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现代通信网课程论文题目：无线网络路由协议介绍

1.路由概述

路由：是把信息从源穿过网络传递到目的地的行为，就是指导IP数据包发送的路径信息。

路由器：提供了异构网互联的机制，实现将一个网络的数据包发送到另一个网络。

路由协议：就是在路由指导IP数据包发送过程中事先约定好的规定和标准。

可路由协议：是定义数据包内各个字段的格式和用途的网络层封装协议，该网络层协议允许将数据包从一个网络设备转发到另一个网络设备。

具体来说，路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其它路由器的路径。总之，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

2.传统路由分类

路由分为静态路由和动态路由，其相应的路由表称为静态路由表和动态路由表。静态路由表由网络管理员在系统安装时根据网络的配置情况预先设定，网络结构发生变化后由网络管理员手工修改路由表。动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。

2.动态路由分类

根据路由算法，动态路由协议可分为距离向量路由协议（Distance Vector Routing Protocol）和链路状态路由协议（Link State Routing Protocol）。距离向量路由协议基于Bellman-Ford算法，主要有RIP、IGRP（IGRP为Cisco公司的私有协议）；链路状态路由协议基于图论中非常著名的Dijkstra算法，即最短优先路径（Shortest Path First，SPF）算法，如OSPF。在距离向量路由协议中，路由器将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器；而在链路状态路由协议中，路由器将链路状态信息传递给在同一区域内的所有路由器。根据路由器在自治系

统（AS）中的位置，可将路由协议分为内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）和外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP，也叫域间路由协议）。域间路由协议有两种：外部网关协议（EGP）和边界网关协议（BGP）。

图1 传统路由分类框图

图2 路由按照位置分类框图

3.Ad hoc网络路由概述

Ad hoc网络是由无线移动节点构成的自组织网络，没有基站、路由器那样的静态网络结构，所有节点都可以随机地、自由地移动，其网络拓扑结构是动态变化的。又称为多跳网（Multi-hop Network）、无基础设施网（Infrastructureless Network）或自组织网（Self-organizing Network）。

现存Ad hoc网络路由协议可以分为2类：表驱动(table—driven)和源发起按需驱动(source—initiated on-demand routing)。

表驱动路由协议：表驱动路由协议(table—driven routing protocols)是有线网络路由协议向Ad hoc网络的移植。网络中的每个节点维持一个或多个表格来存储其

它节点的路由信息，通过广播更新信息来保持路由表信息与网络拓扑的变化之间的一致性。典型的表驱动路由协议包括：DSDV (destination—sequenced distance —vector routing)、CGSR (cluster head gateway switch routing)和WRP (wireless routing protoco1)等。

DSDV（目的节点序列距离矢量）协议：是逐跳的距离矢量路由协议，普遍采用于Ad hoc移动无线自组局域网中，是一个基于传统的Bellman-Ford路由选择机制的表驱动算法。

CGSR协议：即群首网关交换路由协议，是对基本DSDV路由协议的扩展，是一种基于分群的层次路由。它以群首选举算法来维护分群结构的稳定性，通过交替使用群首-网关序列来高效地传递数据分组，是一种可扩展的先应式自组网路由协议。由于限定分组的传输必须经过群首网关序列，可能产生非最优路径。

表驱动路由协议虽然可以很快地获得到其它所有节点的路由，但是不可避免地存在信号拥塞和能量过度消耗的问题，而且表驱动路由协议逐渐被需驱动路由协议所替代。

源发起按需路由协议：按需路由协议不需要像表驱动路由协议那样实时地维持每个节点的路由信息，而只在源节点需要路由的时候才发起路由，从而降低了对网络带宽和能量的过度消耗。当源节点需要一个到达某一目的节点的路由时，它在网络中发起一个路由发现过程；路由建立之后，会由一个路由维护程序进行维护，直到每条路径都断裂或不再需要路由为止。典型的源发起按需路由包括：AODV (Ad hoc on—demand vector routing)、DSR (dynamic source routing)、TORA (temporally ordered routing algorithm)等。

AODV：无线自组网按需平面距离向量路由协议，在网络资源充分的情况下，AODV协议可以通过定期广播hello报文来维护路由，一旦发现某一个链路断开，节点就发送ERROR报文通知那些因链路断开而不可达的节点删除相应的记录或者对已存在的路由进行修复。

DSR：动态源路由协议(Dynamic Source Routing Protocol,DSR)是一个专门为多跳无线Ad Hoc网络设计的简单且高效的路由协议。所有的路由都是由DSR路由协议动态地、自动地确定和维护，它提供快速反应式服务，以便帮助确保数据分组的成功交付，即使在节点移动或者其他网络状况变化的条件下也是如此。

TORA：预定路由协议，TORA是一种源初始化按需Ad Hoc路由协议,它采用链路反转(LinkReversal)的分布式算法并引入了路由高度的机制,通过这种机制能够创建一个从源到目的节点的一个有向无环路图DAG(Direeted Aeyelie Graphie)。

图3 Ad hoc网络路由分类框图

4.无线传感网路由协议概述

关于无线传感器网络路由协议的分类方法现在有很多，研究学者依据不同的标准对其进行分类。目前还没有一个统一的标准，下面对这些分类进行总结一下并列出一些比较经典的路由协议。

5.无线传感网路由协议分类

依据网络的逻辑结构，可分为平面路由和层次路由。

平面路由：平面路由中各节点都将收集到的数据传送到汇聚节点，所有节点具有相同的地位和功能，节点间相互协作共同完成感知和数据处理任务。典型的平面路由协议有Flooding，SPIN，DD，Rumor和SAR等。

Flooding：Flooding是一种传统的泛洪路由技术，无线传感器网络路由协议的研究最早也是从Flooding开始的。它实现简单，即节点A希望发送数据给节点B，节点A首先通过网络将数据包传给其每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传给除A外的其他的邻居节点，直到将数据包传送到B为止或者为该数据设定的生命期限变为零为止。

优缺点分析：优点显而易见，实现简单，不需要复杂的路由算法，但如上所说，内爆、交叠和资源盲目性是其固有的缺陷。

DD：即定向路由扩散（Directed Diffusion），通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。然而，路径建立时的兴趣消息扩散要执行一个泛洪广播操作，时间和能量开销大。

SPIN：SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）是第1个基于数据的路由协议。该协议以抽象的元数据对数据进行命名,命名方式没有统一标准。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。

Rumor Routing：D. Braginsky等人提出的适用于数据传输量较小的无线传感器网络高效路由协议。其基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向邻居节点扩散传播。同时，基站或汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路径。

层次路由：早期的层次路由中传感器节点按照不同的分簇方法分成相应的簇，每个簇中选举一个簇头节点，通过节点的多跳通信和数据融合来减少信息发送次数，以节约能耗，延长网络的生存周期。典型的层次路由协议有LEACH，PEGASIS和分层PEGASIS，TEEN等。层次路由可扩展性好，适合大规模网络，但簇的重构及维护开销大，且簇头是路由的关键节点，其失效将导致路由失败。

LEACH：即低功耗自适应集簇分层型协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，无线传感器网络的一种分簇路由算法，其基本思想是以循环的方式随机选择簇头节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低网络能源消耗，延长网络生存时间。簇头的产生是簇形成的基础，簇头的选取一般基于节点的剩余能量、簇头到基站或汇聚节点的距离、簇头的位置和簇内的通信代价。

PEGASIS：功率有效聚集路由协议，这是在LEACH协议基础上建立的协议，主要是为了延长网络的生命周期，使节点只需要和她们最近的邻居之间进行通信。

TEEN：TEEN和LEACH的实现机制非常相似,只是前者是响应型的,而后者属于主动型传感器网络。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。

图4 无线传感网络路由分类框图