Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于協(xié)商機(jī)制的QoS多播路由研究

陶 洋，靳黎明

(重慶郵電大學(xué)通信軟件技術(shù)研究所，重慶400065)

近十多年，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)理論獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步而愈加完善，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用也日益廣泛。為了滿足如電話會(huì)議、視頻點(diǎn)播等實(shí)時(shí)多媒體的通信需求，很多學(xué)者致力于研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的多徑路由、多播路由以及對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)，并且提出了大量有建設(shè)性的觀點(diǎn)。本文是在研究移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的QoS多播路由技術(shù)的基礎(chǔ)之上，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出一種基于協(xié)商機(jī)制的QoS多播路由協(xié)議，該協(xié)議能避免多播引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高數(shù)據(jù)傳輸率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。

1 QoS多播路由協(xié)議

目前，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的多播路由協(xié)議主要可分為兩類:基于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多播路由協(xié)議，如ODMRP［1］，CAMP［2］，NSMP［3］，DCMP［4］和基于樹結(jié)構(gòu)的多播路由協(xié)議，如 MZR［5］，MAODV［6］。

QoS多播路由協(xié)議是在多播路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸，是QoS保障體系當(dāng)中最為重要的一部分，它要解決的基本問題就是在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間找到一條滿足業(yè)務(wù)傳輸需求的鏈路，與傳統(tǒng)路由不同，QoS路由選擇的度量不僅僅是路由的跳數(shù)，還需要考慮鏈路可用帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間等方面的限制。

基于多個(gè)不相關(guān)QoS約束條件的路由問題已經(jīng)被證明為NP完全問題。近年來，人們?cè)赒oS多播路由領(lǐng)域做了大量的探索和研究，提出很多有價(jià)值的思想方法，如利用遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法和模擬退火算法等來解決多目標(biāo)優(yōu)化問題，期望得到多QoS約束下多播路由的優(yōu)化解［7－11］。

2 MAODV協(xié)議的QoS延伸

對(duì)MAODV協(xié)議進(jìn)行QoS延伸時(shí)，加入過多的約束條件會(huì)導(dǎo)致尋路成功率降低，請(qǐng)求加入多播組的節(jié)點(diǎn)在尋路失敗時(shí)會(huì)設(shè)置自身為組長(zhǎng)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)相同地址的多播組。為了避免這種情況，應(yīng)該合理選擇QoS參數(shù)，并且保證在已經(jīng)存在多播組的情況下，尋路失敗不會(huì)再次創(chuàng)建多播組?？紤]到影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳輸最關(guān)鍵的因素是鏈路可用帶寬，本文改進(jìn)MAODV的路由請(qǐng)求過程，在路由發(fā)現(xiàn)階段加入帶寬約束，在路由選擇階段根據(jù)代價(jià)計(jì)算公式選擇代價(jià)最小的鏈路，目的是在源節(jié)點(diǎn)和多播組間尋找一條既滿足業(yè)務(wù)傳輸帶寬需求又對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能影響較小的可用鏈路。

2.1 消息格式延伸

為了實(shí)現(xiàn)MAODV協(xié)議的QoS延伸，需要在原有的控制消息中新增幾個(gè)字段，保證在不改變路由過程的前提下，找到滿足QoS約束的可用鏈路。

RREQ消息和RREP消息需要新增鏈路可用標(biāo)志位A(1 bit)、最小需求帶寬Bn(32 bit)和鏈路最小可用帶寬Bmin(32 bit)3個(gè)字段。新的消息格式如圖1和圖2所示。

MACT消息中增加資源預(yù)留標(biāo)志位S(1 bit)和預(yù)留帶寬大小Bres(32 bit)。新的消息格式如圖3所示。

圖3 新的MACT消息格式(截圖)

除了修改消息格式，節(jié)點(diǎn)的多播路由表項(xiàng)中也要增加預(yù)留帶寬大小字段，為對(duì)應(yīng)多播組預(yù)留所需要的網(wǎng)絡(luò)資源，從而更好地保障多播業(yè)務(wù)的QoS。

2.2 路由發(fā)現(xiàn)

不論節(jié)點(diǎn)是要加入多播組還是僅僅向多播組發(fā)送數(shù)據(jù)，它們首先檢測(cè)自身的可用帶寬Bavi是否大于最小需求帶寬Bn，如果大于，則生成RREQ數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中的鏈路最小可用帶寬Bmin初始化為源節(jié)點(diǎn)的可用帶寬Bavi，鏈路可用標(biāo)志A初始化為1。如果小于，則放棄請(qǐng)求。

中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ數(shù)據(jù)包后，如果該節(jié)點(diǎn)不是所請(qǐng)求多播組的成員，且沒有到多播組的已知路由，則按照如下流程進(jìn)行處理:

1)檢查其中的鏈路可用標(biāo)志A，如果A為1，轉(zhuǎn)向步驟2);否則，按照MAODV路由協(xié)議中的方法處理。

2)比較節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可用帶寬Bavi和RREQ數(shù)據(jù)包中的最小需求帶寬Bn，如果Bavi＞Bn，轉(zhuǎn)向步驟3);否則，設(shè)置鏈路可用標(biāo)志位A為0，轉(zhuǎn)向步驟4)。

3)比較節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可用帶寬Bavi和RREQ數(shù)據(jù)包中的鏈路最小可用帶寬Bmin，如果Bavi＜Bmin，則更新Bmin為Bavi。

4)按照MAODV路由協(xié)議中的方法轉(zhuǎn)發(fā)RREQ數(shù)據(jù)包。

多播組的成員節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求加入該多播組的RREQ數(shù)據(jù)包后，只有當(dāng)RREQ中的J標(biāo)志和A標(biāo)志都被置位時(shí)，才更新多播路由表，然后從RREQ中的相應(yīng)字段取出最小需求帶寬、鏈路最小可用帶寬和鏈路可用標(biāo)志位填充生成RREP數(shù)據(jù)包，并發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。

2.3 路由選擇

源節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ消息后，在設(shè)定的等待時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)收到多條RREP消息。源節(jié)點(diǎn)首先檢查RREP數(shù)據(jù)包中的鏈路可用標(biāo)志位，如果A為0，則說明源節(jié)點(diǎn)和多播組間存在一條通路但不滿足帶寬需求，同時(shí)說明網(wǎng)絡(luò)中存在多播組的成員，可以避免因?qū)ぢ凡怀晒Χ詹坏絉REP消息時(shí)再創(chuàng)建一顆多播樹。

先從中選出鏈路可用標(biāo)志A為1，且具有最大多播組序列號(hào)的RREP消息，然后根據(jù)如下的代價(jià)計(jì)算公式選擇代價(jià)最小的鏈路

式中:H為RREP中的跳數(shù);Bn為最小需求帶寬;Bmin為鏈路最小可用帶寬;M為節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的平均代價(jià)。ε1和ε2是影響因子，滿足ε1+ε2=1。用于多播數(shù)據(jù)傳輸所需要的帶寬占用鏈路最小可用帶寬的比例越小，對(duì)其他數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懺叫?，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量越好。源節(jié)點(diǎn)到多播組的跳數(shù)越小，數(shù)據(jù)傳輸需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)越少，端到端時(shí)延越小，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的減少還延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。

2.4 路由激活

選出代價(jià)最小的鏈路后，源節(jié)點(diǎn)向收到RREP數(shù)據(jù)包的下一跳發(fā)送MACT消息，完成鏈路上的資源預(yù)留和多播路由的激活。MACT消息中包含了最小需求帶寬，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到MACT消息后，設(shè)置多播路由表項(xiàng)中下一跳的激活標(biāo)志，并且把最小需求帶寬存入到多播路由表當(dāng)中，然后生成新的MACT消息沿著選定鏈路繼續(xù)發(fā)送。其他沒有收到MACT消息的節(jié)點(diǎn)在等待時(shí)間結(jié)束后把臨時(shí)路由信息從路由表中刪除。

3 基于協(xié)商機(jī)制的QoS多播路由協(xié)議

在多播路由協(xié)議當(dāng)中引入QoS保障的最終目的是為了應(yīng)對(duì)人們對(duì)多媒體信息日益增長(zhǎng)的需求，資源預(yù)留能夠更好地保證服務(wù)所需的QoS，但網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)可能有新的服務(wù)請(qǐng)求到達(dá)，不同的服務(wù)請(qǐng)求可能對(duì)QoS的要求不同，這使得在服務(wù)請(qǐng)求少時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源得不到有效利用，服務(wù)請(qǐng)求多時(shí)預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源被迅速耗盡。針對(duì)這種情況，在MAODV協(xié)議上進(jìn)行QoS延伸的基礎(chǔ)上，提出一種基于協(xié)商機(jī)制的QoS多播路由協(xié)議 CBQ_MAODV。CBQ_MAODV中節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前首先與多播組組長(zhǎng)進(jìn)行協(xié)商，根據(jù)一定的規(guī)則協(xié)商使用多播組的預(yù)留資源，達(dá)到充分而又不過度地使用網(wǎng)絡(luò)資源，提高數(shù)據(jù)傳輸率。

3.1 協(xié)商控制消息

CBQ_MAODV中新增了4種控制消息，來完成協(xié)商過程，并且加入了節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)策略，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定值后，通過釋放低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)所占用的資源來保證高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的QoS需求?？刂葡⒌母袷饺缦?

NREQ消息，多播組成員用來向組長(zhǎng)查詢多播組使用情況，主要包含了源節(jié)點(diǎn)地址、多播組地址、組長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)地址、多播組序列號(hào)、請(qǐng)求帶寬、請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)。其中請(qǐng)求帶寬是要發(fā)送的業(yè)務(wù)所需求的帶寬，根據(jù)業(yè)務(wù)的類型來確定。

NREP消息，多播組組長(zhǎng)在收到NREQ后進(jìn)行資源協(xié)商，發(fā)送NREP消息告知源節(jié)點(diǎn)協(xié)商結(jié)果。主要包含了目的節(jié)點(diǎn)地址、多播組地址、多播組序列號(hào)、可用標(biāo)志位A。

NRES消息，多播組組長(zhǎng)在經(jīng)過資源協(xié)商過程后，用來通知優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。主要包含了目的節(jié)點(diǎn)地址、多播組地址、多播組序列號(hào)和讓步節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)。

每個(gè)多播組的組長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)除了維護(hù)必要的多播路由表外，還需要額外維護(hù)一張多播協(xié)商表，表項(xiàng)包含了節(jié)點(diǎn)地址、占用帶寬、節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)和可用狀態(tài)。

3.2 協(xié)商機(jī)制

每個(gè)多播組成員有數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髸r(shí)，先要向組長(zhǎng)發(fā)送NREQ消息來確認(rèn)當(dāng)前多播組的使用情況，再?zèng)Q定是否發(fā)送數(shù)據(jù)。組長(zhǎng)收到NREQ消息后，首先檢查自身的組內(nèi)可用帶寬，即為該多播組預(yù)留的帶寬減去當(dāng)前多播組占用帶寬后剩余的可用帶寬，然后再進(jìn)行一系列的資源協(xié)商，具體流程如下:

1)比較組內(nèi)可用帶寬Bg和NREQ數(shù)據(jù)包中的請(qǐng)求帶寬Br，如果Bg＞Br，直接回復(fù)源節(jié)點(diǎn)NREP消息，其中可用標(biāo)志位A置為1;否則，轉(zhuǎn)向步驟2)。

2)檢查多播協(xié)商表中是否有節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)低于請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)的表項(xiàng)，如果沒有，回復(fù)源節(jié)點(diǎn)NREP消息，其中可用標(biāo)志位A置為0;否則，轉(zhuǎn)向步驟3)。

3)比較低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)占用的帶寬和Bt與(Br－Bg)，如果Bt＜(Br－Bg)，回復(fù)源節(jié)點(diǎn)NREP消息，其中可用標(biāo)志位A置為0;否則，回復(fù)源節(jié)點(diǎn)NREP消息，其中可用標(biāo)志位A置為1，轉(zhuǎn)向步驟4)。

4)向優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)發(fā)送NRES消息，并修改多播協(xié)商表，刪除優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)，根據(jù)NREQ數(shù)據(jù)包中的信息增加請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的表項(xiàng)。

多播組成員收到NREP數(shù)據(jù)包后，檢查其中的可用標(biāo)志位A，若A為1，則可以開始發(fā)送多播數(shù)據(jù);若A為0，則取消發(fā)送，在等待一段時(shí)間后，再次發(fā)送NREQ消息請(qǐng)求多播。

當(dāng)多播組組長(zhǎng)收到過多的丟包重傳請(qǐng)求時(shí)，說明網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大導(dǎo)致?lián)砣?，多播組組長(zhǎng)負(fù)責(zé)向多播協(xié)商表中節(jié)點(diǎn)優(yōu)先等級(jí)最低的節(jié)點(diǎn)發(fā)送NRES消息，通知其停止數(shù)據(jù)發(fā)送，以減小網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量來提高分組投遞率，從而提高多播網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了有效地評(píng)價(jià)CBQ_MAODV協(xié)議的性能，使用NS2對(duì)該QoS多播路由協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與原始多播路由協(xié)議MAODV進(jìn)行比較，比較協(xié)議在控制消息的開銷、端到端時(shí)延、吞吐量和分組投遞率方面的性能。在計(jì)算機(jī)上模擬100個(gè)節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)分布在一個(gè)1 km×1 km的區(qū)域，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配一個(gè)［0，4］之間的優(yōu)先等級(jí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)傳輸范圍為以250 m為半徑的圓，若兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在彼此的傳輸范圍內(nèi)就用一條鏈路連接它們，數(shù)據(jù)傳輸速率最大為2 Mbit/s，設(shè)定節(jié)點(diǎn)以1 m/s的速度移動(dòng)或靜止，每次仿真時(shí)間是600 s。實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)加入多播組，并且多播組的成員數(shù)不多于節(jié)點(diǎn)總數(shù)的20%，多播組成員隨機(jī)選擇發(fā)送盡力而為的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或?qū)崟r(shí)多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它們所需的帶寬分別為［0．1，0．5］Mbit/s 和［0．5，1．0］Mbit/s之間的隨機(jī)數(shù)。

圖4為控制消息開銷隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的比較情況，從圖中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，MAODV和CBQ_MAODV兩種協(xié)議的控制開銷都在增大，且后者比前者略大，這是因?yàn)樵贑BQ_MAODV路由協(xié)議中引入了QoS約束和協(xié)商機(jī)制，但控制消息的開銷增長(zhǎng)緩慢，顯然不會(huì)產(chǎn)生消息風(fēng)暴。

圖5給出了兩種協(xié)議在多播組成員個(gè)數(shù)增加時(shí)平均端到端時(shí)延的變化情況。從圖中可以看出，隨著多播組成員個(gè)數(shù)的增加，CBQ_MAODV協(xié)議的平均端到端時(shí)延穩(wěn)定在一條直線附近;MAODV協(xié)議的平均端到端時(shí)延在多播組成員個(gè)數(shù)小于6時(shí)緩慢增長(zhǎng)，但是在多播組成員個(gè)數(shù)大于6時(shí)平均端到端時(shí)延快速增長(zhǎng)。這是因?yàn)镃BQ_MAODV協(xié)議增加了協(xié)商過程，多播組成員協(xié)商使用網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)為多播組預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源，所以端到端時(shí)延比較穩(wěn)定。然而，MAODV協(xié)議隨著多播組成員個(gè)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最大流上限時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的擁塞，并導(dǎo)致丟包，所以會(huì)出現(xiàn)平均端到端時(shí)延增大的情況。

圖4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)控制消息開銷比較圖

圖5 多播節(jié)點(diǎn)增加時(shí)平均端到端時(shí)延比較圖

圖6給出了兩種協(xié)議在平均吞吐量方面的比較。開始時(shí)隨著多播組成員個(gè)數(shù)的增加，MAODV和CBQ_MAODV兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)楦喙?jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，增加了網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而提高多播網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量。但在多播組成員個(gè)數(shù)大于6時(shí)，MAODV協(xié)議的平均吞吐量呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榘l(fā)送的數(shù)據(jù)量超過了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，會(huì)造成數(shù)據(jù)包丟失，導(dǎo)致平均吞吐量下降，然而由于CBQ_MAODV中加入了協(xié)商機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到一定值后，停止低優(yōu)先等級(jí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，從而保證多播網(wǎng)絡(luò)的平均吞吐量，因此CBQ_MAODV協(xié)議的平均吞吐量在一條直線附近波動(dòng)。

圖7給出了兩種協(xié)議在分組投遞率方面的比較，隨著多播組成員個(gè)數(shù)的增加，MAODV和CBQ_MAODV兩種協(xié)議的分組投遞率都逐漸下降，但后者下降緩慢且一直高于前者。這是因?yàn)镃BQ_MAODV協(xié)議在選擇路由時(shí)加入了帶寬約束，并且使用協(xié)商機(jī)制避免擁塞，使得丟包概率更小，分組投遞率能夠保持較高的水平。

圖6 多播節(jié)點(diǎn)增加時(shí)平均吞吐量比較圖

5 小結(jié)

本文研究了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中幾種經(jīng)典的多播路由協(xié)議，分析了多位學(xué)者關(guān)于多播路由中保證業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的解決思路，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)MAODV協(xié)議進(jìn)行了QoS延伸，并提出一種基于協(xié)商機(jī)制的QoS多播路由協(xié)議CBQ_MAODV。該協(xié)議考慮了對(duì)多媒體業(yè)務(wù)傳輸最為重要的帶寬約束，建立起滿足QoS需求的多播鏈路并為之預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點(diǎn)協(xié)商使用預(yù)留的多播資源，避免了多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送多播數(shù)據(jù)引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞。仿真證明，該協(xié)議改善了平均端到端時(shí)延，增加了網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量，提高了分組投遞率，能夠有效地保障Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

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