摘  要： 基于自適應(yīng)移動多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，針對其DSR協(xié)議的路由緩存機制，分析不足之處，探索對現(xiàn)有的路由緩存機制的優(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)點的路由表添加一個用于反饋的“緩存路由跳數(shù)”參數(shù)，節(jié)點選擇此參數(shù)值最小者的路由信息。仿真實驗表明，經(jīng)過改進的緩存機制有效地避免了響應(yīng)沖突問題，實現(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]是一種特殊的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制節(jié)點。對于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)動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議兩種。近年來，對于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)的控制報文會波及全網(wǎng)各節(jié)點，耗費較大；(2)路由響應(yīng)風(fēng)暴問題，源節(jié)點會同時收到多個路由響應(yīng)，造成了響應(yīng)沖突；(3)無效緩存路由問題，過期的路由信息會傳染其他節(jié)點。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)點狀態(tài)縮短路由，同時節(jié)點通過延遲轉(zhuǎn)發(fā)路由發(fā)現(xiàn)包的時間來選擇生存時間長的路由；AYUB J等[3]用一組參數(shù)描述節(jié)點的運動規(guī)律，論述了基于鏈路穩(wěn)定性評估的路由協(xié)議的研究；Chen Jiaxu等[4]采用節(jié)點局部自適應(yīng)機制，對于路由斷路繞遠等問題進行自動恢復(fù)調(diào)整，對DSR協(xié)議的緩存機制進行了改進；TAMILARASI M等[5]提出了節(jié)點局部自適應(yīng)機制，對于路由斷路繞遠等問題進行自動恢復(fù)調(diào)整；Zhou Nianjun等[6]針對DSR協(xié)議傳輸報文時，遇到阻塞的路由開銷進行了改進；李學(xué)橋等[7]提出了分布式的緩存更新機制，讓各個節(jié)點異步地保持最新路由信息。但是上述文獻中考慮的只是對已有路由失效后的策略，并未避免路由響應(yīng)沖突問題。  
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)和路由維護兩個過程。當源節(jié)點有報文發(fā)送要求時，首先檢查自己的緩存里是否有到達目的節(jié)點的路由，若存在則直接使用，否則發(fā)送r_req路由請求消息。當中間節(jié)點接收到r_req時，檢查是否收到過此消息，若收到過則停止轉(zhuǎn)發(fā)，并回復(fù)路由響應(yīng)；若沒有，則先檢查自己緩存中是否有到達目的節(jié)點的路由，若有則加入該路由并返回r_rep，若沒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)點成功地接收到路由響應(yīng)信息r_rep。在傳輸報文過程中，當中間節(jié)點檢測到通往目的節(jié)點的下一跳鏈路中斷時，它將從自己的緩存中刪去包含該鏈路的路由并向源節(jié)點返回一個r_err出錯分組，源節(jié)點收到r_err后，重新進行路由發(fā)現(xiàn)。Fu Z等[8]測試了TCP協(xié)議代理下的傳輸吞吐量與報文丟失的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)DSR協(xié)議在吞吐量方面有缺陷。
    由于無線廣播信道的特點，節(jié)點可以處于“混合監(jiān)聽”狀態(tài)，這樣會出現(xiàn)“隱終端”問題，會產(chǎn)生報文響應(yīng)沖突，進而造成傳輸阻塞。
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制上，因為節(jié)點處于移動狀態(tài)，某節(jié)點在某一時刻可能正在運動，也可能停止不動，并且運動的速度也有大有小。主要目標是針對DSR協(xié)議的路由尋找與路由回復(fù)階段產(chǎn)生的響應(yīng)沖突問題。
    本文為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的路由表添加一個用于反饋的“緩存路由跳數(shù)”參數(shù)。各節(jié)點自有的緩存路由不會長時間有效，根據(jù)運動速度的大小和停留時間確定緩存路由的有效期。在有效期內(nèi)，源節(jié)點或中間節(jié)點向下一節(jié)點發(fā)送路由請求后，可能會收到兩個或多個中間節(jié)點的路由響應(yīng)，這時，發(fā)送路由請求的節(jié)點查看收到的路由響應(yīng)對應(yīng)的緩存路由跳數(shù)值，并選擇最小者的路由信息。一旦超過有效期，節(jié)點就啟動路由緩存更新，重新進行路由發(fā)現(xiàn)，并刪除無效路由信息。如圖1、圖2所示，經(jīng)過改進的路由請求報文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。

    改進后的協(xié)議DSR-BCA(DSR based on Collision Avoi-
dance)運作方式如下：
    (1)如果源節(jié)點S的下一節(jié)點就是目的節(jié)點D，則節(jié)點D直接填充路由請求記錄字段，緩存此路由，記錄跳數(shù)m=1，并回復(fù)r_rep報文；否則轉(zhuǎn)到步驟(2)；
    (2)源節(jié)點S的下一節(jié)點是中間節(jié)點，中間節(jié)點在收到r_req報文后，查看若發(fā)現(xiàn)自己的緩存路由信息中已有到達目的節(jié)點的路由，則直接回復(fù)r_rep報文，這樣減少了路由請求消息的廣播，否則轉(zhuǎn)到步驟(3)；
    (3)源節(jié)點S的下一節(jié)點是中間節(jié)點，且r_req報文中的源節(jié)點地址請求類型ID存在于此中間節(jié)點的序列對列表中，表明此r_req報文已經(jīng)收到過，此中間節(jié)點不需處理該請求；否則轉(zhuǎn)到步驟(4)；
    (4)如果中間節(jié)點的地址已在r_req報文的路由請求記錄字段中，表明經(jīng)過此中間節(jié)點的路由跳數(shù)必不是最小的，回復(fù)一個r_rep報文給上一節(jié)點，通知其再尋找下一跳節(jié)點；否則轉(zhuǎn)到步驟(5)；
    (5)如果此中間節(jié)點不滿足步驟(3)和步驟(4)，則將自己的地址添加到路由請求記錄字段，然后向鄰節(jié)點廣播該路由請求，此中間節(jié)點仍然要緩存這個路由信息，記錄跳數(shù)；然后轉(zhuǎn)到步驟(6)；
    (6)若r_req報文經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)到達了目的節(jié)點D，則報文中的路由請求記錄字段中節(jié)點地址序列構(gòu)成了從源節(jié)點S到目的節(jié)點D的完整路由信息，節(jié)點D會緩存此信息，記錄跳數(shù)，并回復(fù)r_rep報文。
    (7)在路由維護階段，對于不同運動速度的節(jié)點，設(shè)置不同的TTL。當節(jié)點運動速度大時，它附近網(wǎng)絡(luò)的拓撲變化就快，緩存路由的TTL就小；反之則大。一旦時長達到TTL，參與報文傳輸?shù)墓?jié)點丟棄原有的路由信息，再次啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。

    dsrbca_bitreq只比dsr_bitreq多了兩個字段，即2 bit，而n可達到101或102，故BDSR>>BDSR-BCA。
3 仿真分析與性能比較
3.1 仿真平臺與性能指標
    本文使用NS2 version 2.35仿真平臺[9]，操作系統(tǒng)為Red Flag Linux 6.0。在仿真前要配置節(jié)點參數(shù)，利用仿真結(jié)果進行性能分析。性能指標有以下3個：平均傳輸時延，指從源節(jié)點發(fā)出一個分組到目的節(jié)點接收到此分組的時間間隔的平均值；分組投遞率，指目的節(jié)點接收到的報文數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的報文數(shù)之比；歸一化路由開銷，指平均每發(fā)送一個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 仿真場景設(shè)置與結(jié)果分析
    利用NS2仿真平臺對優(yōu)化前后的協(xié)議性能進行測試。節(jié)點運動模型采用Random Way Point模型，仿真平臺的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

     如圖4所示，隨著節(jié)點的運動速度增大，DSR和DSR-BCA協(xié)議的分組投遞率緩慢減小。這是因為失效路由增多，有用的數(shù)據(jù)傳輸受到的阻礙也會變大，源節(jié)點發(fā)送的報文也隨之丟失。從圖中可以看出，節(jié)點運動速度在15 m/s以內(nèi)時，分組投遞率可以在98%以上，在這個指標上，DSR-BCA比DSR的性能只是提高了一點。

    如圖5所示，隨著節(jié)點的運動速度增大，DSR和DSR-BCA協(xié)議的歸一化路由開銷都在增加。隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化，路由更新的次數(shù)增多，用于路由維護的控制報文也增多了。DSR-BCA協(xié)議的路由維護過程的額外耗費比DSR協(xié)議的少，在節(jié)點移動速度達到40 m/s時可以少約18%，速度越大越明顯。

    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)因其節(jié)點具有移動、無中心、多跳的特點，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化，因此路由協(xié)議的研究一直是熱點與難點。DSR協(xié)議作為按需路由的一種，其現(xiàn)有的路由機制仍然有一些缺陷，如路由響應(yīng)風(fēng)暴問題、失效路由問題。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。
參考文獻
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