专利名称：一种自组织网络路由方法
技术领域：
本发明属于自组织网络技术领域，涉及一种自组织网络路由方法，特别是针对网络环境 特殊、链路不稳定、通讯信号差的自组织网络路由。
背景技术：
自组织网络自诞生以来受到研究者的高度关注，并取得了大量的研究成果。但是，这些 研究大部分集中于网络路由、网络安全等纯理论探讨方面，致使自组织网络几十年来很少看 到有实际应用。加之自组织网络终端随意移动的特性，导致网络拓扑结构频繁变化。 一旦网 络链路中断，网络通讯很难及时恢复，造成网络通讯断断续续，甚至严重延迟和通讯失败， 这是导致目前自组织网络不被商家看好而很少能有实际应用的一个重要原因。虽然自组织网 络在紧急突发场合、偏远野外地区、临时场合、以及城市交通等方面有着广泛的应用需求， 但是，终因网络的不稳定性和技术方面的缺陷，而得不到广泛的应用，仅仅停留在理论研究 上。
发明内容
本发明的目的是提供一种自组织网络路由方法，该方法能极大地增强自组织网络抗毁再 生能力和实际应用能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种自组织网络路由方法，其特征在于，在自组织网络中建立基础骨干网，步骤如下 首先将整个自组织网络划分为逻辑二维正方形的网格，每个网格代表一个簇，以网格的外接 虚拟圆代表一个簇的管理范围；然后在每个簇的中央位置的多个节点中选取一个通讯能力较 强的节点作为簇头节点，簇头节点负责维护本簇信息；所有网格中的簇头节点相互连接形成
基础骨干网，基础骨干网负责全局通讯，并为簇成员节点提供地理位置更新服务，簇成员节 点则根据此地理位置进行路由。
在路由过程中应用洞提前预告方法；即首先由自组织网络中的每个簇头节点定期发广播 至k跳范围领域，每一个簇头节点通过接收广播信息确认其k跳范围领域是否存在无节点的领 ±或，即"洞"，簇头节点记录该"洞"的信息，并将该信息传递至簇内普通节点；当该记录 了 "洞"信息的节点(包含簇头和普通节点)转发数据时，选择避开向"洞"的区域转发数据，而转向其他的节点(包含簇头和普通节点)转发数据。
在路由过程中每一个锚点记录与其相邻的四个锚点(如果与其相邻的有4个锚点)的信 息上一个锚点，下一个锚点，上一个锚点的上一个锚点，下一个锚点的下一个锚点；每一 个锚点都连续监视与其上一个锚点及下一个锚点这两段路径是否断裂；如果上述两段路径中 的某一路径断裂，则相应地发起与其上一个锚点的上一个锚点或者下一个锚点的下一个锚点 之间的这段路径的路由维护过程。
本发明的技术思路是
要想使自组织网络具备较强的稳定性和抗毁再生性，目前主要有以下3个问题需要解决
(1) 自组织网络一般应用于室外场合，通常有一定规模和大小，网络由几十个或数百个 移动终端组成。如何实现任意节点间的通讯、如何实现每个节点的地理位置更新等都是比较 复杂的问题。如果采用全局广播的方式，势必带来大量的网络开销，最终网络通讯不畅，影 响网络的稳定性。因此，本项技术设计一种新颖的虚拟网络设施一一移动基础骨干网。该骨 干网采用"大事化小"的思想，将整个网络区域化、局部化。同时采用类似于有线网络中高 速、宽带骨干网，作为虚拟基础设施来解决抗毁路由问题。
(2) 局部最优问题是自组织网络特有的问题，它是由于找不到比自己距离目的节点更近 的邻居而产生的。如果不解决局部最优问题，势必会中断网络通讯，影响网络的稳定性。本 发明设计一种洞提前预告策略来解决此问题，该策略将提前将"洞"信息洞是指由于节点 分布不均，致使有些区域没有节点，导致这个区域不能通讯在其周围传播以形成"洞"的 预告区域，该策略可有效地处理网络中因各种原因导致的空洞，具有快速自组织重构的抗毁 路由能力
(3) 虽然自组织网络终端随意移动会造成链路频繁中断，但并不需要对链路进行全局修 复，只需要进行局部修复，使得修复最为有效。本发明将设计一种链路局部修复策略，该策 略提供抗毁性保障，使得在网络规模较大时对长的路径提供抗毁性保障变得可能。
本发明的优点与效果
基于以上自组织网络的研究现状，本发明提出了一套完整的自组织网络路由抗毁技术， 以解决网络链路频繁变化而造成的路由影响问题，极大地增强了自组织网络抗毁再生能力和 实际应用能力，并为自组织网络推向市场奠定了基础。
(1)本项技术吸收了其它网络抗毁技术的优点和长处，并将之结合到自组织网络中，所以相对其它自组织网络技术具有更好的抗毁性和稳定性，能够在条件复杂的、网络规模较 大环境中快速搭建起网络，提供不中断、低延时的网络通讯服务，增强自组织网络的实用性
(2) 本项技术能在较恶劣的环境中使用，当网络因节点随机移动造成链路中断或信号 不稳定时，本项技术能够快速地诊断中断位置并査明原因，及时进行局部修复，且修复时间 非常短，不会影响到整个网络通讯，甚至用户察觉不到。当数据转发的过程中遇到"洞"时 ，本技术能够提前预测，提前处理，可以将整个网路进行无"洞"化处理。从而避免"洞" 对路由的影响，减少该问题的通讯延时。
(3) 本项技术的实际应用效果较好，且使用较为简单，可以将本技术写入到路由软件 ，其硬件使用平台也不高，可以在笔记本电脑、智能手机、PDA以及其它的移动终端安装使 用。且只需要有GPS的支持就可快速搭建起这种抗毁网络，实现较好的通讯会话效果。在学 校、酒店、城市的士、团队旅行、科考探险中具有较广泛的应用前景。
图l为基础骨干网示意图2为洞提前预告策略示意图3为链路局部修复策略示意图;
图4为测试场景示意图5为监视结果图。
具体实施例方式
本项技术是一套完整的自组织网络路由抗毁技术，可以增强自组织网络的抗毁再生
能力和实际应用能力。该技术主要由以下三个方面组成
(1)移动基础骨干网。该骨干网为抗毁技术提供基础支持，采用这种骨干网可以极大 地增强网络链路中断时的快速修复能力。该骨干网首先将整个网络划分为逻辑二维正方形网 格，每个网格代表一个簇，以网格中心的虚拟圆代表一个簇的管理范围；然后在每个簇的中 央位置选取一个通讯能力较强(较强指通讯距离更远，电池剩余更多)的节点作为簇头节点 ，簇头节点负责维护本簇信息。这些簇头节点相互连接形成移动的基础骨干网，基础骨干网 负责全局通讯，并为通讯能力较差(较差相对于较强)的普通节点(簇成员节点)提供地理 位置更新服务(具体指如何将网络中节点的最新地理位置信息通告其他节点，这里采用GLS协议)。簇成员节点则根据此地理位置进行路由。该骨干网具有"不虚拟"即"真实性"， 以及"不动态"即"稳定性"的特点。该骨干网如图l所示。
(2) 有关洞提前预告策略及路由局部修复策略的抗毁路由发现过程。洞提前预告策略 中的h-邻域"洞"预告信息以及局部修复策略中的k-邻域范围内的局部混合路由信息可避免 遇到局部最优。关于洞提前预告策略中，我们提出位于"洞"边缘的节点将其检测到的"洞 "信息"洞"信息即某个区域没有节点分布，因为每个簇头节点定期发广播至k跳范围领 域，收到该广播的簇头节点就能感知其存在，如果没有收到某个领域的广播就证明这个区域 没有节点，即"洞"在其h-邻域范围内传播，如图2所示，黑色部分为"洞"区域，阴影 部分是h为2跳时的"洞"预告区域，M节点作为中间节点因为已经知道了 "洞"的信息，故 可以提前绕开此"洞"，从而转向A点方向，减少网络延迟和中断。关于局部修复策略，我 们提出了移动基础骨干网中的节点(即超级节点)需要维护其k-邻域中的超级节点信息(具 体包括地理位置信息，网络带宽以及剩余能量)，k为以该节点为中心的圆形区域的半径， 该半径以二维网格中的正方形区域的边长为单位。
(3) 有关洞提前预告策略及局部修复策略的抗毁路由维护过程。我们提出在路由发现 过程中每一个锚点(锚点两个簇头的网格中心点都被称为锚点，两个簇头间的距离通常为 3到4跳)需要记录与其相邻的四个锚点(如果存在的话)的信息上一个锚点，下一个锚点 ，上一个锚点的上一个锚点，下一个锚点的下一个锚点。每一个锚点都连续监视与其上一个 锚点及下一个锚点这两段路径是否断裂(包括锚点失效或受到攻击，或锚点移出范围)。如 果某段路径断裂，则相应地发起与其上一个锚点的上一个锚点(或者下一个锚点的下一个锚
点)之间的这段路径的路由维护过程请说明维护过程具体包括哪些步骤和内容。路由维
护包括三部分。
情况一 锚点网格变空
如果某个锚点簇头在一定时间内没有收到它的后锚点簇头的信息，则认为该锚点网格为 空。然后，从它的k跳邻域内选出一个距离后后锚点最近的新的后锚点。 情况二源节点的移动
1)当源节点S移动到一个新的簇时，S发送它的三个相邻锚点信息给它的新簇头。然后 ，新簇头检査S以前的簇是否仍处于它的k跳邻域内。
2 )如果是，新簇头将设S的前网格中心点作为它的后锚点。
3)否则，新簇头将从其k跳邻域内找出一个距离S前网格最近的节点，作为它的后锚点。相应地，将S的前网格作为它的后后锚点。
4)如果新簇头发现S前簇的后锚点就在它的k跳邻域内，则它将直接把该锚点设为它的 后锚点。这时，路径被縮短了。
情况三目的节点的移动
1)当目的节点D移动到一个新的簇时，新簇头将发送一个包含了D的当前位置信息的消 息给D的前簇的簇头M。然后，M检査D是否仍然在它的k跳邻域内。
2 )如果是，M将新簇的网格中心点设为它的后锚点。然后发送一个包含了该后锚点信息 的消息给它的前锚点。
3 )反之，M将从它的k跳邻域内选择一个最接近D的新锚点，设为它的后锚点。设D所 在的网格中心为它的后后锚点。然后发送一个包含了该后锚点信息的消息给它的前锚点。
4)如果M的前锚点簇头发现D在它的k跳邻域内，则该前锚点簇头直接将D设为它的后锚 点。路径被縮短了。这时需要在这两个锚点之间找到一个新的锚点来代替(如因锚点失效或 受到攻击引起)，或者将锚点负责的两段路径主动迀移到其它节点(如因锚点移动性引起) 。当锚点移动时，那么这个锚点和上个锚点以及和下个锚点的路径发生变化，因为每个锚 点维护k跳范围路由，所以这种路径变化非常容易这样就可以很好实现局部链路修复，更 好地维护路由。如图3所示，锚点3分别记录上一个锚点2、上上个锚点l，以及下个锚点4、 下下个锚点5。当锚点2因失效或受到攻击不能正常工作时，锚点3就会联系上上个锚点1，并 重新选取一个新锚点进行连接。因此，通过这样快速的局部修复，就可较快地恢复路由。
实施例l:
将本项抗毁技术写入路由程序，并使用中南大学可信计算研究所的自组织网络实验平台 (CSU-Mobile)进行实地测试，具体测试如下
(1) 实验平台(CSU-Mobile)介绍
自组织网络实验平台(CSU-Mobile)由中南大学可信计算研究所研制开发完成。该实 验平台具有使用简单、性能稳定、测试效率高、测试结果合理等优点。该平台经过了反复测 试和评价，被国家863项目所接纳。因此，该平台能够很好地完成本项技术的测试。
(2) 测试环境和背景 ①硬件平台
本次测试中小型规模的自组织网络的抗毁性。网络由28台笔记本电脑和28个无线网卡组 成。笔记本电脑充当移动终端，该笔记本电脑虽已自带了无线网卡，但不具备自组织功能， 故另配具有自组织模式的无线网卡。笔记本电脑和无线网卡具体配置如表l、表2所示。表l笔记本电脑详细参数
型号Compaq 6531s(ND148PA)
处理器 http://dict.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=312 6Intel Core2 Duo(Merom) T5870(2.OG)http://product, pconline. com. cn/so/s34000/
处理器最高主频2000MHz
内存类型 http://dict.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=318 4DDR2 800
硬盘容量250GBhttp://product, pconline. com. cn/iiotebook/c3322/
屏幕尺寸 http://dict.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=314 314. ]^fhttp://product. pconline. com. cn/iiotebook/clll6/
显示屏描述宽屏http://product, pconline. com. cn/so/s20888/， 16:10比例 http://product, pconline. com. cn/so/s31128/，分辨率 :1280" 00http://product, pconline. com. cn/so/s31133/
显存容量 http://dict.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=404256Mhttp://product, pconline. com. cn/so/s22797/
显卡性能PCI-E X16接口标准，支持DirectX 10
8网卡 http://dict.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=405内置10-100-1000M网卡 http://product, pconline. com. cii/so/s15957/
无线通讯 http://diet.pconline .com.cn/dic/sort. jsp kindld=-l&dicld=318 6802. 11a/b/g无线网卡 http://product. pconline.com.cn/so/s26506/
表2无线网卡详细参数型号TL-WN322G+
支持协议CSMA/CA with ACK
无线标准IEEE 802. 11bhttp:〃product. pconline. com. cn/so/s22654/， IEEE 802.llg
传输速率54MbpsMbps
接口类型USB2. 0接口http:〃product. pconline, com. cn/so/s22737/
工作频段2.4-2.4835GHz
覆盖范围室内最远100米、外最远300米(环境而异)
支持系统Windows 98/ME/2000/XP/64 bit XP/2003
主要参数支持Windows 98， ME， 2000， XP， 64 bit XP， 2003/提供64， 128， 256位 WEP数据加密/支持WPA/WPA-PSK， WPA2/WPA2-PSK安全机制/具有模拟 AP功能，支持PSP连接模式/内置智能天
②软件平台
Windows XP中文版
Network Driver Interface Specification (NDIS Windows XP DDK测试场景为中南大学的运动场和和周边地区，测试范围大约为300X300 m」。笔记本终 端分别有28个学生携带，并在测试场景中随意移动，移动速度为通常步行速度。测试场景和 笔记本节点分布如图4。
(4)网络测试
本测试在笔记本终端1和笔记本终端28之间进行大文件电影传输，被测终端和其它终端 在场景中任意移动。使用HooNetMeter网络流量监测软件(常用软件)跟踪记录这两个被测 终端间网络速度和网络中断情况。测试监视结果如图5。
测试结果表明安装抗毁技术的实验平台可以实现大文件传输，整个网络传输比较平稳， 没有出现较大的速度变化波动，说明本项技术具有较强的稳定性能。另外中间没有出现网络 传输中断的现象，网络传输一直连续，这个说明本项技术具有较好的链路修复性能，不会随 着终端随意移动出项网络中断。因此，从实际测试的稳定性和链路快速修复性来看，该技术 具有良好的抗毁自愈性能。
权利要求
1.一种自组织网络路由方法，其特征在于，在自组织网络中建立基础骨干网，步骤如下首先将整个自组织网络划分为逻辑二维正方形的网格，每个网格代表一个簇，以网格的外接虚拟圆代表一个簇的管理范围；然后在每个簇的中央位置的多个节点中选取一个通讯能力较强的节点作为簇头节点，簇头节点负责维护本簇信息；所有网格中的簇头节点相互连接形成基础骨干网，基础骨干网负责全局通讯，并为簇成员节点提供地理位置更新服务，簇成员节点则根据此地理位置进行路由。
2.根据权利要求l所述的自组织网络路由方法，其特征在于，在路由 过程中应用洞提前预告方法；即首先由自组织网络中的每个簇头节点定期发广播至k跳范围 领域，每一个簇头节点通过接收广播信息确认其k跳范围领域是否存在无节点的领域，即" 洞"，簇头结点记录该"洞"的信息，并将该信息传递至簇内普通节点；当该记录了 "洞" 信息的节点转发数据时，选择避开向"洞"的区域转发数据，而转向其他方向的节点转发数 据。
3.根据权利要求1或2所述的自组织网络路由方法，其特征在于，在 路由过程中每一个锚点记录与其相邻的四个锚点的信息上一个锚点，下一个锚点，上一个 锚点的上一个锚点，下一个锚点的下一个锚点；每一个锚点都连续监视与其上一个锚点及下 一个锚点这两段路径是否断裂；如果上述两段路径中的某一路径断裂，则相应地发起与其上 一个锚点的上一个锚点或者下一个锚点的下一个锚点之间的这段路径的路由维护过程。
全文摘要
本发明提供了一种自组织网络路由方法，其特征在于，在自组织网络中建立基础骨干网，在路由过程中应用洞提前预告方法和基于锚点维护的局部修复方法。该方法能极大地增强自组织网络抗毁再生能力和实际应用能力。
文档编号H04L12/56GK101599911SQ20091030425
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者彭三城, 王国军, 谢永明 申请人:中南大学