无线Mesh网络中网络编码感知路由技术研究

谭会君 左晓静

（漯河职业技术学院 信息工程系，河南 漯河 462002）

无线Mesh网络中网络编码感知路由技术研究

谭会君 左晓静

（漯河职业技术学院 信息工程系，河南 漯河 462002）

随着计算机网络日新月异的发展，网络的传输方式已经从有线网络发展到无线网络，网络编码的出现加快了网络发展的速度，更是将通信网络中的信息传输方式彻底改变。由于无线网络物理层的广播特性，因此比有线网络更适合用于编码。无线网络的吞吐量通过将无线信道的广播特征和网络编码结合运用就可以得到提高，也因此网络编码是无线网络中的重点组成部分，具有重要的研究价值。

无线Mesh网络；网络编码；路由

一、无线Mesh网络路由技术分类概述

无线Mesh网络路由以路由建立的方式为依据，将其分为了五大类，即基于网络编码的路由、机会路由、反应式路由、先应式路由和混合路由。［1］

（一）先应式路由简述

先应式路由包括目的序列距离矢量路由、优化链路状态路由和无线路由协议等。即表驱动路由，使用先应式路由，网络世界里所有节点的路劲信息都可以被每个节点维护的表格所记录。在网络拓扑发生变化时可以通过某一节点向其他节点发送信息，促使其他节点收到信息后可以及时准确地更新节点中表格内容。但由于先应式路由并不是单一的，因此网络中对于经由先应式路由传播的拓扑更新信息的传输方式、存储信息的表格类型及格式都存在着多样性。先应式路由的优点在于源节点发送数据时能选择传输最快速的路径，其原因在于先应式路由并不考虑网络中的业务流量因素，导致资源耗费过大。

（二）反应式路由简述

常见的反应式路由有按需距离矢量路由AODV路由、动态源路由和动态按需路由。反应式路由不同于先应式路由，需要一直开启大量的传输路径保持最快速的数据传输速度，它只有在需要发送数据时才会启动相关的路由发现进程，因此不会给网络带来承重的负担，还因此具备节能的优点。但同时也由于反应式路由运作的特点，其缺点在于路由建立时需要花费不必要的时间，拉长了数据发送的时间长度。

（三）混合路由简述

常见的混合路由有区域路由协议、Mesh路由协议和混合无线Mesh路由等。由于先应式路由和反应式路由都有其明显的优势和劣势，因此混合路由是作为综合了它们优势的存在，多用于分簇和分区域的无线Mseh网络。鉴于簇间和簇内的数据传输频繁发生，为了更好地进行数据发送，混合路由多是采用先应式路由进行簇内数据传输，而簇间数据传输则采用反应式路由的方式。

（四）机会路由简述

典型的机会路由有ROMER、ExOR和SOAR。而前文所介绍的先应式路由、反应式路由和混合路由因其在数据发送的全过程中一直按照既定路径进行传输，因而被称作确定性路由。鉴于确定性路由数据发送过程中的既定原则，Biswas等人提出的机会路由的概念，创新了数据在节点中传播路径的最优选择方式，路由性能也得到了有效的提升。但时下路由性能仍然受到其下跳节点复杂的选择机制所影响，因而影响了路由性能的全面发挥。

（五）基于网络编码的路由简述

典型的基于网络编码的路由主要有MORE、COPE和DCAR等，其运作原理是将路由与网络编码结合后，通过将网络吞吐量提高和数据传输次数的减少进行运作，并将路由协议的性能提高。基于网络编码的路由技术是本文的重点研究内容之一，将在下文展开详细论述，故而此处暂且不提。

二、无线Mesh网络路由度量

有线网络中的链路因为具有高质量、受干扰较少和较少丢失数据的优点，常以单跳往返时间、单跳包对延时和跳数作为路由度量，并以此作为评价路径和链路性能的依据。与有线网络具有高度稳定性不同的无线网络，因时变性是无线信号的特性以及无线信道的开放性，使得数据在传输中使用的节点不仅容易被干扰，而且信号质量无法达到长期稳定的状态，因此使用无线网络传输数据时无线链路的分组时常出现丢失。

（一）跳数选择

Mesh网络中跳数相对较大的路径可以降低丢包率，还能缩短单跳链路的距离，因而能够提高路径的性能。但跳数在路由度量中没有考虑到节点带宽是一大缺陷，应该给予改良。以HOP度量为例，该路由度量具有操作简便的优点，适合用于拓扑频繁变换的Ad boc网络和有线网络。HOP度量是通过计算经过路径上的所有节点从而选择出最小的路径作为路由，但也因此，HOP度量应用在无线Mesh网络中会降低其性能。

（二）采用RTT值计算单跳往返时间

相邻节点间的单播数据包的往返时间可以使用RTT进行计算［2］，计算RTT值需要在源节点处以周期性向邻居节点发送携带时间信息的单播探测报文；而邻居节点则需在收到携带时间信息的探测报文的第一时间里向发送节点返回，从而计算它们之间的RTT值。节点的RTT值使用指数加权的方法计算是为了保证RTT值的稳定性。RTT值的计算存在着一定的缺陷，其一是计算时占用一定的网络开销；其二是节点的传输速率没有被考虑；其三是由于独立于负载的计算会引起网络不稳，形成自干扰现象。

（三）单跳包对延时

单跳包对延时指的是发送节点每隔一段时间向相邻节点发送一对连续探测包所需要的时间。一般来说，发送节点所发送的探测包第一个要比第二个小，等它们到达后，由邻居节点计算完所需的时间差，再使其返回发送节点，计算的方法一般是采用指数加权方法，目的是为了提高计算的精确度，并且选择作为路由的是单挑报对延时和的最小路径。因为单跳包对延时中两节点经历的队列延时相同，因此队列延时不会对其造成影响。因为单挑包对延时的开销不低，因此能够具有较好的链路传输速率和带宽，但仍然时不时地出现自干扰的问题。

（四）ETX与期望传输次数

ETX值的计算需要通过在链路层发送单播包才能准确计算［3］，同时802.11协议是ETX值计算所采用的。当邻居节点收到数据包后进行回复，使得发送节点收到回复报文，即代表这个数据包完成了一次成功传输过程。据此做一个假设：邻居节点无法接收发送节点的失败概率假设为pf，而发送节点无法接收到接收节点回复的传输失败率假设为pr，以及发送节点到接收节点的丢包率假设为pf，则存在：

由于数据传输存在一定的失败率，因此将发送节点进行重新传输的次数假设为k，则数据成功传输的概率是：

也因此进行ETX计算时可以得出所需要的期望传输次数，即数据包成功从发送节点传输到

节点之所以周期性发送包含了从前在邻居节点得到的反馈信息的广播探测包，目的就是为了能够更精确计算出ETX值，并且ETX值和正、反链路的丢包率都可以以广播探测包为基础进行计算。使用ETX计算由于不考虑延时，所以不会出现自干扰现象；但由于探测包小、发送速率小，以及数据传输速率和链路负载等因素不被ETX考虑在内，因此实际计算得到的链路丢包率并不完全贴合实际的网络情况。

（五）期望传输时间

Draves等针对传输速率和链路带宽没有被ETX考虑在内的情况，提出了路由度量ETT，即数据包成功在链路中传输的期望传输时间，并由此进行假设ETT的计算公式：数据包大小假设为S、链路带宽假设为B，则有下列公式：

（六）加权累积期望

路由度量里，WCETT在传输数据包时考虑到了多接口和多信道的无线路由，因而做出了以下的假设公式：

WCETT主要包括路径的ETT值和干扰情况。由此得出了下列公式，而且［0，1］是其取值区间，调节因子是参数刀。

公式（2-6）反应的是前后链路在路径中存在的干扰状况计算公式。多接口多信道的无线网络为了避免出现前后链路形成自干扰现象，多会采用一条路径上的链路使用不同信道的方式，即链路ETT值的和在使用信道时最小，对链路的干扰状况则会处于最小的概率。

三、网络编码技术在路由算法中的优势

通过结合网络编码技术的原理进行路由计算，网络编码的优势主要体现在网络吞吐量、网络负载、带宽、数据传输次数，以及网络传输的可靠性和安全性。

（一）基于网络编码提高网络吞吐量

为了解决传播速率在实际上无法达到最大速率最小割的理论上界，因此提出了网络编码，使得一个数据包在传输时，里边可以包含多个数据包的内容，从而有效地提高了网络吞吐量。根据网络吞吐量的实质，假设单位容量在网络中所有链路里都存在，则源节点有限域空间的大小假设为|F（q）|，网络中节点数目假设为|V|，则通过使用网络编码的组播理论吞吐量是组播路由的网络吞吐量的|F（q）|（log|V|）倍。

（二）基于网络均衡的网络负载

路由算法使用网络编码后，网络中的数据流量能够更大范围地得到流通，组播传输的流量分布不再此消彼长，疏通了网络的使用状况，减少了干扰堵塞的情况出现，从而均衡了网络负载。

（三）单一数据传输多重信息量，节省带宽消耗并提高利用率

基于网络编码进行数据传输，可以在一个数据包里包含多个数据包的信息量，减少了反复使用节点的频率，从而减少了带宽的消耗并提高了其利用率。

（四）数据传输次数少，效率提高

自从数据传输使用了网络编码以后，尤其是在无线网络环境之中，数据包传输时不仅可以一次性增加传输的信息内容，同时还能减少多次往返的传输次数，因此可以尽可能地避免出现网络干扰现象，使得传输效率得以有效提高。

（五）可靠性提高

数据包传输在使用网络编码后，因其数据包内包含多个原始数据包的信息，因此不需要像往常一样由于在传输过程中发生了数据包丢失的事情而需要源节点进行数据包重新传输。基于网络编码进行数据传输增加了传输的可靠性。

（六）提高网络安全性

使用网络编码进行多个数据包同时传输，使得监听者在解密的过程中尤为困难，也因此可以保证数据传输时的安全性。

综上所述，无线Mesh网络中使用基于网络编码的感知路由可以进一步地推动网络安全平稳发展。但由于目前编码感知路由的研究多处于理论阶段，实际运用在网络世界的仍然比较少，因此还不能完全发挥网络编码在无线Mesh网络中的真正优势。本文就无线Mesh网络编码感知路由技术进行研究探讨，希望能够起到对该技术的推广作用。

［1］熊志强，黄家庆，刘威.无线网络编码综述［J］.计算机科学，2007，4（1）：6-10.

［2］董赞强，沈苏彬.网络编码研究综述［J］.南京邮电大学学报（自然科学版），2012，（3）：66-75.

［3］张勇，郭达.无线网状网原理与技术［M］.北京：电了工业出版社，2007：7-12.

TN929.5

A

1671-2862（2017）03-0097-03

2017-02-26

本文系2016年度河南省教育厅课题“发达国家教师教育制度对我省的借鉴与相关比较研究”（课题编号：2016-JSJYYB-193）的研究成果。

谭会君，女，河南漯河人，硕士研究生，漯河职业技术学院讲师，研究方向：网络技术；左晓静，女，河南漯河人，漯河职业技术学院讲师，研究方向：网络技术。