什么是Ad Hoc网络路由协议？
简单回顾一下Ad Hoc网络的特点：
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- 自组织性：网络可以随时随地自动构建，无需任何预设的基础设施。
- 多跳通信：由于节点通信范围有限，两个无法直接通信的节点需要通过中间节点进行数据转发。
- 动态拓扑：节点可以随时加入、离开或移动，导致网络结构频繁变化。
- 无中心化：网络中没有中心控制节点，所有地位平等。
Ad Hoc路由协议就是为了在这种特殊环境中，能够动态地、自动地发现和维护从源节点到目的节点的通信路径（路由）的一套规则和算法。
Ad Hoc路由协议的主要分类
根据路由发现的时机和方式,Ad Hoc路由协议主要可以分为三大类：
A. 表驱动路由协议
这类协议也称为主动式路由协议，它们类似于传统的有线网络路由协议（如OSPF），无论是否有数据需要发送，每个节点都会周期性地或按需地与邻居节点交换路由信息，以维护一个或多个到网络中所有其他节点的最新路由表。
工作原理：
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- 路由表维护：每个节点都维护一个完整的路由表，记录到达所有已知目的节点的下一跳、跳数等信息。
- 信息交换：通过周期性地广播“路由更新”消息来同步路由信息。
- 路径快速可用：当有数据需要发送时，可以直接查询路由表获取路径，无需等待路径发现过程。
优点：
- 低延迟：因为路由信息总是预先存在，数据包可以立即转发，适合对延迟敏感的应用。
- 路由质量高：由于路由信息是周期性更新的，通常能找到最优路径。
缺点：
- 高开销：需要持续不断地交换路由信息，消耗大量的网络带宽和节点能量。
- 可扩展性差：在网络规模变大或节点移动性高时，路由更新风暴会非常严重，导致网络性能急剧下降。
典型协议：
- DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector - 目的序列距离矢量)
- 这是Ad Hoc网络中最早的表驱动协议之一。
- 它是传统RIP协议的改进版,通过为每个路由条目引入“序列号”来解决“路由环路”问题，序列号由目的节点生成，只有序列号更新的路由才会被接受。
- OLSR (Optimized Link State Routing - 优化的链路状态路由)
- 这是DSDV的演进,也是目前性能最好的表驱动协议之一。
- 它通过一种称为多点中继的机制来优化广播过程，节点只选择一部分邻居作为中继节点来转发控制包，从而显著减少了网络中的广播包数量，提高了效率。
B. 按需路由协议
这类协议也称为反应式路由协议，它们与表驱动协议相反，只有在源节点有数据要发送到某个目的节点，且没有有效路由时，才会发起路由发现过程。
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工作原理：
- 路由发现：源节点广播一个“路由请求”包到整个网络。
- 路由响应：当“路由请求”包到达目的节点或一个已有到目的节点路由的中间节点时，会沿着原路径发送一个“路由响应”包，从而建立起一条从源到目的的路径。
- 路径维护：在数据传输过程中，协议会监控路径的连通性，如果链路中断，会发起本地修复或重新发起路由发现。
优点：
- 开销小：只有在需要时才进行路由发现，大大减少了控制包的传输，节省了带宽和能量。
- 可扩展性好：非常适合节点数量多或移动性不高的场景。
缺点：
- 高延迟：路由发现过程需要时间，导致数据发送的初始延迟较高。
- 路由质量可能较低：找到的路径可能是次优的，因为路由发现是按需的，信息可能不是最新的。
典型协议：
- AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector - 按需距离矢量)
- 这是按需路由协议中最著名、应用最广泛的协议之一。
- 它在路由请求包中携带了目的节点的序列号,以避免过时路由和环路问题。
- 节点在转发RREQ时,会记录下反向路径；在发送RREP时，则建立起正向路径。
- DSR (Dynamic Source Routing - 动态源路由)
- 与AODV不同,DSR在数据包的头部完整地记录了从源到目的的完整路径（所有经过的节点地址列表）。
- 优点：中间节点不需要维护路由表，只需按“源路由”转发数据包。
- 缺点：当路径很长或节点移动时，数据包头会变得非常长，消耗大量带宽，而且一旦路径中断，整个路径都失效，需要重新发现。
C. 混合路由协议
这类协议试图结合表驱动和按需路由协议的优点,同时克服它们的缺点，它们通常将网络划分为簇，不同簇内采用不同的路由策略。
工作原理：
- 簇的建立：网络被划分为多个簇，每个簇选举一个簇头。
- 簇内路由：簇内使用高效的表驱动协议（如OLSR）来维护簇内路由，保证低延迟。
- 簇间路由：簇间使用按需路由协议（如AODV）来发现和维护路径，减少全局控制开销。
优点：
- 平衡了开销和延迟：在簇内提供快速路由，在簇间按需发现路径，实现了较好的折衷。
- 可扩展性较好：通过分层结构，有效控制了网络规模带来的开销。
缺点：
- 协议复杂：需要处理簇的构建、簇头选举、簇间通信等复杂逻辑。
- 簇头成为瓶颈：簇头节点需要承担更多的计算和通信任务，容易成为性能瓶颈和单点故障。
典型协议：
- ZRP (Zone Routing Protocol - 区域路由协议)
- 是混合路由协议的典型代表,它定义了“路由区域”（Routing Zone），通常为几跳范围。
- 在区域内使用表驱动协议（称为IARP - Intra-Area Routing Protocol），在区域外使用按需协议（称为IERP - Inter-Area Routing Protocol）。
协议对比总结
| 特性 | 表驱动 (如OLSR) | 按需 (如AODV) | 混合 (如ZRP) |
|---|---|---|---|
| 路由发现时机 | 周期性/持续进行 | 按需，有数据时才发起 | 混合：簇内持续，簇间按需 |
| 路由延迟 | 低 | 高 | 中等 |
| 控制开销 | 高 | 低 | 中等 |
| 可扩展性 | 差 | 好 | 较好 |
| 协议复杂度 | 较低 | 较低 | 高 |
| 适用场景 | 小规模、低移动性、对延迟要求高 | 大规模、中等移动性、对带宽敏感 | 大规模、高移动性，需要综合性能 |
新兴路由协议与研究方向
随着应用的发展,Ad Hoc网络路由协议也在不断演进，主要集中在以下几个方面：
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基于地理位置的路由协议
- 核心思想：利用GPS或其他定位技术获取节点的地理位置信息，路由决策基于地理位置而非拓扑。
- 代表协议：GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)
- 优点：可扩展性极好，不维护路由表，控制开销极低，适合大规模、高移动性网络。
- 缺点：依赖定位设备，在节点分布稀疏或“空洞”区域性能下降。
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基于QoS (Quality of Service) 的路由协议
- 核心思想：不仅寻找一条可达路径，还要寻找能够满足特定服务质量要求（如带宽、延迟、抖动）的路径。
- 挑战：在网络动态变化的情况下，准确获取和维持QoS信息非常困难。
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基于机器学习的路由协议
- 核心思想：利用机器学习算法（如强化学习、深度学习）来预测网络状态、优化路由选择，使其能够更好地适应动态和不可预测的网络环境。
- 优势：具有自学习和自适应能力，理论上可以做出更智能的决策。
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车载自组织网络 路由协议
- VANET是Ad Hoc网络的一个重要应用场景，其路由协议需要考虑车辆的高速移动性、道路拓扑和交通规律。
- 代表协议：GSR (Greedy Street Routing), CAR (Connectivity-Aware Routing) 等，它们通常结合了地理位置和道路地图信息。
没有一种“万能”的Ad Hoc路由协议能够适用于所有场景，选择哪种协议取决于具体的应用需求，
- 网络规模：小网络可选OLSR，大网络可选AODV或GPSR。
- 节点移动性：低移动性可选OLSR，高移动性可选AODV或GPSR。
- 性能要求：对延迟敏感选OLSR，对带宽敏感选AODV。
- 应用场景：VANET等特殊场景有专门设计的路由协议。
未来的研究将继续集中在如何设计更具智能性、高效性和鲁棒性的路由协议，以应对日益复杂的Ad Hoc网络应用。
