CN110445713B - 一种基于备用路径的泛洪路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于备用路径的泛洪路由方法，包括步骤：源节点每次发送数据包之前，发送一个Go包；中继节点和目的节点均存储一个到达该节点Go包的优先队列；目的节点把最快到达的Go包的上一跳节点标记为最快到达节点，返回一个Back包回应源节点；根据Go包估计waitingTime；目的节点经过waitingTime后，如果没有收到真实数据包，目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点，并将已被使用的最快到达节点弹出优先队列；源节点如果收到Back包，就根据最短路径发送真实数据包。本发明能有效的降低网络的能量消耗，提高整个网络的生存时间，并且能够有效地避免路由空洞问题，提高数据包投递率，避免传统泛洪路由算法导致的消息“内爆”和“重叠”现象。

Description

一种基于备用路径的泛洪路由方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，尤其涉及一种基于备用路径的泛洪路由方法。

背景技术

传统的泛洪路由算法应用到水声网络时，源节点发送数据包后，网络拓扑上每个能接收到数据包的节点都要进行转发，这使得每发一个数据包，水声网络中就会产生“内爆”现象，即充斥着大量的无用数据包。到达目的节点的数据包也会产生“重叠”现象，即多个中继节点转发同一个数据包到目的节点。这势必造成这个网络资源的大量消耗和大量的信号干扰噪声，降低了信号与干扰和噪声比(Signal to Interference plus NoiseRatio,SINR)，容易造成丢包的情况。

从水下传感器网络路由协议的角度来看，存在的通信空洞问题可能是最具挑战性的问题。造成空洞的原因有许多，如稀疏的拓扑结构、暂时的障碍物以及不可靠的节点，路由空洞会显著降低网络的性能。由于操作环境的动态性，何时何地可能发生空洞是不可预测的，因此空洞问题更具挑战性。泛洪路由是一种简单易行的传统路由协议。泛洪路由能克服水下路由的空洞问题，然而消息的“内爆”和“重叠”将导致其干扰功率大且能量消耗大。为了克服这些缺陷，有必要对其进行改进以适用于水下复杂环境，水下节点移动性较高导致网络拓扑高动态、网络拓扑强不可靠以及水下硬件设备存储、能量等资源有限的特殊场景。

传统的Ad Hoc无线网络中的典型按需路由动态源路由协议(Dynamic SourceRouting,DSR)和无线自组网按需平面距离向量路由协议(Ad hoc On-Demand DistanceVector Routing，AODV)使用了路由保持机制，水下硬件节点存储的数据量将随着网络拓扑复杂度、网络负载的升高而升高，由于水下节点本身的特殊性，容易出现存储、能量资源被耗尽的情况，从而增加了出现路由空洞的概率，降低了网络的生存周期。

DSR路由协议在检测到无效路径时需要通过泛洪发送错误信息到源节点来通知源节点删除相应的无效路径，额外增加了网络的资源消耗。DSR路由需要存储源节点到目的节点的动态不定长度的完整有序路由信息，并将这个不定长度的完整有序路由信息加到真实的数据包包头发送，如果网络拓扑比较复杂，那么这个不定长度的完整有序路由信息(包头)将会占用数据包中大量有效数据的存储空间。导致真正可发送的真实数据存储空间被压缩，协议传输的效率显著降低。

AODV路由的中继节点只记录首次发送寻路请求的邻接节点信息，后面到达的相同寻路请求直接删除。这对于水下复杂的环境、节点移动性较高导致的网络拓扑高动态性、网络拓扑强不可靠性来说，容易造成保存的首次到达路径信息由于节点移动、节点能量耗尽、通信信道受阻等等原因而失效，从而导致路由空洞问题，重新建路的过程又将增加网络负载和能量消耗。所以，AODV路由只适用于对称链接的网络。

因此，针对以上调查所得到的目前现有无线路由协议存在的缺陷，为了能够更有效地将简单易行的传统泛洪路由应用于水声通信网络中，很有必要设计一种既能有效避免泛洪路由带来的消息“内爆”和“重叠”现象，也能有效的降低网络的能量消耗，提高整个网络的生存时间，最后还能有效的避免路由空洞问题的水下通信网络路由算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于备用路径的泛洪路由方法。本发明能够有效避免泛洪路由带来的消息“内爆”和“重叠”现象，同时能够有效地降低水声网络的能量消耗，提高整个网络的生存时间，并且能够有效地避免路由空洞问题的水下通信网络路由方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于备用路径的泛洪路由方法，包括步骤：

源节点每次发送真实数据包之前，发送一个Go寻路数据包；

中继节点和目的节点均存储一个到达该节点的Go寻路数据包的优先队列；

目的节点把最快到达的Go寻路数据包的上一跳节点标记为最快到达节点，并返回一个同样小的Back寻路数据包回应源节点；并且根据Go寻路数据包中估计接收真实数据包所需要的时间waitingTime(目的节点等待时间)；

Back寻路数据包在传递到源节点过程中，源节点和中继节点均会存储一个到达该节点的Back寻路数据包的优先队列；

目的节点经过waitingTime后，如果没有收到真实数据包，目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点，并将已被使用的最快到达节点弹出优先队列；

源节点如果收到Back寻路数据包，就根据最短路径发送真实数据包，中继节点接收到真实数据包后，首先判断自己是否为最快到达节点，只有最快到达节点才有资格转发真实数据包。

在本发明中，寻路过程结束后，节点中存储了两个优先队列，一个是Go寻路数据包的优先队列，用于目的节点和中继节点发送或转发Back寻路数据时填充最快达到节点字段；另一个是Back寻路数据包的优先队列，用于源节点和中继节点发送或转发真实数据包时填充帧头最快到达节点字段；最快到达节点字段的作用是给接收的中继节点判断自己是否为最快达到节点，只有是最快到达节点才有转发资格。

具体地，所述中继节点和目的节点的Go寻路数据包的优先队列的大小以及中继节点和源节点的Back寻路数据包的优先队列的大小，均根据水下环境的状态预先设置：

如果水下环境恶劣、水流湍急，水下节点移动性较强，前期寻路数据包建立的路径具有较大概率无法使用，此时则需要增大优先队列的长度；反之减小优先队列的长度。

具体地，源节点和中继节点存储Back寻路数据包优先队列过程，与中继节点和目的节点均存储一个到达该节点的Go寻路数据包优先队列过程相似，先达到的优先级高，在优先队列越靠前。Back寻路数据包和Go寻路数据包的转发过程主要区别在于，中继节点要判断是否有转发Back寻路数据包的资格，而Go寻路数据包是泛洪的，都会转发。

具体地，在使用备用次快到达节点发送Back寻路数据包时，如果目的节点收到真实数据包，则停止等待接收真实数据包的状态。

具体地，设定传感器节点的***时间是同步(误差在1s内)的，waitingTime计算公式：

T_wait＝T_Back+T_{real_pkt}+T_bias

其中，T_Back表示Back寻路数据包从目的节点发包到源节点最快收包时间，可认为与Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go是相等的；T_{real_pkt}表示真实数据包从源节点发包到目的节点最快收包的时间，T_bias表示一个取值为正值的偏置，为了允许一定的延时增量和时间误差而设定的。

T_Back的计算方法为：

根据目的节点收到最快到达Go寻路数据包的时间和包结构中携带的源发送时间，作差计算得Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go，即得到T_Back。

T_{real_pkt}的计算公式为：

T_{real_pkt}＝T_p+T_{send_real}

其中，T_p为水下传播时延，T_{send_real}为真实数据包的发送时延。由于最快到达目的节点的Go寻路数据包和最快到达源节点的Back寻路数据包，与真实数据包的经过节点序列是一样的(只是Back寻路数据包方向相反)，因此认为传播时延T_p是相等的。

T_p计算公式为：

T_p＝T_Go-T_{send_Go}

其中，T_{send_Go}为Go寻路数据包的发送时延，利用Go寻路数据包携带的TTL值可以知道Go寻路数据包转发的次数n，将Go寻路数据包的长度除以发送速率再乘以n得到T_{send_Go}；通过将真实数据包的长度值除以发送速率得到T_{send_real}。

具体地，所述目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点的步骤中，如果有备用的次快到达节点，则使用备用的次快到达节点发送Back寻路数据包；

如果备用的次快到达节点使用完，则通过泛洪的方式发送一个Failed数据包通知源节点重新发送Go寻路数据包，重新建路；

不管队内是否有备用的次快到达节点，已被使用的最快到达节点都会被弹出。

具体地，源节点如果收到多个相同的Back数据包，则丢弃后面到达的Back数据包；源节点如果没有收到Back寻路数据包，而是收到Failed数据包，则重新发送Go寻路数据包建路。

具体地，中继节点判断自己是否为最快到达节点的方法为：

中继节点接收到真实数据包后，首先根据真实数据包存储的最快到达节点地址，判断自己是否为最快到达节点：若不是，则丢弃不转发；若是，则根据Back寻路数据包优先队列，将新的下一个最快到达节点地址填入真实数据包中，然后转发。

在本发明中，Back寻路数据包和真实数据包转发原理是相似的。中继节点都是要判断包中最快到达节点地址是不是自己，若不是，就不转发；若是，就在包中填入新的下一个最快到达节点地址，替换原来地址，然后转发。

而Back寻路数据包和真实数据包转发原理主要区别有两点：(1)Back寻路数据包下一个最快到达节点地址根据的是Go寻路数据包优先队列，真实数据包下一个最快到达节点地址根据的是Back寻路数据包优先队列；(2)Back寻路数据包转发过程中，源节点和中继节点还会存储上一跳地址到Back寻路数据包优先队列，而真实数据包转发过程中则不会。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明针对水下环境的特殊性，没有采用路由保持机制，而无论是节点存储最快到达节点的FastestArrivalPriorityQueue类设计还是节点存储到达数据包的NodeArrivalPackage类设计都使用了固定长度的优先队列的设计思想。当收到新数据时，会将新数据跟长度固定的优先队列内的所有元素比较，根据优先级比较结果，自动丢弃优先级较低的数据，维持优先队列的长度不变，保证了所有节点都存储长度固定的数据，避免了采用路由保持路由机制带来的水下硬件节点随着网络拓扑复杂度过高、网络负载的升高而被耗尽存储资源的情况。

2、本发明由于采用了优先队列自动丢弃优先级较低的数据信息，因此不需要像DSR路由协议一样在监测到无效路径时需要通过发送错误信息到源节点(泛洪)来通知源节点删除相应的无效路径，达到了降低网络负载、节约网络能量消耗的效果。

3、本发明采用了固定长度的帧结构设计，通过优先队列记录最快到达节点数据的上一跳信息反向寻路，因此不需要知道源节点到目的节点的完整有序路由信息。并且加入真实数据包的寻路包头部分只占用了固定的12字节，占用字节较少且包头大小不会随着网络拓扑的复杂度升高而变大，使得协议传输真实数据包的效率得到了保障。

4、本发明采用了优先队列存储固定大小的最快到达节点的数据信息，当最快到达节点无法使用时，能够通过采用备用的次快到达节点完成数据传输，避免造成路由空洞的问题，适用于非对称链接的网络，能够充分利用一次寻路搜集的信息，使得只需要一次建路就能完成数据传输的概率大大增加，避免了多次重新建路带来的增加网络负载和能量消耗的问题。

附图说明

图1是一种基于备用路径的泛洪路由方法的流程图。

图2是本实施例中Failed数据包的帧结构图。

图3是本实施例中寻路数据包的帧结构图。

图4是本实施例中真实数据包的帧结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种基于备用路径的泛洪路由方法的流程图，包括步骤：

S1、源节点每次发送真实数据包之前，发送一个Go寻路数据包；

S2、中继节点和目的节点均存储一个到达该节点Go寻路数据包的优先队列；

具体地，所述中继节点和目的节点的Go寻路数据包的优先队列的大小以及中继节点和源节点的Back寻路数据包的优先队列的大小，均根据水下环境的状态预先设置：

如果水下环境恶劣、水流湍急，水下节点移动性较强，前期寻路数据包建立的路径具有较大概率无法使用，此时则需要增大优先队列的长度；反之减小优先队列的长度。

源节点和中继节点存储Back寻路数据包优先队列过程以及中继节点和目的节点存储Go寻路数据包优先队列过程中，先达到的优先级高，在优先队列越靠前。

S3、目的节点把最快到达的Go寻路数据包的上一跳节点标记为最快到达节点，并返回一个同样小的Back寻路数据包回应源节点；并且根据Go寻路数据包中估计接收真实数据包所需要的时间waitingTime(目的节点等待时间)；

具体地，在使用备用次快到达节点发送Back寻路数据包时，如果目的节点收到真实数据包，则停止等待接收真实数据包的状态。

设定传感器节点的***时间是同步(误差在1s内)的，waitingTime计算公式：

T_wait＝T_Back+T_{real_pkt}+T_bias

其中，T_Back表示Back寻路数据包从目的节点发包到源节点最快收包时间，可认为与Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go是相等的；T_{real_pkt}表示真实数据包从源节点发包到目的节点最快收包的时间，T_bias表示一个取值为正值的偏置，为了允许一定的延时增量和时间误差而设定的。

T_Back的计算方法为：

根据目的节点收到最快到达Go寻路数据包的时间和包结构中携带的源发送时间，作差计算得Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go，即得到T_Back。

T_{real_pkt}的计算公式为：

T_{real_pkt}＝T_p+T_{send_real}

其中，T_p为水下传播时延，T_{send_real}为真实数据包的发送时延。由于最快到达目的节点的Go寻路数据包和最快到达源节点的Back寻路数据包，与真实数据包的经过节点序列是一样的(只是Back寻路数据包方向相反)，因此认为传播时延T_p是相等的。

T_p计算公式为：

T_p＝T_Go-T_{send_Go}

其中，T_{send_Go}为Go寻路数据包的发送时延，利用Go寻路数据包携带的TTL值可以知道Go寻路数据包转发的次数n，将Go寻路数据包的长度除以发送速率再乘以n得到T_{send_Go}；通过将真实数据包的长度值除以发送速率得到T_{send_real}。

S4、目的节点经过waitingTime后，如果没有收到真实数据包，目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点，并将已被使用的最快到达节点弹出优先队列；

如果有备用的次快到达节点，则使用备用的次快到达节点发送Back寻路数据包；

如果备用的次快到达节点使用完，则通过泛洪的方式发送一个Failed数据包通知源节点重新发送Go寻路数据包，重新建路；

不管队内是否有备用的次快到达节点，已被使用的最快到达节点都会被弹出。

如图2所示为Failed数据包的帧结构图，其中数据包UID识别网络中数据包的唯一标识，源节点地址标识水声网络中源节点的地址，目的节点地址标识水声网络中目的节点的地址，数据包类型标识数据包的类型，其中0：Go数据包；1：Back数据包；2：真实数据包；3：Failed数据包。TTL为数据包的生存时间值，即数据包被转发的最大跳数，初始为255。

S5、源节点如果收到Back寻路数据包，就根据最短路径发送真实数据包，中继节点接收到真实数据包后，首先判断自己是否为最快到达节点，只有最快到达节点才有资格转发真实数据包。

具体地，源节点如果收到多个相同的Back数据包，则丢弃后面到达的Back数据包；源节点如果没有收到Back寻路数据包，而是收到Failed数据包，则重新发送Go寻路数据包建路。

中继节点判断自己是否为最快到达节点的方法为：

中继节点接收到真实数据包后，首先根据真实数据包存储的最快到达节点地址，判断自己是否为最快到达节点：若不是，则丢弃不转发；若是，则根据Back寻路数据包优先队列，将新的下一个最快到达节点地址填入真实数据包中，然后转发。

如图3所示为寻路数据包的帧结构图，上一跳节点地址记录接收寻路数据包节点的上一跳节点地址，每个节点发送前，会将自己地址加入到寻路数据包中的上一跳节点地址，最快到达节点地址表示最快到达节点的地址，真实数据包大小标识源节点要发送的真实数据包大小，用于估算源节点发送真实数据包到目的节点的传输时延，源发送时间记录源节点发送Go寻路数据包的时间，用于估算源节点发送真实数据包到目的节点的传播时延。

如图4所示为真实数据包的帧结构图，帧头部分为寻路数据包的帧结构，数据部分存储真实数据。

水声网络中一种基于备用路径的改进泛洪路由算法的核心类设计如下：

(1)节点存储最快到达节点的FastestArrivalPriorityQueue类设计

(2)节点存储到达数据包的NodeArrivalPackage类设计

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，包括步骤：

源节点每次发送真实数据包之前，发送一个Go寻路数据包；

中继节点和目的节点均存储一个到达所述中继节点和目的节点的Go寻路数据包的优先队列；

目的节点把最快到达的Go寻路数据包的上一跳节点标记为最快到达节点，并返回一个Back寻路数据包回应源节点；并且根据Go寻路数据包估计接收真实数据包所需要的时间waitingTime；

Back寻路数据包在传递到源节点过程中，源节点和中继节点均会存储一个到达所述源节点和中继节点的Back寻路数据包的优先队列；

目的节点经过waitingTime后，如果没有收到真实数据包，目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点，并将已被使用的最快到达节点弹出优先队列；

源节点如果收到Back寻路数据包，就根据最短路径发送真实数据包，中继节点接收到真实数据包后，首先判断自己是否为最快到达节点，只有最快到达节点才有资格转发真实数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，所述中继节点和目的节点的Go寻路数据包的优先队列的大小以及中继节点和源节点的Back寻路数据包的优先队列的大小，均根据水下环境的状态预先设置：

如果水下环境恶劣、水流湍急，水下节点移动性较强，前期寻路数据包建立的路径具有较大概率无法使用，此时则需要增大优先队列的长度；反之减小优先队列的长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，源节点和中继节点存储Back寻路数据包优先队列过程以及中继节点和目的节点存储Go寻路数据包优先队列过程中，先达到优先队列的寻路数据包优先级高，在优先队列越靠前。

4.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，在使用备用次快到达节点发送Back寻路数据包时，如果目的节点收到真实数据包，则停止等待接收真实数据包的状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，设定传感器节点的***时间是同步的，waitingTime计算公式：

T_wait＝T_Back+T_{real_pkt}+T_bias

其中，T_Back表示Back寻路数据包从目的节点发包到源节点最快收包时间，与Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go是相等的；T_{real_pkt}表示真实数据包从源节点发包到目的节点最快收包的时间，T_bias表示一个取值为正值的偏置。

6.根据权利要求5所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，T_Back的计算方法为：

根据目的节点收到最快到达Go寻路数据包的时间和包结构中携带的源发送时间，作差计算得Go寻路数据包从发包到收包总时间T_Go，即得到T_Back；

T_{real_pkt}的计算公式为：

T_{real_pkt}＝T_p+T_{send_real}

其中，T_p为水下传播时延，T_{send_real}为真实数据包的发送时延。

7.根据权利要求6所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，T_p计算公式为：

T_p＝T_Go-T_{send_Go}

其中，T_{send_Go}为Go寻路数据包的发送时延，利用Go寻路数据包携带的TTL值可以知道Go寻路数据包转发的次数n，将Go寻路数据包的长度除以发送速率再乘以n得到T_{send_Go}；通过将真实数据包的长度值除以发送速率得到T_{send_real}。

8.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，所述目的节点判断优先队列内是否有备用的次快到达节点的步骤中，如果有备用的次快到达节点，则使用备用的次快到达节点发送Back寻路数据包；

如果备用的次快到达节点使用完，则通过泛洪的方式发送一个Failed数据包通知源节点重新发送Go寻路数据包，重新建路；

不管优先队列内是否有备用的次快到达节点，已被使用的最快到达节点都会被弹出。

9.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，源节点如果收到多个相同的Back数据包，则丢弃后面到达的Back数据包；源节点如果没有收到Back寻路数据包，而是收到Failed数据包，则重新发送Go寻路数据包建路。

10.根据权利要求1所述的一种基于备用路径的泛洪路由方法，其特征在于，中继节点判断自己是否为最快到达节点的方法为：

中继节点接收到真实数据包后，首先根据真实数据包存储的最快到达节点地址，判断自己是否为最快到达节点：若不是，则丢弃不转发；若是，则根据Back寻路数据包优先队列，将新的下一个最快到达节点地址填入真实数据包中，然后转发。

Images