一种单向应急通信无线网络的路由维护方法与流程

本发明涉及网络通信和数据传输领域，具体涉及一种单向应急通信无线网络的路由维护方法。

背景技术：

近年来，应急通信保障体系在公网建设上有了很大发展，但在无线自组网技术领域的应用与实际需求尚有较大差距；

现有的无线通信链路网在理想条件下虽然能够实现数据的高速和有效传输，但易受到地理环境、天气等影响，并且不具有灵活查找路由以及快速适应未知网络拓扑结构等特点，特别是在井下应急场合，无法为应急信息在未知环境下的传输提供可靠路由。

本发明提供了一种单向应急通信无线网络的路由维护方法，解决了上述技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的不具有灵活查找路由以及快速适应未知网络拓扑结构的技术问题。提供一种新的单向应急通信无线网络的路由维护方法，该单向应急通信无线网络的路由维护方法具有灵活查找路由以及快速适应未知网络拓扑结构的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种单向应急通信无线网络的路由维护方法，其特征在于：所述路由维护方法包括：

步骤一，建立单向式应急通信移动无线网络模型，分析计算出单向式应急通信移动无线网络模型内单向网络所有的数据交换路由，确定按需路由协议的通信方式；

步骤二，利用节点序列号记录主机发送的路由请求，并根据主机之间的邻接关系和距离选取路由，获得最稳定且距离最短的数据交换路径；

步骤三，利用单向hash链完成各主机的节点的身份认证，并通过按需路由协议的周期性报文进行数据交换的路由维护；

步骤四，利用单向移动网络的双向可达性，实时维护当前网络的有效路由，完成为应急通信提供可靠的路由。

本发明中的工作原理，根据链路状况自主选择相对稳定且距离最短的安全路由，可靠地完成应急数据交换任务，实现了灵活查找路由以及快速适应未知网络拓扑结构。

上述方案中，为优化，进一步地，步骤一包括：

步骤1.1，定义单向网络通信为g＝(v,e)，单向网络通信的主机之间进行数据交换时，在单向网络模式或混合的单向链路模式下，若主机移动或受到干扰导致主机间无法接收数据信息时，则表示链路断开，定义为路由失效；

步骤1.2，主机通信时，用上有主机的路由表以“先进先出”方法或“最近最少使用”方法记录本主机至单向式应急通信移动无线网络中其余主机的路由信息；

ut＝(up,relation,space_time)；

其中，up表示本主机的上游主机，relation表示本主机与上游主机up之间的邻接关系relation值，relation值采用随机数确定的具有唯一性的初始值，当本主机接收到上游主机的报文时，则relation＝relation+1；若本主机在space_time时间段内未收到上游主机发送的报文，则判定本主机的上有主机发生变更，重新确定本主机的上游主机。

进一步地，步骤1.1中的单向网络模式为其中a表示主机a，b为主机b，主机a为主机b的上游主机，主机b为主机a的下游主机，主机b可以直接接收主机a发送的数据信息，主机a不能直接收到主机b发出的信息；其中，(a,b)被称为单向链路；

所述混合的单向链路模式是

a表示主机a，b为主机b，f为主机f；主机b为主机a的下游主机。

进一步地，步骤二包括：

步骤2.1，采用节点序列号记录主机发送的路由请求，保证路由更新以及数据传送的实时性；

步骤2.2，根据主机之间的邻接关系和距离选择数据交换的路径。

进一步地，步骤2.1包括：

当主机a拟和主机b进行通信时，定义主机b为目的主机，主机a为源主机；

首先由主机a或者主机b生成一个为随机数字序列号的节点序列号保存在路由信息中，生成节点序列号的主机每次进行同样的操作时节点序列号加1，通过比较分组中的节点序列号与生成节点序列号的主机的节点序列号，判断路由信息的实时性；

若路由表中没有到达主机b的路由，主机a生成序列号并发送请求报文寻求到达主机b的路由，所述请求报文内至少包含：

remess＝(request，a，b，path(a,b)，relation，distance，routed)；

其中，request为路由请求；a为源主机地址；b为目的主机地址；path(a,b)为报文经过的路由；报文路由中各邻接主机之间邻接关系值relation之和；distance为报文路由的距离矢量之和；若报文路径存在主机b则routed置为1，否则主机b则routed置为0。

进一步地，步骤2.2包括：

在单向式应急通信移动无线网络模型中，每个主机周期性地向下游主机发送一个广播报文数据包，广播报文数据包的生命周期为1，即只能被相邻的下游主机接收；广播报文数据包中包含报文内容、发送报文的主机以及该主机是否有上游主机信息，当本主机接收到一个报文时，在上游主机表中更新两主机间的邻接关系值，邻接关系值越大，路由越稳定，网络拓扑结构的改变越小；

按需路由协议中由主机b选择通信路由，当主机b受到主机a的路由请求报文时，首先选取所有可完成通信的路由，然后选取其中邻接关系值较大且距离最短的路由将其发送给主机a；主机a接收到路由回答报文后将其写入路由表中，若未接收到回答，则重新发送路由请求报文。

进一步地，步骤三包括：

步骤3.1，利用单向hash链对路由发现和维护过程中的各个主机节点进行身份认证，保证路由信息的安全和可信度；

步骤3.2，根据主机a的路由表所记录的到主机b的路由:

path(a,b)＝(a＝m1,m2,…,mk＝b,2≤k≤n)；

其中，n为主机数量，mk为路由经过的主机；对该路由所经过的主机之间根据步骤3.1进行身份认证后，主机a采用源路由方法将路由path(a,b)保存至报文的头部，路由中的每个主机根据path将数据发送给路径中自己的下游主机，直到目的主机，完成数据的发送；

步骤3.3，应急通信移动网络中，采用按需路由协议进行网络通信，通过周期性报文来实现路由的维护。

进一步地，步骤3.1包括：

定义单向hash函数f，对于任意的0≤i≤n，有mi＝f(mi+1)成立，则根据该函数可形成一个单向hash链(m0,m1,…,mn)；

选取一个随机数mn作为hash密钥链的种子密钥，利用单向hash函数f对该种子密钥反复迭代处理，计算出该链中的其他密钥；传送路由信息时，主机根据路由请求的序列号和网络直径，从hash链中从后往前的顺序选择其中的一个数值作为密钥添加至路由信息；

路由信息传送时，路由中的其他主机节点通过hash函数进行散列计算：

f(key)＝keymodp(p≤m)；

其中，m为散列表长，mod是取模运算，p为小于或等于表长(最好接近m)的最小质数，验证信息中所携带的密钥key是否正确，从而认证各节点主机的身份。

进一步地，步骤3.3包括：

步骤3.3.1，移动网络中，主机的移动或通信被干扰等原因均会导致主机路由表中的路由失效，通过路由维护监视链路状态保证主机及时接受路由无效信息；

步骤3.3.2，按需路由协议的路由维护方法：假设主机发送报文的时间间隔为time，下游主机可确定其不在上游主机通信范围内的时间为time，r表示每个主机的通信半径，若主机mi+1在time时间段内未收到主机mi的报文，则表示(mi,mi+1)链路断开，并将该消息保存至主机mi+1的报文中，该消息通过主机mi+1向外不断传播；主机mi若想与主机mi+1通信，需重新发送路由请求。

进一步地，步骤四包括：

定义任意两个主机节点a和b在链路上是双向可达的，利用主机节点a的路由两端主机和主机节点b的路由两端主机均可获得对方的路由请求，通过一次路由申请获得多条数据交换的路由；

当其中一个路由无效时，通过路由维护保证路由的源主机一定能获得路由失效的消息，根据通信需要实时更新路由，保存新的路由信息；利用该信息有效完成应急通信网络的实时路由维护任务

本发明的有益效果：本发明在偶发性强的应急通信网络的数据交换任务中，能够灵活、稳定地维护实时路由，并可根据链路状况自主选择相对稳定且距离最短的安全路由，可靠地完成应急数据交换任务，具有路由更新开销小，快速适应网络拓扑结构的有益效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，单向应急通信移动无线网络的路由维护方法的流程示意图。

图2，单向应急通信移动无线网络模型示意图。

图3，标准hash密钥链示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种单向应急通信移动无线网络的路由维护方法，如图1，整体流程如下：

a.建立如图2的单向式应急通信移动无线网络模型，分析该模型下单向网络可能的数据交换路由，确定按需路由协议的通信方式；

(1)在单向网络通信g＝(v,e)中，两个主机之间进行数据交换时，有如下信息交换模式：

a)其中主机b可以直接接收主机a发送的数据信息，但主机a不能直接收到主机b发出的信息；(a,b)被称为单向链路，且a为b的上游主机，b为a的下游主机，存在该单向链路的网络为单向网络；

b)该模式为混合的单向链路，其中a,b,f均为主机，具有该单向链路的网络为混合单向网络；

在以上两种方式的网络通信中，若主机移动或受到干扰导致主机间无法接收数据信息时，则表示链路断开，即路由失效；

(2)综合考虑上述各种路由，建立主机存储的路由信息；

①每个主机通信时，用路由表以“先进先出”或“最近最少使用”方式记录自己所需要的本机到其他主机的路由信息，路由表中每一项为一个二元组(b，path(a,b))，其中b为该路由中的目的主机，path(a,b)为从源主机a到目的主机b的路由；

②采用上游主机表记录本机和上游主机之间的邻接关系

ut＝(up,relation,space_time)；

其中，up表示本机的上游主机，relation表示本机与上游主机up之间的邻接关系relation值，该值可采用随机数确定初始值并具有唯一性，当主机接收到上游主机的报文时，则relation＝relation+1；若主机在space_time时间段内未收到上游主机发送的报文，则up不再是本主机的上游主机；

b.利用节点序列号记录主机发送的路由请求，并根据主机间的邻接关系和距离综合选取路由，获得相对最稳定且距离最短的数据交换路径；

(1)采用节点序列号记录主机发送的路由请求，保证路由更新以及数据传送的实时性；

①当主机a想和主机b进行通信时，首先由a或者b生成一个节点序列号(随机数字序列号)保存在路由信息中，生成者每次进行同样的操作时序列号加1，通过比较分组中的序列号与该主机的序列号，判断路由信息的实时性；

②若路由表中没有到达主机b的路由，主机a生成序列号并发送请求报文寻求到达主机b的路由，该请求报文内包含：

rem香ss＝(request，a，b，path(a,b)，relation，distance，routed)；

其中request为路由请求；a为源主机地址；b为目的主机地址；path(a,b)为报文经过的路由；报文路由中各邻接主机之间邻接关系值relation之和；distance为报文路由的距离矢量之和；若报文路径存在目的主机则routed置为1，否则为0；

(2)根据主机间的邻接关系和距离综合选择数据交换的路径，达到减小路由更新的开销并且获得最稳定距离最短的路由的目的；

①网络中，每个主机周期性地向下游主机发送一个广播报文数据包，该数据包的生命周期为1，只能被相邻的下游主机接收，该数据包中包含报文内容、发送报文的主机以及该主机是否有上游主机，当主机接收到一个报文时，在上游主机表中更新两主机间的邻接关系值，邻接关系值越大，路由越稳定，网络拓扑结构的改变越小；

②按需路由协议中由目的主机选择通信路由，当主机b受到主机a的路由请求时，首先选取所有可完成通信的路由，然后选取其中邻接关系值较大且距离最短的路由将其发送给主机a；主机a接收到路由回答报文后将其写入路由表中，若未接收到回答，则重新发送请求报文；

c.利用单向hash链完成各主机节点的身份认证，并通过按需路由协议的周期性报文进行数据交换的路由维护；

(1)利用单向hash链对路由发现和维护过程中的各个主机节点进行身份认证，保证路由信息的安全和可信度；

①单向hash函数f，对于任意的0≤i≤n，有mi＝f(mi+1)成立，则根据该函数可形成一个如图3的单向hash链(m0,m1,…,mn)：

②选取一个随机数mn作为hash密钥链的种子密钥，利用单向hash函数f对该种子密钥反复迭代处理，计算出该链中的其他密钥；传送路由信息时，主机根据路由请求的序列号和网络直径，从hash链中从后往前的顺序选择其中的一个数值作为密钥添加至路由信息；

③路由信息传送时，路由中的其他主机节点通过hash函数进行散列计算：

f(key)＝keymodp(p≤m)；

其中m为散列表长，mod是取模运算，p为小于或等于表长(最好接近m)的最小质数，验证信息中所携带的密钥key是否正确，从而认证各节点主机的身份；

(2)根据主机a的路由表所记录的到主机b的路由:

path(a,b)＝(a＝m1,m2,…,mk＝b,2≤k≤n)；

其中，n为主机数量，mk为路由经过的主机；对该路由所经过的主机之间根据步骤(1)进行身份认证后，主机a采用源路由方法将路由path(a,b)保存至报文的头部，路由中的每个主机根据path将数据发送给路径中自己的下游主机，直到目的主机，完成数据的发送；

(3)应急通信移动网络中，采用按需路由协议进行网络通信，通过周期性报文来实现路由的维护；

①移动网络中，主机的移动或通信被干扰等原因均会导致主机路由表中的路由失效，通过路由维护监视链路状态保证主机及时接受路由无效信息；

②按需路由协议的路由维护方法：

假设主机发送报文的时间间隔为time，下游主机可确定其不在上游主机通信范围内的时间为time，r表示每个主机的通信半径，若主机mi+1在time时间段内未收到主机mi的报文，则表示(mi,mi+1)链路断开，并将该消息保存至主机mi+1的报文中，该消息通过主机mi+1向外不断传播；主机mi若想与主机mi+1通信，需重新发送路由请求；

d.利用单向移动网络的双向可达性，实时维护当前网络的有效路由，以快速地为应急通信提供可靠的路由。

在单向移动网络中，任意两个主机节点a，b在链路上是双向可达的，利用a，b的路由两端主机均可获得对方的路由请求，通过一次路由申请获得多条数据交换的路由；当某个路由无效时，通过路由维护可保证路由的源主机一定能获得路由失效的消息，根据通信需要实时更新路由，保存新的路由信息；利用该信息有效完成应急通信网络的实时路由维护任务。

综上所述，本实施例实现了一种单向应急无线通信网络的路由维护方法。在偶发性强的应急通信网络的数据交换任务中，能够灵活、稳定地维护实时路由，并可根据链路状况自主选择相对稳定且距离最短的安全路由，可靠地完成应急数据交换任务，具有路由更新开销小，快速适应网络拓扑结构的有益效果。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。