何綿祿,褚 偉,劉輝舟

(合肥工業(yè)大學管理學院,合肥230009)

AODV路由協(xié)議的研究和改進

何綿祿,褚 偉,劉輝舟

(合肥工業(yè)大學管理學院,合肥230009)

針對移動Ad-hoc網(wǎng)絡中存在路由不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)丟包率高的問題,提出一種基于節(jié)點信號強度的AODV路由協(xié)議AODV-SS,該協(xié)議在原路由協(xié)議的基礎上增加了節(jié)點的信號強度和路由警告消息機制,將節(jié)點的信號強度作為建立路由的一個參照指標,當節(jié)點的信號強度較低時將不考慮該節(jié)點,尋找信號強度好的節(jié)點作為中間節(jié)點。在已建立好的路由中,若某個節(jié)點的信號強度低于一定的值時,將發(fā)出一個路由警告通知上游節(jié)點和源節(jié)點重新尋找新的路徑。NS2仿真實驗結果表明,當節(jié)點信號強度低于臨界點時,改進路由協(xié)議的丟包率比AODV路由協(xié)議低,路由更加穩(wěn)定。

移動自組織網(wǎng)絡;AODV協(xié)議;路由請求;路由維護;信號強度

1 概述

Ad-hoc在拉丁語里面是“特別的”的意思,所以移動Ad-hoc網(wǎng)絡[1]是一種特殊的網(wǎng)絡結構,它是一種自組織網(wǎng)絡,具有多跳、沒有中心等特點。網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā),因此Ad-hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點具有路由器的功能,可以負責網(wǎng)絡拓撲結構和路由信息的更新維護,以及對數(shù)據(jù)報進行轉(zhuǎn)發(fā)的功能,也可以作為主機維護網(wǎng)絡中的節(jié)點連接,完成對移動終端的基本功能。

由于Ad-hoc網(wǎng)絡結構的特殊性,其與普通的網(wǎng)絡結構相比具有如下的特點[2]:

(1)無中心:Ad-hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都具有路由器的功能,并沒有一個嚴格意義上的控制中心。所有的節(jié)點都是平等的,網(wǎng)絡的路由協(xié)議采用的是分布式的控制方式,使得整個網(wǎng)絡具有很強的穩(wěn)定性,任何節(jié)點的加入、離開或者發(fā)生故障,都不會影響整個網(wǎng)絡的運行[3]。

(2)自組織:相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡,Ad-hoc網(wǎng)絡的顯著特點就是組網(wǎng)時不需要依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施,每個節(jié)點可以通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)的自己行為,自動進行網(wǎng)絡的組建,節(jié)點運行時,自動形成一個獨立的網(wǎng)絡。

(3)多跳路由。Ad-hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,所以當一個節(jié)點需要和它的信號覆蓋范圍外的節(jié)點通信時,就可以通過中間節(jié)點的數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)功能建立路由。

(4)動態(tài)拓撲。Ad-hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以隨時的添加和刪除,會使網(wǎng)絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化。

目前移動Ad-hoc網(wǎng)絡中的路由協(xié)議比較多,在眾多的路由協(xié)議中AODV更能適應Ad-hoc網(wǎng)絡的特點。但是由于移動Ad-hoc網(wǎng)絡中的節(jié)點移動性比較強等特點,造成了網(wǎng)絡中的路由不穩(wěn)定,數(shù)據(jù)丟包率高,傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議已經(jīng)不能解決在尋找新的路徑過程中造成的數(shù)據(jù)丟包嚴重的問題。

本文對原AODV路由協(xié)議進行了研究和改進,提出了一種新的路由協(xié)議AODV-SS(Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing-Signal Strength),其中引入了路由警告消息機制,當路由中的某一個或幾個節(jié)點的信號強度低于某個值時,就會發(fā)出路由警告,尋找新的路徑,在新的路徑建立起來之前,這條路徑將繼續(xù)維持數(shù)據(jù)的傳輸。當節(jié)點的信號強度高于一定值時,就會沿長發(fā)送hello包的間隔時間。

2 AODV路由協(xié)議

AODV[4]路由協(xié)議是一種按需路由協(xié)議,是DSDV[5]和DSR[6]兩者綜合的產(chǎn)物,借鑒了DSR的路由發(fā)現(xiàn)機制和路由維護機制,以及DSDV中的跳數(shù)和路由維護過程中的周期更新機制,結合了兩者的優(yōu)點,形成了一種優(yōu)秀的按需路由協(xié)議。在一個特定網(wǎng)絡的可移動節(jié)點中使用本協(xié)議,它能在動態(tài)變化的點對點網(wǎng)絡中確定一條道目的地的路由,并且具有接入速度快、計算量小、內(nèi)存占用低、網(wǎng)絡負荷輕等特點[7]。它在路由表中采用了目的序列號字段,確保了路由在任何時候都不會出現(xiàn)回環(huán),即使路由控制星系出現(xiàn)異常的時候也不活產(chǎn)生回環(huán),有效地避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中出現(xiàn)的網(wǎng)絡回環(huán)和無窮計數(shù)問題。

AODV路由協(xié)議使用了3種消息機制[7],即路由請求(RREQ)、路由回復(RREP)和路由錯誤(RERR)。

2.1 AODV路由發(fā)現(xiàn)

AODV是一種按需路由協(xié)議,當源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包時,首先會在路由表中查找是否存在到目的節(jié)點的路由,若已存在該路由,則AODV路由協(xié)議會直接發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的節(jié)點;反之,AODV路由協(xié)議就會通過廣播RREQ[7]包啟動路由發(fā)現(xiàn)過程,查找并建立相應的路由。

在AODV的路由發(fā)現(xiàn)過程中,中間節(jié)點和目的節(jié)點就會通過路由發(fā)現(xiàn)過程中建立的反向路由把RREP[8]包回發(fā)給源節(jié)點,其中RREQ分組中的源節(jié)點序列號就是用于維持到源節(jié)點的反向路由。當源節(jié)點把一個RREQ分組轉(zhuǎn)發(fā)到不同的目的節(jié)點的過程中所有節(jié)點都要自動創(chuàng)建到源節(jié)點的反向路由,節(jié)點通過收到的第一個RREQ分組的鄰居節(jié)點的地址來建立用于維護到源節(jié)點的反向路由,這些反向路由會維持一段時間,當RREQ分組到達目的節(jié)點時,目的節(jié)點就會產(chǎn)生RREP分組,RREP分組就會沿著剛剛建立起來的反向路由轉(zhuǎn)發(fā)RREP分組,在RREP分組轉(zhuǎn)發(fā)回源節(jié)點的過程中,沿著這條路徑上的每個節(jié)點都將建立到目的節(jié)點的同向路由。當源節(jié)點收到第一個RREP分組后,正向路由建立完成,此時就可以向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.2 AODV路由維護

2.2.1 HELLO消息

在AODV路由協(xié)議中,當路徑建立起來以后,因為Ad-hoc網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化的特點,路由中的每個節(jié)點可以隨時的加入或者離開,所以AODV路由協(xié)議中的節(jié)點需要不斷地監(jiān)聽鄰居節(jié)點的控制消息,同時也需要維護本地鄰居節(jié)點的連接情況,為了實現(xiàn)這個目的,所以AODV路由協(xié)議引入了HELLO消息機制。

在HELLO消息機制中,一個節(jié)點通過定期廣播HELLO消息提供連接信息,可以確保鏈路的對稱,同樣也可以用于檢測鏈路是否失效。每當一個節(jié)點從鄰居節(jié)點收到一個hello消息,則確保了與鄰節(jié)點有一條有效路由。若不存在的路由,則需要新建。如果一條路由已經(jīng)存在,那么這條路由的生命期應該增加。如果存在這條通向鄰居節(jié)點的路由,后來的hello消息包中必須包含節(jié)點最新的目的序列號。當前的節(jié)點可以使用這條路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。如果通過hello消息創(chuàng)建的路由沒有被其他活動的路由使用,它將擁有一個空的先驅(qū)表,如果鄰居節(jié)點移走或者超時不會觸發(fā)RRER消息。

2.2.2 本地連接維護

無論什么時候,每一個轉(zhuǎn)發(fā)消息的節(jié)點都應該對其與活動下一跳節(jié)點的連接性保持持續(xù)的跟蹤,也應該對在最近的ALLOWED_HELLO_LOSS?HELLO_INTERVAL時間內(nèi)曾經(jīng)發(fā)送過Hello消息的鄰居節(jié)點進行跟蹤。通過使用一個或多個可用連接或者網(wǎng)絡層的機制,節(jié)點可以維護關于其與這些活動下一跳節(jié)點之間連接的準確信息。

2.2.3 路由錯誤,路由超時和路由刪除

由于Ad-hoc的網(wǎng)絡拓撲結構是動態(tài)的,網(wǎng)絡中的節(jié)點不可預測性,導致Ad-hoc網(wǎng)絡易發(fā)生路由錯誤和連接中斷的情況,因此AODV路由協(xié)議會在以下3種情況下發(fā)出路由錯誤消息,通知前驅(qū)節(jié)點。

(1)當傳送數(shù)據(jù)或嘗試路由回復未果時,如果節(jié)點在路由表中,節(jié)點檢測到某個活動的路由上的下一跳發(fā)生了連接中斷,則發(fā)出RERR消息。

(2)如果節(jié)點接收到了一個數(shù)據(jù)包,本節(jié)點沒有活動路由而且也沒有修復時,則發(fā)出RERR消息。

(3)如果節(jié)點從鄰節(jié)點接收到了一個或者多個活動路由的RERR消息時,則發(fā)出RERR消息。

2.3 AODV路由表管理

AODV路由表[9]的數(shù)據(jù)結構中包含了源節(jié)點和目的節(jié)點的序列號,還包含了目的IP地址、網(wǎng)絡接口索引等其他的有用的信息,這些信息組成了路由項的軟狀態(tài)。例如,路由請求定時器,定時器的目的就是消除一段時間沒有使用的方向路由項。設置定時器取決于網(wǎng)絡規(guī)模的大小,另一個重要的參數(shù)與路由表的路由緩存相關的時間,超過這個時間后,相應的路由表變得無效。

AODV路由協(xié)議在執(zhí)行過程中,在用戶層的路由表中,程序定義了各種操作函數(shù),可以輕易地對路由表項進行刪除和添加等操作。

3 改進路由協(xié)議的基本思想

改進路由協(xié)議的過程如下:

(1)在原AODV路由協(xié)議消息機制的基礎上添加了路由警告(RWARN)消息機制,用于通知上游節(jié)點和源節(jié)點,這個節(jié)點已經(jīng)不足以維持整條路徑的穩(wěn)定性,需要尋找新的節(jié)點建立新的路由。

(2)在改進的AODV路由協(xié)議中添加2個信號強度的臨界點,HIGH表示信號強度高于80%的狀態(tài),信號非常好;LOW表示信號強度低于30%的狀態(tài),這時信號就比較不穩(wěn)定。需要重新建立路徑。

(3)鄰節(jié)點收到RREQ分組的處理方法

1)首先檢查該分組是否是由本節(jié)點產(chǎn)生的,如果是,則丟棄。如果這個節(jié)點以前接收過相同的RREQ消息,則比較本節(jié)點的信號強度與路由表項中的信號強度關系,如果比路由表項中的信號強度強,說明2個節(jié)點的相對位置變化了,則更新路由信息,否則,這個節(jié)點就會丟棄這個RREQ分組,不作任何操作。

2)若這個節(jié)點就是目的節(jié)點,分析這個節(jié)點的信號強度,若信號強度低于LOW,則發(fā)送RREP回應同時發(fā)出來一條路由警告,建立路由,將節(jié)點的相關信息保存到路由表中,并告訴源節(jié)點這條路徑不穩(wěn)定,在進行通信的同時需要重新發(fā)出RREQ消息搜索路徑。

3)如果該節(jié)點不是目的地,而是知道到目的節(jié)點的新路徑,檢查該節(jié)點的信號強度,若當前節(jié)點的信號強度低于LOW時,作出響應并沿反向路由發(fā)出警告消息,需要重新發(fā)出RREQ路由請求;若信號強度高于LOW,則直接進行響應。并在源節(jié)點和目的節(jié)點的前驅(qū)列表中分別插入到源節(jié)點和目的節(jié)點的下一跳節(jié)點。

4)如果節(jié)點不是目標節(jié)點,也不知道到目的節(jié)點的路由,則檢查信號強度,若低于臨界點,則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,并沿反向路由發(fā)出路由警告,跳數(shù)加1;否則直接將跳數(shù)加1,繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(4)AODV-SS路由選擇

當中間節(jié)點或者目的節(jié)點把RREP分組回發(fā)到源節(jié)點時,這時所需要的反向路由和同向路由建立起來。然后查看路由表,若路由表中沒有到目的節(jié)點的路由,則把該路由加入到路由表中,若路由表中已經(jīng)存在一條到目的節(jié)點的路由,先根據(jù)式(1)計算出2條路由信號強度的平均數(shù),去掉較大的路由,若平均信號強度相同則,計算根據(jù)式(2)方差,取方差較小的路徑,則將另一條路由標記為無效,并刪除。

其中,Si表示的路由中每個節(jié)點的信號強度;n表示目的節(jié)點中跳數(shù);表示路由中的平均信號強度。

(5)AODV-SS路由維護

與AODV路由協(xié)議相同,AODV-SS也使用hello消息機制定期廣播HELLO包,在廣播HELO包的同時,檢查節(jié)點的信號強度,如果信號強度高于HIGH時,則沿長HELLO包廣播的間隔時間,這樣可以減少信道的浪費。當信號強度低于LOW的時候,發(fā)出路由警告,通知鄰節(jié)點重新發(fā)出RREQ消息,尋找信號強度更好的路徑,當新的路徑建立起來以后,則刪除原有路徑。

若某個活動節(jié)點突然發(fā)生中斷時,即該節(jié)點的信號強度突然消失,則發(fā)出RERR消息通知前驅(qū)節(jié)點。前驅(qū)節(jié)點或源節(jié)點收到RERR消息,將從路由表中刪除不可達節(jié)點,重新發(fā)送RREQ分組,建立新的路由。

4 改進的AODV路由協(xié)議AODV-SS

移動Ad-hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點相當于無線路由器,可以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能,無線網(wǎng)絡的傳輸速率和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)某晒β识寂c無線路由的信號強度有很大的關系,信號強度越強,傳輸成功率就越高,在移動的環(huán)境中,信號強度變化大,存在由強變?nèi)?節(jié)點直接的相互距離增大,所以為了提高數(shù)據(jù)的傳輸成功率,提出了一種基于信號強度的AODV路由協(xié)議AODV-SS。AODV-SS在源協(xié)議基礎上增加了獲取節(jié)點的信號強度函數(shù),在建立鏈路和維護鏈路的過程中,把相互間的信號強度作為參數(shù),并且添加了RouteWarn(RWARN)作為控制消息。

4.1 節(jié)點信號強度的獲取

改進后的AODV路由協(xié)議,其中的關鍵點就是要獲取每個節(jié)點的信號強度。在Linux環(huán)境下,可以通過對設備輸入輸出通道進行管理的函數(shù)iotcl()來獲取節(jié)點的信號強度。ioctl函數(shù)原型為ioctl(int fd,int command,(char?)argstruct),其中,fd是由socket()系統(tǒng)調(diào)用返回的文件描述符,command的取值為SIOCGIWSTATUS,argstruct為structiwreq。

在AODV路由協(xié)議中添加如下函數(shù):

4.2 路由警告消息格式

路由警告(RWARN)消息格式如圖1所示。

圖1 路由警告消息格式

當某個節(jié)點的信號強度低于LOW時,這時候這個節(jié)點已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩粤?丟包率已經(jīng)開始增加,則需要發(fā)出警告信息給源節(jié)點,通知源節(jié)點重新發(fā)出RREQ分組,尋找新的路徑。

4.3 改進后路由表的數(shù)據(jù)結構

在原有路由表的數(shù)據(jù)結構的基礎上,添加了下一跳的信號強度,其路由表的數(shù)據(jù)結構如表 1所示[10]。

表1 AODV路由表的數(shù)據(jù)結構

4.4 改進的路由回復

傳統(tǒng)的AODV路由回復的消息格式中包含的一些主要的信息為跳數(shù)、目的IP地址、目的序列號、源IP地址、源序列號、生命期等。

通過 AODV路由協(xié)議的研究,在源協(xié)議的RREP基礎上,添加了本節(jié)點的信號強度字段,其數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 路由回復數(shù)據(jù)格式

4.5 路由網(wǎng)絡拓撲圖

AODV-SS路由協(xié)議中,路由發(fā)現(xiàn)的過程如圖2所示,當源節(jié)點S需要向目的節(jié)點D發(fā)送數(shù)據(jù)時,源節(jié)點就會向節(jié)點1和節(jié)點4發(fā)出RREQ消息分組,當節(jié)點1和節(jié)點4收到RREQ時,若節(jié)點1知道,通向目的節(jié)點D的最新路由,則節(jié)點1沿反向路由發(fā)出RREP作出響應,并沿著節(jié)點1所知道的路由經(jīng)過節(jié)點2和節(jié)點3到達目的節(jié)點 D建立路由。節(jié)點4將繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組到節(jié)點5,由節(jié)點5將繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā),最終到達目的節(jié)點D,目的節(jié)點D將沿反向路由回發(fā)RREP作出響應,由于節(jié)點D已經(jīng)接受過相同的RREQ分組,此時路由表中將會分析2條路由信號強度的平均值,選擇最優(yōu)的路由。

圖2 路由發(fā)現(xiàn)

在建立路由的過程中,若節(jié)點3的信號強度低于LOW時,則發(fā)出一跳路由警告消息通知上游節(jié)點該路由不穩(wěn)定,需要繼續(xù)尋找新的路由。

AODV-SS路由維護如圖3所示。當圖中路由S-4-5-D最優(yōu)時,則路由已經(jīng)建立加入路由表中。隨著節(jié)點的移動,若中間節(jié)點5的信號強度越來越弱,則節(jié)點5會沿著反向路由發(fā)出路由警告,通知上游節(jié)點和源節(jié)點重新尋找路由,繼續(xù)發(fā)出RREQ分組。當節(jié)點2收到節(jié)點1和節(jié)點4的RREQ分組時,比較2個節(jié)點的信號強度,選擇最優(yōu)的,這里選擇節(jié)點1的,丟棄節(jié)點4的RREQ分組。

圖3 路由維護

在路由建立過程中,當每一個節(jié)點收到RREQ分組時,都會檢查節(jié)點本身的信號強度,當信號強度比較弱的時候,在建立路由的同時,還需要沿反向路由發(fā)出RWARN消息,通知上游節(jié)點和源節(jié)點要重新發(fā)送RREQ分組,繼續(xù)尋找新的路徑,當更穩(wěn)健的路由建立起來后,從路由表中刪除源路由。

5 AODV-SS路由協(xié)議的性能仿真與分析

為了對AODV-SS路由協(xié)議的性能進行分析,采用當前比較流行的仿真軟件 NS2[11-12]對 AODV, AODV-SS路由協(xié)議進行性能仿真,主要通過仿真得到改進后的AODV路由協(xié)議與原路由協(xié)議的丟包率,通過丟包率來衡量路由協(xié)議的性能。

5.1 仿真環(huán)境

實驗采用的仿真環(huán)境為在1 000 m×1 000 m的矩形區(qū)域,隨機生成50個節(jié)點,并針對節(jié)點的信號強度0～100%區(qū)間內(nèi)的節(jié)點的丟包率進行仿真實驗,使用Trace文件記錄實驗過程中的數(shù)據(jù)、用gawk程序提取和處理數(shù)據(jù)、用gnuplot工具繪制二維圖對AODV和AODV-SS的丟包率進行性能分析。仿真環(huán)境的參數(shù)如表3所示。

表3 仿真參數(shù)及取值

5.2 仿真結果與分析

本文根據(jù)節(jié)點的不同型號強度對 AODV和AODV-SS路由協(xié)議進行的丟包率進行仿真測量,測量結果如圖4所示。

圖4 節(jié)點丟包率

由圖4可知,當節(jié)點的信號強度高于30%時,路徑比較穩(wěn)定,AODV和AODV-SS路由協(xié)議的丟包率差別不大,但是當信號強度低于30%時,原路由協(xié)議繼續(xù)按照以前的路徑發(fā)包,而改進后的路由協(xié)議就開始重新尋找路徑建立新的路由發(fā)包,由圖可見,改進后的路由協(xié)議的丟包率明顯低于原路由協(xié)議,性能優(yōu)于AODV路由協(xié)議。

6 結束語

本文對原AODV路由協(xié)議進行了研究和改進,提出了一種新的路由協(xié)議AODV-SS。改進的AODV路由協(xié)議加入了信號強度字段和路由警告消息,在建立路徑時,信號強度低于LOW的中間節(jié)點將不作考慮,這樣建立的路徑將更加穩(wěn)定。在路由維護時,當某個節(jié)點的信號強度低于LOW時,將發(fā)出路由警告消息,通知上游節(jié)點和源節(jié)點重新發(fā)送RREQ分組,尋找新的路徑,在新路徑建立起來以前,舊路徑將繼續(xù)用于傳送數(shù)據(jù)。通過改進使得建立的路由更加穩(wěn)健,信號傳輸?shù)膩G包率大大減少。

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編輯 索書志

Research and Improvement of AODV Routing Protocol

HE Mianlu,CHU Wei,LIU Huizhou
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

This paper improves Ad-hoc On-demand Distance Vector(AODV)routing protocol and proposes AODVSignal Strength(AODV-SS)routing protocol which is based on signal strength of node.The AODV-SS routing protocol increases the warning message of routing and signal strength of node.The signal strength as a reference indicator when it establishes the routing.It does not consider this node if the signal strength of node is lower than critical point when establishing the routing.It finds a node as intermediate node of which the signal strength is better than critical point.In the established route,it sends a warning message of routing to the upstream node and the source node when the signal strength is lower than critical point.Simulation experimental results of NS2 show that the improved routing protocol packet loss rate is lower than AODV routing protocol when the signal is not good,and the route is more stable.

mobile Ad-hoc network;Ad hoc On-demand Distance Vector(AODV)protocol;Route Request(RREQ); route maintaining;signal strength

1000-3428(2015)01-0110-05

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.01.020

何綿祿(1988-),男,碩士研究生,主研方向:Ad-hoc網(wǎng)絡,信息化管理;褚 偉,副研究員、博士;劉輝舟,碩士研究生。

2013-11-25

2014-02-21 E-mail:hfuthml@126.com

中文引用格式:何綿祿,褚 偉,劉輝舟.AODV路由協(xié)議的研究和改進[J].計算機工程,2015,41(1):110-114.

英文引用格式:He Mianlu,Chu Wei,Liu Huizhou.Research and Improvement of AODV Routing Protocol[J].Computer Engineering,2015,41(1):110-114.