最高传输速率的移动Ad Hoc 路由协议小探

时间:2017-08-16 论文提纲 我要投稿

  引言

  Ad Hoc 网络又称为多跳网络、无固定基础设施的网络或自组织网络,是由一组带有无线收发装置的自主的无线节点或终端通过相互合作形成的网络,可以独立于固定的基础设施,是一种自创造、自组织和自管理的网络。移动自组网作为移动计算的一种特殊形式,由于它不需要固定的基站,各个节点均可自由移动,且能实现动态的链接,加上其具有生存性极强,且创建与移动极为方便的特点,在许多特殊情况下有着不可替代的作用,可广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境,且可以作为生存性极强的后备网络。同时,随着移动自组网络研究的发展和相关产品的成熟,移动自组网必将越来越受到人们的重视。
  路由协议作为影响网络性能的一个重要因素,是确保移动自组网络正确运行的关键。路由协议的主要作用是迅速准确地计算到达目的节点的路由,同时通过监控网络拓扑变化来更新和维护路由。移动Ad Hoc 网络的路由协议大致可以分为两种:表驱动路由和按需路由两大类。


  1 表驱动路由协议与按需驱动路由协议

  表驱动路由协议又称先应式路由协议中,每个节点中维持有一张路由表以存储网络中达到其它所有节点的路由信息,各个邻居节点之间周期性地广播路由信息分组来交换路由信息,维持更新路由。表驱动路由协议的优势在于能够很快地从路由表中找到对应于目的地的路由表项,相对于反应式的路由协议,能够很好地控制分组传输的时延,因此比较适合于数据传输实时性要求很高的应用场合,不太适合网络拓扑变化非常迅速的场合,因为网络拓扑的迅速变化可能使得路由表中的路由信息很快失效。
  按需路由协议又称反应式路由协议,运行该协议的节点不需要维持及时准确的路由信息,在需要发数据时才查找路由。每个节点中都存在路由发现过程和路由维护过程,前者负责寻找相应的路由,后者负责维护一个已建立的路由,直至目的节点不可达或不再需要该路由。和表驱动路由协议相比较,按需路由开销小,但数据传送时延较大等缺点。


  2 OLSR 协议原理

  OLSR路由协议是由IETF MANET(Mobile Ad hoc NETwork)工作组为无线移动Ad Hoc网提出的一种标准化的表驱动式优化链路状态路由协议。节点之间需要周期性地交换各种控制信息,通过分布式计算来更新和建立自己的网络拓扑图,被邻节点选为多点中继站MPR(MultipointRelay)的节点需要周期性地向网络广播控制信息。控制信息中包含了把它选为MPR的那些节点的信息(称为MPR Selector),只有MPR节点被用作路由选择节点,非MPR节点不参与路由计算。OLSR还利用MPR节点有效地广播控制信息,非MPR节点不需要转发控制信息。
  OLSR主要采用两种控制消息分组,HELLO分组和TC(Topology Control)分组。
  HELLO消息用于建立一个节点的邻居表,报文中可以包括邻居节点的地址以及本节点到邻居节点的延迟或开销,OLSR采用周期性地广播HELLO分组来侦听邻居节点的状态。HELLO分组只在一跳的范围内广播,不能被转发。与HELLO消息相反,TC分组必须被广播到全网。
  节点在从自己的一跳邻居节点中选择MPR时计算的原则是:节点与MPR之间必须是双向对称链路,节点所发送的分组通过MPR的中继,能够到达所有对称的两跳邻居节点,如果能够满足这一点,那么MPR就能有效地进行TC分组的转发,同时,应该使MPR的数量尽量的少。


  3 按需距离向量协议(AODV,Ad Hoc On-Demand Distance Vector)

  AODV是为具有几十个到数千个移动节点的MANET网络设计的。AODV路由协议中有三种类型的消息控制帧:路由请求RREQ,路由应答RREP和路由错误RRER。AODV主要包含路由发现、路由维护和邻居管理等过程。中国代论文网与您分享论文提纲
  当源节点需要发送数据而又没有到目的节点的有效路由时,就会启动一个路由发现过程:向网络广播一个路由请求分组(RREQ),当收到请求的中间节点或目的节点有一条足够新的路由到达目的地时,中间节点或者目的节点以单播的方式向源节点返回一个路由应答分组(RREP),源节点收到该RREP后则开始向对应目的节点发送数据。在数据传输过程中,当中间节点检测到一条正在传输数据的活动路由的下一跳链路断开或者节点收到去往某个目的地节点的数据报文,而节点没有到该目的地节点的有效路由时,中间节点向源节点单播或多播路由错误消息RERR,源节点收到RERR后就知道存在路由错误,并根据RERR中指示的不可到达目的地重新寻找路由。
  AODV通过周期性广播Hello报文来监视链路连通性。Hello包的生存时间TTL值为1,只能在相邻节点间传播。一个节点收到一个Hello包就可以新建一个邻居条目或者知道一个邻居节点与自己依然保持连接。如果在一定时间内收不到一个邻居节点的Hello包,则认为该邻居节点与自己不再连接,以这个节点为下一跳的路由都不能再用来传送数据,因此将这些路由设置为无效状态。


  4 最高传输速率的移动Ad Hoc 路由协议的仿真实现

  AODV协议和OLSR协议都没有考虑各条链路的传输速率的差别,使用的关于路径的评价标准是路径的跳数。路由协议只是尽力而为地传输数据分组,没有考虑网络中间节点的拥塞情况和无线链路的实时状态。由于无线通信的非对称性以及MAC层机制多速率机制的影响,使用跳数的路由度量往往不能构造一条性能良好的路径。如图1所示,节点AB之间的距离能承受1Mbps的传输速率,AC和CB之间分别存在着5Mbps的链路,这样在最小跳数的规则下,应该选择A-B作为最优路径,这条路径的最大速率也不会超过1Mbps,而实际上路径A-C-B由两条高速而且误码率低的路径组成,通常它的速率要大于1Mbps。也就是由长距离链路组成的路由可以用较少的跳数到达目的节点,但是链路只能支持低速率通信,较长的实际距离会增加路径的维护开销,降低服务质量,并且路径更容易断裂;而由短距离链路组成的路由需要更多跳才能到达目的节点,但是链路能够支持高速率进行通信。因此在多速率环境中无论是表驱动路由协议还是按需路由协议选择的路由路径会导致出现多跳低速的路径,因此对网络的吞吐量造成瓶颈。
  基于上面的分析,本文提出了一种基于数据传输速率的路径的路由协议方案,使用darate=1/数据传输速率,每经过一个节点,darate的值会累加。darate的值越小,该路径的数据传输速率就越高。在OPNET中实现该路径选择方案,并分析比较该路径选择算法对协议性能的影响。

  4.1 路由请求过程中中间节点的转发条件(AODV 协议为例)
  中间节点收到来自相同的源节点的具有相同的序列号的RREQ,如果darate的值比以前转发的RREQ的值小,中间节点会转发此RREQ。参数选择最小darate时,使用darate的值作为选路的参数,如果没有选择最小darate参数,使用hop作为选路的参数。
  目的节点或具有到目的节点的路由的中间节点处理RREQ:这些节点对后接收的较小darate值的RREQ给与响应。

  4.2 路由回复过程路由更新的条件(AODV 协议为例)
  源节点对后续收到的RREP的darate进行比较,如果收到darate值小的RREP,源节点更新路由表,选择darate较小的路径传输数据。

  4.3 仿真实验
  节点分布在5000m*5000m范围内,发送分组大小为指数分布,最小分组大小为1024bit,节点产生分组的时间间隔服从指数分布,最小时间间隔为1s,在仿真开始60s后,节点开始产生分组。所有节点采用AODV协议。

  4.4 仿真结果
  端到端平均时延是一个数据包从源节点应用层成功到达目的节点所平均经过的时间。它包含了在链路上的传播延时、报文的排队延时、报文的重传延时、数据报文处理延时、在中间节点的转发延时等,为了准确的反映网络的实际情况,常常用端对端平均时延作为节点的延时度量参数。该参数能反映网络是否通畅,时延越小证明网络越通畅。OLSR协议和AODV协议采用传输速率高的路径后,端对端延时明显降低。
  吞吐量是所有移动节点单位时间内收到的数据量。反映了网络对数据业务的承载能力。优化后的OLSR分组投递率明显提高,优化后的AODV协议的吞吐量和分组接收率都有所提高。


  5 结论

  本文介绍了移动自组网的协议类型,分析了典型的表驱动路由协议OLSR和按需驱动路由协议AODV的工作原理,针对AODV协议和OLSR协议都没有考虑各条链路的传输速率的差别,使用的关于路径的评价标准是路径的跳数的问题,本文提出选择数据传输速率高的路径。通过仿真实验证明,采用传输速率高的路径后协议的性能有所改善。

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