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        一種基于ABR協(xié)議的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由方案

        2010-10-17 11:04:24宋子彧袁道華成文龍
        科技傳播 2010年9期

        宋子彧,袁道華,成文龍

        1.四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,四川成都 610065

        2.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院襄樊分院基層財務(wù)系,湖北襄樊 441118

        一種基于ABR協(xié)議的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由方案

        宋子彧1,2,袁道華1,成文龍1

        1.四川大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,四川成都 610065

        2.軍事經(jīng)濟(jì)學(xué)院襄樊分院基層財務(wù)系,湖北襄樊 441118

        ABR協(xié)議是移動自組網(wǎng)中的一種按需路由協(xié)議,采用路徑有效時間長短作為選路標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹了ABR協(xié)議,在其基礎(chǔ)上提出了一種保存路由路徑的方案,該方案以耗費(fèi)較小開銷為代價,在一定程度上減小數(shù)據(jù)傳輸時延。最后,對所提出的方案進(jìn)行了簡要的性能分析。

        ABR協(xié)議;Ad hoc 網(wǎng)絡(luò);路由;穩(wěn)定性;按需路由

        0 引言

        近年來,Ad hoc網(wǎng)絡(luò)一直是國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。特別是隨著網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展,由于人們更樂于享受沒有拘束的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,因此,進(jìn)一步研究無線移動自組網(wǎng)絡(luò)從而開發(fā)相應(yīng)的產(chǎn)品,極具現(xiàn)實意義。什么是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)呢?Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種分布式無線多跳網(wǎng)絡(luò),它是由一組具有路由功能的節(jié)點組成且不依靠任何預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點既為路由器又為主機(jī),節(jié)點之間相互協(xié)作,通過無線鏈路進(jìn)行通信、交換信息。然而,自組網(wǎng)中節(jié)點的移動性、節(jié)點傳輸范圍的有限性等原因,使得節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸不可能簡單依靠固定的路由協(xié)議,必須設(shè)計新的路由協(xié)議,所以,路由協(xié)議成了自組網(wǎng)研究的一個熱點。

        1 ABR協(xié)議

        目前,支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有很多。其中,ABR(Associativity Based Routing,基于穩(wěn)定性的協(xié)議)協(xié)議[1]是一種源點發(fā)起的按需路由協(xié)議。它的一個重要特點是打破了以“最短路徑”作為路由選擇的準(zhǔn)則,從路由的有效時間來考慮選路,采用路徑的穩(wěn)定性(路徑有效時間長短)作為選路的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)源節(jié)點請求路由時,引起路由發(fā)現(xiàn)過程;當(dāng)已經(jīng)確定好的路由因源節(jié)點、目的節(jié)點、中間節(jié)點或subnet-bridging MHs[2](因自身在兩個虛擬移動子網(wǎng)間移動而將子網(wǎng)分成更小子網(wǎng)的主機(jī))的移動而改變時,促發(fā)路由重建階段。這就是ABR協(xié)議的兩個主要的組成階段。具體過程如下:

        1)路由的建立

        源節(jié)點采用洪泛的方式廣播路徑查詢(BQ)分組,收到BQ分組的節(jié)點建立一條到源節(jié)點的路由,并在BQ分組中添加自己的ID和“穩(wěn)定性信息”,然后繼續(xù)廣播BQ分組。中間節(jié)點不允許回復(fù)路由應(yīng)答分組。當(dāng)目的節(jié)點收到第一個BQ分組后,等待一段時間,以收到通過其他路徑到達(dá)的BQ分組的副本,然后選擇一個穩(wěn)定性(associativity[3])最高的路由,若兩條路由的穩(wěn)定性相同,則選擇跳數(shù)較少的那條。一旦選定某條路由,目的節(jié)點將沿選定的這條路徑發(fā)送一個路由應(yīng)答分組。

        2)路由重建

        當(dāng)路徑的穩(wěn)定性發(fā)生變化,則啟動路由重建,首先節(jié)點試圖從局部進(jìn)行路由的修復(fù),若不能成功修復(fù),則向上游節(jié)點發(fā)送RN(route notification)消息。最壞的情況是源節(jié)點收到RN消息后,啟動一個新的路由建立過程。此外,ABR協(xié)議提到,當(dāng)源節(jié)點不再需要路由時,則通過洪泛RD(Route Deletion)分組的方式刪除路由,或是超時自動完成路由的刪除。

        2 提出的方案

        在ABR協(xié)議中不使用緩存,對已經(jīng)建立起來的穩(wěn)定值高的路由采取超時或無用即刪除的策略。但是,如果某條穩(wěn)定值高的路由在一定的時間段內(nèi)再次或多次被利用,那么重建這條路由也必將產(chǎn)生不小的開銷。有沒有一種較好的方法能夠既降低開銷又達(dá)到路由重用的目的呢?是否可以考慮通過“犧牲”節(jié)點的少許緩存,不將已建立好的穩(wěn)定值高的路由在使用完后立即刪除,而是通過“監(jiān)視”這條既定路由的穩(wěn)定指數(shù)FOA(figure of associativity),當(dāng)FOA處于某個數(shù)值范圍,則保留這條路由;當(dāng)FOA不在此范圍再刪除之?基于這樣的考慮,提出如下實現(xiàn)步驟:

        1)既定路由FOA參量的選定

        Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,鏈路是由移動節(jié)點進(jìn)行相互通信形成的。判斷某條鏈路是否穩(wěn)定,歸根到底就是判斷這條鏈路上的各個相鄰節(jié)點之間是否穩(wěn)定。因此,這里先給出節(jié)點間FOA參量的定義。定義FOAx-y表示鄰節(jié)點y對移動主機(jī)x的穩(wěn)定程度。該數(shù)值通過下列方式得到:當(dāng)移動的節(jié)點y剛進(jìn)入x的范圍內(nèi),x就為該節(jié)點設(shè)一個FOAx-y,初始值可以設(shè)定為0,該FOA隨時間線性增加(如圖1)。移動主機(jī)x周期性的產(chǎn)生一個hello信息,告知其鄰節(jié)點自己的存在。當(dāng)鄰節(jié)點y收到hello信息并回復(fù)后,x就將其為節(jié)點y設(shè)置的FOAx-y減小,且FOAx-y值減小的數(shù)值等于FOAx-y在節(jié)點x周期性發(fā)送hello信息的周期時間間隔中所增加的數(shù)值。也就是說,只要鄰節(jié)點y還在x的范圍內(nèi),x為節(jié)點y設(shè)置的FOAx-y值就會保持在一定數(shù)值以內(nèi)。鄰節(jié)點y在一段時間內(nèi)沒有回復(fù)移動主機(jī)x的hello信息,則FOAx-y將逐漸增大。如果鄰節(jié)點y只是因為阻塞沒有及時回復(fù)hello信息,則x就在超時較短的時間內(nèi)再次發(fā)送hello信息,收到節(jié)點y的回復(fù)后,x將FOAx-y設(shè)置到警戒值以下。如果y長時間沒有回復(fù)hello信息,則FOAx-y最終將超過禁用值。接下來,定義既定路由的FOA。設(shè)ABCDE為一條已經(jīng)通過ABR協(xié)議選定的路由(如圖2),A為源節(jié)點,E為目的節(jié)點。設(shè)定FOAa-b表示B節(jié)點對A節(jié)點的穩(wěn)定指數(shù),F(xiàn)OAb-c表示C節(jié)點對B節(jié)點的穩(wěn)定指數(shù),依次可得到FOAc-d,F(xiàn)OAd-e,則該路由的FOAa-e取 FOAa-b、FOAb-c、FOAc-d、FOAd-e這4個值中的最大值,即鏈路采用凸性加權(quán)得到既定路由的FOA。

        2)獲取既定路由FOA的初始值

        節(jié)點值之間的穩(wěn)定指數(shù)FOA按照上述方式獲取后,與ABR協(xié)議中的“associativity ticks[2]”一并存儲到節(jié)點緩存中。路由的發(fā)起過程仍然按照ABR協(xié)議所述,源節(jié)點首先廣播BQ分組,尋找一條到目的節(jié)點的路徑。目的節(jié)點DEST在收到第一個BQ分組之后的一個適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi),就知道所有可能的路由和它們的穩(wěn)定程度。DEST選擇穩(wěn)定性最高且跳數(shù)少的路由發(fā)送RREP。此時,由于DEST的這個REPLY分組的長度可變,所以,可以在其中附加一幀記錄鏈路的FOA信息。DEST的沿著選定的路由發(fā)送RREP,其下一個節(jié)點收到RREP后,將其存儲的DEST對它的穩(wěn)定指數(shù)FOA記錄在RREP的附加幀中,然后轉(zhuǎn)發(fā)該RREP。而接下來的節(jié)點收到RREP后,都比較前一發(fā)送節(jié)點對于自己的FOA值與RREP中的FOA值,將FOA值較大的記錄到RREP中。依此類推,直到源節(jié)點。這樣,當(dāng)源節(jié)點收到目的節(jié)點的RREP后,就獲取了該路由的FOA初始值。當(dāng)然,這個數(shù)值肯定是小于前面提到過的警戒值的。

        3)既定路由的刪除

        源節(jié)點到目的節(jié)點的路由傳送完數(shù)據(jù)后,路由上的節(jié)點并不將該路由刪除,而是將這條路由緩存起來備用。當(dāng)該路由上兩個相鄰節(jié)點不在各自的范圍內(nèi)一段時間后,上游節(jié)點(靠近源節(jié)點端的節(jié)點)對其相鄰的下游節(jié)點的FOA會超過禁用值。此時,上游節(jié)點將這個FOA通過廣播BQ分組發(fā)送出去,而源節(jié)點收到該BQ分組后,發(fā)現(xiàn)路由的FOA超過了禁用值,于是廣播一個路由刪除(RD)分組,通知這條路由上的所有節(jié)點刪除這個路由。

        3 方案性能的定性分析

        在ABR協(xié)議中加入既定路由穩(wěn)定指數(shù)FOA的判定,能較為有效保存穩(wěn)定性高的路由。下面對方案的性能進(jìn)行定性分析:

        1)端到端的平均時延

        端到端的平均時延定義為單位數(shù)據(jù)包從源節(jié)點發(fā)出到目的節(jié)點接收的時間差值[4]。時延越小,說明響應(yīng)速度越快。在本方案與原ABR協(xié)議比較,當(dāng)移動節(jié)點的移動速度較快時,由于節(jié)點之間穩(wěn)定值不高,既定路由維持時間短,端到端的平均時延與原ABR協(xié)議基本相同。當(dāng)移動節(jié)點移動速度較慢時,由于對既定路由的保存,本方案中數(shù)據(jù)包傳遞的時延要小于原ABR協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞時延。

        2)路由開銷

        路由開銷是指發(fā)送的路由分組的總的個數(shù)。對于在多跳路徑上發(fā)送的分組,每發(fā)送一次計算為一次發(fā)送[5]。該統(tǒng)計量反映路由協(xié)議的效率。與原協(xié)議相比,本方案多出的開銷主要在節(jié)點之間穩(wěn)定指數(shù)的獲取以及既定路由的各節(jié)點對路由的臨時保存上。當(dāng)移動節(jié)點分布較密集且移動速度較慢時,由于各節(jié)點維持其鄰節(jié)點的穩(wěn)定指數(shù)個數(shù)較多,開銷較大,但是,考慮到移動節(jié)點移動緩慢時,本方案減少了路由重建的開銷,實際開銷多少仍需要通過仿真實驗后得出結(jié)論。而當(dāng)移動節(jié)點分布較為疏散時,本方案造成的開銷與原協(xié)議大致相等。

        4 結(jié)論

        本文通過研究Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的ABR協(xié)議,分析該協(xié)議如何采用路徑有效時間長短作為選路標(biāo)準(zhǔn),提出了一種合理保存穩(wěn)定指數(shù)較高路由路徑的方案。此方案的提出,是考慮到處于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動節(jié)點在實際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,并不一定時刻都在遷移。在某些地域范圍內(nèi),例如小區(qū)、辦公樓等,移動節(jié)點是有可能在一段較長的時間內(nèi)保持位置穩(wěn)定的。因此,對于基于ABR協(xié)議建立起來的路由路徑,可以反復(fù)利用。采取本文設(shè)計的方案,雖然會增加穩(wěn)定節(jié)點用于緩存路由的控制開銷,但是可以減小穩(wěn)定節(jié)點本身和其他節(jié)點用于路由重建的開銷。另外,讓穩(wěn)定性強(qiáng)的移動節(jié)點存儲路由,必然會增加這些節(jié)點的負(fù)載。對于這些節(jié)點來說是不公平的。所以,下一步研究的重點是對此方案加入對路由負(fù)載的考慮,并采用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2做相關(guān)的仿真試驗,希望通過這些工作進(jìn)一步優(yōu)化ABR協(xié)議,為在現(xiàn)實的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有效的應(yīng)用ABR協(xié)議做準(zhǔn)備。

        [1] 于宏毅. 無線移動自組織網(wǎng)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

        [2] Chai-Keong Toh. Associativtity-Based Routing For Ad-Hoc Mobile Networks[J]. Wireless Personal Communications Journal,1997,4(2):103-139.

        [3] Chai-Keong Toh. Associativtity Based Long-Lived Routing. Special Issue on Mobile Networking & Computing Systems, 1997,4(1).

        [4] 段云飛,周麗瓊,楊磊.幾種典型Ad hoc路由協(xié)議的仿真分析[J].電力系統(tǒng)通信, 2009,30(200):59-63.

        [5] 陳林星,曾曦,曹毅.移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

        TP393

        A

        1674-6708(2010)18-0138-02

        宋子彧,碩士研究生,主要研究方向:計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式并行計算

        袁道華,教授,主要研究方向:分布式并行計算、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動計算

        成文龍,碩士研究生,主要研究方向:多媒體技術(shù)

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