基于無線Mesh網(wǎng)路由協(xié)議的研究及優(yōu)化

朱昌洪

（桂林理工大學(xué) 博文管理學(xué)院，廣西 桂林 541006）

無線 Mesh網(wǎng) WMN（Wireless Mesh Networks）也稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)或無線網(wǎng)格網(wǎng)，是一種新型的無線“多跳”寬帶網(wǎng)絡(luò)，一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。WMN是由移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演變而來，并結(jié)合了 WLAN（Wireless Local Area Networks）的一些關(guān)鍵技術(shù)，但更類似于移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性能。

1 WMN路由協(xié)議設(shè)計(jì)

由于WMN的結(jié)構(gòu)與移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和WLAN都有所不同，因此必須設(shè)計(jì)適合WMN的路由協(xié)議。WMN從本質(zhì)上來說是屬于移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，而無線“多跳”網(wǎng)絡(luò)所共同面對(duì)的一個(gè)關(guān)鍵問題就是如何選擇合適的路由。因此，其路由協(xié)議設(shè)計(jì)原則上可以沿用移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，但需要考慮其自身的特點(diǎn)。

WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，Mesh骨干網(wǎng)和終端用戶網(wǎng)具有各自的特點(diǎn)。WMN的骨干網(wǎng)路由器（MR）移動(dòng)性非常低，并且不受能耗限制，而終端用戶則由電池供電，需要節(jié)能效率高的路由協(xié)議。又由于終端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、通信和存儲(chǔ)能力有限，因此要求WMN路由協(xié)議簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)定，并能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。

圖1 WMN結(jié)構(gòu)圖

2 WMN網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

參照移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，WMN網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以大致分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和分級(jí)路由協(xié)議。表驅(qū)動(dòng)式路由協(xié)議主要包括DSDV、WRP和GSR等；按需路由協(xié)議主要包括DSR、AODV和TORA等；分級(jí)路由協(xié)議主要包括ZRP、ZHLS和DST等，如圖2所示。

圖2 WMN路由協(xié)議

其中，表驅(qū)動(dòng)和按需路由協(xié)議的性能都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 表驅(qū)動(dòng)和按需路由協(xié)議比較

3 I-AODV路由協(xié)議

3.1 AODV路由協(xié)議介紹

AODV路由協(xié)議作為一種典型的移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議，雖然其網(wǎng)絡(luò)開銷較小，但是因?yàn)橹皇窃谛枰獢?shù)據(jù)傳輸時(shí)才進(jìn)行路由查找，所以造成一定的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，特別是在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓瘯r(shí)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)就變得非常明顯，同時(shí)也產(chǎn)生大量的控制消息，增大了網(wǎng)絡(luò)開銷，進(jìn)而影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2 AODV路由協(xié)議優(yōu)化思路

而在WMN中，由于大部分節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性都比較小，且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流來源也有所不同，因此需要對(duì)AODV進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以適應(yīng)WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文提出了I-AODV（Improve-AODV），其工作原理為：在路由維護(hù)階段引入了分級(jí)的思想，適當(dāng)增加每個(gè)節(jié)點(diǎn)所保存的節(jié)點(diǎn)跳數(shù)，從1跳增加到2跳，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以有更多的節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔?，在路由建立和維護(hù)階段就可以減少中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，減少路由建立時(shí)間，降低端到端的延時(shí)。

當(dāng)然，由于增加了Hello消息的數(shù)據(jù)幀信息，路由開銷肯定也會(huì)增加，然而Hello消息是一種開銷較小的控制消息，對(duì)Hello消息的適當(dāng)擴(kuò)展并不會(huì)影響整個(gè)協(xié)議的性能，因此增加的路由開銷還可以承受。

3.3 I-AODV路由表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

由于I-AODV只是針對(duì)路由維護(hù)階段的Hello消息機(jī)制進(jìn)行改動(dòng)，并不涉及協(xié)議其他部分的改動(dòng)，因此原RREQ和RREP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也沒有變動(dòng)，只是在路由表項(xiàng)中增加一項(xiàng)：鄰節(jié)點(diǎn)ID（其他各項(xiàng)沒有改變），原h(huán)ello項(xiàng)結(jié)構(gòu)如下：

源節(jié)點(diǎn)ID源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)目的節(jié)點(diǎn)ID目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)路由標(biāo)識(shí)跳數(shù) 下一跳 TTL

改動(dòng)后的 hello項(xiàng)（增加了“鄰節(jié)點(diǎn) ID”）如下：

源節(jié)點(diǎn)ID源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)目的節(jié)點(diǎn)ID目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)路由標(biāo)識(shí)跳數(shù) 鄰節(jié)點(diǎn)ID下一跳 TTL

其中，鄰節(jié)點(diǎn)ID指本節(jié)點(diǎn)所保存的所有鄰節(jié)點(diǎn)地址。

3.4 I-AODV實(shí)現(xiàn)過程

I-AODV同樣包括路由建立過程和路由維護(hù)過程。

路由建立過程為：源節(jié)點(diǎn)S需要到目的節(jié)點(diǎn)D的路由，首先檢查自己的路由表項(xiàng)是否有到D的路由，同時(shí)D也不在其鄰節(jié)點(diǎn)之列，則面向所有鄰節(jié)點(diǎn)廣播RREQ，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到RREQ時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己有到D的路由，于是B就直接回復(fù)RREP給節(jié)點(diǎn)S（S是B的鄰節(jié)點(diǎn)），而不是轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，然后通過比較序列號(hào)和跳數(shù)，反向路由就建立起來，如圖3所示。

圖3 I-AODV反向路由建立圖

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)S收到中間B發(fā)送的RREP，再通過比較序列號(hào)和跳數(shù)，就可以建立前向路由，如圖4所示。至此，源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的路由就建立起來了。

圖4 I-AODV前向路由建立圖

圖5為原AODV的反向路由建立過程，圖6為原AODV的前向路由建立過程。從圖中可以明顯看出，IAODV的反向路由建立時(shí)間確實(shí)比AODV反向路由建立時(shí)間要快，因此也使得整條路由的建立時(shí)間更快，并節(jié)省了RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。如本例中，節(jié)點(diǎn)B就無需向節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行RREQ的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)也相應(yīng)的減少了路由開銷。

圖5 AODV 反向路由建立圖

圖6 AODV前向路由建立圖

3.5 仿真結(jié)果及分析

本文在相同的仿真環(huán)境里對(duì)AODV、I-AODV路由協(xié)議進(jìn)行仿真和比較其路由協(xié)議性能，分別采用建立時(shí)間、路由開銷、端到端平均延遲和平均跳數(shù)4個(gè)性能指標(biāo)來對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：

（1）從路由建立時(shí)間來看，I-AODV比 AODV要小，這主要是由于I-AODV協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)存放了相鄰2跳節(jié)點(diǎn)的信息，節(jié)省了一部分路由建立時(shí)間。

（2）從路由開銷來看，I-AODV的路由開銷和AODV相比并沒有提高，反而還略有下降，這主要是由于增加了hello包攜帶的信息和增加了每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目所導(dǎo)致的。本文只是增加了一跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)，如果再增加一跳或兩跳，那么因此而增加的路由開銷將是非?？捎^。

圖7 仿真結(jié)果

（3）從端到端平均延時(shí)來看，I-AODV比AODV要略為小些，路由建立時(shí)間短，平均延時(shí)也必將隨著減小，這也是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加了維護(hù)的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量的原因。

（4）以跳數(shù)來看，I-AODV路由建立的平均跳數(shù)也比原AODV要小。跳數(shù)越小，網(wǎng)絡(luò)性能越好，特別是在目的節(jié)點(diǎn)距離比較近的情況下，就能直接找到路由，而不需要通過廣播路由報(bào)文來尋找和建立路由。

從上面的分析可以得出結(jié)論：在相同的環(huán)境下，對(duì)AODV進(jìn)行了優(yōu)化后，I-AODV明顯地提高了網(wǎng)絡(luò)性能，其減少了路由建立時(shí)間、端到端的延時(shí)和平均跳數(shù)，而且路由開銷并沒有顯著增加。因此，I-AODV更能適應(yīng)WMN網(wǎng)絡(luò)。

WMN由于具有高可靠性、可擴(kuò)展性以及良好的建設(shè)成本，已經(jīng)引起了越來越多的重視和發(fā)展，而路由技術(shù)作為WMN的關(guān)鍵技術(shù)之一，有著非常廣泛的研究和實(shí)用價(jià)值。本文詳細(xì)介紹了基于WMN的AODV路由協(xié)議，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，提出了I-AODV路由協(xié)議，即在AODV中引入分層的思想，對(duì)Hello報(bào)文進(jìn)行改進(jìn)，增加了維護(hù)的鄰節(jié)點(diǎn)（2跳）數(shù)目，并分析了I-AODV在理論上的可行性。最后，利用NS-2仿真軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)后的路由協(xié)議I-AODV在網(wǎng)絡(luò)綜合性能上比原AODV具有明顯改善。

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