水聲通信組網(wǎng)技術(shù)第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由

2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由1第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述路由協(xié)議的分類平面路由協(xié)議分級的路由協(xié)議主動路由協(xié)議被動路由協(xié)議

混合路由協(xié)議源路由逐跳路由基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的路由協(xié)議基于位置的路由協(xié)議按路由結(jié)構(gòu)分類：按路由發(fā)現(xiàn)策略分類：按路由信息的存放方式分類：按是否依賴定位分類：2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由2第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由3.三種典型的路由協(xié)議DSR(DynamicSourceRouting)AODV(AdHocOn-demandDistanceVectorRouting)OLSR(OptimizedLinkStateRouting)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由31.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述路由問題解決網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點如何將分組從源結(jié)點正確的發(fā)送到目的結(jié)點的問題即結(jié)點如何對分組進行轉(zhuǎn)發(fā)的問題路由協(xié)議路由算法：在獲知網(wǎng)絡(luò)拓撲和鏈路狀態(tài)的條件下，選擇源結(jié)點到達目的結(jié)點的路徑的法則。如最小代價路由選擇算法（代價可以為時延、距離、能耗等）路由策略：解決路由的選擇如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲和狀態(tài)變化的問題2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由41.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由5水下通信網(wǎng)絡(luò)是指將水下和水面結(jié)點如各種水下傳感器、水下航行器、水面浮標、水面船只艦艇等互聯(lián)起來的網(wǎng)絡(luò)。通過該網(wǎng)絡(luò)，其中的任意兩個結(jié)點之間可以隨時進行信息交互。網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點可以移動，隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)不需要任何固定基礎(chǔ)設(shè)置支持，結(jié)點之間獨立組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)又稱為水下AdHoc網(wǎng)絡(luò)，或水下自組織網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^無線聲鏈路構(gòu)成任意拓撲這種網(wǎng)絡(luò)建立快捷、靈活可廣泛應(yīng)用于水下軍事防御、海洋環(huán)境監(jiān)測和保護、海洋地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、礦產(chǎn)資源勘探等場合1.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由6

Seaweb2005UUVExperiments

MontereyBay,May9-11,July20-22

constellationof6SeawebrepeaternodesfixedonseabedSLOCUMUUVShipboardcommandcenterRacombuoygatewaynodeIridiumsatelliteconstellationARIESUUVGPSsatelliteconstellationNPS2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由7——水下通信網(wǎng)絡(luò)的特點獨立組網(wǎng)：AdHoc特性無中心：組網(wǎng)無需任何預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施或中心結(jié)點動態(tài)拓撲：結(jié)點移動，結(jié)點加入與離開多跳路由：源與目的之間由多段聲鏈路組成，結(jié)點同時具有終端和轉(zhuǎn)發(fā)的功能高延時：與無線電信號相比聲信號傳播時延很大帶寬有限：聲信道環(huán)境惡劣能耗受限：結(jié)點一般都是一次性能源供給1.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由8網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化的特性使得傳統(tǒng)的有線網(wǎng)路由協(xié)議產(chǎn)生大量的控制信息。不僅會消耗掉原本非常有限的帶寬資源，而且還會增加信道競爭，大量消耗便攜終端的能量。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的顯著區(qū)別，使得這些無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議也無法應(yīng)用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)中因此，現(xiàn)有的有線和無線路由協(xié)議都不適合在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中運行，要針對AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特性對其路由協(xié)議設(shè)計。1.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述——AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由9

1.水聲網(wǎng)絡(luò)路由概述

——網(wǎng)絡(luò)特性為路由協(xié)議的設(shè)計提出了新的問題和挑戰(zhàn)(1)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲，使得常規(guī)路由協(xié)議需要花費很長的時間和較大的代價才能達到收斂狀態(tài)(2)有限的傳輸帶寬(3)結(jié)點能耗受限AdHoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備：強的自適應(yīng)性開銷小算法簡單有效并應(yīng)考慮如何節(jié)省能源等2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由102路由協(xié)議的分類按路由結(jié)構(gòu)分類：平面(flat)路由協(xié)議分級(cluster-based)的路由協(xié)議按路由發(fā)現(xiàn)策略分類：主動路由協(xié)議（global/proactiveroutingprotocol）被動路由協(xié)議(on-demand/reactiveroutingprotocol)

混合路由協(xié)議(hybridroutingprotocol)按路由信息的存放方式分類：源路由（sourcerouting）逐跳路由(hop-by-hop)按是否依賴定位分類：基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的路由協(xié)議基于位置的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由11

2路由協(xié)議的分類

——平面路由協(xié)議所有結(jié)點在形成和維護路由信息的責(zé)任上是等同的。路由協(xié)議的邏輯視圖是平面結(jié)構(gòu)，結(jié)點的地位是平等的。優(yōu)點：不存在特殊結(jié)點，路由協(xié)議的魯棒性較好，通信流量平均的分散在網(wǎng)絡(luò)中，不需要結(jié)點移動性管理缺點：缺乏可擴展性，限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由122路由協(xié)議的分類

——分級路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)由多個簇組成結(jié)點分為兩種類型：普通結(jié)點和簇頭結(jié)點。處于同一簇的簇頭結(jié)點和普通結(jié)點共同維護所在簇內(nèi)部的路由信息，簇頭結(jié)點負責(zé)所管轄簇的拓撲信息的壓縮和摘要處理，并與其它簇頭結(jié)點交換處理后的拓撲信息優(yōu)點：適合大規(guī)模的自組織環(huán)境，可擴展性較好；缺點：簇頭結(jié)點的可靠性和穩(wěn)定性對全網(wǎng)性能影響較大，支持結(jié)點在不同簇之間漫游產(chǎn)生一定的開銷2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由13已提出的自組織網(wǎng)路由協(xié)議大多是基于平面路由思想自組織網(wǎng)目前主要以一種末端網(wǎng)絡(luò)形式存在，應(yīng)用規(guī)模都較小，使用簇思想的作用不明顯在一定程度上抑制了簇思想在自組織網(wǎng)中的研究2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由142路由協(xié)議的分類按路由發(fā)現(xiàn)的策略劃分，MANET路由協(xié)議可分為三類：主動路由協(xié)議（global/proactiveroutingprotocol）被動路由協(xié)議(on-demand/reactiveroutingprotocol)混合路由協(xié)議(hybridroutingprotocol)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由152路由協(xié)議的分類

——主動路由協(xié)議修改有線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議以適應(yīng)自組織網(wǎng)環(huán)境而得來的路由發(fā)現(xiàn)策略類似于傳統(tǒng)有線網(wǎng)中路由協(xié)議所有的路由在一開始就確定下來各結(jié)點通過周期性的廣播路由信息分組，交換路由信息，來維持和更新路由結(jié)點必須維護去往全網(wǎng)所有結(jié)點的路由迄今為止，已提出的主動路由協(xié)議主要有OLSR、WRP、DSDV等。2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由162路由協(xié)議的分類

——被動路由協(xié)議僅在源結(jié)點有分組要發(fā)送且本地沒有去往目的結(jié)點的路由時，才“按需”進行路由發(fā)現(xiàn)并建立所需路由網(wǎng)絡(luò)每個結(jié)點不需要維持去往其它所有結(jié)點的路由拓撲結(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓撲結(jié)構(gòu)信息的一部分按需路由協(xié)議通常由路由發(fā)現(xiàn)和維護兩個過程組成通過向網(wǎng)絡(luò)中廣播一個“路由請求”分組就可進行路由發(fā)現(xiàn)迄今為止，已提出的被動(ondemand)路由協(xié)議主要有DSR、AODV、TORA、ABR等2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由17

主動路由協(xié)議Vs.被動路由協(xié)議性能主動路由協(xié)議被動路由協(xié)議所需維持的路由

網(wǎng)絡(luò)中每一個結(jié)點要持續(xù)地維持到全網(wǎng)所有其它結(jié)點的路由僅需維持到所需目的結(jié)點的路由和維護處于active狀態(tài)的鏈路路由發(fā)現(xiàn)策略所有的路由在一開始就確定下來，各結(jié)點通過周期性地交換路由信息來維持所有的路由信息

只有在源結(jié)點需要發(fā)送分組到某一目的結(jié)點且本地沒有到該目的結(jié)點的路由的情況下，才觸發(fā)路由發(fā)現(xiàn)操作

開銷

正比于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓撲變化程度

正比于網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)擴展性

差良好應(yīng)用場景適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，結(jié)點移動性不強的情形

在用戶不很密集、負荷中等、移動性一般的大型網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出色2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由182路由協(xié)議的分類

——混合路由協(xié)議(hybrid)綜合主動和被動兩種路由策略在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上采用平面或分層結(jié)構(gòu)如ZRP（ZoneRoutingProtocol）協(xié)議就是一類混合使用主動路由和被動路由策略的協(xié)議，在一定的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)采用主動路由策略，區(qū)域間則采用被動路由的策略2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由19逐跳路由中間結(jié)點收到數(shù)據(jù)分組時依據(jù)目的地址，查詢路由表得到下一結(jié)點地址將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的鏈路上去數(shù)據(jù)分組就是這樣一跳一跳地向目的結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)點：能適應(yīng)MANET動態(tài)變化的環(huán)境，每個結(jié)點在收到最新的拓撲信息時便會更新本地路由表，從而能保證將到達的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到更新更好的路徑上去缺點：每個中間結(jié)點都要實時維護一定的路由信息，都要通過周期性的信標（beaconmessage）維持鄰結(jié)點之間的連通性2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由202路由協(xié)議的分類

——源路由策略每個數(shù)據(jù)分組攜帶完整的從源結(jié)點到目的結(jié)點所經(jīng)中間結(jié)點的地址信息中間結(jié)點不再需要像逐跳路由那樣要為每個activeroute維護實時的路由信息，僅需要依據(jù)數(shù)據(jù)分組頭中攜帶的信息對分組進行轉(zhuǎn)發(fā)缺點：擴展性不好隨著每條路徑的中間結(jié)點數(shù)的增加，該路徑發(fā)生故障的概率就越大、每個數(shù)據(jù)分組的開銷就越大DSR(DynamicSourceRouting)協(xié)議就是采用源路由方式的路由協(xié)議。2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由212路由協(xié)議的分類

——按是否依賴定位分類基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的路由協(xié)議利用鏈路信息進行路由的建立和分組轉(zhuǎn)發(fā)

基于位置的路由協(xié)議利用結(jié)點的物理位置進行分組轉(zhuǎn)發(fā)讓路由請求分組往目的結(jié)點所在方向傳輸，限制路由請求過程中被影響的結(jié)點數(shù)目對于位置的依賴性限制了應(yīng)用范圍LAR(LocationAidedRouting)、DREAM(DistanceRoutingEffectAlgorithmforMobility)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由22

3.三種典型的路由協(xié)議針對MANET路由的研究一直是熱點IETF(Internetengineeringtaskforce)專門成立了MANET工作組進行MANET路由的標準化工作只有少數(shù)被IETF的MANET工作組認可通過

DSR(DynamicSourceRouting)AODV(AdHocOn-demandDistanceVectorRouting)OLSR(OptimizedLinkStateRouting)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由233.三種典型的路由協(xié)議

——DSR

DSR路由協(xié)議是一種采用源路由策略的被動路由協(xié)議完整的路由信息被攜帶在數(shù)據(jù)分組的分組頭中中間結(jié)點只需按分組攜帶的路由信息對該分組進行轉(zhuǎn)發(fā)，就可以把分組送往目的結(jié)點中間結(jié)點不需要為分組轉(zhuǎn)發(fā)計算和選擇路由2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由243.三種典型的路由協(xié)議

——DSR路由協(xié)議DSR路由協(xié)議由兩個過程組成：路由發(fā)現(xiàn)（routediscovery)（按需進行）RREQ（routerequest)RREP（routereply)路由維護(routemaintenance)（按需進行）網(wǎng)絡(luò)僅對activeroute進行維護，對其他路由不聞不問RERR（routeerror)維持路由表信息的正確性和實效性2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由25

3.三種典型的路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議——路由發(fā)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)當(dāng)且僅當(dāng)源結(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)往目的結(jié)點且本地沒有到達該目的結(jié)點的路由時，通過向全網(wǎng)廣播RREQ分組進行路由發(fā)現(xiàn)RREQ分組中包含源結(jié)點地址目的結(jié)點地址路由記錄（記錄RREQ目前所經(jīng)過的路徑，由結(jié)點序列表示）RREQID（源結(jié)點設(shè)置的唯一標示該RREQ分組的值）2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由263.三種典型的路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議——路由發(fā)現(xiàn)任意結(jié)點i收到RREQ分組時，執(zhí)行以下操作：Ifit’sarepeatedRREQ,dropitelseifnodeiisonenodeoftheroutelist,dropit

elseifnodeiisdestinationnodeorithasaroutetodestinationnode,replysourcenodewithRREP

elsesavetheroutelistlocally,addnodeitotheroutelist,andatlastrebroadcastRREQtothenetwork

2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由273.三種典型的路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議——路由發(fā)現(xiàn)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由283.三種典型的路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議——路由維護網(wǎng)絡(luò)要監(jiān)視activeroute，一旦有問題就向源結(jié)點發(fā)送RERRRERR包含發(fā)生故障的那一跳兩端結(jié)點的地址源結(jié)點收到RREQ后，將那一跳從路由表中刪除，以維持路由表信息的正確性和實效性2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由293.三種典型的路由協(xié)議

——DSR路由協(xié)議優(yōu)點：采用被動按需的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，減小了控制開銷缺點：基于源路由的設(shè)計使得DSR不適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由30

3.三種典型的路由協(xié)議

——AODV

AODV是一種被動的、基于距離矢量算法的MANET路由協(xié)議。它的顯著特點就是為每一個路由表表項維持一個序列號AODV通過序列號的大小來區(qū)別路由信息的新舊程度，序列號越大說明該信息越新，其可靠性也就越好。面對兩條到達目的結(jié)點的路由，源觸發(fā)結(jié)點會選擇序列號大的那一條路徑。2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由313.三種典型的路由協(xié)議

——AODV路由協(xié)議跟DSR類似，AODV路由協(xié)議也由兩個過程組成：路由發(fā)現(xiàn)（routediscovery)路由維護(routemaintenance)AODV定義了三種路由控制分組：RREQ(routerequest)RREP(routereply)RERR(routeerror)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由323.三種典型的路由協(xié)議

——AODV協(xié)議與DSR協(xié)議的區(qū)別DSR協(xié)議的數(shù)據(jù)分組攜帶完整的路由信息，而AODV協(xié)議的數(shù)據(jù)分組僅攜帶目的地址DSR協(xié)議的RREP中含有所確定路徑上的所有結(jié)點的地址信息，而AODV協(xié)議的RREP僅帶回了目的結(jié)點地址和序列號值A(chǔ)ODV不支持為一對源和目的結(jié)點之間建立多條路徑，當(dāng)前所用路由斷開時無法像DSR協(xié)議那樣可以使用備份路由快速建鏈。所以鏈路斷開會引發(fā)另一次路由發(fā)現(xiàn)，這將會引入額外時延和消耗更多的帶寬資源2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由33

3.三種典型的路由協(xié)議

——OLSROLSR路由協(xié)議是一個專門為MANET環(huán)境設(shè)計的基于鏈路狀態(tài)算法的主動式表驅(qū)動路由協(xié)議。該協(xié)議繼承了鏈路狀態(tài)算法的優(yōu)點，每個結(jié)點都可以獲取全網(wǎng)拓撲信息，能夠在需要建立路由時快速地提供所需路由信息。OLSR通過采用選擇MPR（MultiPointRelay）結(jié)點減小開銷。2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由343.三種典型的路由協(xié)議

——OLSR路由協(xié)議

拓撲信息控制分組經(jīng)本結(jié)點的所有MPR結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)后，能到達該結(jié)點的所有兩跳范圍內(nèi)所有結(jié)點。

MPR結(jié)點的選取原則：2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由353.三種典型的路由協(xié)議

——OLSR路由協(xié)議OLSR定義了兩種控制分組：hello控制分組用于建立和維持一個結(jié)點的鄰居列表，計算本地結(jié)點的MPR結(jié)點周期性發(fā)送給鄰結(jié)點topologycontrol拓撲信息控制分組最新的拓撲變化信息廣播到全網(wǎng)各個結(jié)點只能由MPR結(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由363.三種典型的路由協(xié)議

——OLSR路由協(xié)議MPR機制：控制拓撲信息分組在網(wǎng)絡(luò)中廣播的規(guī)模減小控制分組給網(wǎng)絡(luò)帶來的負荷避免形成廣播風(fēng)暴MPR策略在大型的、結(jié)點密集的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有絕對優(yōu)勢因此，OLSR適用于大型的、結(jié)點密集的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大、結(jié)點越密集，OLSR相比傳統(tǒng)的鏈路狀態(tài)算法的優(yōu)勢就越明顯2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由37三種典型MANET路由協(xié)議對比

DSRAODVOLSR路由選擇最短路徑；路由快存中可用路由最新最短路徑最短路徑路由發(fā)現(xiàn)策略被動被動主動路由備份有無無路由結(jié)構(gòu)平面平面平面Hellomessage無有有優(yōu)點支持多路徑對拓撲高度變化的強適應(yīng)性減小了控制開銷和結(jié)點間的競爭缺點時延大；源路由和泛洪造成擴展性不好擴展性問題；時延大需要知道兩跳的鄰結(jié)點信息2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由38結(jié)點在移動中的停留時間為0s每個業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率為8packets/s3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由39結(jié)點在移動中的停留時間為0s每個業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率為8packets/s3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由40（a）（b）圖2.4Pausetime=0時，分組傳送率隨網(wǎng)絡(luò)負載增加時的變化圖3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由41（a）（b）圖2.5每個業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率為8packets/s時，分組傳送率隨結(jié)點移動性變化的關(guān)系圖3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由42結(jié)點在移動中的停留時間為0s每個業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率為8packets/s3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由43結(jié)點在移動中的停留時間為0s每個業(yè)務(wù)流的發(fā)送速率為8packets/s3.三種典型的路由協(xié)議2023/2/4第五講水聲網(wǎng)絡(luò)路由44（a）（b）圖2.6Pausetime=0時，分組傳送率隨網(wǎng)絡(luò)負載增加時的變化圖

3.三種典型的路