1 動(dòng)態(tài)源路由
　　路由算法是移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。在移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)中，任何2個(gè)非鄰節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過(guò)其他中間節(jié)點(diǎn)中繼，而中間節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性時(shí)常導(dǎo)致路由失效。因此，路由協(xié)議直接影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。路由維護(hù)是路由的一個(gè)組成部分。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由維護(hù)需要周期發(fā)送路由信息、分析路況和更新路由。這種路由表維護(hù)機(jī)制不適合有限的帶寬、能源及處理能力的移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)。研究者們提出了許多針對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。其中，比較公認(rèn)的是DSDV、AODV、ZRP和DSR等路由協(xié)議。按需路由算法已經(jīng)成為當(dāng)前路由算法的一個(gè)基礎(chǔ)，其目的是減少路由建立過(guò)程中不必要的控制包數(shù)量。動(dòng)態(tài)源路由^[1]DSR(Dynamic Source Route)是典型的按需路由協(xié)議，它不需要全程(從網(wǎng)絡(luò)建立到網(wǎng)絡(luò)解體)維護(hù)路由，只有當(dāng)某節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)，才進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)和路由釋放三個(gè)過(guò)程。該協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程被證明是有效的^[2]，也因此使DSR協(xié)議成為IETF的研究重點(diǎn)之一。然而，該協(xié)議的路由維護(hù)過(guò)程卻會(huì)消耗許多控制帶寬和能源。首先，當(dāng)原路由失效時(shí)，DSR將失效信息反饋給源節(jié)點(diǎn)，再由源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)現(xiàn)路由，這個(gè)過(guò)程將消耗許多網(wǎng)絡(luò)資源；其次，已被激活的數(shù)據(jù)因路由斷開(kāi)而必須重傳，無(wú)疑又浪費(fèi)前次使用過(guò)的資源。為此，DSR算法又提出優(yōu)化措施，即首先在斷點(diǎn)處查找是否有到達(dá)目標(biāo)的路由，若有，則選擇這條路由；否則，將斷開(kāi)消息反饋給源節(jié)點(diǎn)，并重新發(fā)現(xiàn)路由。但是，該方法需要看網(wǎng)絡(luò)建立的時(shí)間長(zhǎng)短。若網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間較長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)上曾經(jīng)有過(guò)多次信息交換，則節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)路由的可能性大；反之，這種可能性較小，就必須回到源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)現(xiàn)路由，浪費(fèi)有限資源。
2 相關(guān)工作
　　為解決資源浪費(fèi)問(wèn)題，許多新算法被提出。多路徑路由算法是其中之一。算法RBMR^[3]提出一種冗余路由算法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)冗余度選擇路由。算法NDMR^[4]建立多條沒(méi)有交叉節(jié)點(diǎn)的路由擔(dān)任備份路由，以避免路由斷開(kāi)時(shí)對(duì)其他備用路由的影響。其不足在于源節(jié)點(diǎn)擁有全部路由信息，斷點(diǎn)必須反饋一個(gè)RERR(Route Error)包給源節(jié)點(diǎn)，由源節(jié)點(diǎn)再選擇一條新路由重新發(fā)送數(shù)據(jù)。由于被激活的數(shù)據(jù)流已發(fā)送到中途，再進(jìn)行第二次重傳，會(huì)造成能量和帶寬的浪費(fèi)。因此，本文提出路由快速切換算法QSRA(Quickly Switching Routing Algorithm)。這是一個(gè)完全的分布式算法，具有快速切換路由能力。QSRA算法不是將全部路由信息存儲(chǔ)在源節(jié)點(diǎn)，而是僅在主節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)其下游節(jié)點(diǎn)。這個(gè)下游節(jié)點(diǎn)包括下游主節(jié)點(diǎn)以及下游切換節(jié)點(diǎn)信息。正常數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使用下游主節(jié)點(diǎn)；當(dāng)主路由斷開(kāi)時(shí)，斷點(diǎn)首先檢查本身是否有下游切換節(jié)點(diǎn)，若有，則選擇其繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)；否則，斷點(diǎn)將向其上游節(jié)點(diǎn)報(bào)告斷開(kāi)信息，上游節(jié)點(diǎn)繼續(xù)查找有無(wú)下游切換節(jié)點(diǎn)。如此下去，直到一個(gè)上游節(jié)點(diǎn)擁有下游切換節(jié)點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)為止。該算法適合大型非稀疏網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)人們?cè)跈C(jī)場(chǎng)候機(jī)時(shí)接收共享娛樂(lè)節(jié)目等。
3 QSRA算法描述
　　實(shí)現(xiàn)算法QSRA有二個(gè)目的：(1)在路由斷開(kāi)之前盡快地將數(shù)據(jù)包傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；(2)若路由斷開(kāi)，則盡快切換到另一路由上繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為此，構(gòu)造路由結(jié)構(gòu)，其路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。算法在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，完成二項(xiàng)工作：建立主路由和切換路由。圖1所示的節(jié)點(diǎn)S是源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)D是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A，B，……L是中間節(jié)點(diǎn)。圖1中帶箭頭的粗實(shí)線(xiàn)連接部分是主路由，如從S到D的主路由是S-A-B-C-D。主路由上的點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，即 A、B、C為主節(jié)點(diǎn)。圖1中的虛線(xiàn)部分如S-E-F-G-H-D 和S-I-J-K-L-D是切換路由。相應(yīng)的E、F、……L是切換節(jié)點(diǎn)。在構(gòu)造這樣一個(gè)路由結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，為了清晰，假定每個(gè)主節(jié)點(diǎn)都有下游切換節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)注意，在實(shí)際情況中，不一定每個(gè)主節(jié)點(diǎn)都有下游切換節(jié)點(diǎn)，特別是在稀疏網(wǎng)絡(luò)中。所以，QSRA算法更適合大型非稀疏網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。下面將詳細(xì)描述路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)過(guò)程。

3.1 路由發(fā)現(xiàn)
3.1.1 路由請(qǐng)求過(guò)程
　　一個(gè)源節(jié)點(diǎn)依靠洪泛方式發(fā)出一個(gè)路由請(qǐng)求RREQ(Route Request)，如圖1所示。請(qǐng)求包結(jié)構(gòu)主要包括源節(jié)點(diǎn)地址、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、路由信息、跳數(shù)以及包序列號(hào)。收到RREQ包的每個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄如下信息在緩存中：源節(jié)點(diǎn)地址、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、上游節(jié)點(diǎn)地址、下游節(jié)點(diǎn)地址(不是下游切換節(jié)點(diǎn)地址)、跳數(shù)和包序列號(hào)。如果節(jié)點(diǎn)二次收到同一序列號(hào)或大于該序列號(hào)的RREQ包，則丟棄該包；否則，節(jié)點(diǎn)除記錄上述有關(guān)信息外，將序列號(hào)加1，并洪泛該包。根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信原理，當(dāng)下游節(jié)點(diǎn)洪泛時(shí)，其上游節(jié)點(diǎn)也能夠收到此信息。利用該原理，讓上游節(jié)點(diǎn)記錄比自己收到的包序列號(hào)大1的包的地址，也就是其下游節(jié)點(diǎn)地址。直到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到RREQ包后，停止洪泛。為獲得多條路由，QSRA算法為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一時(shí)間段，以等待RREQ包從多條路由到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)到達(dá)先后，QSRA算法選擇最早到達(dá)的路由為主路由，選擇相繼到達(dá)的幾個(gè)路由作為切換路由。之后，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沿主路由返回主路由信息和切換路由信息。當(dāng)這些信息經(jīng)過(guò)每個(gè)主節(jié)點(diǎn)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將緩存中記錄的下游節(jié)點(diǎn)信息與切換路由信息作比較，也就是進(jìn)行節(jié)點(diǎn)比較，保留相同的節(jié)點(diǎn)。其目的是使主節(jié)點(diǎn)擁有切換路由上的切換點(diǎn)。QSRA算法選擇花費(fèi)時(shí)間相對(duì)少的路由作為切換路由。一個(gè)RREQ包如果在一條路由上花費(fèi)的時(shí)間比其他路由少，則說(shuō)明該路由沒(méi)有擁塞(或擁塞較少)，有充足的帶寬，或者路由較近，這樣能使一個(gè)包較快到達(dá)目的地；否則，路由須排隊(duì)等待帶寬，擁塞較重，或跳數(shù)較多，都不能使RREQ包較快到達(dá)目標(biāo)。因而選擇較早到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由作為切換路由。
　　下面以圖1為例，說(shuō)明QSRA的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。源節(jié)點(diǎn)S向其鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RREQ包，其鄰節(jié)點(diǎn)A、E和I收到此信息包后，首先記錄上游節(jié)點(diǎn)S、路由和跳數(shù)等信息，并將包序列號(hào)加1后，繼續(xù)向其各自的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送此包。如上所述，節(jié)點(diǎn)S收到此包后，記錄節(jié)點(diǎn)A、E、I為其下游節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，A的下游節(jié)點(diǎn)B、E、I也收到加1后的請(qǐng)求包，并分別記錄A為它們的上游節(jié)點(diǎn)。如此傳輸，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)都記錄其上、下游節(jié)點(diǎn)。表1列出主節(jié)點(diǎn)擁有的下游節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)E分別從S和A收到RREQ請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)E自動(dòng)放棄從A收到的RREQ包，以避免路由環(huán)。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D從不同路由收到該請(qǐng)求包后，根據(jù)到達(dá)D點(diǎn)的先后，選擇最早到達(dá)的路由為主路由，圖1中設(shè)S-A-B-C-D為主路由(假定該路由最先到達(dá))，主路由上的節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)；再依次選擇S-E-F-G-H-D和S-I-J-K-L-D為切換路由，切換路由上的節(jié)點(diǎn)為切換點(diǎn)。

3.1.2 路由反饋過(guò)程
　　目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇好主路由和切換路由后，將沿不同路徑返回不同路由反饋包RREP(Route Reply)。沿主路由返回的RREP包，內(nèi)容包括主節(jié)點(diǎn)信息和切換點(diǎn)信息。返回主節(jié)點(diǎn)信息主要是使主路由上的節(jié)點(diǎn)知道自己及其上下游節(jié)點(diǎn)。同樣，沿主路由返回切換節(jié)點(diǎn)信息以使主節(jié)點(diǎn)知道存儲(chǔ)在緩存中的哪一個(gè)下游節(jié)點(diǎn)是切換節(jié)點(diǎn)，以備必要時(shí)切換。當(dāng)切換節(jié)點(diǎn)到達(dá)主節(jié)點(diǎn)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)將記錄的下游節(jié)點(diǎn)與切換節(jié)點(diǎn)比較，留下相同的節(jié)點(diǎn)。由此得到主節(jié)點(diǎn)在切換路由上的切換點(diǎn)；沿切換路由返回的RREP包攜帶切換節(jié)點(diǎn)信息，以便讓切換路由知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇自己為切換路由。這里假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)自愿擔(dān)當(dāng)路由器，除非該節(jié)點(diǎn)離開(kāi)。例如，圖1中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D返回到主路由上的信息包括節(jié)點(diǎn)D、C、B、A、S以及節(jié)點(diǎn)信息D、L、K、J、I、S和D、H、G、F、E、S。對(duì)于節(jié)點(diǎn)C，當(dāng)它接收到這些節(jié)點(diǎn)信息后，除標(biāo)記D是其下游節(jié)點(diǎn)外，還留下節(jié)點(diǎn)K和G作為它的切換節(jié)點(diǎn)。
3.2 路由維護(hù)
3.2.1 路由維護(hù)模型
　　一些原有算法[2～5]的路由模型如圖2(a)所示。它形成從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)多條非耦合結(jié)構(gòu)(或者說(shuō)是并聯(lián)結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于一條路由失效時(shí)不會(huì)影響其他路由，缺點(diǎn)是增加控制包，每次路由失效，都需要回到源節(jié)點(diǎn)取其他路由。QSRA算法的路由模型如圖2(b)所示。它像一片葉脈形狀，當(dāng)主路由失效時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能夠迅速切換到其他路由。QSRA除了包含這種非耦合結(jié)構(gòu)外，還具有另外的結(jié)構(gòu)，即主節(jié)點(diǎn)與切換路由有鏈接。這實(shí)際上是一種串并聯(lián)兼有的結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)主路由失效時(shí)，斷點(diǎn)可以迅速切換到備用路由上。當(dāng)一條切換路由失效時(shí)，還可以切換到另一條切換路由上繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而且這種結(jié)構(gòu)占據(jù)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相對(duì)于MRODP^[2]的第2個(gè)算法少。這里參照多路由算法AMR^[6]，選擇3~4條切換路由。

3.2.2 路由維護(hù)過(guò)程
　　為盡快傳送數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，QSRA算法建立了串并聯(lián)兼有的路由結(jié)構(gòu)。當(dāng)主路由和切換路由都建立起來(lái)之后，源節(jié)點(diǎn)S 能夠通過(guò)主路由發(fā)送數(shù)據(jù)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如果主路由上的某節(jié)點(diǎn)移出其鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍，則主路由斷開(kāi)。此時(shí)，如果斷點(diǎn)有切換節(jié)點(diǎn)，則立即選擇該點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；否則將反饋RERR包給它的上游節(jié)點(diǎn)，再由該上游節(jié)點(diǎn)檢查自己是否有切換節(jié)點(diǎn)。這樣依次向上游推進(jìn)，直到有一個(gè)上游節(jié)點(diǎn)具有切換節(jié)點(diǎn)為止。因此，算法QSRA能夠保證將數(shù)據(jù)包盡快傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求是節(jié)點(diǎn)密度不能太稀疏，否則，不能形成串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。如圖2(b)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C0移出節(jié)點(diǎn)B0的傳輸范圍時(shí)，主路由斷開(kāi)。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)B0 檢查自己是否存儲(chǔ)切換節(jié)點(diǎn)，若B0點(diǎn)存儲(chǔ)切換節(jié)點(diǎn)(B1，B2，B3，B4)，則選擇其中的一個(gè)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若B0節(jié)點(diǎn)沒(méi)有切換節(jié)點(diǎn)，則向上游節(jié)點(diǎn)A0報(bào)告此鏈路" title="鏈路">鏈路斷開(kāi)信息。A0節(jié)點(diǎn)再看自己是否存儲(chǔ)切換節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)過(guò)程中，算法QSRA僅在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中增加了一些控制開(kāi)銷(xiāo)，即切換節(jié)點(diǎn)從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)回傳過(guò)程，但它屬于單播，比DSR^[1]和MAR^[6]洪泛操作的控制包數(shù)量低得多。
4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果分析
4.1 仿真試驗(yàn)
　　仿真試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)如下：節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度16m/s，最小移動(dòng)速度1m/s，暫停時(shí)間為0秒，50個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)范圍為2000m×2000m，無(wú)線(xiàn)傳輸頻率2.4GHz，無(wú)線(xiàn)傳輸范圍250m，802.11MAC協(xié)議，CBR10 frames/s，總數(shù)據(jù)量10MB。用端到端" title="端到端">端到端延遲、控制包數(shù)量以及包接收率來(lái)評(píng)價(jià)算法QSRA，并與DSR^[1]及NDMR^[4]作比較，進(jìn)行仿真。當(dāng)節(jié)點(diǎn)最大速率增加時(shí)，數(shù)據(jù)包的端到端延遲、總控制包數(shù)量和包接收率分別如圖3～圖5所示。

4.2 結(jié)果分析
　　平均端到端延遲是指包從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間延遲。圖3中QSRA算法的時(shí)間延遲遠(yuǎn)低于DSR和NDMR算法，且曲線(xiàn)比較平穩(wěn)。這主要是因?yàn)楫?dāng)主路由失效時(shí)，QSRA有切換路由，可以立即切換，所以時(shí)延較低。而DSR算法在主路由斷開(kāi)時(shí)，需要重新發(fā)現(xiàn)新路由，所以占用時(shí)間多。NDMR算法也回到源節(jié)點(diǎn)，但它不是重新發(fā)現(xiàn)路由，而是取已經(jīng)存儲(chǔ)在源節(jié)點(diǎn)的路由，所以它的延遲比DSR低，比QSRA高。從曲線(xiàn)整體看，隨著移動(dòng)速度的增加，3條曲線(xiàn)都有上升趨勢(shì)。這主要是由于移動(dòng)速度的增加加速了鏈路斷開(kāi)的概率。QSRA增加了切換次數(shù)；NDMR需要頻繁地回到源節(jié)點(diǎn)去路由；DSR需要不斷地回到源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)現(xiàn)路由，因此總的時(shí)延增加。但是，即使如此，QSRA的表現(xiàn)仍然比較平穩(wěn)，比DSR和NDMR好許多。
　　圖4中總的控制包數(shù)量包括RREQ、RREP以及ERROR包的總和。從整體看，隨著移動(dòng)速度的增加，曲線(xiàn)上升。因?yàn)橐苿?dòng)速度加快，增加了鏈路斷開(kāi)的頻率，無(wú)論是切換還是回到源節(jié)點(diǎn)或是重新發(fā)現(xiàn)路由都會(huì)增加控制包數(shù)量。但是相對(duì)來(lái)看，QSRA曲線(xiàn)要好于DSR和NDMR曲線(xiàn)。這是因?yàn)榍罢呤羌皶r(shí)切換到其他路由，它僅需要較少的控制包就能進(jìn)入正常續(xù)傳軌道，曲線(xiàn)較穩(wěn)定；而后二種算法需要回到源節(jié)點(diǎn)去路由或重新找路由，這無(wú)疑增加了控制包數(shù)量，特別是DSR的曲線(xiàn)。
　　圖5中，QSRA算法的包接收率表現(xiàn)得很平穩(wěn)，受移動(dòng)速度的影響比較小；而NDMR的包接收率比較低，DSR算法最低。包接收率低的現(xiàn)象，主要受移動(dòng)速度的影響。當(dāng)移動(dòng)速度增加，加快鏈路斷開(kāi)的頻率，DSR算法必須重新發(fā)現(xiàn)路由，傳送到中途的數(shù)據(jù)包被丟棄，總的包接收率低；NDMR算法也一樣有棄包操作，只是相對(duì)于DSR，它重新發(fā)現(xiàn)路由的概率低，棄包現(xiàn)象不嚴(yán)重，但當(dāng)存儲(chǔ)的多路由用盡后，重演DSR過(guò)程；而QSRQ算法因?yàn)橛星袚Q路由，直接將數(shù)據(jù)包切換到備用路由繼續(xù)傳輸，故接收率相對(duì)較好。從整體曲線(xiàn)看，隨著移動(dòng)速度的增加，曲線(xiàn)均有下降趨勢(shì)。分析原因主要是移動(dòng)速度增加，鏈路斷開(kāi)的概率增加，都有棄包操作，再加上傳輸時(shí)間延長(zhǎng)，重傳操作頻繁，加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，丟包現(xiàn)象嚴(yán)重，總的包接收率隨移動(dòng)速度增加而下降。
　　多路由機(jī)制已經(jīng)不是新設(shè)想，但是每種多路由算法各有不同。QSRA算法主要從快速切換路由的角度考慮。因?yàn)橐苿?dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)常導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)街型緯r(shí)，路徑失效，傳輸被迫中斷。于是，一些算法提出回到源節(jié)點(diǎn)取備用路由，重新傳輸。而QSRA算法采用就地取材的辦法，在斷點(diǎn)或其附近迅速切換到預(yù)備路由上，保證最快時(shí)間繼續(xù)傳遞數(shù)據(jù)。它在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，備份其他能夠到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)路由失效時(shí)選擇這些備用點(diǎn)。不僅如此，當(dāng)一個(gè)備用點(diǎn)失效時(shí)，QSRA算法還可以繼續(xù)取備用點(diǎn)傳輸，避免回頭去重新取路由而造成的浪費(fèi)。算法分析和仿真表明相對(duì)于DSR算法和NDMR算法，QSRA算法在平均端到端延遲、控制包數(shù)量、包接收率方面都有不同程度的改進(jìn)。
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