杜智敏 ，謝維波 ，楊大力

(1.華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén)361021；2.華僑大學(xué) 廈門(mén)軟件園嵌入式技術(shù)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361008)

隨著無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其上的多媒體應(yīng)用成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)條件等限制，目前針對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究大都基于NS（Network Simulator）、GloMoSim 等仿真工具，研究成果往往理論有余，而實(shí)踐稍顯不足。為了深入研究AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的語(yǔ)音通信技術(shù)，構(gòu)建實(shí)際AdHoc網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及其上語(yǔ)音通信性能的評(píng)估分析研究就顯得十分必要。

1 語(yǔ)音傳輸模型

語(yǔ)音在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)幕灸Ｐ腿鐖D1所示。音頻設(shè)備采集到的模擬語(yǔ)音信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣量化等處理手段轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)壓縮并打包成某種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式，之后在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。到達(dá)目的端系統(tǒng)后首先經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧解包，得到壓縮過(guò)的數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)，之后經(jīng)過(guò)解壓縮等處理過(guò)程，得到原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

決定語(yǔ)音質(zhì)量的主要因素是編解碼器的選擇，其次是網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的影響。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和丟包對(duì)語(yǔ)音通信質(zhì)量造成的影響在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中一直是個(gè)技術(shù)瓶頸。

2 AdHoc網(wǎng)絡(luò)模型

IEEE 802.11作為無(wú)線通信的官方標(biāo)準(zhǔn)僅僅考慮到了單跳的網(wǎng)絡(luò)，因此很有必要為多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的路由協(xié)議。這些路由協(xié)議決定如何通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)對(duì)目的節(jié)點(diǎn)不在傳輸域內(nèi)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 基于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音通信基本模型

大量針對(duì)不同路由協(xié)議的模擬已經(jīng)通過(guò)不同的模擬器進(jìn)行了模擬。但是模擬器建立的是一種理想模型，并不能將實(shí)際情況中的所有因素考慮在內(nèi)，所以其結(jié)果同樣是一種理想結(jié)果，并不能作為商業(yè)應(yīng)用的參考。

這里使用AODV(AdHoc on-Demand Distance Vector)[1-2]協(xié)議對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)通信性能進(jìn)行測(cè)試。AODV借鑒了DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)概念，以及DSDV協(xié)議的序列號(hào)和發(fā)送周期性Hello包的機(jī)制。其主要路由機(jī)制如下：

(1)路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制：當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要與另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，它首先查看自己的路由表，看到達(dá)該目的節(jié)點(diǎn)的路由是否存在，若不存在，則初始化一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程（AODV創(chuàng)建并廣播一個(gè)RREQ控制包，并設(shè)置一個(gè)定時(shí)器來(lái)等待回應(yīng)數(shù)據(jù)包RREP）。所有收到RREQ控制包的節(jié)點(diǎn)都會(huì)比較該包的ID，看是否以前曾經(jīng)收到過(guò)。若非第一次收到，則直接丟棄該控制包。

(2)路由維護(hù)機(jī)制：當(dāng)一個(gè)路由建立好后，就需要源節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)只會(huì)影響到途經(jīng)該節(jié)點(diǎn)的路由，并不對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成全局影響。源節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中的移動(dòng)會(huì)造成它與當(dāng)前使用路由的下一跳之間的連接斷開(kāi)，此時(shí)，它將會(huì)重新廣播一個(gè)RREQ包來(lái)發(fā)現(xiàn)路由。如果中間節(jié)點(diǎn)與其下一跳之間的連接斷開(kāi)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)RERR包給其（當(dāng)前路由）前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，并將到達(dá)該目的節(jié)點(diǎn)的路由標(biāo)記為無(wú)效（被標(biāo)記為無(wú)效的路由將于一段固定時(shí)間之后被丟棄）。其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)收到RERR包后，同樣將該條路由標(biāo)記為無(wú)效，并將該RERR發(fā)送給自己的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。

(3)Hello包機(jī)制：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)包傳輸，節(jié)點(diǎn)就會(huì)廣播發(fā)送Hello消息給其鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)本地連接進(jìn)行更新。Hello消息的內(nèi)容包括節(jié)點(diǎn)的IP地址及當(dāng)前序列號(hào)等。由于該信息不需要被轉(zhuǎn)發(fā)，它們的ttl值都為 1。

3 AODV協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

(1)端到端延時(shí)：由于AODV為被動(dòng)路由協(xié)議，所以在第一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，如果沒(méi)有有效路由，則會(huì)啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由機(jī)制，于是引入了發(fā)現(xiàn)路由延時(shí)。發(fā)現(xiàn)路由延時(shí)的大小主要取決于端到端需要經(jīng)過(guò)的跳數(shù)，當(dāng)然不同的AODV實(shí)現(xiàn)版本之間的發(fā)現(xiàn)路由延時(shí)也會(huì)有所差別。

(2)路由變化延時(shí)：該延時(shí)是指從當(dāng)前工作路由失效到重新發(fā)現(xiàn)并啟用新的有效路由之間的時(shí)間。該延時(shí)取決于 ALLOWED_HELLO_LOSS×HELLO_INTERVAL。 可以通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)來(lái)降低該延時(shí)。ALLOWED_HELLO_LOSS默認(rèn)為2，如果調(diào)整為 1，由于無(wú)線信道的不穩(wěn)定，時(shí)不時(shí)地信道狀況不好會(huì)導(dǎo)致Hello包的丟失，由于ALLOWED_HELLO_LOSS調(diào)整為1，于是造成了路由協(xié)議認(rèn)為鏈路已損壞，而實(shí)際鏈路并未斷開(kāi)的狀況的出現(xiàn)。

分析圖2所示的情況。假設(shè)ALLOWED_HELLO_LOSS的默認(rèn)值為2，則AODV路由協(xié)議在2×HELLO_INTERVAL未收到Hello包時(shí)就會(huì)認(rèn)為該鏈路已經(jīng)斷開(kāi)。此時(shí)有兩種極端情況：

圖2 鏈路失效檢測(cè)時(shí)間

①節(jié)點(diǎn)1在收到第2個(gè)Hello包之后，實(shí)際鏈路斷開(kāi)，而此時(shí)AODV路由協(xié)議由于收到了Hello包，認(rèn)為鏈路依然有效。

②在節(jié)點(diǎn)1收到第2個(gè)Hello包之后一個(gè)HELLO_INTERVAL時(shí)，實(shí)際鏈路斷開(kāi)，而AODV協(xié)議并不認(rèn)為鏈路斷開(kāi)，而是會(huì)發(fā)送第二個(gè)Hello包來(lái)確認(rèn)鏈路狀況。由于鏈路失效時(shí)間不可預(yù)知，可認(rèn)為其是介于HELLO_INTERVAL和 2×HELLO_INTERVAL之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。由于相對(duì)路由變化時(shí)間來(lái)說(shuō)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間可以忽略，可對(duì)其定義如下：

4 性能評(píng)估測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境構(gòu)建

本文使用4臺(tái)安裝Linux系統(tǒng)的筆記本作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備。路由協(xié)議使用開(kāi)源的aodv-uu-0.9.6.tar.gz[3]，應(yīng)用程序?yàn)樽约壕帉?xiě)的雙工語(yǔ)音通信程序（使用udp進(jìn)行語(yǔ)音通信，由語(yǔ)音錄制、語(yǔ)音壓縮、語(yǔ)音解壓縮、語(yǔ)音播放4個(gè)線程構(gòu)成）。測(cè)試環(huán)境構(gòu)建流程為：

(1)配置無(wú)線網(wǎng)卡（以laptop1為例）

設(shè)置完網(wǎng)卡后，可以使用ifup wlan0來(lái)查看網(wǎng)卡是否設(shè)置成功。

(2)安裝路由協(xié)議

(3)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

將4臺(tái)筆記本直線擺放在實(shí)驗(yàn)桌面上，IP地址分配依次為 192.168.2.5～192.168.2.8（4節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，3節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c此類(lèi)似）。

由于筆記本自帶無(wú)線網(wǎng)卡傳輸范圍比較大，laptop1和laptop4可以直接通信，而不需經(jīng)過(guò)laptop2和laptop3，而室內(nèi)空間也有限，所以為實(shí)現(xiàn)laptop1→laptop2→laptop3→laptop4多跳效果，這里需要使用Linux系統(tǒng)的防火墻工具iptables[4]。其命令格式為：

其中l(wèi)aptop_mac為要屏蔽的laptop的mac地址。

為實(shí)現(xiàn) laptop1經(jīng)過(guò) laptop2，再經(jīng)過(guò) laptop3，最后到達(dá)laptop4的多跳效果，需要讓laptop1屏蔽掉其到laptop3和laptop4的直接通路。在其上執(zhí)行命令（其中以#開(kāi)頭的表示在超級(jí)用戶權(quán)限執(zhí)行的命令）：

表1 3個(gè)節(jié)點(diǎn)丟包率和延時(shí)

表2 4個(gè)節(jié)點(diǎn)丟包率和延時(shí)

以同樣的方式讓laptop2屏蔽掉其到laptop4的直接通路，讓laptop3屏蔽掉其到laptop1的直接通路，讓laptop4屏蔽掉其到laptop1和laptop2的直接通路。

4.2 性能測(cè)試方案設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果分析

(1)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間

按照上面步驟設(shè)置好無(wú)線網(wǎng)卡后，啟動(dòng)AODV路由協(xié)議：

使用 ping命令從 laptop1發(fā)送數(shù)據(jù)包到 laptop3（和laptop4），此時(shí)AODV會(huì)啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)路由過(guò)程，并建立路由表。路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間可由AODV路由協(xié)議的日志中得出（rreq_create啟動(dòng)到 aodv_socket_process_packet對(duì) RREP包進(jìn)行處理）。

測(cè)試可得，3個(gè)節(jié)點(diǎn)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間為 6 ms，4個(gè)節(jié)點(diǎn)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間為10 ms。相對(duì)數(shù)據(jù)包發(fā)送延時(shí)來(lái)說(shuō)，基本可以忽略。

(2)AdHoc網(wǎng)絡(luò)丟包率和延時(shí)

使用ping命令向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送1 000個(gè)默認(rèn)大小(56 B)的數(shù)據(jù)包。命令為：ping-c 1000-i interval 192.168.2.8。其中interval為發(fā)送兩次icmp數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔。

網(wǎng)絡(luò)丟包率和延時(shí)測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。

從測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)包時(shí)隙為5 s時(shí)，丟包率暴增到一半以上。這是AODV路由協(xié)議作用的結(jié)果，正常情況下應(yīng)該是發(fā)包頻率越慢，丟包率越低。由于AODV路由協(xié)議維護(hù)有效路由有個(gè)定時(shí)器：ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT(默認(rèn)為 3 000 ms)和 DELETE_PERIOD。 DELETE_PERIOD計(jì)算公式[5]為：

而 ALLOWED_HELLO_LOSS 為 2，HELLO_INTERVAL為 1 000 ms，于是 DELETE_PERIOD默認(rèn)為 3 000 ms。 即AODV協(xié)議每隔3 s會(huì)刪除在這段時(shí)間內(nèi)都未使用的路由，而發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)隙為5 s，由于上次使用的路由已被刪除，于是每次發(fā)送都需要重新發(fā)現(xiàn)路由，最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)丟包率。

(3)語(yǔ)音通信丟包率測(cè)試

在 laptop1、laptop3（3 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)）和 laptop4（4 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)）運(yùn)行語(yǔ)音通信程序，并在程序中增加數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)器來(lái)統(tǒng)計(jì)丟包率。

對(duì)比表3所示丟包率測(cè)試結(jié)果和icmp包的丟包率測(cè)試結(jié)果，可以看出3個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中音頻數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)似時(shí)隙為0.1～0.2之間的icmp包的傳輸，但是4個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)相當(dāng)于時(shí)隙為0.6的icmp包的傳輸。該結(jié)果間接表示4節(jié)點(diǎn)之間的語(yǔ)音傳輸延時(shí)大大增加，這也是無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一大技術(shù)瓶頸。

表3 語(yǔ)音傳輸丟包率

本文深入闡述了AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的語(yǔ)音傳輸模型和AdHoc基本模型，詳細(xì)分析了AODV路由協(xié)議對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能的影響以及語(yǔ)音評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最后實(shí)際搭建了AdHoc網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其通信性能及其上的語(yǔ)音通信性能進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。本文旨在幫助廣大研究人員對(duì)AdHoc網(wǎng)絡(luò)性能有更深入的理解。

[1]AODV[DB/OL].http：//moment.cs.ucsb.edu/AODV/.

[2]PERKINS C，ROYER E.AdHoc on-Demand distance vector routing-RFC3561[C].2003：1-38.

[3]AODV-UU[S/OL].http：//sourceforge.net/projects/aodvuu/.

[4]Netfilter/Iptables[S/OL].http：//www.netfilter.org.

[5]Lu Yi，Zhong Yuhui，BHARGAVA B.Packet loss in mobile AdHoc networks[R].2003.