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移动 Ad hoc 网络（下）（ MANET: Mobile Ad hoc Networks ）

张宝贤：无线网络技术课程—— 2006 年 11 月 25 日电子邮件： bxzhang@gucas.ac.cn

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MANET 路由机制及其它

MANET路由协议DSDV

DSR

ZRP

基于地理信息的路由 MANET网络与其它网络互联

熟练 DSR

熟练掌握 DSDV

掌握 ZRP

掌握 MANET 与其他网络互联概念

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MANET 路由协议

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主动路由 表驱动（ Table driven ）路由

先应式路由机制• 传统的分布式最短路径路由协议

– 链路状态或者距离向量– 所有节点连续更新“可达”信息

每个节点维护到网络中所有节点的路由 所有路由都已经存在并且随时可用 初始路由请求的延迟低 路由开销大 OLSR 、 TBRPF

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距离向量（ Distance-Vector） 基于分布式的 Bellman-Ford算法 每个节点维持一张路由表

所有可达目的地 到每个目的地的下一跳 到达该目的地的跳数

每个节点定期把自己的路由表发给所有的邻居

From Tobias Schwaegli

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距离向量（ Distance-Vector ）（续）

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距离向量（ Distance-Vector ）（续）

8

距离向量（ Distance-Vector ）（续）

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DV 协议能否适应 MANET ？ DV 的固有缺点

无法发现回路 “ 无穷计算”问题

可选方法： DSDV 协议 没有全局拓扑视图 主动先应式路由 每个节点维护到所有已知目的地的路由信息 路由信息必须定期更新 即使网络拓扑没有变化也有通信开销 维护的路由可能从来不用

DV 不能直接用在 MANET

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DSDV 协议特点

保持了 DV 算法的简单性确保无路由回路

新的路由表带有目的地序列号对于拓扑变化能快速反应

当路由表发生重大变化时立即启动 route advertisement

但是迟滞不稳定路由的通告 ( 减缓路由波动 ) ？

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DSDV 路由表 Sequence number

由目的端确定，用来保证不出现路由回环 Install time

该表项的创建时间 ( 用来删除表中过时路由信息 ) Stable data

Pointer to a table holding information on how stable a route is. 用来缓解路由波动

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路由通告（ route advertisement ） 向每个邻居通告自己的路由表，表中每项包括

目的地地址 metric = 到目的地的跳计数 目的地的序号

设置序号的规则 每次通告递增自己的目的地序号（只用偶数值）

• 目的地自己的行为 如果一个目的节点不再可达 (timeout) ，则将该节点的

序号递增 1( 奇数值 ) 并置 metric = ∞

• 任意网络节点的行为

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路由选择 (Route Selection)

将收到的路由更新信息与自己的路由表比较选择目的地序号大的路由 ( 这样能确保

使用的总是来自目的地的最新路由信息 )

如果目的地序号相同，则选择较短 (based on the used metric) 的路由。

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DSDV 实例

00

8

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DSDV 实例（续）

028

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对拓扑变化的响应立即通告

有关新路由、链路中断、 metric 变化的信息立即传播给邻居 !

完全 / 增量更新 Full Update

• 发送自己路由表的全部路由信息 Incremental Update

• 仅发送路由表中有变化的表项 ( 使得可用一个控制分组完成更新 )

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增加一个新节点

0400

18

增加一个新节点（续）

040

0

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如何解决路由回环和无穷计算？ ——当发生链路中断时

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立即通告（接上页）当 C 检测到自己到 D 的下一跳不可达时，可以执行立即通告

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序号带来的路由波动问题

3 只要 D 或者任何一个节点更新路有，就可能导致路由通告 == 〉路有波动

时间

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阻尼路由波动 记录不同表中给定序号值的路由

（过时数据）的最近和平均 Settling Time Settling Time = 第一条路由和最好路

由的到达时间间隔 A 在新序号第一条路由到达时更新

路由表，但延迟广播该条路由。 推迟的时间 = 2*(avg. Settling Time).

可缓解大型网络的路由波动问题，从而避免不必要的通告达到节约带宽。

x

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DSDV 总结

优点 非常简单（几乎与 DV 算法一致） 通过目的地赋予的序号值来防止出现路由回环 不存在 (按需路由机制中的）路由发现延迟

缺点 没有节点睡眠 开销：多数路由信息从不使用

• 能耗、 带宽、增加网络拥挤度。。等等

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优化的链路状态路由协议（ OLSR）

Optimized Link State Routing Protocol 先应式的链路状态路由协议 是对常规表驱动协议的改进

• 链路状态更新消息分组变小（只包含某节点的邻居节点的一个子集）

• 网络中链路状态更新消息广播产生的通信量减少（只有 MPR节点才会重传该分组）

• 存储空间要求降低 继承了链路状态协议的稳定性，同时最小化了报文转

发前的等待时间。 优化基于多点中继的概念

RFC3626

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基于拓扑广播的逆向路径转发（ TBRPF ）

Topology Broadcast based on Reverse-Path Forwarding本质上是一种 LS( 链路状态 ) 协议 协议组成

• 邻居发现模块• 路由模块

与传统链路状态协议的差别• 拓扑更新消息更小• 路由开销更少• 更适合拓扑迅速变化的无线网络

RFC3684

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按需（ on-demand ）路由协议

反应式（ reactive ）路由 在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由

• 控制信息采用泛洪（ flooding ）方式• 路由请求延迟高• 路由开销低

两种实现技术• 源路由（报文头携带完整的路由信息）• hop-by-hop 路由

DSR 、 AODV

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AODV 路由协议 Ad hoc On demand Distance Vector routing

AODV 是 DSR和 DSDV 的综合• 借用了 DSR 中路由发现和维护的基础• 采用 DSDV逐跳（ hop-by-hop ）路由

序编号和路由维护阶段的周期更新机制 使用分布式的、基于路由表的路由方式 使用三个主要消息

• 路由请求 (RREQ ： Route Request)

• 路由应答 (RREP: Route Reply)

• 路由出错 (RRER: route Error)

RFC3561

Charles E. PerkinsElizabeth M. Belding RoyerSamir R. Das1994 年

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动态源路由协议（ DSR ） Dynamic Source Routing protocol

基于源路由概念的按需自适应路由协议 允许节点动态发现到任何目的地 source route 中间节点不必存储转发分组所需的路由表信息 采用 Cache 存放路由信息 允许网络完全自组织和自配置 因其简单而有效成为一个重要协议 网络开销较小 存在陈旧路由信息

Draft-ietf-manet-dsr-10.txt

David B. JohnsonYih-chun HuDavid A. Maltz

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DSR 协议假设 所有节点都愿意参与协议工作。。。合作型节点 节点收到损坏分组时能检测出来并丢弃 节点的移动速度相对于分组的传输延迟以及底层网络硬件

的传输范围来说相对温和 节点的无线网络接口硬件可以 promiscuous 方式工作

接口将收到的每个帧都上交给驱动器软件而不会针对目的地址进行过滤

节点间的无线通信能力可不同 可支持 Uni-directional 链路

每个节点只能宣称一个 IP 地址 Home address

为减少为此带来的能量消耗DSR 可周期性地进入该模式

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DSR 协议描述DSR 协议由两部分组成

Route discovery

• 由一个想要象一个目的节点 D 发送数据的信源 S激活；• 此进程只在 S需要发送数据并且不知道到 D 的路由时才启动；

Route maintenance

• 节点 S 在给 D 发送数据时要能检测出由于网络拓扑动态变化导致源路由中断的情况；

• 当前的源路由不能用时 S切换到另一条已知的路由或者重新发起 route discovery寻找新路由

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按需操作的优点

路由发现和维护都是按需进行的 不需要周期性地通告

路由 不需要时时感测链路

状态 不需要时时邻居检测 不依赖于任何底层链

路协议

按需操作和没有周期性通告的优点 DSR 的开销在网络中多数节点相对位置近似不变的情况下接近 0

随着节点的移动模式的变化， DSR 的路由开销和当前路由使用状况有关

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DSR 的多路径思想多路径获得的途径

作为 route discovery 的响应 Overheard 到其他路由控制包和数据包中的路由信息 为任何目的地缓存多条路由

多路径的作用 如果正在使用的一条路径中断，节点可立即切换到另一条缓存的路由

多条路由的缓存可避免每次路由中断后执行 route discovery

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DSR 的单向链路支持能力 DSR支持单向链路和非对称路由

天线不同 传播模式不同 干扰源不同

DSR支持不同类型无线网络的互联 有的节点使用短程无线电 有的节点使用长途无线电 DSR 将所有的节点都看成是一个 ad hoc 网络中的节点

DSR 路由可集成到标准 Internet 路由中； DSR 路由可集成到 Mobile IP 路由中

提高网络的整体性能和网络连通性

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基本 route discovery S源节点 A将路由请求（ Route Request）消息作为局部广播分组发送 Route discovery的发起者 A Route discovery的目标 E Request id List(初始为空 )：用来记录路由发现包经过的节点

所有位于 A无线传输范围内的节点都将收到该路由请求包

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基本 route discovery （续）

如果目标节点 E 收到该请求包，给请求源A 回答一个 ROUTE REPLY消息 List ：拷贝自 ROUTE REQUEST

路由发现源收到 ROUTE REPLY消息后在本地 Route Cache 中缓存路由信息

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基本 route discovery （续）重复请求包的检测

如果中间节点收到了来自同一个源（ A ）请求 id 相同的请求包

如果中间节点收到的请求包中路由记录已经包含本节点

则中间节点丢弃该请求包中间节点对于未处理过的请求包

将自己的地址填入请求包的 list位置 将该请求包作为本地广播分组发送给邻居

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基本 route discovery （续） 无穷迭代的路由发现过程

如果目标端在 route cache 中没有找到去往路由发起端的路由信息，并且网络存在单向链路

则需要发起新一轮 route discovery 过程 DSR 规定目标端（ E ）可使用 ROUTE REQUEST消息中

记录的路由作为返回的 ROUTE REPLY 的源路由；

DSR 规定目标端在发起逆向返回到源端的新一轮 route discovery 时，在 ROUTE REQUEST 中“捎带” ROUTE REPLY消息；

首选逆向路由可避免有可能的第二次路由发现过程带来的开销

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数据分组的发送缓冲区 Send buffer

在节点未知某个目标节点的路由而发起 route discovery 过程时，将所有拟发往该目标节点的数据分组缓存起来；

采用指数后退算法延迟 route discovery 过程 节点针对 send buffer之中的每个数据报不时发起路由

发现； 为减少路由发现的开销，使用指数后退算法限制针对同

一个目标的路由发现过程； 如果数据报的发送频率高于路由发现的启动频率，则随后的数据报缓存在 send buffer；

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基本 route maintenance 路由的维护

每个节点确保使用源路由发送 /转发分组，使得该分组被路由中的下一跳接收；

如果没有收到下一跳的确认则不断重发（至最大重试次数） 如何确保数据报正确接收

链路级的确认（ IEEE 802.11 ） 被动确认（ B侦听 C 向 D转发）

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基本 route maintenance （续） 如果数据分组被重发了最大次数仍然没有收到下一跳的确认，

则节点（ C ）要向分组的源端发送 ROUTE ERROR消息，并指明中断的链路；

分组的源端（ A ）将该路由从路由缓存中删除； 如果源端路由缓存中存在另一条到目标的路由则重发此分组； 否则，重新开始 route discovery 过程；

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路由发现的其他特点

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路由发现的其它特点（续）

缓存侦听获得的路由信息（与前面类似） 如果 C 与 X 的链路是双向的，则可缓存路由信息

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路由发现的其他特点（续） 使用缓存的路由响应 ROU

TE REQUEST

收到路由请求包的中间节点可用自己 route cache 缓存的到目标节点的路由信息应答路由请求；

ROUTE REPLY 中的路由记录 =ROUTE REQUEST 中的 list + 缓存的路由

在返回 ROUTE REPLY之前要检查是否存在路由环路

结果路由包含：… C→F → C → D → E ，因此 F丢弃该路由请求包不予响应

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路由发现的其它特点（续）ROUTE REPLY风暴

节点广播一个针对某目标端的路由请求，当其邻居的 cache 中都有该目标端的路由时，每个邻居都试图以自己的缓存路由响应，由此造成应答风暴；

风暴将浪费网络带宽风暴将加剧局部网络冲突

A

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路由发现的其它特点（续）预防 ROUTE REPLY风暴 节点将网络接口置于 pro

miscuous 接收方式； 延迟发送 ROUTE REPLY；

同时侦听路由请求端是否在用更短的路径发送；

D 的路由表

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路由发现的其它特点（续） ROUTE REQUEST 的跳数限制

ROUTE REQUEST消息中的 hop limit字段限制了转发该路由请求消息的中间节点数量；

非传播 ROUTE REQUEST消息 Hop limit = 0 可用来确定目标节点是否在路由发现发起端

的邻居； Hop limit = 0 可用来确定路由发现发起端的邻居是否有缓

存的路由； 如果在一定的时间间隔内没有收到 ROUTE REPLY消息，

则采用广播 ROUTE REQUEST消息；扩展环搜索 (expanding ring search)

逐步递增 hop limit 的值

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路由维护的其它特点营救 (salvaging) 分组

如果节点在自己的缓存路由中发现有到目标的路由，则在报告 ROUTE ERROR之后努力营救分组；

两种方式• 将分组的源路由替换成缓存的路径；• 保留分组源路由的前缀，用缓存的路由替换分组源路由的后缀；

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路由维护的其它特点（续）路由最短自动化

数据分组使用的源路由在一个或多个中间节点不需要时能自动实行路由最短化

节点给数据分组的源端发回一个免费的 ROUTE REPLY消息

A BC

U V

D

C 侦听到 A 发到 D的消息，发现自己的加入可以缩短路

径

Route Reply

C 可以请求把自己加入到路径中

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路由维护的其它特点（续） 增加 ROUTE ERROR消息的扩展范围

当一个节点收到 ROUTE ERROR而本地 cache内没有第二条路由时，要发起新一轮的 ROUTE REQUEST；

新 ROUTE REQUEST消息“捎带” ROUTE ERROR消息内容以便通告所有邻居某个特定链路中断情况；

由此保证之后收到的 ROUTE REPLY 不是原来的过时路由

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路由维护的其它特点（续） 缓存否定信息

节点收到 ROUTE ERROR后不是简单地删除该路由，而是将特定链路中断信息缓存一段时间；

随后收到的所有包含该中断链路的路由都很容易判断为不可用；

缓存的链路中断信息必须超时删除，以便在该链路恢复工作时可用；

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DSR 协议优点

节点不需要周期性地发送路由广播分组 无须维持到全网所有节点的路由信息

节省了电池能量和网络带宽，尤其是当没有节点要发送数据时，网络中没有通信开销。

仅需要维护路径上节点之间的路由 能完全地消除路由环路 能同时提供多条路由 可用于单向信道 中间节点的应答使源节点快速获得路由

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DSR 协议缺点

会引起过时路由 (outdated routes) 问题每个分组都需要携带完整的路由信息

造成开销增大降低了网络带宽的利用率 不适合网络直径 (network diameter) 大的自组

网 网络可扩展性不强

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分级路由协议

分级路由协议 一些节点组成一个 cluster 或者 zone

这些 cluster 或者 zone 可组成较大的 supercluster 或者 superzone

Cluster和 zone 的不同• cluster内所有节点都与 cluster head 直接通信，

cluster内节点间的通信一般是两跳。• zone 的大小没有限制， zone内节点的通信可多跳。

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分级路由协议概念

无线分级路由的基本思想 把节点划分为不同的 cluster/zone ，并对内外

节点指定不同功能设计目的

减少参与路由计算的节点数，降低交换路由信息的通信开销，缩短路由表的长度和维护开销。

通过分区策略产生较为稳定的子网，减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响

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分区路由协议（ ZRP ）

Zone Routing Protocol

zone 的划分• 整个网络被分成若干个以节点为中心、一定跳数为半径的 zon

e；• zone内节点数与设定的区半径有关

路由策略• 混合使用了主动和按需源路由策略• 域内的节点通信使用域内路由协议• 跨域节点通信使用域间路由协议

Draft-ietf-manet-zone-zrp-04.txt

ZRP 的区重叠程度很高许多节点同时属于多个区每个区的半径由用户设定

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域半径和路由域

域半径 (zone radius)

指定每个节点维护的域，以跳计数；

路由域 (routing zone)

所有包含在域半径内的节点边界节点 (peripheral/border)

最小距离正好等于域半径的节点

相邻节点的路由域是重叠的

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域路由构架 区内路由协议（ IARP, IntrAzone Routing Protocol ）

采用传统的主动路由法 支持距离向量和链路状态两种路由策略 节点之间通过周期性地交互路由表获得到 zone内各节点的最新路

由 区间路由协议（ IERP, IntErzone Routing Protocol ）

采用按需路由协议 负责寻找区外节点的路由

边界传播协议（ BRP, Bordercast Resolution Protocol ） BRP 协议使得路由查询分组只在边界节点之间广播

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域路由构架（续）

BRP (Bordercast Resol

ution Protocol) 使用 IA

RP提供的拓扑信息组播路由查询包到外围节点

Bordercast 接收者再进行边界广播查询到自己的外围节点，直至发现一条到目标的路由。

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优化域半径

随着域半径的增加 主动 (IARP) 通信增加

反应 (IERP) 通信减少可用拓扑信息带来的好处决定着域半径的优化

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域内路由协议 (IARP)

IARP采用主动策略维护本地路由信息；

构造路由域的前提是了解自己的邻居 通过 MAC 协议 通过邻居发现协议 (NDP)

每个节点给域内一些节点发送“ zone building packets” 使得节点了解自己的发送域

每个节点将路由更新包的 TTL 设置为域内最远节点的距离

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Bordercast Resolution Protocol (BRP)

BRP 与标准基于广播路由发现的差别 BRP允许路由查询直接发往外围节点

再广播节点 (rebordcast node)

在向外围节点广播路径上离源节点最近的节点（这种节点的路由域超出源节点的路由域）

转发节点 (forwarding node)

任何位于源节点和再次广播节点之间的任何节点

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边界广播机制源节点 S构造自己的边界广

播树 S根据未覆盖的外围节点选

择再广播节点 S 通过转发节点发送查询包

给再广播节点 再广播节点收到查询包后自

己就变成边界广播节点重复上述过程

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域间路由协议（ IERP ）

Interzone Routing Protocol 域间路由发现基于 BRP

按需发现全局路由 当目的地不在域内，且没有路由时执行路由发现进程

• 数据报源产生一个路由查询包• 该查询包被边界广播算法确定的一组节点中继• 收到查询包的节点检查目标节点是否在自己的路由域中，或者本地路由 cache 中是否存有目标路由信息

– 有则返回一个路由响应包给源端– 没有则继续执行边界广播查询

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ZRP 路由实例

假设域半径是 2

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ZRP 路由实例（续）

•如果目的节点不属于 Z(S) ，则源节点 S 发路由请求给本域的边界节点；

这些节点在各自的路由域中查找是否有到目的地的路由；

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ZRP 路由实例（续）

• 如果目标节点在某个边界节点的区中，则该边界节点给源节点 S 发送路由应答消息。

• S 在可能的多个路由应答消息中选择一条最短路由。

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ZRP 的路由维护策略

采用混合方式域内路由的维护

周期性地交换路由信息 域间路由的维护

当链路断开时，节点可以通知源节点； 或者进行局部查找路由，方法与域间路由协议

中的路由查找相同，只是查找的范围较小。

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ZRP 的路由总结

只允许目的域内的节点应答，延长了源节点获得路由的时间；

需要周期性地域内广播控制分组，需要消耗一定的电源能量和网络带宽；

路由域半径的设置将直接影响路由的效率。

只允许目的域内的节点应答，延长了源节点获得路由的时间；

需要周期性地广播分组，需要消耗一定的电源能量和网络带宽；

路由域半径的设置将直接影响路由的效率。

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ZRP 体系结构

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ZRP 总结

混合的独立域路由框架支持节点非统一的独立配置；

每个节点可动态自动配置自己的优化域半径； 能适应网络的时空特性，改进效率； 自适应的架构重构能力使得在网络特性的变化方面更加鲁棒

自适应、有效以及鲁棒性使得协议具有很好的扩展性；

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地理信息辅助路由协议

LAR ： Location-aided Routing in Mobile ad hoc networks

GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for Wireless Networks

GeoCast: Geographic Addressing and Routing

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MANET 与其他网络的互联形式多个同类 ad hoc 网络的互联

为分散在不同地理位置上的移动用户提供协同通信和信息共享能力

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MANET 与其他网络的互联形式（续）

Ad hoc 网络与有线网络 / 无线网络的互联此时 ad hoc 网络通常作为末端子网使用

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MANET 与其他网络的互联形式（续）通过隧道方式进行网络互联

将不同地理位置的 Ad hoc网络通过隧道方式组成更大“ ”的 虚拟 ad hoc网络

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MANET 网络互联面临主要问题两个主要问题

寻址• Internet 中的 IP 地址是分层的，包括网络地址和主机地址；通常采用网络寻址的方式；

• Ad hoc 网络中的 IP 地址不具备层次特点；只能采用主机寻址的方式；

路由• Internet 路由体系采用主动路由，通过检查网络前缀判断目标是

否存在；

• Ad hoc 路由采用反应式策略，不能根据路由表判断目标是否存在；

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基于移动无线路由器的互联方案 移动无线路由器

具备多个有线 / 无线收发装置

具备移动特点； 支持 ad hoc 路由协议 支持 Internet常规路由

协议

路由器维护本地移动节点的路由 利用 mobile IP支持移动节

点的漫游• 移动路由器充当 HA/FA

通过隧道技术利用有线网络互联多个 ad hoc 网络 移动路由器是隧道的入口 /

出口

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基于 mobile IP 的互联方案

直接采用 mobile IP 的问题多跳通信的影响

• Mobile IP假设 MN 与 FA 一跳可达；• 移动节点与充当 FA 的节点需要借助多跳完成通信；• Mobile IP 的控制消息只在本地广播；• Ad hoc 网络只能全网广播、控制广播的频率；• Mobile IP 可通过链路层机制判断 FA 是否可达；• Ad hoc 必须借助路由协议才能判断 FA 是否可达

（检测自己的移动）；

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基于 mobile IP 的互联方案（续）直接采用 mobile IP 的问题

按需路由协议的影响• Mobile IP 中 FA周期广播通告消息声明自己的存在；• Ad hoc 中的广播会增加网络开销；• 移动节点又需要及时了解 FA 信息；• 。。。。。。

MIPMANET (Mobile IP for Mobile ad hoc network)