摘 ?要： 根據無線網絡的特點和需求，IEEE802.11工作組提出了二層路徑轉發(fā)的概念，即在數(shù)據鏈路層通過Mac地址進行數(shù)據轉發(fā)。HWMP（Hybrid Wireless Mesh Protocol）和Batman-adv（Better Approach to Mobile Ad-hoc Networking Advanced）都是基于數(shù)據鏈路層的路由協(xié)議，本文通過對兩種協(xié)議的原理進行介紹，并在相同條件下進行對比實驗，分析兩種路由協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性。結果表明Batman-adv路由協(xié)議在傳輸穩(wěn)定性方面比HWMP表現(xiàn)更優(yōu)，在收斂性方面表現(xiàn)HWMP和Batman-adv路由協(xié)議表現(xiàn)都較好。

關鍵詞： 無線Mesh;路由協(xié)議;Batman-adv;HWMP;穩(wěn)定性;收斂性

中圖分類號： TN915.04 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.026

本文著錄格式：林金鋒. HWMP和Batman-adv路由協(xié)議對比研究[J]. 軟件，2019，40（6）：119122

【Abstract】： According to the characteristics and requirements of wireless network， the IEEE802.11 working group proposed the concept of two-tier path forwarding， that is， data forwarding through Mac address in data link layer. Both HWMP （Hybrid Wireless Mesh Protocol） and Batman-adv （Better Approach to Mobile Ad-hoc Networking Advanced） are routing protocols based on data link layer. This paper introduces the principles of the two protocols， and makes comparative experiments under the same conditions to analyze the transmission stability and routing convergence of the two routing protocols. The results show that Batman-adv routing protocol performs better than HWMP in transmission stability and convergence.

【Key words】： Wireless mesh; Routing protocol; Batman-adv; HWMP; Stability; Convergenc

0 ?引言

目前大部分網絡的路由過程都是通過OSI模型第三層即網絡層進行實現(xiàn)的，這種模式被證明是非常有效的[1-3]。IEEE802.11工作組根據無線網絡的特點和需求，提出了基于數(shù)據鏈路層的路由[4]?；跀?shù)據鏈路層的路由有以下三點優(yōu)勢：（1）能有效降低數(shù)據包在協(xié)議棧中傳遞的復雜度;（2）可以使網絡層不受下層多跳網絡的影響;（3）不需要修改上層協(xié)議，協(xié)議可以在TCP/IP基礎上進行修改，可移植性好，可靠性高[5]。

HWMP路由協(xié)議是IEEE802.11s協(xié)議標準默認的路由協(xié)議，該協(xié)議具有主動式和被動式兩種路由模式，主動式路由周期性廣播路由信息，延時小;被動式不需要周期性廣播路由信息，僅在需要時才從源節(jié)點創(chuàng)建，節(jié)省網絡資源[6]。Batman-adv路由協(xié)議也是基于鏈路層的路由協(xié)議，它是從Batman路由協(xié)議改進而來，具有源代碼開源、可移植性好、安全性高的特點，成為了無線Mesh網絡路由協(xié)議的研究熱點[7]。

1 ?HWMP路由協(xié)議原理

HWMP的兩種工作模式依賴于不同的配置。

按需模式：HWMP的按需模式是由Ad Hoc的AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）基于L2的Mac地址的改進[8]。該模式下，平時節(jié)點不發(fā)送消息，僅僅當網絡中一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據的時候，此時，根據數(shù)據接收的目的地址計算最優(yōu)路徑。具體的實現(xiàn)過程為：如圖1所示，當節(jié)點A需要向節(jié)點D發(fā)送數(shù)據，節(jié)點A會以廣播的方式發(fā)送含有目的節(jié)點D的Mac地址的PREQ（Path Request）消息，Metric字段初始值為0。節(jié)點B、C、D收到PREQ，根據PREQ消息的SN（Sequence Number），首先進行判斷，該PREQ消息中的SN是否比本地路由表中存在的SN值大，如果更小，不進行回復，如果相同，再比較PREQ消息中的Metric值，是否比本地路由列表中的Metric值更大，如果不是不進行回復，如果是則生成或更新到源節(jié)點的路徑信息，并且廣播給其鄰節(jié)點。無論是中間節(jié)點B、C還是目的節(jié)點D，當其收到PREQ消息的時候，PREQ消息字段的Metric值都是本節(jié)點到源節(jié)點鏈路的Metric值的累加和。節(jié)點B和C繼續(xù)廣播PREQ消息給鄰節(jié)點，直到到達目的節(jié)點D，然后轉發(fā)目的節(jié)點回復的PREP（Path Reply）消息。目的節(jié)點收到PREQ后直接單播PREP消息給源節(jié)點A。這樣，源節(jié)點就生成了到目的節(jié)點的所有路徑的路由表項，根據Metric值選擇一條最優(yōu)Metric的鏈路進行數(shù)據的傳輸。

主動路由模式：HWMP協(xié)議工作在主動模式時，有兩種機制，一種是通過廣播PREQ消息，另一種是發(fā)送RANN[9]。這里只對PREQ工作機制進行介紹。當節(jié)點開始工作時，節(jié)點A開始廣播PREQ消息給其鄰節(jié)點，這里和按需模式不同的是，PREQ字段的目的地址設為廣播地址。PREQ中的Metric字段同樣初始化為0，并且隨機生成一個SN值，每轉發(fā)一次，SN值加1。鄰節(jié)點收到PREQ消息后，更新PREQ消息中的Metric值，然后鄰節(jié)點繼續(xù)將PREQ消息轉發(fā)給其鄰節(jié)點，不斷重復下去。每個節(jié)點都會收到來自相同源節(jié)點的PREQ消息，節(jié)點根據SN值進行處理，新收到的PREQ消息SN值大于已經收到的PREQ消息的SN值，或者相等但是Metric值更小，則更新PREQ消息的Metric字段，如果SN值小于已收到的PREQ消息，則丟棄。通過SN值避免了PREQ消息泛濫，占據信道資源。

其中度量值Ca是傳輸數(shù)據幀的鏈路消耗資源總量，O是一個常數(shù)，表示對信道接入和協(xié)議開銷的量化，其值由具體采用的IEEE802.11協(xié)議確定。Bt代表測試幀的長度，為8192bit，r代表數(shù)據傳輸速率，單位為Mbps，ef是測試幀丟失率，其意義為以速率r傳輸大小為Bt的數(shù)據幀，由于各種因素會導致數(shù)據幀在傳輸是依概率ef損壞。傳輸速率r和數(shù)據幀出錯概率ef可以從網卡驅動獲取。

2 ?Batman-adv路由協(xié)議原理

Batman-adv路由協(xié)議和HWMP路由協(xié)議不同的是，僅維護一張具有最佳鏈路質量的鄰節(jié)點的列表。以圖1的網絡拓撲為例，當節(jié)點A開始工作后，節(jié)點A按照遞增的順序生成帶有序列號（Seqno）的OGM包（Originator Message），廣播給它的鄰節(jié)點B、C、D。每個節(jié)點對收到包的序列號使用滑動窗口機制進行處理，滑動窗口大小設為5，當收到一個包，其序列號小于滑動窗口最小值，則丟棄該包，不進行下一步處理，當序列號在滑動窗口內，接收該包，進行進一步處理。當序列號大于滑動窗口最大值，則更新滑動窗口值，通過這樣的機制保證節(jié)點始終接收到最新的OGM包。當鄰節(jié)點B、C、D收到OGM包后，進行進一步處理，沒有被丟棄的包則減少生存周期重廣播給其鄰節(jié)點。通過這樣的方式，將OGM包泛洪到整個網絡，直到OGM包的生存周期為0或者OGM包由于鏈路質量被丟棄為止。和HWMP協(xié)議不同的是，Batman-adv協(xié)議不需要回復消息，僅通過OGM的廣播與重廣播來告知鄰節(jié)點的存在，所以，OGM包是整個協(xié)議的重要組成部分。在IV版本的協(xié)議里，OGM包的作用有兩個：（1）、用于鄰節(jié)點的發(fā)現(xiàn)和更新;（2）、根據OGM包的接收數(shù)量來記錄鏈路質量，并作為路由選路的判據。在V版本，將OGM包的第二個作用交給了鏈路吞吐量，不再使用鏈路質量作為判據。鏈路吞吐量的計算是根據Minstrel速率控制算法以不同速率發(fā)送數(shù)據探測包，統(tǒng)計計算得到吞吐量，最后使用EWMA指數(shù)加權的方法將歷史得到的吞吐量和這一時刻得到的吞吐量進行平滑取最終結果。具體計算公式如下：

3 ?實驗

大規(guī)模的節(jié)點測試平臺容易導致相互節(jié)點之間的相互干擾，復雜的無線環(huán)境也會對實驗結果產生一定的影響。而節(jié)點數(shù)少更容易控制相關變量，因此本文基于圖1作為對比實驗的網絡拓撲結構。將Batman-adv和HWMP源碼通過Linux系統(tǒng)編譯后加載到路由器硬件上。由圖1可知，節(jié)點B和節(jié)點C相互不可見，節(jié)點B到節(jié)點C有4條鏈路，分別是鏈路B-A-C、B-D-C、B-A-D-C、B-D-A-C。通過Iperf工具，生成UDP數(shù)據流，持續(xù)時間60s，通過記錄數(shù)據包的接收數(shù)量來對實驗結果進行觀察，主要對比HWMP和Batman-adv協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性。HWMP和Batman-adv協(xié)議都運行在默認參數(shù)下。

3.1 ?傳輸穩(wěn)定性實驗

以圖1作為實驗的網絡拓撲，通過Iperf流量生成工具，持續(xù)發(fā)送數(shù)據流，觀察路由的切換情況，由于一次觀測具有偶然性，本文記錄三次實驗的接收包數(shù)量，以此衡量協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性。

對比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)，Batman-adv路由協(xié)議在三次觀測中，第一次實驗沒有發(fā)生路由切換，第二次和第三次均發(fā)生了一次路由切換，通過對實驗中吞吐量的跟蹤，發(fā)現(xiàn)在第二次的時候，鏈路B-A-C吞吐量下降，小于鏈路B-D-C吞吐量，根據路由選擇的條件，此時，選擇吞吐量大的鏈路B-D-C進行數(shù)據傳輸，同樣第三次路由切換是因為鏈路B-A-C的鏈路吞吐量大于鏈路B-D-C。由吞吐量的計算原理可知，發(fā)生吞吐量的變化是因為在發(fā)送數(shù)據時，由于測量吞吐量發(fā)送的探測數(shù)據包和數(shù)據傳輸?shù)臄?shù)據包在同一個信道，信道沖突導致吞吐量測量不準確，繼而引發(fā)路由切換。觀測圖3，可知三次實驗中均發(fā)生了多次路由切換，相比于Batman- adv路由協(xié)議，傳輸穩(wěn)定性較差。從HWMP的路由機制進行分析，發(fā)生多次路由切換是因為接收數(shù)據包的順序不僅和信道的質量有關，還和媒體介入控制有關。在IEEE802.11的無線網絡中，采用隨機生成的二元指數(shù)后退機制實現(xiàn)無線媒體接入[10]。因此數(shù)據傳輸過程容易發(fā)生路由切換。

3.2 ?路由收斂性實驗

對一個無線網絡來說，不斷有新的節(jié)點加入或者原有節(jié)點的退出，拓撲結構的變化對協(xié)議的工作性能的影響成為了一個很重要的指標，稱之為路由收斂性。在圖1的網絡拓撲結構下，使用Iperf流量生成工具，由節(jié)點B向節(jié)點C發(fā)送數(shù)據流，通過人為關閉節(jié)點A的無線功能，過一段時間，再打開無線功能，來測試節(jié)點的退出和加入對路由收斂性的影響。測試時間為60 s，在第20 s把節(jié)點A的無線功能關閉，此時節(jié)點A退出網絡，在第45 s的時候把節(jié)點A的無線功能打開，節(jié)點A加入網絡。實驗數(shù)據繪制成圖4、圖5。

觀察圖4和圖5，在節(jié)點A退出和節(jié)點A重新加入網絡，兩種路由協(xié)議的路由都發(fā)生了切換，切換后協(xié)議較為穩(wěn)定，沒有因為節(jié)點突然退出和加入而發(fā)生嚴重的丟包，收斂性能都不錯。圖5HWMP協(xié)議的收斂性能測試實驗，除了節(jié)點退出發(fā)生路由切換，節(jié)點重新加入之后再次發(fā)生切換，路由切換的原因在3.1節(jié)中已經說明。

4 ?結論

本文通過對HWMP和Batman-adv路由協(xié)議的原理進行介紹，通過實驗對比測試兩種協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性，結果表明Batman-adv路由協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性優(yōu)于HWMP路由協(xié)議，路由收斂性實驗結果表明兩種協(xié)議表現(xiàn)都較好，沒有因為節(jié)點退出和加入網絡而導致嚴重的丟包，在協(xié)議工作機制下，都較好地完成了路由的切換。

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