高永貴，龍昭華，張 林

（重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶400065）

0 引 言

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)連接的不穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單路徑的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議已不能滿足網(wǎng)絡(luò)的性能需求［1］。由于多徑路由的優(yōu)勢，其成為當(dāng)前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中研究的熱點(diǎn)，多徑的主要思想是在一次路由進(jìn)程中，發(fā)現(xiàn)多條可用路徑，利用多條路徑進(jìn)行并行或備份的方式傳輸數(shù)據(jù)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和資源利用率。使用多徑路由傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，一定程度上減少了數(shù)據(jù)傳輸在帶寬方面的限制；隨著多媒體業(yè)務(wù)在Ad Hoc網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，多路徑在延遲和鏈路穩(wěn)定性方面更滿足多媒體業(yè)務(wù)的QoS需求［2］。

如果路由的開銷過大，多徑的優(yōu)勢就會(huì)明顯減弱［3］，因此開發(fā)更簡潔、高效的多徑路由協(xié)議有著重要意義。同時(shí)動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致多次路由發(fā)現(xiàn)過程耗費(fèi)大量時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)資源，不利于當(dāng)前的多媒體業(yè)務(wù)的需求。信息熵作為不確定性因素的度量［3］，和Ad Hoc中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的不確定性移動(dòng)有著相似的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將熵的概念應(yīng)用到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于發(fā)現(xiàn)可靠性的路徑有著顯著作用。本文在分析Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用熵與自組織網(wǎng)絡(luò)的共性分析問題，基于高效、簡潔多徑路由協(xié)議的開發(fā)思想，提出了一種聯(lián)合熵的開銷最小多徑路由協(xié)議ENDMAODV，該算法有效改進(jìn)了分組投送率、平均控制開銷和端到端延遲。

1 相關(guān)工作

自組織網(wǎng)絡(luò)可以表示為帶權(quán)的有向圖G（V，E）［4］，其中V 表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的集合，E 表示可連接的節(jié)點(diǎn)間的鏈路集合。在研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使用R 表示節(jié)點(diǎn)間鏈路的屬性結(jié)合，如i，j兩可連接節(jié)點(diǎn)，則＜i，j＞鏈路的屬性可表現(xiàn)為帶寬、時(shí)延、代價(jià)、鏈路持續(xù)時(shí)間等等。

Perkins、Belding－Roryer等人提出了AODV 路由 （基于距離矢量的按需路由）協(xié)議［5］。AODV 是一種單徑路由協(xié)議，主要有路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)2 個(gè)階段和RREQ、RREP、RRER、HELLO 這4 種報(bào)文組成。AODV 實(shí)質(zhì)上是DSR［6］和DSDV［7］的結(jié)合，借用了DSR 中路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)的機(jī)制，以及DSDV 逐跳路由和目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)的周期更新機(jī)制的思想，以DSDV 為基礎(chǔ)，結(jié)合DSR 按需的思想進(jìn)行改進(jìn)而來。AODV 中每個(gè)節(jié)點(diǎn)隱式保存了路由請(qǐng)求和應(yīng)答的結(jié)果，利用擴(kuò)展環(huán)搜索的思想限制RREQ 的傳播范圍。AODV 使用目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)實(shí)現(xiàn)了路由的無環(huán)，并提高了算法的收斂速度。

AOMDV （按需多徑路由）協(xié)議［8］是基于AODV 擴(kuò)展的多徑路由協(xié)議，AOMDV 修改了AODV 的路由發(fā)現(xiàn)方式并引入了廣播跳數(shù)的概念來替換原來的跳數(shù)。仍使用目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)來確保無環(huán)和路由更新。為了存儲(chǔ)多條可用的路由路徑，參照AODV 的選擇算法在多條無環(huán)不相交路徑中進(jìn)行選擇，每一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)路由中都記錄了下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)列表和跳數(shù)。

MSR 協(xié)議 （分離多徑路由）［9］是基于DSR 的擴(kuò)展的一種多徑路由協(xié)議，該算法能夠發(fā)現(xiàn)并使用最大不相交的2條路由路徑，并選擇其中一條性能優(yōu)秀的路徑作為傳輸?shù)闹髀酚桑硗庖粭l作為備份路由使用，這樣一種主從備份的方式，有效的提高了路由利用率，減少了啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體分組投送率。

2 路徑穩(wěn)定性度量

B.An和S.Papavassiliou最早在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用熵評(píng)價(jià)路徑的穩(wěn)定性［3］。由于自組織網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，找到相對(duì)穩(wěn)定的路由路徑能夠顯著的減少路由重構(gòu)的時(shí)間、減少了時(shí)延，進(jìn)而對(duì)于業(yè)務(wù)的傳輸有著重要的作用。在移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以用節(jié)點(diǎn)位置Positon（i）和速度V（i）來表示?？梢赃@樣認(rèn)為對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)m，其特征向量am，n表示如下所示

式中：Position（m，n，t）——m 節(jié)點(diǎn)和n 節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置。V（m，n，t）——m 節(jié)點(diǎn)和n 節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻的相對(duì)速度。二者的計(jì)算表示形式如下 （執(zhí)行向量運(yùn)算）所示

基于上述，則構(gòu)造可連接移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)（m，n）在時(shí)間間隔內(nèi)的特征向量如下所示

式中：R——節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，N ——在Δt時(shí)間間隔內(nèi)離散時(shí)刻ti的總個(gè)數(shù)，即每間隔時(shí)間Δt，相對(duì)位置向量和速度向量被更新和計(jì)算的次數(shù)?；诖耍覀兌x熵

在式 （5）的基礎(chǔ)上，進(jìn)行求導(dǎo)去負(fù)對(duì)數(shù)的方法，得到式 （6）

式（6）可以看出，P’（m，n）的值越小，節(jié)點(diǎn)對(duì)（m，n）之間路徑越穩(wěn)定，由此得到評(píng)價(jià)路徑穩(wěn)定性的度量。

3 基于AODV的多徑路由算法

3.1 修改的控制結(jié)構(gòu)及路由建立

本文在深入研究AODV 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)使用最小開銷找到源目的節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的多條節(jié)點(diǎn)不相交路徑路由，對(duì)AODV 協(xié)議中的RREQ 控制包結(jié)構(gòu)、RREP控制包結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)緩存路由表信息進(jìn)行了修改，同時(shí)修改路由表的相關(guān)信息，使其有能力存儲(chǔ)多條路徑和周期性的熵的計(jì)算值。（其中文中選擇的多路徑條數(shù)條數(shù)為2）。

1) 跟蹤精度提高。本文算法通過實(shí)時(shí)修正模型轉(zhuǎn)移概率，使與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)匹配的模型概率增大，加快模型切換速度，最終提高了精度，如圖1所示。從表2可以看出，在全航路，距離精度提高8.2%，速度精度提高12.9%；尤其是在勻速段，速度精度提升26.9%。另一方面，在圖2中，細(xì)實(shí)線表示IMM3-EKF算法，由于IMM3中存在模型競爭，實(shí)際濾波效果比本文算法還差。

修改的RREQ 控制包結(jié)構(gòu)，見表1。

表1 修改的RREQ 控制包結(jié)構(gòu)

修改的RREP控制包結(jié)構(gòu)，見表2。

表2 修改的RREP控制包結(jié)構(gòu)

表3 中，S＿address和Broadcast＿id 標(biāo)志位來源于RREQ 控制包，作為每次請(qǐng)求的獨(dú)立標(biāo)示。Jusr＿flag標(biāo)志位的初值為FALSE。在本算法中，為了確保發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)不相交的多條路徑，規(guī)定，任何中間節(jié)點(diǎn)不回復(fù)RREQ 路由請(qǐng)求包，而是按照AODV 協(xié)議中沒有目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)的方式和后文算法1的方式處理RREQ 控制包。算法2顯示RREP控制包的處理過程。

表3 節(jié)點(diǎn)處增加的Justtable結(jié)構(gòu)

算法1 RREQ 控制包處理進(jìn)程

在執(zhí)行算法1之前，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，首先檢查是否緩存有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，如果有，則直接發(fā)送。啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，初始化RREQ 包，Justtable表和緩存路由表。算法2中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到RREP 路由控制包時(shí)，將緩存這些RREP 包，等待時(shí)間T，等待時(shí)間結(jié)束后，前所有收到的RREP 包按照Entropy 字段進(jìn)行排序，從中選擇Entropy字段最小的2條路徑。

算法2 RREP控制包處理進(jìn)程

圖1中，結(jié)合具體的實(shí)例簡單描述了算法的執(zhí)行過程。如圖1所示，假如S為源節(jié)點(diǎn)，D 為目的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)S有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程，洪泛RREQ 包，根據(jù)算法1，中間節(jié)點(diǎn)或是丟棄RREQ 或是更新熵字段的值并廣播RREQ，假如當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D 在t1時(shí)刻收到了來至節(jié)點(diǎn)I的RREQ 包，目的節(jié)點(diǎn)初始化RREP1包，并通過反向路徑D－＞I－＞H－＞B－＞S傳播，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到RREP，檢查Just＿flag 標(biāo)志位是否為FALSE，是，則重置為TRUE，并建立正向路由，形成了一條S－＞B－＞H－＞I－＞D 的路由路徑。假如D 在t2時(shí)刻收到了來至J的RREQ 包，初始化RREP2包，同上建立了S－＞A－＞F－＞J－＞D 的路由路徑。在t3 時(shí)刻，D 收到了來至K 的RREQ 包，D 初始化RREP3包，RREP3包通過K 到達(dá)J，節(jié)點(diǎn)J檢查Just＿table標(biāo)志位為TRUE，則認(rèn)為收到了重復(fù)的RREP包，丟棄RREP3。在t4時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)D 收到了來至M 的RREQ 包，初始化RREP4包，同上建立了S－＞C－＞E－＞L－＞M－＞D 的路由路徑。

圖1 多徑路由發(fā)現(xiàn)過程

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S在等待的T 時(shí)刻內(nèi)，收到了多個(gè) （此處是3個(gè)）RREP包，按照RREP中的Entropy值進(jìn)行排序，選擇其中最小2條路徑。

3.2 多徑路由的維護(hù)與失效

在上述的多徑路由選擇中，選擇熵值最小，也即是最穩(wěn)定的路徑最為主路徑，另外一條作為從路徑，形成主從備份的路由形式。

路由差錯(cuò)報(bào)告階段，當(dāng)正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸?shù)逆溌窋嚅_時(shí)，并不立即發(fā)送RRER 控制包進(jìn)行差錯(cuò)報(bào)告，而是節(jié)點(diǎn)檢測是否存在第2條路由，若存在，則將數(shù)據(jù)傳輸鏈路切換到另外一條鏈路，若不存在第2條路由或第2條路由斷開或失效，則發(fā)送RREQ 控制包，通知受影響的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。圖1中，當(dāng)正在傳輸數(shù)據(jù)的路徑S－＞A－＞F－＞J－＞D 中J－＞D 鏈路斷開時(shí)，并不立即啟動(dòng)RRER 過程，而是切換路徑為J－＞K－＞D，進(jìn)而形成S－＞A－＞F－＞J－＞K－＞D 路徑進(jìn)行傳輸，當(dāng)此路徑再次斷開時(shí)才啟動(dòng)RRER 過程。

3.3 正確性證明

定理 選擇的路由路徑是無環(huán)的

證明：算法是在AODV 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，AODV 協(xié)議RREQ 階段的無環(huán)性保證了該算法RREQ 階段的無環(huán)性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到路由的RREP應(yīng)答包后，檢查Justtable表中的Just＿flag二進(jìn)制位字段，看是否被置位，如被置位則丟棄相應(yīng)RREP 控制包；否則保存記錄轉(zhuǎn)發(fā)RREP控制包。由此看出，該算法選擇的路由路徑是無環(huán)的。

4 仿真分析

為了評(píng)價(jià)文中提出的路由算法的有效性和性能。在NS2［11］仿真環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)中，20 個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在1000 m×1000m 的場景中，節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度為10m／s，數(shù)據(jù)包的大小為512bytes，數(shù)據(jù)源是CBR，MAC 層使用802.11，仿真運(yùn)行時(shí)間500s，節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍為200m，節(jié)點(diǎn)按照Waypoint模型隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。主要從路徑重構(gòu)次數(shù)、平均分組投送率和平均控制開銷、端到端時(shí)延4個(gè)方面來分析 （如式7）和驗(yàn)證本文提出的ENDM－AODV 算法

圖2 中給出了AOMDV 和ENDM－ADOV 路由算法的路由重構(gòu)次數(shù)的比較?？梢钥闯?，相對(duì)于AOMDV 而言，ENDM－ADOV 算法的重構(gòu)次數(shù)明顯減少，這是因?yàn)樗惴ㄖ谢陟卣业搅讼鄬?duì)穩(wěn)定的2條路徑，同時(shí)另外一條路由作為備份路由使用，只要當(dāng)2條路由同時(shí)失效的時(shí)候，才啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)進(jìn)程，如此一來，進(jìn)一步減少了路由重構(gòu)次數(shù)。

圖3給出了在不同的移動(dòng)速度下AOMDV 和ENDMAODV 算法的分組投送率的比較，可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，分組投送率都持續(xù)下降。總體ENDM－AODV算法有著明顯的優(yōu)勢。這是因?yàn)橹虚g找到了多條路由路徑（可能超過2條）同時(shí)選擇相對(duì)較可靠的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整體上提高了ENDM－AODV路由協(xié)議的分組投送率。

圖2 路徑重構(gòu)次數(shù)比較

圖3 分組投送率比較

圖4給出了平均控制開銷的比較，分析2種不同的算法看出，ENDM－AODV 使用簡單的標(biāo)志位信息進(jìn)行控制包傳輸中的比較與處理，相對(duì)于AOMDV 而言減少了開銷信息，且在路由維護(hù)階段，中間節(jié)點(diǎn)可能存在2條到目的的路徑，一旦某條出現(xiàn)問題，則可以切換到另外一條，減少了修復(fù)的開銷。

圖4 平均控制開銷的比較

圖5給出了2種協(xié)議的端到端時(shí)延的比較，可以看出，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度增加，2 種算法的端到端的時(shí)延都增加較快。從圖中還可以看出對(duì)于AOMDV 算法，ENDMAODV 協(xié)議隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加端到端的要低。這是因?yàn)樵诤苄〉拈_銷情況下，ENDM－AODV 就獲得了較穩(wěn)定的路由路徑。

圖5 端到端時(shí)延的比較

5 結(jié)束語

本文在深入分析AODV 單徑路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過引入標(biāo)志位的方式，設(shè)計(jì)了一種多徑路由算法ENDMAODV，算法中結(jié)合信息熵的概念，在發(fā)現(xiàn)的多條路徑中選擇穩(wěn)定性最好的2條路徑形成主從備份路由路徑。簡單的標(biāo)志位處理方式，極大的較少了路由的整體開銷，信息熵的引入，減少了路由重構(gòu)的次數(shù)，進(jìn)而能更好的保證動(dòng)態(tài)拓?fù)涞腁d Hoc網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸率。仿真的結(jié)果表明，ENDM－AODV 協(xié)議優(yōu)化了分組投送率、端到端延遲和平均節(jié)點(diǎn)控制開銷。ENDM－ADOV 協(xié)議的提出為設(shè)計(jì)和優(yōu)化多徑路由協(xié)議提供了一種新的思路。

在未來的研究中，將結(jié)合多QoS的相關(guān)概念和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型更加全面的考慮和優(yōu)化算法在自組網(wǎng)中的性能，提高組織網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)利用率。

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