水声通信组网技术第五讲水声网络路由

2023/2/4第五讲水声网络路由1第五讲水声网络路由水声网络路由概述路由协议的分类平面路由协议分级的路由协议主动路由协议被动路由协议

混合路由协议源路由逐跳路由基于网络拓扑的路由协议基于位置的路由协议按路由结构分类：按路由发现策略分类：按路由信息的存放方式分类：按是否依赖定位分类：2023/2/4第五讲水声网络路由2第五讲水声网络路由3.三种典型的路由协议DSR(DynamicSourceRouting)AODV(AdHocOn-demandDistanceVectorRouting)OLSR(OptimizedLinkStateRouting)2023/2/4第五讲水声网络路由31.水声网络路由概述路由问题解决网络中结点如何将分组从源结点正确的发送到目的结点的问题即结点如何对分组进行转发的问题路由协议路由算法：在获知网络拓扑和链路状态的条件下，选择源结点到达目的结点的路径的法则。如最小代价路由选择算法（代价可以为时延、距离、能耗等）路由策略：解决路由的选择如何适应网络拓扑和状态变化的问题2023/2/4第五讲水声网络路由41.水声网络路由概述2023/2/4第五讲水声网络路由5水下通信网络是指将水下和水面结点如各种水下传感器、水下航行器、水面浮标、水面船只舰艇等互联起来的网络。通过该网络，其中的任意两个结点之间可以随时进行信息交互。网络中结点可以移动，随时加入或离开网络，网络不需要任何固定基础设置支持，结点之间独立组网，这种网络又称为水下AdHoc网络，或水下自组织网络。可以通过无线声链路构成任意拓扑这种网络建立快捷、灵活可广泛应用于水下军事防御、海洋环境监测和保护、海洋地质灾害预报、矿产资源勘探等场合1.水声网络路由概述2023/2/4第五讲水声网络路由6

Seaweb2005UUVExperiments

MontereyBay,May9-11,July20-22

constellationof6SeawebrepeaternodesfixedonseabedSLOCUMUUVShipboardcommandcenterRacombuoygatewaynodeIridiumsatelliteconstellationARIESUUVGPSsatelliteconstellationNPS2023/2/4第五讲水声网络路由7——水下通信网络的特点独立组网：AdHoc特性无中心：组网无需任何预先架设的网络设施或中心结点动态拓扑：结点移动，结点加入与离开多跳路由：源与目的之间由多段声链路组成，结点同时具有终端和转发的功能高延时：与无线电信号相比声信号传播时延很大带宽有限：声信道环境恶劣能耗受限：结点一般都是一次性能源供给1.水声网络路由概述2023/2/4第五讲水声网络路由8网络拓扑动态变化的特性使得传统的有线网路由协议产生大量的控制信息。不仅会消耗掉原本非常有限的带宽资源，而且还会增加信道竞争，大量消耗便携终端的能量。网络结构与现有蜂窝网和无线局域网的显著区别，使得这些无线网络的路由协议也无法应用于AdHoc网络中因此，现有的有线和无线路由协议都不适合在AdHoc网络中运行，要针对AdHoc网络的特性对其路由协议设计。1.水声网络路由概述——AdHoc网络路由2023/2/4第五讲水声网络路由9

1.水声网络路由概述

——网络特性为路由协议的设计提出了新的问题和挑战(1)动态变化的网络拓扑，使得常规路由协议需要花费很长的时间和较大的代价才能达到收敛状态(2)有限的传输带宽(3)结点能耗受限AdHoc网络路由协议应具备：强的自适应性开销小算法简单有效并应考虑如何节省能源等2023/2/4第五讲水声网络路由102路由协议的分类按路由结构分类：平面(flat)路由协议分级(cluster-based)的路由协议按路由发现策略分类：主动路由协议（global/proactiveroutingprotocol）被动路由协议(on-demand/reactiveroutingprotocol)

混合路由协议(hybridroutingprotocol)按路由信息的存放方式分类：源路由（sourcerouting）逐跳路由(hop-by-hop)按是否依赖定位分类：基于网络拓扑的路由协议基于位置的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由11

2路由协议的分类

——平面路由协议所有结点在形成和维护路由信息的责任上是等同的。路由协议的逻辑视图是平面结构，结点的地位是平等的。优点：不存在特殊结点，路由协议的鲁棒性较好，通信流量平均的分散在网络中，不需要结点移动性管理缺点：缺乏可扩展性，限制了网络的规模2023/2/4第五讲水声网络路由122路由协议的分类

——分级路由协议网络由多个簇组成结点分为两种类型：普通结点和簇头结点。处于同一簇的簇头结点和普通结点共同维护所在簇内部的路由信息，簇头结点负责所管辖簇的拓扑信息的压缩和摘要处理，并与其它簇头结点交换处理后的拓扑信息优点：适合大规模的自组织环境，可扩展性较好；缺点：簇头结点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大，支持结点在不同簇之间漫游产生一定的开销2023/2/4第五讲水声网络路由13已提出的自组织网路由协议大多是基于平面路由思想自组织网目前主要以一种末端网络形式存在，应用规模都较小，使用簇思想的作用不明显在一定程度上抑制了簇思想在自组织网中的研究2023/2/4第五讲水声网络路由142路由协议的分类按路由发现的策略划分，MANET路由协议可分为三类：主动路由协议（global/proactiveroutingprotocol）被动路由协议(on-demand/reactiveroutingprotocol)混合路由协议(hybridroutingprotocol)2023/2/4第五讲水声网络路由152路由协议的分类

——主动路由协议修改有线网络的路由协议以适应自组织网环境而得来的路由发现策略类似于传统有线网中路由协议所有的路由在一开始就确定下来各结点通过周期性的广播路由信息分组，交换路由信息，来维持和更新路由结点必须维护去往全网所有结点的路由迄今为止，已提出的主动路由协议主要有OLSR、WRP、DSDV等。2023/2/4第五讲水声网络路由162路由协议的分类

——被动路由协议仅在源结点有分组要发送且本地没有去往目的结点的路由时，才“按需”进行路由发现并建立所需路由网络每个结点不需要维持去往其它所有结点的路由拓扑结构和路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分按需路由协议通常由路由发现和维护两个过程组成通过向网络中广播一个“路由请求”分组就可进行路由发现迄今为止，已提出的被动(ondemand)路由协议主要有DSR、AODV、TORA、ABR等2023/2/4第五讲水声网络路由17

主动路由协议Vs.被动路由协议性能主动路由协议被动路由协议所需维持的路由

网络中每一个结点要持续地维持到全网所有其它结点的路由仅需维持到所需目的结点的路由和维护处于active状态的链路路由发现策略所有的路由在一开始就确定下来，各结点通过周期性地交换路由信息来维持所有的路由信息

只有在源结点需要发送分组到某一目的结点且本地没有到该目的结点的路由的情况下，才触发路由发现操作

开销

正比于网络规模和拓扑变化程度

正比于网络连接数扩展性

差良好应用场景适用于网络规模较小，结点移动性不强的情形

在用户不很密集、负荷中等、移动性一般的大型网络中表现出色2023/2/4第五讲水声网络路由182路由协议的分类

——混合路由协议(hybrid)综合主动和被动两种路由策略在网络结构上采用平面或分层结构如ZRP（ZoneRoutingProtocol）协议就是一类混合使用主动路由和被动路由策略的协议，在一定的网络区域内采用主动路由策略，区域间则采用被动路由的策略2023/2/4第五讲水声网络路由19逐跳路由中间结点收到数据分组时依据目的地址，查询路由表得到下一结点地址将数据分组转发到相应的链路上去数据分组就是这样一跳一跳地向目的结点转发的优点：能适应MANET动态变化的环境，每个结点在收到最新的拓扑信息时便会更新本地路由表，从而能保证将到达的数据分组转发到更新更好的路径上去缺点：每个中间结点都要实时维护一定的路由信息，都要通过周期性的信标（beaconmessage）维持邻结点之间的连通性2023/2/4第五讲水声网络路由202路由协议的分类

——源路由策略每个数据分组携带完整的从源结点到目的结点所经中间结点的地址信息中间结点不再需要像逐跳路由那样要为每个activeroute维护实时的路由信息，仅需要依据数据分组头中携带的信息对分组进行转发缺点：扩展性不好随着每条路径的中间结点数的增加，该路径发生故障的概率就越大、每个数据分组的开销就越大DSR(DynamicSourceRouting)协议就是采用源路由方式的路由协议。2023/2/4第五讲水声网络路由212路由协议的分类

——按是否依赖定位分类基于网络拓扑的路由协议利用链路信息进行路由的建立和分组转发

基于位置的路由协议利用结点的物理位置进行分组转发让路由请求分组往目的结点所在方向传输，限制路由请求过程中被影响的结点数目对于位置的依赖性限制了应用范围LAR(LocationAidedRouting)、DREAM(DistanceRoutingEffectAlgorithmforMobility)2023/2/4第五讲水声网络路由22

3.三种典型的路由协议针对MANET路由的研究一直是热点IETF(Internetengineeringtaskforce)专门成立了MANET工作组进行MANET路由的标准化工作只有少数被IETF的MANET工作组认可通过

DSR(DynamicSourceRouting)AODV(AdHocOn-demandDistanceVectorRouting)OLSR(OptimizedLinkStateRouting)2023/2/4第五讲水声网络路由233.三种典型的路由协议

——DSR

DSR路由协议是一种采用源路由策略的被动路由协议完整的路由信息被携带在数据分组的分组头中中间结点只需按分组携带的路由信息对该分组进行转发，就可以把分组送往目的结点中间结点不需要为分组转发计算和选择路由2023/2/4第五讲水声网络路由243.三种典型的路由协议

——DSR路由协议DSR路由协议由两个过程组成：路由发现（routediscovery)（按需进行）RREQ（routerequest)RREP（routereply)路由维护(routemaintenance)（按需进行）网络仅对activeroute进行维护，对其他路由不闻不问RERR（routeerror)维持路由表信息的正确性和实效性2023/2/4第五讲水声网络路由25

3.三种典型的路由协议

DSR路由协议——路由发现路由发现当且仅当源结点有数据发往目的结点且本地没有到达该目的结点的路由时，通过向全网广播RREQ分组进行路由发现RREQ分组中包含源结点地址目的结点地址路由记录（记录RREQ目前所经过的路径，由结点序列表示）RREQID（源结点设置的唯一标示该RREQ分组的值）2023/2/4第五讲水声网络路由263.三种典型的路由协议

DSR路由协议——路由发现任意结点i收到RREQ分组时，执行以下操作：Ifit’sarepeatedRREQ,dropitelseifnodeiisonenodeoftheroutelist,dropit

elseifnodeiisdestinationnodeorithasaroutetodestinationnode,replysourcenodewithRREP

elsesavetheroutelistlocally,addnodeitotheroutelist,andatlastrebroadcastRREQtothenetwork

2023/2/4第五讲水声网络路由273.三种典型的路由协议

DSR路由协议——路由发现2023/2/4第五讲水声网络路由283.三种典型的路由协议

DSR路由协议——路由维护网络要监视activeroute，一旦有问题就向源结点发送RERRRERR包含发生故障的那一跳两端结点的地址源结点收到RREQ后，将那一跳从路由表中删除，以维持路由表信息的正确性和实效性2023/2/4第五讲水声网络路由293.三种典型的路由协议

——DSR路由协议优点：采用被动按需的路由发现和路由维护，减小了控制开销缺点：基于源路由的设计使得DSR不适用于大规模的网络2023/2/4第五讲水声网络路由30

3.三种典型的路由协议

——AODV

AODV是一种被动的、基于距离矢量算法的MANET路由协议。它的显著特点就是为每一个路由表表项维持一个序列号AODV通过序列号的大小来区别路由信息的新旧程度，序列号越大说明该信息越新，其可靠性也就越好。面对两条到达目的结点的路由，源触发结点会选择序列号大的那一条路径。2023/2/4第五讲水声网络路由313.三种典型的路由协议

——AODV路由协议跟DSR类似，AODV路由协议也由两个过程组成：路由发现（routediscovery)路由维护(routemaintenance)AODV定义了三种路由控制分组：RREQ(routerequest)RREP(routereply)RERR(routeerror)2023/2/4第五讲水声网络路由323.三种典型的路由协议

——AODV协议与DSR协议的区别DSR协议的数据分组携带完整的路由信息，而AODV协议的数据分组仅携带目的地址DSR协议的RREP中含有所确定路径上的所有结点的地址信息，而AODV协议的RREP仅带回了目的结点地址和序列号值AODV不支持为一对源和目的结点之间建立多条路径，当前所用路由断开时无法像DSR协议那样可以使用备份路由快速建链。所以链路断开会引发另一次路由发现，这将会引入额外时延和消耗更多的带宽资源2023/2/4第五讲水声网络路由33

3.三种典型的路由协议

——OLSROLSR路由协议是一个专门为MANET环境设计的基于链路状态算法的主动式表驱动路由协议。该协议继承了链路状态算法的优点，每个结点都可以获取全网拓扑信息，能够在需要建立路由时快速地提供所需路由信息。OLSR通过采用选择MPR（MultiPointRelay）结点减小开销。2023/2/4第五讲水声网络路由343.三种典型的路由协议

——OLSR路由协议

拓扑信息控制分组经本结点的所有MPR结点转发后，能到达该结点的所有两跳范围内所有结点。

MPR结点的选取原则：2023/2/4第五讲水声网络路由353.三种典型的路由协议

——OLSR路由协议OLSR定义了两种控制分组：hello控制分组用于建立和维持一个结点的邻居列表，计算本地结点的MPR结点周期性发送给邻结点topologycontrol拓扑信息控制分组最新的拓扑变化信息广播到全网各个结点只能由MPR结点进行转发2023/2/4第五讲水声网络路由363.三种典型的路由协议

——OLSR路由协议MPR机制：控制拓扑信息分组在网络中广播的规模减小控制分组给网络带来的负荷避免形成广播风暴MPR策略在大型的、结点密集的网络环境中有绝对优势因此，OLSR适用于大型的、结点密集的网络网络规模越大、结点越密集，OLSR相比传统的链路状态算法的优势就越明显2023/2/4第五讲水声网络路由37三种典型MANET路由协议对比

DSRAODVOLSR路由选择最短路径；路由快存中可用路由最新最短路径最短路径路由发现策略被动被动主动路由备份有无无路由结构平面平面平面Hellomessage无有有优点支持多路径对拓扑高度变化的强适应性减小了控制开销和结点间的竞争缺点时延大；源路由和泛洪造成扩展性不好扩展性问题；时延大需要知道两跳的邻结点信息2023/2/4第五讲水声网络路由38结点在移动中的停留时间为0s每个业务流的发送速率为8packets/s3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由39结点在移动中的停留时间为0s每个业务流的发送速率为8packets/s3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由40（a）（b）图2.4Pausetime=0时，分组传送率随网络负载增加时的变化图3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由41（a）（b）图2.5每个业务流的发送速率为8packets/s时，分组传送率随结点移动性变化的关系图3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由42结点在移动中的停留时间为0s每个业务流的发送速率为8packets/s3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由43结点在移动中的停留时间为0s每个业务流的发送速率为8packets/s3.三种典型的路由协议2023/2/4第五讲水声网络路由44（a）（b）图2.6Pausetime=0时，分组传送率随网络负载增加时的变化图

3.三种典型的路