水下通信移動自組織網(wǎng)路由協(xié)議分析研究*

姚文明 金曉宇 鄧 榮

(海軍蚌埠士官學校兵器系 蚌埠 233012)

水下通信移動自組織網(wǎng)路由協(xié)議分析研究*

姚文明 金曉宇 鄧 榮

(海軍蚌埠士官學校兵器系 蚌埠 233012)

針對當前點對點的小范圍通信無法滿足水下運動載體編隊間通信需求的問題,研究了適合水下通信網(wǎng)絡的移動自組織網(wǎng)(MANET)及其特點,分析了可用于水下運動載體編隊多節(jié)點通信網(wǎng)絡的路由協(xié)議,研究表明無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議(AODV)適用于水下通信自組織網(wǎng)。

水下; MANET; 路由協(xié)議

1 引言

近年來,隨著海洋監(jiān)測、資源勘探及海防的發(fā)展,水下編隊已成為執(zhí)行復雜任務的重要形式,然而受水下復雜環(huán)境所限,目前水下通信仍舊大多采取點對點式通信,通信范圍窄、組網(wǎng)能力差、抗干擾能力弱等問題不同程度地影響著通信效果,使其難以滿足水下編隊通信需要,迫切需要研究和建立水下通信自組織網(wǎng)。MANET是由一組移動節(jié)點形成的一個多跳的、臨時性的自治集合,具有無固定中心、自行組織、多跳路由、可獨立組網(wǎng)、節(jié)點運動等特點,它不需要有線基礎(chǔ)設(shè)備的支持,通信距離遠、抗干擾能力強,可按需快速展開,可通過自由組網(wǎng)實現(xiàn)通信。國內(nèi)外已有水下環(huán)境下相關(guān)研究,以期解決當前水下通信面臨問題,雖取得一定成果,但還有很多技術(shù)問題亟待解決。論文針對水下MANET展開研究,在系統(tǒng)研究其特點的基礎(chǔ)上,分析水下MANET的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和路由協(xié)議,為后期水下組網(wǎng)通信技術(shù)研究提供思路。

2 MANET

一般的通信網(wǎng)絡都是有中心的,如蜂窩移動通信網(wǎng)絡、WLAN等。蜂窩移動通信網(wǎng)絡的移動終端和固定基站互相通信,移動終端不具備路由功能,基站負責路由和交換功能并充當接入有線網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)。WLAN的移動節(jié)點配備無線網(wǎng)網(wǎng)卡,通過接入點與固定網(wǎng)絡連接,對網(wǎng)絡層來說WLAN是一個單跳網(wǎng)絡。它們必須基于預設(shè)的網(wǎng)絡設(shè)施才能運行。MANET由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成,網(wǎng)絡中每個終端可以自由移動、地位相等,是一個多跳、臨時、無中心的網(wǎng)絡,無需基礎(chǔ)網(wǎng)絡設(shè)施,可以根據(jù)任務需求簡單快速地在任何時間、任何地點完成構(gòu)建[1]。與蜂窩移動通信網(wǎng)絡等常規(guī)移動通信網(wǎng)絡比較,MANET不依賴基站進行通信,采用分組交換機制,以數(shù)據(jù)通信業(yè)務為主,拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化。與WLAN等結(jié)構(gòu)復雜的傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡比較,MANET網(wǎng)絡規(guī)模相對較小,拓撲結(jié)構(gòu)簡單且快速變化[2]。

MANET網(wǎng)絡中節(jié)點動態(tài)變化且任意分布,節(jié)點間通過無線方式互聯(lián),節(jié)點既是通信的主體又充當路由器的角色。這種特性能夠保證移動性很強、拓撲經(jīng)常變化的突發(fā)通信。在水下環(huán)境中,蛙人、UUV、AUV以及水下潛艇與艦艇之間若要建立有效通信鏈接,基本上沒有基礎(chǔ)設(shè)施可以依附,節(jié)點隨機運動,拓撲結(jié)構(gòu)變化較大。MANET理念滿足水下通信組網(wǎng)的要求。

3 水下MANET需要解決的問題

實現(xiàn)水下MANET的關(guān)鍵技術(shù)有路由協(xié)議、服務質(zhì)量、功率控制和安全問題等,其中最主要的便是選擇適合水下通信環(huán)境的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和路由協(xié)議,以控制開銷、減小網(wǎng)絡延時等。這是保證完成通信任務、確保通信質(zhì)量的基礎(chǔ)。

3.1 MANET網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

MANET在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上主要存在兩種形式:分層分布式結(jié)構(gòu)和平面式結(jié)構(gòu)。分層分布式結(jié)構(gòu)中(圖1),網(wǎng)絡節(jié)點按照層次被分為簇首和簇成員,相同層次的簇首之間可相互聯(lián)系,每個簇首擁有屬于自己的多個簇成員,簇成員之間可相互聯(lián)系,但不同簇首下屬的簇成員之間無法直接聯(lián)系,必須通過上層簇首轉(zhuǎn)發(fā)信息,這種結(jié)構(gòu)中節(jié)點間地位不平等,且網(wǎng)絡算法復雜度會根據(jù)網(wǎng)絡層數(shù)的增加大大提高;平面式結(jié)構(gòu)中(圖2),網(wǎng)絡中所有的節(jié)點地位平等,節(jié)點功能完全相同,節(jié)點間通過自由競爭通信,算法復雜度相對于分層分布式結(jié)構(gòu)較低,允許其他自由節(jié)點隨時加入網(wǎng)絡,并能方便快速地將加入的自由節(jié)點納入網(wǎng)絡體系中。平面式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是一種對等式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),其節(jié)點用戶的平等關(guān)系使得網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)算法簡單易行。由此可見,平面式結(jié)構(gòu)更適合于水下MANET通信需要。

3.2 MANET路由協(xié)議

MANET為多跳通信網(wǎng)絡,發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點可能不在相互的傳輸范圍內(nèi),需要其他節(jié)點充當路由器承擔轉(zhuǎn)發(fā)工作,節(jié)點移動時要及時發(fā)現(xiàn)并更新路由信息。路由協(xié)議需能夠及時感知網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的變化,維護網(wǎng)絡拓撲的鏈接,并且具有高度自適應。

圖1 分層分布式結(jié)構(gòu)

圖2 平面式結(jié)構(gòu)

MANET要求在無網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施的支持下,完全由移動節(jié)點自行構(gòu)建網(wǎng)絡,并能在節(jié)點移動、節(jié)點加入或離開、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后快速重建網(wǎng)絡。由此可以看出路由協(xié)議的選擇對于MANET尤為重要,路由方案的好壞將對整個網(wǎng)絡性能的優(yōu)劣產(chǎn)生極其重要的影響。

目前,適用于水下MANET的路由協(xié)議可以分為表驅(qū)動路由協(xié)議(主動路由協(xié)議)和按需路由協(xié)議兩類[3]。

3.2.1 表驅(qū)動路由協(xié)議

表驅(qū)動路由協(xié)議亦稱為先應式路由協(xié)議。顧名思義,表驅(qū)動路由協(xié)議指的就是網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都存儲了一張路由表,該路由表中存儲了該節(jié)點到達網(wǎng)絡中所有其他節(jié)點的路由路徑信息,當節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送到目的節(jié)點時,該節(jié)點便可以在所存儲的路由表中快速找到合適的路由路徑,該路由協(xié)議的特點是分組延遲小。節(jié)點存儲的路由表信息會因節(jié)點的加入和離開或網(wǎng)絡拓撲的變化而部分失效,為了保證路由信息的準確性,表驅(qū)動路由協(xié)議通過周期性的廣播路由信息分組以更新路由表信息,這樣雖然做到了路由表信息的更新可以滿足網(wǎng)絡變化的需要,但是需花費較大的開銷[4]。

3.2.2 按需路由協(xié)議

按需路由協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護兩個過程。在這種類型的路由協(xié)議中,每個節(jié)點并不保存及時準確的路由信息,僅當源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時,才在網(wǎng)絡中開始進行路由查找,在檢驗完所有可能的路由路徑或者找到新的路由后結(jié)束路由發(fā)現(xiàn)過程,繼而按照建立起來路由發(fā)送信息,并通過路由維護保持這條路由的通暢[5]。

按需路由協(xié)議的優(yōu)點是不需要周期性更新,拓撲結(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容按需建立。這樣就降低了控制開銷,節(jié)省了一定的網(wǎng)絡資源。但是當沒有去往目的節(jié)點的路由而必須建立新路由路徑時,路由發(fā)現(xiàn)將以增加組網(wǎng)延時為代價。

表1 表驅(qū)動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議的比較

綜合比較表驅(qū)動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議的優(yōu)缺點(表1),按需路由協(xié)議更適合應用于水下運動載體編隊。

4 典型按需路由協(xié)議

典型的按需路由協(xié)議主要有DSR(動態(tài)源路由)協(xié)議、AODV(無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由)協(xié)議等[6]。

4.1 DSR協(xié)議

DSR協(xié)議是一種基于源路由機制上的按需路由協(xié)議[7]。DSR協(xié)議為每個節(jié)點分配一個路由存儲器用于保存路徑。當源節(jié)點需要與目的節(jié)點通信時,首先在存儲器中查找是否有到達目的節(jié)點的路由,如果有效路由存在,則經(jīng)此路徑發(fā)送數(shù)據(jù);若沒有,則向所有鄰居廣播RREQ(Route Requst),以啟動一個路由發(fā)現(xiàn)過程尋找可用路由,RREQ消息從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點,直到RREQ消息到達目的節(jié)點或存在到達目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時停止傳輸,這些節(jié)點需對RREQ做出應答消息RREP(Route Reply),RREP通過RREQ在傳輸過程中節(jié)點間建立起來的反向路徑進行傳輸。當源節(jié)點收到RREP時,標志著路由發(fā)現(xiàn)過程結(jié)束,此時便可以從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息。并且每個節(jié)點都記錄已經(jīng)收到的請求信息,從而有效防止同一請求信息的反復發(fā)送,進而減少路由建立階段的開銷。在路由建立過程中,當中間節(jié)點檢測到通往目的節(jié)點的下一跳鏈路中斷時,它將從自己的路由存儲器中移去包含該鏈路的路由并向源節(jié)點返回一個路由出錯信息RERR。源節(jié)點收到RERR后,觸發(fā)一次新的路由發(fā)現(xiàn)[8]。

DSR協(xié)議中數(shù)據(jù)分組自身攜帶從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由信息,無需轉(zhuǎn)發(fā)分組的中間節(jié)點存儲路由信息,這是動態(tài)源路由協(xié)議的最大優(yōu)點。同時,由上述分析可知,DSR協(xié)議中節(jié)點僅需要維護與之通信的節(jié)點的路由,減少了協(xié)議開銷。

4.2 AODV路由協(xié)議

AODV協(xié)議是一種需求驅(qū)動的路由協(xié)議[9]。AODV根據(jù)業(yè)務需求建立和維護路由。在AODV協(xié)議中,當源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包或者轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點時,源節(jié)點檢查路由表,如果有到達目的節(jié)點的路由,那么直接發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有到達目的節(jié)點的路由或路由表項已過期,那么源節(jié)點啟動路由發(fā)現(xiàn)過程[10]。

在路由發(fā)現(xiàn)過程中,源節(jié)點廣播路由請求分組RREQ,收到RREQ的下一跳節(jié)點將根據(jù)RREQ中所攜帶的路由信息,建立到源節(jié)點的路由并在路由表中增加此路由條目,這條路由稱為“反向路由”,廣播RREQ的源節(jié)點是反向路由條目的目的節(jié)點。當RREQ發(fā)送到目的節(jié)點時,路由發(fā)現(xiàn)過程結(jié)束,開始傳輸數(shù)據(jù)。否則將繼續(xù)向周圍節(jié)點廣播此分組,直到傳輸至目的節(jié)點為止。

圖3 AODV流程圖

經(jīng)過n個中間節(jié)點中繼后,當目的節(jié)點收到RREQ時,需向源節(jié)點以路由應答分組RREP形式進行回復,RREP沿著反向路由向源節(jié)點傳送,傳送過程中,收到RREP的節(jié)點建立到目的節(jié)點的路由并在路由表中增加此路由條目,這條路由稱為“正向路由”。新路由建立的標志是源節(jié)點收到目的節(jié)點的路由應答RREP,此時,數(shù)據(jù)便可通過這條路由進行傳送。

中間節(jié)點在傳輸過程中起到“接力”的作用。但當中間節(jié)點檢測到一條正在傳輸數(shù)據(jù)的活動路由的下一跳鏈路斷開或者節(jié)點沒有去往源節(jié)點中指定的目的節(jié)點的有效路由時,該節(jié)點向源節(jié)點單播或多播路由錯誤RRER,當源節(jié)點收到RRER后重新尋找其他路由。AODV通過周期性廣播Hello報文來監(jiān)視鏈路連通性。Hello包只在相鄰節(jié)點間傳播,通過節(jié)點有無收到Hello包判斷是否新建鄰居條目和判斷節(jié)點是否依然處于連接狀態(tài)。

4.3 DSR協(xié)議與AODV協(xié)議的比較

DSR協(xié)議是一種簡單而高效的路由協(xié)議,按需更新路由信息,從而避免了在無數(shù)據(jù)傳輸時因周期性更新網(wǎng)絡路由信息而造成的不必要的開銷。同時DSR協(xié)議支持中間節(jié)點應答,使得存儲器中已有的路由資源得以利用,縮短了建立路由的時間。

AODV協(xié)議和DSR協(xié)議同樣按需更新路由信息,在需要時才開始實施路由算法。與DSR協(xié)議相比,AODV協(xié)議的好處在于數(shù)據(jù)分組中不包含源路由信息,只帶有目的節(jié)點信息,這樣會使路由協(xié)議的開銷小于DSR協(xié)議,帶寬利用率得以提高,減小網(wǎng)絡延時(圖4)。AODV協(xié)議集合了DSR協(xié)議中路由發(fā)現(xiàn)和路由維護及表驅(qū)動路由協(xié)議中設(shè)定序列號和定期更新路由信息等優(yōu)點。

綜上所述,水下通信MANET適宜采用AODV協(xié)議。

5 結(jié)語

本文對MANET特性及可用于MANET的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、路由協(xié)議的類型和特點進行了研究,分析表明MANET適合水下組網(wǎng)通信,AODV適宜作為水下通信MANET的路由協(xié)議。

[1] 張海憶,任重,孫杜娟,等.基于Ad Hoc網(wǎng)絡的水下無線通信技術(shù)研究[J].電聲技術(shù),2015,4:54-57.

[2] 移動自組織網(wǎng)[EB/OL].(2013-08-18)[2016-08-20].http://www.chinadmd.com/file/uw3siiauwazwoceaar6papw3_1.html.

[3] 孫長宇.無線Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的性能分析與改進研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2010.

[4] 代燕妮,張節(jié)群.AODV過程的OPNET仿真實現(xiàn)[J].科技信息,2011,1:67-68.

[5] 趙健,孫俊鎖.基于NS2的Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真與分析[J].鞍山科技大學學報,2007,30(2):160-163.

[6] AODV路由協(xié)議在Ad Hoc網(wǎng)絡中的應用[EB/OL].(2013-06-18)[2016-08-20].http://cisco.chinaitlab.com/others/811238.html..

[7] 趙新偉,鄭洪飛.Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議分析與仿真[J].計算機安全,2011,7:40-43.

[8] 鄭創(chuàng)明.Ad Hoc網(wǎng)絡多目標發(fā)送的DSDV路由協(xié)議[J].軍事通信技術(shù),2005,26(4):6-10.

[9] 王霄峻,余旭濤.Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議[J].移動通信,2004,28(13):15-19.

[10] 金堂,李臘元.移動Ad Hoc網(wǎng)絡中AODV路由協(xié)議的改進與仿真[J].武漢理工大學學報,2007,31(1):1-34.

Analysis of Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks in Underwater Communication

YAO Wenming JIN Xiaoyu DENG Rong

(Department of Weaponry, Navy College of Petty Officer, Bengbu 233012)

In order to solve the current problem that point-to-point communication of a small range cannot meet the needs of communication between the underwater motion vector formation, this paper analyses the mobile ad hoc networks (MANET) which is suitable for underwater communication networks and its characteristics, the routing protocols that may be used for multi node communication network of the underwater motion vector formation is also analysed. The results show that the Ad hoc on-demand distance vector routing (AODV) is applicable to underwater communications network.

underwater, MANET, routing protocol

TN915

2016年9月11日,

2016年10月29日

姚文明,男,碩士研究生,助理講師,研究方向:水下通信與光電技術(shù)。

TN915

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.023