[发明专利]一种基于HWMP的网络编码感知无线Mesh路由协议

摘要

本发明提出了一种基于HWMP的网络编码感知无线Mesh路由协议CAHWMP；所述协议包括一个有网络编码意识的路由判据NCCa，该路由判据综合考虑了链路信道资源消耗和网络编码带来的资源共享增益；给出基于数据流路径的编码判据准则，及使用该准则的编码机会探测算法；设计CAHWMP协议的路径发现过程、路径回复过程以及路径维护过程，使其利用编码机会探测算法，主动的探测节点编码机会，并使用NCCa判据建立有较多编码机会的路径。所述CAHWMP协议能够发现更多的编码机会，进一步提高网络吞吐量、降低平均端到端延迟、提高数据包送达率。

主权项

1.一种基于HWMP的网络编码感知无线Mesh路由协议，其特征在于，所述协议使用有网络编码意识的路由判据NCCa，综合考虑链路信道资源消耗量和网络编码带来的资源共享增益；在路径发现过程中，所述协议主动探测节点的编码机会，并根据NCCa判据建立有较多编码机会的路径；具体方法如下：步骤A，基于数据流路径的编码判断准则；定义网络编码集合：设在节点v处，有若干数据流经此节点传输，数据流流经不同的路由路径，这些路由路径对应了n个由上一跳节点和下一跳节点组成的上下跳对，记为(prev_i，ext_i)，i＝1,2,…,n；如果这些数据流中的数据包在节点v处能够进行COPE机制编码，则称这n个上下跳对(prev_i，next_i)组成了一个编码集合；基于数据流路径的编码判断准则为：在节点v处，如果传输数据流中的数据包能够进行COPE机制编码，即对应的n个上下跳对(prev_i，next_i)能够组成一个编码集合，当且仅当这n个上下跳对(prev_i，next_i)满足任意一个上下跳对的下一跳节点next_i是其他n-1个上下跳对的上一跳节点prev_j，j=1,2,…,n且j≠i，或上一跳节点prev_j的邻居节点；所述节点v维护的路由表由若干到不同目的节点的路由条目信息组成，路由条目中的目的节点地址、目的序列号和目的PREQ ID用来唯一的标识一条路径，跳数域反映到目的节点的跳数信息，Metric域记录路径的有网络编码意识的空时链路判据NCCa，上一跳和下一跳记录该路径的上一跳和下一跳地址信息，生存时间反映该路径的可用的最后时间，重传次数和重传时间是为路由请求的重传设置的阈值，maxCa域记录了路由发现过程编码探测获得的maxCa值，路由标志有5种取值反映该路径不同的状态，只有标志为RTF_ACTUAL的路径是当前有数据流传输的路径；步骤B，建立有网络编码意识的空时链路判据NCCa；NCCa综合考虑链路信道资源消耗量和网络编码带来的资源共享增益，是有网络编码意识的空时链路判据；由路由发现过程找到的路径L上的链路1：（i，j）的NCCa(i，j)计算公式如下：其中，n_k，k=1,2,…,N,表示节点i处参与编码的原始数据包除节点j外的下一跳节点，N为除j外的其他下一跳节点的个数；Ca(i，j)是链路(i，j)的资源消耗量，Ca(i，n_k)是参与编码的其他原始数据包下一跳链路的资源消耗量，n_k≠j；C_a由IEEE802.11s标准定义；当节点i处没有编码机会时，NCCa(i，j)的值就是原本的链路资源消耗量Ca(i，j)；当节点i处有编码机会，并且路径(i，j)的链路消耗Ca(i，j)不是参与编码原始数据包下一跳链路资源消耗量的最大值，那么网络编码后编码包就可以共享有最大资源消耗的链路进行捎带传输，NCCa(i，j)的值为0；当节点i处有编码机会，并且链路(i，j)的资源消耗Ca(i，j)是参与编码的数据包下一跳链路消耗量的最大值，那么网络编码后此链路还是要付出一定的差值的资源消耗，即Ca(i，j)-max{Ca(i，n₁)，Ca(i，n₂)，…，Ca(i，n_N)}；路径L的NCCa判据是路径上所有链路判据的总和：NCCa_L=∑_l∈LNCCa(i,j)为获得计算NCCa所需的邻居节点链路的空时链路开销Ca，节点维护一个邻居接收表，存储邻居节点地址、邻居报告和空时链路开销信息；其中，邻居节点地址和邻居报告提供COPE编码所需的信息；步骤C，路由建立及维护；本协议包括路径发现、路径回复以及路径维护三个过程；步骤C-1，路径发现；源MP需要发送数据到目标MP时，源MP首先检查它的路由表中是否有到达目的MP的有效路径；如果没有，广播一个路由请求PREQ包，CAHWMP协议的路由请求PREQ包添加了Add域和上一跳MP地址域用以存储编码机会检测算法输出的Add集合和上一跳地址信息，Hop Count域、Metric域和Add域都初始化为0，Last Hop Address域写入源MP的MAC地址；中间MP收到一个PREQ包后，进行如下操作：Hop Count域加1；TTL域减1；更新Metric域；读取Add域信息，若Add域为NULL或Add域中没有此节点信息，则说明以此节点作为下一跳节点没有在上一节点产生编码机会，按照网络编码意识空时链路判据NCCa的计算公式计算此链路的开销NCCa，然后将此值累加到Metric域；若Add域中有此节点信息，则说明产生了编码机会，提取Add域中与此节点相对应的maxCa值，计算此链路的开销NCCa，然后将此值累加到Metric域；启动编码机会检测算法，将获得的Add集合信息写入Add域，覆盖之前的值，并将maxCa值写入路由表此路由条目的maxCa域；创建或更新到源MP的反向路径：当此中间MP中没有到源MP的路径时，会新建一条到源MP的路径，相应的目标序列号从源序列号中获得；如果已经存在了一条到达源MP的路径，则检查是否更新；当收到的PREQ的序列号比路由表中现存路径的序列号更大时，则更新当前路径；当新收到的PREQ的序列号和当前已有路径序列号相同，但此PREQ提供了比当前路径更好的Metric时，也会更新当前路径；更新Last Hop Address域，写入本节点的MAC地址信息；如果此MP不是目的MP而且PREQ的TTL域值大于0，则当前MP继续转发PREQ包到邻居MP；跟HWMP协议类似，CAHWMP路由协议也使用了序列号机制用来防止环路的产生，如果收到有相同PREQ ID和源MP地址的PREQ包，则选择丢弃；步骤C-2，路径回复：目的MP在收到第一个PREQ包之后的一小段时延T内收到的所有PREQ包中，选择Metric域具有最小路径NCCa值的PREQ包生成路径回复消息PREP；假如PREQ包中的序列号等于目的MP本身的序列号加1，则目的MP在产生PREP包之前必须把自己的序列号加1；否则不改变它的序列号；目的MP将其序列号放入PREP的目的节点序列号字段当中，并把Hop Count域和Metric域置0，按照到源MP的反向路径单播此PREP消息到上一跳MP；中间MP接收到PREP包后，正式建立到目的MP的路径，PREP的Hop Count域加1，提取此路由条目的maxCa域值，根据网络编码意识空时链路判据NCCa计算公式计算出上一跳的NCCa值，累加到PREP的Metric域，并将跳数和Metric值写入路由条目的跳数域和Metric域；继续转发此PREP包至上一跳节点做同样的更新，直至到达源MP，源MP收到PREP包后以同样的方式更新到目的MP的路由条目，并销毁此PREP包；这样源MP到目的MP的路径就建立起来了，源MP开始向目的MP发送数据；步骤C-3，路径维护：当一条活跃路径上的MP对数据包经有限次的重传后发送失败，即该MP到下一跳MP的链路已断开，需发送路径错误消息PERR来进行路径维护；PERR中记录了不可达目的MP的个数、所有不可达目的MP的MAC地址及序列号；在发送PERR消息之前，将路由表中所有不可达目的MP的序列号加1，并将所有不可达目的MP的路由条目标记为无效；发送PERR消息到所有不可达目的MP对应路由表条目中的上一跳MP；收到PERR消息的上一跳MP检查路由表的目的地址表项是否有在PERR消息的不可达目的MP列表中，如果没有，则丢弃该PERR；如果有，则将路由条目中存在在PERR消息不可达目的MP列表中的目的MP序列号更新为PERR中对应的不可达目的MP序列号，并将相应的路由表项标记为无效，根据新的不可达目的MP产生PERR消息，新PERR消息的不可达目的MP是原PERR不可达目的MP的一个子集，继续发送PERR消息到不可达目的MP对应路由表条目的上一跳MP；源MP收到PERR消息后，按照同样的方式更新不可达目的MP的序列号并标记该路由条目无效，重新发起到目的MP的路径建立过程。