朱昌洪

（桂林理工大學 博文管理學院，廣西 桂林 541006）

無線 Mesh網(wǎng) WMN（Wireless Mesh Networks）也稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)或無線網(wǎng)格網(wǎng)，是一種新型的無線“多跳”寬帶網(wǎng)絡，一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡。WMN是由移動Ad hoc網(wǎng)絡發(fā)展演變而來，并結(jié)合了 WLAN（Wireless Local Area Networks）的一些關(guān)鍵技術(shù)，但更類似于移動Ad hoc網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和性能。

1 WMN路由協(xié)議設計

由于WMN的結(jié)構(gòu)與移動Ad hoc網(wǎng)絡和WLAN都有所不同，因此必須設計適合WMN的路由協(xié)議。WMN從本質(zhì)上來說是屬于移動Ad hoc網(wǎng)絡，而無線“多跳”網(wǎng)絡所共同面對的一個關(guān)鍵問題就是如何選擇合適的路由。因此，其路由協(xié)議設計原則上可以沿用移動Ad hoc網(wǎng)絡的路由協(xié)議，但需要考慮其自身的特點。

WMN的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，Mesh骨干網(wǎng)和終端用戶網(wǎng)具有各自的特點。WMN的骨干網(wǎng)路由器（MR）移動性非常低，并且不受能耗限制，而終端用戶則由電池供電，需要節(jié)能效率高的路由協(xié)議。又由于終端節(jié)點的計算、通信和存儲能力有限，因此要求WMN路由協(xié)議簡單、高效、穩(wěn)定，并能較好地適應網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。

圖1 WMN結(jié)構(gòu)圖

2 WMN網(wǎng)絡路由協(xié)議

參照移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計，WMN網(wǎng)絡路由協(xié)議可以大致分為表驅(qū)動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和分級路由協(xié)議。表驅(qū)動式路由協(xié)議主要包括DSDV、WRP和GSR等；按需路由協(xié)議主要包括DSR、AODV和TORA等；分級路由協(xié)議主要包括ZRP、ZHLS和DST等，如圖2所示。

圖2 WMN路由協(xié)議

其中，表驅(qū)動和按需路由協(xié)議的性能都有其各自的優(yōu)點和缺點，如表1所示。

表1 表驅(qū)動和按需路由協(xié)議比較

3 I-AODV路由協(xié)議

3.1 AODV路由協(xié)議介紹

AODV路由協(xié)議作為一種典型的移動Ad hoc網(wǎng)絡按需路由協(xié)議，雖然其網(wǎng)絡開銷較小，但是因為只是在需要數(shù)據(jù)傳輸時才進行路由查找，所以造成一定的網(wǎng)絡延時，特別是在網(wǎng)絡拓撲快速變化時，產(chǎn)生網(wǎng)絡傳輸延時就變得非常明顯，同時也產(chǎn)生大量的控制消息，增大了網(wǎng)絡開銷，進而影響了整個網(wǎng)絡性能。

3.2 AODV路由協(xié)議優(yōu)化思路

而在WMN中，由于大部分節(jié)點移動性都比較小，且數(shù)據(jù)業(yè)務流來源也有所不同，因此需要對AODV進行適當優(yōu)化，以適應WMN的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，本文提出了I-AODV（Improve-AODV），其工作原理為：在路由維護階段引入了分級的思想，適當增加每個節(jié)點所保存的節(jié)點跳數(shù)，從1跳增加到2跳，這樣每個節(jié)點就可以有更多的節(jié)點拓撲信息，在路由建立和維護階段就可以減少中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)，減少路由建立時間，降低端到端的延時。

當然，由于增加了Hello消息的數(shù)據(jù)幀信息，路由開銷肯定也會增加，然而Hello消息是一種開銷較小的控制消息，對Hello消息的適當擴展并不會影響整個協(xié)議的性能，因此增加的路由開銷還可以承受。

3.3 I-AODV路由表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于I-AODV只是針對路由維護階段的Hello消息機制進行改動，并不涉及協(xié)議其他部分的改動，因此原RREQ和RREP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也沒有變動，只是在路由表項中增加一項：鄰節(jié)點ID（其他各項沒有改變），原h(huán)ello項結(jié)構(gòu)如下：

源節(jié)點ID源節(jié)點序列號目的節(jié)點ID目的節(jié)點序列號路由標識跳數(shù) 下一跳 TTL

改動后的 hello項（增加了“鄰節(jié)點 ID”）如下：

源節(jié)點ID源節(jié)點序列號目的節(jié)點ID目的節(jié)點序列號路由標識跳數(shù) 鄰節(jié)點ID下一跳 TTL

其中，鄰節(jié)點ID指本節(jié)點所保存的所有鄰節(jié)點地址。

3.4 I-AODV實現(xiàn)過程

I-AODV同樣包括路由建立過程和路由維護過程。

路由建立過程為：源節(jié)點S需要到目的節(jié)點D的路由，首先檢查自己的路由表項是否有到D的路由，同時D也不在其鄰節(jié)點之列，則面向所有鄰節(jié)點廣播RREQ，當節(jié)點B收到RREQ時，發(fā)現(xiàn)自己有到D的路由，于是B就直接回復RREP給節(jié)點S（S是B的鄰節(jié)點），而不是轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，然后通過比較序列號和跳數(shù)，反向路由就建立起來，如圖3所示。

圖3 I-AODV反向路由建立圖

當源節(jié)點S收到中間B發(fā)送的RREP，再通過比較序列號和跳數(shù)，就可以建立前向路由，如圖4所示。至此，源節(jié)點S到目的節(jié)點D的路由就建立起來了。

圖4 I-AODV前向路由建立圖

圖5為原AODV的反向路由建立過程，圖6為原AODV的前向路由建立過程。從圖中可以明顯看出，IAODV的反向路由建立時間確實比AODV反向路由建立時間要快，因此也使得整條路由的建立時間更快，并節(jié)省了RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。如本例中，節(jié)點B就無需向節(jié)點C進行RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)，同時也相應的減少了路由開銷。

圖5 AODV 反向路由建立圖

圖6 AODV前向路由建立圖

3.5 仿真結(jié)果及分析

本文在相同的仿真環(huán)境里對AODV、I-AODV路由協(xié)議進行仿真和比較其路由協(xié)議性能，分別采用建立時間、路由開銷、端到端平均延遲和平均跳數(shù)4個性能指標來對仿真結(jié)果進行分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

分析實驗數(shù)據(jù)可以得出：

（1）從路由建立時間來看，I-AODV比 AODV要小，這主要是由于I-AODV協(xié)議中每個節(jié)點存放了相鄰2跳節(jié)點的信息，節(jié)省了一部分路由建立時間。

（2）從路由開銷來看，I-AODV的路由開銷和AODV相比并沒有提高，反而還略有下降，這主要是由于增加了hello包攜帶的信息和增加了每個節(jié)點維護的鄰節(jié)點數(shù)目所導致的。本文只是增加了一跳范圍內(nèi)節(jié)點，如果再增加一跳或兩跳，那么因此而增加的路由開銷將是非常可觀。

圖7 仿真結(jié)果

（3）從端到端平均延時來看，I-AODV比AODV要略為小些，路由建立時間短，平均延時也必將隨著減小，這也是由于每個節(jié)點增加了維護的鄰節(jié)點數(shù)量的原因。

（4）以跳數(shù)來看，I-AODV路由建立的平均跳數(shù)也比原AODV要小。跳數(shù)越小，網(wǎng)絡性能越好，特別是在目的節(jié)點距離比較近的情況下，就能直接找到路由，而不需要通過廣播路由報文來尋找和建立路由。

從上面的分析可以得出結(jié)論：在相同的環(huán)境下，對AODV進行了優(yōu)化后，I-AODV明顯地提高了網(wǎng)絡性能，其減少了路由建立時間、端到端的延時和平均跳數(shù)，而且路由開銷并沒有顯著增加。因此，I-AODV更能適應WMN網(wǎng)絡。

WMN由于具有高可靠性、可擴展性以及良好的建設成本，已經(jīng)引起了越來越多的重視和發(fā)展，而路由技術(shù)作為WMN的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著非常廣泛的研究和實用價值。本文詳細介紹了基于WMN的AODV路由協(xié)議，并進行適當?shù)膬?yōu)化，提出了I-AODV路由協(xié)議，即在AODV中引入分層的思想，對Hello報文進行改進，增加了維護的鄰節(jié)點（2跳）數(shù)目，并分析了I-AODV在理論上的可行性。最后，利用NS-2仿真軟件進行模擬實驗，實驗結(jié)果證明了改進后的路由協(xié)議I-AODV在網(wǎng)絡綜合性能上比原AODV具有明顯改善。

[1]朱昌洪.無線Mesh網(wǎng)絡的路由協(xié)議的研究[J].自動化儀表，2009，10（30）：72-75.

[2]方旭明.下一代無線因特網(wǎng)技術(shù)：無線 Mesh網(wǎng)絡[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]王月姣.無線 Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]許建，楊庚.無線 Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議研究[J].江蘇通信技術(shù)，2006，22（3）：11-15.

[5]Wang Lei， Zhang Lianfang， Shu Yantai， et al.Multi-path source routing in wireless ad hoc networks[C].2000 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering， 2000：479-483.

[6]AKYILDIZIF， WANG X， WangW.WirelessMesh networks： a survey[J].Computer Networks，2005，47 （4）：445-487.