王力軍，田靜，洪濤

基于帶寬和時延的改進(jìn)ZRP路由協(xié)議研究

王力軍，田靜，洪濤

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點變化較大，而ZRP協(xié)議預(yù)臵半徑的做法，不能有效利用網(wǎng)絡(luò)資源。針對此問題，提出了基于帶寬和延時的BD-ZRP協(xié)議。在定義節(jié)點半徑時，引入帶寬和時延參數(shù)，實時改變半徑大小，以適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化，從而提高路由性能。通過NS2仿真表明，改進(jìn)后的BD-ZRP協(xié)議在包投遞率和時延方面比傳統(tǒng)ZRP協(xié)議具有更好的性能。

帶寬；延時；區(qū)域半徑；ZRP

0 引言

移動網(wǎng)絡(luò)是一種移動通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)[1]，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都兼有路由器和主機(jī)兩種功能，它具有動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無中心和自組織等特性[2]。為了適應(yīng)Ad Hoc的動態(tài)拓?fù)?、帶寬和能量受限等特性，研究者提出了許多Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[3]。根據(jù)路由觸發(fā)原理，這些路由協(xié)議可以分為先驗式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議[4]。

先驗式路由協(xié)議又稱表驅(qū)動路由協(xié)議，每個節(jié)點周期性的路由廣播，維護(hù)一張包含到達(dá)節(jié)點的路由信息的路由表，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓S時更新路由表；源節(jié)點一旦要發(fā)送報文，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點的路由。因此這種路由協(xié)議的時延較小，但是協(xié)議需要大量的路由控制報文路由，協(xié)議的開銷較大。反應(yīng)式路由協(xié)議又稱按需路由，是一種當(dāng)需要時才查找路由的路由選擇方式，節(jié)點不需要保存整個網(wǎng)絡(luò)及時準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)需要發(fā)送報文時才發(fā)起路由查找過程。與先驗式路由協(xié)議相比，反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷小，但是數(shù)據(jù)報傳送的時延較大，不適合實時性的應(yīng)用[5]。ZRP協(xié)議是一個先驗式和反應(yīng)式路由協(xié)議的組合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點都有一個以自己為中心的虛擬區(qū)，區(qū)內(nèi)的節(jié)點數(shù)與設(shè)定的區(qū)半徑有關(guān)，因此區(qū)是重疊的，這是與分群路由的區(qū)別；在區(qū)內(nèi)使用先驗式路由算法，中心節(jié)點使用區(qū)內(nèi)路由協(xié)議IARP維持一個區(qū)[6]。本文通過引入時延、帶寬確定ZRP協(xié)議的半徑，動態(tài)改變半徑大小，從而提高路由利用率。

1 ZRP協(xié)議

在ZRP協(xié)議中，每個節(jié)點都定義了一個半徑為r的域，它是以該節(jié)點為中心，到該節(jié)點的距離不超過r跳的所有節(jié)點的集合。節(jié)點A的一個半徑為2跳的域如圖1所示：

圖1 節(jié)點分類情況

圖1為以A為中心，跳數(shù)為2的路由區(qū)域；節(jié)點H在區(qū)域外，其余節(jié)點在區(qū)域內(nèi)。

ZRP路由協(xié)議由3部分組成，如圖2所示[7]：

圖2 ZRP路由結(jié)構(gòu)示意圖

在區(qū)域內(nèi)部采用IARP（Intra-zone Routing Protocol）協(xié)議，是一種主動路由協(xié)議；在區(qū)域間采用IERP（Inter-zone Routing Protocol）協(xié)議，是一種按需路由協(xié)議。當(dāng)r=1時，只有鄰節(jié)點間周期性交換信息，ZRP演變?yōu)榘葱杪酚蓞f(xié)議；當(dāng)r=DL時（DL為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)最大直徑），ZRP即成為純粹的主動路由協(xié)議。

2 基于帶寬和時延的BD-ZRP協(xié)議

ZRP協(xié)議性能的優(yōu)化主要通過調(diào)整區(qū)域半徑實現(xiàn)先應(yīng)式和后應(yīng)式路由協(xié)議間的平衡。針對該協(xié)議的改進(jìn)大多數(shù)研究主要對節(jié)點速率、節(jié)點密度和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行考慮。本文提出基于帶寬和時延的區(qū)域有效性BD-ZRP，主要是以節(jié)點可用帶寬和訪問時間作為節(jié)點訪問的依據(jù)，在協(xié)議中動態(tài)改變半徑r，提高ZRP路由性能。BD-ZRP協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 BD-ZRP路由結(jié)構(gòu)示意圖

通信服務(wù)過程中引入帶寬和延時。

相比ZRP協(xié)議，BD-ZRP協(xié)議增加了帶寬和延時服務(wù)，實現(xiàn)了動態(tài)區(qū)域的半徑可變性，包括路由表的發(fā)現(xiàn)、更新、刪除。報文格式如表1所示：

表1 BD-ZRP報文格式

擴(kuò)展了節(jié)點的可用帶寬、鏈接時間和半徑更新。節(jié)點查詢與應(yīng)答與IARP、IERP結(jié)合，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)外路由更新、刪除。節(jié)點查詢過程如下：當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送路由請求包RREQ到它的周邊節(jié)點，RREQ分組的內(nèi)容包含源節(jié)點序號、目的節(jié)點序號集、半徑r。等待反饋回來的RREP分組, 并啟動計時器, 設(shè)置最大等待時間T（T與當(dāng)前r是反比關(guān)系）。RREP分組包含所有路由節(jié)點的序號和鏈路的帶寬、延遲。如果接收到路由請求包的節(jié)點知道目的節(jié)點的位置，它會發(fā)回給源節(jié)點一個RREP路由回復(fù)。源節(jié)點將所有T內(nèi)接收到的RREP信息記錄到自己的鄰節(jié)點鏈表中，如表2所示：

表2 鄰節(jié)點鏈表

如果在T時間內(nèi)沒有接到其相鄰節(jié)點的信息，則認(rèn)為該節(jié)點已丟失，從已建的鄰節(jié)點鏈表中將其刪除。如果接收到新的節(jié)點信息，則將其加入到鄰接表中。如果一個節(jié)點接收到幾個相同的路由請求副本，這些副本將被視為冗余的而被丟棄。

每個節(jié)點周期性的查詢鄰接點信息，如果所用帶寬大于可用帶寬，且用時大于平均用時，則網(wǎng)絡(luò)條件不足且節(jié)點移動較頻繁，此時需適當(dāng)減小半徑，r=r-1(r>2)。刪除區(qū)域內(nèi)半徑大于r的鏈路信息。否則所用帶寬小于可用帶寬，且用時小于平均用時，則認(rèn)為此節(jié)點較穩(wěn)定，保持r不變。經(jīng)過若干個周期仍是如此，則增加跳數(shù)，r=r+1。增加鏈路信息。一個周期結(jié)束，重新計算路由表，更新鏈路信息，并將更新后的路由信息廣播給周圍的節(jié)點。

BD-ZRP協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點，適當(dāng)調(diào)節(jié)區(qū)域半徑。當(dāng)帶寬充足且節(jié)點移動較慢，可適當(dāng)增加跳數(shù)以有效利用網(wǎng)絡(luò)資源。當(dāng)帶寬不能滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)需求或節(jié)點移動較頻繁時，則需要減小跳數(shù)，從而保證信息的有效傳達(dá)。

3 模擬仿真

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的設(shè)置與參考文獻(xiàn)[8]一致，物理層選用Two-ray ground reflection 無線傳播模型，鏈路層采用802.11。MAC層協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)功能DCF（Distributed Coordination Function）。50個節(jié)點以0-10m/s的速度在區(qū)域1000 ×1000m2內(nèi)移動，節(jié)點的傳輸半徑設(shè)為250m，信道容量為2Mbps，包長為512bytes。仿真時間為500s。ZRP協(xié)議初始半徑設(shè)置為2，BD-ZRP算法與ZRP路由算法進(jìn)行仿真比較，選取平均延時（delay）和包投遞率（Packet delivery ratio）2個性能指標(biāo)作為評估對象。

3.1 平均包延時

平均包延時是指在整個模擬過程中，源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點接收該數(shù)據(jù)所需的平均時間。反映了路由協(xié)議的效率和網(wǎng)絡(luò)特性[9]。

公式為：

平均色延時比較如圖4所示：

圖4 平均包延時比較

由圖4可看出，平均包延時隨著節(jié)點移動速度的增加而增大，節(jié)點速度較慢時，鏈路相對穩(wěn)定，平均端到端延時較小。隨著節(jié)點速度的增加，鏈路斷路較多，許多節(jié)點丟失，導(dǎo)致延時增加。BD-ZRP算法在確定區(qū)域半徑時根據(jù)接收到的返回信息即節(jié)點移動速度，動態(tài)調(diào)整半徑大小，提高路由效率，相對ZRP協(xié)議減少了網(wǎng)絡(luò)延時。

3.2 包投遞率

包投遞率是指在整個模擬過程中，數(shù)據(jù)在路由層成功傳送的比率[10]。

包投遞率越高，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量超好。隨著節(jié)點速度的增加，鏈路穩(wěn)定性降低，數(shù)據(jù)包丟失明顯增加，導(dǎo)致包投遞率降低如圖5所示：

Research on Improved ZRP Routing Protocol Based on Bandwidth and Delay

Wang Lijun, Tian Jing, Hong Tao
(China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The nodes change greatly in Ad Hoc network. That the ZRP protocol presets radius， can’t effectively use network resources. Aiming at the problem, BD-ZRP protocol based on bandwidth and delay is proposed in the paper. After defining the radius of nodes, the bandwidth and delay are introduced. The radius of the network is changed real-timly to adapt to the change of the network, and to improve the performance of the routing. The NS2 simulation results show that the improved BD-ZRP protocol has a good performance than the traditional ZRP protocol in terms of packet delivery ratio and delay.

Bandwidth; Delay; Region Radius; ZRP

TP311

A

1007-757X(2016)09-0075-02

王力軍（1978-），男，漢族，臨朐人，中國石油大學(xué)（華東）高級工程師，碩士，研究方向：工程技術(shù)管理，青島 266580田 靜（1981-），女，漢族，文登人，中國石油大學(xué)（華東）工程師，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量管理，青島 266580洪 濤（1976-），男，漢族，潛江人，中國石油大學(xué)（華東）高級工程師，碩士，研究方向：工程技術(shù)管理，青島 266580