郭少雄 李正偉 宋志群

摘 要：為了增強自組網AOMDV路由協議的負載均衡能力，根據隊列緩存比將網絡中節(jié)點分為2個等級Normal和Danger，針對不同等級進行不同的處理。對Danger級節(jié)點直接棄用，對Normal級節(jié)點通過閾值比較賦予相應的虛擬跳數，隊列緩存比越高則相應的虛擬跳數越高。對RREP和Hello報文進行了拓展，均加入了節(jié)點隊列緩存比項，來更新和收集最新路徑節(jié)點狀態(tài)信息。改進后的協議通過包含節(jié)點負載信息的最小虛擬跳數作為最優(yōu)路徑選擇依據，使用OPNET在不同網絡負載下以固定的節(jié)點速率進行仿真。結果表明，改進路由協議在犧牲有限的路由開銷前提下，起到了對節(jié)點的負載均衡作用，緩解了網絡擁塞，提高了數據包投遞率，有效降低了端到端的傳輸時延，為提升自組網網絡性能提供了一種較為簡單的方法。

關鍵詞：無線通信技術;移動自組網;AOMDV;節(jié)點擁塞;負載均衡

中圖分類號：TN924?? 文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2021yx02007

Improved method of AOMDV routing protocol in Ad Hoc network based on node load level

GUO Shaoxiong，LI Zhengwei， SONG Zhiqun

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang， Hebei 050081，China）

Abstract：

In order to enhance the load balancing capability of the AOMDV routing protocol in Ad Hoc network，according to the queue buffer ratio，the nodes in the network were divided into two levels，Normal and Danger，and the corresponding processing was performed for different levels.Danger-level nodes were directly abandoned，and Normal nodes were assigned corresponding virtual hops through the threshold comparison.The higher the queue cache ratio was，the higher the corresponding virtual hops were.The RREP and Hello messages were expanded，and the node queue cache ratio was added to update and collect the latest path node status information.The minimum number of virtual hops containing node load information was used as the basis for optimal path selection in the improved protocol.At different network loads and a fixed node rate， the OPNET was adopted to simulate.The results show that the improved routing protocol has a load balancing effect on nodes at the expense of limited routing overhead，which alleviates network congestion，increases the data packet delivery rate，and effectively reduces the end-to-end transmission delay.It provides a relatively simple method for improving the performance of the Ad Hoc network.

Keywords：

wireless communication technology; mobile Ad Hoc network; AOMDV; node congestion; load balancing

自組網又可稱為Ad Hoc網絡，具有無中心、組網迅速、多跳路由、不依賴固定基站等特點，近年來其在軍事指揮、搶險救災、臨時會議等場合發(fā)揮著越來越重要的作用。但是由于移動自組網的網絡拓撲變化較快且節(jié)點能量和網絡帶寬受限，如何發(fā)現并維護可靠的傳輸路徑成為了研究的熱點和難點[1-4]。

按需多路徑距離矢量協議（ad hoc on-demand distance multipath vector routing，AOMDV）是基于按需單路徑距離矢量協議（ad hoc on-demand distance vector routing，AODV）改進的一種平面多徑路由協議[5]，能夠找到多條開環(huán)的鏈路不相交路徑，采用備份路由機制，當檢測到當前路徑中斷時能夠快速切換到備用路徑，相比于單路徑路由協議具有較好的容錯能力和通信恢復能力，可以快速并且有效地恢復因Ad Hoc網絡中拓撲不斷變化引起的路徑中斷。但是由于其序列號機制，只把跳數最小作為路徑判別標準，使得最先發(fā)現的路徑往往不是最優(yōu)路徑，某些節(jié)點由于位置等原因頻繁使用，過多的數據在節(jié)點緩沖區(qū)排隊等待復制轉發(fā)，溢出丟失的概率較大，嚴重影響著網絡的性能，有必要進行網絡負載均衡處理[6-9]。

基于AOMDV路由協議的移動自組網負載均衡研究已經有了一定的研究成果。文獻[10]引入節(jié)點擁塞度概念，對中間繁忙節(jié)點采用旁路路由算法，提出了一種基于AOMDV路由協議的AQMP路由協議;文獻[11]通過對AOMDV路由協議中Drop-Tail隊列模型采取預判機制，及時感知節(jié)點當前的負載狀態(tài)，有效緩解了擁塞問題和節(jié)點的不均衡負載;文獻[12]在AOMDV路由協議基礎上提出了一種基于分流傳輸和擁塞預警的BAOMDV協議，采用多徑并行分流傳輸方法控制網絡負載等。

為實現網絡資源的均衡優(yōu)化，上述文獻中網絡的均衡算法都較為復雜，算法本身對節(jié)點的能量消耗過多同時路由開銷較大?？紤]到節(jié)點的功率計算能力有限，依托原AOMDV協議控制報文，提出一種采用新的跳數計數方式（以下統一稱為虛擬跳數）的路由協議（line based AOMDV，LB-AOMDV）。

1 節(jié)點等級劃分

1.1 AOMDV路由策略

與AODV路由協議相同，AOMDV多徑路由協議中也存在3種消息報文，分別是路由請求消息報文（route request，RREQ），路由應答消息報文（route response， RREP），路由錯誤消息報文（route error， RERR）。通過這3種消息報文的發(fā)送和接收實現對網絡拓撲中傳輸路徑的選擇和維護。

AOMDV協議的路由發(fā)現過程分為兩部分：前向路由路徑的建立和反向路由路徑的建立。反向路由是通過RREQ消息建立的，當中間節(jié)點收到源節(jié)點或者上一節(jié)點廣播的RREQ消息時，由該節(jié)點指向源節(jié)點或者上一節(jié)點的反向路由相應建立;前向路由是通過RREP消息建立的，目的節(jié)點對收到的RREQ消息作出回復處理，即向前一節(jié)點發(fā)送RREP消息，同時由前一節(jié)點指向目的節(jié)點的前向路由建立。源節(jié)點能否找到一條最新路由是通過到達源節(jié)點的RREP消息來確定的。S是源節(jié)點，D是目的節(jié)點，路由的發(fā)現過程如圖1所示。

路由表建立之后，路徑中的每個節(jié)點都需要進行路由維護和管理等任務來實現逐跳轉發(fā)和多跳通信。在路由表的維護過程中，除了要刪除失效、不需要的節(jié)點路由外，當檢測到出現鏈路中斷，即有節(jié)點在相應周期內接收不到Hello包，上游節(jié)點會向更上游的節(jié)點發(fā)送RERR包。在每一個RERR包的路由表中，存儲了由于鏈路中斷而導致無法到達目的節(jié)點的IP地址，同時每個節(jié)點都保留了一個前驅列表來幫助完成RERR包順利到達源節(jié)點的過程。

移動Ad Hoc網絡在進行信息傳輸時，部分節(jié)點由于位置等原因被頻繁地選為中間節(jié)點，導致這些節(jié)點處有更多的信息在排隊等待復制轉發(fā)，從而長期處于一種高負載情況[13-17]。當節(jié)點的擁塞情況十分嚴重時，還會造成信息的溢出丟失，嚴重影響整個網絡的性能。

1.2 節(jié)點等級

定義節(jié)點的信息排隊等級（隊列緩存占用比）：M=q/Q，其中：q表示節(jié)點處當前數據包隊列長度;Q表示節(jié)點處能夠處理和容納的數據包最大隊列長度。

在LB-AOMDV協議中，將網絡中節(jié)點處的負載排隊情況按照百分比分為2個等級，分別是Normal和Danger，這2個等級的界限標準由閾值Level決定，節(jié)點的等級設置如表1所示。

當節(jié)點的排隊等級達到Danger時，此時節(jié)點處的信息排隊隊列過長，繼續(xù)傳輸將導致鏈路中斷或者非常大的時延，此時判定此節(jié)點不可用，路由包直接返回上一節(jié)點選擇其他的中間節(jié)點進行傳輸。

通過查閱文獻[15-16]和實際應用中的仿真分析，在此LB-AOMDV路由協議中設定Level為0.8，即當節(jié)點處的數據包隊列緩存比超過0.8時，判定此節(jié)點失效。當節(jié)點的排隊等級介于0和0.8之間時，設定：

CountM=1，????? 0≤M≤0.3，

2，????? 0.3

當節(jié)點處于Normal級別時，LB-AOMDV路由協議的路由發(fā)現過程和原AOMDV協議是相同的。而當節(jié)點處的信息排隊等級處于Danger級別時，此時的節(jié)點已經處于高負載情況，原AOMDV路由協議是節(jié)點轉發(fā)一次RREP包的跳數計數方式Hop_Count+1，LB-AOMDV路由協議在原來基礎上綜合考慮了節(jié)點處的信息排隊情況，節(jié)點轉發(fā)一次RREP的虛擬跳數為

Hop_Count+Count_M。（2）

綜上所述，LB-AOMDV路由協議以虛擬跳數作為路徑判別依據，虛擬跳數中包含節(jié)點的負載信息，節(jié)點處的信息排隊越長，負載越大，虛擬跳數越大，這樣在進行路由選擇時能夠有效避開高負載節(jié)點，起到了負載均衡的作用。

2 節(jié)點狀態(tài)的更新與上報

一般情況下移動自組網都是多跳傳輸，即從源節(jié)點到目的節(jié)點經過中間節(jié)點的中繼，每個中間節(jié)點或者一條活動路由的狀態(tài)是不斷變化的。怎樣把這種狀態(tài)變化收集，使得當源節(jié)點或者目的節(jié)點能及時掌握所在鏈路的狀態(tài)信息時，才能及時做出相應的改變[18-21]，如避開高負載的節(jié)點、及時切換衰落鏈路等。通過報文RREQ和RREP能夠分別產生反向路由和正向路由，每次經過一個節(jié)點，這2種報文都會及時做出更新，而源節(jié)點能否找到一條最新路由是通過RREP來反饋確定的，RREP報文可以存儲經過節(jié)點的最新狀態(tài)信息，當RREP報文到達源節(jié)點時，確定前向路由，所在路徑的最新信息也隨之全部更新到源節(jié)點?；赗REP的這種機制，本文選擇改進的Hello消息包和RREP消息包來進行節(jié)點狀態(tài)的收集、更新與上報。

2.1 通過改進Hello消息來更新路徑狀況

Hello消息是TTL=1的RREP包，用來監(jiān)測一條活動路由的連接狀態(tài)。生存周期只有一跳，是自組網在路由維護過程中十分重要的消息包，能夠為網絡節(jié)點提供關于鏈路狀態(tài)的信息。一條活動路由通過使用Hello消息包來確認網絡鏈路的連接狀態(tài)。每個Hello消息發(fā)送的間隔周期時間設置為Hello_interval，若節(jié)點在檢查中發(fā)現在上一個周期時間內沒有發(fā)送廣播消息，那么該節(jié)點就會廣播一個Hello消息包。Hello消息報文的格式如圖2所示。

Hello消息報文中的目的節(jié)點IP地址為本節(jié)點的IP地址，目的節(jié)點序列號就是本節(jié)點的最新目的節(jié)點序列號，Hop_Count值設置為0，周期時間（Lifetime）值設置為

Allow_Hello_Loss×Hello_interval。（3）

用Hello消息來動態(tài)監(jiān)測路徑連接狀態(tài)，既能比較簡單地獲取動態(tài)的路徑連接狀態(tài)信息，又可以避免控制項增加導致開銷的額外增加。在AOMDV路由協議中，Hello包是路由維護的重要控制包，它通過周期性的廣播檢測與其他節(jié)點的連通，雖然不能像RREP消息報文一樣將路徑的狀態(tài)信息更新至源節(jié)點，但這種路由維護機制為路徑的狀態(tài)監(jiān)測提供了可能，Hello包的生存周期只有一跳，為了使其能夠在一跳的范圍內起到傳遞路徑狀態(tài)信息的作用，對Hello報文的格式進行了相應擴展，添加了節(jié)點隊列緩存比，改進后的Hello包格式如圖3所示。

改進后的Hello消息處理步驟如下。

1）節(jié)點在規(guī)定周期時間（Lifetime）收到鄰居節(jié)點的Hello消息。

2）對Hello消息格式中的節(jié)點隊列緩存比項進行判別：

①緩存比大于緩存閾值，判定節(jié)點失效;

②緩存比小于閾值，根據式（1）計算新的跳數。

3）節(jié)點有效，增加該路由生存時間，增加生存時間至少為

Allow_Hello_Loss×Hello_interval。

4）更新序列號。

每個節(jié)點收到Hello消息都進行如上的處理，從而維護并確認出一條基于節(jié)點緩存信息最小的跳數最短路徑。

2.2 通過改進RREP消息來收集路徑狀況

在AOMDV協議中，RREP消息報文是由一條路徑的目的節(jié)點或者含有到目的節(jié)點路由的中間節(jié)點產生和發(fā)送的控制報文，同時也能夠建立正向的路由路徑。RREP消息報文的這種特點能夠實現對路徑狀態(tài)的收集和上報，在LB-AOMDV路由協議中對RREP消息報文進行了拓展，加入了節(jié)點處信息隊列緩存比項，當節(jié)點接收到RREP消息報文時，除了更新跳數等信息外，還需要將節(jié)點當前的鏈路狀態(tài)與RREP消息報文中的狀態(tài)項作對比，將在節(jié)點前等待發(fā)送數據包的隊列長度添加到RREP消息報文中，當RREP消息報文沿著一條活動路由傳送到源節(jié)點吋，源節(jié)點會獲取其路由表中存儲收集到的路徑狀態(tài)信息，有利于進行路徑在本協議選定策略下的最優(yōu)選擇，拓展后的RREP消息格式如圖4所示。

假設目的節(jié)點接收到了由源節(jié)點產生的經過中間節(jié)點轉發(fā)的RREQ包。目的節(jié)點接收到針對自己的RREQ包之后，進行以下操作。

1）比較RREQ包中的目的節(jié)點序列號和自己的序列號。

2）如果自己的序列號比目的序列號小，則會將自己的序列號加1。

3）目的節(jié)點將其序列號或者加1更新后的序列號插入RREP包的目的節(jié)點序列號域中，同時將Hop Count域清零。

4）RREP按照路由表規(guī)則向源節(jié)點傳送，每經過一個節(jié)點更新隊列緩存比項，根據式（1）更新跳數。

當源節(jié)點接收到路徑消息時，已經對每條路徑的Level等級和作比較，選擇Level等級小、跳數小、節(jié)點處排隊信息相對較少的路徑進行傳輸。改進后的RREP消息處理如圖5所示。

3 仿真結果和討論

3.1 仿真環(huán)境和仿真參數介紹

1986年麻省理工學院幾位教授聯合開發(fā)了OPNET（optimized network engineer tool），這是一種進行網絡優(yōu)化的工程工具，本文使用的是其仿真產品OPNET Modeler，與Windows系統兼容，使用起來比較方便，有以下幾個特點。

1）仿真器符合經典的OSI七層模型機制，層與層之間是以相對獨立的方式存在的，能夠實現對分層協議的單獨仿真。

2）采用三層建模機制，最上層與實際網絡相對應，中間為節(jié)點層，最底層為進程層，是最重要的層，可以實現對上層各種模塊的功能描述。

3）具有十分強大的數據運算和統計能力。

使用OPNET Modeler仿真平臺，信道采用Mobile-to-Mobile模型，節(jié)點采用隨機路徑移動模型，MAC層采用IEEE 802.11標準。使用恒定比特率（CBR）進行仿真，節(jié)點數為18個，仿真時間為300 s，試驗次數為10次，具體參數設置如表2所示。

為了衡量自組網的網絡性能，采取了以下3個仿真參量。

1）分組投遞率

目的節(jié)點接收到的數據包個數與源發(fā)送的數據包個數之比反映了網絡傳輸的可靠性，網絡的投遞率越高，傳輸可靠性越大。

分組投遞率=接收數據包個數發(fā)送數據包個數。 （4）

2）端到端的平均時延

一個數據包從源節(jié)點傳輸到目的節(jié)點耗費的總時間稱為端到端傳輸時延，是Ad Hoc網絡非常重要的性能，反映出了路由的有效性。

平均時延=∑接收時間-發(fā)送時間發(fā)送數據包個數。（5）

3）路由開銷

網絡中用于路由發(fā)現和維護的有效控制數據包的數量與節(jié)點接收到的總的數據包數量的比值稱為路由開銷。

路由開銷=控制包個數接收到數據包個數。（6）

3.2 仿真結果分析

為測試LB-AOMDV路由協議的負載均衡性能，在設置固定最大移動速率4 m/s情況下，使數據包發(fā)包速率在1～10 packets/s變化來改變網絡的負載狀況，其他參數如3.1節(jié)所述，圖6顯示了當數據包發(fā)包速率變化時數據包傳輸時延的變化情況;圖7顯示了數據包發(fā)包速率變化時數據包投遞成功率的變化情況;圖8顯示了LB-AOMDV路由協議和原協議工作時的路由開銷情況。

由圖6可知，在發(fā)包速率在1～5 packets/s時，網絡中各節(jié)點的負載較小，網絡擁塞現象不明顯，LB-AOMDV協議與原AOMDV協議的傳輸時延基本相同，在發(fā)包速率大于6 packets/s時，LB-AOMDV路由協議的時延增速較緩，狀況明顯好于AOMDV協議，這是因為在中間節(jié)點處產生了網絡擁塞，LB-AOMDV路由協議能夠通過虛擬跳數盡量避開高負載節(jié)點，提高了網絡的性能。

由圖7可知，隨著發(fā)包速率的增加，2種協議的投遞率都在減小，總體上LB-AOMDV協議的投遞率情況要優(yōu)于原AOMDV路由協議，LB-AOMDV路由協議的變化速度也較慢，尤其是在發(fā)包速率大于6 packets/s時，原AOMDV協議的投遞率急劇減小，這是由于中間節(jié)點在高負載下產生了數據包的丟失，LB-AOMDV路由協議通過對節(jié)點資源更合理的應用，對提高數據包的投遞率取得了一定的效果。

由圖8可知，LB-AOMDV協議的路由開銷有所增加，這是因為雖然使用改進的RREP和Hello消息來檢測和更新鏈路狀態(tài)信息，沒有增加額外的控制項，但是由于增加了控制報文的長度和判別次數，使得路由開銷有所增加。

4 結 語

通過仿真分析得出相比于傳統AOMDV路由協議，為了解決中間節(jié)點的頻繁使用造成的節(jié)點擁塞，LB-AOMDV協議定義了節(jié)點處的隊列緩存比，將節(jié)點狀態(tài)分級處理，然后結合原AOMDV的最小跳數的路徑選擇依據，采用新的包含節(jié)點負載信息的虛擬跳數，并且通過對RREP，Hello包的拓展實現了對路徑信息的更新和收集，方法較為簡便且沒有增加額外的控制項，能夠有效提高網絡的端到端時延，降低丟包率。特別是數據包發(fā)送速率較高時，LB-AOMDV算法的優(yōu)勢更為明顯。但是改進算法和AOMDV協議一樣，都屬于備份多徑路由協議，即當前路徑中斷時才啟用備用路徑，實際上是對有限資源的一定浪費，采用多條路徑并行傳輸能有效提高鏈路的利用率，同時能提高無線網絡的抗干擾性，AOMDV路由協議的改進優(yōu)化還值得進一步深入研究。

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收稿日期：2021-01-28;修回日期：2021-03-04;責任編輯：陳書欣

第一作者簡介：郭少雄（1994—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事信號與信息處理方面的研究。

通訊作者：宋志群研究員。E-mail：zhiqunsy@163.com

郭少雄，李正偉，宋志群.

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