水下通信移动自组织网路由协议分析研究

Ship Electronic Engineering

舰船电子工程Vol. 37 No. 3

93

水下通信移动自组织网路由协议分析研究$

姚文明金晓宇邓荣

(海军蚌埠士官学校兵器系蚌埠233012)

摘要针对当前点对点的小范围通信无法满足水下运动载体编队间通信需求的问题,研究了适合水下通信网络的 移动自组织网(MANET)及其特点，分析了可用于水下运动载体编队多节点通信网络的路由协议，研究表明无线自组网按 需平面距离向量路由协议(AODV)适用于水下通信自组织网。

关键词水下；MANET;路由协议中图分类号

TN915 DOI：10. 3969/j. issn. 1672-9730. 2017. 03. 023

Analysis of Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks

in Underwater Communication

YAO Wenming JIN Xiaoyu DENG Rong

(Department of Weaponry, Navy College of Petty Officer, Bengbu 233012)

In order to solve the current problem that point-to-point communication of a small range cannot meet the

needs of communication between the underwater motion vector formation, this paper analyses the mobile ad hoc networks (MANET) which is suitable for underwater communication networks and its characteristics, the routing protocols that may be used for multi node communication network of the underwater motion vector formation is also analysed. The results show that the Ad hoc on-demand distance vector routing (AODV) is applicable to underwater communications networkKey Words underwater, MANET, routing protocol Class Number TN915

Abstract

i

引言

近年来，随着海洋监测、资源勘探及海防的发

但还有很多技术问题亟待解决。论文针对水下

MANET展开研究，在系统研究其特点的基础上， 分析水下MANET的网络结构和路由协议，为后 期水下组网通信技术研究提供思路。

展，水下编队已成为执行复杂任务的重要形式，然 而受水下复杂环境所限，目前水下通信仍旧大多采 取点对点式通信，通信范围窄、组网能力差、抗干扰 能力弱等问题不同程度地影响着通信效果，使其难 以满足水下编队通信需要，迫切需要研究和建立水

下通信自组织网。MANET是由一组移动节点形 成的一个多跳的、临时性的自治集合，具有无固定 中心、自行组织、多跳路由、可独立组网、节点运动 等特点，它不需要有线基础设备的支持，通信距离 远、抗干扰能力强，可按需快速展开，可通过自由组 网实现通信。国内外已有水下环境下相关研究，以 期解决当前水下通信面临问题，虽取得一定成果，

收稿日期=2016年

2

MANET

一般的通信网络都是有中心的，如蜂窝移动通

信网络、WLAN等。蜂窝移动通信网络的移动终 端和固定基站互相通信，移动终端不具备路由功 能，基站负责路由和交换功能并充当接入有线网络 的网关。WLAN的移动节点配备无线网网卡，通 过接入点与固定网络连接，对网络层来说WLAN 是一个单跳网络。它们必须基于预设的网络设施 才能运行。MANET由一组带有无线通信收发装 置的移动终端节点组成，网络中每个终端可以自由

9月11日，修回日期=2016年10月29日

作者简介:姚文明，男，硕士研究生，助理讲师,研究方向：水下通信与光电技术。

94姚文明等:水下通信移动自组织网路由协议分析研究总第273期

移动、地位相等，是一*个多跳、临时、无中心的网络， 无需基础网络设施，可以根据任务需求简单快速地 在任何时间、任何地点完成构建[1]。与蜂窝移动通 信网络等常规移动通信网络比较，MANET不依赖 基站进行通信，采用分组交换机制，以数据通信业 务为主，拓扑结构动态变化。与WLAN等结构复 杂的传统固定网络比较，MANET网络规模相对较 小，拓扑结构简单且快速变化[2]。

结构的变化，维护网络拓扑的链接，并且具有高度 自适应。

MANET网络中节点动态变化且任意分布，节 点间通过无线方式互联，节点既是通信的主体又充 当路由器的角色。这种特性能够保证移动性很强、 拓扑经常变化的突发通信。在水下环境中，蛙人、 UUV、AUV以及水下潜艇与舰艇之间若要建立有 效通信链接，基本上没有基础设施可以依附，节点 随机运动，拓扑结构变化较大。MANET理念满足 水下通信组网的要求。

3水下MANET需要解决的问题

实现水下MANET的关键技术有路由协议、 服务质量、功率控制和安全问题等，其中最主要的 便是选择适合水下通信环境的网络结构和路由协 议，以控制开销、减小网络延时等。这是保证完成 通信任务、确保通信质量的基础。3. 1 MANET网络结构

MANET在网络结构上主要存在两种形式:分 层分布式结构和平面式结构。分层分布式结构中 (图1)，网络节点按照层次被分为簇首和簇成员， 相同层次的簇首之间可相互联系，每个簇首拥有属 于自己的多个簇成员，簇成员之间可相互联系，但 不同簇首下属的簇成员之间无法直接联系，必须通 过上层簇首转发信息，这种结构中节点间地位不平 等，且网络算法复杂度会根据网络层数的增加大大 提高;平面式结构中(图2)，网络中所有的节点地 位平等，节点功能完全相同，节点间通过自由竞争 通信，算法复杂度相对于分层分布式结构较低，允 许其他自由节点随时加入网络，并能方便快速地将 加入的自由节点纳入网络体系中。平面式网络结 构是一种对等式网络结构，其节点用户的平等关系 使得网络结构算法简单易行。由此可见，平面式结 构更适合于水下MANET通信需要。3. 2 MANET路由协议

MANET为多跳通信网络，发送节点和目的节 点可能不在相互的传输范围内，需要其他节点充当 路由器承担转发工作，节点移动时要及时发现并更 新路由信息。路由协议需能够及时感知网络拓扑

MANET要求在无网络基础设施的支持下，完 全由移动节点自行构建网络，并能在节点移动、节 点加入或离开、网络拓扑结构发生变化后快速重建

网络。由此可以看出路由协议的选择对于MA- NET尤为重要，路由方案的好坏将对整个网络性 能的优劣产生极其重要的影响。

目前，适用于水下MANET的路由协议可以 分为表驱动路由协议(主动路由协议)和按需路由 协议两类[3]。

3. 2. 1 表驱动路由协议

表驱动路由协议亦称为先应式路由协议。顾 名思义，表驱动路由协议指的就是网络中的每个节 点都存储了一张路由表，该路由表中存储了该节点 到达网络中所有其他节点的路由路径信息，当节点 有数据需要发送到目的节点时，该节点便可以在所 存储的路由表中快速找到合适的路由路径，该路由 协议的特点是分组延迟小。节点存储的路由表信 息会因节点的加入和离开或网络拓扑的变化而部 分失效，为了保证路由信息的准确性，表驱动路由 协议通过周期性的广播路由信息分组以更新路由 表信息，这样虽然做到了路由表信息的更新可以满 足网络变化的需要，但是需花费较大的开销[4]。3. 2. 2按需路由协议

按需路由协议包括路由发现和路由维护两个 过程。在这种类型的路由协议中，每个节点并不保 存及时准确的路由信息，仅当源节点需要向目的节 点发送数据时，才在网络中开始进行路由查找，在 检验完所有可能的路由路径或者找到新的路由后

2017年第3期

舰船电子工程

95

结束路由发现过程，继而按照建立起来路由发送信 息，并通过路由维护保持这条路由的通畅[5]。

按需路由协议的优点是不需要周期性更新，拓 扑结构和路由表内容按需建立。这样就降低了控 制开销，节省了一定的网络资源。但是当没有去往 目的节点的路由而必须建立新路由路径时，路由发 现将以增加组网延时为代价。

的路由存储器中移去包含该链路的路由并向源节

点返回一个路由出错信息RERR。源节点收到 RERR后，触发一次新的路由发现M。

DSR协议中数据分组自身携带从源节点到目 的节点的路由信息，无需转发分组的中间节点存储 路由信息，这是动态源路由协议的最大优点。同 时，由上述分析可知，DSR协议中节点仅需要维护 表1

表驱动路由协议与按需路由协议的比较

议类别

性能特

表驱动路由协议按需路由协议

路由信息的可行性总是可行

需要时可行周期性路由更新需要周期性路由更不需要周期性路

新由更新

路由表维护

通过与其他节点交通过局部路由搜换信息进行维护索进行维护

控制开销表驱动路由协议的与节点的移动性

控制开销大于按需有关路由协议

适用性

适用于网络拓扑结适用于网络变化构变化慢的网络频繁的网络

耗电量与带宽开销大小

综合比较表驱动路由协议与按需路由协议的 优缺点（表1)，按需路由协议更适合应用于水下运 动载体编队。

4

典型按需路由协议

典型的按需路由协议主要有DSR(动态源路

由）协议、AODV(无线自组网按需平面距离向量路 由)协议等[6]。4. 1 DSR协议

DSR协议是一种基于源路由机制上的按需路 由协议DSR协议为每个节点分配一个路由存 储器用于保存路径。当源节点需要与目的节点通 信时，首先在存储器中查找是否有到达目的节点的 路由，如果有效路由存在，则经此路径发送数据;若 没有，则向所有邻居广播RREQ(Route Requst)， 以启动一个路由发现过程寻找可用路由，RREQ消 息从一个节点传输到另一个节点，直到RREQ消 息到达目的节点或存在到达目的节点路由的中间 节点时停止传输，这些节点需对RREQ做出应答 消息 RREP(Route Reply)，RREP 通过 RREQ 在 传输过程中节点间建立起来的反向路径进行传输。 当源节点收到RREP时，标志着路由发现过程结 束，此时便可以从源节点向目的节点传输信息。并 且每个节点都记录已经收到的请求信息，从而有效 防止同一请求信息的反复发送，进而减少路由建立 阶段的开销。在路由建立过程中，当中间节点检测 到通往目的节点的下一跳链路中断时，它将从自己

与之通信的节点的路由，减少了协议开销。4.2 AODV路由协议

AODV协议是一种需求驱动的路由协议[9]。 AODV根据业务需求建立和维护路由。在AODV 协议中，当源节点发送数据包或者转发数据包到目 的节点时，源节点检查路由表，如果有到达目的节 点的路由，那么直接发送数据。如果没有到达目的 节点的路由或路由表项已过期，那么源节点启动路 由发现过程[1°]。

在路由发现过程中，源节点广播路由请求分组 RREQ，收到RREQ的下一跳节点将根据RREQ 中所携带的路由信息，建立到源节点的路由并在路 由表中增加此路由条目，这条路由称为“反向路 由”，广播RREQ的源节点是反向路由条目的目的 节点。当RREQ发送到目的节点时，路由发现过 程结束，开始传输数据。否则将继续向周围节点广 播此分组，直到传输至目的节点为止。

图

3 AODV流程图

经过72个中间节点中继后，当目的节点收到

96姚文明等:水下通信移动自组织网路由协议分析研究总第273期

RREQ时，需向源节点以路由应答分组RREP形 式进行回复，RREP沿着反向路由向源节点传送， 传送过程中，收到RREP的节点建立到目的节点的 路由并在路由表中增加此路由条目，这条路由称为 “正向路由”。新路由建立的标志是源节点收到目 的节点的路由应答RREP，此时，数据便可通过这 条路由进行传送。

中间节点在传输过程中起到“接力”的作用。 但当中间节点检测到一条正在传输数据的活动路 源路由信息，只带有目的节点信息，这样会使路由

协议的开销小于DSR协议，带宽利用率得以提高， 减小网络延时(图4)。AODV协议集合了 DSR协 议中路由发现和路由维护及表驱动路由协议中设 定序列号和定期更新路由信息等优点。

综上所述，水下通信MANET适宜采用 AODV协议。

5

结语

由的下一跳链路断开或者节点没有去往源节点中 指定的目的节点的有效路由时，该节点向源节点单 播或多播路由错误RRER，当源节点收到RRER 后重新寻找其他路由。AODV通过周期性广播 Hello报文来监视链路连通性。Hello包只在相邻 节点间传播，通过节点有无收到Hello包判断是否 新建邻居条目和判断节点是否依然处于连接状态。 4.3 DSR协议与AODV协议的比较

DSR协议是一种简单而高效的路由协议，按 需更新路由信息，从而避免了在无数据传输时因周 期性更新网络路由信息而造成的不必要的开销。 同时DSR协议支持中间节点应答，使得存储器中 已有的路由资源得以利用，缩短了建立路由的时 间。

图

4 AODV与DSR网络延时比较

AODV协议和DSR协议同样按需更新路由信 息，在需要时才开始实施路由算法。与DSR协议 相比，AODV协议的好处在于数据分组中不包含

本文对MANET特性及可用于MANET的网

络结构、路由协议的类型和特点进行了研究，分析 表明MANET适合水下组网通信，AODV适宜作 为水下通信MANET的路由协议。

参考文献

[1] 张海忆，任重，孙杜娟，等.基于Ad Hoc网络的水下无

线通信技术研究[2] [J].电声技术，2015,4:54-57.

移动自组织网tp://www. chimdmd [EB/OL]. com/file/uw3siiauwazwoceaar6papw3 (2013-08-18) [2016-08-20]. ht­[3]_1. html.

孙长宇.无线Ad Hoc网络路由协议的性能分析与改进

研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.M代燕妮，张节群.AODV过程的OPNET仿真实现[J]. 科技信息，2011，[5] 1:67-68.赵健，孙俊锁.基于NS2的Ad Hoc网络路由协议仿真

与分析[6] AODV[J].鞍山科技大学学报，2007,30(2) : 160-163.路由协议在(2013-06-18) [2016-08-20]. Ad Hoc网络中的应用http[EB/OL]. ：//cisco,[7]com/others/811238. html. chinaitlab. .赵新伟，郑洪飞.Ad Hoc网络路由协议分析与仿真[J].计算机安全，Hoc2011，[8] 7:40-43.

郑创明.Ad 网络多目标发送的[J].DSDV路由协议

军事通信技术，2005，[9] 26(4) : 6-10.王霄峻，余旭涛.Ad Hoc网络路由协议[J].移动通信，[102004,28(13) ：] 15-19.金堂，李腊元.移动Ad Hoc网络中AODV路由协议

的改进与仿真34.

[J].武汉理工大学学报，2007，31 (1) : 1­