摘  要： 基于自適應(yīng)移動(dòng)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)其DSR協(xié)議的路由緩存機(jī)制，分析不足之處，探索對(duì)現(xiàn)有的路由緩存機(jī)制的優(yōu)化方法。提出了緩存路由有效期的概念，為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的路由表添加一個(gè)用于反饋的“緩存路由跳數(shù)”參數(shù)，節(jié)點(diǎn)選擇此參數(shù)值最小者的路由信息。仿真實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的緩存機(jī)制有效地避免了響應(yīng)沖突問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了路由的最短優(yōu)化，在平均傳輸延遲、分組投遞率、吞吐量性能方面都有提高。
關(guān)鍵詞： DSR；路由緩存；緩存路由有效期；跳數(shù)；NS2

    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)地位平等，無(wú)需設(shè)置任何的中心控制節(jié)點(diǎn)。對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)而言，路由協(xié)議算法是最關(guān)鍵的技術(shù)。目前存在的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需路由協(xié)議兩種。近年來(lái)，對(duì)于DSR協(xié)議已經(jīng)做了一系列研究，DSR協(xié)議的不足有：(1)用于路由發(fā)現(xiàn)的控制報(bào)文會(huì)波及全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)，耗費(fèi)較大；(2)路由響應(yīng)風(fēng)暴問(wèn)題，源節(jié)點(diǎn)會(huì)同時(shí)收到多個(gè)路由響應(yīng)，造成了響應(yīng)沖突；(3)無(wú)效緩存路由問(wèn)題，過(guò)期的路由信息會(huì)傳染其他節(jié)點(diǎn)。目前的研究結(jié)果主要有：莊春梅等[2]提出了DSR的鄰居表結(jié)構(gòu)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)縮短路由，同時(shí)節(jié)點(diǎn)通過(guò)延遲轉(zhuǎn)發(fā)路由發(fā)現(xiàn)包的時(shí)間來(lái)選擇生存時(shí)間長(zhǎng)的路由；AYUB J等[3]用一組參數(shù)描述節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，論述了基于鏈路穩(wěn)定性評(píng)估的路由協(xié)議的研究；Chen Jiaxu等[4]采用節(jié)點(diǎn)局部自適應(yīng)機(jī)制，對(duì)于路由斷路繞遠(yuǎn)等問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)調(diào)整，對(duì)DSR協(xié)議的緩存機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)；TAMILARASI M等[5]提出了節(jié)點(diǎn)局部自適應(yīng)機(jī)制，對(duì)于路由斷路繞遠(yuǎn)等問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)調(diào)整；Zhou Nianjun等[6]針對(duì)DSR協(xié)議傳輸報(bào)文時(shí)，遇到阻塞的路由開(kāi)銷進(jìn)行了改進(jìn)；李學(xué)橋等[7]提出了分布式的緩存更新機(jī)制，讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)異步地保持最新路由信息。但是上述文獻(xiàn)中考慮的只是對(duì)已有路由失效后的策略，并未避免路由響應(yīng)沖突問(wèn)題。  
1 DSR協(xié)議
    DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議，主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)有報(bào)文發(fā)送要求時(shí)，首先檢查自己的緩存里是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，若存在則直接使用，否則發(fā)送r_req路由請(qǐng)求消息。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到r_req時(shí)，檢查是否收到過(guò)此消息，若收到過(guò)則停止轉(zhuǎn)發(fā)，并回復(fù)路由響應(yīng)；若沒(méi)有，則先檢查自己緩存中是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，若有則加入該路由并返回r_rep，若沒(méi)有則將自己的地址加到r_req再轉(zhuǎn)發(fā)此r_req，直到源節(jié)點(diǎn)成功地接收到路由響應(yīng)信息r_rep。在傳輸報(bào)文過(guò)程中，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到通往目的節(jié)點(diǎn)的下一跳鏈路中斷時(shí)，它將從自己的緩存中刪去包含該鏈路的路由并向源節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)r_err出錯(cuò)分組，源節(jié)點(diǎn)收到r_err后，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。Fu Z等[8]測(cè)試了TCP協(xié)議代理下的傳輸吞吐量與報(bào)文丟失的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)DSR協(xié)議在吞吐量方面有缺陷。
    由于無(wú)線廣播信道的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以處于“混合監(jiān)聽(tīng)”狀態(tài)，這樣會(huì)出現(xiàn)“隱終端”問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生報(bào)文響應(yīng)沖突，進(jìn)而造成傳輸阻塞。
2 基于沖突避免的優(yōu)化
2.1 優(yōu)化的算法
    本文提出的優(yōu)化建立在DSR協(xié)議已有的路由緩存機(jī)制上，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處于移動(dòng)狀態(tài)，某節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻可能正在運(yùn)動(dòng)，也可能停止不動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)的速度也有大有小。主要目標(biāo)是針對(duì)DSR協(xié)議的路由尋找與路由回復(fù)階段產(chǎn)生的響應(yīng)沖突問(wèn)題。
    本文為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的路由表添加一個(gè)用于反饋的“緩存路由跳數(shù)”參數(shù)。各節(jié)點(diǎn)自有的緩存路由不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間有效，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度的大小和停留時(shí)間確定緩存路由的有效期。在有效期內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)向下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由請(qǐng)求后，可能會(huì)收到兩個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的路由響應(yīng)，這時(shí)，發(fā)送路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)查看收到的路由響應(yīng)對(duì)應(yīng)的緩存路由跳數(shù)值，并選擇最小者的路由信息。一旦超過(guò)有效期，節(jié)點(diǎn)就啟動(dòng)路由緩存更新，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，并刪除無(wú)效路由信息。如圖1、圖2所示，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由請(qǐng)求報(bào)文r_req比原有的r_req增加的字段有緩存路由跳數(shù)m和緩存路由有效期TTL。

    改進(jìn)后的協(xié)議DSR-BCA(DSR based on Collision Avoi-
dance)運(yùn)作方式如下：
    (1)如果源節(jié)點(diǎn)S的下一節(jié)點(diǎn)就是目的節(jié)點(diǎn)D，則節(jié)點(diǎn)D直接填充路由請(qǐng)求記錄字段，緩存此路由，記錄跳數(shù)m=1，并回復(fù)r_rep報(bào)文；否則轉(zhuǎn)到步驟(2)；
    (2)源節(jié)點(diǎn)S的下一節(jié)點(diǎn)是中間節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)在收到r_req報(bào)文后，查看若發(fā)現(xiàn)自己的緩存路由信息中已有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，則直接回復(fù)r_rep報(bào)文，這樣減少了路由請(qǐng)求消息的廣播，否則轉(zhuǎn)到步驟(3)；
    (3)源節(jié)點(diǎn)S的下一節(jié)點(diǎn)是中間節(jié)點(diǎn)，且r_req報(bào)文中的源節(jié)點(diǎn)地址請(qǐng)求類型ID存在于此中間節(jié)點(diǎn)的序列對(duì)列表中，表明此r_req報(bào)文已經(jīng)收到過(guò)，此中間節(jié)點(diǎn)不需處理該請(qǐng)求；否則轉(zhuǎn)到步驟(4)；
    (4)如果中間節(jié)點(diǎn)的地址已在r_req報(bào)文的路由請(qǐng)求記錄字段中，表明經(jīng)過(guò)此中間節(jié)點(diǎn)的路由跳數(shù)必不是最小的，回復(fù)一個(gè)r_rep報(bào)文給上一節(jié)點(diǎn)，通知其再尋找下一跳節(jié)點(diǎn)；否則轉(zhuǎn)到步驟(5)；
    (5)如果此中間節(jié)點(diǎn)不滿足步驟(3)和步驟(4)，則將自己的地址添加到路由請(qǐng)求記錄字段，然后向鄰節(jié)點(diǎn)廣播該路由請(qǐng)求，此中間節(jié)點(diǎn)仍然要緩存這個(gè)路由信息，記錄跳數(shù)；然后轉(zhuǎn)到步驟(6)；
    (6)若r_req報(bào)文經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)了目的節(jié)點(diǎn)D，則報(bào)文中的路由請(qǐng)求記錄字段中節(jié)點(diǎn)地址序列構(gòu)成了從源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的完整路由信息，節(jié)點(diǎn)D會(huì)緩存此信息，記錄跳數(shù)，并回復(fù)r_rep報(bào)文。
    (7)在路由維護(hù)階段，對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)速度的節(jié)點(diǎn)，設(shè)置不同的TTL。當(dāng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度大時(shí)，它附近網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓涂?，緩存路由的TTL就小；反之則大。一旦時(shí)長(zhǎng)達(dá)到TTL，參與報(bào)文傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)丟棄原有的路由信息，再次啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

    dsrbca_bitreq只比dsr_bitreq多了兩個(gè)字段，即2 bit，而n可達(dá)到101或102，故BDSR>>BDSR-BCA。
3 仿真分析與性能比較
3.1 仿真平臺(tái)與性能指標(biāo)
    本文使用NS2 version 2.35仿真平臺(tái)[9]，操作系統(tǒng)為Red Flag Linux 6.0。在仿真前要配置節(jié)點(diǎn)參數(shù)，利用仿真結(jié)果進(jìn)行性能分析。性能指標(biāo)有以下3個(gè)：平均傳輸時(shí)延，指從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)分組到目的節(jié)點(diǎn)接收到此分組的時(shí)間間隔的平均值；分組投遞率，指目的節(jié)點(diǎn)接收到的報(bào)文數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文數(shù)之比；歸一化路由開(kāi)銷，指平均每發(fā)送一個(gè)分組所需要的路由控制分組數(shù)占總分組數(shù)的比例。
3.2 仿真場(chǎng)景設(shè)置與結(jié)果分析
    利用NS2仿真平臺(tái)對(duì)優(yōu)化前后的協(xié)議性能進(jìn)行測(cè)試。節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型采用Random Way Point模型，仿真平臺(tái)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

     如圖4所示，隨著節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度增大，DSR和DSR-BCA協(xié)議的分組投遞率緩慢減小。這是因?yàn)槭酚稍龆啵杏玫臄?shù)據(jù)傳輸受到的阻礙也會(huì)變大，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文也隨之丟失。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度在15 m/s以內(nèi)時(shí)，分組投遞率可以在98%以上，在這個(gè)指標(biāo)上，DSR-BCA比DSR的性能只是提高了一點(diǎn)。

    如圖5所示，隨著節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度增大，DSR和DSR-BCA協(xié)議的歸一化路由開(kāi)銷都在增加。隨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，路由更新的次數(shù)增多，用于路由維護(hù)的控制報(bào)文也增多了。DSR-BCA協(xié)議的路由維護(hù)過(guò)程的額外耗費(fèi)比DSR協(xié)議的少，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度達(dá)到40 m/s時(shí)可以少約18%，速度越大越明顯。

    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)因其節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)、無(wú)中心、多跳的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，因此路由協(xié)議的研究一直是熱點(diǎn)與難點(diǎn)。DSR協(xié)議作為按需路由的一種，其現(xiàn)有的路由機(jī)制仍然有一些缺陷，如路由響應(yīng)風(fēng)暴問(wèn)題、失效路由問(wèn)題。本文提出了緩存路由有效期、緩存路由跳數(shù)的概念并將其應(yīng)用到DSR協(xié)議中優(yōu)化。NS2仿真結(jié)果表明，DSR-BCA的性能比DSR的優(yōu)越。
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