第一章 緒論
1.1 研究背景
1.1.1 MANET (Mobile Ad Hoc Networks)特性
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難以預測，頻寬資源往往都被路由搜尋亦或是路由路徑(routing path)重新建置的控制訊 號所消耗。因此在 MANET 的環境下，頻寬資源的使用、網路的安全都是重要的議題。
Source
Destination
圖 1.3：具多點跳躍之網路架構
1.1.1 MANET ( Mobile Ad Hoc Networks )
特性網際網路工程研究團隊(Internet Engineering Task Force, IETF) MANET Working Group指 出，行動隨意網路具有下列幾種特性[19]：
(1) 動態拓樸(dynamic topologies)：無線隨意網路中，節點具有動態移動特性，每 個節點可能隨時移動，造成拓樸(topology)變動以及路由的變化。換句話說，
在此環境下拓樸會快速不斷的重組與變化。
(2) 頻寬限制、連結容量大小不一(bandwidth-constrained, variable capacity links)：
無線網路易受到外在的干擾、如雜訊、訊號衰減等影響。因此實際的傳輸頻 寬往往與理想值有所差距。
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(3) 電力的限制(energy-constrained operation)：移動式節點大多依靠電池，所以在 節能省電的前提下，系統設計也是一個重要的課題。倘若電力消耗殆盡，會 造成節點消失。
(4) 有限的安全性(limited physical security)：無線隨意網路較一般有線網路更有安 全威脅的疑慮，需要考慮竊聽(eavesdropping)、欺騙(spoofing)以及拒絕服務 (denial-of-service attacks)等安全議題。
綜合上述幾點可以發現，MANET 在拓樸變動且頻寬資源有限的情況下，路由的決 定是一項重要的課題。目前相關文獻研究也十分廣泛。以拓樸為基礎(Topology-based) 以及以位址資訊為基礎(Position-based)的路由協定是 Ad Hoc Networks 建立路徑常見的 兩種方法。
關於 Topology-based 的路由協定，由於節點與節點之間並未提供位置方向等訊息，
其運作方式必須先用廣播的方式了解整個網路，藉此建立路由資訊。為了取得資訊，需 利用廣播和群播方式，導致資料流大量的產生。相反的以位址資訊為基礎(Position-based) 的路由協定，其封包遞送方向是以節點位址(location)資訊為依據。與前述 Topology-based 之差別在於，行動節點不必發出大量的廣播訊息來維護路徑，相較之下訊息負載量 Position-based 較 Topology-based 更有優勢。但是在尚未得知目標節點位址之前，其運作 方式為：每個節點將自己的位址資訊以週期性的方式廣播出去，因此也面臨廣播成本資 料流大量產生的問題。在 MANET 環境中有許多 routing protocols 被提出，如圖 1.6 所示
。可將其分為三大類[17]，分別為主動式路由(Proactive Routing)也稱表驅動(Table-driven Routing)；回應式路由策略(Reactive Routing)又稱隨需式路由(On-demand Routing)；另一 種為混合式路由(Hybrid Routing)，以下將簡述其運作方式。
主動式路由(Proactive Routing)會預先為網路中節點建立路由資訊。各個節點有一個
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以上的路由表需要維護，使其得知並儲存其他節點資訊，當有請求時便可迅速獲得路徑
。因為網路拓樸頻繁變動，當無需使用這些路由表時，各節點依然不斷的維護路由表 (routing table)，因而耗費大量的網路頻寛，這是主動式路由的最大缺點。著名的 Routing Protocol 為 DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector)[18]。
回應式路由(Reactive Routing)的運作方式與主動式路由(Proactive Routing)相反，不 會預先為網路中所有節點建立路由資訊，只維護其所需使用到的路由表。相較於主動式 路由(Proactive Routing)其優點是減少維護成本，伴隨而來的缺點則是，當一開始要交換 資訊時會因為路徑尋找，比 Proactive Routing Protocol 更來的耗時。著名之代表性的 Routing Protocol 為 DSR、AODV[17]及 TORA。混合式路由(Hybrid Routing)則是將兩類 路由概念整合起來，以強化原本路徑之缺點。
Proactive Routing Protocol 主動式路由協定
1994 年 DSDV 路由協定被提出，由 Distributed Bellman-Ford 演算法衍生而來。當 執行 DSDV 時，各個節點必須維護一份路由表，如圖 1.4 所示。節點彼此交換之路由資 訊包括距離向量、本身的序列編號(sequence number)、所有已知節點之目的地序列編號 (destination sequence number)及可到達目標節點所需之 hops 數。各節點管理自身之序列 編號，當路徑更新時，序列編號可供節點辨識路徑狀態及時效性，判定是否過期，防止 route loop 產生。當檢測到拓樸變動則會定期或即時更新路徑資訊。對路由更新封包又 提出兩個方法：full routing update 在固定時段執行，廣播並傳送自己完整的路由表給其 他節點。Incremental update 是當拓樸只有少量變動時，節點只傳送最近有變動的部份，
做累加式更新。
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6 Routing Table
圖 1.4：主動式路由協定
Reactive Routing / On-demand Routing 隨需式路由協定
Reactive Routing 是當來源節點要傳遞資料到目標節點且沒有該目標節點的資訊時
，開始執行路由搜尋。也就是當來源節點需要與目標節點溝通時，便會啟動路由發現 (route discovery)程序。當發現能與目標節點溝通的路由出現一條路徑，或是搜尋完所有 可能的路由皆無法到達時，程序便會結束，如圖 1.5 所示。著名的有 DSR (Dynamic Source Routing) [20]與 AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) [16]等路由協定。
DSR (Dynamic Source Routing)：利用 route cache 儲存節點的路由資訊，中繼節點依 照 header 一一將資訊送出去。其運作方式如下，當要傳送資料時，檢查 cache 是否有資 料，若有則可直接傳遞資料；否則啟動路由發現程序，廣播路由請求(Route REQuest, RREQ)封包，開始路由發現的程序。當找到目標節點資訊或是某節點之 route cache 擁有 該資訊時，回覆路由回應(Route REPly, RREP)。在此協定下，當傳遞封包給下個節點失 敗時，便會產生路由錯誤封包(Route ERRor, RERR)告知來源節點，並沿路將路由資訊清
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除，重新啟動 route discovery 程序尋找路徑。
AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector)：當來源節點需要傳送資料到目標節點 時，路由探索程序與 DSR 類似，但最大的差異是維護路由資訊。AODV 是一個目的地 一個欄位，與傳統路由表格相同。回覆路由(Route REPly, RREP)，利用之前 RREQ 封包 建立反向路徑(reverse path)，該路徑之節點也一併建立轉送路由 (forward route) 欄位，
為了避免迴圈也使用與 DSDV 一樣的目的地序列編號。AODV 利用 timer 解決路由老舊 問題，刪除過期路由。
Source A
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B
D
E
F
G Routing Request
Routing Relay
Routing Path A-C-E-G
Destination 圖 1.5：隨需式路由協定
混合式路由 (Hybrid Routing) 路由協定
混合式路由是結合 Proactive Routing Protocol 及 Reactive Routing Protocol 之概念，
所提出的路由協定。目前路由協定可區分為三大類，分別為 Proactive Routing Protocol
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、Reactive Routing Protocol 以及兼具兩者功能的 Hybrid Routing。圖 1.6 為各分類的若干 個知名路由協定。
Routing Protocol for Ad Hoc Wireless Networks
Based on Routing Information
Update Mechanism
Table-Driven
圖 1.6：Ad-hoc Mobile Routing Protocols [23]