王泰麟，張法全，葉金才，王國(guó)富

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議

王泰麟，張法全，葉金才，王國(guó)富

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林541004)

為減少AODV路由協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)，設(shè)計(jì)了一種基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議——Im-AODV。改進(jìn)的AODV路由協(xié)議通過(guò)在RREQ消息中添加節(jié)點(diǎn)位置信息來(lái)限制RREQ消息的洪泛區(qū)域，減少控制報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。位置信息則通過(guò)RREQ消息和RREP消息在網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)散，并未增加額外的控制報(bào)文。通過(guò)NS2對(duì)改進(jìn)的AODV路由協(xié)議進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的AODV路由協(xié)議減少了歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)，提高了分組投遞率。

路由開(kāi)銷(xiāo)；AODV；位置信息；Im-AODV；NS2

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(mobile Ad Hoc network，簡(jiǎn)稱(chēng)MANET)是一種多跳、無(wú)中心、自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)需固定基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可移動(dòng)，并且能夠與其他節(jié)點(diǎn)保持聯(lián)系[1-2]。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)地位平等，拓?fù)淇勺?，?jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入和退出并不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要與其通信覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，將由中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，各節(jié)點(diǎn)兼任路由器的角色。由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn)，MANET已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源、節(jié)點(diǎn)能源的限制，使得路由協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)，除了滿(mǎn)足應(yīng)用需求外，還應(yīng)減少路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的占用和能源的消耗，提高協(xié)議的效率和網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，人們提出了很多無(wú)線路由協(xié)議。根據(jù)觸發(fā)原理的不同，這些路由協(xié)議可分為3類(lèi)：1)表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議；2)按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議；3)混合式路由協(xié)議[3]。表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議又稱(chēng)先驗(yàn)式路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存一張包含到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路由表，通過(guò)周期性廣播更新路由信息，但其無(wú)法適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快的場(chǎng)景，且其周期性廣播帶來(lái)的帶寬資源占用往往是不可接受的。按需路由協(xié)議也稱(chēng)后驗(yàn)式路由協(xié)議，其主要特點(diǎn)是：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要時(shí)才進(jìn)行路由查找，從而減小了路由開(kāi)銷(xiāo)，保證路由信息的時(shí)效性，但傳送數(shù)據(jù)的時(shí)延相對(duì)較大?；旌鲜铰酚蓞f(xié)議是在表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議都不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求時(shí)，研究人員結(jié)合兩類(lèi)路由的優(yōu)點(diǎn)和不同特點(diǎn)提出的路由協(xié)議。

AODV路由協(xié)議(Ad Hoc on-demand distance vector routing protocol)是MANET的一種經(jīng)典按需路由協(xié)議，具有算法簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好的特點(diǎn)[4]。其工作流程為：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信而路由表中無(wú)相應(yīng)表項(xiàng)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ消息，當(dāng)RREQ消息逐跳廣播至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)的節(jié)點(diǎn)，則沿最先到達(dá)的路徑反向應(yīng)答路由回復(fù)RREP消息至源節(jié)點(diǎn)，從而獲取達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。此外，AODV路由協(xié)議采用HELLO消息及RERR消息維護(hù)鏈路[5-6]。AODV路由協(xié)議采用簡(jiǎn)單洪泛機(jī)制[7]，雖然提高了路由的發(fā)現(xiàn)機(jī)率，但由此引起的路由請(qǐng)求廣播的無(wú)效轉(zhuǎn)發(fā)，往往帶來(lái)帶寬資源的大量消耗，造成信道擁塞，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

針對(duì)AODV路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中簡(jiǎn)單洪泛帶來(lái)的問(wèn)題，提出一種基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議(Im-AODV)，限制RREQ消息的廣播范圍，從而減少洪泛帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)。

1　基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議

為限制RREQ消息的廣播范圍，在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)信息表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)信息表的內(nèi)容包括：節(jié)點(diǎn)IP地址、節(jié)點(diǎn)序列號(hào)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)有效標(biāo)識(shí)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

為了將節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)的AODV路由協(xié)議采用將節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息附加到AODV路由協(xié)議的RREQ消息和RREP消息中的方式。改進(jìn)的RREQ消息結(jié)構(gòu)如表1所示，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議的RREQ消息，在原保留區(qū)內(nèi)增加了1位目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)位S，在RREQ消息后部增加了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)2個(gè)字段。改進(jìn)的RREP消息結(jié)構(gòu)如表2所示，在原保留字段內(nèi)增加了1位回復(fù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)位S，并在RREP消息后部增加了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、回復(fù)節(jié)點(diǎn)IP地址、回復(fù)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)和回復(fù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)4個(gè)字段。

表1　改進(jìn)的RREQ消息結(jié)構(gòu)

表2　改進(jìn)的RREP消息結(jié)構(gòu)

若源節(jié)點(diǎn)需要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)表1所示消息結(jié)構(gòu)，生成一個(gè)RREQ消息，并對(duì)此RREQ消息進(jìn)行廣播。中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ消息后，提取源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，更新本地的節(jié)點(diǎn)信息表，然后判斷本節(jié)點(diǎn)是否在允許洪泛區(qū)域內(nèi)。若在區(qū)域內(nèi)，則根據(jù)AODV路由協(xié)議的規(guī)定對(duì)RREQ消息進(jìn)行響應(yīng)或繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)；若不在區(qū)域內(nèi)，則在更新本地的節(jié)點(diǎn)信息表后，直接丟棄RREQ消息。

2　Im-AODV的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要一條到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，而路由表中無(wú)路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)即發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)。改進(jìn)的AODV路由產(chǎn)生的RREQ消息，需要在標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議的RREQ消息中附加如下信息：1)若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)于源節(jié)點(diǎn)是已知的，則置目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)位S為1，否則置0；2)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(若未知，則置該字段為0)；3)源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

源節(jié)點(diǎn)在生成RREQ消息后進(jìn)行洪泛廣播，等待接收RREP消息。改進(jìn)的AODV路由協(xié)議的不同之處在于中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ消息后，首先根據(jù)RREQ消息中源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，更新本地的節(jié)點(diǎn)信息表中相應(yīng)內(nèi)容，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AODV查看本節(jié)點(diǎn)是否有到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的有效路由，從而決定是否產(chǎn)生RREP消息。若不產(chǎn)生RREP消息，則根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息判斷本節(jié)點(diǎn)是否在允許洪泛區(qū)域。若在，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ消息；若不在，則丟棄。

中間節(jié)點(diǎn)判斷本節(jié)點(diǎn)是否在允許洪泛區(qū)域內(nèi)的方法為：

允許洪泛區(qū)域如圖1所示，由源節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)S(Xs,Ys)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)D(Xd,Yd)構(gòu)成的矩形即為允許洪泛區(qū)域，中間節(jié)點(diǎn)N(Xn,Yn)根據(jù)RREQ消息的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)判斷其是否在允許洪泛區(qū)域內(nèi)，即是否滿(mǎn)足：

(1)

(2)

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)N(Xn,Yn)滿(mǎn)足式(1)、(2)，所以判斷其在允許洪泛區(qū)域內(nèi)；而節(jié)點(diǎn)I(Xi,Yi)不能同時(shí)滿(mǎn)足式(1)、(2)，則判定其不在允許洪泛區(qū)域。

為了進(jìn)一步優(yōu)化路由發(fā)現(xiàn)的成功率，將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)擴(kuò)展為一個(gè)半徑為R的圓形區(qū)域，優(yōu)化后的允許洪泛區(qū)域如圖2所示。R的設(shè)定可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的密度調(diào)整，若節(jié)點(diǎn)分布較為密集，可設(shè)定一個(gè)較小的R，若節(jié)點(diǎn)分布較為稀疏，則設(shè)定一個(gè)較大的R。

圖1　允許洪泛區(qū)域Fig.1　Allowed flooding zone

圖2　優(yōu)化后的允許洪泛區(qū)域Fig.2　Optimization of allowed flooding zone

以圖2為例，允許洪泛區(qū)域調(diào)整為X∈(Xs,Xd+R)，Y∈(Ys,Yd+R)的區(qū)域。

當(dāng)RREQ消息成功轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或具有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由的節(jié)點(diǎn)時(shí)，則產(chǎn)生RREP消息，這與標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議是一致的。為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓男枰?，改進(jìn)的AODV路由協(xié)議對(duì)RREP消息進(jìn)行了修改，根據(jù)產(chǎn)生RREP消息節(jié)點(diǎn)的不同，RREP消息的內(nèi)容也稍有區(qū)別。若產(chǎn)生RREP消息的是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則將回復(fù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)位置1，并將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)IP地址和坐標(biāo)寫(xiě)到回復(fù)節(jié)點(diǎn)IP地址和坐標(biāo)字段；若產(chǎn)生RREP消息的是具有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)，則將回復(fù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)位置0，將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)IP地址、坐標(biāo)和回復(fù)節(jié)點(diǎn)IP地址、坐標(biāo)分別寫(xiě)入相應(yīng)字段。

收到RREP消息的節(jié)點(diǎn)，判斷回復(fù)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)位。若為1，則更新本地的節(jié)點(diǎn)信息表中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)信息；若為0，則更新本地節(jié)點(diǎn)信息表中產(chǎn)生RREP消息的節(jié)點(diǎn)相應(yīng)信息和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)信息。

3　仿真測(cè)試與結(jié)果分析

3.1仿真測(cè)試

利用NS2(network simulator version 2)仿真平臺(tái)對(duì)AODV路由協(xié)議和改進(jìn)后的AODV路由協(xié)議(Im-AODV)進(jìn)行仿真[8]。根據(jù)改進(jìn)方法，對(duì)AODV路由協(xié)議進(jìn)行修改。改進(jìn)AODV所需的位置信息可用NS2提供的getLoc( )函數(shù)獲取的坐標(biāo)，替代實(shí)際應(yīng)用中GPS獲取的位置信息。分別利用AODV和改進(jìn)的AODV在不同場(chǎng)景下進(jìn)行3種性能測(cè)試：

1)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間。源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)程到成功建立到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由所耗費(fèi)的時(shí)間。

2)歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間，路由控制報(bào)文數(shù)量和實(shí)際完成的數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)量的比值，這個(gè)比值可以較好地反映網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。

3)分組投遞率。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)分組和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的比值，主要反映網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間測(cè)試方法：30個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在250 m×300 m區(qū)域，節(jié)點(diǎn)間距50 m，節(jié)點(diǎn)有效通信距離55 m，MAC層協(xié)議為802.11，分別用不同節(jié)點(diǎn)以固定碼率(CBR)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，每秒4個(gè)分組，每個(gè)分組512 Byte，傳輸層協(xié)議采用UDP。在此場(chǎng)景下進(jìn)行仿真，分別利用gawk對(duì)2種協(xié)議的多次仿真記錄文件trace進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)分組投遞率測(cè)試方法：將20、40、60、80、100個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在150 m×200 m、350 m×400 m、550 m×600 m、750 m×800 m、950 m×1000 m的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)以不超過(guò)10 m/s的速度在區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，停留80 s，以固定碼率(CBR)向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，每秒4個(gè)分組，每個(gè)分組512 Byte，傳輸層協(xié)議為UDP。在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下進(jìn)行仿真，對(duì)2種協(xié)議的多次仿真記錄文件trace進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

3.2結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)仿真記錄文件的統(tǒng)計(jì)分析，得到圖3所示的2種路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間。從圖3可看出，2種協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間基本一致，且隨著源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)增加，2種協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間也相應(yīng)遞增。

歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)仿真測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，2種協(xié)議的歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)都隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而增加，但改進(jìn)的AODV路由協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)比標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議要小，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，優(yōu)勢(shì)更加明顯。這是因?yàn)楦倪M(jìn)的AODV路由協(xié)議對(duì)允許洪泛的區(qū)域進(jìn)行了限制，只允許洪泛區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，從而減少了控制報(bào)文的開(kāi)銷(xiāo)。

圖3　AODV和Im-AODV的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間Fig.3　Roue discovery time of AODV and Im-AODV

圖4　AODV和Im-AODV歸一化路由開(kāi)銷(xiāo)Fig.4　Normalized routing overhead of AODV and Im-AODV

分組投遞率仿真測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，路由跳數(shù)也隨之增加，2種協(xié)議的數(shù)據(jù)分組投遞率隨之降低，且改進(jìn)的AODV協(xié)議的分組投遞率高于標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議。這是因?yàn)殡S著鏈路的增長(zhǎng)，鏈路的不穩(wěn)定性增加，從而投遞率下降；同時(shí)，隨著控制報(bào)文的增加，數(shù)據(jù)報(bào)文與控制報(bào)文競(jìng)爭(zhēng)有限的無(wú)線資源，也會(huì)導(dǎo)致分組傳送失敗增加；而由于減少了控制報(bào)文的數(shù)量，使得改進(jìn)的AODV路由協(xié)議的分組投遞率略高于標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議的分組投遞率。

圖5　AODV和Im-AODV分組投遞率Fig.5　Packets delivery ratio of AODV and Im-AODV

4　結(jié)束語(yǔ)

仿真測(cè)試結(jié)果表明，基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議大大減小了協(xié)議的路由開(kāi)銷(xiāo)，并提高了數(shù)據(jù)分組投遞率。由于并未改變RREP消息的產(chǎn)生機(jī)制，在路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間等性能方面相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議并沒(méi)有變化。此外，基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議只針對(duì)節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)平面或可近似為平面的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，將平面的允許洪泛區(qū)域向立體空間拓展，即可使改進(jìn)的AODV路由協(xié)議適用于節(jié)點(diǎn)立體分布的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)。

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編輯：翁史振

An improved AODV routing protocol based on position information

WANG Tailin, ZHANG Faquan, YE Jincai, WANG Guofu

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

The flooding request method of AODV routing protocol makes RREQ message forwarding across Ad Hoc network, which increases the routing overhead of protocol. To reduce the routing overhead of AODV routing protocol, an improved AODV routing protocol based on position information is proposed and called Im-AODV. In RREQ message of Im-AODV, the position information is added to limit the flooding zone of RREQ, which can reduce the forwarding of control packets. The position information diffuses in the network through RREQ and RREP, which does not add additional control packets. The improved AODV routing protocol is simulated by NS2, the simulation results show that the normalized routing overhead of the improved AODV routing protocol is effectively reduced, and the packets delivery ratio is improved.

routing overhead; AODV; position information; Im-AODV; NS2

2016-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(61362020)；廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFAA019327，2013GXNSFFA019004)

張法全(1969-)，男，河南林州人，研究員，博士，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。E-mail:zhangfq@guet.edu.cn

TN92

A

1673-808X(2016)04-0270-05

引文格式：王泰麟，張法全，葉金才，等.基于位置信息改進(jìn)的AODV路由協(xié)議[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(4):270-274.