移动路由

移动路由（共8篇）

移动路由 篇1

由于无线的自适应网络的拓扑结构在实际生活中会根据实际情况进行不同的改变, 这就导致这种无线网络的连通性无法得到一个稳定性的保证, 进而造成各个信息源节点与各个目的节点之间不存在数据通路。这些是无法满足人们的需求的。而移动机会网络的出现就满足了人们的信息需求——它作为一种自组织网络, 这种网络不需要源节点和目的节点之间存在完整路径, 它只需要充分利用节点移动带来的相遇机会, 就可以实现整个网络的通信。因此, 移动机会网络更适合当代人们, 可以满足当代人们旺盛的信息需求。

1 移动机会网络在实际生活中的应用

早期的移动机会网络技术并不是十分纯熟, 因此其应用范围就仅仅限制在挑战不同环境下的通信需求, 比如乡村地区的通信、野外野生动物的位置追踪等。随着现代科学技术的进步, 移动机会网络技术日渐成熟;同时伴随着各类便携式设备的出现, 为机会组网提供了更加广阔的应用平台, 移动机会网络的实际应用范围也更为广阔。接下来主要就现在比较常见的移动机会网络应用进行简单的分析。

1.1 移动机会网络在文体活动中的实际应用

由于现在人们的生活水平普遍的得到了提高, 越来越多的人们开始享受生活, 参加一些文体活动, 比如现场观看体育赛事、参加一些大型的晚会, 或者是欣赏一场音乐会等等。但由于场地自身的位置原因, 坐在后排或者是坐在角落里的人们会受到位置的影响, 视觉受限, 这就大大降低了人们观看的质量。为了解决这类问题, 麻省理工学院移动与媒体实验室的研究团队提出了一种解决方法:在基于移动3G的环境下, 由在座的人们通过手机摄像头进行视频的分享, 从而达到人们满意的视觉效果。当然, 这种方法需要有移动机会网络进行支持, 否则无法实现视频共享。

1.2 移动机会网络在地理定位中的实际应用

当下有许多的定位追踪系统, 这些都是移动机会网络在实际生活中的应用;现在人们最常用的就是手机定位系统。而定位的准确性是检验各种定位系统是否服务成功的关键指标。在早期, 研究人员考虑到手机容易受到多种因素 (磁场、噪音、人为破坏) 的干扰, 并且在定位时人们需要一直手持着定位设备十分麻烦。因此, 卡内基梅隆大学的研究团队提出了这么一种方案:可以利用多部手机同时工作, 利用网络将用户周围的所有有用信息包括声音、图像搜集起来, 再利用手机自身配置的蓝牙功能实现自主组网, 这样就可以在网络的帮助下获得用户周围比较全面的信息与数据。运用这种方法, 用户可以在短时间里获得自己想要的信息, 并且信息的准确性也可以得到保证;与此同时也解决了上面所提到的问题:用户不需要手持设备进行位置识别, 减轻了用户的负担。当然, 这种技术需要基于移动机会网络, 需要在网络的支持下才可以进行。

1.3 移动机会网络在数据卸载中的实际应用

随着科学技术的进步与发展, 通信工具也大量普及, 现在我国的手机使用人数的比例占我国总人口的绝大多数。根据有关调查显示, 近几年来, 我国使用手机上网的网民人数已经超过使用计算机上网的网民人数。而作为数据的载体, 手机本身就配置了蓝牙、无线网络连接等功能, 可以进行自主的数据卸载——这样不仅可以缓解手机用户在移动互联网产生数据流量时对3G的骨干网络造成的压力, 还可以在一定程度上降低手机用户的上网费用;这就更方便了人们使用手机进行信息查询。根据用户的需求, 由马里兰大学和德国电信公司共同研发的一套自组织网络系统——On-Off, 它们可以帮助手机用户在骨干网络上需要下载一些对网络延时不是十分敏感的应用程序时 (比如电子书、音乐等) 遇到网络拥堵的情况, 用户可以将这些下载任务转交给其他网络连通性能好的节点来完成;利用节点之间可以组成移动机会网络进行信息的交换, 完成共享数据的过程。这样运用移动机会网络, 不仅可以帮助人们达成他们所需要的要求, 还在一定程度上节省了需求完成的时间。

1.4 移动机会网络在智能交通中的实际应用

移动机会网络在智能交通中的实际应用与移动机会网络在地理定位中的实际应用有着重叠的部分, 但就实际应用方面来讲, 移动机会网络在智能交通中的实际应用给人们带来了更多的方便。为了可以满足用户提出的出行要求, 用户可以使用自身携带的设备收集路况资料, 经过共享平台的服务器进行数据处理, 最后将数据反馈给用户, 这样就可以让用户在所提供的数据里面选择符合自己的出行路线。还可以利用移动机会网络帮助用户收集附近的交通信息, 比如红绿灯、限速数值。这样就可以帮助用户减少出错的几率, 从而缓解了交通压力, 改善道路的交通状况。

2 移动机会网络的路由问题分析

机会路由技术在移动机会网络中占到了相当大的比重, 其中主要有3个指标: (1) 投递率。在有限的数据投递时间里, 网络接收到的数据包越多, 所代表的投递率就越高。 (2) 转发代价。如果一个路由算法的转发代价越高, 这就代表它所占用的系统资源已经超出了一般的路由算法, 进而导致算法的可扩展性越差。 (3) 传输延迟。这里是指数据包从发送端传输至接收端所需要花费的时间。在移动机会网络中, 这个指标的单位通常是分钟或小时。一般情况下, 低延时伴随着高代价。

2.1 机会路由在感知数据时的时效转发

在移动机会网络中, 由于用户选择的网络接入方式、联网时间不同等因素, 造成了移动用户之间以一种“弱”的连接方式存在。在传统的网络联系中, 如果出现了大量的数据采集、传输, 数据的时效转发就出现了一定的问题。这就需要相关的数据技术分析人员在根据移动机会网络中感知数据量大、数据感知连续以及参与节点多的这些特点, 再根据用户的实际情况, 综合考虑所有因素和用户提出的需求, 找出满足既可以满足用户需要求, 又可以感知数据时效性需求的机会转发策略。

2.2 移动机会网络在辅助信息方面的自适应获取

在我国现在的移动机会网络技术中, 移动机会网络中的节点之间需要通过进行多次的分发、交换各类启发式信息这种方式, 才可以帮助提高路由算法的数据传输效率, 从而在此基础上进行数据的转发。但这种方式却引发了这样的一个问题:这种运作方式大大增加了感知设备的通信负担。如果将这种方法大规模的应用在移动机会网络中, 必然会造成通信网络的堵塞, 信息传达十分缓慢, 最终达不到预想的目的。因此, 如何解决机会路由过程中辅助信息需要大量的存储要求与感知设备资源受限之间的矛盾, 是当前机会路由面临的一个重要问题, 需要相关的数据技术人员根据实际情况找出最适合的方法。

3 结语

现在正处在一个网络的时代, 这就为移动机会网络的应用创造了更好的条件。当今我国在这一方面还不是十分的纯熟, 需要借鉴国外的优秀经验, 来弥补我国在这一方面的不足——与国外的优秀团队进行相关的经验技术交流;选派优秀技术人员去国外进行深造;培养优秀的技术人员等等。只有这样才可以更好的使用移动机会网络, 更好地满足人们的需求, 从而创造更多的财富。

参考文献

[1]孙国霞, 肖甫, 王汝传, 等.机会网络中的数据转发机制分析[J].信息化研究, 2014 (3) :56-58.

[2]杜学绘, 王亚弟, 陈性元, 等.一种空间延迟容忍网络中的周期性链路数据转发算法[J].计算机研究与发展, 2013 (4) :33-34.

[3]李贞, 戴志涛.基于实时数据转发系统的资源参数优化[J].电子设计工程, 2010 (4) :12-14.

移动路由 篇2

外观和普通3G网卡无区别

瑞酷WB200的外壳为白色类肤材质，手感光滑细腻，侧面采用非红色条纹设计，打开盖子就可以看到标准USB接口。外观看似跟普通的3G网卡没什么区别，实际是内有乾坤，内置了路由器的功能。此外，其还可以插上TF卡当做闪存（读卡器）使用。而打开后盖插上SIM卡后，无需任何设置就可以使用它的WiFi功能了。

即插即用！与普通路由器设置无差别

瑞酷WB200可以直接在电脑、手机充电器、移动电源以及车载USB电源上使用，适用范围非常广，而且是即插即用，无需任何设置，在搜索到Ricous开头的WiFi信号后输入密码即可使用，非常方便。当然，用户也可以选择通过手机等移动设备对瑞酷WB200进行设置，用手机浏览器打开http：//192.168.100.1然后输入默认用户名和密码（都为admin，可修改）即可进入设置页面，根据提示修改SSID和密码即可，非常简单。

支持联通、电信网络！信号稳定

由于瑞酷WB200目前只支持联通2G/3G和电信2G/3G，这次体验的是联通3G卡。在实际体验中可以通过机身的指示灯查看它的工作状态。绿色指示灯闪烁表示已经成功连上2G/3G网络，而用其它移动设备连上瑞酷WB200后，机身的红色信号灯会快速闪烁。当然，大家关注的还是网速。测试中，智能手机上网的网速还是令人比较满意。浏览器打开图片以及链接时速度都非常快，和直接使用3G上网差不多，不存在延迟等现象。

移动路由 篇3

1 移动优化框架解决路由优化

1.1 MLRO的网络运行环境

通常本地移动锚点是一种分布在公共网络中比较固定的路由器, 在其中的MN等移动节点则通过光速显存管理系统 (LMA) 与外界进行连接, 通过使用相同的域前缀的路由器通告通过RA的消息构成了本地的移动域, 所以在LMD里面的光速显存管理系统进行组传播, 以此来实现信息的共享, 在LMA的系统中完成LMD的移动性的管理。

1.2 RA消息扩展探究

MLRO的移动网络的优化方案, 其视图如图1所示, 通过RA消息的前缀信息选项, 从增加U比特的来体现此前缀的本地节点。而在RA的消息中可以包含有多个的前缀信息, 所以同一个LMD中所发出的RA中至少会存在一个移动节点的地址配置。所有进入LMD中的人员都需要根据相应的前缀 (LMD-) 信息修改自己的RA, 在此过程中需要至少2个前缀的信息选项, 一个用户所管理的网路前缀需要通过LFN进行地址的配置, 通过在线监测或者移动性检测实现。另外LMD前缀主要是用于移动节点的地址配置和检测。

1.3 移动性检测方法研究

一般情况下在MLRO中通过以下的策略实现移动性检测, 通过扩展RA消息的前缀信息选项之后, 要根据MN对于两种前缀的移动状态进行判断, 在此过程中当MN接收到RA信息的时候, 要根据本地的主机地址的配置前缀与用户地址前缀的不同来确定其发生移动与否, 所以在此过程中要确定MN是否是在域间发生了移动, 若MN在配置的时候与前一个的Co A前缀和LMD的前缀一样, 那么就说明MN发生了移动在LMD域里。此时则不需要对Co A进行重新的配置, 只需要向服务器注册新的位置信号。

2 MLRO解决方案概述

2.1 MLRO里的数据路由分析

当CN向LMA发去数据的时候, 第一件事就是要检查前缀目录的地址, 并且要根据LMD里面的注册信息来确定其用户, 将已经注册的信息直接发到目的地址的MR或者是LMA, 根据目的节点可以在LMD里面某个LMA的LFN进行数据的转发, 其按照一定的协议对数据进行处理。在信息传递的时候要对数据进行封装, 通过用户前缀的选择, LMA将一个用户数据的传输通过路由器转发给另外一个用户, 最后达到LFN。

2.2 域内切换分析

在MLRO系统中如果MR通过LMD域的时候进行切换, 那么MR在LMA中要不断的更新自己的位置信息, 但是不需要按照NEMO的最基本的协议进行重新配置, 每一个MN根据收到的RA的前缀配置寻找到自己的Co A, 如果当LMD改变了接入点, 就会获得LMD的前缀RA信息, 以此来减少主干网络的流量以及切换的延时性。

2.3 VMN的支持探究

通常VMN是具有移动的节点, 但是在VMN在子网中进行移动的时候, 要根据新的前缀实现Co A的注册, 在MLRO系统中, 根据以前的方法通过移动检测的方法来对此系统进行检测。当VMN进入到LMD的时候, 需要根据LMD的前缀配置Co A的时候进行注册。如果在注册的时候与MR不同那么在进行注册新的子网前缀信息的时候要根据注册的规则进行。当VMN在LMD进行移动的时候, 可以通过修改LMA所连接的MR的地址设置的方法来实现, 通过VMN的数据连接来实现VMN的路由优化。

3 结语

随着我国科学技术的发展, 国家的信息技术也发生着空前的变化, 对于路由器的优化需要我们做到更加的安全, 从其性能的稳定性入手, 确定相应的框架, 采用本地移动域内嵌套移动网络的路由优化, 通过这种方式将路由器的优化做到最好。

参考文献

[1]陆丽华, 刘元安, 王秋田等.本地移动域内嵌套移动网络的路由优化[J].北京邮电大学学报, 2009, 31 (3) :128-132.

[2]葛国栋, 汤红波, 王晓雷等.嵌套移动网络中基于代价函数的自适应路由优化机制[J].电子与信息学报, 2011, 33 (8) :2018-2022.

[3]陆丽华, 刘元安, 王秋田等.本地移动域内嵌套移动网络的路由优化[J].北京邮电大学学报, 2008, 31 (3) :128-132.

[4]李, 李军, 李智等.基于跨层设计的多判据AODV路由优化机制[J].四川大学学报 (工程科学版) , 2008, 40 (4) :153-159.

移动路由 篇4

无线移动Ad Hoc网络是指一组带有无线收发装置的移动节点组成的一种多跳时性的自治系统。整个网络没有固定的基础设施, 也没有固定的路由器, 所有节点都是移动的、动态变化的, 并且都可以以任何方式动态地保持与其他节点的联系。无线移动Ad Hoc网络可以广泛应用于军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、交互式演讲、共享信息的商业会议、紧急通信等等领域。在Ad Hoc网络中节点兼备主机和路由器两种角色。一方面, 节点作为主机运行相关的协同应用程序;另一方面, 节点作为路由器需要运行相关的路由协议, 进行路由发现、路由维护等常见的路由操作, 对接收到的信息不是自己的分组需要进行分组转发。由此可以看出, 与其他通信网络相比, Ad Hoc网络具有以下特点:

(1) 动态的拓扑结构:节点可在网络中任意移动, 随时加入和退出网络。

(2) 有限的资源:无线通信带宽有限, 移动节点的能源也有限。

(3) 多跳的通信:无线节点发射功率有限, 发送报文到接收区域外的节点时需要其他节点来中转信息, 因此任意一个节点既是主机又是路由器。

(4) 脆弱的网络安全:由网络的自组织性、节点的移动性和无线通信, 使得Ad Hoc网络更容易遭受各种攻击, 其安全问题更加严峻。

1 Ad Hoc网络的安全策略和机制

基于Ad Hoc网络的上述特性, Ad Hoc网络不仅存在着传统网络中存在的安全问题, 而且由于网络的特殊性, 同时也面临着许多新的安全威胁。传统的安全机制, 例如认证协议、数字签名和加密, 必然具有重要的作用。为了建立安全的Ad Hoc网络, 必须采取一定的安全策略。

1.1 加密

加密是应对安全威胁的一个最常用的方法。任何机密信息都不能以明文方式传输。如果加密的强度足够大, 即使对方截获了传输数据, 也不可能或者很难从其中提取有用的信息。在Ad Hoc环境中, 由于信息通过无线链路传输, 很容易被窃听, 所以加密是非常重要的环节。

1.2 加强路由安全

由于Ad Hoc网络中的主机兼任路由器的角色。其拓扑结构又在不断变化中, 所以Ad Hoc网络的路由安全是至关重要。动态路由的安全与否直接关系到整个网络是否能够正常运行。根据网络所采用的路由协议应采取不同的路由安全策略。

1.3 认证和访问控制

由于Ad Hoc网络是个无中心的无线网络, 因而没有一个节点是值得信任的。而传统的公钥密码体制、数字签名、包序列以及单向hash函数需要一个可信任的认证中心来提供密钥管理服务。所谓认证指的是每个节点需要能够确认与其通信的节点的身份, 通常是通过网络中的安全认证中心 (CA) 及执行认证协议来实施的。CA应是一个完全受信任的实体, 并可以向需要认证的主机签发数字证书。证书通常是一个采用只有CA知道的密钥加密的随机字符串。该密钥可能是CA的私有密钥或者是CA与接收节点共享的密钥。CA同时还为主机加密一个标识符和一个时间标签, 后者使得该密钥只能被使用有限一段时间。认证是网络安全中采用的最基本的机制之一。在Ad Hoc网络中同样存在控制对网络的访问以及控制访问网络提供的服务的需求。访问控制常与身份识别和认证相关, 确保合法用户有权访问服务。根据不同的网络结构和安全级别, 访问控制的实现方式也不同。集中式的低安全级别网络, 可以采用服务器控制的方式, 用户ID加密码。对于战场情况, 对网络和资源的访问控制都必须被定义。

1.4 入侵检测

无论采用任何安全措施和密码体制, 要保证网络不受攻击是不可能的, 所以我们在Ad Hoc网络中采用入侵检测方案。入侵检测是通过从计算机网络或系统中的若干节点收集信息并对其进行分析, 从中发现网络或是否有违反安全策略的行为和遭到入侵迹象的一种安全技术。

2 移动Ad Hoc网络的路由安全问题

2.1 移动Ad Hoc网络路由攻击类型

因为Ad Hoc网络的路由协议是网络攻击的主要目标, 因此在Ad Hoc网络的安全问题中路由协议的安全尤为重要。对路由协议的攻击可以分为两类:被动攻击和主动攻击。

(1) 被动攻击

攻击者并不干扰正常的路由协议, 而仅仅是窃听路由数据。由于Ad Hoc网络使用的是无线信道, 这种攻击比较隐蔽, 一般无法检测到。通常, 攻击者会采用“流量分析”法对窃听到的路由数据进行分析, 获得有用的线索, 并利用这些线索进行各种攻击。

(2) 主动攻击

主动攻击又可分为外部攻击和内部攻击。内部攻击的攻击者属于该网络的一部分, 外部攻击的攻击者不属于该网络。内部攻击者的节点也属于该网络, 并有部分权限, 对网络的危害更大。攻击者通过向网络发送特定的数据包来达到攻击的目的, 下面介绍一些主动攻击的类型:

(1) 黑洞:恶意节点想截获某节点A的信息, 用路由协议广播自己是离节点A最近的节点, 便可截获其他节点发往节点A的数据;

(2) 拒绝业务:它通常会导致网络大部分带宽被恶意节点占用, 恶意节点频频发送不必要的路由请求信息, 使其他节点无法正常使用网络资源;

(3) 路由表溢出:攻击者建立一些到达根本不存在的节点的路由, 目的是建立很多路由, 阻止其他节点产生新路由;

(4) 伪装:恶意节点伪装成其他节点并发送控制数据, 创建非正常更新的路由表;

(5) 电源耗尽:在MANET中, 用电池为每个节点供电, 为了节约能量, 每个节点只在非常必要的情况下才发送数据, 恶意节点通过不停地要求某个节点为它传递数据或向该节点请求路由信息, 耗尽其电源;

(6) 信息泄露:恶意节点通过向网络中未经授权的节点发送某些重要信息 (如路由和定位信息) , 最终获知该节点在目标路由中的位置。

2.2 典型的安全路由协议分析

路由协议是移动Ad Hoc网络中的一个重要的部分, 近年来提出了许多适用于移动Ad Hoc网络的路由协议, 如DSR、AODV、DSDV等, 这些路由协议在设计时充分考虑了Ad Hoc的特点, 却没有考虑到安全方面的因素。面对上述可能的攻击, 研究者针对各种攻击方法提出了相应的解决方案, 在机密性、完整性、认证、不可否认性方面给路由协议提供安全保障。研究者将上述的一些安全策略运用到安全路由协议的设计中, 提出了不少优秀的移动Ad Hoc网络安全路由协议。

2.2.1 SRP (Secure Routing Protocol)

Papadimitratos提出的Ad Hoc安全路由协议SRP, 是对现有的按需路由协议进行扩充, 实现辨别和抛弃假的路由信息, 从而防止攻击者对路由信息的篡改、重放和伪造, 确保获取正确的拓扑信息。SRP的前提条件是要求源节点和目标节点之间必须有一个安全连接, 即源节点与目标节点存在共享密钥, 以进行认证和通信。SRP在路由报文中扩充一个安全报头, 其包含标识、序列号和报文鉴别码 (MAC) 。

源节点s初始化一个路由发现, 先创建一个路由请求包 (如图1) , 其中含有一对标识符:查询序列Seq (源节点S会对每一个与其进行安全通信的目的节点保存一个查询序列号, 目标节点可以通过该序列号来检测路由请求是否过期) 和随机查询标识Qid (对于每一个进行的查询, 源节点会生成一个随机查询标识符, 它的作用是让中间节点来识别查询请求, 它是利用一个安全伪随机数发生器产生的, 是不可预测的) ;还包括一个消息认证码MAC (MAC的计算方法是以源节点的IP地址、目标节点的IP地址、Qid和源节点与目标节点之间的共享密钥Kst作为单向散列函数的输入, 单向散列函数的输出即为MAC) 路由查询包经过的中间节点的IP地址将被收集在包头中。当路由请求包到达目标节点T时, T节点生成一个路由答复包, 计算和验证MAC, 并沿着路由请求包中收集到的IP地址序列的相反顺序返回路由答复包, 查询节点通过验证答复包的有效性来升级拓扑表。

此协议的优点, 一是协议简单, 无需修改原路由协议, 只需进行扩充就可实现安全保障。其二, 密钥管理简单, 它只需收发两端拥有密钥进行校验, 网络中的节点既不拥有密钥也不参与校验, 这既简化了密钥管理又减轻了节点的运算量。其三, 适用面广, 采用端到端的鉴别, 可适用于多种网络协议。但当恶意节点M在向前发送路由请求时, 有意不将自己的地址加到SRP头的地址字段中, 使得该节点M对源节点不可见, 最终源节点可能会选择隐藏恶意节点的路径, 而恶意节点将故意延迟发送或丢包, 对网络性能带来负面影响。因此, SRP存在两个安全漏洞:路由不能避免包含恶意节点的路径;拓扑信息将通过路由信息暴露给敌人和未授权的节点, 因为SRP的含有路由记录的包以明文形式沿着整个路径传输, 这在高风险的环境中是不能接受的。

2.2.2 ARAN (Authenticated Routing for Ad Hoc Networks)

ARAN适用于按需路由协议, 利用公钥证书和公认的CA来实现认证的路由。ARAN前提条件要求有信任的证书服务器来发放和管理证书, 每个节点加入网络前必须从证书服务器获取一个公开密钥的证书。在加入Ad Hoc网络之前, 每个节点通过T的身份认证后, 方可获得一个证书, 证书格式如下:T→A:certA=[IPA, KA+, t, e]Kr-其中包括节点A的IP地址IPA, 节点A的公钥KA+, 证书创建时间戳t, 证书有效期e。路由查询时, 源节点发出一个经过签名的路由查询报文。第一跳节点校验源节点签名后, 签名并附上自己的证书。随后每个转发节点都先校验前一个节点的签名, 然后用自己的签名和证书替代上个节点的签名和证书。路由查询报文到达目标后, 目标节点校验签名, 然后产生路由应答, 沿来路返回, 途径的每个节点与来时一样进行校验和签名。源节点收到路由应答, 校验目的节点的签名正确后接受其路由。路由中断时, 路由维护报文由发送节点签名后直接转发至源节点, 中间节点不再进行修改。图2中显示ARAN路由查询中如何进行签名和证书的更替, 为源节点, D为目标节点, A、B为中间节点, CERTs为源节点的证书, Ⅳ为一个随机整数, t为发送时间, N、t用于防止重放攻击。

ARAN利用公钥的加密认证对路由消息进行完整性检测, 同时利用包约束机制确保路由消息的及时性, 可以有效地抵制路由篡改和伪造等攻击, 防止路由黑洞、路由重播。但是A R A N并没有对跳数进行验证, 并且A R A N利用C A为合法节点颁发证书, CA一旦瘫痪将使得整个网络安全体系崩溃。而且在路由发现和路由维护中, 发起点应该在路由请求包中添加当前时间标记, 因此对网络中的时钟同步有较高要求, 从而加大了实现的难度和运行开销。否则势必为恶意节点利用, 可导致路由重播等攻击。

2.2.3 SAODV (Secure Ad Hoc On-Demand Distance Vector)

S A O D V是由Z a p a t a提出的一种基于按需路由协议AODV的安全路由协议, 在路由发现和路由维护过程中对路由控制消息提供完整性、认证、不可否认性安全保障。SAODV利用签名对路由消息中的多个字段进行验证, 并使用哈希链来对路由信息中的跳数进行认证。S A O D V用数字签名认证RREQ和RREP中的大部分区域 (不可变区域) , 以保护其完整性;用单向散列链保护跳计数 (可变区域) , 即在RREQ和RREP中增加与路由跳数相对应的散列链字段, 用于校验声称的路由跳数是否正确。

如图3, SAODV路由发现过程中, 源节点会产生一个随机值作为Hash字段值。同时用该值作为one-way哈希函数的输入值, 并用哈希函数输出值再次作为输入值进行计算, 运算N (N为网络直径) 次。将计算结果作为Top Hash字段的值, 将源节点的公钥附于路由请求消息中, 最后用私钥对路由请求的多个字段进行签名。最后将此路由请求消息广播出去。中间节点利用路由请求消息中的公钥对该消息的签名进行验证。从而判断该路由消息的完整性;并用消息中Hash字段值进行N-i次哈希计算, 与Top Hash字段值比较, 验证成功则中间节点会认为该路由消息中的跳数是正确的。如果上述两个验证都成功则会对跳数验证值进行哈希计算并将计算结果替代路由消息中的原值, 然后将消息再次广播。目的节点处理结果会与中间节点一样, 验证成功后会产生RREP消息, 并以单播的方式传播给源节点。

SAODV为路由消息的完整性提供了保护和对跳数的验证, 增加了AODV路由协议的安全。SAODV的不足在于要求网络存在一个基于公开密钥机制的证书认证中心 (CA) , 对于Ad Hoc网络来说, 这个假设本身就比较难成立, 所以基于这一假设的安全机制的可用性如何就存在较大的疑问了。而且, 单向散列函数的使用只能保证中间节点不减少跳计数, 而不能避免中间节点不改变跳计数的情况。

3 结论

移动Ad Hoc网络是下一代移动通信系统解决方案中最有希望被采用的末端网络, 具有很高的实用价值。但由于其自身的特点, 使它在应用中面临着巨大的安全性问题的挑战, 其中路由的安全性是整个网络安全性的关键, 也是移动Ad Hoc网络安全问题的研究热点和难点。

SRP协议对现有的按需路由协议进行扩充, 实现辨别和抛弃假的路由信息, 从而防止攻击者对路由信息的篡改、重放和伪造, 确保获取正确的拓扑信息;利用公钥证书和公认的C A来实现认证的路由的A R A N协议防止对按需路由协议的延迟攻击;采用公钥认证和单向散列链机制来增强AODV协议路由发现过程的安全性的SAODV协议。上述方案都在一定程度上增强了Ad Hoc网络的安全性, 但仍然存在大量问题需要深入的研究。首先, 还没有对Ad Hoc网络中的路由安全问题建立完整的模型。其次, 已有的解决方案主要是面向攻击的, 即针对某些已知的攻击在现有协议的基础上提出增强性方案来阻止这些攻击, 对未知的和不可预期的攻击却无能为力。再次, 如何设计出既能保证强大的安全性又能兼顾良好的网络性能的路由协议也是一个很值得研究的问题。

参考文献

[1]蒋杰, 胡光明, 窦文华.无线移动Ad　Hoc网络路由协议安全问题分析.计算机科学.2004.

移动路由 篇5

近年来, 移动技术得到了飞速的普及和发展, Ad Hoc网路成为发展中最快的技术之一, 军事方面是Ad Hoc网络最初应用的地方, 但是随着无线通信技术和终端技术的发展, Ad hoc在许多领域里取得了长足的发展。在个人领域, Ad hoc可以实现电脑和手机之间的通信及个人设备之间的通信, 在商业领域, Ad hoc能实现构建虚拟教室和讨论组及其他一些新的移动应用。拥有平等的地位在所有网络中的节点, 任何中心控制节点不需要外设, Ad hoc网络, 他属于一种特殊的无线网络, 不仅正常移动终端所具有的功能网络中节点拥有, 而且还有能力传送报文。

2 Ad Hoc网络路由协议

2.1 路由协议的分类

世界上没有统一的标准, 对Ad hoc网络路由协议进行分类, 一些典型的分类图被我们总结出来, 如图1所示。我们在文中主要介绍了按需路由协议, 只有在需要一个路径时, 它开始构建, 源节点只需要对自己使用的路由进行搜索和维护, 并不是所有的路由节点。因此不需要按需路由协议也被称为被动路由协议。所以在整个网络拓扑信息中内容可能只是一部分, 典型的按需路由协议AODV、DSR、TORA。

2.2 按需路由协议DSR和AODV

2.2.1 DSR协议

基于源路由模式按需DSR路由协议。在DSR协议, 当源节点发送报文被目的地节点接收时, 其数据头携带到目标节点的路由信息, 一些网络节点的地址组成了该路由信息, 通过中继其目的节点接收报文从源节点, 路由维护和路由发现两个构成了路由协议。测试当前使用的路由是路由维护过程中检测, 源节点获得目标节点的路由是路由发现的主要作用。

2.2.2 AODV协议

在DSDV协议基础上, 结合相似的DSR根据按需路由机制提出了改进行成了AODV协议。和DSR协议不同, AODV协议数据头的报文携带的路由信息可以是不完整的。数据转发使用逐条分组, 动态路由表建立和维护依靠中间点。反向路由和前向路由两部分的建立是AODV路由发现过程。

2.2.3 NS2仿真

使用的基本操作流程NS2仿真如图2所示。

3 AODV路由协议的改进

3.1 协议改进

从路由的发现过程对AODV协议进行改进, 主要改进在传递的时候选择最优路径、尽量减少分组的数据传次数减少路由开销和增加路由的投递率, 文中提出了一种跨层多路径路由协议, 针对AODV路由协议进行能源消耗、负载和跨度设计的结合。新的协议借鉴DSR的多路径思想, 增加选择最优路径的机会。考虑能源消费和路由路径的跳跃数, 设计新路径的选择原则。考虑到节点的负载问题, 提出一种新的自适应负载机制, 增加路径的稳定性和降低分组的数量。

新的路由协议的路由发现过程使用局部最优到全局最优策略。节点接收到请求数据包 (RREQ) 来自新的路由, 那么它将采取一个新的道路路径质量和路由表路径质量值进行比较, 最大的路径质量为目标节点新的路由表项。新的协议我们定义为CLMAODV协议。

4 结论

网络的性能在改进了路由协议之后得到了明显的提升, 路由的开销减少了, 增加了分组投递率。由于在路由的选择过程中我们考虑了一些因素, 所以牺牲了一些延迟, 但是总体来说, 整体性能得到了提高。

参考文献

移动路由 篇6

移动Ad Hoc网络是近年来通信领域研究的热点之一, 它将移动通信技术和计算机网络技术有机结合, 是一种多跳的临时性无中心通信网络。该网络由一组可移动的节点组成, 不需用现存的通信网络基础设施作支持, 可以在所需要的地点快速建立起移动通信网络, 在此网络中每一个终端均可按需求不受限制地移动[1]。在通信网络遭受局部损坏时, 该分布式控制和无中心的网络结构可以较好地保持剩余的通信能力, 保证重要通信不间断, 表现出较强的通信保护能力。

在移动Ad Hoc网络中, 由于终端的随机移动等原因, 基于无线信道构建的各移动终端间的网络拓扑结构可能随时随地发生变化。由于移动终端的发射功率有限, 当网络中的移动终端需要与通信范围之外的终端建立通信时, 就必须通过中间节点进行转发。移动Ad Hoc网络中的移动终端虽然具有灵巧、轻便、移动性好等优点, 但也存在电源有限、内存偏小、CPU性能低等不足。

移动Ad Hoc网络具有开通即时性、动态不间断性和环境自适应性等特征, 通常应用在没有或者不需要、不便于利用现有通信网络基础设施的情形下, 如军事通信 (战术互联网、舰艇、飞机编队等) 、灾难救援、医疗、科学考察、紧急服务、移动会议、无线传感器网络等, 在通信领域发挥着越来越重要的作用。

1 移动Ad Hoc网络路由协议

移动Ad Hoc网络路由协议是移动Ad Hoc网络的关键技术之一, 设计移动Ad Hoc网络时需要综合考虑终端的通信需求、网络能力和运行环境。

路由协议有多种分类方法。从发现路由方略上分, 路由协议主要分为主动路由协议和按需路由协议。主动路由协议是指在各个节点上保持一个或多个路由表, 路由表中包含着该节点到网络中其它所有节点相同、最新的路由信息。为了维护路由表, 每个节点需要定期对整个网络发布路由信息, 以便维护网络的拓扑结构与节点路由信息。主动路由协议的优点是当用户有通信需求时, 只要路由存在, 节点便可以直接从路由表中获得路由, 不需要进行路由搜索, 在一定程度上有效地保证了网络的实时性和服务质量。缺点是主动路由协议占用了带宽、CPU和其它资源, 不利于网络服务区域的拓展, 也不容易建立节点分布较密集的移动网络。按需路由协议更能满足移动Ad Hoc网络的动态、带宽和功率等约束条件。按需路由协议中的节点不需要维护实时准确的路由信息, 只在源节点有通信需要时, 根据网络状况和算法搜寻路由即可[2]。按需路由协议的优势是路由表是按需建立的, 无需定期发布路由更新信息, 成本较低, 能有效降低能耗, 节省带宽等网络资源, 大大延伸网络生存时限。不足之处在于当网络终端有通信需求时, 倘若没有所需要的达到目的节点的路由时, 则需要搜索、创建新的路由, 不适合实时性要求很高的通信需求。

由于路由协议的设计与网络逻辑结构有着密不可分的关系, 所以从网络逻辑视图的角度, 路由协议又通常分为平面结构路由协议和集群结构路由协议。平面路由协议, 即逻辑视图属于平面结构, 各节点的地位作用相同且平等。其优点是在网络中没有特殊的节点, 路由协议具有较强的抗干扰能力, 流量也均等地分布在网络之中。此种路由协议没有节点移动性管理任务, 减少了大量辅助性工作。此种路由的主要不足是路由协议不具可扩展性, 不能运用于大规模网络中。集群路由协议, 是指网络由多个集群组成, 其节点被分为两类, 即普通节点和群首节点。相同集群的普通节点和群首节点共同担负着维护所在集群的路由信息, 但主要职责又有所不同。群首节点主要负责所管辖集群拓扑信息的压缩和摘要处理, 并与其它群首节点及时交换处理后的拓扑信息。运用集群路由协议可以较好地达到两个主要目的:一是可以减少参与路由计算的节点数, 减少路由表, 降低交换路由信息所需的通信成本, 降低维护路由表所需的内存开销;二是可以根据所需集群形成需要, 构建特定的较为稳定的子网络, 减少拓扑结构变化对路由协议造成的影响。集群路由协议的最大优点是适用于大规模网络环境, 可扩展性、适应性好;主要缺点是群首节点的性能对全网性能的影响比较大, 也即群首节点的可靠性和稳定性直接影响整个网络的稳定性与可靠性, 这就要求为维持节点在不同集群之间漫游的协议管理, 必然要增加技术和人力等成本开销。

根据是否使用GPS等提供的坐标位置和速度等定位信息, 又可将路由协议分为地理定位辅助型路由协议和非地理定位辅助型路由协议。在移动Ad Hoc网络中, 主要采用地理定位辅助型路由协议。地理定位辅助型路由协议主要用于定向路由, 通过统一时钟实现全网同步。及时、准确的地理定位信息可以大大提高此路由协议的性能。大部分地理定位辅助型路由协议可以利用GPS等的位置信息进行相关改进。

不同类型的移动Ad Hoc网络路由协议具有各自不同的优势, 在设计移动Ad Hoc网络时, 要根据实际情况选择合适的路由协议。随着通信和网络技术的发展, 应在研究已有路由协议的基础上不断研究设计新的路由协议, 使移动Ad Hoc网络性能达到最佳。

2 移动Ad Hoc网络安全

在移动Ad Hoc网络中, 网络安全对移动Ad Hoc网络的可靠应用起着极其重要的作用, 其在军事和商业领域的应用更加突出。由于移动Ad Hoc网络的网络拓扑呈动态变化, 不需要依赖于任何预置的基础设施, 加之其脆弱的无线链路及有限的能量和带宽资源等, 因而相对于传统通信网络, 移动Ad Hoc网络更易受到各式各样的安全攻击和威胁, 包括信息被窃听、数据被篡改和重发、身份被更改与伪造、服务被破坏等。有效防止和解决移动Ad Hoc网络存在的安全问题, 可从访问控制、加密、认证等方面着手。在移动Ad Hoc网络中, 不仅存在对网络访问控制的需求, 而且存在对访问网络提供的服务控制的需求。要防止非授权节点加入网络, 非法节点加入网络和离开网络时都需被检测。在部分网络系统中有的不需要身份识别和认证, 便可通过节点验证来访问服务。通常情况下, 根据不同的网络结构和不同的安全级别要求, 访问控制的实现方式也有所不同。集中式的较低安全级别要求的网络, 采用服务器控制即可, 相关用户可通过ID加密码控制。访问控制主要通过身份识别和相关认证来保证, 网络安全既要保证合法用户顺利访问服务, 又要确保非授权用户被拒绝访问服务, 还要防止合法用户对受保护的网络资源进行非授权的访问。

确保网络安全的基本方法就是加密, 要保证移动Ad Hoc网络安全就要加强加密系统的密钥管理。在移动Ad Hoc网络中所有节点都容易受到攻击、破坏, 如果在移动Ad Hoc网络中使用一个CA来管理整个网络节点的公开密钥, 那么一旦该CA节点受到攻击破坏或被敌方捕获, 整个网络就会崩溃。因此, 移动Ad Hoc网络中最适合的安全策略就是信任分散, 也就是将对一个CA的单独信任分散到对多个节点的联合信任。针对不同的网络环境需要制定相应的安全认证协议。建立在密码基础上的安全认证协议, 体现了密钥交换的安全理念, 即参与密钥生成者不是一个或少数几个人, 而是有众多参与者, 这使得网络攻击者的侵犯无法破坏密钥的生成。这种机制还为密码更新和完善提供了有效途径, 参与密钥生成者之间的安全通信, 可根据动态变化的密码随时建立。此种情况下, 即便网络攻击者破解了当时的密码, 也不可能掌握曾经和未来的密码, 从而大大降低了网络信息外泄的概率。在移动Ad Hoc网络中, 如果采用非对称加密体制, 用户个人密钥安全与各节点公开密钥的判别就成了一个核心问题。如果从始至终都采用对称加密体制, 则很容易遭受攻击者侵犯, 也很难避免本网络中不良节点的恶意损害。秘密共享体制的自组织CA有针对性地研究了证书可用性问题, 科学地提出了符合移动Ad Hoc网络特点的证书服务模式和框架。

3 结语

关于移动Ad Hoc网络安全问题, 有待进一步研究, 比如:如何通过创新、改造, 切实建立起具有自适应、可调控的网络安全方案;如何降低算法的复杂程度, 减小对资源的需求;如何降低能耗和功率, 既减少对相邻节点的干扰, 又以更小的功率支撑更大的范围, 增加网络容量[3]。移动Ad Hoc网络由于其可移动性、自组织性和便利性, 已成为网络通信迅猛发展的热点领域, 其发展中形成的明显特性对移动Ad Hoc网络技术的进一步发展都提出了新的要求。新要求的不断实现, 将使移动Ad Hoc网络得到更进一步的发展。

参考文献

[1]R RAMANATHAN, JASON REDI.A brief overview of mobile ad hoc networks:challenges and directions[J].IEEE Communications Magazine, 2002, 40 (5) :20-22.

[2]夏磊.移动Ad Hoc网络路由协议的研究[J].计算机与网络, 2008 (11) :50-53.

无线传感网络移动分簇路由策略 篇7

无线传感网络WSN作为一种新的信息获取方式和处理模式,目前已成为国内外备受关注的研究热点。几年前当无线传感网络开始引起人们的关注时,大部分的应用和研究关注的是静态的场景。随着社会的发展在很多移动环境应用了无线传感器,如海洋的监测、移动车辆的监测和动物的监测等,因此研究移动环境下的无线传感器网络越来越重要[1]。

无线传感网络中采用移动的感知节点和网关节点相对于静态设置具有明显的优势[2],但是传感网络的移动性带来许多问题。因此在移动环境里传感器网络需要设计支持移动性的路由协议。在传感网络中分簇机制可以避免感知节点之间的信息传输,通过簇头进行数据融合,减少数据冗余,降低了发送信息量和能耗,能更好地支持移动性。LEACH[3]是WSN中最早提出的分簇路由协议,循环随机选择簇头来实现负载均衡,但不能保证簇头均匀地分布在整个网络。M-LEACH[4]是基于LEACH与LEACH-C[3]提出的,选举簇头时考虑到了节点剩余能量、簇的节点数量及节点的移动速率,但是在簇的建立阶段没有解决移动性问题。LEACH-M[5]的基本思想是确认移动节点是否能与指定簇头进行通信。在分配的TDMA调度表的时间片内,节点请求指定簇头,簇头将数据的消息回馈给移动的节点。LEACH-ME[6]对LEACH-M进行改进,更适合移动的传感网络。下面为了能量高效提出了基于分簇的移动路由策略。

1 EM-LEACH算法

WSN的分簇算法可以分为3个阶段来设计:簇头的选择、簇的形成及数据传送。根据剩余能量、节点距离(感知节点与簇头的距离、簇头与网关节点的距离)、簇头的分布和网络覆盖实现能量高效的移动分簇路由协议(Energy-efficient LEACH for Mobility,EM-LEACH),即基于LEACH提出的能量有效的分簇策略。EM- LEACH是通过簇头的选取和簇的形成进行分析和创新,让分簇路由协议在支持移动性的状态下降低能耗。能量的消耗利用Heinzelman提出的消耗模型[7]进行计算。采用模型如图1所示,其中网关节点是固定的,感知节点和簇头是移动或者静止的;每个簇头都与BS直接通信。

1.1簇头的选取

在每一个区域中都有一个区域头或者簇头,就像簇中感节点与基站(BS)或者其他的簇头之间的网关节点.分簇技术中,簇头的选取非常关键,要在信息安全传输下降低能耗;在每轮产生簇头数量应尽可能保持一致,这样才能延长簇的寿命。若在一个轮中没有簇头产生,每个传感器节点将会直接与sink通信,消耗更多的能量。在所有产生的簇当中,簇的大小应均匀,确保能量消耗均衡。

簇头选取中首先要确定簇头的数量,若簇头数量为M,M将作为系统参数在每一轮选取簇头时都应保持不变。若簇头数量过大,则数据融合能力降低,向网关节点发送信息量增大,增大了能量消耗;若簇头数量过少,每个簇头都要收集簇区域内所有感知节点的感知信息,增大了簇头的负担,易造成簇头早死现象。

在无线传感网络中能量的消耗主要是节点之间信息传输距离决定的,因此簇头的位置将影响整个簇区域的能量消耗。在簇区域中簇头有一个最佳位置,在此位置的簇头与簇中其他感知节点距离总和最短,因而信息传输能量消耗最少。在簇区域内感知节点的移动方向和移动速度都是不确定的,因此在一定的时间内,感知节点可移动到簇头最佳位置或者偏离最佳位置,甚至可能离开整个簇区域而进入另外的簇。

首先按照剩余能量筛选节点,这样可以加快选取簇头的速度,并且可以避免剩余能量低的节点成为簇头造成早死现象,因此用阈值Eselect进行筛选。

为了支持无线触感器网络的移动性,在簇头选取时要考虑的因素主要是簇头剩余能量、簇头的分布和簇头的移动信息(速度、方向和位置)。为了让簇头均匀分布并对整个传感网络实现完全的覆盖,把整个区域分成M个子区域,在每一个子区域中选取一个簇头。假设第j子区域节点数Nj,每个节点坐标为(xi,yi),速度为vi。簇头的最佳位置S0(x${}_m^c$,y${}_m^c$)计算方式如下:

$x{}_m^c=\frac{1}{{\rm N}{}_j}{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}{}_j}x}{}_i,y{}_m^c=\frac{1}{{\rm N}{}_j}{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}{}_j}y}{}_i$。 (1)

移动方向用θi(0≤θi≤180)表示,其是节点i的移动方向和连接节点指向最佳位置的直线形成的夹角(速度和直线的最小夹角)。最佳选择则是节点移动方向是S0,即夹角越小越好。角度θ*i则是处理后的角度,其中θt是角度阈值。

$\theta {}_i^{*}=\{\begin{array}{l}\theta {}_{i}if(\theta {}_i>\theta {}_t)\\ \theta {}_{t}if(\theta {}_i\le \theta {}_t)\end{array}$

, (2)

$v{}_i^{*}=\{\begin{array}{l}v{}_{i}if(v{}_i>v{}_t)\\ v{}_{t}if(v{}_i\le v{}_t)\end{array}$

, (3)

如果簇头移动速度过快,则容易造成簇的破坏;移动过慢,则适合整个网络的移动速度。节点v*i是处理后的速度,其中,vt是速度阈值,vi为节点i的速度。

由于距离决定信息在传输过程中的能量消耗,因此,选取的节点距离d*i越近越好。

$d{}_i^{*}=\sqrt{(x{}_i-x{}_m^c){}^2+(y{}_i-y{}_m^c){}^2}$。 (4)

利用3个因素形成代价函数,得到的最佳簇头则是靠近最佳位置、移动方向是最佳位置、速度相对较慢的节点,因此节点i为簇头的代价函数为:

C${}_i^m$=θ*iv*id*i, (5)

由上式看到,θ*i、v*i和d*i变小时,C${}_i^m$值也变小,θ*iv*i则是节点i的速度因子,因此C${}_i^m$最小的节点为簇头最理想的节点,若存在多个节点的C${}_i^m$为最小值,则其中随机产生一个节点为簇头。

1.2簇的形成

在簇的形成过程中由于簇头和感知节点都可能处于移动状态,因此感知节点和簇头的速度很难进行计算,并且要同时考虑感知节点与簇头、簇头和基站的距离。

由于感知节点和簇头在保持一定距离下都处于移动状态,因此速度和距离之间的关系比较复杂,例如2个节点相向移动、相反移动及不定方向形式。为了降低复杂性,把速度大小和速度方向一起分析,因此利用速度和角度得到速度因子v*i。

$v{}_i^{*}=\sqrt{v{}_i^2+v{}_0^2+2v{}_{i}v{}_0\cos \theta {}_{i0}^{*}}$。 (6)

式中,θ*i0=(θi+θ0)/2,vi根据速度阈值计算,θi是感知节点移动方向和连接感知节点、簇头直线形成的夹角,θ0是簇头移动方向和连接簇头、感知节点的直线形成的夹角。可以看出移动因子不是2个速度的矢量和,而是考虑到2个速度的移动方向变化,能够简单高效地对节点移动性进行评估。

基于EECS[8]的通信代价函数,结合移动因子提出新的通信代价函数:

Cost(i,j)=wEv*ig[d(Si,CHj)]+

(1-w)f[d(CHi,BS)], (7)

$f=\frac{d({\rm P}{}_j,\text{C}\text{Η}{}_i)}{d{}_{f\_\max }}$,$g=\frac{d(C{\rm H}{}_i,BS)-d{}_{g\_\min }}{d{}_{g\_\max }-d{}_{g\_\min }},$

df_max=EX(max{d(Pj,CHi)}),

dg_max=max{d(CHi,BS)},

dg_min=min{d(CHi,BS)},

其中,E=En_init/En_current,w是具体环境决定的权值,CHi是区域i的簇头,BS为基站,d(CHi,BS)是距离,g是两者之间的通信代价。Si为感知节点,d(Si,CHj)是两者之间的距离,f是通信代价。Cost(i,j)表示为成员节点i到簇头j的通信代价,在簇的形成过程中每个成员节点选取通信代价最小的簇头加入簇区域。

1.3移动性支持

在大部分的分簇算法中都不能直接地支持移动性,在每个时间环内,如果一个节点正在移动脱离当前簇,这个节点为了保持连接必耗费更多的能量,当这个节点进入另一个簇中仍然保持原来的簇头,则不能有效地利用能量。为了支持移动性EM-LEACH在M-LEACH的基础上提出了新的通信策略。分簇的流程类似于M-LEACH,其中对算法进行了改进,能更好地支持移动性。

在EM-LEACH的初始阶段,每一个几点发送到BS的信息包括本地位置、速度、方向和能量级,BS基于接受到的信息利用式(5)计算出簇头并向每一个节点发送时间表。每一个节点根据接收到的信息利用式(7)进行计算,选出通信代价最小的值为自己的簇头,同时利用这些信息设置自己的时间表。为了降低簇内信息传输的干扰,确保数据的安全性,每一个节点在自己的时间片内利用DSSS传输编码进行传输。

传输阶段每个节点在允许的时间片内传输数据,由于时间片是不变的,每个节点基于簇中节点的数量安排下一次的分配时间。在簇头接收传感器节点数据之后进行数据融合,最终把数据发送到基站。

2 实验结果

通过仿真平台对算法进行仿真模拟,得出算法的性能,并与M-LEACH算法进行性能比较。把100个节点随机分布在100*100的区域中,同时BS也随机选择自己的位置。每一个感知节点的速度都是在一定的阈值范围内随机产。每个节点的初始能量相等,在数据传输过程中,当节点的能量低于能量阈值时,该节点被设定为死亡。

图2展现的是M-LEACH协议与EM-LEACH协议存活节点数量随时间变化。随着时间的变化,M-LEACH协议中早死节点提前出现,主要因为在此协议算法中并没有很好地考虑速度和距离因素,因此在簇头选取和簇形成之后,很容易出现早死现象。随着时间的发展,2种协议剩余节点数量差距逐渐变大。

图3展现的是2种协议存活节点数量随传输数据的变化,可以看出,随着数据的传输,2种协议的节点逐渐出现死亡,但是M-LEACH比EM-LEACH提前出现。随着数据传输量的增大,2种协议的死亡节点的数量差距越明显,最终EM-LEACH提前出现有的节点死亡。充分体现出在EM-LEACH算法中考虑到移动速度和方向、节点间的距离因素,能较好地支持移动性,实现降低能耗。

实验结果表明EM-LEACH能够有效地降低能耗,实现负载均衡,延长生存时间,提高数据传输。

3结束语

无线传感网络中节点的移动对路由协议具有很大的影响。为了让路由协议很好地支持无线传感网路的移动性,首先在簇头选取、簇建立过程中考虑移动因子,把移动速度与移动方向合理结合,从而更好反应节点移动造成位置变化对整个网络能量消耗造成的影响。其次研究了感知节点与簇头、簇头与网关节点之间的距离。最后结合剩余能量建立了关于簇头选取、簇形成的代价函数,提出基于EM-LEACH算法。通过仿真实验证明,EM-LEACH在支持网络移动的情况下,有效降低能耗和延长生存时间。但是EM-LEACH仍然有很大的提升空间,仍需对分簇中算法进行研究,提出高效并支持移动性的分簇算法。

参考文献

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[4]NGUYEN L T,DEFAGO X,BEURAN R,et al.An EnergyEfficient Routing Scheme for Mobile Wireless Sensor Net-works[C]∥Proceedings of the 2008 IEEE InternationalSymposium on Wireless Communication Systems(ISWCS),Reykjavik,2008:568-572.

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[6] KUMAR G S,VINU P M V,ATHITHAN G,et al.Routing Protocol Enhancement for Handling Node Mobility in Wireless Sensor Networks[C]∥2008 IEEE Region 10 Conference,Hyderabad,2008:1-6.

[7]HEINZELMAN W R,CHANDRAKASAN A,BALAKRISH-NAN H.An Application-specific Protocol Architecture forWireless Microsensor Networks[C]∥IEEE Transactions onWireless Communications,2002,1(4):660-670.

移动路由 篇8

关键词：移动自组网,QoS路由,路由协议

0引言

移动自组网又名Ad Hoc网络,是没有任何中心实体的自组织网络,依靠节点间的相互协作在移动、复杂多变的无线环境中自行成网,借助于多跳转发技术来弥补无线设备的有限传输距离、从而拓宽网络的覆盖范围,为用户提供各种服务、传输各种业务。这是一种不需要依赖现有固定通信网络基础设施、 能够迅速展开使用的网络体系,网络节点能够动态地、随意地、 频繁地进入和离开网络。每个节点都兼任终端和路由的角色, 需要完成发现及维护到其它节点路由的工作,因而在这种网络中路由就成为了一个核心问题。

随着移动自组网应用领域的日益壮大,提供端到端的服务质量Qo S也成为了衡量移动自组网的一个重要准则。服务质量 (Quality of Service,Qo S)通常定义为把分组流从源节点传输到目的节点时网络必须满足的一个服务要求集合,期望网络向终端用户提供端到端的服务保证以及基于策略的网络性能的服务属性,例如,时延、时延抖动、带宽、分组丢失率等等,把这种根据网络中可使用资源和业务Qo S需求来选择的路由的机制称为Qo S路由。加入Qo S后能使得移动自组网的应用更加灵活,将传统的最短路径改为一条满足业务Qo S需求路径,不仅能够满足用户端到端Qo S要求,而且还尽可能有效地使用网络, 以最大化网络资源的利用率。

移动自组网由于其自身的灵活、健壮、投资成本低等特性, 现已被广泛应用在多个领域,而移动自组网中的Qo S路由技术, 也成为了一个核心技术和重要研究方向。

1QoS实现的难度

传统的用于固定网络的Qo S路由技术不能直接用于移动自组网中,移动自组网自身具有特殊的属性,如链路干扰、链路传输范围有限、带宽有限、拓扑高度动态变化等等,这使得在移动自组网中提供Qo S服务保证非常困难,主要包括以下难点:

(1)资源有限

移动自组网的无线信道质量不稳定,信道带宽有限。提供Qo S服务保证势必会增加系统开销,为实时获取Qo S状态信息而进行的状态信息扩散不仅会占用带宽,还可能产生过多的冲突从而降低网络性能。只有当采用了Qo S路由后带来的好处大于实现其功能所付出的代价时,才予以考虑是否采用Qo S路由。

(2)链路状态难以确定

相对于有线信道,无线信道属于广播媒介,其参数时变且易受干扰,使得无线链路状态难以确定,如带宽、时延、时延抖动等链路状态参数,难以实时获取和维护。

(3)网络动态变化特性

移动自组网的动态变化性使得节点难以保证其保存的可用状态信息是准确的,并且节点随时随地都能离开或者加入网络, 链路随时都会发生变化,而传统Qo S路由协议则主要依据准确的状态信息进行判断。

(4)多Qo S条件约束

Qo S约束可以是一维的参数,也可以是多维的,将其Qo S路由对应地称作单维和多维Qo S路由。按照性能特征可以将Qo S度量参数划分成三类,即可加性参数、可乘性参数和凹性参数。

对于路径P (i, j,k,......,l,m) ,用d(i, j) 表示链路d(i, j) 的某种Qo S量化参数,用d(i, j) 表示路径P的Qo S尺度:

若d(P) d(i, j) d( j,k) .......d(l,m) ,则称d为可加性参数;

若d(P) =d(i, j)×d( j,k)×.......×d(l,m) ,则称d为可乘性参数;

若d(P) =d(i, j)×d( j,k)×.......×d(l,m) ,则称d为凹性参数;

由以上分类定义可知,时延、成本等属于可加性参数,分组丢失率等属于可乘性参数,带宽、节点剩余能量等属于凹性参数。有关文献中已经证明,如果当路由选择过程中需要考虑的约束条件包括两个或两个以上的可加性参数或者是可加性参数和可乘性参数的组合时,此时的Qo S路由选择就是一个NP完全问题,如要寻找最小成本的最短路径和最小时延的最小成本路径,都是NP完全问题。这种情况下通常利用启发式算法寻找次优解。

基于以上难点,要在拓扑变化很快的网络中实施Qo S路由几乎是不可能的。但由于一般情况下,网络拓扑的改变不会非常频繁,且业务应用有一定的自适应性,因此在这种情况下实施Qo S路由是合理且可取的。

2实施QoS路由的优点

目前大部分的路由协议均用最短跳数当衡量路径好坏的标准,对于普通数据业务这种方法可行,但对于多媒体业务及实时业务而言这种方法则不太适用。为对业务提供Qo S保证,必须对流入网络中的数据量进行控制,实施Qo S路由就是实现接纳控制的关键。

实施Qo S路由的主要优点有:

(1)使得网络能够支持已有的和新出现的多媒体服务及应用的要求,例如IP语音等对网络有特定Qo S要求的新应用;

(2)使得网络可以对流入的业务进行接纳控制,即在路由选择过程中同时计算了该路径所能提供的Qo S能力,网络控制机制根据该路径的Qo S能力来决定是否接受新的连接;

(3)对网络中的服务保证和通信进行区分,这也是在单个网络中同时进行语音、视频、数据业务传输所必需的服务要求;

(4)通过使用Qo S路由可将业务量分配到不同的路径上, 不仅可以实现负载均衡,也能满足多种业务对Qo S的要求;

(5)使得网络提供商除了提供现有的尽力而为的服务种类以外,还可提供奖赏服务;

(6)在各种新型网络服务中有很重要的作用,例如虚拟专用网络。如何提高网络对Qo S的保障能力是Qo S研究的重点工作,而保证用户对Qo S的需求则是研究的最终目的;

(7)资源预留协议使得寻路过程朝着资源充足的路径行进,提高整个网络的资源使用效率。

3QoS路由协议

3.1度量参数的选择

衡量Qo S的指标有很多种,如时延、带宽、吞吐量、分组丢失率等等,由于寻找一条满足多个Qo S要求的路径通常是NP完全问题,特别是在移动自组网中,拓扑结构的动态变化性, 要求网络尽可能少地交换控制信息,所以一般来说不采用实现多维Qo S要求的方法,而应根据具体实际情况选择一两个较关注的合适的指标。由于所选择的Qo S度量参数反映了业务应用所关心的网络特性并定义了提供Qo S保障的类型,因此合理选择Qo S度量参数非常重要。

通常选择分组丢失率或链路可用带宽作为Qo S度量参数, 因为这两个参数最能反映出无线信道的质量和链路状态的变化,并且这两个指标也较容易获取到。如带宽指标,可通过节点间的信息交互来得到邻居节点的可用带宽,从而作出后续是否转发的决策;而时延指标,由于获取时延本身就存在时延的问题,因而不能及时反映网络拓扑的变化;网络吞吐量指标的计算则较为复杂,也不适合作为Qo S参数。

需要注意的是,一个节点的最大未用带宽并不等同与最大可用带宽,某节点的可用带宽不仅与本节点产生的流量及通过本节点转发的流量有关,还与和本节点共享信道的邻居节点的业务量有关,因为邻居节点进行业务传输时也会对本节点产生干扰。假设节点i的最大带宽是Ci,用lij表示节点i到节点j的业务流量,包括节点i产生的及转发的流量,用MUBi表示节点i的最大未用带宽,用MABi表示节点i的最大可用带宽,则

其中, Ni、 Nj分别表示节点i和节点j的邻居节点集合。

最大未用带宽就是节点总带宽减去本节点上所有业务使用的带宽,是通过节点本身计算得到的,是一个本地的概念,而最大可用带宽则是在最大未用带宽基础上,减去本节点所有邻居节点业务使用的带宽,节点需要知道周围邻居的带宽使用情况才能计算得到。

吞吐量就是单位时间内目的端收到的比特数。要计算出吞吐量,节点需要知道网络的整体状态。而在拓扑动态变化的移动自组网中,节点获取其邻居节点的信息都不容易,获取网络整体的状态信息就更难。并且若业务流量波动较大,计算吞吐量时选择的时间范围不同,得到的计算结果差异也会较大。因此,一般不适用吞吐量作为Qo S参数。

3.2度量参数的组合方式

根据网络的具体实际情况,选择出合适的Qo S度量参数, 对于存在多个度量参数的情况下,在路由选择算法中使用时其组合方式可以是单混合度量参数,也可以是多度量参数。

3.2.1单混合度量参数

通过自定义计算方法将多个度量参数归一化成一个参数, 例如若算法中考虑的Qo S度量参数有带宽、时延、包丢失率, 分别用B(P) 、 D(P)、 L(P) 表示,用F(P) 来表示路径的带宽、 时延、包丢失率函数, F(P) =B(P) ÷[D(P)×L(P)] ,在路由选择过程中选择具有最大F(P) 的路径。

但由于各度量参数的计算方法不同, F(P) 的计算准则较难确定,很难得到最优的Qo S路由算法,使各Qo S度量参数均最佳,因此,该方式一般只作为辅助参考。

3.2.2多度量参数

在路由选择算法中对每个度量参数都进行考虑,使每个参数都满足Qo S要求。主要方法有多优先级判断、界定参数。

(1)多优先级判断

根据业务具体需求对各个度量参数的关注程度对度量参数进行优先级的排序,在多条参数均满足Qo S要求的路径中,对比优先级最高的度量参数,选择具有最大该度量参数的路径; 若还存在多条路径时,则对比优先级次高的度量参数,直到选出最终使用的那条路径。

例如,若某业务对带宽、时延、包丢失率有要求,若有多条该三个参数均满足最低要求的路径,那么依靠自定义的优先级进行路由选择。如,对三个度量参数的关注程度由高到低依次是带宽、时延、包丢失率,那么业务先在可选路径中选择带宽最大的那条路径,若存在多条带宽最大的路径,则再在其中选择时延最小的那条路径,若还存在多条时延最小的路径,则再选择包丢失率最小的路径。

(2)界定参数

通过某种函数的映射,将连续的参数转换为整型的参数, 可以降低算法的复杂度和路由信息的开销,但最后选择的路径有可能不是最优的。

3.3QoS路由算法的选择

根据具体应用需求选定了Qo S度量参数和组合方式,就可以根据所获取的网络状态信息,进行有Qo S保障的路由选择。 目前路由选择所采用的方法大多是基于Dijkstra算法或Bellman-Ford算法的改进,该过程可以由源节点独立完成,即源路由,也可以由多个节点协作完成,及分布式路由。

3.3.1源路由

在源路由中,网络中的每个节点均保留全网的网络状态信息,并周期性更新,因此全网的系统开销非常大,并且还可能存在不准确的路由信息,易导致错误的路由选择的结果。

为减少节点存储的状态信息,将网络进行分层,设置分层路由,但这样组内的节点无法即时得到实时且正确的组外节点的状态信息,虽然系统开销小了,但是更增加了状态信息的不准确性,更易导致错误的路由选择的结果。

3.3.2分布式路由

在分布式路由中,网络中的每个节点都维护一张到达目的节点的下一跳节点的路由表。当节点接收到数据包后,通过查找自己存储的路由表就能知道该朝哪个节点继续转发。节点维护信息的成本相对较低,路由信息也比较准确,相对于源路由来说复杂性略高。

3.4QoS路由的维护

与普通路由维护不同的地方就是,Qo S路由的维护不仅只是维护路由的通断,还要看链路状态改变后是否仍然满足Qo S要求。

对路由信息的维护应该在路由更新的频率及消息的大小两方面均能够自适应地调整,以在系统开销和路由准确性上进行合理的折衷。

目前有一种可行的办法是设置一个变化门限值,当节点的状态信息超过该门限值时就进行信息交互,同时尽量维持现有路由而不进行改变,从而减少系统的开销和性能的抖动。若为每个业务流均维护路由信息,易导致路由表过于庞大,可以将网络进行分层,节点只需要考虑与组相关的状态信息,缺点是这些状态信息较片面,只能部分真实地反映全网信息,从而影响路由信息的准确性。

另一种方法则是采用按需的Qo S路由算法,在有业务请求时才进行Qo S路由寻找,缺点就是找到路由的时延较大。

由于移动自组网的动态变化特性,只能提供软Qo S保证, 即在链路连接未断时可以保证Qo S,但链路中断或者失效后, 就需要依靠路由重寻、备份路由、路由修复、自适应等方法来减小Qo S路由中断产生的影响,尽可能平缓地实现对服务质量的过渡。

4研究现状

由于Qo S路由协议在移动自组网中越来越多的应用,近年来已有不少研究者提出了一些有价值的移动自组网的Qo S路由协议。对于其设计思路主要分为两种:一种是在传统路由协议基础上进行改进,另一种是根据移动自组网的特点及Qo S约束条件,设计新的带Qo S保证的路由协议。

4.1对传统协议进行改进

为保证Qo S的需求,对传统的路由协议进行改造。在节点处增加对Qo S信息的维护,可以在路由表以及协议控制信息中增加相应的Qo S字段,如带宽和时延等等,在计算最短路径的同时也对各种Qo S信息进行更新,各个节点依据Qo S信息来决定是否对控制消息继续进行转发,或者是否建立新的通信连接。

在现有的协议中,很多协议例如按需距离矢量路由(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing,AODV)协议、动态源路由(Dynamic Source Routing,DSR)协议等都是按需路由协议, 利用这类路由协议按需的特点,且若采用最小带宽作为Qo S保证指标,就能大大降低Qo S路由的复杂度。在路由查找过程中, 控制消息中加入带宽字段,中间节点收到该消息后,先判断本节点处的带宽资源是否能满足Qo S要求,来决定是否继续转发, 依此准则,最后目的节点收到该消息后,就能找到一条满足所需带宽要求的路径。

在传统路由协议基础上进行改进的典型的Qo S路由协议有基于Qo S的AODV路由(Qo S support Ad Hoc on Demand Distance Vector Routing,Q-AODV)协议、提供Qo S支持的最优化链路状态路由协议(Qo S based Optimized Link State Routing Protocol,Q-OLSR)等。

Q-AODV协议是在经典的移动自组网按需路由协议AODV协议上改进而来的,其实现的基本工作原理就是在AODV协议的路由表和控制消息中增加内容,附加上Qo S相关信息,增加的内容有可忍受最大时延、可用最小带宽、时延请求保障节点列表和带宽请求保障节点列表。其工作流程与AODV协议类似,只是在各个过程中都考虑上Qo S因素。各节点与其邻居节点共同确定可用时隙,通过从源节点到目的节点传播过程中不断更新Qo S信息计算出各条路径的总时延和可用带宽,若所得路径能够满足业务要求就使用RREP消息建立链路。

Q-OLSR协议是在经典的移动自组网主动路由协议OLSR协议基础上改进而来的,其核心概念是多点中继(Multiple Point Relay,MPR)。在OLSR协议中加入Qo S保证时,会受到一些限制,例如,OLSR协议以覆盖的两跳邻居节点最多作为MRP节点的选择依据,由于未考虑链路带宽,有可能忽略某些带宽较大的链路,并且在OLSR协议中,非MRP节点只与自己的邻居节点通信,不进行中继转发,链路大部分时间处于空闲状态。Q-OLSR协议针对这些限制因素,对MRP节点的选择方法进行改进以满足Qo S要求。

4.2设计新的路由协议

根据移动自组网的特点及Qo S约束条件,从而提出一些新的带Qo S保证的路由协议,典型的协议有核心提取分布式Qo S路由(Core Extraction Distribution Ad Hoc Routing,CEDAR) 协议、带Qo S约束的组播路由协议(Qo S-based Multicast Routing Protocol,QMRP)、分级式Qo S组播路由协议(Hierachical Qo S Multicast Routing Protocol for Mobile Ad hoc networks,HQMRP) 等。

CEDAR协议的基本思想是在全网节点中选择部分节点作为核心集合,由这些核心节点在有业务需要时计算Qo S路由, 链路状态信息的交互也只需要在这些核心节点间进行,减少了信息交互的开销。

QMRP协议的Qo S保证综合考虑了带宽、时延、节点移动速度和节点剩余能量等因素,给每个因素设置一个相应的门限, 只要其中某一项超出了门限值,就认为这条路径不满足Qo S要求,不能算成有效路径。在该协议中,组播树的形成过程是各节点及相应链路在满足达到门限值要求的前提下渐近生成的。

HQMRP协议是一种基于簇结构的Qo S组播路由协议,每个节点只需要维护本簇内的组播路由信息和其他簇的概要信息,不需要维护全网的状态信息。网络中所有节点都支持多种Qo S约束,簇内的每个节点均周期性地检测其输出链路上的时延,并通过与簇内其他节点交互该链路延迟信息来维护簇内节点的路由表及进行网关节点的路由更新。

4.3基于移动自组网的QoS路由协议对比

根据对以上几种路由协议的分析可知,一个理想的移动自组网的Qo S路由协议,应充分考虑到网络的自组织性、网络拓扑结构变化的适应、单向链路的支持、有限的传输带宽、生存时间、在组播中的应用需求、移动设备主机能量及内存大小的局限性等等因素,中对前文中介绍的移动自组网Qo S路由协议进行了对比。

(1)主动/按需方式:在移动自组网中,根据节点获取网络状态信息的方式,可以将Qo S路由协议分为主动路由协议和按需路由协议。主动路由协议周期性交互并更新信息,尽力维护全网中的路由信息,并且当拓扑结构发生变化时,向全网中传播路由更新信息以维护整个网络信息的一致,按需路由协议则只在源节点有需要时,才创建并维护路由;

(2)分布式操作:移动自组网在自然灾害的救助、军事通讯等方面均有广泛的应用,应用场景要求其应具备较高的鲁棒性,而集中式路由协议很难满足这种要求,所以自组网协议均采用分布式操作方式;

(3)单向链路的支持:移动自组网是基于无线环境中的网络,节点能量、发射功率、所处地理环境等均会对网络性能产生影响,而在无线环境中单向链路出现的可能性较大,这也给路由协议的实现带来了新的困难;

(4)Qo S参数的选择:在移动自组网中采用Qo S路由, 需要根据具体情况选择不同的Qo S参数。在移动自组网中Qo S参数既可以包括节点本身的参数,如节点能量、内存大小、处理能力等,也可以包括链路参数,如链路带宽、时延等。必须根据具体的业务及网络状态来选择Qo S参数,想同时满足多个Qo S要求是难于实现且不切合实际的;

(5)组播功能的支持:在资源稀缺的移动自组网中,组播支持具有非常重要的意义。在组播通信中可以更高效的利用网络带宽并减少节点能量的耗费,因此在移动自组网的Qo S路由协议中支持组播功能,也是自组网网络协议的一个重要研究方向。

5结语

路由协议是网络中最基本的重要功能之一,Qo S路由协议则是针对未来网络发展的需要而加入的功能,根据业务通信的需求提供满足条件的路由,并且能够更有效地利用网络资源。 但目前移动自组网中较典型的Qo S路由协议均是采用传统的分层设计架构,由各层独立完成各自的工作,其他层的一些有用信息路由层则无法使用。跨层设计架构将各层的设计因素结合在一起,使各层间能交互有用信息,路由层可依据其他层提供的有用信息进行路由过程,可有效地提高网络资源的利用率, 更好地适应拓扑的动态性。因此在未来的工作中,可以把跨层设计作为移动自组网中Qo S路由协议研究的一个重要方向。

在移动自组网中节点能量也是一个非常重要的因素,在很多情况下会影响到网络的整体性能,通过节能设计可以延长节点和整个网络的寿命,因此如何更好地节约主机能源,设计基于能量的Qo S路由,也是移动自组网中路由协议研究的一个重要方向。