摘  要： 在分析經(jīng)典路由協(xié)議AODV的基礎(chǔ)上，結(jié)合Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了一種新的路由協(xié)議AODV-LS。新的路由協(xié)議根據(jù)節(jié)點帶寬以及實時負(fù)載量這兩個參數(shù)計算出節(jié)點權(quán)重值，根據(jù)節(jié)點權(quán)重值評估鏈路的性能，根據(jù)鏈路性能選擇最優(yōu)路徑。實驗結(jié)果表明，AODV-LS協(xié)議在數(shù)據(jù)分組投遞率、端到端延時和標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載方面都優(yōu)于AODV。
關(guān)鍵詞： AODV；節(jié)點權(quán)重值；分組投遞率；端到端延時

    無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)的特點，具有高性能、低功耗、自組織、自配置的特點，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)成為家庭網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)寬帶網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先選擇[1]。對于Mesh網(wǎng)絡(luò)來說，關(guān)鍵問題在于如何實現(xiàn)高品質(zhì)的路由協(xié)議，協(xié)議不但要能夠及時應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，還要實現(xiàn)多跳傳輸?shù)馁|(zhì)量服務(wù)。
    Mesh網(wǎng)絡(luò)目前使用的路由協(xié)議基本上都是從Ad Hoc移植過來的，AODV作為 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的路由協(xié)議，適用于動態(tài)的、多變的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，它同多數(shù)其他Ad Hoc路由協(xié)議(如DSR、DSDV等)一樣,采用最短路徑路由算法,但是大量的實驗和實踐證明了該算法并不適用于無線Mesh環(huán)境，主要是因為它以源節(jié)點到目的節(jié)點的跳數(shù)作為路由評價的標(biāo)準(zhǔn)，然而跳數(shù)最少的路徑在實際中未必是最優(yōu)的[2-3]。如當(dāng)跳數(shù)最少路徑上的節(jié)點嚴(yán)重過載時,就會引起大量數(shù)據(jù)包丟失，增加延遲和降低網(wǎng)絡(luò)性能。在Mesh中，由于802.11 MAC采用的是分布式協(xié)調(diào)功能, 在同一時刻的沖突域內(nèi)只允許兩個節(jié)點進行通信, 另外在沖突域內(nèi)存在隱藏節(jié)點和暴露節(jié)點,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)較重時, 無線網(wǎng)絡(luò)的性能下降尤為突出,網(wǎng)絡(luò)吞吐性能遠低于理論值[4-5]。
    由于Ad Hoc路由協(xié)議先天不足，以及Mesh網(wǎng)絡(luò)自身的特殊性，現(xiàn)有的Ad Hoc路由協(xié)議不能滿足Mesh網(wǎng)絡(luò)的要求，因此本文提出了新的路由算法AODV-LS。
1 AODV算法
    AODV是基于DSDV和DSR提出的一種按需路由。AODV協(xié)議當(dāng)中一個重要的特點就是添加了序列號，可以有效地阻止計數(shù)無窮大和路由環(huán)路問題。在AODV中每個節(jié)點維護一個路由表來記錄從路由包中獲得的路由信息。當(dāng)源節(jié)點需要發(fā)數(shù)據(jù)時，會查看自己的路由表里有沒有該條路徑，如果有，則按照路由表項中的信息直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；否則發(fā)起一個路由發(fā)現(xiàn)過程。首先，源節(jié)點創(chuàng)建一個RREQ包并廣播，當(dāng)鄰居節(jié)點接收到RREQ包時，該節(jié)點將RREQ包中的跳數(shù)值加1并在自己的路由表中創(chuàng)建一個反向路由，如果該節(jié)點就是目的節(jié)點或者該節(jié)點存在到達目的節(jié)點的路由表項，則該節(jié)點就向源節(jié)點發(fā)送RREP，否則它只廣播RREQ。
    RREP的傳播是由目的節(jié)點向源節(jié)點單播完成的。當(dāng)一個節(jié)點收到RREP之后，創(chuàng)建正向路由表項，其中包含目的節(jié)點和下一跳節(jié)點。根據(jù)反向路由表繼續(xù)傳播RREP，直到RREP被源節(jié)點接收到。節(jié)點移動可以破壞之前的路由，為了增加成功的數(shù)據(jù)傳輸率，本地節(jié)點能夠修復(fù)損壞的鏈路。發(fā)生斷路時，網(wǎng)絡(luò)的上游節(jié)點向目的地發(fā)送RREQ，為了避免環(huán)路，應(yīng)該將RREQ中目的節(jié)點的序列號加1。若本地修復(fù)成功，目的節(jié)點或者包含目的節(jié)點路由信息的中間節(jié)點創(chuàng)建RREP；如果節(jié)點修復(fù)失敗，則向源節(jié)點發(fā)送一個RERR包，源節(jié)點則重新創(chuàng)建新的RREQ，重新開始路由發(fā)現(xiàn)過程[6]。
2 改進的AODV-LS路由協(xié)議
2.1 AODV-LS路由選擇量度
    AODV-LS中組合量度使用帶寬、緩存飽和度兩個參數(shù)。本文采用了基于 NAV[5]的統(tǒng)計來估算可用帶寬，節(jié)點所在信道的空閑時間是一個很重要的參數(shù)，由節(jié)點以及鄰居節(jié)點的業(yè)務(wù)量綜合決定，在這段時間內(nèi)節(jié)點可以成功地傳輸數(shù)據(jù)。Bi=B×Ti/Tc，其中Bi為節(jié)點的實時可用帶寬，B為信道帶寬，Tc為觀察時間，Ti為在觀察時間內(nèi)的信道空閑時間。這里還考慮了節(jié)點緩存隊列飽和度的影響，如果節(jié)點緩沖隊列已滿，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞會引起網(wǎng)路性能的急劇下降，例如時延增大、丟包率增加等。如果在路由發(fā)現(xiàn)時考慮節(jié)點負(fù)載狀態(tài)，將會降低擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)性能。本文定義緩存飽和度為緩存節(jié)點的包的數(shù)量與允許緩存的額定包數(shù)之比，定義為ri=Ci/Cm，其中，Cm為緩沖隊列最大值，Ci是緩沖隊列中包數(shù)值。
    節(jié)點負(fù)載越大,緩沖越接近飽和, 其同鄰居節(jié)點間的鏈路則越繁忙, 可用帶寬越少, 因而通信傳輸代價同時也就越高。節(jié)點i的鏈路權(quán)重Xi計算如下：
    Xi=[Bi/B+(1-Rti)+(1-Rgi)]×10
其中，Rti表示發(fā)送緩沖飽和度，Rgi代表接收緩沖隊列飽和度。并且一條鏈路的關(guān)鍵因素是所有中間節(jié)點權(quán)重的最小值：Xmi=min（X1，X2，X3，X4，…，Xh-1），h為該條路徑的跳數(shù)。若Xmi越大，說明該條鏈路負(fù)載越少；Xmi越小，說明該條路徑上負(fù)載越大。為了綜合考慮鏈路狀況，還要考慮路由節(jié)點的鏈路權(quán)重之和，即：
    Wj=sum（X1+X2+X3，…，Xh-1）
最后給出路由判定量度組合：
    Pj=?琢×Xmi+(?茁×Wj)/(h-1)
式中?琢、?茁值的選取通過試驗獲得，且?琢+?茁=1。為了盡量避開負(fù)載較重的節(jié)點，在源節(jié)點到目的節(jié)點之間找到一條負(fù)載較輕的路徑，賦予?琢較大的權(quán)重。
2.2 路由發(fā)現(xiàn)與建立
2.2.1 請求報文與數(shù)據(jù)報文
    (1)路由請求報文RREQ，包括Type，Hops，RequestNo，DestinationIP，OriginatorIP，PreNode，Xmi，Wj。
    (2)路由響應(yīng)報文RREP，包括Type，Hops，RequestNo，DestinationIP，OriginatorIP，PreNode，RREQSrc，Xmi，Wj。
2.2.2 路由發(fā)現(xiàn)過程
    每個節(jié)點都保留一個路由表, 用來存儲節(jié)點所需要的路由信息，其表項是一個向量（Destination，NextHop，Wj，Hops，Pj，S，X，Xmi，LF），其中Destination表示目的網(wǎng)絡(luò)，NextHop為到達目的網(wǎng)絡(luò)的下一跳, Wj為從該節(jié)點到達目的網(wǎng)絡(luò)的累計鏈路權(quán)重，Hops為從該節(jié)點達到目的網(wǎng)絡(luò)的累計跳數(shù)，S為路由發(fā)現(xiàn)發(fā)起的節(jié)點，X為路由請求序號，LF為路由表項的生存時間。
    (1)當(dāng)源節(jié)點s要向目的地d轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，若存在s到d的路由，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)即可，如果不存在s到d的路由信息，則創(chuàng)建RREQ報文并廣播，RREQ中Type=1，Hops=0，Xmi=0，Wj=0，DestinationIP=d，OriginatorIP=s，Pre-Node=s，RequestNo=(當(dāng)前節(jié)點最新的路由請求序號+1)。
    (2)當(dāng)節(jié)點k接收到RREQ包時，首先查看自身的權(quán)重值，如果自身的權(quán)重值超過了規(guī)定的權(quán)重值范圍，則直接扔掉該RREQ報文，否則創(chuàng)建反向路由向量,并且用RREQ報文中的值來填充該路由向量（s,RREQ.PreNode,RREQ.Wj,RREQ.Hops，α×RREQ.Xmi+β×RREQ.Wj/（RREQ.Hops-1）,RREQ.RequestNo,RREQ.Xmi,LF）。如果k≠d，并且k中不含有到達d的向量，則修改RREQ報文，若RREQ.Xmi<k.Xmi,則RREQ.Xmi=k.Xmi，否則RREQ.Xmi保持不變，RREQ.Hops=RREQ.Hops+1，RREQ.PreNode=k，RREQ.Wj+k.Xmi,修改后的報文繼續(xù)廣播。如果k=d或者k的路由表中存在到達d的路徑，則產(chǎn)生回復(fù)報文RREP,RREP中Type=2，RREP.RequestNo=RREQ.RequestNo,RREP.OriginatorIP=d,RREP.RREQSrc=RREQ.OriginatorIP,RREP.DestinationIP=RREQ.PreNode，如果k=d，則RREP.Hops=0，RREP.Xmi=0，RREP.Wj=0，若k路由表中存在到達d的向量，則RREP.Hops=RT.Hops,RREP.Xmi=min(K.Xmi,RT.Xmi)，RREP.Wj=RT.Wj+k.Xmi(這里假設(shè)RT是該節(jié)點到目的地的向量)，構(gòu)造響應(yīng)報文之后以單播的方式轉(zhuǎn)發(fā)。
    (3)當(dāng)節(jié)點h收到RREP之后，構(gòu)造h到下跳節(jié)點的正向路由向量（d,RREP.PreNode,RREP.Wj,RREP.Hops,RREP.Pj,RREP.RREQSrc,RREP.RequestNo,RREP.Xmi,LF）,如果h不是s，則更新RREP繼續(xù)單播下去，直至源節(jié)點s接收到RREP。
    在尋找路由定時器超時前，如果源節(jié)點s收到相對應(yīng)的RREP報文，則構(gòu)建從s到d的路由向量。如果在定時器時間內(nèi)源節(jié)點s收到多個RREP回應(yīng)，本設(shè)計選擇前3個做比較。從中選擇鏈路值最大的一個回應(yīng)。如果出現(xiàn)鏈路值相等的情況，則選擇鏈路最短的一個?？紤]到鏈路的延時問題，接收到3個RREP包后多余的就直接放棄。

    如果一個本地修復(fù)請求到期時，則斷路節(jié)點的上游節(jié)點產(chǎn)生RERR報文，通知源節(jié)點本條路由已斷路，如果需要，重新發(fā)起路由請求。
    (2)節(jié)點過載的路由維護。AODV-LS中節(jié)點a發(fā)送的HELLO報文,還會計算a與鄰居的鏈路權(quán)重。當(dāng)權(quán)重值超出規(guī)定的范圍時, 就廣播節(jié)點過載LRRERR報文，鄰居節(jié)點b收到LRRERR報文后，節(jié)點b則繼續(xù)按照(1)中的方式，按節(jié)點a不可達時的情況進行路由維護。
3 仿真與分析
    利用NS2(v2.34)對AODV-LS進行仿真，分別對數(shù)據(jù)包平均端到端延遲、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載等性能進行分析。MAC層采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分布式協(xié)調(diào)功能,利用CSMA/CA作為傳輸機制，網(wǎng)絡(luò)帶寬為2 Mb/s，發(fā)送數(shù)據(jù)包的大小為512 B。在仿真過程中，50個無線路由節(jié)點在一個800 m×800 m的矩形區(qū)域內(nèi)隨機移動，移動速度分布在0～4 m/s的范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)源節(jié)點的個數(shù)為20，發(fā)包率為每秒分別發(fā)送 1、2、4、7、10 個包來產(chǎn)生不同的負(fù)載。分別對AODV-LS協(xié)議和AODV協(xié)議進行模擬仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，得到兩個協(xié)議在不同停留時間下的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率、數(shù)據(jù)包平均端到端延遲和標(biāo)準(zhǔn)化路由負(fù)載。
    圖2顯示了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點發(fā)包率變化時，AODV、AODV-LS數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率的曲線。結(jié)果表明在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很小時，AODV、AODV-LS都有較高的、相近的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時，AODV-LS的性能提高十分明顯。這是因為AODV-LS盡量避開負(fù)載較重的節(jié)點，選擇負(fù)載較輕的路徑傳輸數(shù)據(jù)，間接地提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

    圖3顯示分組平均端到端時延的變化曲線，節(jié)點發(fā)包率較小時，AODV-LS與AODV平均端到端延遲相近，但隨著節(jié)點發(fā)包率的增加，AODV-LS延遲明顯小于 AODV。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，AODV-LS試圖找到一條鏈路狀況最好的路徑，繞過堵塞的節(jié)點，減小了擁塞等待時間。

    本文針對Mesh網(wǎng)絡(luò)自身的特點，對AODV算法做了改進，提出了新的AODV-LS路由協(xié)議，該協(xié)議采用節(jié)點權(quán)重值作為路由建立標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明，由于采用了權(quán)重值作為路由判據(jù)，整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能、包轉(zhuǎn)發(fā)率、端到端延時等方面都要優(yōu)于AODV，體現(xiàn)了良好的性能。
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