王 彬， 武穆清， 羅大勇

（①北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876；②天津電力公司電力通信分公司，天津 300010）

0 引言

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是無線多跳網(wǎng)絡(luò)，由一組無線移動節(jié)點(diǎn)組成，具有無中心，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化的特點(diǎn)[1]。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議則必須能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化的特點(diǎn)，而目前出現(xiàn)的幾種反應(yīng)式路由協(xié)議如AODV，DSR等，在鏈路監(jiān)測機(jī)制上，顯得都比較遲鈍。由于目前移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中普遍使用802.11作為鏈路層的協(xié)議[2]，我們利用鏈路層的反饋?zhàn)鳛楸O(jiān)測鏈路狀態(tài)的手段，大大加快路由協(xié)議對斷裂鏈路的感知。目前，人們雖然已經(jīng)在研究路由協(xié)議和MAC協(xié)議之間的交互，但迄今為止作者還沒有發(fā)現(xiàn)明確將鏈路層反饋機(jī)制作為MANET路由協(xié)議的鏈路監(jiān)測機(jī)制的文獻(xiàn)。

1 DYMO協(xié)議

DYMO[3](Dynamic MANET On-demand) 協(xié)議是最新出現(xiàn)的反應(yīng)式路由協(xié)議，被當(dāng)作目前MANET 工作組在按需路由研究方面的重要課題。它僅定義了反應(yīng)式路由所必需的最基本的元素，即路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。

與AODV相比，DYMO借用了DSR路由發(fā)現(xiàn)過程中路由控制包攜帶更多路由信息的機(jī)制。與 DSR相比，DYMO采用了發(fā)現(xiàn)斷路后AODV的態(tài)度，通知全網(wǎng)中使用到該斷裂鏈路的節(jié)點(diǎn)，而不是僅僅通知某條路由的從斷路開始的上游部分；在路由發(fā)現(xiàn)過程中，使用路由控制包攜帶更多的路由信息。

從這個(gè)角度講，DYMO是AODV和DSR優(yōu)勢互補(bǔ)的結(jié)果。

2 Hello包鏈路監(jiān)測機(jī)制

AODV協(xié)議中規(guī)定了Hello包鏈路監(jiān)測機(jī)制：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都定期地向周圍鄰居發(fā)送Hello包，以此來告知周圍鄰居自身的存在，如節(jié)點(diǎn)A收到來自節(jié)點(diǎn)B的Hello包，A認(rèn)為B是A的鄰居，此時(shí)A與B之間的鏈路正常，并且認(rèn)為未來N個(gè)周期內(nèi)，A與B的鏈路是正常的，N值一般取3，也就是說如果未來N個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，A又收到一個(gè)來自B的Hello包，那么A對于A與B之間鏈路的信任將會從A收到那個(gè)Hello包開始往后順延N個(gè)周期，但如果未來N個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，A沒有收到來自B的Hello包，那么A將認(rèn)定A與B之間的鏈路已經(jīng)斷裂。N越大，這種機(jī)制的靈敏度就越低，也就是說斷路感知時(shí)延越大。

3 基于802.11的鏈路層反饋

802.11 DCF中，對于單播幀，都會嘗試重傳多次，但如果嘗試次數(shù)達(dá)到最大重傳次數(shù)后，仍然沒有獲得接入信道的機(jī)會，或者仍然沒有收到目的站點(diǎn)的確認(rèn)，發(fā)送站點(diǎn)將會丟棄該幀。對于這種情況，我們在MAC協(xié)議丟棄該幀之前，確認(rèn)如果幀里承載的上層數(shù)據(jù)包是IP數(shù)據(jù)包，則從幀中取出目的站點(diǎn)的MAC地址，進(jìn)而得到IP包的下一跳IP地址，通知本節(jié)點(diǎn)的DYMO路由協(xié)議：下一跳節(jié)點(diǎn)不可達(dá)。這樣，就實(shí)時(shí)地使節(jié)點(diǎn)中的路由協(xié)議感知到了鏈路斷裂，進(jìn)而通知全網(wǎng)該鏈路已斷裂。

我們將感知斷路的時(shí)延定義為，從鏈路真正斷裂到節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行的路由協(xié)議感知到該鏈路斷裂，并且將發(fā)送路由錯(cuò)誤分組時(shí)的時(shí)間。我們通過對以往鏈路監(jiān)測機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)它對拓?fù)淇焖僮兓木W(wǎng)絡(luò)中鏈路的斷裂表現(xiàn)得很“遲鈍”，大致的感知斷路時(shí)延為 1～2 s，而如果我們采用鏈路層反饋機(jī)制作為鏈路監(jiān)測手段，在不增加任何路由控制包的情況下，便可“實(shí)時(shí)”地感知到鏈路的狀態(tài)，將感知斷路的時(shí)延降低到最小，進(jìn)而能及早通知到全網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)不再使用已失效的路由。

我們可以利用 802.11對于單播幀進(jìn)行確認(rèn)的機(jī)制，來將下一跳不可達(dá)的IP地址回送給路由協(xié)議。但該機(jī)制有一個(gè)局限，就是必須上層向下一跳發(fā)送單播數(shù)據(jù)的時(shí)候，機(jī)制才能發(fā)揮作用，否則，上層是感知不到去往下一跳的鏈路狀況的。為了使上層在沒有向下一跳發(fā)送單播數(shù)據(jù)的時(shí)候也能夠感知到去往下一跳的鏈路狀況，我們依然沿用Hello包的發(fā)送機(jī)制來確認(rèn)跟鄰居的鏈路狀況。此外，鏈路層反饋機(jī)制產(chǎn)生的鏈路斷裂感知時(shí)延應(yīng)該是與上層使用鏈路層發(fā)送單播數(shù)據(jù)的速率相關(guān)的。

4 仿真與分析

仿真采用的軟件是OPNET 14.0版本，選用的節(jié)點(diǎn)模型為manet_station。

4.1 仿真場景介紹

場景介紹：如圖1所示，所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行DYMO協(xié)議，MAC協(xié)議使用802.11 DCF，mobile_node_0在仿真過程中向mobile_node_6發(fā)送CBR流，數(shù)據(jù)包大小為1024比特，每個(gè)節(jié)點(diǎn)無線信號的覆蓋范圍是250 m，也即信號的門限距離為250 s，仿真過程中，mobile_node_6沿著白色箭頭的方向，從坐標(biāo)（0，500）開始，以5 m/s的速度勻速移動到坐標(biāo)（1000，500）處，其余節(jié)點(diǎn)均靜止，仿真歷時(shí)200 s。

圖1 仿真場景

對于監(jiān)測鏈路狀態(tài)的機(jī)制，我們在Hello包機(jī)制的基礎(chǔ)上分別開啟和關(guān)閉鏈路層反饋機(jī)制，以評估和分析鏈路層反饋機(jī)制對鏈路斷裂的感知時(shí)間以及分組投遞率的影響。我們僅研究由于移動使收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離超過門限值后，產(chǎn)生的鏈路感知時(shí)延。

4.2 仿真結(jié)果與分析

開啟鏈路層反饋的情況下，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速率為5個(gè)/秒時(shí)，鏈路斷裂感知時(shí)延如表1。

表1 鏈路斷裂感知時(shí)延

開啟鏈路層反饋的情況下，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速率為10個(gè)/秒時(shí)，鏈路斷裂感知時(shí)延如表2。

表2 鏈路斷裂感知時(shí)延

關(guān)閉鏈路層反饋的情況下，源節(jié)點(diǎn)發(fā)包速率為10個(gè)/秒時(shí)，鏈路斷裂感知時(shí)延如表3。

表3 鏈路斷裂感知時(shí)延

從表1和表2中的數(shù)據(jù)顯示兩者的共同點(diǎn)是，鏈路層反饋機(jī)制感知到的斷路數(shù)量與Hello包機(jī)制相比并不多，但是通過對場景的分析可以發(fā)現(xiàn)，由于節(jié)點(diǎn)mobile_ node _6的移動而造成的斷路也頂多為3至4次，而恰恰鏈路層反饋機(jī)制感知到的斷路數(shù)量分別為2次和3次，也就是說由于移動造成的斷路中，鏈路層反饋機(jī)制平均以0.11 s和0.035 s的時(shí)延感知到斷裂的鏈路，而Hello包機(jī)制則平均以1.71 s和1.76 s的時(shí)延去感知這些斷路。Hello包所感知到的次數(shù)多達(dá)10次，我們認(rèn)為主要由于Hello包維護(hù)的是雙向的鏈路。這一點(diǎn)應(yīng)該是Hello包機(jī)制相對于鏈路層反饋機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，也即在路由上沒有數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)候還可以維護(hù)路由。表1和表2中數(shù)據(jù)的不同點(diǎn)是：發(fā)包速率為10個(gè)/秒的場景中鏈路斷裂感知時(shí)延明顯要小于發(fā)包速率為5個(gè)/秒的場景，因而鏈路層反饋機(jī)制產(chǎn)生的鏈路斷裂感知時(shí)延是跟上層使用鏈路層發(fā)送單播數(shù)據(jù)的速率相關(guān)的，上層使用鏈路層發(fā)送單播數(shù)據(jù)的速率越快，鏈路層反饋機(jī)制產(chǎn)生的鏈路斷裂感知時(shí)延也就越小，反之則越大。

由表3可知，關(guān)閉鏈路層反饋后，對斷路的綜合感知時(shí)延平均值明顯變大，路由協(xié)議更加遲鈍。

發(fā)包速率為 10個(gè)/秒，打開和關(guān)閉鏈路層反饋的情況下，分組投遞情況如表4。

表4中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)指出，在開啟鏈路層反饋機(jī)制后，對于本身丟包不是很嚴(yán)重的小流量場景中，丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量從60降低到2，減少了58個(gè)，分組投遞率由97.0%上升到99.9%，上升了將近 3個(gè)百分點(diǎn)，分析原因，我們認(rèn)為單純地依靠Hello包機(jī)制，由于其機(jī)制的原因，必然不能及時(shí)地感知到斷裂的鏈路，這樣，路由協(xié)議還認(rèn)為路由是正常的，所有的數(shù)據(jù)包依舊照常轉(zhuǎn)發(fā)，但在Hello包機(jī)制感知到斷路的這段時(shí)間里，這條路由所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包全部會丟失。但是，開啟鏈路層反饋機(jī)制后，會極大地降低路由協(xié)議對鏈路斷裂的感知時(shí)延，從而避免了通過已斷路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的情況，自然分組投遞率會提高。此外，我們認(rèn)為仿真過程中，由于節(jié)點(diǎn)的移動而造成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由斷裂次數(shù)越多，鏈路層反饋機(jī)制表現(xiàn)出來的減少丟包的性能會更好。

表4 分組投遞

5 結(jié)語

通過仿真，驗(yàn)證了我們提出的鏈路層反饋機(jī)制確實(shí)可以降低鏈路斷裂感知的時(shí)延，從而降低了路由協(xié)議對已斷路由的繼續(xù)使用的概率，進(jìn)而降低了由于使用已斷路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包而丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量，提高了分組投遞率。此外，開啟這種機(jī)制，不需要增加額外的路由控制包的開銷。

文章對小流量場景中由于移動性造成鏈路斷裂的感知時(shí)延的研究，我們準(zhǔn)備下一步針對由于網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的鏈路斷裂的情況下，研究開啟鏈路層反饋機(jī)制的表現(xiàn)。

[1] 郭中華,史浩山.Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能分析[J].通信技術(shù),2008,41(11):111-113.

[2] 宋璐璐,雒江濤.無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及其技術(shù)概述[J].通信技術(shù),2007,40(01):35-39.

[3] Chakeres I, Perkins C G. draft-ietf-manet-dymo-17[EB/OL]. USA:MANET.[2009-3-8].http://tools.ietf.org/html/draft-ietfmanet- dymo-17#page-37.