蔣慶豐，門朝光，田澤宇,馬英瑞

(1.哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001；2.常熟理工學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常熟 225500;3.大慶師范學(xué)院計算機科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,黑龍江 大慶 163712)

1 引言

移動自組網(wǎng)MANET(Mobile Ad hoc NETwork)是一種由移動節(jié)點構(gòu)成的非中心化、多跳無線網(wǎng)絡(luò)。按需距離矢量路由AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector Routing)[1]、目的節(jié)點序列距離矢量路由DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing)[2]和最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由OLSR(Optimized Link State Routing)[3]等MANET路由協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)連通時有效傳遞數(shù)據(jù)，但當無線網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點移動、環(huán)境惡劣或者遭受攻擊造成中斷、間歇性連接時，上述常規(guī)路由協(xié)議將無法成功發(fā)送數(shù)據(jù)。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)DTN(Delay Tolerant Network)是一種具有長時延、鏈路經(jīng)常中斷特點的網(wǎng)絡(luò)，在環(huán)境監(jiān)測、軍事戰(zhàn)略、深空探測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景和實用價值[4]。因為DTN中節(jié)點間不存在完全路徑，所以節(jié)點需通過“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”方式來傳遞數(shù)據(jù)，即一個節(jié)點臨時存儲消息直到遇到一個和目的節(jié)點相遇概率更大的節(jié)點，然后將消息發(fā)送給此中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點將消息發(fā)送給目的節(jié)點。

針對MANET和DTN的特點，相關(guān)文獻設(shè)計了一些MANET和DTN混合路由協(xié)議，以在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷情況下有效傳遞數(shù)據(jù)。文獻[5]針對MANET和DTN混合網(wǎng)，實現(xiàn)了一種簡單的混合路由協(xié)議延遲容忍動態(tài)自組按需路由DT-DYMO(Delay-Tolerant DYnamic MANET On-demand routing)。該協(xié)議首先基于AODV的RREQ消息查找連通區(qū)域內(nèi)的目的節(jié)點，若找到直接使用AODV發(fā)送消息；否則將消息發(fā)送給RREQ查找過程中發(fā)現(xiàn)的DTN節(jié)點，由該節(jié)點“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”消息。文獻[6]針對車載自組網(wǎng)VANET (Vehicular Ad hoc NETworks),同樣設(shè)計了一種結(jié)合AODV協(xié)議和DTN的“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”機制的按需路由協(xié)議DT-AODV,來提高數(shù)據(jù)傳遞率。文獻[7]提出了一種基于分組的混合容遲自組網(wǎng)路由協(xié)議HYMAD(HYbrid DTN-MANET routing)，該路由協(xié)議將移動節(jié)點分成多個組，在組內(nèi)使用MANET中的距離矢量路由發(fā)送消息，在組間則采用DTN的Spray-and-Wait路由。針對間歇性連接的移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，文獻[8]提出一種新的增強基礎(chǔ)設(shè)施DTN路由協(xié)議IEDR(Infrastructure Enhanced DTN Routing)。IEDR在網(wǎng)絡(luò)中斷時利用節(jié)點間相遇的機會交換數(shù)據(jù)，并將無線接入點AP (Access Point)作為輔助數(shù)據(jù)傳播的有效途徑，擴大網(wǎng)絡(luò)連通范圍。文獻[5-8]中每個節(jié)點只能獲得其所在連通網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點的傳遞信息，當和目的節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)中斷時，將無法選擇傳遞效率最大的下一跳中繼節(jié)點來傳遞消息，從而影響消息的傳遞效率。文獻[9]為在間歇性連接的移動網(wǎng)絡(luò)中有效傳遞數(shù)據(jù)，提出一種上下文感知的自適應(yīng)單播路由協(xié)議CAR(Context-aware Adaptive Routing)。CAR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)連通時通過DSDV協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)消息，在網(wǎng)絡(luò)中斷時通過卡爾曼濾波技術(shù)和多屬性決策理論來選擇下一跳中繼節(jié)點。DSDV適應(yīng)于規(guī)模較小、速度變化慢的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大和節(jié)點移動速度增大時，CAR的性能會下降。文獻[10]提出結(jié)合OLSR協(xié)議和DTN的DTS-OLSR協(xié)議，該協(xié)議利用部分具有OLSR和DTN功能的節(jié)點形成重疊網(wǎng)絡(luò)，重疊網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中斷時會臨時存儲消息，以防止消息丟失。該協(xié)議中只有部分節(jié)點具有DTN功能，會影響路由效率，而本文中所有節(jié)點都進行DTN轉(zhuǎn)發(fā)。文獻[11]提出一種結(jié)合OLSR和DTN的有效混合路由協(xié)議OLSR-OPP(OLSR-OPPortunistic)，OLSR-OPP針對的是多副本路由，不同于本文研究的單副本路由。

本文針對間歇性連接移動網(wǎng)絡(luò)提出一種基于OLSR協(xié)議的自適應(yīng)路由協(xié)議ARPBO(Adaptive Routing Protocol Based on OLSR)。OLSR是一種先驗式路由協(xié)議，每個節(jié)點可以獲得連通網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，并計算各自的路由表。該協(xié)議采用多點中繼MPR(MultiPoint Relay)的思想，減少了網(wǎng)絡(luò)中廣播分組的數(shù)量，適用于節(jié)點分布密集、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大的網(wǎng)絡(luò)。ARPBO協(xié)議為一種單副本路由協(xié)議，能夠在網(wǎng)絡(luò)連通時利用OLSR協(xié)議快速轉(zhuǎn)發(fā)消息，在網(wǎng)絡(luò)中斷時通過擴展OLSR協(xié)議，獲得消息發(fā)送節(jié)點的局部連通網(wǎng)絡(luò)中傳遞效率最大的下一跳中繼節(jié)點，能夠在高移動的密集網(wǎng)絡(luò)中有效傳遞數(shù)據(jù)。

2 路由協(xié)議概述

ARPBO路由協(xié)議運行過程如下：

(1) 節(jié)點間通過消息交換生成路由表。

(2) 節(jié)點發(fā)送一個消息時，如果路由表中有到達目的節(jié)點的直接路由，則發(fā)送消息。

(3) 如果沒有，表明網(wǎng)絡(luò)中斷，則根據(jù)路由表選擇連通網(wǎng)絡(luò)中傳遞效率(概率)最大的中繼節(jié)點。

(4) 如果選擇的中繼節(jié)點傳遞效率大于自身，則節(jié)點通過連通網(wǎng)絡(luò)將消息發(fā)送給中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”消息。當中繼節(jié)點和目的節(jié)點連通時，將消息發(fā)送給目的節(jié)點。

(5) 如果中繼節(jié)點傳遞效率小于自身，則將消息臨時存儲在自身緩存中，直到遇到傳遞效率大的節(jié)點或者目的節(jié)點。

具體流程如圖1所示。

Figure 1 Flow chart of ARPBO routing protocol圖1 ARPBO路由協(xié)議流程圖

假設(shè)節(jié)點A向H發(fā)送消息，如圖2所示，圖中UIJ表示節(jié)點I和J間的傳遞效率，由于沒有到達目的節(jié)點H的直接路由，則節(jié)點A將消息發(fā)送給連通網(wǎng)絡(luò)中傳遞效率最大的中繼節(jié)點E，當節(jié)點E和F相遇時，則直接將消息發(fā)送給處于同一連通網(wǎng)絡(luò)的目的節(jié)點H。如果F的傳遞效率小于自身，節(jié)點A自身將先存儲消息。

Figure 2 Instance of ARPBO routing protocol圖2 ARPBO路由協(xié)議實例

3 路由協(xié)議詳細設(shè)計

3.1 傳遞效率計算

同文獻[12]一樣，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中斷時兩個節(jié)點間相遇時間服從均值為1/λ的指數(shù)分布，λ代表兩節(jié)點的接觸率。兩節(jié)點Ni和Nj的接觸率λij的值可通過式(1)進行計算。

(1)

由于節(jié)點間相遇時間服從均值為1/λ的指數(shù)分布，所以節(jié)點Ni和Nj在timeij時間間隔內(nèi)相遇的概率密度函數(shù)如式(2)所示：

f(timeij)=λije-λijtimeij

(2)

假設(shè)節(jié)點Ni中消息m的目的節(jié)點為Nj，剩余生存時間為timeremain，則節(jié)點Ni對消息m的傳遞效率，即和目的節(jié)點Nj相遇的概率Pij如式(3)所示：

Pij=P(timeij≤timeremain)=

1-e-λij×timeremain

(3)

消息剩余時間timeremain的值如式(4)所示：

timeremain=TTL+tgen-trec

(4)

其中，TTL(Time to Live)為消息的生存期；tgen和trec分別為消息生成時刻和節(jié)點Ni接收消息m的時刻。

ARPBO路由協(xié)議中，當節(jié)點傳輸時間有限時會優(yōu)先發(fā)送傳遞效率大的消息，而當緩存溢出時會首先刪除傳遞效率小的消息。

3.2 路由表生成

ARPBO路由表的生成實現(xiàn)包括Hello消息發(fā)送、拓撲生成、路由表計算三個過程。節(jié)點首先發(fā)送Hello消息，進行鄰居感知、MPR節(jié)點的選擇以及中斷時節(jié)點間平均相遇時間的統(tǒng)計；然后通過消息廣播獲得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接信息和相遇信息，從而生成全網(wǎng)絡(luò)的拓撲模型；最后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲信息生成路由表，在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷情況下有效選擇下一跳節(jié)點傳遞消息。

3.2.1 Hello消息發(fā)送

OLSR協(xié)議對標準鏈路狀態(tài)路由協(xié)議進行了優(yōu)化，其核心是多點中繼技術(shù)。多點中繼的思想是通過減少同一個區(qū)域中相同控制消息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來達到減少網(wǎng)絡(luò)中廣播分組數(shù)量的目的。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點選擇其鄰居節(jié)點集合的一個子集(MPR集)來轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點的控制消息，這個子集中的節(jié)點就是該節(jié)點的MPR節(jié)點，而該節(jié)點就是MPR節(jié)點的多點中繼選擇節(jié)點(MPR Selector)。只有被選為MPR的節(jié)點才產(chǎn)生并周期性洪泛拓撲控制信息，這樣可以顯著地減少網(wǎng)絡(luò)中廣播的控制分組數(shù)量。

移動節(jié)點周期性地發(fā)送Hello消息，可以進行鄰居感知和MPR節(jié)點的選擇。每個節(jié)點從其一跳鄰居中選擇自己的MPR集，通過該集合轉(zhuǎn)發(fā)的分組能夠覆蓋該節(jié)點所有的二跳鄰居節(jié)點。節(jié)點選擇MPR節(jié)點后可以在連通網(wǎng)絡(luò)中有效傳遞信息。

3.2.2 拓撲生成

節(jié)點計算和非連通節(jié)點間最近相遇(即兩節(jié)點連通)時間的平均值，從而根據(jù)式(1)計算兩節(jié)點的接觸率，然后生成如表1所示的TC消息并廣播給網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點。

Table 1 TC message

序列號用來判斷消息的新舊；MPR Selector為多點中繼選擇節(jié)點地址；最近相遇節(jié)點地址存放當前非連接、最近相遇過的節(jié)點地址；接觸率存放的是當前節(jié)點和最近相遇節(jié)點的接觸率信息。

節(jié)點收到TC消息后，根據(jù)TC消息來感知全網(wǎng)的拓撲，生成如表2所示的連通拓撲表項和表3所示的中斷拓撲表項。

Table 2 Connected topology table item

表2中，序列號用于記錄本節(jié)點收到的最后一個TC消息的序號，當收到一個新的TC消息時，將新的TC消息的序列號與表項序列號相比較來決定接收還是丟棄該消息；目的節(jié)點地址為TC消息中的MPR Selector節(jié)點地址；連通的上一跳地址為發(fā)送TC消息的源節(jié)點地址。

Table 3 Interrupted topology table item

表3中，序列號用于記錄本節(jié)點收到的最后一個TC消息的序號；目的節(jié)點地址為消息源節(jié)點最近相遇的節(jié)點的地址；中斷的上一跳地址為TC消息源節(jié)點地址；上一跳接觸率為TC消息源節(jié)點和目的節(jié)點的接觸率。

3.2.3 路由表計算

節(jié)點發(fā)送消息時，需要根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)圖生成如表4所示的路由表項，從而在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷時有效選擇下一跳節(jié)點。ARPBO路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)連通時，基于連通拓撲表，根據(jù)Dijkstra算法計算出跳數(shù)最少的路徑及下一跳地址；在網(wǎng)絡(luò)中斷時，根據(jù)中斷拓撲表選擇接觸率最大的中繼節(jié)點，并將接觸率填入路由表中。

Table 4 Routing table item

路由表項中存儲了網(wǎng)絡(luò)連通和中斷時的下一跳節(jié)點地址及接觸率信息。其中，第1項為目的節(jié)點地址；第2項為網(wǎng)絡(luò)連通時根據(jù)連通拓撲結(jié)構(gòu)圖計算出的下一跳地址；第3項為網(wǎng)絡(luò)連通時消息源節(jié)點和目的節(jié)點之間的跳數(shù)；第4項為網(wǎng)絡(luò)中斷時選擇的接觸率值最大的下一跳節(jié)點地址；第5項為節(jié)點間接觸率值。

節(jié)點在發(fā)送消息時，會根據(jù)路由表和式(3)計算緩存中每個消息的下一跳節(jié)點的傳遞效率，并對消息進行排序，然后優(yōu)先發(fā)送和存儲傳遞效率大的消息。

4 性能評估

4.1 實驗設(shè)置

為驗證ARPBO路由協(xié)議的性能，通過NS3模擬器對其性能進行仿真。同文獻[9]一樣，默認情況下，仿真區(qū)域為1000 m×1000 m，包括50個移動節(jié)點。移動模型為根據(jù)社會網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計的基于社區(qū)的節(jié)點移動模型CM(Community Model)[13]，該模型可以很好地代表人類的移動。CM模型中節(jié)點被分為5個社區(qū)即組，其中每個節(jié)點表示人類攜帶的具有無線通信功能的移動設(shè)備，每組節(jié)點代表關(guān)系較密切的社會團體。仿真時間為2 400 s，共發(fā)送1 000個消息，消息大小為1 KB，緩存大小為100 KB，節(jié)點無線傳輸范圍為200 m，移動速度為1～6 m/s，TTL為2 000 s。

4.2 性能比較

為驗證路由的性能，將ARPBO路由協(xié)議與OLSR[3]、DT-DYMO[5]、HYMAD[7]、CAR[9]進行性能對比。使用傳遞成功率、平均傳遞時延、負載率3個性能評價指標來對路由性能進行評價。傳遞成功率為成功傳遞的消息數(shù)與發(fā)送消息數(shù)比例。平均傳遞時延是指所有傳遞成功消息的傳遞時延的平均值。負載率為消息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)和成功傳遞消息數(shù)的比值，表示成功傳遞一個消息需要多少次轉(zhuǎn)發(fā)，負載率越大意味著網(wǎng)絡(luò)能耗越高，資源消耗越大。下面通過改變節(jié)點移動速度、節(jié)點數(shù)目的大小來驗證路由性能。

(1)節(jié)點移動速度對性能的影響。

節(jié)點移動速度對傳遞成功率的影響如圖3所示。可以看出，所有路由協(xié)議的消息傳遞成功率都隨著節(jié)點移動速度的增大而變小。隨著節(jié)點移動速度的增大，節(jié)點在同一連通網(wǎng)絡(luò)的概率變小，所以導(dǎo)致傳遞成功率減小。由于ARPBO路由協(xié)議能夠利用連通網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷時自適應(yīng)地高效轉(zhuǎn)發(fā)消息，所以傳遞成功率高于其他協(xié)議。由于CAR協(xié)議在節(jié)點移動速度增大時，路由信息失效較快，所以傳遞成功率在速度較大時低于其他路由協(xié)議。由于OLSR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中斷時無法有效選擇下一跳節(jié)點，所以傳遞成功率最低。

Figure 3 Impact of varying speeds on delivery success ratio圖3 速度對傳遞成功率的影響

節(jié)點移動速度對時延的影響如圖4所示?？梢钥闯觯新酚蓞f(xié)議的消息傳遞時延都隨著節(jié)點移動速度的增大而增大。因為節(jié)點移動速度增大時，消息在連通網(wǎng)絡(luò)中被傳遞的概率減小，消息需要在網(wǎng)絡(luò)中斷情況下通過“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”方式轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致傳遞時延增大。OLSR協(xié)議傳遞時延最小，是因為其傳遞成功率較低，許多長時延的消息沒有被成功傳遞。ARPBO路由協(xié)議的傳遞時延小于DT-DYMO等協(xié)議的傳遞時延。

Figure 4 Impact of varying speeds on delivery delay圖4 速度對傳遞時延的影響

節(jié)點移動速度對負載率的影響如圖5所示?？梢钥闯觯⒇撦d率隨著節(jié)點移動速度的增大而減小。因為節(jié)點移動速度增大，連通網(wǎng)絡(luò)中包含的節(jié)點減少，成功傳遞消息的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)變少，并且消息在網(wǎng)絡(luò)中斷情況下轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)也變少，所以負載率變小。由于ARPBO路由協(xié)議有效傳遞消息，所以負載率略高，但獲得了較高的傳遞成功率和較低的傳遞時延。

Figure 5 Impact of varying speeds on overhead ratio圖5 速度對負載率的影響

(2)節(jié)點數(shù)對性能的影響。

節(jié)點數(shù)對消息傳遞成功率的影響如圖6所示。可以看出，所有路由協(xié)議的消息傳遞成功率都隨著節(jié)點數(shù)的增大而增長。這是因為節(jié)點數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)越密集，節(jié)點在同一連通網(wǎng)絡(luò)的概率增大，并且網(wǎng)絡(luò)中斷時節(jié)點相遇的概率也增大，所以傳遞成功率增大。由于DT-DYMO通過AODV路由協(xié)議不能獲取連通網(wǎng)絡(luò)全局拓撲信息，從而不能有效選擇傳遞效率大的中繼節(jié)點傳遞消息，導(dǎo)致傳遞成功率低。HYMAD中組內(nèi)節(jié)點只能夠獲得組內(nèi)拓撲信息，而無法獲得連通時組外節(jié)點的傳遞效率信息，所以傳遞成功率不高。由于ARPBO路由協(xié)議能夠有效利用OLSR協(xié)議感知全局網(wǎng)絡(luò)拓撲來獲得節(jié)點的傳遞效率，在網(wǎng)絡(luò)中斷時有效選擇下一跳中繼節(jié)點，并且在網(wǎng)絡(luò)密集時能夠利用MPR機制進行廣播消息的優(yōu)化，所以獲得了比CAR高的傳遞成功率，成功率最高。OLSR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中斷時無法有效傳遞消息，所以傳遞成功率最低。

Figure 6 Impact of varying node numbers on delivery success ratio圖6 節(jié)點數(shù)對傳遞成功率的影響

節(jié)點數(shù)對時延的影響如圖7所示?？梢钥闯?，消息傳遞時延隨著節(jié)點數(shù)的增大而減小。因為節(jié)點越多，消息在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷情況下被快速轉(zhuǎn)發(fā)的機會增大，所以平均傳遞時延減小。由于ARPBO路由協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷情況下有效轉(zhuǎn)發(fā)消息，所以傳遞時延小于除OLSR以外的其他協(xié)議。

Figure 7 Impact of varying node numbers on delivery delay圖7 節(jié)點數(shù)對傳遞時延的影響

節(jié)點數(shù)對負載率的影響如圖8所示。可以看出，消息負載率隨著節(jié)點數(shù)增大而增大。因為節(jié)點增多、網(wǎng)絡(luò)密集，一些消息能夠通過更多的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，從而導(dǎo)致負載率增大。由于ARPBO路由協(xié)議能夠有效利用局部連通網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的信息，在網(wǎng)絡(luò)連通和中斷情況下快速轉(zhuǎn)發(fā)消息，所以負載率略大。

Figure 8 Impact of varying node numbers on overhead ratio圖8 節(jié)點數(shù)對負載率的影響

5 結(jié)束語

為在間歇性連接移動網(wǎng)絡(luò)中有效傳遞消息，本文提出一種基于OLSR協(xié)議的自適應(yīng)路由協(xié)議ARPBO，并對其性能進行仿真。實驗結(jié)果表明，ARPBO協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)連通時能夠利用OLSR協(xié)議快速轉(zhuǎn)發(fā)消息；在網(wǎng)絡(luò)中斷時能夠有效選擇傳遞效率大的下一跳中繼節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)。下一步工作將針對間歇性連接移動網(wǎng)絡(luò)研究設(shè)計更加有效的中繼選擇策略及多對多的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議。

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