李帥　蔡明

摘 要： 在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)隨意快速的移動通常會造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的劇烈變化，可能導(dǎo)致傳輸鏈路斷裂和路徑的不穩(wěn)定。針對這種情況，在分析現(xiàn)有MAODV路由改進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的、基于路徑穩(wěn)定性的路由協(xié)議（RS?MAODV）。新協(xié)議與MAODV不同的地方在于：考慮構(gòu)成路徑的鏈路間的相關(guān)性，選擇最穩(wěn)定的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此改善網(wǎng)絡(luò)性能。利用NS2仿真工具對改進(jìn)前后網(wǎng)絡(luò)的丟包率及端到端延遲參數(shù)做比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)后協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)丟包率及端到端延遲均得到改善。

關(guān)鍵詞： 無線自組織網(wǎng)絡(luò)； 路由協(xié)議； 路徑穩(wěn)定度； 網(wǎng)絡(luò)仿真

中圖分類號： TN915.04?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0001?04

MAODV routing protocol improvement based on stability of path

LI Shuai， CAI Ming

（IOT Engineer School， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： In Ad Hoc networks， random movement of nodes usually causes severe changes of network topology， which may possibly result in breakage of transmission links and instability of routing path. In view of this situation， based on the analysis of existing MAODV routing improvement technology， an improved routing protocol named RS?MAODV is put forward. The diffe?rence between the new protocol and MAODV lies in that the new routing protocol chooses path with highest stability for data transmission to improve the network performance while considering the correlation between links. The simulation tool NS2 is used to compare the packet loss rate and end?to?end delay parameters before and after improvement. The experiment results that the packet loss rate and end?to?end delay of the improved protocol are better than before.

Keywords： wireless Ad Hoc network； routing protocol； path stability； network simulation

0 引 言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)，又稱Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，是一類由大量移動的、配備有無線收發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，具有多跳、自組織、分布式等特點(diǎn)[1]。該類型網(wǎng)絡(luò)由于布設(shè)靈活，不依賴于預(yù)設(shè)的固定基礎(chǔ)設(shè)施，受環(huán)境、氣候、地理位置等因素影響較小，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害預(yù)警、橋梁工程、生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置會隨其移動不斷發(fā)生變化，從而造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊貌环€(wěn)定。這種不穩(wěn)定的變化可能會導(dǎo)致某條正在通信的路由斷裂，甚至有可能造成網(wǎng)絡(luò)分段的嚴(yán)重后果，因而路由的穩(wěn)定性逐漸成為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中研究的熱點(diǎn)之一。

MAODV[2]是一種經(jīng)典的多播路由協(xié)議，是無線自組織網(wǎng)絡(luò)中按需距離矢量路由協(xié)議AODV[3]的多播擴(kuò)展。MAODV是基于樹轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)的多播路由協(xié)議，目前，在路由選擇過程中，采用最大序列號或最少跳數(shù)的路由選擇機(jī)制，即在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間選擇一條最短的連通路徑，很少考慮所選路徑是否穩(wěn)定。在一些MAODV的改進(jìn)方案中，為保證路徑的穩(wěn)定性，常使用的解決方法是為鏈路建立一條備用鏈路，當(dāng)原鏈路遭到破壞時(shí)使用；要么是根據(jù)鏈路斷裂的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測，在鏈路斷裂前主動進(jìn)行修復(fù)[4?5]。然而，備用鏈路也不一定穩(wěn)定，組成備用鏈路的節(jié)點(diǎn)也會有移動，仍可能導(dǎo)致備用鏈路的斷裂。另外，在這些方案中，均假設(shè)相鄰鏈路間是獨(dú)立的，沒有考慮鏈路的相關(guān)性，這與現(xiàn)實(shí)中網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況不符。因而，在現(xiàn)有穩(wěn)定性理論研究[6?8]的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮相鄰鏈路的相關(guān)性和路徑的穩(wěn)定性，提出了一種基于路徑穩(wěn)定性的路由協(xié)議RS?MAODV。在改進(jìn)后的協(xié)議中，為解決路徑穩(wěn)定性的問題，引入兩個(gè)度量值：鏈路穩(wěn)定度SPL；路徑穩(wěn)定度SPR。這兩個(gè)度量值分別用來衡量鏈路和路徑的穩(wěn)定程度。在路由選擇過程中，選取最穩(wěn)定的路由作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間傳輸信息的路徑。

1 RS?MAODV路由算法

1.1 算法設(shè)計(jì)思想

大多數(shù)路徑穩(wěn)定性算法都基于熵[9]的構(gòu)造理論，用改造后的熵表示路徑的穩(wěn)定性。然而這種熵的構(gòu)造主要是通過局部節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動變化情況決定的，僅考慮了節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度，沒有考慮節(jié)點(diǎn)間的距離因素。在改進(jìn)后的穩(wěn)定性算法中，為提高穩(wěn)定性選擇的準(zhǔn)確性，通過鏈路的可持續(xù)時(shí)間來預(yù)測鏈路的穩(wěn)定度。

穩(wěn)定度被定義為在時(shí)間間隔Δt內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)或局部范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)相對位置的變化程度。在Δt時(shí)間內(nèi)，假定互為鄰居的節(jié)點(diǎn)仍在彼此的覆蓋范圍內(nèi)。不難推測出，如果節(jié)點(diǎn)i和其覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（即鄰居節(jié)點(diǎn)）在Δt內(nèi)相對位置變化程度劇烈，則說明節(jié)點(diǎn)i無線覆蓋范圍內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，反之穩(wěn)定性越好；如果某條路徑上的節(jié)點(diǎn)與其上、下游節(jié)點(diǎn)在時(shí)間間隔Δt內(nèi)相對位置變化劇烈，則說明該節(jié)點(diǎn)與其上、下游節(jié)點(diǎn)組成的鏈路穩(wěn)定性較差，包含這些鏈路的路徑穩(wěn)定性也較差。

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的通信往往通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，因此，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由通常由一系列鏈路組成，如圖1所示。不難推測，路徑中任一條鏈路的斷開都將導(dǎo)致整條路徑的斷裂和不可用，路徑的穩(wěn)定度主要取決于組成它的各段鏈路的穩(wěn)定度。因此，要計(jì)算路徑的穩(wěn)定度SPR，一個(gè)可行的求解思路是先求出組成該路徑的每一段鏈路的穩(wěn)定度SPL，然后根據(jù)鏈路和路徑的組成關(guān)系最終求出路徑的穩(wěn)定度。路由的選擇依據(jù)路徑的SPR值來確定。

鏈路的穩(wěn)定度通過鏈路維持時(shí)間預(yù)測的方式獲取。多數(shù)情況下，為處理方便，均假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中組成路徑的各段鏈路間彼此相互獨(dú)立，此時(shí)路徑的穩(wěn)定度用鏈路穩(wěn)定度聯(lián)乘法[10]計(jì)算得出。然而在實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，相鄰鏈路間往往是相關(guān)的，為此還需要考慮鏈路間的相關(guān)性。這種情形下路徑穩(wěn)定度的計(jì)算方法相對復(fù)雜，在網(wǎng)絡(luò)模型部分詳細(xì)給出。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型和標(biāo)記

將網(wǎng)絡(luò)抽象為無向圖結(jié)構(gòu)G=（V，E），其中V是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的集合，E是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間有效鏈路的集合。這里假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的特征相似，如其無線覆蓋半徑相等，記為R。有效鏈路指此鏈路為雙工類型的鏈路，雙工鏈路指組成此鏈路的兩節(jié)點(diǎn)相互在對方的無線覆蓋范圍內(nèi)，彼此間進(jìn)行雙向信息傳輸，鏈路兩端的節(jié)點(diǎn)既是信息的發(fā)送方又是信息的接收方，如圖2所示。

1.2.1 鏈路的穩(wěn)定度SPL

假設(shè)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在彼此的覆蓋范圍內(nèi)并能互相發(fā)送接收消息，則節(jié)點(diǎn)i，j構(gòu)成的鏈路即稱為有效鏈路，也稱節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j互為鄰居節(jié)點(diǎn)。如果某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i移出節(jié)點(diǎn)j的無線覆蓋范圍，則節(jié)點(diǎn)i將接收不到節(jié)點(diǎn)j廣播的位置消息。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)刻tk的位置向量表示如下：

[pos（i，tk）=（xi，yi）] （1）

用同樣的方法求出節(jié)點(diǎn)j在時(shí)刻tk的位置向量，那么節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在時(shí)刻tk的相對位置向量為：

[pos（i，j，tk）=pos（i，tk）-pos（j，tk）] （2）

假設(shè)互為鄰居的節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在時(shí)刻tk的地理坐標(biāo)分別為[xi（tk），yi（tk）]和[xj（tk），yj（tk）]，那么在時(shí)刻tk，兩節(jié)點(diǎn)之間的距離求解公式如下：

[pos（i，j，tk）=（xi（tk）-xj（tk））2+（yi（tk）-yj（tk））2] （3）

在公式（3）中，由圖2可知，[pos（i，j，tk）∈][0，R]。

那么在Δt=tk-tk-1時(shí)間間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的相對位置變化量Δdij為：

[Δdij=pos（i，j，tk）-pos（i，j，tk-1）] （4）

由于假設(shè)在Δt持續(xù)時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j仍互為鄰居節(jié)點(diǎn)，可以推測得知Δdij∈[-R，R]，那么[Δdij∈[0，R]，]即計(jì)算出在取值區(qū)間[0，R]上相應(yīng)的鏈路穩(wěn)定度的值[SPL=Δdij，]其中R表示節(jié)點(diǎn)的無線傳輸半徑。為方便處理，對鏈路穩(wěn)定度的求解公式做一些調(diào)整，處理后穩(wěn)定度求解表達(dá)式如下：

[SPL=1-ΔdijR] （5）

式中：[Δdij]表示Δt時(shí)間間隔內(nèi)節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j相對位置變化量的絕對值，根據(jù)圖2與式（4）可得SPL的取值區(qū)間為[0，1]。從公式（5）中還可推斷出，SPL值越大，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在Δt時(shí)間間隔內(nèi)相對位置變化就越小，說明此鏈路越穩(wěn)定，越不容易發(fā)生斷裂；SPL值越小，節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在Δt時(shí)間間隔內(nèi)相對位置變化就越大，節(jié)點(diǎn)i相對節(jié)點(diǎn)j的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化劇烈，此鏈路越不穩(wěn)定，發(fā)生斷裂的可能性越大。

1.2.2 路徑的穩(wěn)定度SPR

由上面論述可得知，路徑的穩(wěn)定度是路由選擇最基本的依據(jù)，路徑的穩(wěn)定度取決于構(gòu)成路徑的各段鏈路的穩(wěn)定度。多數(shù)處理模型中，為處理方便，均假設(shè)各鏈路彼此間獨(dú)立，不存在相關(guān)性關(guān)系，這時(shí)可用連乘法得到路徑的穩(wěn)定度。此時(shí)，路徑的穩(wěn)定度求解公式如下：

[SPR=i=1nSPLi] （6）

然而，在實(shí)際的Ad Hoc應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中，組成路徑的各鏈路間往往是存在相關(guān)性關(guān)系的。例如，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2之間存在鏈路時(shí)，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3之間鏈路的存在將使得節(jié)點(diǎn)2、3之間更有可能存在鏈路。此時(shí)求解路徑穩(wěn)定度的公式為：

[SPR=SPL1×f（ρ1）×min{SPL1，SPL2}SPL1…fm-1（ρm-1）×min{SPL（m-1），SPLm}SPL（m-1）] （7）

式中：SPR為所求路徑的穩(wěn)定度；SPL1，SPL2，…，SPLm分別表示組成路徑的各段鏈路的穩(wěn)定度值；ρ1，ρ2，…，ρm-1分別表示各相鄰鏈路之間的相關(guān)因子，詳細(xì)計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[11]；f1（ρ1），f2（ρ2），…，fm-1（ρm-1）分別表示各相鄰鏈路間的相關(guān)性結(jié)構(gòu)。這里，相關(guān)性結(jié)構(gòu)fi（ρi）[（1≤i≤m-1）]利用如下公式求得：

[fi（ρi）=max{SPLi，SPL（i+1）}×ρi+max{SPLi，SPL（i+1）}（2×max{SPLi，SPL（i+1）}-1）×ρi+1] （8）

以上為鏈路穩(wěn)定度和路徑穩(wěn)定度的求解方法，下面詳細(xì)介紹算法相應(yīng)流程。

1.3 算法流程概述

由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是不斷移動的，所以節(jié)點(diǎn)均配備GPS無線定位裝置，目的是獲取自身的地理位置信息，并定時(shí)在其無線覆蓋區(qū)域內(nèi)廣播最新的地理位置信息，鄰居節(jié)點(diǎn)收到后更新相應(yīng)信息。節(jié)點(diǎn)在向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播位置信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)值設(shè)置為1，表明此節(jié)點(diǎn)僅向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。整體路由過程如圖3所示。

算法在路由發(fā)現(xiàn)階段的操作流程如下：

（1） 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)想要向多播組成員發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先會檢查其路由表項(xiàng)中是否含有到達(dá)該多播組的路由，如果有的話，會沿此路徑以單播的方式向多播組發(fā)送消息，否則，源節(jié)點(diǎn)會廣播路由請求消息RREQ到其鄰居節(jié)點(diǎn)，用以開啟路由發(fā)現(xiàn)過程。

（2） 中間節(jié)點(diǎn)接收到路由請求消息RREQ后，先檢查自身是否有到達(dá)多播組的路由或者是多播組的某個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，如果是的話，則會檢查自身路由表項(xiàng)中的組序列號是否大于或等于RREQ消息中的序列號；如果兩個(gè)序列號相等，則會檢查其路由表項(xiàng)中記錄的跳數(shù)是否小于RREQ消息中的跳數(shù)。如果該節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)中沒有到達(dá)多播組的路徑或不是多播組成員，則繼續(xù)廣播RREQ消息。

（3） RREQ消息到達(dá)多播組的成員節(jié)點(diǎn)后，收到RREQ消息的節(jié)點(diǎn)會更新自身路由表項(xiàng)并記錄下序列號。隨后會產(chǎn)生路由回復(fù)消息RREP，此消息包含路徑穩(wěn)定度域SPR，用來記錄從多播組成員節(jié)點(diǎn)到達(dá)源節(jié)點(diǎn)所經(jīng)路徑的穩(wěn)定度值，初始化SPR=1；另外，還包含路由跳數(shù)域count，用來記錄所經(jīng)路由的跳數(shù)，初始化count=∞。RREP消息會沿相反方向返回至源節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)收到RREP分組后，更新count值并計(jì)算相應(yīng)段鏈路的穩(wěn)定度值，進(jìn)而計(jì)算并更新從多播組成員到該節(jié)點(diǎn)的路徑的穩(wěn)定度值SPR，直到該RREP分組到達(dá)多播源節(jié)點(diǎn)。

算法在路由選擇階段的操作流程如下：

多播源節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送路由請求消息RREQ以后，會等待一段時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，多播源將不斷接收返回的RREP分組，同時(shí)會記錄下分組中的最大序列號和最大路徑穩(wěn)定度，并更新相應(yīng)路由信息。之后源節(jié)點(diǎn)會發(fā)送激活消息MACT到提供最大序列號和最大路徑穩(wěn)定度的鄰居節(jié)點(diǎn)，用于激活該節(jié)點(diǎn)成為路徑的上游節(jié)點(diǎn)。被選中的鄰居節(jié)點(diǎn)收到MACT消息后將激活路由表項(xiàng)中相應(yīng)到組地址的路由項(xiàng)，并把MACT消息轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳路由節(jié)點(diǎn)，這樣一步一步進(jìn)行下去，最終激活從多播源到多播組某成員的路徑上的所有中間節(jié)點(diǎn)的路由項(xiàng)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)采用NS2[12]網(wǎng)絡(luò)模擬軟件作為仿真工具，在Ubuntu的操作環(huán)境下，對本文提出的改進(jìn)協(xié)議RS?MAODV和MOADV路由協(xié)議進(jìn)行了仿真比較。本文采用的NS2版本是2.35，通過NS2軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，比較了不同移動速度下兩協(xié)議對應(yīng)的丟包率和端到端時(shí)延。

仿真環(huán)境設(shè)置如下：仿真場景長1 500 m，寬300 m；節(jié)點(diǎn)無線傳輸半徑為100 m；MAC層協(xié)議：IEEE 802.11；節(jié)點(diǎn)數(shù)50個(gè)，其中源節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1個(gè)。節(jié)點(diǎn)移動速度范圍設(shè)置為1～10 m/s；數(shù)據(jù)類型為CBR，分組大小為512 B，發(fā)包速率為2 packets/s。在仿真環(huán)境下運(yùn)行，使用Linux環(huán)境下awk[13]工具對網(wǎng)絡(luò)模擬產(chǎn)生的追蹤tr文件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和分析，比較了不同移動速度下協(xié)議改進(jìn)前后相應(yīng)的丟包率和端到端時(shí)延。

2.1 丟包率

丟包率指數(shù)據(jù)包丟失數(shù)量與應(yīng)接收數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。在無線多播情形中，假設(shè)單個(gè)源節(jié)點(diǎn)向包含N個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的多播組傳送a個(gè)分組，多播組收到分組總數(shù)為b個(gè)，則丟包率為[（Na-b）Na。]實(shí)驗(yàn)中考察了不同移動速度下MAODV和RS?MAODV協(xié)議的丟包率情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

通過圖4可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動速度的增加，MAODV和RS?MAODV協(xié)議的丟包率均增加。這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)移動速度的增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化劇烈，已有鏈路可能遭到破壞，網(wǎng)絡(luò)中擁塞程度加劇，分組間碰撞的可能性增大，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能隨之下降。然而，在同一移動速度下，RS?MAODV協(xié)議由于每次選擇局部拓?fù)渥兓〉穆窂竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得相同條件下路由中斷和重構(gòu)次數(shù)減少，丟包率也相應(yīng)較小。

2.2 端到端延遲

端到端延遲是指數(shù)據(jù)包的接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間之差。實(shí)驗(yàn)中測定了不同移動速度下兩種協(xié)議的端到端延遲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5中觀察到，一定節(jié)點(diǎn)移動速度下，MAODV協(xié)議比RS?MAODV協(xié)議的端到端延遲要小，這是因?yàn)镸AODV協(xié)議選擇一條從源節(jié)點(diǎn)到多播組的最短連通路徑，使得相應(yīng)端到端延遲要小。隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲粩嘣獾狡茐?，網(wǎng)絡(luò)擁塞程度加劇，兩種協(xié)議對應(yīng)的端到端延遲均變大。然而RS?MAODV協(xié)議由于考慮了所選路徑的穩(wěn)定性，減少了因節(jié)點(diǎn)失效引起的路由恢復(fù)和重構(gòu)的時(shí)延，在相同條件下，相比MAODV協(xié)議端到端延遲也較小。

3 結(jié) 語

本文在研究前人MAODV協(xié)議改進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的、同時(shí)考慮相鄰鏈路的相關(guān)性和路徑穩(wěn)定性的路由協(xié)議RS?MAODV。在RS?MAODV路由協(xié)議中，引入鏈路穩(wěn)定度和路徑穩(wěn)定度兩參數(shù)，保證了選擇的從源節(jié)點(diǎn)到多播組之間的路由是最穩(wěn)定的，一定程度上提高了路徑的穩(wěn)定性，改善了網(wǎng)絡(luò)的性能。但求解穩(wěn)定度時(shí)需要計(jì)算操作，無疑增加了不必要的開銷，下一步工作將集中在減少網(wǎng)絡(luò)開銷上。

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