基于AODV的多度量量的路由发现和建立的方法与流程

本发明涉及的是一种无线网络中的路由发现和建立机制，具体地，涉及一种基于AODV的多度量量的路由发现和建立的方法。

背景技术：

路由协议是近年来Ad Hoc无线网络研究的重要内容之一。路由协议负责路由的建立和维护工作，是整个无线网络中极为重要的组成部分。路由协议必须能够适应Ad Hoc无线网络的动态变化这一特性，为节点提供准确的路由信息，保障节点之间的通信，同时最大的减少控制包的开销来提高整个无线网络的性能。

AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，Ad Hoc按需距离矢量)是Ad Hoc无线网络中典型的按需路由协议，它根据需要动态地维护路由表中的数据，每个节点只建立和维护自己所需的目的节点的路由信息，而不是全网中所有其他节点的路由。虽然路由建立过程造成一定的延时出现，但是可以节约整个无线网络的资源，而且可以解决节点动态移动所造成的路由改变的情况。

在Ad Hoc无线网络中，由于节点的移动性和所处环境的复杂性，导致节点分布不均衡，而最优路径单依赖最小跳数，地理位置优越的枢纽节点会频繁地被活跃路由使用，一方面这会导致该类节点能量消耗过快，一旦枢纽节点宕机，会给整个无线网络服务质量造成致命打击；另一方面，枢纽节点同时被多条路由使用，通信很容易超负载，导致信息拥堵，增大延时。D.J.Vergados,、N.A.Pantazis和D.D.Vergados在“Mobile Networks and Applications”期刊上发表的“Energy-efficient route selection strategies for wireless sensor networks”中提出以剩余能量作为最优路径选择策略来代替最小跳数。但是，单以剩余能量作为唯一最优路径标准，而不显式考虑最小跳数又会使发现的路由过长，虽照顾了节点能量消耗却增加了传输时延。S.J.de Couto,D.Aguayo,J.Bicket和R.Morris在“In Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking”会议上提出A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing，为AODV引入能量流失率来均衡无线网络各节点通信负载以防止通信负载过重导致的信息拥堵和冲突。因为信息拥堵会导致丢包和重传等增加时延和降低路由吞吐量。但这种方式没有显式地考虑路径长度和节点剩余能量仍然会带来时延增加和枢纽节点早死的威胁。如果考虑节点的邻居密度，则可以使得建立的路由经过节点稠密的区域，一方面提高通信的质量另一方面还为路由可能的中断修复提供了丰富的替代节点。

当然，影响Ad Hoc无线网络性能的因素很多，单一指标的路由发现和建立方法难免顾此失彼。但大多数的路由发现和建立方法还都是单一指标。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于AODV的多度量量的路由发现和建立的方法，该方法采用多度量量，能够在路由发现过程中考虑到节点能量负载和通信负载情况，发现更为可靠的路径节点，同时会使路径穿过稠密的区域为可能出现的中断修复提供了必要的替代节点。

本发明提供了一种基于AODV的高可靠性的路由路径发现与建立方法，所述方法要求无线网络中的节点不仅维护跳数，而且维护节点剩余能量、能量流失率、节点密度这三个度量量，并将以上四个度量量封装在一个数据结构里；在路由发现阶段，路由请求RREQ中的四个度量量与节点维护的四个度量量进行比较和更新，进而发现和建立最优路由路径。

具体的，所述方法包括以下步骤：

S1：无线网络中的所有节点更新数据结构，提供并维护剩余能量、能量流失率、节点密度的数据结构，为接收路由请求RREQ并适当回应做准备。

预先设定跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度的权重值，以适应不同的环境对无线网络协议的需求。

多度量量即跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度融合形成路径发现因子CM：

CM＝δ_H*HC+δ_E*EM+δ_T*EDR+δ_D*DM

HC、EM、EDR和DM分别为节点的跳数、剩余能量、能量流失率和节点密度。δH、δE、δT、δD分别表示HC、EM、EDR、DM的权重；

S2：无线网络中某个节点有发送信息需求时，发现其路由表里没有有效的到达目的节点的路径，广播路由请求RREQ发起多度量路由的发现与建立过程。路由请求RREQ除标准AODV的路由请求RREQ的信息外，加入最优路径因子PF。

S3：在随后的某个时刻，无线网络中非目的节点收到源节点发出的路由请求RREQ：

首先，节点从路由请求RREQ信息中取出目的节点IP与自身IP进行匹配，发现自己不是源节点要找的节点；

然后，节点从路由请求RREQ中取出源节点IP和路由请求RREQ ID以判断是否收到过相同的路由请求RREQ，如果已收到并处理过，则直接丢弃该包；如果第一次收到，则节点依据路由请求RREQ的内容进行路由表更新，并根据自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度字段更新路由请求RREQ，并广播之。

优选地，所述S3中，节点第一次收到路由请求RREQ的更新步骤如下：

S3.1：节点依据收到的路由请求RREQ携带的信息建立到源节点的反向路由。

S3.2：节点提取自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度等值，依据预设的权重得到自身路径发现因子CM，将自身路径发现因子CM和路由请求RREQ中最优路径因子PF之和更新入路由请求RREQ的路径发现因子PF字段。

S3.3：节点广播更新后的路由请求RREQ。

S4：在某个时刻，目的节点收到经由中间节点的转发的路由请求RREQ：

首先，目的节点会确认自身就是源节点要找的节点，然后，判断是否第一次收到该批次的路由请求RREQ，如果是第一次收到，目的节点为该路由请求RREQ开启窗口时间等待同批次路由请求RREQ的到来，同时利用路由请求RREQ信息在路由表内建立到达源节点的反向路由。否则，依据路由请求RREQ的信息更新目的节点的路由表。

优选地，所述S4中，目的节点根据路由请求RREQ的更新操作如下：

S4.1：在路由表里找到目的节点到达源节点的路由条目，比较条目里最优路径因子PF与RREQ(路由请求)中的最优路径因子PF字段值。若前者小，则舍弃该路由请求RREQ，否则，用路由请求RREQ中PF值更新路由条目的最优路径值，并用路由请求RREQ的上一跳更新条目的下一跳。

S5：目的节点在窗口时间内选定最优路径，并通过目的节点到源节点的反向路由单播路由回复RREP，路由回复RREP跳数字段修改为最优路径因子PF，并提取自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度等值，依据预设的权重得到自身的路径发现因子CM，用此路径发现因子CM值更新路由回复RREP的最优路径因子PF字段。

S6：在无线网络所有节点的路由表条目的跳数字段修改为最优路径因子PF，中间节点收到路由回复RREP，依据路由回复RREP信息建立到达目的节点的路由条目，并将路由回复RREP里的最优路径因子PF值更新入路由条目。然后，依据自身维护的多度量值与权重的乘积之和即自身的路径发现因子CM，再加上路由回复RREP中最优路径因子PF值更新路由回复RREP，单播给下一跳。

优选地，基于AODV的多度量量的路由发现和建立的方法，不以最小跳数作为最优路径的判断标准，而是以多度量量得到的最优路径因子PF大小来选择最优路径。PF值越小则代表路径越可靠越优。

${\mathrm{PF}}_p=\underset{i\∈p}{\Σ}{\mathrm{CM}}_i$

最优路径因子PF是针对路由路径的概念，其中下标P指某一条路由路径，i则是指路径中第i个节点，CM_i就是指路径p中第i个节点的路径发现因子的值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明对于无线网络的规模没有严格的限定，尤其适用于拓扑频繁变化、节点分布不均、实时性要求较高的Ad Hoc无线网络，能够有效避免节点能量消耗不均衡，信息通道拥塞等严重影响无线网络服务质量的问题，有效地提高了链路的通信负载的均衡性和通信效率，提升了链路的稳定性，缓解了节点频繁切换带来的通信延迟，平衡了节点能量消耗，延长了无线网络寿命。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的方法流程框图；

图2为本发明一实施例中路由建立过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，在无线网络中存在如N1、N2、N3、N4、N5、N6关系的拓扑。N1有向节点N6发送信息的需求而其路由表里并没有达到N6有效的路由信息。于是，N1按需发起到达N6的路径的发现和建立过程。在某时刻，各节点的度量量如下表：

根据本发明提供的基于AODV的多度量量的路由发现和建立的方法，包括如下实施流程步骤：

S1：无线网络中的所有节点更新数据结构，提供并维护剩余能量EM、能量流失率EDR、节点密度DM的数据结构，为接收RREQ(路由请求)并适当回应做准备。

预先设定跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度的权重值，以适应不同的环境对无线网络协议的需求。

多度量量即跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度，以按照以下方式形成节点路径发现因子CM，多度量量与路径发现因子CM关系如下：

CM＝δ_H*HC+δ_E*EM+δ_T*EDR+δ_D*DM

HC、EM、EDR和DM分别为本方法所规定之跳数、剩余能量、能量流失率和节点密度。δH、δE、δT、δD分别表示HC、EM、EDR、DM的权重。

本实施例，预设δH＝0.1、δE＝0.8、δT＝0、δD＝0.1。当然，在其他实施例中，这些参数也可以预设为其他数值。

S2：无线网络中N1节点有发送信息需求时，发现其路由表里没有有效的到达目的节点N6的路径，广播路由请求RREQ发起多度量路由的发现与建立过程。路由请求RREQ除标准AODV的路由请求RREQ的信息外，加入最优路径因子PF。

S3：在随后某个时刻，无线网络中非目的节点N2、N3、N4、N5收到源节点N1发出的请求到达N6的路由请求RREQ。

首先，N2、N3、N4、N5这些中间节点从收到的路由请求RREQ信息中取出目的节点IP与自身IP进行匹配，发现自己不是源节点要找的目的节点。

然后，非目的节点从路由请求RREQ中取出源节点IP和序列号以判断是否收到过相同的RREQ(路由请求)。如果已收到并处理过，则直接丢弃该包；如果第一次收到，则非目的节点依据路由请求RREQ的内容进行路由表更新，并根据自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度字段更新路由请求RREQ，并广播之。

进一步的，所述S3中，非目的节点第一次收到路由请求RREQ的更新步骤如下：

S3.1：非目的节点依据收到的路由请求RREQ携带的信息建立到源节点的反向路由。中间节点N2、N3、N4、N5依据收到的路由请求RREQ中源节点和上一跳信息在路由表里建立到达N1的反向路由。

S3.2：非目的节点提取自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度等值，依据预设的权重得到自身路径发现因子CM，将自身路径发现因子CM和路由请求RREQ中最优路径因子PF之和更新入路由请求RREQ的最优路径因子PF字段。

S3.3：节点广播更新后的路由请求RREQ。

S4：在某个时刻，目的节点N6收到经由邻居节点N3或N5转发的来自源节点N1的路由请求RREQ。

首先，目的节点N6会确认自身就是源节点要找的目的节点，然后，判断是否第一次收到该批次的路由请求RREQ，如果是第一次收到，目的节点N6为该路由请求RREQ开启窗口时间等待同批次路由请求RREQ的到来，同时利用路由请求RREQ信息在路由表内建立到达源节点N1的反向路由。否则，依据路由请求RREQ的信息更新目的节点的路由表。

进一步的，所述S4中，目的节点N6根据路由请求RREQ的更新操作如下：

S4.1：在路由表里找到目的节点N6到达源节点N1的路由条目，比较条目里最优路径因子PF与路由请求RREQ中的PF字段值。若前者小，则舍弃该路由请求RREQ，否则，用路由请求RREQ中最优路径因子PF值更新路由条目的最优路径PF值，并用路由请求RREQ的上一跳更新条目的下一跳。

这里有两条代表性路径：①N1->N2->N3->N6和②N1->N2->N4->N5-N6。在目的节点N6为来自源节点N1的路由请求RREQ开启的窗口时间内，会先后收到通过路径①和路径②的路由请求RREQ。依据上述方法得到路径①的路由请求RREQ的PF＝1.75，路径②的路由请求RREQ的PF＝1.65，所以最优路径判段则路径②显然要优于路径①，最终路径②的路由请求RREQ信息会被用来更新目的节点N6的到达源节点N1的反向路由条目。

所述最优路径判段，不以最小跳数作为最优路径的判断标准，而是以最优路径因子PF大小来选择最优路径。最优路径因子PF值PF_p越小则代表路径越可靠越优。

${\mathrm{PF}}_p=\underset{i\∈p}{\Σ}{\mathrm{CM}}_i$

最优路径因子PF是针对路由路径的概念，其中下标P指某一条路由路径，i则是指路径中第i个节点，CM_i就是指路径p中第i个节点的路径发现因子的值。

S5：目的节点N6在窗口时间内通过最优路径因子PF选择最优路径，显然路径②是所有可能的路径中最优的。窗口时间结束通过目的节点N6到源节点N1的反向路由N6->N5->N4->N2-N1单播路由回复RREP，路由回复RREP的跳数字段修改为最优路径因子PF。并提取自身维护的跳数、剩余能量、能量流失率、节点密度等值，依据预设的权重得到自身路径发现因子CM，用此路径发现因子CM值更新路由回复RREP的最优路径PF字段。

S6：在无线网络所有节点的路由表条目的跳数字段修改为最优路径因子PF。反向路由路径中的中间节点N5、N4、N2收到路由回复RREP，依据路由回复RREP信息建立到达目的节点的路由条目，并将路由回复RREP里的最优路径因子PF值更新入路由条目。然后，依据自身维护的多度量值与权重的乘积之和即自身的路径发现因子CM，再加上路由回复RREP中最优路径PF值更新路由回复RREP，单播给下一跳。

直至源节点N1收到N2传递的经由N6->N5->N4->N2的目的节点N6回复的路由回复RREP包，依据路由回复RREP包建立N1的到达N6的路由条目。用路由回复RREP包的最优路径PF字段值更新路由条目的PF字段，用路由回复RREP中的上一跳更新路由条目的下一跳信息。

经过以上步骤，从源节点N1达到目的节点N6的可靠路由路径建立起来。

以上是对可靠性路由发现与建立的实施详细描述，遇到新的路由需求，均可采用上述方法进行路由发现和建立。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。