3)如果序列S(x)为空或者集合Q(x)为空，则算法结束，所得的M(x)集合即为MPR集合。否则返回(2)继续进行。
节点x的MPRs信息同样是在GRPH消息中发送出去的，这样当x的邻居收到GRPH消息后可以标识自己是x选定的广播中继邻居(MPR Neighbor)或者非广播中继邻居(NMPR Neighbor)。该算法具有高实效性，适合自组网多变的拓扑。
本发明的Ad hoc网络多播路由方法MAODV-MPR按以下方法完成(1)基于广播中继(MRP)的多播路由树的建立多播路由树的建立和更新是由数据源节点触发的。当源节点需要加入多播组时，它就启动路由发现过程，建立一条通往组成员的路径。收到路由分组的节点，按照如下步骤处理请求，其流程图如附图所示A.源节点发送路由请求分组RREQ(Route Request)发起加入多播组请求，并初始化定时器T＝0，并使T值自增。
B.如果节点通过查询其“组长列表”可获得组长节点，并有到组长节点的有效路由，则单播RREQ到组长节点。
C.否则，如果节点为MPR节点，则广播RREQ分组。
D.否则，丢弃该RREQ分组。
E.收到RREQ的节点，则单播发送RREP(Route Reply)以回复加入请求。
F.如果当T＞Twait_time(Twait_time为给定的路由等待时间)时，源节点没有收到RREP，则重发一个序列号增1的RREQ，并重复步骤B～E。
G.否则，如果源节点收到的RREP的数目大于1，则选择一个具有最大序列号和最小跳数的路由。
H.如果源节点的下一跳不是多播树的成员，则向该路由的下一跳单播MACT(Multicast Activation)分组；否则，不传播MACT分组。这个过程重复执行，直到到达一个多播树的成员节点。
I.否则，如果当T＞NTwait_time(N＞1)时，源节点仍没收到RREP，则以自身为组长创建多播树序列号＝1。
J.节点加入过程结束。
本发明的主动的路由维护方法是在MAODV-MRP中，本发明运用了一种主动进行路由维护的方法，在旧的链路实际变得不可用之前构建一个新的连接，这样就避免在该链路丢失数据包。
具体操作如下在节点发送的数据包(包括业务信息和控制信息)中，均定义一个该节点当前序列号字段，以表征节点的当前序列号参数，以便相邻节点用于路由建立和更新。具有有效路由的节点，在前一次业务信息或任何控制消息发送后，每隔设定时间T(T＞GROUP_HELLO_INTERVAL，其值可以视移动自主网络的负载情况而定义相应的函数表达式来求得)便发送一个GRPH消息。节点收到相邻节点的任何业务信息或控制消息，便对相应的有效路由进行建立或更新。若节点在连续NT(N＞1)时间内未收到有效路由中相邻节点的任何业务信息或控制消息便认为该链路中断，并依原协议以该节点为首领成员进行多播树的创建，其序列号初始化为1。
本发明在OPNET仿真平台下，对MAODV-MPR路由方法进行了仿真分析，结果显示MAODV-MPR可有效地减少开销和时延，在高动态情况下改善效果更加明显。MAODV-MPR具有以下优点简单性、动态性、较高的时效性、支持QoS、降低故障链路的生存时间、能有效地提高网络的利用率。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的
权利要求
1.一种基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法，其中多播路由树的建立和更新是由数据源节点触发的，其方法是源端将广播一个路由请求分组，MPR节点接到后将依次向周围节点广播此分组直到该分组被送到一个知道目的节点路由信息中间节点或目的节点本身，非MPR节点将不广播该分组，当源端移动时，它会重新发起路由发现算法；如果中间节点移动，那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点发送链路失效消息并一直传到源节点，而后源节点根据情况重新发起路由发现过程。
2.如权利要求1所述的基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法，其特征在于多播路由树的建立和更新的具体步骤是A.源节点发送路由请求分组RREQ发起加入多播组请求，并初始化定时器T＝0，并使T值自增；B.如果节点通过查询其“组长列表”可获得组长节点，并有到组长节点的有效路由，则单播RREQ到组长节点；C.否则，如果节点为MPR节点，则广播RREQ分组；D.否则，丢弃该RREQ分组；E.收到RREQ的节点，则单播发送RREP(Route Reply)以回复加入请求；F.当T大于给定的路由等待时间时，源节点没有收到RREP，则重发一个序列号增1的RREQ，并重复步骤B～E；G.否则，如果源节点收到的RREP的数目大于1，则选择一个具有最大序列号和最小跳数的路由；H.如果源节点的下一跳不是多播树的成员，则向该路由的下一跳单播MACT分组，否则，不传播MACT分组，这个过程重复执行，直到到达一个多播树的成员节点；I.否则，如果当T＞NTwait_time时，源节点仍没收到RREP，则以自身为组长创建多播树序列号＝1；J.节点加入过程结束。
3.如权利要求1所述的基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法，其特征在于路由的维护方法是在节点发送的数据包中，均定义一个该节点当前序列号字段，以表征节点的当前序列号参数，以便相邻节点用于路由建立和更新，具有有效路由的节点，在前一次业务信息或任何控制消息发送后，每隔设定时间T便发送一个GRPH消息，节点收到相邻节点的任何业务信息或控制消息，便对相应的有效路由进行建立或更新，若节点在连续NT时间内未收到有效路由中相邻节点的任何业务信息或控制消息便认为该链路中断，并依原协议以该节点为首领成员进行多播树的创建，其序列号初始化为1。
全文摘要
本发明涉及一种基于广播中继的Ad hoc网络多播路由的建立方法，多播路由树的建立和更新是由数据源节点触发的，其方法是源端将广播一个路由请求分组，MPR节点接到后将依次向周围节点广播此分组直到该分组被送到一个知道目的节点路由信息中间节点或目的节点本身，非MPR节点将不广播该分组。当源端移动时，它会重新发起路由发现算法；如果中间节点移动，那么与其相邻的节点会发现链路失效并向其上游节点发送链路失效消息并一直传到源节点，而后源节点根据情况重新发起路由发现过程。仿真结果表明，本发明能够有效地减少路由开销和降低网络时延，在高动态情况下改善效果更加明显。
文档编号H04L12/56GK1878074SQ20061001958
公开日2006年12月13日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者李腊元, 李春林, 汪小兰 申请人:武汉理工大学