CN111356202B - 一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法，包括：采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗；采用主被动混合路由模式；采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表；采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表。本发明能够有效提升窄带自组网和多跳传输的带宽效率。

Description

一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法

技术领域

本发明涉及窄带自组网技术领域，尤其涉及一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法。

背景技术

多跳路由是无线自组网技术领域中的一项重要研究内容，通常需要针对网络的应用场景和多跳网络的一般特性来设计特定的自组网路由协议。自组网的路由协议主要包括路径产生、路径选择和路径维护三项功能。其中，路径产生是根据网络状态信息和用户业务需求产生路径的过程，路径选择是根据网络状态、用户业务需求和其它信息选择合适的路径。路径产生和路径选择通常合在一起称为路由发现。自组网的路由协议设计需要综合考虑用户业务需求、网络能力以及自组网的特点和运行环境等因素做限定条件下的优化。

按照路由发现的策略，可以将自组网路由协议分成先应式、反应式、混合式路由以及地理位置辅助路由。先应式(表驱动)路由协议，采用生成树算法建立和维护面向全网节点的路由表，适用于网络拓扑动态变化较低的应用场景，其优势在于节点在传输信息时可以快速地获取路径，其传输延迟低。典型的先应式路由包括：最优链路状态路由协议、目的节点序列距离矢量路由、无线路由协议、鱼眼状态路由、逆向路径拓扑分发路由。

反应式(按需驱动)路由协议，不必周期性地广播拓扑信息，当节点有分组发送请求时才去寻找路由，能够在更好地适应网络拓扑变化同时，降低路由维护的网络开销。但是反应式路由的缺点也较为明显，长时间的路由发现会显著增加数据分组的端到端传输延迟，而且在分组发送频繁和拓扑变化很快的网络中其网络开销反而很大。典型的反应式路由协议包括动态源路由、自组网按需距离矢量路由、临时按序路由算法等路由协议。

基于混合结构的分区和分层路由协议则是针对网络规模较大、节点密度较高的网络环境设计的。分区路由综合了先验式路由低时延和反应式路由开销低的优势，使用区域组网策略减少网络负载，典型的分区路由协议包括：区域路由协议、地标路由协议、核心提取分布式路由。分层路由使用分簇结构构建连通支配集形成骨干网，通过区分簇内和簇间通信来减少网络负载，典型的分层路由协议包括：无线开放式最短路径优先协议、群首网关交换协议、分层状态路由。

基于地理位置辅助信息的路由通过增加位置信息，可以实施定向路由，增强路由的准确性，基于地理位置辅助信息的路由主要用于军事方面。典型的地理位置路由协议包括：地理位置辅助路由、移动距离效应路由算法、位置贪婪转发路由。基于精确的地理位置，甚至可以做到无路由转发，从而减少路由发现带来的附加时延和协议开销，如定向天线路由。

自组网具有拓扑结构动态变化、无线链路带宽有限、移动节点的计算能力有限等特性，使得自组网路由协议需要解决诸如路由环路、协议开销、移动适应性和可扩展性等问题。其中，路由开销是衡量自组网路由协议性能的重要指标，可以用单位时间内路由控制分组的传输量来表示，它是网络拓扑结构变化率的函数。解决路由协议的控制开销问题，可以采用的典型方法包括多点中继、多范围传播和增量消息技术。

多点中继通过链路状态信息的局部化限制来提高洪泛效率，最优链路状态路由协议是采用该技术的典型路由协议。多范围传播指的是路由区别对待不同距离的链路状态信息，通过设定链路状态信息的更新速率来减少控制开销，鱼眼状态路由协议是采用该技术的典型路由协议。增量消息指的是节点向邻居报告拓扑信息、路由表信息、邻接关系等信息时，只报告有变化的部分，通过减小控制分组的长度来降低开销，这种技术目的节点序列距离矢量路由、逆向路径拓扑分发路由等路由协议得到应用。

上述多点中继、多范围传播和增量消息技术，均采用拓扑控制消息和多跳广播机制，以泛洪方式向周围节点通告网络拓扑变化，消耗了有限的网络带宽。在窄带自组网中，链路承载能力有限，这种路由开销问题就会显得更为突出。

由此可以看出，在窄带链路带宽有限的条件下，现有自组网路由的协议开销超出了窄带链路的承载能力，且无法同时满足网络拓扑的适应性和数据传输的实时性两项性能指标。

因此，如何有效的提升窄带自组网和多跳传输的带宽效率是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法，采用主动/被动混合的路由策略在链路层进行中继传输，并通过压缩编码、广播时隙捎带信令和简化信令流程等手段来减少拓扑控制的信令开销，从而有效提升了窄带自组网和多跳传输的带宽效率。

本发明提供了一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法，包括：

采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP 头带宽消耗；

采用主被动混合路由模式，其中，被动路由模式不依赖路由表，通过有限次广播和2跳内的单播，实现分组中继服务；主动路由模式采取反应式路由策略，在分组转发过程中寻找到目的节点的路径，并向上游路径反馈信息，供其它节点建立和维护到目的节点的路由表；

采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表；

采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表。

优选地，所述采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗包括：

构建窄带自组网参考协议栈，其中，窄带自组网采用三层协议栈进行组网，包括高层、链路层和物理层；

数据业务传输适配组件完成节点识别号到链路层地址的地址转换，并递交给链路层进行数据传输。

优选地，所述采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表包括：

Hello消息定时触发广播操作，发送节点将自身的邻居信息压缩编码后封装到Hello消息中，进行广播发送；

接收节点收到Hello消息后，提取源节点的1跳邻居信息，并更新自身的 2跳邻居表，若捎带指示位有效，则进入捎带信息处理流程，若捎带指示位无效，则结束本次操作。

优选地，所述采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表，包括：

中间节点首先查询路由表或2跳邻居表，提取本节点到目的节点的有效路径；

将该有效路径编码，填充到指示当前路径的目的节点、指示当前路径的跳数字段；

将路由信息捎带指示位标志位置为有效，并进行广播发送；

接收节点读取Hello捎带的路径信息，更新本地路由表，形成到目的节点的最短径；

若新路径有效，则在本节点的Hello消息中继续捎带反向路径，并将指示当前路径的跳数加1；

若新路径无效，则终止携带路由更新消息；

若指示当前路径的跳数达到最大值，则终止继续携带路由更新消息；

节点接收到Hello消息携带的路径信息时，触发网内路由的更新流程，网内路由表计算采用最短路径算法。

综上所述，本发明公开了一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法，首先采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗；然后采用主被动混合路由模式，其中，被动路由模式不依赖路由表，通过有限次广播和2跳内的单播，实现分组中继服务；主动路由模式采取反应式路由策略，在分组转发过程中寻找到目的节点的路径，并向上游路径反馈信息，供其它节点建立和维护到目的节点的路由表；采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表；采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表。本发明采用主动/被动混合的路由策略在链路层进行中继传输，并通过压缩编码、广播时隙捎带信令和简化信令流程等手段来减少拓扑控制的信令开销，从而有效提升了窄带自组网和多跳传输的带宽效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法实施例的方法流程图；

图2为本发明公开的窄带自组网协议架构示意图；

图3为本发明公开的低开销路由协议示意图；

图4为本发明公开的Hello消息格式示意图；

图5为本发明公开的Hello消息处理流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明公开的一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法实施例的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S101、采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗；

现有自组网通常采用5层的TCP/IP协议栈，并通过IP协议和自组网路由协议为上层数据提供多跳中继服务。网络层在进行用户数据传输时，数据分组需要添加20字节的IP头(IPv4)。20字节的IP头可能已经远远超过窄带链路的单时隙承载能力，以9.6kbps的窄带链路、时隙宽度为10ms为例，其单时隙的最大承载能力为9.6kbps*10ms＝96bit＝12字节。所以窄带自组网需要更为精简的协议栈，用于减少或避免网络层寻址所带来的协议开销。

具体的，本发明所述窄带自组网仅采用3层协议栈进行组网，包括高层、链路层和物理层，窄带自组网协议架构如图2所示。其中，

高层协议的控制面核心功能包括传输控制、流量控制，用于高层业务的差错控制、按序交付和速率调节等功能，数据面核心功能包括信源编解码、加解密等，用于数据的传输适配和安全保障等功能。

链路层协议的控制面核心功能包括MAC控制、拓扑控制、低开销路由，分别实现无线信道的资源分配、基于邻居表的网络邻接状态维护、基于主被动混合的低开销路由方法；数据面核心功能包括地址转换、层2中继传输，分别实现高层地址到链路层地址的转换、以及基于链路层地址的中继传输功能。

物理层基于信道编解码、调制解调、扩频/解扩等关键技术向上层提供传输信道服务。

与传统自组网协议栈不同，本发明提供的窄带自组网参考协议栈中不包含网络层，由链路层完成传统协议栈中网络层的寻址和中继转发功能，节省了数据分组转发时的IP头开销。

在链路层数据收发处理时，数据业务传输适配组件完成节点识别号到链路层地址的地址转换，并递交给链路层进行数据传输。当节点接收到链路帧后，根据链路层帧头的信息判断：

若目的地址为本节点，则接收后做必要的解封帧、差错校验和地址转换后，交给高层；

若转发地址为本节点，则根据目的地址查询邻居表或路由表，更新帧头中的下一跳节点信息，实现链路层中继转发功能；

若目的地址和转发地址均非本节点，则丢弃本帧。

S102、采用主被动混合路由模式，其中，被动路由模式不依赖路由表，通过有限次广播和2跳内的单播，实现分组中继服务；主动路由模式采取反应式路由策略，在分组转发过程中寻找到目的节点的路径，并向上游路径反馈信息，供其它节点建立和维护到目的节点的路由表；

低开销混合路由协议判断数据业务的目的地址范围，并采用被动路由或主动路由模式为高层提供单播数据传输服务。在2跳范围内采用被动路由模式，2跳范围外采用主动路由模式建立反应式路由，最大程度地减少路由信息的多跳广播，低开销混合路由协议路由的传输过程如图3所示。

其中，被动路由模式为：若目的地址在2跳邻居表内，则用单播地址填充帧头目的地址字段，进行单播发送；

主动路由模式为：若目的地址不在2跳邻居表内，则用目的地址填充帧头目的地址字段，并进行广播发送，并设置TTL值为最大网络直径-2，用于限制广播次数；

接收到该业务的中间节点，若检测到目的地址在2跳邻居表内，则用单播模式转发业务，并用Hello消息携带路由响应消息给源节点；

若接收到该业务的中间节点，在2跳邻居表内，未检测到目的地址，则用广播模式继续发送，并将TTL值减1；

若TTL值递减为0，则停止广播；

接收路由响应消息的源节点，根据该信息更新自己的路由表，形成到达目的节点的多跳路由。

S103、采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2 跳拓扑表；

低开销混合路由协议的被动路由模式依邻居表转发，节点维护自身的2 跳邻居表，只向2跳邻居表内的目的地址转发数据包。拓扑维护过程和信息格式如下所述。

具体的，Hello消息包括2种类型：1)普通Hello消息，只包含邻居信息； 2)捎带路由的Hello消息，如图4所示。Hello消息的各字段定义如下：

TYPE：帧类型，2bit，可以识别4种帧类型，用于区分控制帧和数据帧；

Piggy Ind：路由信息捎带指示位，2bit，用于指示当前捎带信息是否有效，以及捎带信息的含义(路由更新、路由失效)；

Source ID：指示源节点地址；

Masked Neighbor Info：基于压缩编码的邻居表，1为有效，0无效；

Dest ID：指示当前路径的目的节点；

Hop Count：指示当前路径的跳数；

上述字段中，Source ID、Dest ID、Masked Neighbor Info的字长可以根据网络实际容量进行调整。

具体的，在Hello消息处理时，本发明所述的拓扑维护处理流程仅涉及链路层操作，如图5所示。基于Hello消息的拓扑维护分为发送、接收处理2部分：

发送处理：Hello消息定时触发广播操作，发送节点将自身的邻居信息压缩编码后封装到Hello消息中，进行广播发送；

接收处理：接收节点收到Hello消息后，提取源节点的1跳邻居信息，并更新自身的2跳邻居表；

若捎带指示位有效，则进入捎带信息处理流程，若捎带指示位无效，则结束本次操作。

S104、采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表。

2跳外中继采用反应式路由策略：一方面，路径信息通过Hello消息携带，无需占用额外的信道资源；另一方面，路径更新伴随Hello消息进行单次广播，可以避免多跳广播带来的带宽消耗和广播风暴问题。

具体的，捎带信息发送处理为：

目的地址在2跳邻居表或到目的地址有路径的中间节点，通过本节点的 Hello消息向源节点反馈路由响应：

中间节点首先查询路由表或2跳邻居表，提取本节点到目的节点的有效路径；

将该有效路径编码，填充到Dest ID、Hop Count字段；

将Piggy Ind标志位置为有效，并进行广播发送；

具体的，捎带信息接收处理为：

接收到捎带信息的节点，进行捎带信息的接收处理：

接收节点读取Hello捎带的路径信息，更新本地路由表，形成到目的节点的最短径；

若新路径有效，则在本节点的Hello消息中继续捎带反向路径，并将Hop Count加1；

若新路径无效，则终止携带路由更新消息；

若Hop Count达到最大值(5跳)，则终止继续携带路由更新消息；

具体的，路由计算和更新为：

节点接收到Hello消息携带的路径信息时，触发网内路由的更新流程，网内路由表计算采用最短路径算法。

综上所述，本发明提供了被动和主动结合的混合路由模式，被动路由模式不依赖于路由表即可完成数据传输，主动路由模式伴随被动路由的扩散过程建立反向路径，能够支持路由学习和多跳网络拓扑扩展，上述两种机制同时保证了数据传输的实时性和动态网络的拓扑适应性；本发明所述的链路层中继传输方法，直接在链路层实现中继转发功能，减少了IP头带来的协议开销，有效节省了窄带自组网的带宽消耗；本发明所述低开销拓扑控制方法，综合采用单跳广播、压缩编码等手段有效降低协议开销，一方面，节点仅通过单跳广播的Hello消息进行拓扑维护，避免多跳广播消息带来的洪泛问题；另一方面，对Hello消息进行压缩编码，可以最大限度地减少信令负载；本发明所述捎带式路由更新方法，通过Hello消息携带反向路径信息，并进行单次广播，可以消除传统自组网拓扑更新机制中的多跳广播带来的“广播风暴”问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种用于窄带自组网的低开销混合路由协议方法，其特征在于，包括：

采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗；

采用主被动混合路由模式，其中，被动路由模式不依赖路由表，通过有限次广播和2跳内的单播，实现分组中继服务；主动路由模式采取反应式路由策略，在分组转发过程中寻找到目的节点的路径，并向上游路径反馈信息，供其它节点建立和维护到目的节点的路由表；

采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表；

采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表；

所述主动路由模式采取反应式路由策略，在分组转发过程中寻找到目的节点的路径，并向上游路径反馈信息，供其它节点建立和维护到目的节点的路由表，包括：

若目的地址不在2跳邻居表内，则用目的地址填充帧头目的地址字段，并进行广播发送，并设置TTL值为最大网络直径-2，用于限制广播次数；

若接收到业务的中间节点，在2跳邻居表内，检测到目的地址，则用单播模式转发业务，并用Hello消息携带路由响应消息给源节点；

若接收到业务的中间节点，在2跳邻居表内，未检测到目的地址，则用广播模式继续发送，并将TTL值减1；

若TTL值递减为0，则停止广播；

接收路由响应消息的源节点，根据反馈信息更新路由表，形成到达目的节点的多跳路由。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用链路层中继传输方式，通过简化协议栈，减少网络层中继带来的IP头带宽消耗包括：

构建窄带自组网参考协议栈，其中，窄带自组网采用三层协议栈进行组网，包括高层、链路层和物理层；

数据业务传输适配组件完成节点识别号到链路层地址的地址转换，并递交给链路层进行数据传输。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用低开销拓扑控制方式，节点间周期***换邻居信息，并采用压缩编码进行信息压缩和单跳广播，用于建立和维护被动路由模式所依赖的2跳拓扑表包括：

Hello消息定时触发广播操作，发送节点将自身的邻居信息压缩编码后封装到Hello消息中，进行广播发送；

接收节点收到Hello消息后，提取源节点的1跳邻居信息，并更新自身的2跳邻居表，若捎带指示位有效，则进入捎带信息处理流程，若捎带指示位无效，则结束本次操作。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用捎带式路由更新方式，节点通过Hello消息的扩展字段捎带到目的节点的路径信息，并沿反向路径向上游节点扩散，用于上游节点更新主动路由模式下所需的路由表，包括：

中间节点首先查询路由表或2跳邻居表，提取本节点到目的节点的有效路径；

将该有效路径编码，填充到指示当前路径的目的节点、指示当前路径的跳数字段；

将路由信息捎带指示位标志位置为有效，并进行广播发送；

接收节点读取Hello捎带的路径信息，更新本地路由表，形成到目的节点的最短径；

若新路径有效，则在本节点的Hello消息中继续捎带反向路径，并将指示当前路径的跳数加1；

若新路径无效，则终止携带路由更新消息；

若指示当前路径的跳数达到最大值，则终止继续携带路由更新消息；

节点接收到Hello消息携带的路径信息时，触发网内路由的更新流程，网内路由表计算采用最短路径算法。

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