网络路由协议的研究与应用12页word资料.docx

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第1章绪论

“教书先生”恐怕是市井百姓最为熟悉的一种称呼，从最初的门馆、私塾到晚清的学堂，“教书先生”那一行当怎么说也算是让国人景仰甚或敬畏的一种社会职业。

只是更早的“先生”概念并非源于教书，最初出现的“先生”一词也并非有传授知识那般的含义。

《孟子》中的“先生何为出此言也？

”；《论语》中的“有酒食，先生馔”；《国策》中的“先生坐，何至于此？

”等等，均指“先生”为父兄或有学问、有德行的长辈。

其实《国策》中本身就有“先生长者，有德之称”的说法。

可见“先生”之原意非真正的“教师”之意，倒是与当今“先生”的称呼更接近。

看来，“先生”之本源含义在于礼貌和尊称，并非具学问者的专称。

称“老师”为“先生”的记载，首见于《礼记?

曲礼》，有“从于先生，不越礼而与人言”，其中之“先生”意为“年长、资深之传授知识者”，与教师、老师之意基本一致。

1.1研究背景

一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。

杨士勋（唐初学者，四门博士）《春秋谷梁传疏》曰：

“师者教人以不及，故谓师为师资也”。

这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。

《韩非子》也有云：

“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。

这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。

无线通信是经过电磁波在空间传播而不是借助传统的有线传输媒介，来实现信息传递的通信方式。

由于无线通信的可支持的通信终端的移动性，因此它能够在有线通信不能实现的地理条件的地方仍能正常使用。

无线收发设备成本低、体积小的优点，因此它被发现到目前为止已经有了很大的发展。

无线通信系统可以分为基础设施网络和基础设施网络两种网络结构。

在我们生活中日常见到的例如无线局域网（WLAN，WirelessLocalAreaNetworks）和蜂窝移动通信系统，以及近些年流行的无线个域网以及蓝牙技术等，这些通信技术实现需要提前建立一个良好的基础设施的支持，属于基础设施网络体系结构。

在许多无线通信技术的不断发展的同时，无线网状网络作为一种新的无线网络技术正在成为关注的焦点之一。

无线Mesh网络又称为多跳无线网络，根据IEEE802.11标准，如802.16，802.20和3G移动通信技术，结合成一个多跳无线网络链接包含。

无线网状网络是一种很有前途的宽带无线接入技术，它不光能增大无线系统的覆盖范围，还能够提高无线系统的带宽容量和通信的可靠性。

无线网状网络与传统无线网络有很大的区别，它不但作为新式的宽带无线网络结构，还是一种高速率、大容量的分布式网络。

无线网状网络是因特网的无线版本，能够将它看成是移动自组织网络（Adhoc）和无线局域网（WLAN）的融合，并发挥了二者的优势。

与当今“教师”一称最接近的“老师”概念，最早也要追溯至宋元时期。

金代元好问《示侄孙伯安》诗云：

“伯安入小学，颖悟非凡貌，属句有夙性，说字惊老师。

”于是看，宋元时期小学教师被称为“老师”有案可稽。

清代称主考官也为“老师”，而一般学堂里的先生则称为“教师”或“教习”。

可见，“教师”一说是比较晚的事了。

如今体会，“教师”的含义比之“老师”一说，具有资历和学识程度上较低一些的差别。

辛亥革命后，教师与其他官员一样依法令任命，故又称“教师”为“教员”。

1.2研究目的及其意义

在传统的无线局域网，每个客户端通过一个接入点（AP）的无线链路连接到接入网络，用户必须首先访问可以互相沟通的固定接入点之间，网络结构被称为单跳网络，任何无线设备在无线网状网络中每一个节点能够发送和接收信号，这些节点可以与一个或多个平等节点直接通信，这种方法也是跳更多的访问。

这样，传统的WLAN已经可怜的低可伸缩性和健壮性的解决问题。

无线网格技术的出现，代表着无线技术和大跨度，在家庭、企业、公共场所等在许多领域有着非常广阔的应用前景。

然而，随着应用的一种新型网络，无线网状网络想要成功的实现无线网状网络产品，最终形成一个实用、高效的网络，仍有相当多的关键技术需要我们来解决它。

根据通信网络分层的思想，似乎目前每一层的关键技术问题是：

天线的物理层技术，因为每个节点需要和多个节点向四面八方沟通，如果您使用简单的全向天线，覆盖的范围是十分有限的，而且也会带来一些干扰，从而使频谱利用率下降，并且降低降低网络能力。

因此我们需要开发适合无线网状网络的特点，新天线技术；动态带宽分配管理技术的宽带无线接入设备的MAC层频谱资源往往是有限的，因此必须充分利用信道资源，当前研究的人们关注如何提高系统容量、吞吐量等。

确保网络能够有效地正确的操作是一个高质有效的路由协议的关键。

传统互联网的路由协议主要是固定有线网络发达，他们不适合无线网状网络。

移动自组织网络（特定的）路由协议的研究，虽然取得了一定的成就。

无线网状网络是遗传的移动自组织网络的优点，无线网状网络和传统移动自组织网络的节点移动性，商业模式是不同的，因此，以往开发的一些移动自组织网络的路由协议是不能直接应用于无线网状网络的。

在理论和实践中，通过路由协议适用于无线Mesh网络特性的研究和发展尤为重要。

1.3国内外研究现状

尽管国内外学术界针对无线Mesh网络的路由协议进行过长期较多的讨论研究，但截至目前，对无线网状网络和移动自组织网络路由协议还没有提出正式标准。

然而，根据目前国内外一些无线网状网络路由协议研究过程的分析可以发现，大多数无线网状网络的路由协议采用同样的模式的研究过程，也就是说，首先，分析更成熟更经典路由协议在移动自组织网络，然后结合无线网状网络本身的特点来选择改进的协议的一个角。

最后，我们得到了无线网状网络的路由协议。

路由判据的路由策略是无线网状网络路由协议的研究和开发，是一个高性能的基础的路由协议。

因此我们在设计无线路由协议时，要考虑下面的几个因素：

（l）路由的健壮性。

对于任何网络路径测量不确定性的表现不好，变化往往会导致大量的路由更新，和路由协议在路由更新频繁的情况下不能形成一个一致的，并可能损害正常的网络操作。

捕获的路径路由策略类型是确定的路径度量的鲁棒性的主要因素，这取决于知觉负载和特定类型的拓扑结构。

（2）确保拥有最好性能的路径的权重最小。

设计路由判据可以捕获一些参数影响网络路由的性能，确保无线网状网络是有效利用资源，这些参数主要是链接能力，路径的长度，干扰，和丢包率等。

（3）确保无路由环路。

判断路由中是否会存在路由环路可以经过保序性。

（4）能够找到有效的算法用来计算出最小代价的路径。

是否会有一个路由环是由保序顺序确定，和路由度量的有效算法必须具备的条件。

对网络的路由协议算法国内外的研究主要有以下几点：

①基于跳数协议的路由协议的路由算法：

跳算法广泛应用于当前的路由协议（如DSR，AODV，基于DSDV，TORA），它具有保序性可以避免路由环路的现象。

JoshBroch等人在非常类似的模拟环境中，模拟和对比了DSDV，AODv、DSR和TORA四种路由协议的性能。

他们的结论是，停顿的时间较长，DSDV协议传输的所有数据包，但与移动节点增加DSDV协议融合率越来越糟。

而且DSDV协议的操作具备一定的可预测性。

第四种路由协议是最糟糕的，该协议的性能处理越来越多的数据来源和产生许多路由控制包，所以网络不能够适应并导致数据包丢失很多。

DSR协议的各种移动操作速度很好，数据包交付率通常在95%以上，因为DSR协议使用源路由，所以DSR协议增加数据包的长度。

在各种情况下，AODV和DSR相比，该协议大大降低了数据包的的字节数，同时可以达到一样的效果。

但比DSR协议AODV协议派遣更多的路由控制包，虽然减少了数据包的数据的字节数。

DSR和AODV在一个不同的网络负载、网络规模以及节点移动环境之中，对于这两种类型的按需路由协议AODV和DSR性能进行了研究，研究结果表示，DSR协议和AODV协议虽然具有按需路由协议的特点，但由于使用不同的协议机制，以便对DSR协议和AODV协议的性能明显不同。

尽管DSR协议和AODV协议是按需路由协议，但它们有不一样的路由机制。

DSR协议不依赖于任何时间和周期活动，它是使用源路由和路由缓存机制。

AODV协议和AODV协议可以使用路由表生成机制来防止路由环路。

少的节点总数、低负荷和速度条件下的小，网络节点的吞吐量和平均端到端延迟DSR协议AODV协议的性能优越：

相反，负荷较高，但在DSR协议的大型移动速度的情况下，AODV协议的性能较低。

一般情况下，相对于AODV协议来说，DSR协议路由的开销是比较低的。

Hai-lin张在AODV协议的基础之上提出改进AODV路由算法的想法，他建议在新的路由算法里使用跨层路由层操作，取代使用定期发送你好消息包，每次路由层发送控制数据包或数据消息，最新的序列号信息节点将消息放置在MAC层，连同所有的MAC层采用EE802.11协议，并根据协议：

Address4MAC层数据帧头字段（字段是用于存储BSSID）空闲时这一领域的网络并不是基于无用，因此我们可用MAC层Address4这头字段数据帧位置节点的序列号价值。

有一个节点的MAC层接到相邻节点发送数据帧时，该节点收到的数据帧头中提取您的邻居节点的MAC地址和最新的序列号值，然后上传到路由层来更新路由表条目。

当源节点发送数据包到目标节点，如果找不到可用的路由在路由表条目，源节点的邻居节点广播路由请求包，相邻的节点接到路由请求包后确认他是目标节点或有路由到目标节点，不是继续广播路由请求，直到找到一个消息到目标节点的路由节点或找到目标节点本身。

但是如果经常在这个步骤中，将加剧网状网络的负担。

任后之等提出的路由协议改进CLAODV和腋下。

CLAODV协议通过MAC层数据帧接收（单播/广播）来更新路由表的信息表，而不需要你好消息，若MAC层在一定的时间内没有发送数据帧，生成一行来帮助CHeno框架来取代你好框架，使用这种机制，相应数量的控制可以减少网络数据包，可以节省网络资源，在腋下的协议，如果你能做到目标节点的位置，可能只有到目标节点的近似位置路由请求数据包广播的方向，从而减少导致网络路由请求包的数量，从而节省网络的带宽资源。

②基于跳数传输次数的路由协议算法：

KoksalCE等人提出的跳数传输次数路由协议算法。

其定义跳数传输时间的定义（ETX）MAC协议层的路由算法使用链路传输一个数据包传输成功率的跳数。

通过发送广播包在数据链路层来估计跳数传输时间。

ETX路径所有的链接和被定义为路径的重量，协议选择最低重量的路径。

ETX有许多优点：

ETX与等压的指标，它可以确保最低成本路由路径，避免循环；ETX指标。

据也能够捕获数据包和路径长度的影响；节点使用广播数据包来取代之前的单播数据包，在一定程度上，减少了网络开销。

ETX量度主要缺点是它不考虑测量数据传输速率和链路负载，并在同一时间，也不考虑干扰问题。

③基于跳数传输时间的路由协议算法：

DravesR等人提出的跳数传输时间路由协议算法，使用链接的数据包的传输时间的成功交付跳上跳数的MAC层是一个单一的链路传输时间（ETT）的价值。

类似于ETX路径，每个链接的价值和内被定义为路径的重量，协议选择路径的最小重量。

内路由协议算法是跳数传输时间ETX算法的一种改善。

该算法与ETX路由协议算法。

该算法的弊端是没有考虑流内和流间干预问题。

④加权的累计传输时间路由协议算法：

kravetsr等人提出的路由协议算法（WCETT）路由协议算法，这个算法弥补跳数算法没考虑到的干扰问题流，流中的可以减少干扰的影响，WCETT使用方法是减少由一个数据流，使用的路由上的节点数量相同的频道。

缺陷在WCETT路由协议算法忽略了流之间的干扰效应；二是致命的一点是，它并没有确认订单，因此，它不能保证最低成本路由路径，避免循环生产此外，有一个消息完整性检查（麦克风）路由协议算法等，麦克风是一种改进的WCETT算法，主要解决流干扰和等级间的问题。

第2章无线Mesh网络路由协议的研究

2.1无线Mesh网络概况

无线Mesh网络是商业应用程序特定的一个新的无线技术，这些应用包括家庭网络的宽带网络，社区和协作网络管理，智能交通系统。

无线Mesh网络为互联网业务提供商（hitemetServieeProvider，ISP）在建立一个强大的和可靠的成本合理的无线宽带服务的访问和其他最终用户提供选择。

无线Mesh网络由无线Mesh网络架构的网络路由器和网络终端构成，静态的Mesh路由器构成的框架网格路由器，无线网络，每一个网格访问网络，终端与其他终端的网络。

在一个网络连接的网状网络的自动建立和维护每个节点。

此功能为最终用户有很多优势，如降低前期成本，简化网络维护，网络更健壮，业务覆盖更稳定。

相对于传统无线接入技术来说，主要使用点点对多或者点对点的拓扑结构。

一般存在于这个拓扑中心节点，如移动通信系统的基站，无线局域网（wLAN）802.11接入点（AP）等等。

中心节点和每个无线终端连接由一个跳无线连接，控制无线终端接入到无线网络；同时，通过电缆连接连接到有线骨干网，提供链接到骨干。

在无线网状网络，使用网格，一个多点对多点网络拓扑是网格拓扑结构。

在这种网状网络结构中，网络节点相邻的其他网络节点通过无线跳方式更多的连接。

此外，各种先进的射频（rf）采用无线网状网络技术（如射频接口和智能天线），所以无线网状网络的能力可以大大提高；此外它还可以经过网格路由器和桥梁以及各种现有无线网络集成，譬如无线传感器网络、wifi、WIMAX。

因此，通过全面的无线网状网络，终端用户可以使用各种无线网络在同一时间。

无线路由器和无线网状网客户端是无线网状网络包含的节点。

根据结构网状网络节点的功能分为三个类别：

骨干网状结构，客户端网状结构和混合结构。

骨干网状结构是由网格路由器网络互连，通过网无线网状骨干网路由器连接到外部网络。

除了无线路由器的网关路由器，路由功能是传统的继电器的功能，还支持网络互联，无线通信可以跳的，无线覆盖具有相同的低传输功率。

骨干网络结构具有优势的部署，如果必要的话，可以直接在无线网索多个基站连接到互联网，更多的网关的形成在无线网状部署更多的网关，不仅可以改善网络的能力，也能提高网络的可靠性。

也就是说，如果一个网关在网络故障，网关数据转发任务可以执行路由和网关，而不是其他。

端网状结构是由一个小网客户点对点通信网络之间的互连，在用户设备之间提供四个点对点的服务。

一个笔记本电脑，手机，PDA等可以是网状网络用户的终端。

配备无线网卡天线用户设备。

这种结构实际上是一个Adho。

其可使用网络，在没有现有网络基础设施提供通信支持的情况之下，客户端用户终端的网状结构除了发送和接收数据包之外，还要有路由和组织的功能，任何一个节点发送数据包可以转发其他客户到达目的节点。

值得注重的是，在客户端网状结构，最终用户的迁移是一个具有挑战性的问题，因为网络拓扑结构和连接将用户的移动而变化。

2.2无线Mesh网络路由协议的特点

无线Mesh网络作为一种自组织、自配置的动态网络，其路由协议应该具有一些特点。

（l）移动性。

在上一章节谈到，无线Mesh网络主要是由一个网络的路由器和网络终端组成。

当我们设计无线网状网络的路由协议、节点的移动性应该考虑，基于无线网状网络路由的设计，考虑到节点移动性、低优先级移动的节点。

（2）提高链接的质量变化。

在无线网状网络，无线连接的质量可能由于无线环境的变化不断变化，因此路由算法必须能够应对改变链接的质量，而且，当链接无效，路由算法必须提供快速选择路由。

（3）分布。

必须分布式无线网状网络的路由算法，因为它是不可能使用一个集中的实体计算路由的路由器。

因此，每个路由器必须能够自动计算每个数据包转发决策。

此外，在无线网状网络的路由算法也必须在多无线电环境的一些其他特征。

2.3无线Mesh网络的路由协议研究

根据路由协议的建立过程，在无线Mesh网络路由协议主要分为主动和被动路由协议的路由协议。

2.3.1无线Mesh网络主动式路由协议的研究

主动路由协议和协议称为主动路由协议和路由表。

主动路由协议在数据传输中，决定了传输路径，其路由表计算，并通过定期更新维护路由表信息。

图2-1是部分主动式路由协议。

图2-1主动式路由选择协议

在主动式路由协议中，每个节点维护一个或多个节点的路由表信息在网络中的其他节点的路由信息，最新的记录本节点的所有其他节点，经过节点之间的交互信息来响应网络拓扑的变化来更新路由表以及维护网络拓扑结构和路由信息的一致性和准确性。

上述协议的主要区别是一个路由表信息和网络拓扑结构，在网络传输中的不同路由更新信息的维护的类型和数量的变化。

DSDV是主动式路由协议中最典型的基于目的顺序号距离矢量协议（DestinationSequencedDistanceVectorRouting）。

在经典的Bellman-Ford路由机制的基础上改进的DSDv表驱动路由协议，其改进之一是防止路由环路形成路由表，网络中的每一个节点维护一个含有数量的跳转到网络中其他节点的路由表，其路由表的每个条目记录目标节点的跳数和下一跳节点地址。

每个目的节点路由表条目分配一个序列号。

这个序列号用来区分过期的最新路由、路由和节点优先级路由的序列号，序列号是否相同，喜欢跳路由越少，这样你就可以避免路由迴圈。

定期更新路由信息在网络传输中，用于维护路由表的一致性。

路由更新消息可以采用两种方式：

一是在明确的方式，多个网络协议数据单元（NetworkProtocolDataUnits，NPDUs）。

第二是数据更小的增量更新的方法，转移只有那些在最后一次清除所有改变路由信息，因此，减少了网络流量，应放置在一个标准的NPDU路由信息。

新的路由广播消息包含：

目的地址、目的地址跳号，序列号，只有收音机。

有序列号的最新路由节点的优先级，同时一个序列号，选择具有最小跳路由。

2.3.2无线Mesh网络被动式路由协议的研究

被动式路由协议只有在接收到数据请求进行路由发现过程，对被动式路由协议的一部分，如图2-2所示。

图2-2被动式路由协议

在被动式路由协议中，与主动式路由协议不同，节点平时不需要维护网络的路由信息表，只有当源节点需要时才建立路由，在一个节点需要发送数据包到目的节点并且源节点的路由缓存中并无到目的节点的路由情况时，它先需要初始化一个路由发现过程，向相邻的节点广播一个包含目的节点信息的路由请求消息，一经检测到达目的节点的路由，那么该路由发现过程就实现了。

图2.3路由发现过程

图2-3为被动式路由协议的路由发现过程。

当源节点1、6数据发送到目的节点，那么源节点1将开始路由发现过程，到相邻的节点（上图是2、3、4）广播路由请求消息，如此重复操作，中间节点转发路由请求消息到目标节点只有6（假设中间节点路由缓存没有路由到目标节点），目标节点接收到从多条路径转发路由请求消息，生成一个响应消息路由，选择合适的路径路由响应消息发送回源节点，路由节点1得到1的响应消息是6到目标节点的路由后收到的路由发现过程。

被动路由协议，DSR和AODV是最广泛使用的按需路由协议。

DSR（D”田元csourceRoutingDSR）也被称为动态源路由（DSR路由请求消息记录字段（RREQ）所有的中间节点的源节点到目标节点的路由信息，图2-4是主要的DSR路由请求消息内容。

请求消息的残余跳说这也可以在网络传输跳数，它避免了RREQ无限的无线网络中，初始值为最大跳数值，每一个中间节点，价值减去，义务为0，它丢弃RREQ，路由初始值0，每个中间节点的大小地址记录添加到路由，路由值加上1；RREQ标识符是请求ID的大小；最大跳数限制是跳标志；从源节点到目的节点的全部中间节点信息由路由记录字段记录。

图2-4DSR路由请求消息

中间节点收到RREQ后，首先检查源节点和在节点的路由表的要求存在的RREQID的请求序列（的开始节点和转发RREQ记录），如果有，则丢弃RREQRREQ这个节点已经转发，不需要重复转发；如果没有，然后看看RREQ路由记录字段已经包含的节点地址，如果包括，丢弃RREQ，无需处理；如果不包含，那么RREQ检查目的地址的节点地址，否则，该节点目的节点，源节点的路由节点是场序RREQ路由节点地址记录。

该节点将产生一个响应消息（RREP）源节点，路由和路由记录字段的内容复制到RREP，源节点接收RREP目的地节点，路由发现过程已经结束，假如目的地址不是RREQ的节点，则该节点添加到路由记录领域，与此同时，相邻节点广播RREQ，路由发现过程。

基于上述DsDv协议AoDv路由协议，然而，AoDv协议只有当需要路由广播路由请求消息创建路由，而不是像DsDv协议，每个节点需要维护一个完整的路由协议。

路由协议只支持双向链路网络的AODV路由协议，它包含两个部分的路由发现和路由维护。

（l）路由发现

当源节点到目的节点发送数据，源节点不到目的节点的路由，源节点将启动路由发现过程。

AODV路由协议类似于DSR路由发现过程，在AODV路由发现过程，反向路由和转发路由。

图2-5显示了AODV路由状态图。

与DSR协议AODv路由请求消息（RREQ）不需要路由记录字段到源节点到目标节点的路由信息。

在DSDV协议的序列号，用源代码来确保反向路由的有效性，对RREQ广播的使用；目的序列号来保证了路由效率。

图2-5AODV协议的路由发现过程

图示中，节点经过广播ID和源地址序列来判断收到的RREQ有没有出现重复现象。

记录中央节点路由信息用于形成反向路由如下：

上游节点（发送RREQ节点到节点）地址、目的地址、源地址、广播ID、反向路由超时值源和序列号。

除了跳计数器的值加1。

目标节点（节点或目的节点的新路线）沿逆向路由响应消息（RREP），当源节点接收RREP之前，生成相应的路由中心节点，源节点经过前向路由就能发送数据报文给目的节点。

（2）路由维护

AODv协议的路由维护过程可以描述如下，如果源节点在移动，之前建立的路由不可用，在源节点重新启动路由发现过程，找到一个新的路由到目标节点；如果目标节点或中间节点，然后将节点将检测上游节点移动（上游节点路由访问）检测，并生成一个错误消息路由之前rr沿反向路由路径各节点和源节点。

源节点接收到的RR，重新启动路由发现过程，RREQ广播，一个新的道路设置目标节点。

此外，该链路节点也可以通过周期性广播1跳helfo信息检测其相邻节点的可达性。

2.4本章小结

本章首先简要的介绍了无线Mesh网络的基本知识；接着分析了无线Mesh网络路由协议的特点；对两种类型的无线网状网络路由协议：

主动路由协议和被动路由协议，对它们进行深入的研究，而且分析DSDV、DSR和AODV这三个特别典型的路由协议；DSDV协议数据包在静态环境中更少的点对点的平均延迟时间，包交货率总是呆在一个稳定的状态；在移动环境下，DSR和AODV协议数据包平均点对点的延迟时间是小于DSDV协议，交货率值高于DSDV协议。

综合比较这三个协议，被动路由协议可以找到更适合无线网状网络，特别是在节点数目多，网络拓扑变化快的Mesh网络环境中。

第3章NTAODV路由协议设计与实现

3.1NTAODV协议涉及思想

无线Mesh网络经常使用的两类路由协议的性能做了具体的比较分析。

NTAODv网络拓扑信息主要设计原则是：

一方面，从复杂的网络拓扑结构，优先选择有稳定节点创建路由拓扑。

通过这种方式，即使其他节点在网络拓扑结构发生了变化，也不会影响这条道路，以有效降低网络拓扑变化由于路由失效概率，即路由发现过程可以减少死刑的数量。

提高路由链路的可靠性，从而促进网络的整体性能。

另一方面，需要设计一个新的路由判据。

由于路由的建立，应优先考虑的拓扑结构是稳定的，与AODV协议是纯粹的物理（H）的路由判据没有考虑节点的稳定性问题的基础上，有必要设计一个新的路由度量。

在NTAODV路由判据是基于跳数的节点拓扑变化信息，同样是使用新的加权函数来替换原来的简单的跳。

因为网络拓扑的变化反应在移动节点的节点，因此优先选择具有稳