張曉東，韓衛(wèi)占，張平

摘要：為了實(shí)現(xiàn)多手段通信資源的全局共用與優(yōu)化使用，針對通信節(jié)點(diǎn)多傳輸手段的自組網(wǎng)特點(diǎn)，提出了一種基于節(jié)點(diǎn)MPR的OLSR路由協(xié)議（N-OLSR）。首先對HELLO報(bào)文格式進(jìn)行修改，加入Port字段，根據(jù)通信手段的不同，對Willingnes字段的值做出修改，用接口索引來代替接口IP地址，將鏈路帶寬大的信道用大索引號表示。以此為基礎(chǔ)，從全局出發(fā)制定路由策略，將通信節(jié)點(diǎn)作為MPR的選舉對象，改變傳統(tǒng)方法在每個(gè)接口上進(jìn)行MPR選舉的機(jī)制。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)來測試N-OLSR路由協(xié)議的性能。結(jié)果表明，改進(jìn)的協(xié)議完成了MPR從接口到節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，降低了源節(jié)點(diǎn)將一跳鄰居節(jié)點(diǎn)選為MPR的頻率，從而減少TC報(bào)文的產(chǎn)生以及洪泛;改進(jìn)的路由協(xié)議能夠減少控制開銷，降低丟包率，加快網(wǎng)絡(luò)收斂速度。研究結(jié)果可為多傳輸手段的移動自組網(wǎng)提供一種可靠的路由協(xié)議方案，并且信道帶寬越小越能發(fā)揮其性能。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò);多傳輸手段;移動自組網(wǎng);OLSR;節(jié)點(diǎn)MPR;接口索引

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx06002

Research on routing protocol of Ad Hoc Network based on

multiple transmission methods

ZHANG Xiaodong，HAN Weizhan，ZHANG Ping

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang，Hebei 050081，China）

Abstract：In order to realize the global sharing and optimal use of multi-means communication resources，an OLSR routing protocol based on node MPR （N-OLSR） was proposed according to the Ad Hoc Network characteristics of communication nodes with multi-transmission means.First，the format of the HELLO message was modified，the Port field was added，and the value of the Willingnes field was modified according to different communication methods.The interface IP address was replaced by the interface index，and the channel with a large link bandwidth was represented by the large index number.Based on this，the routing strategy was formulated from a global perspective，the communication node was regarded as the MPR election object，and the traditional method of MPR election mechanism on each interface was changed.Finally，the performance of the N-OLSR routing protocol is tested through simulation experiments.The results show that the improved protocol completes the transfer of MPR from interface to node，reduces the frequency of the source node selecting a one-hop neighbor node as the MPR，thereby reducing the generation and flooding of TC packets;the improved routing protocol can reduce the control overhead，decrease the packet loss rate and accelerate the network convergence speed.The research results provide a reliable routing protocol scheme for Mobile Ad Hoc Network with multiple transmission methods，and show that the smaller the channel bandwidth is，the better its performance is.

Keywords：computer network;multiple transmission methods;Mobile Ad Hoc Network;OLSR;node-based MPR;interface index

海上移動自組網(wǎng)是無線自組網(wǎng)（MANET）的一種應(yīng)用場景[1]，其移動節(jié)點(diǎn)由飛機(jī)和船只等組成。因其組網(wǎng)環(huán)境，節(jié)點(diǎn)間只能通過無線通信手段聯(lián)絡(luò)，并且移動的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o時(shí)無刻在無規(guī)則的變化[2-3]。對于本課題，更是急需研究一種主動式的路由協(xié)議，能夠在多通信手段的移動自組網(wǎng)中表現(xiàn)出良好的網(wǎng)絡(luò)性能。其中，上述網(wǎng)絡(luò)具有去中心化、多跳路由、節(jié)點(diǎn)多信道和窄帶等特點(diǎn)[4]。

OLSR（optimized link state routing）根據(jù)MANET的特點(diǎn)[5]，由LS（link state）協(xié)議演化而來。OLSR與LS相較而言最重要的便是引入多點(diǎn)中繼節(jié)點(diǎn)（MPR）機(jī)制，優(yōu)化了洪泛算法，降低了協(xié)議的開銷[6-8]。MPRs是在廣播洪泛的過程中被挑選為轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息的中間節(jié)點(diǎn)[9]，MPR節(jié)點(diǎn)將會生成TC（topology control）消息并且轉(zhuǎn)發(fā)TC消息[10-12]，網(wǎng)絡(luò)通過周期性的TC消息保持拓?fù)浔砀?，通過拓?fù)浔砜梢杂?jì)算出全局路由表[13-15]，故研究MPR選舉機(jī)制對于OLSR性能的提升顯得格外重要。

基于單信道的OLSR是研究的一大熱門，并且產(chǎn)生了許多研究成果。文獻(xiàn)[16]提出基于能量消耗MPR的無人機(jī)OLSR路由協(xié)議評估，通過分析無人機(jī)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動速度與能量狀態(tài)，實(shí)施MPR選舉前就先預(yù)處理高速低能量的節(jié)點(diǎn)，在同一意愿值條件下重新以加權(quán)方式計(jì)算出節(jié)點(diǎn)能量消耗，由此獲得最優(yōu)的MPR節(jié)點(diǎn)集。文獻(xiàn)[17]對OLSR協(xié)議進(jìn)行如下優(yōu)化：提出了基于節(jié)點(diǎn)鏈路傳輸質(zhì)量和移動相似度的優(yōu)化MPR集選擇算法，以加權(quán)的綜合鏈路評價(jià)指標(biāo)取代節(jié)點(diǎn)連接度作為MPR集選擇準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[18]將單接口單通道OLSR協(xié)議擴(kuò)展為多接口多通道OLSR協(xié)議，并在多接口多通道OLSR協(xié)議上進(jìn)行分布式通道協(xié)商，可以提高網(wǎng)絡(luò)性能。

對于以節(jié)點(diǎn)多傳輸手段為突出網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的海上異構(gòu)自組網(wǎng)，以上基于接口選擇MPR的路由協(xié)議研究不能夠在異構(gòu)網(wǎng)中很好地降低協(xié)議控制開銷，因此上述協(xié)議無法直接運(yùn)用到多傳輸手段的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中來。針對日益增長的通信節(jié)點(diǎn)多傳輸手段的自組網(wǎng)需求，本文致力于研究一種基于全局的節(jié)點(diǎn)MPR路由協(xié)議，并且將傳輸手段帶寬不同的因素加入到MPR的選舉中來，對路由協(xié)議做進(jìn)一步的優(yōu)化，尤其在海上需要快速做出反應(yīng)的情形下，該協(xié)議將起到至關(guān)重要的作用。

1OLSR路由策略

OLSR作為一種主動式的優(yōu)化鏈路路由協(xié)議，其全網(wǎng)拓?fù)鋱D和路由表的建立依賴于OLSR節(jié)點(diǎn)周期性的交互控制信息[19]。首先，節(jié)點(diǎn)通過定期發(fā)送HELLO報(bào)文來進(jìn)行OLSR鄰居發(fā)現(xiàn);接著秉承MPR集最小原則，節(jié)點(diǎn)在一跳對稱鄰居中選出MPR節(jié)點(diǎn);最后，MPR節(jié)點(diǎn)生成TC消息，并洪泛到全網(wǎng)以生成路由表。其中，HELLO報(bào)文只在一條鄰居之間傳遞，某節(jié)點(diǎn)的MPR節(jié)點(diǎn)集能夠覆蓋該節(jié)點(diǎn)的全部兩跳鄰居，只有MPR節(jié)點(diǎn)有廣播TC消息的任務(wù)。

1.1鄰居發(fā)現(xiàn)

如圖1所示，在開始階段，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的HELLO報(bào)文中沒攜帶B的地址信息，故節(jié)點(diǎn)B在收到報(bào)文后將A設(shè)為asymmetric（此時(shí)B認(rèn)為是單向鏈路），并將鄰居地址信息更新在鄰居節(jié)點(diǎn)表中;當(dāng)A在收到B的HELLO報(bào)文后，A發(fā)現(xiàn)了關(guān)于自己的地址信息，故將B設(shè)為symmetric（此時(shí)A認(rèn)為是雙向鏈路），并將鄰居地址信息更新在鄰居節(jié)點(diǎn)表中;當(dāng)B再次收到來自A的HELLO報(bào)文時(shí)，B可以找到關(guān)于自己的地址信息，A被B設(shè)為symmetric（此時(shí)B認(rèn)為與A形成雙向鏈路）?；诖藱C(jī)制，通過廣播HELLO包，網(wǎng)絡(luò)中的OLSR節(jié)點(diǎn)能夠建立一跳及兩跳鄰居信息，并以此完成鏈路探測。

1.2MPR選舉算法

算法流程如下。

步驟1：計(jì)算一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的連接度L（i）。

步驟2：將能夠到達(dá)孤立節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)加入到MPR集，刪除此MPR節(jié)點(diǎn)及已被覆蓋的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。

步驟3：如果兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)全覆蓋，算法結(jié)束。否則，將剩余連接度S（i）高的節(jié)點(diǎn)加入MPR集，刪除此MPR節(jié)點(diǎn)及已被覆蓋的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。返回步驟3。

其中：

L（i）=一跳鄰居節(jié)點(diǎn)能夠到達(dá)嚴(yán)格兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。（1）

S（i）=L（i）-已經(jīng)被覆蓋的嚴(yán)格兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量。（2）

以圖2為例做簡單說明。

首先，選擇能夠到達(dá)孤立節(jié)點(diǎn)4的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)b為MPR，并刪除關(guān)于b，4和5的信息;在剩余一跳鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇剩余連接度高的作為MPR節(jié)點(diǎn)，其中a為3，d，e和f為2，c為1，故選擇a作為MPR節(jié)點(diǎn)，刪除相關(guān)信息;此時(shí)只剩d，c和f，選擇剩余連接度為2的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)d作為MPR，刪除相關(guān)信息。此時(shí)兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)已全部覆蓋，選舉結(jié)束。

2N-OLSR算法

2.1節(jié)點(diǎn)MPR的提出

如圖3所示，在異構(gòu)自組網(wǎng)中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)最多有微波、電臺和衛(wèi)星3種通信手段，也就是說，由于不確定因素可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失去一種或者兩種通信手段。因?yàn)樵嫉腛LSR協(xié)議運(yùn)行在接口之上，節(jié)點(diǎn)2要與節(jié)點(diǎn)4通信時(shí)，對于源節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)1可能多次被選為MPR，3條鏈路都有可能產(chǎn)生TC報(bào)文。如此，從節(jié)點(diǎn)2到節(jié)點(diǎn)4 的通信需要TC報(bào)文描述3條鏈路的鏈路狀態(tài)，開銷隨之變大，路由維護(hù)也將占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源。尤其在海上無線窄帶通信的情況下，此種MPR選舉機(jī)制不能表現(xiàn)出良好的性能。

又如另外一種情況，節(jié)點(diǎn)2要與節(jié)點(diǎn)3進(jìn)行通信。此時(shí)節(jié)點(diǎn)2可以通過衛(wèi)星一跳到達(dá)節(jié)點(diǎn)3，也可以通過節(jié)點(diǎn)1到達(dá)節(jié)點(diǎn)3。傳統(tǒng)的OLSR基于接口選擇MPR時(shí)，節(jié)點(diǎn)2必然會在電臺子網(wǎng)中將節(jié)點(diǎn)1選擇為MPR。而基于節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)2不會考慮將節(jié)點(diǎn)1選為MPR，而是通過衛(wèi)星一跳到達(dá)節(jié)點(diǎn)3。這樣MPR集將變小，拓?fù)淇刂茍?bào)文的數(shù)量也隨之減少。

針對上述問題，在本文提出的基于節(jié)點(diǎn)MPR的OLSR路由協(xié)議（N-OLSR）中，以全局的角度，在具有多傳輸手段的通信節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行MPR選舉。在N-OLSR中，用接口索引代替接口地址，節(jié)點(diǎn)主地址用router-id代替。衛(wèi)星、電臺和微波的接口索引依次為1，2和3。

2.2HELLO報(bào)文格式修改

根據(jù)傳輸手段設(shè)定Willingness值，加入Port字段，具體修改如圖4所示。

08162432

ReservedHtimeWillingnessLink CodePortLink Message SizeNeighbor Interface Address

圖4中各字段如下設(shè)定。

1）Reserved設(shè)為000000000000000。

2）Htime為該節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO分組的周期。

3）Willingness為意愿度，表示該節(jié)點(diǎn)愿意為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息的愿意程度。

將HELLO分組中的意愿度分為4個(gè)等級：0—3，默認(rèn)情況下，設(shè)定

Willingness=0， 從不轉(zhuǎn)發(fā)，

1， 電臺Default，

2， 衛(wèi)星Default，

3， 微波Default。（3）

4）Link Code為標(biāo)識了節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)類型和鄰居狀態(tài)類型。

5）Port為接口編號，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)IP地址，通過接口編號區(qū)分不同網(wǎng)絡(luò)接口（電臺網(wǎng)絡(luò)接口為1、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接口為2、微波網(wǎng)絡(luò)接口為3）。

6）Link Message Size為鏈路信息長度，起始于當(dāng)前Link Code，終于下一個(gè)Link Code。

7）Neighbor Interface Address為鄰居節(jié)點(diǎn)地址。

2.3MPR選舉算法優(yōu)化

2.3.1節(jié)點(diǎn)MPR的實(shí)現(xiàn)

既然要減少拓?fù)淇刂葡⒃诋悩?gòu)網(wǎng)中的洪泛，從而降低路由控制消息的開銷，那么將消息的擴(kuò)散控制在產(chǎn)生的起點(diǎn)，將最大程度地完成路由協(xié)議的優(yōu)化。

當(dāng)接口通過HELLO消息完成鄰居的探測之后，節(jié)點(diǎn)的各個(gè)接口首先判斷自己Willingness值，如果非0，各接口將與其他接口通過比較Port字段來修改各自的Willingness值，最后只留一個(gè)Willingness非0的接口。例如，電臺接口索引Port_Mic<微波接口索引Port_Rad，因此電臺接口Willingness置為0，衛(wèi)星接口索引Port_Sat<微波接口索引Port_Rad，故衛(wèi)星接口Willingness置為0。之所以這樣比較，是因?yàn)閃illingness的值是根據(jù)帶寬的大小來進(jìn)行設(shè)置的，微波帶寬最大，電臺帶寬最小。此時(shí)，具有多鏈路的節(jié)點(diǎn)在邏輯上只存在一個(gè)MPR。

2.3.2MPR選舉算法修改

步驟1： 計(jì)算一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的連接度。

Li=a+b+c，（4）

式中：a為微波接口的連接度;b為衛(wèi)星接口的連接度;c為電臺接口的連接度。

步驟2：將能夠到達(dá)孤立節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)加入到MPR集，刪除此MPR節(jié)點(diǎn)及已被覆蓋的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。

步驟3：如果兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)全覆蓋，算法結(jié)束。否則，執(zhí)行下面的步驟。

①如果剩余連接度不同，將剩余連接度S（i）（計(jì)算方法與傳統(tǒng)的MPR選舉算法一樣，即式（2）高的節(jié)點(diǎn)加入MPR集，刪除此MPR節(jié)點(diǎn)及已被覆蓋的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)。否則，執(zhí)行b））。

②比較鏈路參與度L_join，將L_join值大的節(jié)點(diǎn)加入MPR集，刪除此MPR節(jié)點(diǎn)及已被覆蓋的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)，返回步驟3。

其中，L_join表達(dá)式如下：

L_join=3×a1×α+2×b1×β+c1×γS（i），（5）

式中：a1表示微波接口的剩余連接度;b1表示衛(wèi)星接口的剩余連接度;c1表示電臺接口的剩余連接度;α，β和γ分別表示微波、衛(wèi)星和電臺接口的業(yè)務(wù)因子，依經(jīng)驗(yàn)將其分別設(shè)為0.7，0.2和0.1，它們代表著業(yè)務(wù)從不同鏈路傳輸?shù)囊庠付取?/p>

3仿真分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)本文背景，采用互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議運(yùn)行模擬網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行仿真，仿真軟件由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制軟件、協(xié)議運(yùn)行監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真軟件、仿真路由協(xié)議軟件等部分組成。其中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅L制軟件如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡鏁r(shí)間300 s，HELLO發(fā)包間隔5 s，拓?fù)涓麻g隔10 s，比較不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的性能時(shí)，將節(jié)點(diǎn)移動速度設(shè)為10 m/s。具體參數(shù)配置如表1所示。

圖5中存在3種異構(gòu)子網(wǎng)，分別為衛(wèi)星、微波和電臺。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎萌植际浇Y(jié)構(gòu)，即所有節(jié)點(diǎn)地位等同。

3.2仿真結(jié)果分析

以表1 的參數(shù)設(shè)置為前提，通過改變節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和移動速度來增加異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。通過圖6—圖9，分別在收斂時(shí)間、端到端時(shí)延和協(xié)議控制開銷（路由收斂時(shí)協(xié)議數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)）3個(gè)方面對改進(jìn)的N-OLSR路由協(xié)議和傳統(tǒng)的OLSR路由協(xié)議進(jìn)行對比，進(jìn)而來測試N-OLSR路由協(xié)議性能。

1）收斂時(shí)間

由圖6和圖7可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)以及節(jié)點(diǎn)速度的增加，傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議和改進(jìn)的N-OLSR路由協(xié)議收斂時(shí)間均逐漸變長。但是隨著異構(gòu)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量變多，節(jié)點(diǎn)速度增長，改進(jìn)的N-OLSR路由協(xié)議比原路由協(xié)議在收斂時(shí)間上表現(xiàn)出來的性能要好，這說明改進(jìn)的路由協(xié)議通過MPR選舉機(jī)制的改變，降低了MPR集，從而減少了到達(dá)同一目的地的路由條目，加快了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的收斂。

2）協(xié)議控制開銷

由圖8可知，隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，運(yùn)行N-OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中的總數(shù)據(jù)包數(shù)均逐漸增加。但是，N-OLSR路由協(xié)議的控制開銷始終比OLSR路由協(xié)議的控制開銷要小，并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，兩者的開銷差距逐漸變大。這是由于隨著MPR數(shù)量的減少，TC報(bào)文產(chǎn)生和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量隨之減少，大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

3）端到端時(shí)延

由圖9可知，隨著節(jié)點(diǎn)速度的增長，運(yùn)行N-OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延均變大。但是N-OLSR表現(xiàn)出來的端到端時(shí)延比OLSR要小，這是由于隨著節(jié)點(diǎn)上MPR數(shù)量的減少，路由條目隨之減少，路由表更新變快，端到端時(shí)延隨之降低。

4結(jié)語

通過對傳統(tǒng)OLSR路由協(xié)議HELLO報(bào)文格式和MPR選舉算法的修改，使N-OLSR路由協(xié)議能夠較好的在節(jié)點(diǎn)多傳輸手段的移動自組網(wǎng)背景中發(fā)揮作用。通過仿真分析可知，改進(jìn)的路由協(xié)議較傳統(tǒng)的OLSR路由協(xié)議，降低了路由的協(xié)議控制開銷，加快了收斂速度。

首先在HELLO報(bào)文中，用索引號代替接口IP，通過這樣的方式消除MID消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳播，從而降低了協(xié)議的開銷。然后通過Willingness的設(shè)置，使多傳輸手段的通信節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)階段只具備一個(gè)邏輯接口。接著通過修改MPR選舉算法，使路由協(xié)議從全局的角度選舉出MPR，同傳統(tǒng)的協(xié)議相比，縮減了MPR集，減少了拓?fù)淇刂茍?bào)文的產(chǎn)生和傳遞，在很大程度上降低了對網(wǎng)絡(luò)資源的占用，加快網(wǎng)絡(luò)收斂。

但是此路由協(xié)議在負(fù)載分擔(dān)方面還沒有完善，對于不同的業(yè)務(wù)，無法合理地將其分散到不同的信道上，因此在多業(yè)務(wù)的負(fù)載均衡方面還有待進(jìn)一步研究，這是下一步研究的重點(diǎn)。

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