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2018/5/8

克服節點不確定性 節約路由計算耗用網路資源

無線隨意網路彈性高效 Ad Hoc獨特路由運作探討

胡凱智
本文將介紹何謂隨意網路(Ad Hoc Network),並附帶說明什麼叫無線Ad Hoc網路以及行動Ad Hoc網路,接著詳細講解Ad Hoc網路的路由協定,解釋主動式路由表更新路由方式與被動式路由表更新路由方式的區別,並闡述這些路由方式設計的理念和分類等等。
隨意網路(Ad Hoc Network)已經發展了數十年,它的理念是每一台設備不僅可以發送接收網路封包,更能夠扮演網路中繼站的角色,在這樣的網路裡,不需要特別依靠特定的網路基礎建設,而是透過各個設備互相連結構成網路,與一般傳統的網路不同,當然所使用的網路協定也不相同。而隨意網路最大的使用環境就是無線網路,因為各個節點的高度移動性,所以使用隨意網路方式建構出高效率的網路環境,但是也因為無線網路的特性,讓路由方式的設計必須有所不同。

何謂無線Ad Hoc網路

一般來說,在討論Ad Hoc網路的時候,大多都是討論無線Ad Hoc網路,因此本篇大部分情況下也都會著重在無線Ad Hoc網路環境。

無線Ad Hoc網路的英文是「Wireless Ad Hoc Network」,簡稱WANET,中文上也被稱為「無線隨意網路」。它是一種分散式無線網路系統,與既有的網路不同,整個網路中沒有依賴於某些特定的網路路由器、交換機,甚至是網路基地台等等。在這樣的網路中,每一個節點都扮演著這些路由器的角色,全體都需要幫忙轉發網路封包。

這樣的網路設計最開始是在1970年代左右,由Defense Advanced Research Projects Agency(簡稱DARPA)所資助,後來在1990年代經過幾個改革,包括ABR的產生以及DSDV路由方式等等,又讓整個無線Ad Hoc網路更加進化。

行動Ad Hoc網路簡介

行動Ad Hoc網路,英文全名為Mobile Ad Hoc Network,簡稱MANET,中文有些會稱之為「行動隨意網路」或「移動臨時網路」,它是剛才提到無線Ad Hoc網路的其中一種,基本上,就是指利用行動裝置透過無線的方式連接、各自演進、各自協同合作所組成的無線網路。在這種網路中,最大的特色就是,每一個節點(也就是每一個行動裝置)都可以移動,也就是可以隨意改變連結,而與無線Ad Hoc網路一樣,每一個節點也都必須幫忙轉發整個網路上的封包,因為不會依賴於任何一個路由器,即便是和自己無關的網路封包,也必須幫忙轉發。

這種行動Ad Hoc網路的複雜度就相當高,因為除了每個節點都要適度地知道整個網路的情況以便於有效地轉發網路封包之外,還要考慮到各個節點可能會移動所增加的複雜度。在這樣的網路中,只要每一個節點維護一份足夠讓它們轉發封包到正確的方向,就能夠讓整個網路持續運作,所以整個網路的運作與維護都極具高度彈性。

另外,因為高度移動性的特性,所以要持續保證整個網路正常運作對於每個節點所需要的電力使用和運算成本,是行動Ad Hoc需要探討的議題之一。畢竟,在這樣的網路並不能像一般傳統的網路隨意或是定期地互相交換網路拓撲資訊,其耗電量很高,運算成本過高,而且也很容易因為高度移動性經常地更改網路拓撲,而使得這樣的更新動作沒有太大的意義。

了解Ad Hoc網路的路由協定

剛才介紹過Ad Hoc網路的特性之後,大家可以理解到,這樣的網路中每一個節點並不知道整個網路的拓撲為何,每一個網路節點只知道它們能連到哪裡,基本上,它們會去通報自己的「存在性」,並且等候別人送出的廣播通知,以便於知道有誰是鄰居。

以下就來看看這樣的網路環境之下,會有哪幾種路由協定。這裡只有著重在Ad Hoc網路,而不是行動Ad Hoc網路。

主動式路由表更新路由方式

這種路由方式會持續地維護一個包含目的地和相關網路路徑的清單,然後定期地更新這樣的路由清單來保證整個網路的路由能夠正常地運作。根據上述的解釋可以輕易地看出,這樣的路由方式最大的缺點是要經常性地維護並且傳送大量的路由資訊,也因此對任何網路的改變會有比較慢的反應。

比較經典的範例包括OLSR、Babel、DSDV、DREAM以及BATMAN等等,以下就幾個範例做一些基本的介紹。

OLSR

OLSR全名是Optimized Link State Routing,顧名思義,它是一種進化版本的Link-State路由協定。基本上,OLSR協定使用Hello封包和拓撲控制(Topology Control)封包來查找可能的網路路徑。行動Ad Hoc網路中的每一個網路節點採用這樣的方式來決定如何轉發網路封包。

Hello封包用途是連結狀態偵測、附近節點偵測等等,這種封包會用來偵測當前節點開始往外算兩個節點的距離,同時也會用於選擇MPR,而拓撲控制封包則是用來傳送網路拓撲的資訊。

OLSR路由協定必須在眾多節點中選出幾個所謂的Multipoint Relays(MPR),只有這些MPR才能夠發送和轉發拓撲控制封包。這也是OLSR協定的特別之處,因為這個協定把這種拓撲控制封包限定在MPR節點上,以便於減少網路上封包數量,減少廣播所帶來的影響。也只有MPR知道如何去計算最佳路由,所以剛才提到的拓撲控制資料只需要在MPR之間做分享。當然,OLSR也可以使用預設路由,藉由HNA網路封包放入OLSR MANET雲端。OLSR第二版在2014年時已經公布了,主要的差異在於NHDP(用於Neighborhood Discovery)以及更彈性化的模組設計方式,而原本的MPR選擇方式與運作模式沒有什麼改變。

 
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