Ad Hoc Networks TOPIC FOUR

  • 为什么不用有线MANET Routing？
    • Hidden terminal
    • Exposed terminal
  • MANET的组成分类
  • 一、DSDV（Destination Sequenced Distance Vector）
    • DBF算法（Distributed Bellman-Ford）
    • 路由表更新类型
    • 基本准则
    • 优点/缺点
  • 二、AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）
    • 实现步骤
      • 流程图
    • RREQ&RREP
    • RERR（Route Error）
    • 总结
  • 三、ABR（Associativity Based Routing）
    • Associativity Ticks
    • 基本准则（？)
    • 三个步骤
      • 1. 路由寻找（Route Discovery Phase）
        • BQ（Broadcast Query）
        • REPLY message
        • 数据流确认
      • 2. RRC（Route ReConstruction phase ）
        • 场景一：IN moves
        • 场景二：DEST moves
        • 场景三：SRC moves
        • Concurrent Nodes Movements
        • Movement of Subnet Bridging Mobile Host
      • 3. RD（Route Deletion Phase）
  • 对比
  • 其他资料
    参考：自组织网络（Ad Hoc Network）——TOPIC 5 MANET Routing

正文：

为什么不用有线MANET Routing？

  • 路由是MANET中的主要挑战之一。
    =>节点的高流动性导致链路随意中断
    =>高动态拓扑结构。
  • 寻找到可靠的链接需要花费很多能量
  • 收敛慢 slow convergence
  • 吞吐量低 Little throughput
  • Signs of instability due to count-to-infinity problem.(?)
  • 管理中的挑战——移动性 / 带宽限制 / 资源限制，用电

Hidden terminal

问题原因：A与C不互通，因此AB通信时会受到来自C的干扰，反之亦然
解决办法：与MAC layer protocol协作，发送信道繁忙/中断信息

Exposed terminal

问题原因：S2因收到来自S1的信号，放弃与R2的通信
解决办法：？

MANET的组成分类

Table Driven（例如DSDV）

  • 保持routing table的实时性，周期性的路由更新
  • 节点的所有路由信息都会被记录，无论是否需要，以备后用
  • 大量的通信和电力消耗（Substantial signalling traffic and power consumption）

On-Demanded Driven（例如ABR/AODV）

  • source只有为了传输才会创建路由
  • 当节点需要到目的地的路由时，它将在网络中启动路由发现过程
  • 没有周期性的route更新
  • 功率高效
  • 带宽高效

一、DSDV（Destination Sequenced Distance Vector）

  • 总体来讲，DSDV协议是对传统的DV协议的一种拓展。
  • 基于DBF（Distributed Bellman-Ford）算法
  • DSDV每个节点都保持着一张路由表，路由表记录了到目的节点的距离和下一跳（无论此时是否有通信需求）
  • 一个顺序编号系统（给路线打上标签）用于区分已有路线和新路线
  • 每个目的节点会定期广播一个单调递增的偶数序列号号码（但这会造成网络资源浪费）

DBF算法（Distributed Bellman-Ford）

路由更新的一种比较好的解决方案：

  • DBF中每个节点记录到达其他节点最短路径的下一跳

路由表更新类型

  • Full Dump：它包含所有可用的路由信息。当本地拓扑发生重大变化时（许多节点发生移动），就会发生这种情况。
  • Increment Update：只包含自上一次full dump以后的路由信息。当路由没有观察到重大变化的时候，采用这种方式。

基本准则

  • 序列号（sequence number）标识新路由信息
  • 以跳数为cost
  • 节点跟踪自己的时间和事件发生的顺序以进行更新
  • 每个节点需要为反映其邻居信息的距离向量更新分配序列号

假设节点A向节点B发送了一个信息（SeqA，DistA），B在更新前的状态是（SeqB，DistB）。在收到信息后，B将按照如下方式进行更新：

  • 当SeqA>SeqB
    序列号的更新以序列号较大的为准，距离也变成DistB = DistA + d(A, B)。
  • 当SeqA=SeqB
    比较DistB 和 DistA + d(A, B) ，选择较小的值作为新的DistB。如果需要经过A到达目的节点，将设置A为下一跳。

优点/缺点

Advantages：

  1. 可以随时读取route->destinations，没有延迟
  2. 序列号的增量更新使现有的有线网络协议适应于无线网络

Disadvantages：
3. 在高移动性期间，由于链路中断而导致的更新会导致沉重的控制开销
4. 要获取关于特定目标节点的信息，节点必须等待由相同目标节点发起的表更新消息。这种延迟可能导致节点上的路由信息陈旧。

二、AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）

是基于On-Demand的路由协议，只有当到达某目的节点的路由不存在时，才会发起该协议发起路由请求，也就是有路由请求时才激活。

  • 寻找最短（最快）路由路径。
  • 传输层使用的是UDP协议。

实现步骤

  • 当源节点需要给网络中其他节点发送信息时，首先检查路由表是否有目标节点，如果没有则向邻居广播RREQ（Route Request）（RREQ报文中记录着源节点和目标节点的网络层地址，还有当前RREQ的序列号）

为什么需要RREQ序列号：避免loop；判断新鲜

-邻居节点收到RREQ，检查RREQ序列号和源，以判断是否首次收到当前RREQ
–如果是：检查目标是否是自己，是否在自己的路由表中
------如果不是自己 ||不在：重新广播RREQ（有着相同的源和序列号），同时建立指向源节点的逆向路径（指向当前RREQ的首次发送节点，第二次及以后收到的RREQ将被丢弃）（优点：便于区分loop和new；便于建立源到目标的最短路径，因为永远只接收到达最快的请求）
----如果不是自己但是在路由表中（之前发生过通信而保留的路径）：向源发送RREP（Route Reply）

reverse path 保存在哪？之前保存的RREQ吗？

----如果是自己：不再重新广播，生成RREP（源与目标正好与RREQ相反）
-----某个节点收到RREP，它意识到自己是天选之子（逆向路径的一员），它将根据RREP的源和目标建立指向发送当前RREP的节点的上传路径（作为路由信息保存在路由表中），上传路径在RREP的发送过程中被建立

-最初的源节点收到RREP后，根据最终形成的上传路径发送信息

流程图

Created with Raphaël 2.3.0SRC需要发送信息RT是否有目标节点？向邻居广播RREQ邻居节点收到RREQ是否首次收到?目标是否是自己？不再重新广播生成RREP某个节点收到RREP：建立指向发送当前RREP的节点的上传路径（作为路由信息保存在路由表中）源收到RREP：根据最终形成的上传路径发送信息结束是否在RT中？向源发送RREP重新广播RREQ建立逆向路径丢弃RREQnoyesnoyesnoyesno

RREQ&RREP

所有节点都是：先转发广播，再判断目标是不是自己？否，先判断，如果是就不广播了

  • Intermediate Node也会发送一个RREP，只要它拥有比发送者以前记录的更近的路径
  • RREQ包含了源节点已知最新的目标节点的序列号
  • 没有收到RREP的节点将在一段时间后清除收到的EERQ

上传路径中的节点也会定时清除逆向路径吗？

  • 源节点在一段时间内（active_route_timeout）没有通过上传路径发送数据，上传路径将被清除

Link Failure

  • 邻居节点周期（HELLO_INTERVAL）交换hello消息。
  • 当路由表条目中的下一跳链路断开时，所有活动的邻居都会被通知。
  • 链路故障通过路由错误(RERR)传播，也会更新目的地序列号。

RERR（Route Error）

  • 当节点X在链路(X,Y)上无法转发数据包P(从节点S到节点D)；或者在DELETE_PERIOD的时间内没有收到来自邻居节点的Hello message，认为链路失效，它产生一个RERR消息，RERR在传播过程中，IN删除该路径上相应的路由信息。
  • 节点X递增缓存在节点X的D的目的序列号（此时为奇数）。当这条路径修复时，它又将序列号加1然后广播出去（整体+2）。
  • 递增的序列号N被包含在RERR
  • 当节点S收到RERR时，它使用至少与N一样大的目的序列号为D发起新的路由发现。
  • 当节点D收到目的序列号为N的路由请求时，节点D将把它的序列号设置为N，除非它的序列号已经大于N

总结

RREQ： SrcID, DestID, SrcSeqNum, DestSeqNum, BcastID, TTL

Path Discovery：

  • Reverse-Path Setup：为了让RREP返回源
  • Forward-Path Setup：收到RREP后，为了发送数据而建立

Path Maintenance：

  • hello message：维护邻居关系
  • timer：判断是否active

No local path reconstruction：发生link failure后源节点发起新的Path Discovery，而不是局部修复（？）

两个Timer：
route_request_expiration_timer：设置这个参数是为了让不在路径上的节点，丢弃这个路由数据。
route_caching_timeout：用来判断什么时候路由已经无效。此外，活跃节点的地址也会被保留，如果某路由断了，就会找到其他活跃的邻居节点。

  • 路由不需要包含在包头中。
  • 节点维护路由表，只包含正在使用的路由的条目。
  • 每个节点上每个目的地最多维持一个下一跳。
  • 序列号用于避免旧的/破损的路线。
  • 序列号防止形成路由环路。
  • 即使拓扑结构不改变，未使用的路由也会过期。

三、ABR（Associativity Based Routing）

是一种On-Demand路由协议。寻找最稳定路由。

  • 稳定性：从邻居那里收到的周期性beacon（信标）的数量
    Stability in ABR refers to ：
    1）associativity ticks（beacon number）, or some params to add
    2）signal strength
    3）power life

Associativity Ticks

Neighbour Table

  • Node ID
  • Ticks（在一段时间内累加beacon的数量）
  • Timer（interval of beacon period）
    越少的ticks->越差的稳定性->越高的移动性

基本准则（？)

  1. 迁移过程中，迁移方与邻居的关系发生变化。在这个不稳定的时期之后，存在一个稳定的时期，在此期间，移动主机将在一个无线单元中花费更多的休眠时间，然后再移动。
  2. 一个移动电话表示，当它与相邻的移动电话的结合度较低（associativity tick）时，其移动状态处于高水平。如果观察到高结合性标记，这意味着主机处于稳定状态，是执行ad hoc路由的理想点。

三个步骤

1. 路由寻找（Route Discovery Phase）

DEST选择最稳定的路由：

  1. 高稳定性与低移动性
  2. 稳定性相同的情况下选择cost少的路径
  3. 稳定性与cost都相同，随机选择

BQ（Broadcast Query）

  • source先进行BQ广播（Broadcast Query），发现邻居都不是DEST。
  • BQ先把经过的点的associativity ticks记下来，一直携带着往下一位传输。
  • 如果有多种情况，BQ会都记下来，最后遇到dest以后用算法选出最稳定路径。
  • 节点收到BQ后，检查源和序列号，如果都相同就检查节点ID列表；当ID列表中包含自己时，忽略当前BQ
  • 移除上一个节点的邻居信息，加入自己的邻居信息（节点ID和Ticks）
  • DEST将在收到第一个BQ数据包后，启动timer等待更多的BQ

REPLY message

DEST的timer过期后，RSA（route select algorithm）选出最佳路径，生成REPLY message单播到源

结构

实现步骤

  1. 每个中间节点收到REPLY后检查ID列表
  2. 如果在表中：位于自己左边的是REPLY发送方向，右边的是数据上传方向（放入路由表）
  3. 如果不在表中：检查源ID和目标ID，清除之前收到的相应BQ

数据流确认

被动：S将A发送给B的信息作为识别
主动：D主动发送ACK

2. RRC（Route ReConstruction phase ）

移动设备（源/目标/中间节点）从原有位置离开时，激活RRC

  • partial route discovery to make it locally and fast
  • RRC does not produce BQ again unless necessary – avoids excessive control overhead and disturbing unconcerned nodes.

场景一：IN moves

  • Pivoting node （上一跳的节点）生成Local Query（LQ）
    LQ包括：Pivoting node ID，目标，序列号，邻居信息（节点ID和Ticks），限制跳数（LQ可移动的距离）

通过total route length和ID列表，中间节点可以算出自己与目标相离的跳数
Pivoting node通过限制跳数找到能保持原有跳数的新路径

  • Pivoting node的邻居收到LQ后，检查，如果没有目标的记录则移除上一个节点（此时是Pivoting node）的邻居信息，加入自己的邻居信息，将限制跳数减一，重新广播LQ
  • DEST收到第一个LQ后启动timer，等待更多的LQ
  • DEST的timer过期后，RSA（route select algorithm）选出最佳路径，生成Local REPLY单播到Pivoting node
  • Pivoting node收到Local REPLY后，新路径建立成功

场景二：DEST moves

  • Pivoting node （目标上一跳的节点）生成LQ[1]（限制跳数为1）并启动timer，等待REPLY
  • 超时未收到后，ABR要求Pivoting node发送RN[0]（Route Notification）到其上一跳（Second Pivoting node）或重新发送几次LQ[1]（取决于具体设计）

RN[0]代表发送方向为SRC
RN[1]代表发送方向为DEST

  • Second Pivoting node发送LQ[2]（限制跳数为2），直到找到通向DEST的路径，同上

  • 当Local Repair进行到total route length的一半仍未成功，不再进行Local Repair，生成RN[0]发送到SRC请求新的BQ

  • 当IN moves发生在后半程，将启动LQ；发生在前半程，直接发送RN[0]请求新的BQ，其中收到并上传RN的节点会将路由信息从RT 删除

场景三：SRC moves

  • SRC广播BQ
  • SRC原来的下一跳生成RN[1]发送到DEST，收到RN[1]的IN会删除RT里相应路由信息

Concurrent Nodes Movements

  • 结果多次调用路由重构、RRC
  • SRC将发送BQ删除无果的重建（参见后面的路由删除）
  • 最终只有一条路线重建成功。

Movement of Subnet Bridging Mobile Host

  • M的移动会导致移动网络被分割。
  • 如果现有的临时路由都在每个子网内，则不需要RRC。
  • 如果路由跨越子网，M的移动会导致网络被分割，需要进行BQ-REPLY循环。

3. RD（Route Deletion Phase）

当发现的路由不再需要时，SRC将启动路由删除(RD)广播【是一个定向广播direct broadcast】，以便所有INs将更新它们的路由表条目。

  • 当SRC不再需要路由时，启动路由删除（RD）广播。
  • 硬状态：SRC广播RD信息
    =>所有的IN都会更新路由表：释放资源，避免保留陈旧的路线
  • 软状态：当一段时间内没有与路由相关的流量活动时，基于定时器。这种方式是在路由中的每个节点进行的。

对比

低移动性或少量包裹发送时，更新是无效的

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