时间：2022-12-03 18:18:18
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇路由协议，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
一、动态路由协议OSPF
在计算机网络中，路由器是一个转运站，网络数据的目的是网络通过路由器进行转发，转发是基于路由表。路由协议路由表，路由协议，作为一种重要的TCP / IP协议的，路由过程实现好坏将直接影响到整个网络的效率。简单网络可以通过静态路由协议之间的网络路由，如果您正在使用一个静态路由协议，路由表将会非常大，静态路由不会考虑网络负载的现状，并不能自动适应网络拓扑的变化和路由效率。所以，在现代计算机网络，通常使用动态路由协议自动计算最佳路径。OSPF动态路由协议，使用SPF演算法，用于选择最佳路径。基于带宽更快的收敛速度，支持变长子网掩码VLSM，路由强大的测量大型网络（255），大多数人支持OSPF路由器的数量，现在已经成为最广泛使用的动态路由协议的内部网关协议。
二、动态路由协议分类
（1）根据角色路由协议的范围可分为：内部和外部网关协议。内部网关协议运行是在一个自治系统中，外部网关协议是自治系统之间的轮换。OSPF是一个最常用的内部网关协议。根据算法和路由协议可以分为链路状态和距离向量协议，距离矢量协议包括RIP和边界网关协议。链路状态协议与OSPF是基本相同的，主要区别在上述两个算法和计算发现路由的方法。
（2）根据目的地址的路由协议类型可分为：单播和多播协议。单播协议包括RIP、OSPF和东部，包括PIM SM -多播协议，PIM - DM，等等。根据网络规模，应增加路由器运行OSPF协议的数量，并将导致LSDB（链路状态数据库）占用大量的存储空间，增加SPF（最短路径优先）算法操作的复杂性，增加CPU的负担。根据网络规模增加拓扑变化的概率也将增加，每一个变化可能导致网络路由器计算“动荡”，根据网络往往会导致所传播的网络会有很多OSPF协议信息，减少网络带宽的利用率。为了解决这个问题，OSPF协议将自治系统分为不同的区域（区域）。逻辑路由器的区域被划分为不同的群体。每个区域独立于SPF路由算法的基础上运行，这意味着每个地区都有自己的LSDB和拓扑的一部分。对于每个区域，区域外的网络拓扑是不可见的。同样，每一个区域的路由器也不了解该地区以外的网络结构。OSPF LSA无线电阻碍该地区边界，大大减少了OSPF路由信息流动，提高了OSPF运行效率。路由器接口基于区域，而不是划分基于路由器，路由器可以属于一个区域，也可以属于多个领域。属于多个区域称为区域边界路由器，OSPF路由器应注意边界路由器特征，可以呈现主体与部分之间的关系，也可以是一个逻辑连接。
三、OSPF协议的路由算法
OSPF CO pen最短路径优先，使用开放最短路径优先协议，选择最佳路径最短路径算法（SPF），也被称为Dijkstra算法。SPF演算法是基于OSPF路由协议的，SPF算法将每个路由器作为根（ROOT），计算每个目的地的距离路由器，每个路由器拓扑结构的计算方法是根据一个统一的数据库，结构类似于一个树，SPF演算法得到最短路径树。OSPF路由协议，根据树干的最短路径长度，即每个目的地路由器的OSPF路由器距离，称为OSPF成本，根据最短路径通过最小化的成本价值判断每个路由器基于成本的总和值链接。每个路由器使用SPF演算法来计算最短路径树的根，树便给了自治系统路由，路由器从表中每个节点基于最短路径，最短路径树结构是不同的每个路由器的路由表。
四、OSPF协议网络规划
1、网络的规模。当网络中的路由器的数量小于10，你可以选择配置静态路由或运行RIP路由协议。随着路由器的数量的增加，用户网络的变化对于路由收敛和网络带宽利用率有更高的要求，比如你应该选择使用OSPF协议。
2、拓扑结构。如果网络拓扑结构是树型（大多数这种结构的特点是一个网络路由器只有一个出口），可以考虑使用默认路由加静态路由。如果网格网络拓扑结构和任意两个路由器的需求相通，应该使用OSPF动态路由协议。
3、对路由器自身的要求。运行OSPF协议对于CPU处理能力和内存有一定要求，低性能不推荐使用OSPF协议的路由器。为了使网络通信规划基于OSPF协议应考虑各种因素，找出IP资源、信道带宽、网络流量，如根据实际的网络环境形成的思维和方法配置和应用程序需求，避免造成不必要的混乱，网络拓扑结构调整将时消除隐患。通过在实践中不断学习，系统、全面地掌握网络路由设备、工作原理和动态路由协议。通过OSPF网络设计思想，提高网络管理水平，确保网络的安全、可靠、开放。
参 考 文 献
[1]王达.Cisco/H3C交换机配置与管理完全手册（第2版）[M].北京：中国水利水电出版社，2012
[2]公凌.路由和动态路由协议介绍及配置分析[fJl.机电信息，2013（9）：85一86
关键词：Ad Hoc网络； 按需距离矢量路由协议； ns-2
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）26-6002-03
自组网（Ad Hoc Networks）是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性自治系统[1]。作为现有网络的一种补充和扩展，自组网主要应用在没有网络基础设施支持的环境中，或现有网络不能满足移动性等要求的场合。例如，军事作战前线、救灾现场、临时会议等等。由于Ad Hoc网络是一种分布的、移动的、无线的、多跳网络，其运行仅利用节点自身，所以如何快速准确地找到发送数据包的路由并且维护路由，将最终决定Ad Hoc网络的性能，而AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing）是专门为移动自组网设计的按需路由协议，它在DSDV和DSR路由协议的基础上改进得到，结合了两者的特点[1，2]。它由路由发现机制和路由维护机制两部分组成，同时使用序列号来管理区分路由信息的新旧，相对其它路由来说，是比较成熟、可用的一种协议。
1 AODV简介
AODV是专为Ad Hoc 网络设计的按需路由。它使得移动节点能够动态地、自启动地、多跳地建立和维护一个ad hoc 网络。AODV路由基于DSDV和DSR之上，在建立路由的方式上对DSDV进行了改进，利用了DSDV的按跳（hop-by-hop）路由、顺序编号和周期更新的机制，借用了DSR的路由发现和路由维持机制，不在源/目的节点间被选路径上的节点不需要维护路由信息或参加路由表交换[3]。AODV的主要特征是每个路由表项都有一个目的序列号。该目的序列号由每个节点来维护，而且该目的序列号会沿着路由信息发送到请求节点。
2 AODV的机制与改进
2.1 AODV路由发现机制
文章主要介绍AODV协议的路由发现机制。当某一节点试图给某一未知节点发送分组但其路由表中又没有去往这个目的节点的路径，或先前的去往该目的节点的有效路由已经过期或被置为不活动时，该节点启动路由发现机制，广播路由请求消息RREQ给它的邻居节点，该节点为源节点。路由请求消息的格式[4]如下：
其中：Type：表示消息的类型，这里统一为1，表示该包为路由请求包。
D：若此标记被置为true，表示只有目的节点才能初始化路由应答消息；否则，凡是知道去往目的节点的路径的中间节点都可初始化路由应答消息。
G：若此标记被置为true，当中间节点产生路由应答时，在单播返回源节点的同时，无偿地发送到目的节点。只有在双向链路的时候才能置该值。
Hop Count：表示从源节点到该节点的跳数；
RREQ-ID：标识RREQ的序列号；
Path Node：从源节点到目的节点所经过的节点。
每个节点有两个独立的计数器：节点的序列号和广播号。唯一确定一个路由请求。当源节点产生一个新的RREQ，这个RREQ的ID号比上一次RREQ的ID号大1，每个节点只维护一个RREQ-ID。在广播RREQ之前，源节点缓存RREQ-ID和它自己的地址，在预期的路由发现的时间内一直保存，以避免在接收到路由应答的时候继续转发请求包[5]。在一段时间后，如果节点没有收到路由信息，则应发送另一个路由请求信息，同时RREQ-ID增1。重复发送RREQ的次数应有一个最大值。等待发送的数据包按“先进先出（FIFO）”的原则存在发送队列中，如果重复发送RREQ的次数达到最大值，则丢弃该包。
2.2 AODV协议的改进
无线网络的终端可能是笔记本电脑、手机或PDA之类的设备，当笔记本电脑重启后，原先那些数据可能会丢失（路由表清空，序列号重设），这时，由于序列号的重新设置，很有可能造成暂时性的路由环路。这种暂时性的路由环路会造成不必要的路由和带宽的浪费，应当尽量防止这种现象的发生。
为了防止这种可能的发生，文章对那些重启后丢失自己序列号的节点在发送路由消息之前，设置等待时间x。在这段时间x里，如果节点接收到RREQ、RREP或是RERR控制包，则它根据控制包中的相应信息（比如序列号）建立路由表项，但它不进行任何的转发。如果在x时间段内，节点接收到单播发往某个目的节点的数据包，则该节点应广播RERR消息通知周围节点，本节点现在不可用，然后重新等待x时间。在这段时间之后，重启节点跳出等待状态，重新开始路由，在这个时候，它的所有邻居节点将不会再认为该节点是它们的下一跳了，从而避免了路由环路的形成。该节点根据接收到的RREQ来更新自己的序列号；如果没有接收到RREQ，节点将自行初始化序列号，但不为0，0为保留数字，表示未知节点。
3 路由仿真实现
为了验证改进的效果，在研究的过程中采用Ns-2（Network Simulator 2）网络仿真软件进行模拟实验[6]。针对上节对AODV的改进方法，在理解ns-2中有关AODV代码的情况下，对其进行修改完善。定义的重启后节点等待时间为5s，在这段时间内，节点只能接收路由信息，根据路由消息中的信息填写自己的路由表信息，如果接收到数据包，则丢弃该包，发送路由出错消息RERR给发送数据方。实验场景是在一个500m*500m的范围内，一共10个节点，节点随机的静止时间为0.1s，最大速度为30m/s。
实验仿真结果如图1和图2所示，下面对模拟所得的数据进行简单的分析。图1和图2分别展示了不同网络场景的增加重启动作后的网络性能和没有增加重启动作的网络性能的比较图。在图1中，在2s时，节点1启动cbr流量发生器，这时，节点1广播路由请求消息RREQ，一直到3.8s，节点1才找到路由，发送数据包，查找路由一共花费了1.8s时间；而在图2中，节点1也是在2s时启动cbr流量发生器，但由于增加了重启动作，所以在前5s内，它没有广播RREQ消息，而是通过hello消息包互相知道彼此的信息，填入自己的邻居节点路由表信息中去。根据实验数据，在5s时节点1广播了第一个路由请求消息，5.2s时节点1找到路由，发送了第一个数据包，这在一定程度上表明所改的程序运行的正确性。
在采用是相同的网络场景、相同的路由协议（只，而得到不同的数据图，这是因为在5s的时候，图1中的节点1还在使用它在3.8s找到的路径，因为这条路径没有损坏，而此时可能这条路径不是节点1到节点0的最短路径，那些比它更短的路径会较先返回RREP给节点1。这样导致了在同样的网络场景，使用同样的AODV的情况下，因时间上的小小差异，而得到不同的结果。
4 结论
本文介绍了Ad Hoc网络的基本原理、并对影响其性能的关键点—路由协议问题进行了研究。路由协议的选择要根据网络的具体环境和具体要求决定。在众多的路由协议中，选择AODV作为研究的重点，因为它是专门为Ad Hoc网络设计的按需型路由协议，具有一定的代表性。在对AODV 路由协议的机制和原理进行研究分析的基础上，提出了一种种改进的AODV协议，用来避免路由环路，降低由路由环路造成的不必要的路由和带宽的浪费。Ad Hoc无线分组网络的研究是一项长期而艰巨的工作，依然有许多尚待解决的问题，有待于在今后的工作中做进一步的分析研究。
参考文献：
[1] Mohapatra P，Srikanth V K.Ad hoc networks： technologies and protocols[M].New York： Springer，2005.
[2] 陈林星，曾曦，曹毅.移动Ad Hoc 网络：自组织分组无线网络技术[M].北京：电子工业出版社，2012.
[3] 黄全乐.Ad Hoc 网络的发展及其应用前景[J].山西电子技术，2007（1）：85-87.
[4] Sachin Kumar Gupta，R.K.Saket.Performance Metric Comparision of AODV and DSDV Routing Protocols in MANETs Using NS-2 [J].IJRRAS，2011，7（3）： 339-350.
>> 能量高效的WSN分簇路由协议研究 WSN中路由协议的研究 基于WSN的防火装置路由协议的设计 WSN中基于LEACH的改进路由协议 WSN定向扩散路由协议的改进和实现研究 WSN经典路由协议比较 基于地理信息的WSN的路由协议的比较研究 基于混合型智能算法的WSN路由协议优化 一种基于分层的簇首成链WSN路由协议 基于WSN带状网络路由协议研究 基于分簇的WSN路由算法研究及改进 一种WSN中分簇路由算法的改进 基于蚁群算法的WSN路由应用研究 一种改进基于WSN路由安全的研究 基于节点休眠机制的WSN路由优化 基于网络拓扑优化的WSN最小跳路由算法 基于能耗和距离的WSN分簇路由算法 WSN中基于位置和能量的LEACH协议改进 睡眠调度MAC协议在WSN中的应用 WSN中LEACH协议的研究及改进 常见问题解答 当前所在位置：l.
[4]X.Chen，J.Wu，The Handbook of Ad Hoc Wireless Networks，CRC Press Inc（2002年12月26日）.
[5]Jeffrey E.Wiesel their，Gam D.Nguyen and Anthony Ephremides，On the Construction of Energy-Efficient Broadcast and Multicast Trees in Wireless Networks，Nineteenth Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.Proceedings.IEEE，Volume：2.
[6]K.Makki，N.Pissinou，and O.Frieder，“Efficient solutions to multicast routing in communication networks，”Mobile Networks and Applications （MONET），1，pp.221-232，1996.
[7]E.M.Royer and C.K.Toh，”A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks，”IEEE Personal Comm.，pp.46-55，Apr.1999.
[8]3.P.Bose，P.Morin，I.Stojmenovic and J.Urrutia，”Routing with Guaranteed Delivery in Ad Hoc Wireless Networks，”Proc.Third Int’，l Workshop Discrete Algorithms and Methods for Mobile Computing and Comm.，pp.48-55，Aug.1999.
[9]Wendi Rabiner Heinzelman，Anantha Chandrakasan and Hari Balakrishnan，Energy-Efficient Communication Protocol forWireless Microsensor Networks，Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences-2000.
[10]Charles E.Perkins，Elizabeth M.Belding-Royer，Samir R.Das，Ad hoc网络中基于距离数组的按需（AODV）路由协议，2003.7.http：///link？url=wdahusmqcYoqMAGq81MdZYTuDwMcPbeYLf8iiejzW51OPHC_mphWpnS7Sg0oGwnWCBC0EodzmTQhIEa2m7SUnIe8BQZzH1ujRCCYEYvGJr3.
[11]Wendi Rabiner Heinzelman，Joanna Kulik，Hari Balakrishnan，Adaptive Protocols for Information Dissemination in Wireless Sensor Networks，in：Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking（MobiCom99），Seattle，WA，Aug.15-19，1999.
[12]K.Scott，N.Bambos，Routing and channel assignment for low power transmission in PCS，California Univ.，Los Angeles，CA In proceeding of：Universal Personal Communications，1996.Record.，1996 5th IEEE International Conference on.
[13]Toh，C.K.，Maximum battery life routing to support ubiquitous mobile computing in wireless ad hoc networks，Communications Magazine，IEEE （Volume：39， Issue：6）2001.
[14]I.F.Akyildiz，W.Su，Y.Sankasubramaniam，E.Cayirci，Wireless sensor networks：A survey，Computer Networks 38（2002） 393-422.
[15]Suesh Singh and Mke Woo，Power-Aware Routing in Mobile Ad Hoc Networks，12/2001，Source：CiteSeer，http：///publication/2379876_Power-Aware_Routing_in_Mobile_Ad_Hoc_Networks.
[16]Bambos，N.Stanford Univ.，CA，USA，Toward power-sensitive network architectures in wireless communications：concepts，issues，and design aspectshttp：///xpl/freeabs_all.jsp？arnumber=683739.
关键词:RIP;OSPF;BGP;Netsim;Dynamips;zebra
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-3878-03
Actual Situation Combining Studying Routing Protocol
LI Wan-gao, HU Yao-dong
(Network Management Center, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191,China)
Abstract: Routing protocols is a important member of the TCP/IP protocol family, Is the cornerstone of the current Internet, First, this paper introduce several going routing protocols for the current Internet applications,analyzes the characteristics of the three most important routing protocols( RIP,OSPF,BGP). Then combine the network teaching and network training, Introduce several virtual or simulation methods, Study, configure, analysis the related routing protocols.We realize to study ,configure, analysis routing protocol and to capture, analysis the protocols at the lower of teaching, training costs.
Key words: RIP; OSPF; BGP; netsim; dynamips; zebra
1 引言
由于当前社会信息化的不断推进,人们对数据通信的需求日益增加。自TCP/IP协议簇于七十年代中期推出以来,现已发展成为网络层通信协议的事实标准,基于TCP/IP的互联网络也成为了最大、最重要的网络。路由器作为IP网络的核心设备已经得到空前广泛的应用。
2 路由器的概念及工作原理
路由器是工作在OSI参考模型第三层--网络层的数据包转发设备,它通过路由表决定数据的转发,转发策略称为路由选择(routing),这就是路由器名称的由来(router,转发者)。路由器通过转发数据包来实现网络互连,所以路由器是Internet网络的主要节点设备。
虽然路由器可以支持多种协议(如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等协议),但大多数路由器运行TCP/IP协议。路由器通常连接两个或多个由IP子网或点到点协议标识的逻辑端口,至少拥有1个物理端口。路由器根据收到数据包中的网络层地址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址,并且重写链路层数据包头实现转发数据包。路由器通过路由表来反映当前的网络拓扑,并通过与网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表。
3 主流路由协议及特点
决定路由器转发数据的方法可以是人为指定,即采用静态路由,但人为指定工作量大,而且不能采取灵活的策略,于是动态路由协议应运而生,动态路由协议通过传播、分析、计算、挑选路由,来实现路由发现、路由选择、路由切换和负载分担等功能。
Internet上现在大量运行的路由协议有RIP、OSPF和BGP。RIP、OSPF是内部网关协议(Interior Gateway Protocol,简称IGP),适用于单个ISP的网络。由一个ISP运营和管
理的网络称为一个自治系统(AS),BGP是自治系统间的路由协议,是一种外部网关协议。
RIP协议(Routing Information Protocol)是推出时间最长的路由协议,也是最简单的路由协议。它是“路由信息协议”的缩写,主要传递路由信息(路由表)来广播路由:每隔30秒,广播一次路由表,维护相邻路由器的关系,同时根据收到的路由表计算自己的路由表。RIP运行简单,适用于小型网络,Internet上还在部分使用着RIP。
OSPF(Open Shortest Path First)协议是“开放最短路由优先”的缩写。“开放”是针对当时某些厂家的“私有”路由协议而言,而正是因为协议开放性,才造成OSPF今天强大的生命力和广泛的用途。它通过传递链路状态(连接信息)来得到网络信息,维护一张网络有向拓扑图,利用最小生成树算法(SPF算法)得到路由表。OSPF是一种相对复杂的路由协议。
总的来说,OSPF、RIP都是自治系统内部的路由协议,适合于单一的ISP使用。一般说来,整个Internet并不适合使用单一的路由协议,因为各ISP有自己的利益,不愿意提供自身网络详细的路由信息。为了保证各ISP利益,标准化组织制定了ISP间的路由协议BGP。
BGP(Border Gateway Protocol)是“边界网关协议”的缩写,处理各ISP之间的路由传递。其特点是有丰富的路由策略,这是RIP、OSPF等协议无法做到的,因为它们需要全局的信息计算路由表。BGP通过ISP边界的路由器加上一定的策略,选择过滤路由,把RIP、OSPF、BGP等的路由发送到对方。BGP的出现,引起了Internet的重大变革,它把多个ISP有机的连接起来,真正成为全球范围内的网络。
4 学习路由协议的方法
动态、健壮的路由对于 Internet 网络来说极其重要,因此任何一个初涉此领域的网络工程师不仅需要理解路由的概念,而且要有能力在复杂的的网络环境下正确使用各种路由协议。但是,对于大多数人来说,只有在学校或者网络实验室环境中才有条件学习路由,而且还要一直受到实践时间和实践条件的困扰。如何克服这些不利的条件快速、高效地学习并掌握路由器的配置?掌握动态路由的交互过程?下面结合作者的体会,给出了三种虚实结合的学习路由协议的方法。
4.1 使用模拟软件
这种方法被网络培训机构广泛的使用,通常培训机构的做法是购买一到两台低端的路由器,让学员熟悉硬件基本结构及软件的配置管理后,大量使用模拟软件来代替真实的实验。例如,思科的认证大量使用Boson Netsim for CCNA(CCNP)等软件,华为的认证采用HW-RouteSim等软件。
这些软件共同的特征是通过经典的实验,让学员快速掌握设备配置的能力,但这些实验的共同特征是受到设备数量的限制,通常不会多于3台,很难进行对动态路由的配置及检验,即使使用自定义实验,也很难有改观,基本无法使用抓包工具进行协议分析。这样的实验基本是以单个设备为出发点的,对深入了解路由协议的交互作用不大。
4.2 使用Dynamips加真实的IOS
Dynamips是Christophe Fillot编写的一个Cisco7200模拟器。它模拟了Cisco7206的硬件平台,而且运行了标准的7200 IOS文件,目前的版本(0.2.8RC2,20071014)已经可以模拟出Cisco 7200 (NPE-100 to NPE-400),Cisco 3600 (3620, 3640 and 3660),Cisco 2691,Cisco 3725, Cisco 3745,Cisco 2600 (2610 to 2650XM),Cisco 1700 (1710 to 1760)等路由器。在Web站点,这种模拟器作用如下:
1) 作为一个培训平台,使用真实环境中的软件。Cisco作为网络技术的全球领头人,这款模拟器会让大家更熟悉Cisco的设备。
2) 测试和试验Cisco IOS的特性。
3) 快速检验即将在真实环境中部署的配置
当然,这个模拟器不能替代真实的路由器,对于Cisco网络管理员或者想通过CCNA/CCNP/CCIE考试的人来说,是一个简单补充真实实验室的工具。可以在ipflow.utc.fr/blog/ 网站下载原版的Dynamips,提供的有windows和Linux版本,如果不想深入了解Dynamips的机制,仅仅想用其做试验,推荐使用工大普瑞集成好的软件试验包,可以在/ 下载。
Dynamips的优点是它是开放源代码的系统,并运行了真实的IOS系统,拉近了我们到高端路由的距离。使我们的计算机变成了一台路由器,在目前的主流配置计算机上,运行5个路由器是没什么问题的,可以很方便的熟悉Cisco路由器,检验即将工作的路由器的配置,可以分析路由的交互。Dynamips的不足是对计算机的CPU占用率有点高(通过对参数的修改,可以改变),另外抓取路由间交互的路由信息的不太方便。
4.3 使用Zebra路由软件
Zebra 是一个开源的 TCP/IP 路由软件,同 Cisco Internet 网络操作系统(IOS)类似。它灵活而且具有强大的功能,可以处理路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议(BGP)以及这些协议的所有变体。它的发行遵循 GNU 通用公共许可协议,可以运行于 Linux 以及一些其他的 Unix 变体操作系统上。最新版本的 zebra-0.95a (20050908) 以及文档可以从 GNU Zebra 网站上下载。
Zebra 的设计独特,它采用模块的方法来管理协议。可以根据网络需要启用或者禁用协议。Zebra 最为实用的一点是它的配置形式和 Cisco IOS 极其类似。尽管它的配置与 IOS 相比还是有一些不同,但是对于那些已经熟悉 IOS 的网络工程师来说在这种环境下工作将相当自如。
我们以Fedora Core 4 Linux为例,安装测试zebra-0.95a的功能,可以采用普通的PC机或Vmware虚拟出的客户机,安装两块以上能被系统识别的网卡。首先从下载zebra-0.95a.tar.gz,解压缩后直接按Install文件的过程安装,./configure,make,make check,make install完成安装,安装完成后配置文件位于/usr/local/etc/下,包括bgpd.conf.sample,bgpd.conf.sample2,ospf6d.conf.sample,ospfd.conf.sample,ripd.conf.sample,ripngd.conf.sample,zebra.conf.sample等文件。
基本配置和使用:zebra 守护进程是实际的路由管理者,控制着其他模块;而且用户主要通过它进行交互。最先需要配置Zebra 守护进程,将zebra.conf.sample拷贝为zebra.conf,Zebra.conf 配置文件的内容很简单,除了注释外有效的为以下三行。
hostname Router
password zebra
enable password zebra
hostname 指定了当您进入交互式配置方式时的路由器名。它可以是任何一个标识,不一定要和机器的主机名相同,password 指定了登录进入交互式 Zebra 终端时需要的密码。enable password 指定了当您想要改变配置时以较高级别身份访问 Zebra 所需要的密码。
创建了 /etc/zebra/zebra.conf 文件以后,我们现在可以执行下面的命令来启动 zebra 守护进程:
# zebra Cd
然后通过 telnet 到的机器的 2601 端口,就可以进入 Zebra 交互式会话。
在交互式终端中操作很简单。要获得可用命令的提示,您可以在任何时刻按?键,然后命令的选项就会出现在屏幕上。如果您正在构建您自己的 Zebra 路由器,而且您有配置 Cisco 路由器的经验的话,您会觉得这个配置过程非常熟悉。
到这里为止,只有 Zebra 被配置好并且运行起来了,但是还没有任何其他的协议。接下来将进入配置的实质内容,下面介绍这一过程。
使用 Zebra 安装配置 RIP 路由,我们已经在Linux上安装配置了网络接口,接下来我们再对它进行配置,使之可以与 RIP更新协同工作。正如已经提到过的,Zebra 使用单独的守护进程来实现路由协议,所以必须首先为 RIP 守护进程在/usr/local/etc/目录下创建一个简单的配置文件ripd.conf,可以直接将ripd.conf.sample拷贝而得到。一个基本的 /usr/local/etc/ripd.conf 文件内容如下:
hostname ripd
password zebra
然后我们启动 ripd 守护进程 :
# ripd -d
完成后,我们可以 telnet 到Zebra 路由器的 2602 端口来配置 RIP 守护进程。
OSPF路由,BGP路由也和RIP路由的配置类似。
Zebra是这三种软件中最为强大的一个软件,它可以将一个普通的PC机,变为一个功能强大的路由器,通过和相关的网卡连接,可以和真实的路由器交换路由信息,可以通过Sniffer等工具抓取相应的路由会话,了解动态路由的交互。
5 结束语
Boson Netsim for CCNA(CCNP),HW-RouteSim等软件,给我们提供了一些经典的网络配置案例;Dynamips让我们运行了真实Cisco的IOS;Zebra将普通的PC变为了路由器。通过对真实路由器的了解,结合模拟或仿真的路由环境,可以让即将步入岗位的网络工程师快速地了解、掌握动态路由的配置,同时也能给网络知识的教学或培训提供一种很好的帮助。
参考文献:
[1] Christophe Fillot, Help for Cisco router simulator.[R] ipflow.utc.fr/blog/.
[2] Steve6309. Dynamips使用指南.[R] /.
关键词：《路由协议与配置》实验 实验教学模式 实验教学实施
《路由协议与配置》是一门实践性很强的课程，实验是一个重要的教学环节，通过实验不但可以强化所学习的理论，而且可以把这些理论知识转化为实践技能。使他们毕业后能顺利地到中小型企业、公司从事网络设计、组装、管理和维护工作。为了实现这一教学目标，构建一个恰当的实验教学模式极其重要。[1]
一、《路由协议与配置》实验教学模式简介
《路由协议与配置》这门课程，主要培养学生对网络的分析、设计、管理与应用的实验技能，加深对网络理论知识的理解与应用，以达到懂、建、管、用的目的。通过《路由协议与配置》实现全过程的教学，即从质疑出的问题开始，经设计、实验、释疑或分析该实验现象和数据，写出报告的过程中，是学生通过观察和实验手段处理《路由协议与配置》问题时的基本程序和技能，具备敢于质疑的习惯，严谨、求实的态度和不断求索的精神，培养学生的观察能力、思维能力和操作能力，学会思考问题、解决问题，提高学生对《路由协议与配置》学习的动机和兴趣，培养一技之长。
《路由协议与配置》从本质上说是一门实验课程，理论的建立，都必须以严格的《路由协议与配置》实验为基础。在观察和实验中，需要掌握基本程序和技能，要有严谨、求实的态度和勤于思考、寻求规律的探索精神，以及较强的观察能力、思维能力和操作能力。为了更好地实现《路由协议与配置》实验教学目标，需要恰当可行的实验教学模式，即“理论，实验，实训，设计”四位一体。理论，即课堂中所学的知识“够用”即可;实验，即在学到的理论知识指导下，学会检测某些《路由协议与配置》数据，学会使用基本的网络设备，能按一定的要求正确完成《路由协议与配置》实验操作，分析和处理所得结果;实训，即与就业岗位紧密接轨的各种实验;设计，即以现有就业岗位为目标，推进高级应用型人才的培养。[2]
二、《路由协议与配置》实验教学实施
行动导向是一个教学论方案，它将认知过程与职业活动结合在一起，强调“为了行动而学习，在行动中学习”。教师是学的主导者和协调者，而学生则是学习的主体，学生在学习过程遵循“资讯、计划、决策、实施、检查、评估”这一完整的行动过程序列，在自己动手的实践过程中，掌握职业技能、习得专业知识，构建属于自己的经验和知识体系。教学的关键在于为学生创建“学习情境”，所以主要的教学场所以实训室为中心，主要的教学组织形式是分组教学，主要教学方法为“理论，实验，实训，设计”四位一体。为了有效开展教学，我们根据计算机网络技术专业特点加强了网络实训环境的建设，我院组建了网络综合实训室，该实训室由5个网络实验工作台组成。这样的网络实验室可以模拟出各种真实的网络环境，满足大多数的学习领域课程教学要求。[3]
《路由协议与配置》实验的教学应由浅入深、循序渐进，由感性认识到理性认识。在教学中，兴趣引导式教学是让学生获得对《路由协议与配置》的最直接认识、激发学生学习兴趣的方法。比如，在讲解静态路由这一知识点时，选举现实生活中的例子――交通指示牌，既贴近生活，又易于理解。启发实验式教学应以问题为驱动、引导学生思考和理解基本理论知识，并设置相关较容易理解并具有一定灵活性的实验项目帮助学生们消化理论知识，启发学生积极开动脑筋把理论知识和实践相结合起来。其特点是强调学生学习的主体作用，实现教师主导作用与学生积极学习相结合;强调理论与实践相结合，实现书本知识与直接经验相结合。一般来说，启发式教学可分为置问、设置场景、解问、反馈与评价等几个环节。
《路由协议与配置》实验项目的设置应以导出问题为出发点、以引导学生学习和思考理论知识为目的;简单的验证式的实验难以引发学生思考，达不到启发式教学的目的。因此，在制定和选择合适的实验项目之前， 应当首先确定教学的理论知识点的相应问题，也就是启发式教学的第一个关键环节―――置问。此外，因为不同层次学生的已有知识和理解能力有一定的差异，所以问题的确定也应当按照学生当前的基础水平来进行;合适的问题才能激发他们解决问题的动机，释放出他们的活力。在兴趣引导式教学阶段从学生的表现可以大致了解他们当前具备的基础，可以由此进行问题的设置。完成了置问后，接着可以选择合适的实验来引导学生进行理论知识的学习。在实验环节需要注意的是实验场景的设计应当直观易懂，并且为问题的提出完成顺理成章的铺垫，即具有目标导向性;另外，也要具有一定的弹性，即实验应当包含尽量多的因素，以适应较多变化，避免出现限制学生思维的消极影响，有弹性的实验场景也有助于学生提出创造性、研究性课题。在实验中，可以采取小组实验的形式。在一个小组中，不同学生将逐渐承担不同的角色，如对实验有深入了解的同学不只是自己正确就可以，还需要帮助其他同学共同完成，让“小先生”的角色功能最大化。通过互动，提高学生之间探讨问题的热情，使他们变被动为主动的进行学习。实验进行之前，可适当讲述一些基本概念和基本原理，但不宜深入，更不能讲述完一个章节或几个章节之后再做实验，否则很容易引起学生对课程不感兴趣甚至厌学。实验进行完之后，在课堂上应按预先设置的问题和实验过程详细展开分层理论模型的讲述，在解释问题的同时让学生接受相关理论知识。讲述完理论知识之后，学生对知识的掌握会由实验时的感性认识上升到理性认识，此时教师可根据指导过程中观察到的情况，请有代表性的小组派代表向全班讲述本组实验体会和根据学习的理论知识作总结。教师鼓励他们大胆表述自己的意见，发扬教学民主并给出及时评价。最后教师针对各代表的报告情况，做出总结性讲评。
三、《路由协议与配置》实验教学模式评价
在实验教学模式评价中实行以人为本的整体性评价。评价标准开放化，立足社会需求，做到课程标准与职业资格标准的接轨，实现课程标准与学生职业生涯发展的协调。评价主体多元化，不仅有学校和教师的评价，也有学生自评和互评，以及企业、行业的评价。实验教学模式评价方式综合化，采用过程性评价、阶段性评价和结果性评价相结合，教师评价、学生评价、社会评价相结合。[4]
四、小结
随着高等职业教育的跨越式发展，教育市场的竞争将日趋激烈，我院以“外语强，技能硬，综合素质高”为培养目标，只有不断更新理念，加强对实验教学体系的改革与创新， 才能培养出适应不断调整的产业结构的高级技能应用型人才，才能适应经济社会的发展， 实现办学目标。
参考文献
[1] 朱文球，李长云，满君丰.以就业为导向的IT人才培养实训教学模式探讨[J].福建电脑，2008（11）：24-25
[2] 张进松.创新实训教学模式提升人才培养层次[J].科协论坛，2009（5）
关键词：无线传感网络；RPL；IP；能量路由
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）01-0057-03
0 引 言
低功耗有损网络路由协议 （RPL）是IETF的ROLL（Routing Over Low power and Lossy networks ）工作组，专门针对低功耗有损网络LLN（Low power and Lossy network）新提出来的路由协议[1]。低功耗有损网络是由功率、存储空间、处理能力等资源受限的嵌入式设备所组成的网络。它们可以通过多种链路连接，比如IEEE 802.15.4、蓝牙、低功率Wi-Fi，甚至低功耗电力线通信（PLC）等等。ROLL将LLN网络的应用主要划分为四个领域[2]：城市网络（包括智能电网应用）、建筑自动化、工业自动化以及家庭自动化，并且分别制定了针对四个应用领域的路由需求[3-6]。由于LLN的独特性，传统的IP路由协议，比如OSPF、IS-IS、AODV、OLSR，无法满足其独特的路由需求，因此ROLL工作组制定了RPL协议，其协议标准RFC6550[1]于2012年3月。
本论文首先介绍了RPL的应用场景及基本原理，并在路径选择策略中加入了对节点剩余能量的考虑；最后通过仿真验证了改进后的路由协议的性能。
1 RPL协议工作原理
RPL是一个矢量路由协议，通过构建有向非循环图（DAG）来形成拓扑结构，加入DAG中的节点自动形成一条指向根节点的路径。RPL主要为数据汇聚型的场景设计，即数据流量由叶节点指向根节点。当然RPL也扩展支持多点对点（MP2P）和点对点（P2P）的应用场景。
图1所示为典型的DAG结构。其中的每一个节点至少有一条指向根节点的路径。
1.1 DODAG的形成
DODAG（Destination Oriented Directed Acyclic Graph）是面向目的地的有向非循环图的简称，可以视为物理网络上的逻辑路由拓扑。
RPL中定义了由多种ICMPv6消息来控制拓扑的形成。DIO消息用于通告有关DODAG的参数，例如DODAGID、目标函数（OF）、DODAG版本号等[1]。其中OF规定了拓扑建立及最优父节点的选择方式，规定了节点级别的计算方法，是路径选择的首要参考标准。级别决定了节点在DODAG中的相对位置，主要用于避免回路。DAO消息是用来建立从根节点到叶节点的“向下”的路径。根据节点的存储能力，RPL协议中将节点类型定义为可存储型和非存储型，两者的区别在于是否存储有路由表信息。在图1中，当D节点要和E节点通信时，如果B节点和C节点是非存储型，那么必须先追溯到根节点A，查找路由，即路径为D—C—B—A—B—C—E。若C为可存储型节点，则只需追溯到共同的祖先节点即可找到路由，即路径为D—C—E。DIS消息用于向邻居节点请求DODAG信息。当一个孤立的节点没有收到任何DIO消息的时候，可通过DIS向周围节点请求DODAG信息。收到DIS消息的节点会反馈DIO消息给DIS源节点。
如图1所示，首先A节点通过DIO消息广播自己创建的DODAG信息，收到DIO消息的节点根据OF来决定是否应该加入该DODAG；加入之后然后再向自己周围的节点继续广播DIO消息；这样一层一层地建立拓扑结构。当节点加入DODAG之后，就自动创建一条“向上”汇聚到根节点的路径。“向下”的路径则由DAO消息完成。
1.2 定时器管理
RPL中使用细流算法[7]来控制DIO消息的发送。细流算法是一个适应性的机制，用来限制控制协议的开销。与传统IP网络不同，LLN网络有着非常有限的资源，必须尽可能的减少控制协议消息所占的比例，但同时又必须要维护好网络结构。当网络改变时，节点会以较高的频率发送控制包；当网络趋于稳定时，则控制流的速率减少。算法中定义了控制消息发送间隔参数I，当网络很稳定时，则I成倍的增加；而网络有动荡时，则发送间隔迅速降为最小值，高频率的发送控制消息以修复网络。
本文借助Contiki系统中的Cooja模拟器，对RPL协议进行了仿真。图2所示为节点布局图，并在图3中以节点5为例展示了DIO消息的发送控制过程。从图3中可以看到，当网络刚形成逐步趋于稳定的时候，DIO消息发送间隔成倍增加；图3中23：00和01：20附近陡峭的转折点表明此时监测到节点5和网络存在不一致性，迅速将控制消息发送间隔调至最小值以迅速修复网络。
1.3 环路避免机制
RPL中规定，在沿着叶节点到根节点的路径上，节点级别必须是递减的[1]，即父节点的级别必须小于子节点的级别。当节点在网络中位置发生改变时，必须根据父节点重新计算自己的级别。假设节点N的最优父节点为P，P的级别为R（P），那么N的级别R（N）计算公式为：
R（N）=R（P）+ rank_increase
rank_increase为子节点和父节点级别的差值，其算法在OF中有定义。
节点的级别在环路避免中有着重要的意义。RPL协议也通过在包头上设定标志位来附带路由控制数据，以避免数据包被循环转发。
2 考虑节点剩余能量的RPL协议
2.1 RPL协议原始路由方案
目标函数决定了RPL协议的路径选择方式。目前RPL的官方文件中，只明确定义了零目标函数（OF0）[8]，即以跳数（HC）为最佳路径选择的唯一标准，而其他的目标函数则由开发者根据需求灵活定义。比如对链路可靠性要求较高的应用，可将链路质量作为路由选择的首要考虑标准；而对能量受限的环境则可以定义在路径中尽量避开电池供电节点。在文档RFC6551[9]中，提出了多种可供开发者参考的路由度量。
在选择路径时，若只考虑跳数因素，必然会导致Sink周边节点数据压力过大，从而使关键节点能量过早消耗而死亡。文献[10]将网络的生命长度定义为第一个节点死亡的时间。对于能量受限的低功耗有损网络，如何平衡能量消耗，延长网络整体寿命，是协议要考虑的重要因素。
2.2 优化之后的RPL路由方案
目前已有多种针对无线传感网络能量优化的路由协议，比如分级能量路由协议LEACH和TEEN，以数据为中心的能量有效路由协议DD和SPIN，还有基于地理位置的路由协议GPSR和GEAR等[11]。 但这些协议都很难实现和RPL协议的融合。RPL协议是通过在container metric中，定义路径选择时所考虑的参数，然后再以一定的方式将所需要考虑的参数相结合，从而确定一个合理的路径选择方案。
本篇论文中采取的是跳数（HC）和节点能量（EN）相结合的方式。结合方式有两种[12]，一种是Lex，一种是Add。Lex是指优先考虑跳数，只有在跳数相同的情况下，才考虑节点能量；而Add则是采取两种参数综合考虑的方式，按照一定的比例相结合，即：
其中：
本文对这两种不同的结合方式做了仿真对比。
2.3 RPL协议改进前后的仿真对比
仿真工具采用的是美国UIUC大学开发的针对无线传感网络研究的J-Sim平台，该平台基于Java语言，和NS2相比具有内存消耗小、仿真速度快、有更好的可扩展性等优点。本文仿真了传感网络数据收集的场景。在100×100的区域里，规则的布置有100个节点，图4所示是网络节点布局图和OF0的拓扑结构，其中最左上侧的0号节点为数据汇聚节点，右下侧的49-99和94-98这11个节点为传感器数据采集节点。数据从右下侧的11个源节点发送到左上侧的0号节点。由于该网络具有对称性，1和10对称，2和20对称等，对称节点的能量消耗基本一致。本文中重点仿真了具有代表性的1、2、11、12、22这几个关键节点的能量消耗情况。
对于OF0，由于跳数是路径选择的唯一标准，节点位置固定的网络，其拓扑结构也相对保持不变。图4即为这种情况下的拓扑结构。由图4中可以看到，节点1和节点10承载了大部分的数据量，几乎任何从下侧或者右侧源节点发过来的数据都要经过这两个节点转发到Sink节点。而节点11，则只有来自源节点99的数据由它转发。
图5所示是系统节点能耗图。其中图5（a）为OF0方案下部分节点能量消耗图。从图中可以看出，最关键的节点1和节点10，能量很快就消耗殆尽。而节点11，则能耗相对较少。这对节点位置固定的网络是很不利的，会使数据量较大的节点在短期内能量迅速消耗完而死亡，而其他非位置关键节点，则一直被闲置。造成网络能耗分布极其不均匀，能量利用率不高。
接下来可以仿真跳数和节点剩余能量相结合的路径选择方式，图5（b）为跳数和能量按照2∶8的比例加权所得到的能耗结果。从图5（b）可以看出，节点1、10和11的能耗更为均衡，第一个节点死亡的时间大为延长。跳数和节点剩余能量相结合的路径选择方式，能一定程度上改善以跳数为唯一度量所造成了能量消耗不均的情况，从而延长关键节点的生命长度。仿真中也能看到，最佳路径的拓扑图一直处于动态变化，原先经过节点1和节点10到达汇聚节点的数据，有一部分从节点11分流，从而缓解节点1和节点10的压力。
（a） HC路径选择方案节点能耗 （b） HC+EN路径选择方案节点能耗
本文也仿真了跳数（HC）和节点能量（EN）按照Lex的结合方式，即优先考虑最小跳数，当跳数相同的时候再考虑节点能量，以及在Add结合方式下按0.8HC+0.2EN和0.2HC+0.8EN的不同比例相结合的情况对比。最后得出的结论是，两种不同的结合方式对网络能耗均衡都有一定程度的改善；而Add的结合方式能耗更为均衡，且剩余能量所占的比例越高，改善的效果越为显著。图6所示是在不同路由策略下，关键节点能耗的对比情况。
4 结 语
本文描述了RPL协议的基本原理，并且对原路由协议的路径选择策略进行了改进，在只考虑跳数的基础上，加入节点剩余能量的考虑，从而平衡了网络能耗，延长网络整体寿命。由于RPL是近几年新提出的协议，随着实践的不断深入，越来越多的新问题被提出，还有很大的研究空间。RPL协议在物联网领域有着广阔的应用前景，值得广大学者进一步深入研究。
5 致 谢
本论文的工作得到了实验室项目的大力支持。感谢国家自然科学基金（61271257），北京市自然科学基金（4122034）和教育部博士点基金（20120005110007）对本文研究工作的支持。
参 考 文 献
[1] WINTER T. RFC6550 RPL： routing protocol for low power and lossy networks [S]. USA： Internet Engineering Task Force， 2012.
[2] VASSEUR J P， DUNKELS A.基于IP的物联网架构、技术与应用[M]. ，田辉，徐贵保，译.北京：人民邮电出版社，2011.
[3] DOHLER M. RFC 5548 routing requirements for urban low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2009.
[4] PISTER K. RFC5673 industrial routing requirements in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2009.
[5] BRANDT A. RFC5826 home automation routing requirements in low-power and lossy networks[S]. Internet Engineering Task Force， 2010.
[6] MARTOCCI J. RFC5867 building automation routing requirements in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2010.6
[7] LEVIS P. The trickle algorithm draft-ietf-roll-trickle-08 [S]. Internet Engineering Task Force， 2011.
[8] THUBERT P. RFC6552 objective function zero for the routing protocol for low-power and lossy networks （RPL） [S]. Internet Engineering Task Force， 2012.
[9] VASSEUR JP. RFC6551 routing metrics used for path calculation in low-power and lossy networks [S]. Internet Engineering Task Force， 2012.
[10]廖梦泽.无线传感器网络生命期最优化[D].上海：上海交通大学，2010.
关键词：ad hoc网络；AODV协议；多径路由
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）012-0134-03
1移动ad hoc网络相关知识
移动ad hoc网络是一种特殊无线移动通信的网络。它与一般无线移动通信网络的不同之处在于，移动ad hoc网络不需要依赖任何基础设施，整个网络是由节点组成。在移动ad hoc网络中，所有节点地位都是平等的，每一个节点即能够接受消息，也能够转发消息。即每个节点都同时具有移动终端和路由转发的功能。
移动ad hoc网络最早起源于美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）的分组无线网（PRNET，Packet Radio NETwork）项目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。因此，移动ad hoc网络最早也只限于军事领域中的应用。随着技术的发展与成熟，移动ad hoc网络现在应用得越来越广泛，ad hoc网络现广泛应用于军事、灾后重建、个人生活以及将其作为一个无线多跳接入网与其它网络进行连接的应用。
移动网络由于其自身的特殊性，具有以下特点：①无中心性，移动ad hoc网络由于其所有节点地位相等，所以其为一个对等性网络；②自组性，移动ad hoc网络中，只要节点的距离在一定范围内，就能够自发地通过某种算法组成网络；③链路带宽及能量有限性，移动ad hoc网络采用的是无线传输，所以其信道带宽有限，且移动ad hoc中的每个节点都具有转发信息的能力，所以一般节点都要以电池作为其动力，其节点能量也非常有限；④动态拓扑性，由于移动ad hoc网络中的节点经常发生变动，所以其网络拓扑结构也会经常发生变化。
2移动ad hoc网络中的AODV协议
在移动ad hoc网络中，一个好的路由协议至关重要。ad hoc网络中，一般有2种划分路由协议的方法。一种是分为按需路由和按时间路由，按需路由只在需要路由信息时，才发起路由请求过程，从而达到在路由开销相对较小的情况下提供路由；而按时间路由中，每个节点都采用周期性发送信息包以达到更新路由表的目的，从而以相对较大的开销来寻找最优路径（主要指距离最短，即所经过跳数最少的路径）。另外一种划分方法是按通信模型，分为单径路由和多径路由。单径路由在路由发现中只有一条信息通道；而多径路由中，信息通道最少有两条或者两条以上。协议无线自组网是按需平面距离矢量路由协议（Ad hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV），是一种典型的按需单径路由协议。
Aodv协议的传输过程为：在ad hoc网络中，每个节点都会维护一张自己的路由表，当源节点（S节点）需要向目的节点（D节点）发送数据信息时，首先检查自己的路由表，查看是否有到达目的节点的路由信息。如果有，则直接按照路由表上的路径发送；如果没有，则向周围节点广播一个RREQ用来请求路由信息。当中间节点收到RREQ后，首先同样会检查自己的路由表是否有到达目的节点的路由信息。如果有，则按此路径进行发送；如果没有，中间节点将在此RREQ消息中加入自己的信息后，继续向其周围节点转发此RREQ请求包，直到找到有到达目的节点路径的中间节点或者目的节点D节点本身为止。在有到达目的节点路径的中间节点或者目的节点本身收到该RREQ后（此RREQ含有源节点到目的节点的反向地址信息），会回复一个与之对应的应答信息包RREP。这样，RREP沿着对应的RREQ的反向路径信息到达源节点，从而更新源节点到目的节点的正向路径。
需要指出的是，为了避免路由环路和网络负载过重，中间节点和目的节点在收到相同的RREQ信息包时，会立即将其丢弃。这样在一定程度上避免了路由环路，减轻了网络负担。但是也正是由于此种机制，使得网络传输效率不高。特别是在节点不停移动，链路容易发生断裂的移动ad hoc网络中。因此，提出一种对AODV协议进行改进的路由协议AODV-T（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing-Time，AODV-T），旨在进一步提高ad hoc网络中的传输效率。
3AODV-T的算法数据结构
3.1RREQ消息的数据结构
在RREQ消息中新增加了RREQ第一跳、路由记录、RREQ时延。其具体格式如表1所示。其中，RREQ第一跳是记录RREQ消息从源节点到目的节点路径的第一跳，只要RREQ第一跳不相同，就是链路不相交路径。路由记录则为记录经过的多条路径。RREQ时延则是记录发出一个RREQ消息后，到接收到对应的RREP消息的时间。
3.2RREP消息的数据结构
同样，在RREP消息中也增添了相对应的最大时延、路由记录、RREP时延选项。其中，最大时延是设定一个时延最大值，当等待RREQ的时间超过此最大值时，默认丢弃掉后来的RREQ消息。路由记录与RREQ相同，从对应的RREQ消息包中拷贝过来。RREP时延则是记录RREQ到达目的节点的时间，其结构如表2所示。
4对AODV协议的改进
AODV协议虽然能满足一定要求的ad hoc网络需求，但其并不是质量很高的一种路由协议。首先，AODV是单径路由，在带宽有限的移动ad hoc网络中，单径路由往往不能满足业务传输要求；其次，AODV协议的各种路由指标参数并不高。因此，对AODV可以进行适当改进，AODV-T相对于AODV协议，主要在两方面进行了改善。
一是在路由路径数目方面，不再只是寻找一条路径进行路由，而是同时以最短路径和次短路径同时进行路由。这里多条路径记录方法参考AOMDV协议。不同的是在AOMDV多径路由协议中，是在一次路由发现中，找到多条路径（一般不会超过3条）。在这多条传输路径下以一条最短路径为主路径，以其它路径为备份路径进行传输。这样在实际传输中，往往只有一条路径在进行信息传输。而AODV-T协议则是根据时延，同时选择最短路径和次短路径进行传输。时延最小的为最短路径，时延次之的为次短路径。时延是指从源节点发起路由寻找的RREQ时刻开始，到接收对应目的节点回复的RREP数据包为止所经历的时间。时延在一定程度上反应了当前网络状况的好坏，特别是在网络负载量较大的情况下，跳数最短的路径往往不是最优路径，而用时最少的路径才是最优路径，即时延最少的路径。
二是AODV-T协议同时提供QOS保障，必须在源节点与目的节点之间寻找必要资源以满足QOS要求的路由。为了找到合适的QOS路径，选择以该路径的时延作为基本判断参数，来确定该路径是否满足QOS要求。根据MSR均衡负载的方法，对源节点搜索的3条（如果存在）路径按照权值进行业务分配。使用路由过程中RREQ-I的时延，即从源节点发送一个RREQ-I的数据包到接收到该数据包对应的RREP-I回复数据包的时间。这个时间反映出了该条链路的状态，即越稳定越近的链路，其RREQ-I时延就越小。所以，该条链路的可用带宽与RREQ时延成反比关系，可以通过Wi=min{dmax/di，A}表示。其中，Wi为路径权值，dmax为到源节点的多条路径的RREQ-I的最大时延，di为路径i的RREQ-I时延，A是设定的一个边界值，是为了防止一条路径负载过重。从公式中可以看出，对于时延越小的路径，其权值越大，即路径的稳定性就越高，可用带宽就越大，其分配的负载业务相对其它条路径就越大。
5仿真结果分析
选择网络仿真工具为NS2，操作系统是在Linux环境下进行的。其它仿真的各项参数为：网络节点数量选取为50个，网络拓扑范围设置为长500m、宽500m的正方形区域，网络中的最大连接数为30个，仿真持续时间设为100s。在相同的仿真环境下，改变节点的移动速度，分别对AODV协议和改进的AODV-T协议的分组投递率、平均端到端时延、网络开销进行分析比较。
图1分组投递率随节点最大移动速度的变化
从图1可以看出，在节点移动速度较低的情况下，两种路由协议能较好地将信息传递给目的节点，而随着节点移动速度的增大，分组投递率出现下降。而AODV-T的分组投递率比AODV要高，这是因为AODV-T采用双信道传输，当一条路径传输因节点移动速度过快而断裂时，仍然有一条备份路径进行传输信息。
图2时延随节点最大移动速度的变化
从图2可以看出，随着节点移动速度的增大，端到端时延明显增大。而AODV-T协议时延大概比AODV协议低3%左右。这是由于AODV-T选择以时延作为路径选择参数，优先考虑时延较小的路径作为信息传输路径，从而降低端到端时延。
从图3可以看出，随着节点移动速度的增加，路由开销不断增大。这是由于节点移动速度增加，使链路断裂几率增大，从而增加路由寻找次数，增大路由开销。由于AODV-T采用的是最短路径和次短路径两条路径进行传输，只有两条路径同时失效时，才发起路由寻找请求，从而降低路由请求次数，降低路由开销。
图3路由开销随节点最大移动速度的变化
6结语
本文针对AODV的不足，提出了一种以时延为参数的改进多径路由协议AODV-T。此路由协议根据网络当前状况同时以最短路径和次短路径传输信息。经过仿真测试表明，该路由协议在分组传输率、平均端到端时延、网络开销方面较AODV协议而言，均有所改善。
参考文献：
[1]郑相全.无线自组网技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2]C. K TOH.Ad hoc mobile wireless networks：protocols and system[M].New Jersey：Prentice-Hall PTR，2006.
[3]IEEE Computer Society LAN/MAN Standards Committee.IEEE standard for wireless LAN medium access control（MAC） and physical layer（PHY） specifications[S].1997.
[4]D work address translator （NAT）-friendly application design guidelines[S].Internet Engineering TaskForce （IETF），2002.
[5]石晶林.移动自组织通信网络技术概况及未来前景[J].信息技术快报，2004（7）.
[6]舒炎泰，高德云，王雷.无线ad hoc网络中的多径源路由[J].电子学报，2002（2）.
[7]李洪刚，周洲.Ad Hoc网络中的路由机制[J].信息技术，2002（7）.
Research on the Improving of AODV Routing Protocol in
Mobile ad Hoc Networks
关键词：EEUC路由协议；剩余能量；通信代价；路由协议
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0039-03
1概述
近年来，由于物联网的发展与应用，无线传感器网络（Wireless SensorNetwork，WSN）受到了国内外学者的广泛关注，WSN通过大量分布于不同区域的传感器节点感知、收集信息并分析处理，进而实现对远程目标的监控，是集信息采集、传输与处理于一体的综合智能信息系统。传感器节点体积小，能够携带的能量有限，所以选择一种合理的路由协议，降低能耗，延长整个WSN的生存时间是当前WSN的主要研究方向之一。
层次路由协议因能量利用率高、网络拓扑易于控制、数据融合技术应用其中等特点聊，整体性能优于平面路由协议，因而它在WSN网络中得到广泛研究与应用。LEACH协议是最早提出的层次路由协议，该协议设定一个阈值，每个节点通过一个0到1间且大于阈值的随机数决定簇头并进行分簇，当没有考虑网络簇头的分布均衡和簇头间路由。李在分析分簇路由基础上提出了EEUC协议，利用节点与基站的距离不同来决定簇的大小，距离基站近的成簇半径小，以便腾出更多能量进行路由转发，当节点剩余能量高于半径内其他节点则能够当选簇头。EEUC协议虽然解决了均匀分簇中担任路由节点的簇头能耗过大、全网能耗不均衡等问题，但没有很好的考虑簇内成员节点数量以及通信代价等问题。
本文针对非均匀分簇协议EEUC的不足，对EEUC协议进行改进。改进协议利用节点与基站的距离、节点相邻节点数量来决定成簇半径，综合考虑节点剩余能量、节c相邻区域节点数量和成簇通信代价以及到基站的距离等因素进行分簇。在中继路由节点的选择上，除了考虑簇头选择的因素外，还增加中继节点数和传送信息次数作为参考，优化路由节点选择协议，均衡路由节点通信能耗。
2参数设计与计算方式
2.1非均匀竞争半径计算方式
半径的大小决定该簇内节点数量或簇内通信开销，因而针对EEUC协议在竞争半径的确定中只考虑节点到基站距离的不足进行改进，加入节点相邻节点数量因素。改进算法的竞争半径计算公式如下：
（1）
其中，dmax和dmin分别为网络节点距离基站的最大和最小距离。di为节点i与基站距离，Nmax为最大节点数量，Ni为节点i相邻节点数量，为大于0小于1的参数。R0为最大竞争半径。
2.2簇头选择阈值定义
簇头的选择不应该仅仅由剩余能量来决定，还应该综合考虑成簇半径内节点数量、各节点到簇头的通信代价以及簇头与基站的距离等因素，以确保簇内节点不能过多或通信距离过远而增加能量损耗。所以簇头选择阈值Tnew定义如下：
（2）
（3）
其中a+b+e=1，En为节点i当前剩余能量值，EA为网络平均能量。由公式可知，节点乘0余能量越多当选簇头概率越大，距离基站越近、节点相邻区域节点数量越大且簇内通信代价越小越容易成为簇头。
2.3路由阈值定义
路由节点担负则中继信息传递的重任，若能量过低或频繁的承担中继任务都会导致该节点过早失效，因而，簇头在选择路由节点时除了考虑剩余能量等综合信息外，还要考虑该路由节点为多少个簇头传递消息给基站，传递了多少次消息等。因此，路由阈值的定义为：
（4）
其中，β+γ+ω=1，Nr为中继节点服务簇头数量，nr轮数，ni为中继路由担任次数。当服务簇头个数M越大，该节点添加新簇头的概率越小，传递的信息越频繁，成为中继路由的概率就越小。以此来降低中继节点的能量损耗。
3协议设计
在网络部署开始阶段，基站BS首先要向网络发送广播信号，每个节点根据接收到的信号强弱计算自己与基站的距离，用于计算节点组网半径。本节分别对簇头竞选、分簇和簇头间通信路由选择两个部分对改进协议进行描述。
3.1簇的建立
第一步：首轮所有节点根据接收到的基站广播信息获取到dmax和dmin信息并计算出自己的成簇半径Rnew。
第二步：判断节点剩余能量是否大于平均能量，如果是则根据自己的计算出来的成簇半径Rnew广播自己的簇头竞争阈值Tnew，否则节点进入睡眠等待簇头节点唤醒成簇。
第三步：所有竞争簇头的节点根据接收到的Tnew值决策是否成为簇头。若相邻的节点Tnew值比自己高，则判断其是否成簇头，若成则直接加入该簇，否则自己成为簇头。
第四步：竞争过程结束后，簇头节点广播成簇信息，未参与竞争的节点被唤醒，选择距离自己最近即通信代价最小的簇加人。并建立簇内时分复用时隙通信机制，所有簇头收集并进行数据融合才向路由节点或BS发送数据，减少能耗。
在首轮过后并非每轮都进行分簇，也不是全网所有节点都重新分簇，而是簇头节点能量En小于平均能量匠的簇重新选择簇头，需要重新分簇的节点根据上面2到4步重新进行非全局分簇。如此小范围的重新分簇，即减少需要组网节点数量，较大程度提升了成簇速度，又降低了因全局分簇而导致的能量不必损耗，优化网络能量。
3.2簇间路由选择
簇头节点除了负责本簇内成员信息的收集与融合，还有可能担任其他簇头与基站通信的桥梁即中继节点作用，因而每个簇头还要设置两个参数，一个是几个节点通过自己向基站方向发送消息，另一个是自己发送了几次消息。引入一个阈值D，若簇头节点与基站的距离小于D，则直接与基站进行通信，否则通过多跳与基站通信。簇头节点在选择基站方向上那个节点作为自己的中继节点时，根据接收到的Eroute信息中选择最大的点作为自己的中继节点。若有信息通过自己发送向基站发送消息，如果是首次接收到该节点的消息，则增加自己的Nr值和ni值，否则只增加ni值。如此，某个簇头节点的Eroute值越大，表明其剩余能量越多、为其他节点担任中继节点的数量越少或中继发送的消息量少等，被新节点作为中继节点的概率越大，反正，该节点越不容易增加新中继信息，从而达到均衡中继节点信息量，优化节点能量损耗，延长节点寿命的目的。
4实验与分析
4.1仿真参数设置
本文通过Matlab对改进的分簇协议、经典EEUC协议和LEA CH协议进行模拟仿真。实验有关参数设置如下表1所示，协议中其他参数的取值均通过多次模拟运行后取较优的值。
4.2实验与分析
将200个节点随机分布在200*200的区域中，分别使用LEACH协议、EEUC协议和改进协议进行仿真模拟。图1给出了改进协议在200轮网络节点以及簇头节点分布情况。其中，“0”表示普通节点，“*”表示簇头节点，sink基站在左下角原点。
由簇头分布情况可以知道整个网络簇头节点分布还算比较均匀，没有簇头节点过于集中或某些区域无簇头节点的情况。
图2和图3分别给出了EEUC协议在343轮和改进协议在456轮死亡节点情况，EEUC协议死亡节点分布还是比较均匀，没有出现集中在某部分区域情况。改进协议在450轮节点死亡数量还是不太大，但在460轮以后节点开始快速死亡，导致整个网络迅速瘫痪，由图3看出，改进协议节点死亡会比较集中而且迅速扩散至全网。
图4给出了LEACH协议、EEUC协议和改进的EEUC协议的仿真比较图，由于节点能耗不均衡，LEACH协议在120多轮的时候开始有节点死亡，在250轮左右节点死亡过半，到500轮左右节点几乎全部死亡，节点开始死亡到全部死亡跨度比EEUC协议和改进协议都大。EEUC协议自270轮左右出现节点死亡情况，在360轮到430轮区间节点迅速死亡，网络瘫痪。而改进的EEUC协议，在430轮左右出现死亡节点，在470轮节点几近全部死亡，跨度较小，也体现出了网络能耗相对比较均衡。因而，改进的EEUC协议有效的均衡了网络能耗，延长整个网络寿命。
关键词 无线传感器网路；路由协议；路由分类；路由机制
中图分类号TN8 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）35-0173-03
0 引言
随着微电子技术，无线通讯与传感技术的发展，无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Networks， WSNs）引起了人们广泛的关注。WSNs是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通讯方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。WSNs不需要固定网络支持，在军事国防，生物医疗，环境监测及智能家居等领域具有广阔的应用前景[2]。
作为一种新型的无线自组网络，无线传感器网络与传统的移动自组织网络（mobile Ad Hoc networks，MANET）有着明显的差异，主要体现在：1）WSNs节点不移动或很少移动，而MANET节点移动性强；2）WSNs络旨在收集信息，而MANET则倾向于分布式计算和端到端通信；3）WSNs节点的能量、存储空间和计算能力有限；4）WSNs节点通讯高能耗，数据计算低能耗，节点会因能量耗尽而失效；5）WSNs节点数量更大，分布范围更广，节点没有统一编址，节点之间通过广播、多跳通信方式进行数据交换；6）WSNs节点产生的数据具有较大的冗余度；这些差异使得MANETs路由协议不适合直接运用到WSNs中，需要结合WSNs的特点对其进行改进，提出新的路由协议。本文对当前较为典型的路由协议进行了分类和总结，指出了路由协议将来发展的趋势，目的在于为路由协议的进一步研究作参考。
1 传感器网络路由协议分类研究
近几年，人们提出多种基于不同应用目标的路由协议，并根据不同的应用对路由进行了分类研究与比较[3，4]。无线传感器网络路由协议的研究最早从Flooding开始，逐渐得到关注。到目前为止，针对WSNs提出的具有代表性的路由协议有MDR、SAR、TBF、TEEN等。
为揭示协议特点，我们根据路由协议采用的路由结构、路由建立时机、数据传输模式等不同标准对其进行了分类。由于路由协议的研究人员组合多种策略来实现路由机制，故同一路由协议可分属不同类别。
1.1平面路由协议和层次路由协议
根据传感器节点在路由过程中作用是否有差异、是否有层次结构，可以将路由协议分为平面路由协议和层次路由协议。
平面路由协议的优点是网络中没有特殊的节点，所有节点的地位是平等的，不存在等级和层次的差异。它们通过局部操作和信息反馈来生成路由，原则上不存在瓶颈问题。网络流量均匀地分散在网络中，路由算法易于实现，健壮性好。缺点是建立、维护路由的开销大，数据传输跳数多，可扩展性小，在一定程度上限制了网络的规模。
层次路由协议采用簇的概念对传感器节点进行层次划分。若干个相邻节点构成一个簇，每一个簇有一个簇首。簇内通信由簇头结点来完成。簇头结点进行数据聚集和融合以减少传输的信息量，最后簇头结点把融合的数据传送给汇聚结点。层次路由扩展性好，适合大规模网络，但簇的维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。
1.2主动路由协议和被动路由协议
根据路由建立时机与数据发送的关系，可分为主动路由协议和被动路由协议。
主动路由协议，又称表驱动的（table-driven）路由协议，它的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由。这一类的路由协议试图在所有的网络移动节点中维护一组到其他所有移动节点的一致的、实时的路由信息表。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大开销，尽可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化，浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。而且，动态变化的拓扑结构可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态。
被动路由协议也称为按需（On Demand）路由协议。这种路由协议并不要求移动节点一直维护网络的路由信息表，只有在节点需要某条路由时才动态的创建它。被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。当没有分组传递请求时，路由器处于静默状态，并不需要交换路由信息。拓扑结构和路由表内容按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。
1.3单路径路由协议和多路径路由协议
从路径的表现形式上角度考虑，可分为单路径路由协议和多路径路由协议[5]。 单路径路由节约存储空间，数据通信量少；多路径路由容错性强，健壮性好，且可从众多路由中选择一条最优路由。
1.4基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议
根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于位置的路由协议和非基于位置的路由协议。有大量WSNs应用需要知道突发事件的地理位置，这是基于位置的路由协议的应用基础，但需要GPS定位系统或者其他定位方法协助节点计算位置信息。
2 无线传感器网络路由协议分析
1）Flooding [6]：它是一个经典的传统网络路由协议，不要求维护网络的拓扑结构和进行路由计算。在Flooding协议中，接收到数据的节点以广播的方式向转发分组，数据包直到过期或到达目的节点才停止传播。该协议本身算法简单，不需要维护路由信息，容易实现，但消息的“内爆”（implosion）和“重叠”（overlap）是其固有的缺陷。对此，S・hedetniemi等人提出了Gossiping策略，节点将产生或收到的数据随机转发，避免了内爆，但同时也增加了时延。
2）DD（Directed Diffusion）[7]：它是由加州大学洛杉矶分校计算机科学系的Deborah Estrin等人在DARPA的1997-98ISAT项目完成后提出的。这是一个基于数据的、查询驱动的路由协议。DD路由机制分为周期性的兴趣（Interest）扩散、梯度（gradient）建立和路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，sink节点通过广播兴趣消息来寻找数据源。梯度建立阶段，网络中各节点对兴趣消息进行缓存与合并，并创建包含上报率、下一条等信息的梯度，从而建立多条指向sink节点的路径。路径加强阶段，sink节点会对最先收到消息的邻节点发送路径加强信息。接收到该信息的节点做路径加强工作，源节点沿这个较高梯度的路径发送数据。当主路径失效时，其他发送梯度较小的路径作为备用路径，这种机制增强了路由的稳定性。然而，梯度建立的开销很大，不适合多sink点网络；数据聚合过程采用时间同步技术，会带来较大开销和时延。
3）MDR（Multi-path on-Demand Routing）：它是一种按需路由的多径路由协议，仅在源节点和sink节点间有数据包传输才进行路由发现，建立新路径，从而减少了通讯流量和能量损耗。MDR协议的路由机制包括路由请求和路由答复两个过程。数据源先发送路由请求，向邻居节点flooding短信息。当sink节点收到该信息后，马上向转发该路由请求消息的邻节点返回路由答复信息，并且在数据包域中增加了一个跳数项，用来指示到目前为止它传播的跳数。每个节点收到路由答复后增加一跳，继续转发给相应邻节点直至到达数据源。它的建立过程如图1所示。该协议健壮性好，即使网络拓扑频繁发生变化，数据依然能可靠地传输到目的地。由于发送端将源数据分裂成有冗余的子数据包后传输，这相对于发送相同的数据包副本减少了网络数据流量，因而平衡了网络的数据流量和可靠性，相应也提高了网络的安全性。
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图 1MDR 路由建立过程
4）SAR（Sequential Assignment Routing）[8]：它是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一个研究中提出的一种保证QoS的路由协议。协议中sink节点的所有一跳邻节点都以自己为根建立生成树，其余各节点根据时延、丢包率等QoS参数来反向建立到sink节点的多条路径。在选择路径时， SAR协议充分考虑了功耗和分组优先权等特殊要求，采用局部路径恢复和多路径备份策略，避免由于节点或链路失败而引起的重新计算路由的开销。
5）TinyOS Beaconing[9]：该协议路由算法较为简单，路由建立前先对网络中的所有节点进行编址。sink节点对其信号覆盖范围内的所有节点周期性广播路由更新消息，接收到消息的节点将该sink点作为父节点保存到路由表中，然后在物理信道上广播该消息。该路由机制适合小规模网络，在较大网络中将导致节点和sink点间跳数增加；广播式路由更新消息消耗网络能量；路径建立只与接收到beaconing的时序有关，不进行任何优化，扩展性差；sink点周围的节点由于过多地参与数据传输，耗能较多，容易失效。
6）SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）[10]：它是第一个基于数据协商的路由协议。SPIN路由建立基于三次握手过程：ADVREQDATA。路由建立过程如图2所示。节点产生或收到数据后，为避免盲目传播，用包含元数据的ADV消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，数据通过DATA消息发送到请求节点。该协议通过ADV消息和数据命名机制解决了Flooding协议中的内爆和重叠问题。与Flooding和Gossiping协议相比，该协议有效地节约了能量。但是它也有缺点：当产生或接收数据节点的所有邻节点均不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，会使较远节点无法得到数据。当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重，但当sink点较少时，则是一个很严重的问题；而且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽。
图2SPIN路由建立过程
7）TBF（Trajectory Based Forwarding）：它是基于源站和位置的路由协议。与通常的源站路由协议不同，TBF协议在数据包头中指定连续的传输轨道参数，中间各节点根据参数按贪心算法，计算出轨道最近的下一跳节点。通过指定不同的轨道参数，很容易实现多路径传播和广播。由于是源站路由协议，数据包头的路由信息开销不会随着网络变大而增加，从而避免了传统源站路由协议的缺点。但随着网络规模变大，路径加长，网络中节点进行计算的开销也相应增加。
8）LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[11]：它是2000年麻省理工学院电子工程和计算机科学系的Wendi Heizelman等人为无线传感器网络专门设计的分簇路由协议。LEACH的基本思想：通过等概率地随机循环选择簇头，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的。簇头是周期性按轮随机选举的，每轮选举方法是：在簇的建立阶段，每个节点选取一个介于0和1之间的随机数，如果这个数小于某个阈值，该节点成为簇头；然后，簇头向所有节点广播自己成为簇头的消息；每个节点根据接收到广播信号的强弱来决定加入哪个簇，并回复该簇头。在数据传输阶段， 簇内的所有节点按照TDMA（时分复用）时隙向簇头发送数据，簇头将数据融合之后把结果发给基站。该协议采用随机选举簇头的方式避免簇头过分消耗能量，提高了网络生存时间。簇间路由采用一跳通讯，虽然传输时延小，但节点的通讯能耗较高且扩展性差。
9）TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）：它利用过滤方式来减少数据传输量。该协议采用与LEACH协议相同的聚簇方式，但簇头根据与sink点距离的不同形成层次结构。TEEN定义了硬、软两个门限来过滤发送数据。只有满足如下两个条件的时候才能发送数据：当前数据的属性值大于硬门限；当前数据的属性值与上一次发送数据的属性值之间的差距大于软门限。该协议通过利用软、硬门限减少了数据传输量。其缺点是：如果数据的属性值一直达不到门限，节点不会发送数据，用户将接收不到网络的任何数据，并且不能得知所有节点是否死亡。
3 结论与展望
在无线传感器网络路由协议中，单路径路由协议算法简单，数据通信量少，有利于节省节点能量，但是其容错性和健壮性差。多路径路由协议在路由发现过程中得到多条不相关路径，减少了路由发现次数，并增强了路由的稳定性。
平面路由协议健壮性好，但建立和维护路由的开销大，数据传输跳数多，适合小规模网络。层次路由协议扩展性好，其能量消耗比较均衡，但簇的维护开销大。由于簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。
主动型路由协议需要定期更新路由，而响应性路由协议只有当网络中有数据传输时才会建立和更新路由。如果网络的数据传输量很大，主动型路由协议的路由开销一般要比响应型路由协议小。
无线传感器网络由于能量限制、拓扑变化及带宽限制，对路由算法要求非常高。目前传感器网络路由协议的研究重点主要集中在能量效率上，高效利用能量几乎是设计的第一策略。设计兼有平面结构和分簇结构优点的新型数据传输模式，是目前研究的一个热点。在某些基于簇的路由协议中，并没有簇头的概念，每个节点知道它将转发的下一个节点，我们把这类协议叫做基于虚拟簇的平面路由协议。这类协议既能有效地管理网络拓扑结构，又能有效地利用能量传输数据。此外，如何在簇内和簇间进行数据融合和处理，也很值得探索。
未来的研究中可能还需要解决由视频和图像传感以及实时应用引起的QoS问题。能量感知的QoS分簇路由越来越受到重视，它将在目标的实时追踪等方面得到应用，这就对带宽保证和能量高效路径的有效利用提出了严格要求。
参考文献
[1]REN Fengyuan，HUANG Haining， LIN Chuang。 Wireless sensor networks[J].Journal of Software，2003，14(2)：1148-1157.
[2]MA Zuchang，SUN Yining， MEI Tao。 Survey on wireless sensors network[J].Journal of China Institute of Communications，2004(4)：114-124.
[3]FAN Xinyun，WANG Fubao，REN Fengyuan.Routing protocol for wireless sensor puter Automated Measurement & Control，2005(9)：1010-1013.
[4]CHEN Yuequan，GUO Xiaofeng，ZENG Qingka，iet al.Multipath routing research in mobile ad hoc networks[J].Computer Science，2005，32(6)：33-36.
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[5]TANG Yong，ZHOU Mingtian，ZHANG Xin.Overview of routing protocols in wireless sensor networks[J].Journal of Software，2006，17(3)：410-421.
[6]Haas ZJ，Halpern JY，Li L.Gossip-Based ad hoc routing.In：Proc。of the IEEE INFOCOM。New York：IEEE Communications Society，2002：1707-1716.
[7]Intanagonwiwat C，Govindan R，Estrin D，iet al。 Directed diffusion for wireless sensor networking。IEEE/ACM Trans.on Networking，2003，11(1)：2-16.
[8]Sohrabi K，Gao J，Ailawadhi V，iet al。 Protocols for self-organization of a wireless sensor network.IEEE Personal Communications，2000，7(5)：16-27.
[9]Karlof C，Wagner D.Secure routing in sensor networks：attacks and countermeasures.Ad Hoc Networks，2003，1(1)：293-315.
[10]Kulik J，Heinzelman WR， Balakrishnan H. Negotiation based protocols for disseminating information in wireless sensor networks。Wireless Networks，2002，8(2-3)：169-185.
关键词：移动自组网；路由协议；网络负载；性能分析
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）010-0145-03
作者简介：王莎莎（1987-），女，西安邮电大学通信与信息系统学院硕士研究生，研究方向为移动互联网；朱国晖（1969-），男，西安邮电大学通信与信息系统学院副教授、硕士生导师，研究方向为通信网架构、通信网路由算法；王鑫（1986-），男，西安邮电大学通信与信息系统学院硕士研究生，研究方向为移动互联网。
0引言
移动AdHoc网络能够在没有基础设施且需要临时通信的环境下快速组网，可以满足人们“无论何时无论何地”的通信需要，被广泛应用于紧急搜索、临时会议等环境，具有广阔的应用前景。
由于AdHoc网络组网的特殊性、通信设备的限制、无线资源的有限性等原因，网络负载问题一直是AdHoc网络面临的一个挑战，而负载过重导致的拥塞是制约移动AdHoc网络性能的一个重要的因素之一，它可能导致整个网络性能的恶化。文献[1]通过仿真分析了重负载对AdHoc网络的影响，文献中设置重负载网络场景并给出了这种场景在网络吞吐量和时延方面的仿真结果。结果表明，重负载下网络的丢包率、时延、网络开销都会增加，网络性能明显降低。近几年来，研究人员提出了多种AdHoc网络的经典路由协议，考虑到网络负载对AdHoc网络的影响，本文通过设置网络场景仿真分析3种代表性的路由协议在不同的网络负载下的性能及适用性，并通过仿真结果得出结论。
1AdHoc路由协议
Adhoc网络有很多经典路由协议，常见的分类方法是按照驱动模式的不同分为表驱动路由协议和按需驱动路由协议及混合路由协议。表驱动路由协议与传统的路由协议类似，需要网络的每个节点维护一个或多个路由表来储存路由信息，并周期性更新路由表。按需路由协议仅当有源节点需要向目的节点通信时才建立路由，路由信息不会一直保存。
1.1表驱动路由协议
经典的表驱动路由协议是DSDV（DestinationSequencedDistanceVector）路由协议，该协议以BellmanFord算法为基础，加入目的序列号机制避免路由环路，协议中的每个节点都维护一张路由表，路由表中含有到网络中各节点的路由信息，并定期更新路由表。所以，该协议不适用于大型网络及拓扑结构频繁变换的网络。
1.2按需驱动路由协议
经典的按需驱动路由协议有DSR和AODV。DSR是动态源路由协议，以源路由算法为基础，每个数据分组的头部携带有到达目的节点所要经过的节点的列表，协议采用缓存技术。AODV引入DSDV的目的序列号机制，与DSR一样也是按需路由协议，路由发现和路由维护均按需进行。不同的是AODV采用逐跳路由机制，在路由发现过程中，每个节点建立相应的路由表项，数据传输时按路由表进行传输。按需路由协议一般包括路由建立、路由维护和路由删除三大部分。
2基于网络负载的仿真分析
本文采用NS2网络仿真软件进行仿真分析，NS2基于事件驱动模型，支持无线移动网络仿真。
2.1网络场景设置
网络场景利用TCL脚本语言设置如下：设定网络拓扑范围为1000×1000，共有50个移动节点在网络中随机移动，各节点的最大移动速度为30m/s，网络中有20个连接数，业务类型采用CBR数据流，数据包分组大小为512bytes，MAC层采用IEEE802.11DCF协议，接口队列最大长度为50，网络带宽为2Mbps，仿真时间为400s，每个节点停留预设的停滞时间后，在规定的移动区域内随机选择一个目的位置，并向目的位置移动。
本文设置两种不同网络负载下的网络场景，两种不同网络负载的网络场景发包速率分别为1packet/s、5packets/s，分别表示轻负载业务流网络场景和重负载业务流网络场景，并分别在两种不同的网络负载场景下对DSDV，DSR，AODV3种AdHoc网络路由协议进行仿真，其中两种业务流模型通过NS2工具Cbrgen生成，例如，nscbrgen.tcl-typecbr-nn50-seed0-mc20-rate1.0（5.0）>cbr-50n，节点运动场景则通过场景发生器Setdest生成。
2.2仿真结果分析
移动AdHoc网络中常用的性能指标包括平均端到端时延、分组投递率、路由负荷。仿真过程中选择以上3项进行分析比较，各性能指标值从仿真后的Trace文件中获得，并通过改变节点的停留时间表示节点的移动性，停留时间越短说明节点运动越激烈，拓扑变化越频繁。
2.2.1端到端平均时延
该性能指标包含所有时延，如接口队列排队时延、MAC层重传时延、传播时延、传输时延。
由图1和图2可知，无论表驱动路由协议还是按需路由协议，在重负载网络下，3种协议的网络时延都增大，在实时性要求比较高的网络中3种协议都不适合。DSR最为明显，其延时大幅增加，因为DSR使用缓存技术，在网络负载增大的时候，缓存溢出，使链路的时延增大，尤其是节点移动性比较大的时候，DSR协议中的路由缓存不能及时更新，导致节点使用无效路由；在轻负载情况下，节点移动性比较小时DSR的时延性能最好，AODV和DSDV性能相似；在重负载情况下，低移动性与较高移动性相比时延性能相似，这是因为高移动性下节点的移动导致链路断开，使源节点重新路由，这样就避免了因部分节点负载过重发生拥塞而丢弃数据分组造成更大的时延。
2.2.2分组到达率
分组到达率是目的节点接收的数据分组数与源节点发送的数据分组数的比值。这个指标反映了协议的完整性、正确性、可靠性和适应网络变化的能力。
图3与图4对比表明重负载下3种协议分组投递率均远远低于轻负载的情况。图3表明，轻负载情况下，AODV与DSR具有良好的数据传输率，DSDV性能则较差且节点的移动性越强其分组丢失越严重，这是因为DSDV是表驱动路由协议，每个节点都维护到全网的路由信息，在节点高速移动的情况下即网络拓扑频繁变化的情况下，要频繁更新路由表项，且在短时间内无法建立新的有效路由，导致分组丢失严重。图4表明，在重负载情况下3种协议分组投递率性能均不好，且节点移动性的降低并没有使分组投递率有太多提高。可见3种协议在重负载情况下分组到达率均不理想。
2.2.3归一化路由开销
该性能指标定义为发送和转发的总路由分组数与接收数据分组数的比值，用于衡量协议的效率。路由分组包括路由请求分组、路由应答分组及错误消息。
由图5和图6所知，除了DSDV，DSR和AODV在重负载情况下的路由开销稍高；表驱动路由协议DSDV随节点移动性的变化，路由负荷基本保持不变；除了在移动性很强的情况下，按需路由协议DSR比AODV在路由开销方面的性能要好，这取决于DSR采用的缓存技术和混杂接收方式侦听路由请求分组，大大降低了路由负荷，所以DSR的路由负荷性能比AODV好。
3结语
节点密度、节点移动性、网络负载等都是影响AdHoc网络路由性能的因素，而其中网络的负载是其中最关键的因素之一。本文通过无线网络仿真工具NS2基于两种负载情况建立网络场景，并分别在这两种网络负载的网络场景下对AdHoc两类典型的路由协议进行仿真分析。从以上仿真分析结果可知，在轻负载网络环境下，各协议时延性能差别不大性能较好，DSDV的分组投递率即使在轻负载下性能也很差，但路由开销上随网络环境的变化表现了良好的稳定性。在重负载网络环境下，各协议各性能指标均恶化，3种协议都不太适合重负载网络环境，尤其是DSR不适用于重负载高速的网络环境但在轻负载网络拓扑相对稳定的情况下DSR各性能指标均表现了良好的特性，DSDV也不适应于网络的高速变化，AODV协议作为DSR与DSDV的综合，对移动性和业务量的适应能力较强。可见3种协议都有各自的优缺点，具体使用何种路由协议根据网络的具体要求及各协议的优缺点决定。所以，AdHoc网络路由协议一直被很多人研究，人们希望能研究出适合各种网络场景的AdHoc路由协议。近年来也有一些负载均衡路由协议的研究，但都只是就网络性能的某一方面有所提高，仅适用于特定的网络场景，结合高层或底层信息设计性能良好的跨层负载均衡路由协议是负载均衡路由协议研究的重要方向之一。
参考文献：
[1]吴玮.Adhoc网络拥塞检测与控制的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.
[2]贾站锋.Adhoc网络按需路由算法优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[3]STARUNA，GNPUROHIT.ScenarioBasedPerformanceAnalysisofAODVandDSDVinmobileAdHocNetwork[C].CCSIT2011，2011.
[4]李杜，刘丽霞.AdHoc路由协议在不同网络负载下的性能仿真[J].通信技术，2006（11）.
关键词：自组网; 组播路由协议; 传输效率; 按需驱动
中图分类号：TN915-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0007-04
An Efficient Multicast Routing Protocol in Small Scale Ad Hoc Network
LIU Xiao-pei, LI Ying, ZHANG Hao, XU Shu
(Chongqing Communication University, Chongqing 400035, China)
Abstract： The multicast routing protocol has a wide application in Ad Hoc network. It is hard to design a multicast routing protocol with high efficient and transmission capability for the change of topology. On considering the mobility, discovery and maintenance of routing in Ad Hoc network, a new efficient routing protocol based on the stateless multicast routing protocol is proposed to improve the transmission efficiency.
Keywords： Ad Hoc; multicast routing protocol; transmission efficiency; on-demand driven routing
0 引 言
Ad Hoc网络终端具有路由功能，是由一组带有无线收发装置的可移动节点组成的一个多跳的临时性自治系统。因其具有独立自组网能力以及无中心、动态性、易于铺设等特点被广泛应用于紧急救援、道路交通、军事战场、偏远野外和探险等临时信息系统建设，成为当今的一个研究热点［1-2］。
基于Ad Hoc的组播路由协议有多种分类方法，┮话悛把它们按组播传输结构可分为树状组播路由协议、栅格状组播路由协议、混合性组播路由协议和无状态组播路由协议。在小规模的Ad Hoc网络中，无状态组播路由协议因其独特的性能和特点得到众多研究人员的关注和认可。
无状态组播路由协议是基于这样一种考虑：基于树和基于网格的组播路由协议都需要进行路由树或网格的创建和维护，Ad Hoc网络频繁的拓扑变化导致这种过程的开销非常大。为了减少这种开销，无状态的组播路由采用组播发送者集中管理组播成员关系的方法，在分组的报头中显式的列出组播的接收者，中间节点不需要维护动态的组播路由信息。无状态的组播路由主要用于小规模的组播，并由单播路由协议根据分组的报头转发到各个接收者。
1 DDM协议
DDM［3］(Differentail Destination Multicast)是┮恢知典型的无状态组播路由协议，它由组播发送者负责对成员的管理。当节点加入组播组时，利用单播路由，发送JOIN消息到组播发送者，JOIN消息包括组播的ID号，加入节点的ID号，发送者的ID号。组播发送者接收到JOIN后，将加入节点的ID号加入成员列表中，加入节点就成了一个组播发送者的接收成员。
成员列表的更新是发送节点主动完成的。发送成员在数据分组中周期地捎带一个查询标志，接收成员通过单播一个JOIN信息来响应发送成员的“查询”。当一个成员需要退出组播分组时，显式地发送一个LEAVE消息。
DDM议的关键技术是基于组播接收成员的转发报头计算与编码，DDM采用差分编码。它的控制包有四种类型，即JOIN,ACK,LEAVE和RSYNC。┣叭种控制分组用于成员控制算法，RSYNC用于节点与其上游节点的组播成员列表同步。DDM的包格式如图1所示。其包格式分数据包和控制包，数据包主要包括DDM报头和有效负荷。
图1 DDM的包头格式
每一个DDM块对应一个下游邻居。DDM块包括有期望的接收者、DDM块类型、DDM块序列号。有┤种类型的DDM块：空(Empty)块、刷新(Refresh)块、差分(Difference)块，简便记为E,R,D。在无线广播网络中，到不同邻居节点的DDM块可能汇聚到一个分组中，以减少传输次数。
DDM的包头中需要转发的信宿节点的集合称作FS。在组播的源节点，FS和成员列表是一致的。在其他节点，FS是所有上游邻居节点FS的并集。节点到达FS中的信宿节点的路径是不同的，根据转发的┫乱惶，可将FS中的信宿节点划分为不同的子集，成为方向子集DS。每个DS对应一个下游邻居节点。┟扛霆DS还包括一个强制刷新标志，用于转发组的同步。节点在接到数据包以后，首先比较序列号，如果已经处理过，则丢弃该包，并根据DDM快的期望接收节点，定位自己的DDM块。如果是R块，则创建新的FS，如果是D块，则更新FS，FS=∪FS。
当采用差分编码时，在DDM块中仅包含节点的差分列表，因此保持上游节点的FS表与下游节点的DS表的一致性是十分重要的，DDM用序列号来维护表的同步。每个DDM块都有一个序列号，来标记上游节点FS表的序列号为，每发一个分组序列号加1，发E块时不变。当节点检测到序列号不连续时，就发送一个RSYNC消息到相应的上游节点，接收到RSYNC的节点根据发RSYNC消息的节点的ID定位将发送DDM相应的分组DSS，并更新列表，从而使列表同步。
2 对DDM的分析和扩展
评价一个协议好坏的标准有很多，其中数据传输效率是很重要的一条。在Ad Hoc环境中，能量和带宽是有限的，怎么样在一定的时间里用尽可能少的能量传输尽可能多的数据，一直是人们努力实现的技术。DDM是一个适用于规模小、移动速度快的Ad Hoc环境，但从DDM的包格式来看，其控制部分在整个包中占了很大比例，这将严重影响协议的传输效率。一般情况下，按需路由协议的包头都带有大量控制信息；表驱动的路由协议则需要大量的控制信息。
表驱动路由协议又称为主动式的路由协议，该路由协议试图维护网格中各个节点到其余所有节点的最新路由信息，所有路由信息保持一致。每个节点都维护┮徽弄或几张到网络中其他节点的信息表，当网络拓扑结构发生变化时，节点通过交互信息来实时地维护网络路由表。在表驱动协议中，由于每个节点需要实时地维护路由信息，这样在网络规模较大、拓扑变化较快的环境中，大量拓扑信息更新消息会占用过多的信道资源，使得系统效率下降。按需路由协议是只有在节点有数据要发送时，才激活路由发现机制寻找到达目的地的路由，很多控制信息加在数据包上，减轻了网络负担，灵活性、健壮性较好，但其包格式的控制部分占比例太大，影响传输效率［4］。
为了保持协议的传输效率和健壮性，可以取长补短，使用表驱动和按需驱动两种方式相结合的协议。即组播路由的发现和维护使用按需驱动的方式，而传输组播数据包则用表驱动的方式。这里提出一种同样适用于规模小，移动速度快的Ad Hoc环境的新的组播路由协议EDDM。
3 EDDM组播路由协议
EDDM(Efficient Differentail Destination Multicast)是一种靠单播链路来进行分发的组播协议，它是使用按表驱动和按需驱动混合的一种高传输效率的组播协议。它内嵌的单播协议也是DSR协议。
3.1 EDDM的包格式
EDDM主要有JOIN,REQ,ACK,DATA,LEAVE和RSYNC六种包格式，其中，JOIN,REQ,ACK,LEAVE和RSYNC是控制包，它们的包格式是DSR格式，如JOIN的包格式，如图2所示。JOIN,REQ,LEAVE是用来维护和发现路由的，RSYNC是用来同步数据包的。这些包中含有部分控制信息，包头相对较长。
图2 JOIN包的格式
DATA包是数据包，它的格式相对就简单多了。为了提高传输效率，EDDM的数据包不包含控制信息，控制信息都写在节点内部的表中，其格式如图3所示。
图3 DATA包的格式
3.2 组播路由的发现和维护
EDDM的路由维护和管理是由组播的发送者来实施的。其过程如下：
(1) 想加入组播的节点通过向源节点单播一个JOIN消息来加入组播组，源节点收到JOIN消息后，把发送JOIN的节点加入组播组然后单播REQ消息给请求的节点。
(2) 中间节点在收到JOIN消息后，就认为自己是组播的转发节点，并记下JOIN消息的上一个节点、下一个节点以及JOIN消息的发送节点，从而建立了┮恢华组播链路。
(3) 组播源节点周期性的组播确认信息REQ，当成员节点收到REQ后，将回复JOIN消息。
(4) 如果组播成员节点在规定的时间内没有收到REQ消息，那么它将继续周期性的发送JOIN消息，直到得到源节点的回应。
(5) 如果某条链路在数据转发的过程中发生断链，那么发现断链的节点将使用单播的形式发送RSYNC消息给与本链路相关的各个目的节点。目的节点收到RSYNC消息后将重启单播寻路机制，然后向源节点发送JOIN消息，从而达到维护路由的目的。
(6) 如果某个目的节点想退出组播组，则发送LEAVE消息给源节点，那么沿途所有收到LEAVE消息的中间节点都会取消针对退出的目的节点的数据转发。源节点如果在规定的时间内没有收到某个成员的JOIN消息，也没收到LEAVE消息，会将该节点从组播成员中删除。而中间节点如果在一定的时间内（这个时间设定为刷新时间的2倍）没有收到经过它的JOIN消息，则认为自己不再是中间节点，不再转发数据。
3.3 EDDM数据包的转发
当源节点广播数据包时，源节点和目的节点之间已经通过发送JOIN消息和REQ消息建立起了组播路由。组播路由表是独立于单播路由表的，它只是从靠JOIN消息中解读出有用的信息保存在JION所经过的节点的表中。
(1) 当一个中间节点收到一个组播数据包，先检查是不是收到过同样的包，如果以前收到过则销毁。
(2) 如果第一次收到这个包，则检查这个包经过的上一个节点号和它的组播号并将他们跟自己的组播路由表对比，看其是否与自己相关如果不相关则销毁。
(3) 如果这个数据包与自己相关，则立即给上游邻节点发送ACK消息并广播数据包，然后等待下游邻节点的ACK消息。
(4) 如果在规定的时间内没有收到下游邻节点的ACK消息，则认为该处断链。
4 仿真与分析
为了评测EDDM协议的性能，使用NS2仿真工具对其性能进行模拟研究，并与经典组播协议ODMRP进行比较。网络中节点通信半径最大为250 m，信道能力为2 Mb/s，节点的无线传输模型选Two-Ray Ground传输模型，仿真过程中每个组播组中仅有一个信号源发送数据；仿真时间为400 s，节点移动速度为2~20 m/s。节点在1 000 m×1 000 m的矩形平面空间中进行随机运动移动。
本实验针对ODMRP和EDDM的数据包传输效率进行了仿真比较，比较结果如图4所示。从图中可以看到，组播成员节点相对较少的情况下，EDDM的数据包传输效率明显优于ODMRP。但随着成员节点个数的增多，其性能逐渐下降,说明EDDM的扩展性不强。在这里没有从仿真中严格比较DDM和EDDM在数据传输效率方面的优劣，但给出了EDDM和ODMRP的比较。在成员节点数目较少的情况下，他的数据传输效率都优于ODMRP，但这种优势也都随着组播成员个数的增多而变小。
图4 EDDM和ODMRP的数据包传输率比较结果
从传输单个数据包的角度来看，EDDM的效率与DDM的效率相比差别很大。现在设DDM的源节点周围有m个下游节点(也就是说第一次转发的数据包中需要带m个DS块)，设每个DS块中有n个目的节点，m和n的最小值为1，每个段按最小8位，x为数据大小，гDDM的数据部分占总大小比例为
图5 DDM和EDDM数据部分在数据包中的比例
5 结 语
EDDM是一种使用于小规模的高效组播路由协议。它从无状态组播路由协议延伸而来，是一种树状结构的协议，但其状态结构的组织非常松散，类似于无状态的组播结构。该协议充分考虑了表驱动与按需路由驱动的优缺点，是从实际应用出发，使用二者相结合的方式形成的一种高效数据传输协议。从各个方面的比较来看，EDDM确实有效地保证了在小规模、高速度Ad Hoc网络中的高效数据传输。
参 考 文 献
［1］郭永洪,李光胜,毛启容,等.Ad Hoc网络组播路由协议研究现状、问题和方向［J］.计算机应用及软件,2006,23(4):8-10,65.
［2］孙宝林,李腊元,李相棚.移动Ad Hoc网络多播路由协议的研究进展［J］.计算机工程与应用,2004,40(32):139-143.
［3］JI Lu-sheng, CORSON M Soctt. Explicit multicasting for mobile Ad Hoc network[J]. Mobile Networks and Applications, 2003,8(1): 535-549.
［4］郑少仁,王海涛.Ad Hoc网络技术［M］.北京：人民邮电出版社,2004.
［5］LEE S, SU W, GERLA M. On-demand multicast routing protocol(ODMRP)[C]// Proceedings of IEEE WCNC′99. New Orleans, LA: IEEE, 1999: 1298-1302.
［6］LUO Jun-hai,YE Dan-xia. A survey of multicast routing protocol for mobile Ad Hoc networks ［C］// IEEE Communications Surveys & Tutorials.[S.l.]: IEEE, 2009, 11(1): 78-91.
［7］KALIAPERUMAL B, EBENEZER A, Jeyakumar. Adaptive core-based scalable multicasting networks ［J］. Proc. IEEE INDICON, 2005, 29(3): 198-202.
［8］SOON Y O, PARK J S, GERLA M. E-ODMRP: enhanced ODMRP with motion adaptive refresh ［J］. Proc. ISWCS, 2005, 49(17): 211-217.
［9］YUYao,ZHOUYu. Impact of Interference on multicast throughput over Ad Hoc Networks［R］. Fifth International Joint Conference on INC,IMS and IDC, 2009.
［10］TIAN Ke, ZHANG Bao-xian. Destination-driven on-demand multicast routing protocol for wireless Ad Hoc networks ［R］. IEEE Communication Society subject matter expert for publication in the IEEE ICC, 2009.
作者简介：
刘晓培 男，1981年出生，硕士研究生。主要研究方向为Ad Hoc网络组播研究。
李 颖 男，博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向为 Ad Hoc网络。
关键词：无线传感器网络；RPL路由协议；Cooja仿真工具
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0211-03
Abstract： In Wireless Sensor Networks，the node’s processing capability，storage capacity and energy are limited by the hardware.The RPL routing protocol is an IPv6 routing protocol proposed by the IETF RoLL working group and specifically designed for Low-power and Lossy Networks.This paper introduces the RPL routing protocol topology，routing construction and security mechanisms. Finally，the routing protocol is simulated by Cooja simulation tool，and the efficiency of the routing protocol in wireless sensor network is verified.
Key words： Wireless Sensor Network； RPL routing protocol； Cooja
传统上基于现场总线传输网络的监测技术存在着设备搭建复杂度高、拓展性受地域影响较大等缺点。基于6LoWPAN技术搭建的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），借由物联网的概念以全IP的方式实现传感器节点与互联网互联，具有易于布置、易于维护、易于拓展等优点。
无线传感器网络是由许多散布于工作区的节点组成，在监测地域自组织的构成网络。设备受体积所限，普遍具有处理能力差、传输速率低、能量储备有限等问题，网络连接也存在高丢包率、低数据传输和不稳定等特性。为了减少组网开销，维护网络拓扑结构稳定，IETF RoLL工作组提出了RPL路由协议。RPL路由协议通过交换距离矢量构造一个有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG），节点通过广播方式与其余节点互相交换信息，计算最优路径，有效防止路由环路问题。
本文详述了无线节点通过RPL路由协议组网的拓扑结构，路由的建立过程，安全机制等，最后通过Contiki系统的Cooja工具模拟无线网络环境，进行了仿真并验证其性能。
1 简述
RPL是基于Ipv6而设计的距离矢量路由协议。基于有向无环图的拓扑概念，通过使用目标函数（Object Function，OF）和度量集合构建以目的节点为导向的有向无环图（Destination Oriented Directed Acyclic Graph，DODAG）。最优路径依赖于目标函数的约束条件和度量。
1.1 无线网络拓扑结构
与日常有线网络的点到点传输不同的是，无线传感器网络受地域环境限制，一般没有预先设定好的拓扑结构，无线节点必须自己去发现其他的节点并根据RPL规则建立通信。RPL路由把网络内的所有无线节点向外的信道汇集到一个或者多个指定的出入口，外部的信息也从这些出入口分发到网络里面的节点。因此，整个无线网络被视为一个DAG图，RPL路由协议将这个DAG图分割为多个DODAG图，每个DODAG图含有一个root节点（出入口，可以接收或发送外网信息）。
2.1 DODAG的形成和向上路由的建立
在节点上电开始工作之前，根据实际应用环境指定不同的节点分别作为root节点和node节点。上电之后，root节点会向临近的所有节点广播DIO消息，不同的root节点可能同时广播DIO消息，有时会造成一个节点同时收到多个DIO消息，这时接收节点会根据DIO消息中携带的信息，通过比对Rank值、目标函数以及根据路由选择度量标准量化的ETX值选择是否加入该DODAG图。当节点加入该DODAG图后，root节点随即成为这个节点的父节点。当父节点确定之后，该节点会对自己DIO消息中的路由方面的信息进行修改，然后将含有新路由消息的DIO消息向临近自己的其他节点发送。如此循环，其他的节点也会收到许多DIO消息，通过同样方法确定自己的父节点。在路由建立时，节点的下一跳都为其父节点，至此向上的路由建立起来。
2.2 向下路由的建立
向下路由的构建存在着两种模式：Storing Mode和Non-Storing Mode。在构建过程中node节点可以保留向下的路由信息的模式为Storing Mode，而只有root节点能保存的模式为Non-Storing Mode。
在Storing Mode下，节点通过比较上一级多个节点发送的DIO消息，确定自己的父节点，会对父节点发送DAO消息进行回复。父节点收到DAO消息，处理其前缀信息，并在路由表上加入一条路由项，从而更新了整个路由表。当这个父节点完成该步骤后，它会向自己上一级的父节点发送DAO消息包，如此循环直至整个向下路由建立起来。
而在Non-Storing Mode下，节点处理DIO消息后向root节点直接回复DAO消息，而其父节点不会接收这些消息，只是这些消息要经父节点转发。最后当root节点收到所有节点发过来的DAO消息后，就会建立到所有节点的路由表。
3 安全机制
3.1 环路避免和检测
在传统网络中，由于节点位置和拓扑位置不同步，可能导致临时环路的产生。环路可能导致丢失数据包、堵塞链路等问题，因此要求迅速检测出环路。但在无线传感器网络中，环路对整个网络的影响是有限的，相反如果采取较大的措施避免环路反而会导致节点能量消耗与路由混乱。因此RPL协议允许环路的出现，定义了两种基于Rank值的策略来尽量避免环路的出现。
1） 不允许节点选择DODAG图中Rank值更大的节点作为自己的父节点。
2） 不允许节点在DODAG内向更深方向移动（增加Rank），以便增加父代集规模或改善其他度量。
3.2 修复机制
当无线节点出现能量耗尽或因故障不能继续工作时，为了数据正常转发需建立其他路由，RPL路由协议支持两种修复方式：全局修复和局部修复。当监测到链路失效后，节点在向上方向没有父节点，触发一个局部修复以寻找另外父节点；当局部修复发生时，有可能会破坏整个DODAG图的最优模式，或者当root节点失效，该DODAG图就会重建，从而触发全局修复，DODAGVersionNumber的值会加1。
3.3 Trickle Algorithm定时器
4 Cooja平台仿真及分析
Cooja作为Contiki操作系统的自带插件，能够对大量节点进行模拟仿真。本文模拟一仿真环境，存在一个root节点，10个普通节点，设置节点以随机的方式分布在仿真环境中。节点1是root节点，其余节点为普通节点，圆圈表示节点1的通信范围，通信范围外的节点只能通过其他节点转发与节点1通信，仿真环境如图2所示。
在网络拓扑结构第一次稳定之后，如图3所示。但节点不允许选择DODAG图中更深的节点作为自己的父节点，通过比对Rank值与ETX值，节点3重新选择节点5作为自己的父节点，RPL协议发起一个局部修复，根据涓流算法，重置Trickle Timer定时器，提高DIO消息包发送频率，如图4所示。节点3在01：05左右重置定时器，重置DIO消息包发送间隔，直至DODAG拓扑结构稳定，新的拓扑结构如图5所示。
人为挪动节点7、8位置使其相对位置变化导致DODAG拓扑结构发生变化，节点4、6、11重新选择自己的父节点，新的拓扑结构如图6所示。RPL路由协议发起一个局部修复，根据涓流算法（Trickle Algorithm），重置Trickle Timer定时器，提高DIO消息发送频率，待其稳定之后，仍会按照“阶梯”式增长。涓流算法对节点DIO消息发送频率的影响如图所示，从图7中可以看出节点到达一个阶梯上，原因是涓流算法第四步会检测当前积累的一致性的数量是否小于冗余常量，只有满足该条件后才可发送数据包，从而避免了所有节点在检测到不一致现象后同时反应引起的广播风暴。图8为节点4移动后，由于大量的发送DIO消息包导致的功耗急剧上升。
5 结语
RoLL工作组为了解决低功耗有损网络的路由问题，提出了RPL路由协议。该协议利用ICMPv6的控制消息DIO、DIS和DAO来实现路由过程。本文使用Contiki Cooja模拟器模拟了实际仿真环境中的组网过程，同时在网络拓扑结构发生变化时，通过修复机制重置Trickle定时器，有效地控制消息包的发送频率，从而降低路由协议开销。
参考文献：
[1] 李树军. 基于6LoWPAN的RPL路由协议研究[J]. 重庆工商大学学报（自然科学版），2013，08：72-77.
[2] 朱燕，黄明科. 物联网的发展和应用探讨[J]. 电信网技术，2010，11：34-37.
[3] 张宏科，梁露露，高德云. IPv6无线传感器网络的研究及其应用[J]. 中兴通讯技术，2009，05：37-40.
[4] 王o涵. 基于Contiki操作系统的RPL路由协议能耗均衡的研究[D].兰州大学，2015.
[5] 丘建. 基于Contiki/Cooja平台的IEEE 802.15.4协议实现与改进[D].电子科技大学，2014.
[6] 宋菲，侯乐青. 浅析智能物件网络中的RPL路由技术[J]. 电信网技术，2011，09：23-26.
[7] 于鹏澎. 6LoWPAN网络几个关键技术研究[D].安徽理工大学，2015.
[8] T. Winter， P. Thubert， A. Brandt， J. Hui， R. Kelsey， P. Levis， K. Pister， R. Struick， J. Vasseur， R. Alexander， RPL： IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks IETF RFC 6550， 2012.