無線自組織網(wǎng)絡(luò)組播路由協(xié)議的研究

邱靜怡

摘要：組播通信在無線自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中越來越重要。該文首先針對(duì)不同的組播路由方式，選出具有代表性的四種組播路由協(xié)議PUMA、ODMRP、MAODV和FLOOD，然后從理論和仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層面上對(duì)四種協(xié)議進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，PUMA在場景規(guī)模適中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較慢的情況下報(bào)文投遞率和端到端延遲要優(yōu)于其他三種協(xié)議，這為未來自組織網(wǎng)絡(luò)可靠組播的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 組播；無線自組網(wǎng)；路由

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）21-4989-01

1 研究背景

無線自組織網(wǎng)絡(luò)[1]不僅能利用移動(dòng)終端之間的自組織功能，靈活自組織構(gòu)建成網(wǎng)狀架構(gòu)，消除網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸，而且能使用路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)靈活選擇單播、組播和廣播路由方式。然而，無線網(wǎng)絡(luò)固有的鏈路魯棒性差、報(bào)文傳輸可靠性低的難題制約了自組織網(wǎng)絡(luò)的組播應(yīng)用。因此，研究無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的組播路由協(xié)議具有非常重要的作用。

2 組播理論研究

本文首先對(duì)典型的組播路由協(xié)議包括基于洪泛FLOOD、基于樹型的MAODV及基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ODMRP和PUMA進(jìn)行理論分析與比較。1） PUMA和FLOOD都使用洪泛技術(shù)。PUMA先單跳廣播，到達(dá)組播組后組內(nèi)洪泛數(shù)據(jù)；FLOOD僅是簡單全網(wǎng)洪泛數(shù)據(jù)。因此，F(xiàn)LOOD雖不需要控制報(bào)文，但在稀疏網(wǎng)絡(luò)或者發(fā)送節(jié)點(diǎn)增多的情況下，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)報(bào)文成幾何倍數(shù)遞增，導(dǎo)致大量延遲和報(bào)文丟失。因此，理論認(rèn)為PUMA性能優(yōu)于FLOOD。2） PUMA和MAODV都是面向接收者的組播協(xié)議。PUMA是基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，接收節(jié)點(diǎn)存在冗余路徑。而MAODV是基于樹型的，接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)僅存在單條鏈路。當(dāng)組播樹枝因故障而斷開時(shí)，會(huì)因鏈路斷開出現(xiàn)報(bào)文丟失，而后鏈路修復(fù)的控制報(bào)文可能與網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文發(fā)生碰撞，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境惡化。因此，理論認(rèn)為PUMA性能優(yōu)于MAODV。3） PUMA和ODMRP都是基于網(wǎng)狀的組播協(xié)議。ODMRP是面向發(fā)送節(jié)點(diǎn)的，發(fā)送節(jié)點(diǎn)增多的情況下，控制報(bào)文數(shù)量急劇增加。因此，理論認(rèn)為PUMA性能優(yōu)于ODMRP。

3 仿真性能分析

由于自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，理論上建立和維持一個(gè)有效的組播分布結(jié)構(gòu)很可能是無效的。為此，該文為FLOOD、MAODV、ODMRP與PUMA搭建NS-2仿真環(huán)境進(jìn)行性能對(duì)比。在1000*1000的無線環(huán)境中，1個(gè)組播組，起始時(shí)刻接收節(jié)點(diǎn)加入組播組中，30秒開始發(fā)送CBR，900秒結(jié)束，每秒發(fā)送2個(gè)CBR，CBR長度為256kbytes，仿真時(shí)長為910秒。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為2米/秒。發(fā)送者數(shù)分別為1、2、5、10，組播成員數(shù)分別為5、10、20、30、40。

本文選擇比較四種協(xié)議在30個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，不同數(shù)量發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報(bào)文投遞率和端到端延遲的比較；5個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，不同數(shù)量發(fā)送節(jié)點(diǎn)的報(bào)文投遞率和端到端延遲的比較。仿真結(jié)果顯示：

當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)固定，發(fā)送節(jié)點(diǎn)少于5個(gè)的情況下，F(xiàn)LOOD報(bào)文投遞率與PUMA幾乎持平，略優(yōu)于ODMRP；但是發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過5個(gè)后，F(xiàn)LOOD報(bào)文投遞率要比PUMA和ODMRP低10%左右。這是網(wǎng)絡(luò)中FLOOD廣播數(shù)據(jù)報(bào)文驟然增多，數(shù)據(jù)鏈路報(bào)文碰撞概率增大，必然影響到數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)耐哆f率。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)固定5個(gè)，而接收節(jié)點(diǎn)增多的情況下，F(xiàn)LOOD性能低于PUMA，但略高于ODMRP。這是因?yàn)镺DMRP接收節(jié)點(diǎn)增多而新增網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，冗余鏈路增多，控制報(bào)文數(shù)量增多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報(bào)文投遞率下降。而PUMA使用核心節(jié)點(diǎn)管理組播組，接收節(jié)點(diǎn)增加僅擴(kuò)充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而網(wǎng)絡(luò)中控制報(bào)文數(shù)量增加有限，故報(bào)文傳遞率較高。因此，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)量適中且接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的場景中，PUMA協(xié)議報(bào)文投遞率高于其它三種路由協(xié)議。

在發(fā)送節(jié)點(diǎn)少的情況下，F(xiàn)LOOD網(wǎng)絡(luò)延遲略低于PUMA和ODMRP。但隨著發(fā)送節(jié)點(diǎn)的增多，網(wǎng)內(nèi)洪泛報(bào)文數(shù)量猛增，網(wǎng)絡(luò)延遲增大，發(fā)送節(jié)點(diǎn)增至10個(gè)時(shí)其網(wǎng)絡(luò)延遲最大超過2秒。ODMRP和PUMA延遲均超過1s，且ODMRP略優(yōu)于PUMA。這是因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)的增多，它們維護(hù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的控制報(bào)文增多，故此時(shí)端到端延遲都很高。而且PUMA采用周期性廣播方式維護(hù)組播結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)修復(fù)過程中將額外新增延遲。接收節(jié)點(diǎn)增加對(duì)PUMA、ODMRP和FLOOD延遲影響不大。接收節(jié)點(diǎn)少的情況下，ODMRP延遲少于0.01s，略優(yōu)于PUMA。隨著接收節(jié)點(diǎn)增多，在40個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的情況下，ODMRP延遲與PUMA之間差距很小。因此，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)較少、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較慢的場景中，ODMRP端到端延遲略優(yōu)于PUMA，而PUMA端到端延遲則比MAODV和FLOOD要低很多。

4 結(jié)束語

本文從理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真兩層面研究了具有代表性的四種組播路由協(xié)議，仿真結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模適中、拓?fù)渥兓活l繁的場景中PUMA性能優(yōu)于其他協(xié)議，這為進(jìn)一步研究可靠組播傳輸機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史美林，英春.自組網(wǎng)路由協(xié)議綜述[J].通信學(xué)報(bào)，2001，22（11）：93-103.