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无线网络技术无线网络技术 计算机与通信工程学院李娜娜第第5章章 ZigBee 网络层原理网络层原理 5.1 网络层 5.2 设备类型 5.3 网络拓扑结构 5.4 地址及其分配方法 5.5 路由协议 5.6 功能描述网络和设备维护 5.7 网络层常量与参数 5.5 路由协议 路由算法设计目标 路由算法设计目标1)简单、高效、控制开销小；2)无环路、快速收敛；3)健壮、稳定、灵活；设计目标1简单、高效、控制开销小设计目标2无环路、快速收敛设计目标3健壮、稳定、灵活 ZigBee路由协议5.5.1 ZigBee路由方式路由方式ZigBee网络中，路由方式有以下三种：网络拓扑与路由方式关系网络拓扑与路由方式关系每种网络拓扑结构的路由方式都不相同。星型和树型网络拓扑结构通常采用静态路由协议，如树型网络拓扑结构采用Cluster-Tree协议。对于网状拓扑结构，多采用动态路由协议，如ZigBee Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing(ZAODV),ZAODV与自组网中的经典AODV协议不完全一样，准备的说是一种简化版本的AODV junior(AODVjr)。5.5.2 Cluster-Tree路由算法路由算法 P137ZigBee网络的树型拓扑结构中，每一个新入网的节点，都会与一个父节点相互对应，每一个父节点可以同时有多个子节点，但是一个子节点却只能有一个父节点，按照这种方式形成了一颗树，在路由的时候就按照树的父子节点来查找，这种方式称之为C luster-Tree算法。5.5.2 Cluster-Tree算法流程算法流程在Cluster-Tree过程中，节点不需要通过路由发现过程来进行路由，节点直接通过数据包中的目的节点地址来计算下一跳的地址。通常的做法是将其简化为通常的做法是将其简化为上行路由上行路由或者或者下行路由。下行路由。5.5.2 Cluster-Tree算法流程算法流程1.如果某一个FFD节点的当前地址是A，目的节点的地址是D，节点A要向目的节点D传输数据，A路由器节点的深度分别为d，则 2.否则如果节点A为RFD,要向目的节点D传输数据，则只需交由父节点处理。5.5.2 Cluster-Tree算法流程算法流程1）.如果节点收到的数据是要传递给自己的(即目的节点的地址为本身地址)，那么节点就不用再转发数据，而是直接上传到上层处理，否则转2；2）如果节点收到的数据的目的地址是邻居节点，那么可以将数据信息直接发送到邻居节点，否则转3；3）接收到的数据包转发给子节点或者父节点。该路由器节点会依据下述表达式判断目的节点是否是其后裔节点：5.5.2 Cluster-Tree算法流程算法流程如果满足当前条件:ADA+Cskip(d-1)，则说明目的节点D是节点A的子节点，那么节点A就可以直接将数据发送给D，下一跳地址A根据下式计算 否则，若不满足上述条件，则否则，若不满足上述条件，则A将信息上交自己的上一级。将信息上交自己的上一级。Cluster-Tree路由Cluster-Tree路由算法维护过程路由算法维护过程 5.5.2 Cluster-Tree算法优缺点算法优缺点Cluster-Tree算法在一些方面存在着优点，比如网络结构覆盖范围大，节点不需要维护路由表，也不需要进行路由发现，减少了网络中路由和数据处理的开销，并且算法简单查找节点速度较快，可以方便采用数据融合技术减少信息冗余度。但是同时它也存在着很多的缺点。Cluster-Tree算法这种树状结构的网络选择路径的时候是依靠父子节点关系来判断的，当节点收到了一个数据包的分组，如果节点查找目的地址发现数据包不是发送给自己的，那么就只能交给子节点或者父节点来处理了，不进行路由发现的过程。由于Cluster-Tree算法这种直接由子节点或者父节点来发送，因此节点不能够走最优的路径，相对来说，所走的路径都会比较偏长，也会给分组的传输带来很高的延时，而且深度较低的节点对于数据量的转发会比较大，给节点带来很大的负载，很容易造成节点的流量分配不均衡。5.5.3 动态路由协议AODVjr 5.5.3 动态路由协议AODVjrZigBee路由器，包括协调器均可以执行AODVjr路由算法，进行路由发现和选择、路由维护等操作。动态路由协议AODVjr1.AODV 2.AODVjr与AODV比较 3.AODVjr算法流程 5.5.3 动态路由协议AODVjr什么是什么是AODV?1.AODV无线自组网按需平面距离矢量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV），是应用于无线网状网络（也称作无线mesh网络）中进行路由选择的路由协议，它能够实现单播和多播路由。该协议是Ad Hoc网络中按需生成路由方式的典型协议。AODV与因特网路由协议本质区别与因特网路由协议本质区别它是反应式路由协议，也就是说当向目的节点发送包时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。相反的，因特网路由协议是先验式的，也就是说它们查找路由是不依赖于路径上的节点是否要发包，而是每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信息的路由表。节点间通过周期性的交换路由信息来不断更新自身的路由表，以便能够及时的反映网络拓扑结构和变化，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。AODV算法算法RREQ的处理和反向路径建立的处理和反向路径建立AODV算法算法RREP的处理和正向（前向）路径建立的处理和正向（前向）路径建立AODV算法是基于最少跳数的最短路径算法算法是基于最少跳数的最短路径算法AODV算法路由维护过程算法路由维护过程2.AODVjr与与AODV比较比较AODVjr与与AODV比较比较1路由选择的标准不同路由选择的标准不同路由成本为路由发现和维护管理提供了一种度量的方法，是用来比较路由好坏的基础。AODV算法采用基于最少跳数的最短路径算法作为路由选择的依据（传统的距离矢量路由机制），而ZigBee网络则采用基于信道质量的最优路径算法作为路由选择的依据。ZigBee路由成本路由成本 P133ZigBee路由成本路由成本Round(A):对对A进行四舍五入取整数。进行四舍五入取整数。AODVjr与与AODV比较比较2路由发现过程简化路由发现过程简化路由发现过程的简化路由发现过程的简化AODVjr路径发现的基本思想：通过传播路由包请求包RREQ(Route Request Message)与路由回复包RREP(Route Reply Message)实现路由查找和记录。当RREQ和RREP包在两点之间传递时，这两点之间的损耗最小的路径会被记录下来并保存在路由表中。节点收到数据包后查询路由表，如果有到目的节点的最小损耗路由，则按照该路由传送数据，如没有则启动AODVjr查找路由，发送RREQ包查找路由。若收到了目的节点的RREP包，则证明有最优路由存在，则可以按照此路由传数据包。AODVjr与与AODV比较比较3路由维护过程简化路由维护过程简化AODVjr相对于AODV，采用了终端对终端机制，目标节点需要定时发送给源节点KEEP-ALIVE包（以维护路由表），如果在数据传输过程中发生链路中断，那么源节点将不能接收到从目的节点发来的信息。当节点离开路径一段时间后，源节点将侦听到路径链路中断，如果还需要路由的话，将进行路由修复（具有网络自愈功能）。相比较于AODV算法而言，AODVjr 则不需要HELLO、RERR包的发送，大大节省了控制开销。AODVjr与与AODV路由维护比较路由维护比较AODVjr与与AODV路由维护比较路由维护比较路由表路由表 P134AODVjr与与AODV比较比较4路由表的简化路由表的简化路由表的简化路由表的简化AODVjr与与AODV比较比较5路由环路的避免路由环路的避免AODVjr中则不使用节点序列号，仅规定目的节点回复RREP，并且采用了终端对终端机制，目标节点需要定时发送给源节点KEEP-ALIVE包（以维护路由表），这样同样能避免路由环路，同时可以进一步减少开销。什么是路由环路？什么是路由环路？在维护路由表信息的时候，如果在拓扑发生改变后，网络收敛缓慢产生了不协调或者矛盾的路由选择条目，就会发生路由环路的问题，这种条件下，路由器对无法到达的网络路由不予理睬，导致用户的数据包不停在网络上循环发送，最终造成网络资源的严重浪费。为此，解决路由环路的问题的方法就出现了。3.AODVjr算法流程5.5.4 ZBR路由算法路由算法ZBR算法设计思想算法设计思想 5.6 功能描述网络和设备维护 P125例如：例如：建立一个新网络 协调器建立网络协调器建立网络例如：节点加入或者脱离网络例如：节点加入或者脱离网络邻居列表 一个设备的邻居列表必须包含传输范围内每个设备的信息，一个设一个设备的邻居列表必须包含传输范围内每个设备的信息，一个设备每次从相应的邻居节点收到任何帧，就必须更新一个表的条目。备每次从相应的邻居节点收到任何帧，就必须更新一个表的条目。注意注意：邻居列表只是节点周围单跳节点的列表，有些节点位于邻居：邻居列表只是节点周围单跳节点的列表，有些节点位于邻居表中，但是节点不能与它通信，最明显的例子就是加入网络之前表中，但是节点不能与它通信，最明显的例子就是加入网络之前。邻居列表 邻居列表 5.7 网络层常量与参数网络层常量与参数 P144