鄒修明

淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223300

◎網(wǎng)絡(luò)、通信、安全◎

高能量高信號(hào)強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)優(yōu)先的AODV路由協(xié)議

鄒修明

淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇淮安 223300

針對(duì)AODV協(xié)議只選擇具有最少跳數(shù)路由，而不考慮節(jié)點(diǎn)能量即將耗盡或節(jié)點(diǎn)即將離開鄰節(jié)點(diǎn)傳送范圍，造成路由頻繁中斷的問題，提出新的改進(jìn)方案，在路由發(fā)現(xiàn)階段，選擇能量較高和信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)，在路由維護(hù)階段，對(duì)能量即將耗盡或即將離開鄰節(jié)點(diǎn)有效傳送范圍的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由備份。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的協(xié)議能夠有效增加數(shù)據(jù)包投遞率和減少平均端到端延時(shí)，并能有效減緩能耗速度，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存期。

無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量路由協(xié)議（AODV）；節(jié)點(diǎn)能量；信號(hào)強(qiáng)度

1 引言

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一組無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，是一種不需要依靠現(xiàn)有固定網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡(luò)體系[1]。在MANET網(wǎng)絡(luò)中，沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，不僅能夠進(jìn)行信息處理，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能[2]。

由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，有線網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議不再適用于MANET網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)議主要分為兩類：主動(dòng)型和按需型[3]。主動(dòng)型路由協(xié)議：其代表性的路由協(xié)議是目的序列距離矢量路由協(xié)議（Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV），該型路由協(xié)議參考了有線網(wǎng)絡(luò)中路由的生成方法，每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地廣播自己的路由表信息，各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)就根據(jù)收到的信息動(dòng)態(tài)更新自己的路由表[4]。其缺點(diǎn)是，由于進(jìn)行周期性的廣播，會(huì)大量浪費(fèi)寶貴的帶寬資源和節(jié)點(diǎn)的電池能量，如果降低廣播的頻率，又不能及時(shí)地反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，造成?shù)據(jù)發(fā)送的失敗[5]。按需型路由協(xié)議：其代表性的路由協(xié)議是按需距離矢量路由協(xié)議（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV），該型路由協(xié)議只在節(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)，才進(jìn)行廣播來(lái)獲取到達(dá)目的地的路由，對(duì)帶寬的占用相對(duì)較小，更能適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，更加高效[6]。因此相比于DSDV，AODV更加適合具有運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的MANET網(wǎng)絡(luò)。但是也存在一定的缺點(diǎn)，研究人員提出了許多協(xié)議的改進(jìn)方案，如：文獻(xiàn)[7]提出，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，將鏈路中各節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度最小值記錄在路由請(qǐng)求報(bào)文RREQ中，目的節(jié)點(diǎn)選擇具有最大信號(hào)強(qiáng)度的RREQ進(jìn)行回復(fù)作為本次通信的主路由，同時(shí)，將具有次大值RREQ的鏈路作為備份路由。這種方案雖然最大限度地減少了因節(jié)點(diǎn)離開傳送范圍，而導(dǎo)致的鏈路斷裂情況，但是沒有考慮到因?yàn)楣?jié)點(diǎn)能量的耗盡而導(dǎo)致的鏈路斷裂。文獻(xiàn)[8]在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，選擇距離較近的鄰節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)（即節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度大于一定的閾值，否則不轉(zhuǎn)發(fā)RREQ請(qǐng)求報(bào)文），這種方法只有部分節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ報(bào)文，節(jié)約了寶貴的帶寬資源，而且避免了因?yàn)辄c(diǎn)離開傳送范圍，而導(dǎo)致的鏈路斷裂情況，但是也沒有考慮到節(jié)點(diǎn)能量耗盡問題。文獻(xiàn)[9]提出一種基于節(jié)點(diǎn)能量的EOAODV方法，該方法通過HELLO消息和鄰節(jié)點(diǎn)交互，選擇具有高能量的節(jié)點(diǎn)作為路由的中間節(jié)點(diǎn)，以最大限度地防止因?yàn)楣?jié)點(diǎn)能量耗盡而導(dǎo)致的鏈路斷裂，但是沒有考慮因?yàn)楣?jié)點(diǎn)離開傳送范圍而導(dǎo)致的鏈路斷裂情況。

本文在前人研究基礎(chǔ)之上，針對(duì)引起鏈路斷裂的兩個(gè)因素，分別在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)階段進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，以提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果。

2 路由發(fā)現(xiàn)

2.1 AODV的路由發(fā)現(xiàn)及存在問題

在AODV路由協(xié)議中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要和新的目的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，它就會(huì)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，通過廣播RREQ報(bào)文來(lái)查找相應(yīng)路由[10-11]。當(dāng)這個(gè)RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)本身，或者是一個(gè)擁有足夠新的到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)只對(duì)第一個(gè)到達(dá)的RREQ進(jìn)行確認(rèn)，回送RREP報(bào)文，建立新路由[12-13]。所謂“足夠新”是通過目的序列號(hào)來(lái)判斷的，即RREQ中，目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)大于或等于中間節(jié)點(diǎn)中目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)[14]。

AODV路由協(xié)議只選擇具有最少跳數(shù)的路由，而不管這條路由是否有鏈路斷裂的危險(xiǎn)。如圖1所示，如果節(jié)點(diǎn)S要和節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，那么AODV路由協(xié)議會(huì)選擇S-＞A-＞D這條路由，因?yàn)樵谶@條路由中，跳數(shù)最少。但是節(jié)點(diǎn)A處于節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)D有效傳送范圍的邊緣，屬于危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)A有可能在下一秒離開節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)D，那么剛剛建立的路由就會(huì)斷裂，必須重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程。相反，由于節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C分別在節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)D有效傳送范圍的內(nèi)部，同時(shí)也在對(duì)方的有效傳輸范圍之內(nèi)，立即離開有效傳送范圍的可能性大大降低，如果采用S-＞B-＞C-＞D這條路由，那么鏈路斷裂可能性會(huì)降低很多。文獻(xiàn)[8]就是在這個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。

圖1 AODV的路由發(fā)現(xiàn)過程

如果節(jié)點(diǎn)A處于節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)D連線的中間，且不考慮其他因素的情況下，那么S-＞A-＞D這條路由就是最佳路由。但是如果節(jié)點(diǎn)A的電量接近耗盡，而節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C還有很多剩余電量，那么采用S-＞B-＞C-＞D這條路由是最佳路由，因?yàn)镾-＞A-＞D很快就會(huì)因?yàn)锳的電量不足而斷裂。文獻(xiàn)[9]就是在這個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)的改進(jìn)

針對(duì)AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)的過程中存在的問題，應(yīng)該盡量避免選擇即將離開有效傳送范圍的節(jié)點(diǎn)和電量即將耗盡的節(jié)點(diǎn)作為路由的中間節(jié)點(diǎn)，具體算法描述如下：

步驟1規(guī)定基本電量的閾值和有效傳輸距離的閾值（通過接收?qǐng)?bào)文的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷，信號(hào)強(qiáng)度越大，則距離越近，信號(hào)強(qiáng)度越小則距離越遠(yuǎn)）。

步驟2在進(jìn)行首次路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，接收到RREQ報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，檢查自己剩余的電量和信號(hào)強(qiáng)度是否大于相應(yīng)的閾值，如果都大于閾值，則轉(zhuǎn)發(fā)RREQ報(bào)文，否則丟棄RREQ報(bào)文。

步驟3如果成功則采用該路由，如果失敗，即說明沒有符合條件的最優(yōu)路由，則采用原始的AODV路由發(fā)現(xiàn)過程。

該算法試圖通過首次路由發(fā)現(xiàn)來(lái)尋找含有最少危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的路由。如圖1所示，如果所有節(jié)點(diǎn)的剩余電量都大于預(yù)先設(shè)定的閾值，在進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)S廣播RREQ報(bào)文，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B都收到了RREQ報(bào)文，其中節(jié)點(diǎn)A的信號(hào)強(qiáng)度小于預(yù)先設(shè)定的閾值，那么節(jié)點(diǎn)A就將RREQ報(bào)文丟棄，不再轉(zhuǎn)發(fā)，也就是將來(lái)的S到D的路由中不會(huì)含有A節(jié)點(diǎn)，相反B大于該閾值，那么B就可以繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ報(bào)文，最終建立S-＞B-＞C-＞D的路由。其中，剩余電量是在路由層，通過M obileNode對(duì)象的energy（）方法獲得。節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值是通過RREQ報(bào)文的txinfo_.RxPr屬性進(jìn)行獲取。在TwoRayGround傳輸模型下，節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算如公式（1）所示：其中，p為接收到的信號(hào)強(qiáng)度，Pt為傳輸功率，Gt為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的天線增益，Gr為接收節(jié)點(diǎn)的天線增益，ht為發(fā)送天線的高度，hr為接收天線高度，d為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，L為系統(tǒng)損失因子。

3 路由維護(hù)

3.1 AODV的路由維護(hù)及存在問題

AODV路由協(xié)議在建立好路由之后，就進(jìn)入路由維護(hù)階段。在路由維護(hù)階段，如果收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，首先檢查是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的活躍路由，如果存在這樣一條活躍路由，則通過該路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果傳送數(shù)據(jù)失敗，則進(jìn)行路由修復(fù)，如果路由修復(fù)失敗，則向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告RERR分組，通知所有使用該路由的節(jié)點(diǎn)，終止使用這條路由[15]。在AODV路由維護(hù)的過程中，只有節(jié)點(diǎn)完全離開鄰節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍或者能量完全耗盡的情況下才會(huì)進(jìn)行路由修復(fù)工作，影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男省?/p>

3.2 路由維護(hù)的改進(jìn)

為了提前發(fā)現(xiàn)路由中斷危險(xiǎn)，及時(shí)進(jìn)行路由修復(fù)，本文在路由發(fā)現(xiàn)階段的基礎(chǔ)上，通過HELLO消息對(duì)下游節(jié)點(diǎn)的能量值和信號(hào)強(qiáng)度值來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)能量值或信號(hào)強(qiáng)度值小于閾值的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行路由備份，以避免路由中斷，這里的閾值要比路由發(fā)現(xiàn)階段的閾值小。如圖2所示。

圖2 hello消息

在圖2中，存在一條路由S-＞A-＞B-＞C-＞D，由中間節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送Hello消息，其中目的節(jié)點(diǎn)不用發(fā)送hello消息。Hello消息是廣播的，為了減少網(wǎng)絡(luò)開銷，本文將Hello消息的目的地址改為上游節(jié)點(diǎn)的地址，即由單播來(lái)實(shí)現(xiàn)。如節(jié)點(diǎn)B給節(jié)點(diǎn)A發(fā)送Hello消息，將TTL值改為1（即只和鄰居節(jié)點(diǎn)交互），將節(jié)點(diǎn)B中Hello消息的目的地址字段（即daddr字段）改為上游節(jié)點(diǎn)A的地址。由于Hello消息被封裝在hdr_aodv_reply結(jié)構(gòu)體中，因此，將發(fā)送Hello消息節(jié)點(diǎn)的能量值，放在該結(jié)構(gòu)體的保留字段（reserved字段）中。上游節(jié)點(diǎn)A接收到B的Hello消息后，首先查看報(bào)文的daddr字段，如果是發(fā)送給A的，則獲取下游節(jié)點(diǎn)B的信號(hào)強(qiáng)度（即Hello報(bào)文的txinfo_.RxPr屬性值）和下游節(jié)點(diǎn)B的能量值。如果這兩個(gè)值有任一項(xiàng)小于閾值，則說明該路由有中斷的危險(xiǎn)，那么A按2.2節(jié)中路由發(fā)現(xiàn)的方法進(jìn)行路由備份，由A重新尋找到節(jié)點(diǎn)D的路由。一旦節(jié)點(diǎn)B的能量耗盡或這節(jié)點(diǎn)B離開A的有效傳送距離則啟用新路由。如圖3，圖4所示。

圖3 備份路由情況1

圖4 備份路由情況2

在節(jié)點(diǎn)A發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B成危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)后，或立即找好備份路由E-＞C-＞D或E-＞F-＞D，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B失效后，啟用替代路由，以提高網(wǎng)絡(luò)傳送效果。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 仿真環(huán)境介紹

仿真實(shí)驗(yàn)采用NS2下進(jìn)行，無(wú)線電傳播模式采用TwoRay Ground，對(duì)AODV協(xié)議、EOAODV協(xié)議和本文改進(jìn)的AODV協(xié)議（NAODV）的性能進(jìn)行比較。在本場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)以10 m/s以內(nèi)的隨機(jī)速度向一個(gè)隨機(jī)的方向運(yùn)動(dòng)，并停留一定的時(shí)間，再向下一個(gè)隨機(jī)的方向運(yùn)動(dòng)。其中，停留時(shí)間為0 s，則表示節(jié)點(diǎn)不停地運(yùn)動(dòng)，如果節(jié)點(diǎn)停留的時(shí)間為100 s，則說明節(jié)點(diǎn)沒有運(yùn)動(dòng)。本次仿真實(shí)驗(yàn)分別對(duì)停留時(shí)間為0到100 s之間，每隔5 s，進(jìn)行一次對(duì)比，共進(jìn)行21次對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示，naodv是本文的改進(jìn)協(xié)議。在圖5中的前8次實(shí)驗(yàn)中，即從停留時(shí)間為0 s到停留時(shí)間為35 s的實(shí)驗(yàn)中，naodv的數(shù)據(jù)包投遞率明顯高于eoaodv和原始的aodv路由協(xié)議，這是因?yàn)?，?jié)點(diǎn)的活動(dòng)性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)周圍出現(xiàn)高能量和高信號(hào)強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)的可能性很大，所以提升的空間也比較大，從停留40 s的那次實(shí)驗(yàn)開始，三種協(xié)議的數(shù)據(jù)包投遞率越來(lái)越趨近于相同，這是由于停留的時(shí)間越長(zhǎng)即節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)性越低，那么節(jié)點(diǎn)周圍出現(xiàn)高能量和高信號(hào)強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)的可能性也就越來(lái)越小，到停留時(shí)間為100 s，即節(jié)點(diǎn)都停止不動(dòng)時(shí)，它們的數(shù)據(jù)包投遞率和平均端到端時(shí)延也就趨近于相同了，平均端到端時(shí)延則正好相反。圖7是節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間為0，即節(jié)點(diǎn)處于不停運(yùn)動(dòng)情況下的節(jié)點(diǎn)平均剩余能量變化情況。在圖7中，naodv的能耗速度要明顯低于eoaodv和aodv，這是因?yàn)閚aodv中的路由節(jié)點(diǎn)是采用高能量高信號(hào)強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)，路由斷裂的概率要比eoaodv和aodv低，其廣播路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文RREQ的次數(shù)就少，因而其能耗就少，并且隨著時(shí)間推移和路由斷裂可能性的增加，這種能耗的差距越來(lái)越明顯。

圖5 數(shù)據(jù)包投遞率對(duì)比圖

圖6 平均端到端時(shí)延對(duì)比圖

圖7 節(jié)點(diǎn)平均剩余能量變化對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)的路由協(xié)議naodv在路由發(fā)現(xiàn)階段選擇能量較高和信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)作為路由的中間節(jié)點(diǎn)，以盡量避免路由的中斷，在路由維護(hù)階段結(jié)合Hello消息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路由鏈路中可能即將斷裂的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)的方法做好路由備份，在原有路由斷裂后，立即啟用備份路由。仿真實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)的路由協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)包投遞率，降低了平均端到端時(shí)延，并能夠有效減慢整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗速度，起到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。下一步將考慮更加優(yōu)化的路由改進(jìn)方法，研究其對(duì)低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)效果。

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ZOU Xium ing

School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huai’an, Jiangsu 223300, China

AODV routing protocol only selects the route with least number of hops, without considering the node energy depletion or being about to leave the transmission range of it’s neighbor node, it often results in routing fracture frequently. In order to solve this problem, a new scheme is improved. In the route discovery phase, the node which has greater energy and greater signal strength is selected. In the routing maintenance phase, routing backup is done when the node energy being about to run out or leaving the effective transmission range. Simulation results show that the improved routing protocol can increase the packet delivery ratio, reduce the average end to end delay and energy consumption rate, enhance survival time of the entire network.

Ad hoc On-demand Distance Vector routing（AODV）; node energy; signal strength

ZOU Xiuming. AODV routing protocol of greater energy and signal strength node first. Computer Engineering and Applications, 2014, 50（17）：86-89.

A

TP393.01

10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158

江蘇省淮安市科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目（No.HASZ2012030）。

鄒修明（1968—），男，博士研究生，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全、模式識(shí)別、生物信息學(xué)。E-mail：brightzou@126.com

2013-10-15

2014-01-16

1002-8331（2014）17-0086-04

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2014-03-12,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158.htm l