Meshtastic 路由算法原理

以下内容翻译自 Meshtastic 官方博客文章《Why Meshtastic Uses Managed Flood Routing》。有兴趣的读者可以阅读 原文。

设计一个低带宽的无线网状（mesh）网络，同时运行在低功耗、内存有限的微处理器上，是一个相当具有挑战性的任务。最简单的网状（mesh）路由协议可以说是洪泛路由：每当一个节点接收到一个数据包时，它会将数据包再次广播，直到达到预设的跳数限制。

虽然 Meshtastic 是基于这种策略设计的，但它进行了几项微妙但非常重要的改进。最重要的是，在节点重新广播前，它会稍作等待并监听其他节点是否已经在重新广播。如果是，则不会重复广播。因此，「管理型洪泛路由」更能准确描述这一策略。有关这些改进的更多细节，请参考我们的官方文档。

由于洪泛路由效率不高，我们明白这种方法并非完美。固件中加入了多项措施来限制网络流量，从而避免网状（mesh）网络被数据淹没。但是，与所有基于射频的协议一样，网络容量始终存在一定限制。为了提高效率，我们曾尝试过「更智能」的路由协议，但在 Meshtastic 的使用场景中，这些协议并未表现出一致的优势。下面我们将探讨为何「管理型洪泛路由」仍然是 Meshtastic 的最佳选择。

Meshtastic 管理型洪泛路由的主要优势

1. 消除路由发现的开销
2. 出色适应动态网络拓扑
3. 优化适配 Meshtastic 常见的广播流量模式
4. 在低带宽环境中展现出卓越的可扩展性
5. 最大限度降低对受限物联网设备的资源消耗
6. 通过大量网络仿真验证了其实用性

避免路由发现的开销

首先，「管理型洪泛路由」完全避免了路由发现或集中式控制的需求。

在传统路由算法中，设备依赖预定义的或动态生成的路由来转发消息。然而，使用管理型洪泛路由，设备开机后即可开始发送消息。

此外，路由发现和维护会产生额外的开销，而这种开销在 LoRa 这样低带宽的协议中尤为明显。要维护路由，可能需要发送额外的控制数据包，或将元数据附加到正常流量中，无论哪种方式，都会占用宝贵的空中时间。

在静态场景中，这种开销问题并不严重，但如果网络拓扑频繁变化（比如下文讨论的场景），这种开销很快会超过「智能路由」协议带来的收益。

无缝适应网络拓扑变化

「管理型洪泛路由」的另一大优势是其应对网络拓扑变化的能力。

在网状（mesh）网络中，设备可能随时加入或离开网络。而在 Meshtastic 中，节点通常是移动的，这使得网络拓扑频繁变化。

此外，环境因素（如天气或时间变化）也可能影响路由。传统路由算法很难适应这些变化，常导致消息丢失或延迟。

然而，管理型洪泛路由在这种场景中表现出色。每个设备在需要时参与路由，使网络能迅速适应变化，确保消息即使在频繁变化的网络中也能成功传递。

限制效率损失

路由协议的目标是在目的地高效地传递数据包。对于单一目标的消息，选择最优路径的确可以显著提升效率。

然而，对于广播消息而言，这种提升有限，因为广播的目的是让网络中所有节点都接收到消息。而 Meshtastic 的大部分数据包是广播消息而非定向消息，这使得「更智能」的路由协议带来的收益有限。

即便在无线介质中，某些节点可能不需要接收消息，但由于其接收灵敏度较高（这是 LoRa 的典型特性），它们依然会接收到广播包，这意味着即使使用「完美」的路由协议，广播包的局限性依然存在。

在低带宽的 LoRa 通信中实现可扩展性

管理型洪泛路由在可扩展性方面表现突出，尤其是在较大的网状（mesh）网络中，不必要的节点会自动避免参与路由。

在包含数百个设备的大型网状（mesh）网络中，可扩展性是关键，而尽量减少空中时间的占用是核心问题。

传统路由算法在面对节点数量增加和动态网络拓扑时，往往难以处理频繁的路由更新，导致大量额外的控制消息。

而使用管理型洪泛路由，新设备加入网络无需复杂的初始化流程，直接参与路由，这增强了整个网络的弹性和消息传递效率。

支持资源受限的设备运行

最后，管理型洪泛路由最大程度地减少了对低功耗物联网设备资源的占用。

传统路由算法通常需要设备维护大型路由表或执行复杂计算，这会占用额外的 RAM、闪存和宝贵的计算资源。

而管理型洪泛路由因其简单且分布式的特性，显著降低了资源消耗。设备仅需转发接收到的消息，无需进行复杂计算，从而将更多资源用于其他功能，并提升设备的运行续航。

许多决策基于 Meshtasticator 的仿真数据

局限性与未来方向

尽管管理型洪泛路由在 Meshtastic 中效果显著，我们仍然认识到其局限性：

• 并非适用于所有网络配置
• 在特定的单播场景中存在改进空间
• 我们正在研究未来可能采用的混合路由方案

当前的管理型洪泛路由虽然不完美，但经过适当的流量控制，已证明在超过 100 个节点的大型网络中依然高效。

任何路由协议都需要权衡取舍，而采用「更智能」的协议不可避免地会带来额外开销，从而削弱其优势。