高能量高信號強度節(jié)點優(yōu)先的AODV路由協(xié)議

鄒修明

淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院，江蘇淮安 223300

◎網絡、通信、安全◎

高能量高信號強度節(jié)點優(yōu)先的AODV路由協(xié)議

鄒修明

淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院，江蘇淮安 223300

針對AODV協(xié)議只選擇具有最少跳數(shù)路由，而不考慮節(jié)點能量即將耗盡或節(jié)點即將離開鄰節(jié)點傳送范圍，造成路由頻繁中斷的問題，提出新的改進方案，在路由發(fā)現(xiàn)階段，選擇能量較高和信號強度較強的節(jié)點作為路由節(jié)點，在路由維護階段，對能量即將耗盡或即將離開鄰節(jié)點有效傳送范圍的節(jié)點進行路由備份。仿真實驗結果表明改進后的協(xié)議能夠有效增加數(shù)據(jù)包投遞率和減少平均端到端延時，并能有效減緩能耗速度，提高整個網絡的生存期。

無線自組織網絡按需距離矢量路由協(xié)議（AODV）；節(jié)點能量；信號強度

1 引言

移動自組織網絡（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一組無線移動節(jié)點組成，是一種不需要依靠現(xiàn)有固定網絡通信基礎設施的能夠迅速展開使用的網絡體系[1]。在MANET網絡中，沒有中心控制節(jié)點，所有節(jié)點的地位平等，不僅能夠進行信息處理，而且具有報文轉發(fā)功能[2]。

由于節(jié)點的移動，有線網絡中的路由協(xié)議不再適用于MANET網絡，其協(xié)議主要分為兩類：主動型和按需型[3]。主動型路由協(xié)議：其代表性的路由協(xié)議是目的序列距離矢量路由協(xié)議（Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV），該型路由協(xié)議參考了有線網絡中路由的生成方法，每個無線節(jié)點會周期性地廣播自己的路由表信息，各個無線節(jié)點就根據(jù)收到的信息動態(tài)更新自己的路由表[4]。其缺點是，由于進行周期性的廣播，會大量浪費寶貴的帶寬資源和節(jié)點的電池能量，如果降低廣播的頻率，又不能及時地反映網絡拓撲的變化，造成數(shù)據(jù)發(fā)送的失敗[5]。按需型路由協(xié)議：其代表性的路由協(xié)議是按需距離矢量路由協(xié)議（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV），該型路由協(xié)議只在節(jié)點需要通信時，才進行廣播來獲取到達目的地的路由，對帶寬的占用相對較小，更能適應拓撲的動態(tài)變化，更加高效[6]。因此相比于DSDV，AODV更加適合具有運動節(jié)點的MANET網絡。但是也存在一定的缺點，研究人員提出了許多協(xié)議的改進方案，如：文獻[7]提出，在路由發(fā)現(xiàn)過程中，將鏈路中各節(jié)點信號強度最小值記錄在路由請求報文RREQ中，目的節(jié)點選擇具有最大信號強度的RREQ進行回復作為本次通信的主路由，同時，將具有次大值RREQ的鏈路作為備份路由。這種方案雖然最大限度地減少了因節(jié)點離開傳送范圍，而導致的鏈路斷裂情況，但是沒有考慮到因為節(jié)點能量的耗盡而導致的鏈路斷裂。文獻[8]在路由發(fā)現(xiàn)的過程中，選擇距離較近的鄰節(jié)點作為路由節(jié)點（即節(jié)點信號強度大于一定的閾值，否則不轉發(fā)RREQ請求報文），這種方法只有部分節(jié)點轉發(fā)RREQ報文，節(jié)約了寶貴的帶寬資源，而且避免了因為點離開傳送范圍，而導致的鏈路斷裂情況，但是也沒有考慮到節(jié)點能量耗盡問題。文獻[9]提出一種基于節(jié)點能量的EOAODV方法，該方法通過HELLO消息和鄰節(jié)點交互，選擇具有高能量的節(jié)點作為路由的中間節(jié)點，以最大限度地防止因為節(jié)點能量耗盡而導致的鏈路斷裂，但是沒有考慮因為節(jié)點離開傳送范圍而導致的鏈路斷裂情況。

本文在前人研究基礎之上，針對引起鏈路斷裂的兩個因素，分別在路由發(fā)現(xiàn)和路由維護階段進行改進優(yōu)化，以提高網絡運行效果。

2 路由發(fā)現(xiàn)

2.1 AODV的路由發(fā)現(xiàn)及存在問題

在AODV路由協(xié)議中，當源節(jié)點需要和新的目的節(jié)點通信時，它就會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，通過廣播RREQ報文來查找相應路由[10-11]。當這個RREQ到達目的節(jié)點本身，或者是一個擁有足夠新的到達目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時，目的節(jié)點只對第一個到達的RREQ進行確認，回送RREP報文，建立新路由[12-13]。所謂“足夠新”是通過目的序列號來判斷的，即RREQ中，目的節(jié)點序列號大于或等于中間節(jié)點中目的節(jié)點序列號[14]。

AODV路由協(xié)議只選擇具有最少跳數(shù)的路由，而不管這條路由是否有鏈路斷裂的危險。如圖1所示，如果節(jié)點S要和節(jié)點D進行通信，那么AODV路由協(xié)議會選擇S-＞A-＞D這條路由，因為在這條路由中，跳數(shù)最少。但是節(jié)點A處于節(jié)點S和節(jié)點D有效傳送范圍的邊緣，屬于危險的節(jié)點，即節(jié)點A有可能在下一秒離開節(jié)點S和節(jié)點D，那么剛剛建立的路由就會斷裂，必須重新進行路由發(fā)現(xiàn)過程。相反，由于節(jié)點B和節(jié)點C分別在節(jié)點S和節(jié)點D有效傳送范圍的內部，同時也在對方的有效傳輸范圍之內，立即離開有效傳送范圍的可能性大大降低，如果采用S-＞B-＞C-＞D這條路由，那么鏈路斷裂可能性會降低很多。文獻[8]就是在這個方面對其進行了改進。

圖1 AODV的路由發(fā)現(xiàn)過程

如果節(jié)點A處于節(jié)點S和節(jié)點D連線的中間，且不考慮其他因素的情況下，那么S-＞A-＞D這條路由就是最佳路由。但是如果節(jié)點A的電量接近耗盡，而節(jié)點B和節(jié)點C還有很多剩余電量，那么采用S-＞B-＞C-＞D這條路由是最佳路由，因為S-＞A-＞D很快就會因為A的電量不足而斷裂。文獻[9]就是在這個方面對其進行了改進。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)的改進

針對AODV路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)的過程中存在的問題，應該盡量避免選擇即將離開有效傳送范圍的節(jié)點和電量即將耗盡的節(jié)點作為路由的中間節(jié)點，具體算法描述如下：

步驟1規(guī)定基本電量的閾值和有效傳輸距離的閾值（通過接收報文的信號強度來判斷，信號強度越大，則距離越近，信號強度越小則距離越遠）。

步驟2在進行首次路由發(fā)現(xiàn)時，接收到RREQ報文的節(jié)點，檢查自己剩余的電量和信號強度是否大于相應的閾值，如果都大于閾值，則轉發(fā)RREQ報文，否則丟棄RREQ報文。

步驟3如果成功則采用該路由，如果失敗，即說明沒有符合條件的最優(yōu)路由，則采用原始的AODV路由發(fā)現(xiàn)過程。

該算法試圖通過首次路由發(fā)現(xiàn)來尋找含有最少危險節(jié)點的路由。如圖1所示，如果所有節(jié)點的剩余電量都大于預先設定的閾值，在進行路由發(fā)現(xiàn)時，節(jié)點S廣播RREQ報文，節(jié)點A和節(jié)點B都收到了RREQ報文，其中節(jié)點A的信號強度小于預先設定的閾值，那么節(jié)點A就將RREQ報文丟棄，不再轉發(fā)，也就是將來的S到D的路由中不會含有A節(jié)點，相反B大于該閾值，那么B就可以繼續(xù)轉發(fā)該RREQ報文，最終建立S-＞B-＞C-＞D的路由。其中，剩余電量是在路由層，通過M obileNode對象的energy（）方法獲得。節(jié)點信號強度值是通過RREQ報文的txinfo_.RxPr屬性進行獲取。在TwoRayGround傳輸模型下，節(jié)點信號強度計算如公式（1）所示：其中，p為接收到的信號強度，Pt為傳輸功率，Gt為發(fā)送節(jié)點的天線增益，Gr為接收節(jié)點的天線增益，ht為發(fā)送天線的高度，hr為接收天線高度，d為兩個節(jié)點間的距離，L為系統(tǒng)損失因子。

3 路由維護

3.1 AODV的路由維護及存在問題

AODV路由協(xié)議在建立好路由之后，就進入路由維護階段。在路由維護階段，如果收到一個數(shù)據(jù)包，首先檢查是否有到達目的節(jié)點的活躍路由，如果存在這樣一條活躍路由，則通過該路由進行轉發(fā)。如果傳送數(shù)據(jù)失敗，則進行路由修復，如果路由修復失敗，則向上游節(jié)點發(fā)送錯誤報告RERR分組，通知所有使用該路由的節(jié)點，終止使用這條路由[15]。在AODV路由維護的過程中，只有節(jié)點完全離開鄰節(jié)點的有效傳輸范圍或者能量完全耗盡的情況下才會進行路由修復工作，影響網絡傳輸?shù)男省?/p>

3.2 路由維護的改進

為了提前發(fā)現(xiàn)路由中斷危險，及時進行路由修復，本文在路由發(fā)現(xiàn)階段的基礎上，通過HELLO消息對下游節(jié)點的能量值和信號強度值來進行監(jiān)測，對能量值或信號強度值小于閾值的危險節(jié)點，進行路由備份，以避免路由中斷，這里的閾值要比路由發(fā)現(xiàn)階段的閾值小。如圖2所示。

圖2 hello消息

在圖2中，存在一條路由S-＞A-＞B-＞C-＞D，由中間節(jié)點向上游節(jié)點發(fā)送Hello消息，其中目的節(jié)點不用發(fā)送hello消息。Hello消息是廣播的，為了減少網絡開銷，本文將Hello消息的目的地址改為上游節(jié)點的地址，即由單播來實現(xiàn)。如節(jié)點B給節(jié)點A發(fā)送Hello消息，將TTL值改為1（即只和鄰居節(jié)點交互），將節(jié)點B中Hello消息的目的地址字段（即daddr字段）改為上游節(jié)點A的地址。由于Hello消息被封裝在hdr_aodv_reply結構體中，因此，將發(fā)送Hello消息節(jié)點的能量值，放在該結構體的保留字段（reserved字段）中。上游節(jié)點A接收到B的Hello消息后，首先查看報文的daddr字段，如果是發(fā)送給A的，則獲取下游節(jié)點B的信號強度（即Hello報文的txinfo_.RxPr屬性值）和下游節(jié)點B的能量值。如果這兩個值有任一項小于閾值，則說明該路由有中斷的危險，那么A按2.2節(jié)中路由發(fā)現(xiàn)的方法進行路由備份，由A重新尋找到節(jié)點D的路由。一旦節(jié)點B的能量耗盡或這節(jié)點B離開A的有效傳送距離則啟用新路由。如圖3，圖4所示。

圖3 備份路由情況1

圖4 備份路由情況2

在節(jié)點A發(fā)現(xiàn)節(jié)點B成危險節(jié)點后，或立即找好備份路由E-＞C-＞D或E-＞F-＞D，當節(jié)點B失效后，啟用替代路由，以提高網絡傳送效果。

4 仿真實驗及結果分析

4.1 仿真環(huán)境介紹

仿真實驗采用NS2下進行，無線電傳播模式采用TwoRay Ground，對AODV協(xié)議、EOAODV協(xié)議和本文改進的AODV協(xié)議（NAODV）的性能進行比較。在本場景中，節(jié)點以10 m/s以內的隨機速度向一個隨機的方向運動，并停留一定的時間，再向下一個隨機的方向運動。其中，停留時間為0 s，則表示節(jié)點不停地運動，如果節(jié)點停留的時間為100 s，則說明節(jié)點沒有運動。本次仿真實驗分別對停留時間為0到100 s之間，每隔5 s，進行一次對比，共進行21次對比實驗。具體參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

4.2 結果分析

實驗結果如圖5～圖7所示，naodv是本文的改進協(xié)議。在圖5中的前8次實驗中，即從停留時間為0 s到停留時間為35 s的實驗中，naodv的數(shù)據(jù)包投遞率明顯高于eoaodv和原始的aodv路由協(xié)議，這是因為，節(jié)點的活動性強，節(jié)點周圍出現(xiàn)高能量和高信號強度節(jié)點的可能性很大，所以提升的空間也比較大，從停留40 s的那次實驗開始，三種協(xié)議的數(shù)據(jù)包投遞率越來越趨近于相同，這是由于停留的時間越長即節(jié)點的運動性越低，那么節(jié)點周圍出現(xiàn)高能量和高信號強度節(jié)點的可能性也就越來越小，到停留時間為100 s，即節(jié)點都停止不動時，它們的數(shù)據(jù)包投遞率和平均端到端時延也就趨近于相同了，平均端到端時延則正好相反。圖7是節(jié)點停留時間為0，即節(jié)點處于不停運動情況下的節(jié)點平均剩余能量變化情況。在圖7中，naodv的能耗速度要明顯低于eoaodv和aodv，這是因為naodv中的路由節(jié)點是采用高能量高信號強度節(jié)點作為路由節(jié)點，路由斷裂的概率要比eoaodv和aodv低，其廣播路由發(fā)現(xiàn)報文RREQ的次數(shù)就少，因而其能耗就少，并且隨著時間推移和路由斷裂可能性的增加，這種能耗的差距越來越明顯。

圖5 數(shù)據(jù)包投遞率對比圖

圖6 平均端到端時延對比圖

圖7 節(jié)點平均剩余能量變化對比圖

5 結束語

改進的路由協(xié)議naodv在路由發(fā)現(xiàn)階段選擇能量較高和信號強度較強的節(jié)點作為路由的中間節(jié)點，以盡量避免路由的中斷，在路由維護階段結合Hello消息，及時發(fā)現(xiàn)路由鏈路中可能即將斷裂的節(jié)點，根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)的方法做好路由備份，在原有路由斷裂后，立即啟用備份路由。仿真實驗表明改進的路由協(xié)議有效地提高了數(shù)據(jù)包投遞率，降低了平均端到端時延，并能夠有效減慢整個網絡的能耗速度，起到延長網絡生存期的目的。下一步將考慮更加優(yōu)化的路由改進方法，研究其對低速運動場景網絡的改進效果。

[1]陳林星，曾曦，曹毅.移動Ad Hoc網絡：自組織分組無線網絡技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：4-5.

[2]周鵬.移動Ad Hoc網快速自適應后備路由協(xié)議[J].計算機工程與應用，2012，48（23）：21-26.

[3]Qutaiba R，Ahmed B，Mohamed G，et al.Extensive simulation performance analysis for DSDV，DSR and AODV MANET routing protocols[C]//IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops，2013：335-342.

[4]劉洛琨，張遠，許家棟.AODV與DSDV路由協(xié)議性能仿真與比較[J].計算機仿真，2008，23（2）：118-120.

[5]王立新，趙元慶，谷川.W IA-PA中基于DSDV的多路徑路由協(xié)議研究[J].計算機工程與設計，2011，32（10）：3338-3341.

[6]王琦進，侯整風.一種節(jié)點低能量避免的AODV改進協(xié)議[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2013，36（4）：431-434.

[7]Wang S Y，Liu J Y，Huang C C，et al.Signal strengthbased routing protocol for mobile ad hoc networks[C]//IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications，2005：17-20.

[8]Hemant D，Rachit J，Rinkoo B.Route selection in MANETs by intelligent AODV[C]//IEEE International Conference on Communication Systems and Network Technologies，2013：332-335.

[9]Gouda B S，Panigrahi P P，Choudhury A.A new optimal approach for improving energy efficiency in wireless ad-hoc networks[C]//IEEE Conference on Information and Communication Technologies，2013：1095-1100.

[10]張鵬，趙季紅，曲樺.基于鏈路故障的MANET本地修復技術[J].計算機工程，2010（1）：94-95.

[11]Vanaparthi R，Pmgati G.Routing protocols to entice security in MANETS[J].Global Journal of Computer Science and Technology，2011，11（13）

[12]Manikandan S P，Manimegalai R.Survey on mobile Ad Hoc network attacks and mitigation using muting protocols[J].Amcrican Journal of Applied Sciences，2012，9（11）：1796-1801.

[13]周杰.基于AODV的Ad Hoc網絡多路徑路由協(xié)議[J].長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2012，33（4）：451-455.

[14]陳永輝，劉志勤，Nagasaka，等.基于節(jié)點能量和網絡穩(wěn)定性的節(jié)能路由協(xié)議[J].計算機工程與應用，2010，46（21）：79-81.

[15]周少瓊，徐櫛，姜麗，等.蟻群優(yōu)化算法在ad hoe網絡路由中的應用[J].計算機應用，2011，33（2）：332-334.

ZOU Xium ing

School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huai’an, Jiangsu 223300, China

AODV routing protocol only selects the route with least number of hops, without considering the node energy depletion or being about to leave the transmission range of it’s neighbor node, it often results in routing fracture frequently. In order to solve this problem, a new scheme is improved. In the route discovery phase, the node which has greater energy and greater signal strength is selected. In the routing maintenance phase, routing backup is done when the node energy being about to run out or leaving the effective transmission range. Simulation results show that the improved routing protocol can increase the packet delivery ratio, reduce the average end to end delay and energy consumption rate, enhance survival time of the entire network.

Ad hoc On-demand Distance Vector routing（AODV）; node energy; signal strength

ZOU Xiuming. AODV routing protocol of greater energy and signal strength node first. Computer Engineering and Applications, 2014, 50（17）：86-89.

A

TP393.01

10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158

江蘇省淮安市科技支撐計劃（工業(yè)）項目（No.HASZ2012030）。

鄒修明（1968—），男，博士研究生，副教授，主要研究領域為網絡安全、模式識別、生物信息學。E-mail：brightzou@126.com

2013-10-15

2014-01-16

1002-8331（2014）17-0086-04

CNKI網絡優(yōu)先出版：2014-03-12,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158.htm l