基于DSR協(xié)議的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)式路由協(xié)議研究

馮小鑫

【摘要】移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心和自組織、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、通過(guò)多跳路由以及分布式控制的自組織網(wǎng)絡(luò)。很多對(duì)現(xiàn)有路由協(xié)議的改進(jìn)和增強(qiáng)往往過(guò)于復(fù)雜，添加了過(guò)多的能量探測(cè)，負(fù)載均衡等因素在內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本的大幅增加。因此，本文基于DSR協(xié)議提出了一種新型的主動(dòng)斷路式路由協(xié)議AD-DSR （Automatically Disconnect -DSR）。本文從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、路由發(fā)現(xiàn)等方面對(duì)AD-DSR協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。此外，本文在NS2仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了AD-DSR協(xié)議，采用相同的模擬環(huán)境對(duì)DSR和AD-DSR協(xié)議進(jìn)行了模擬，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。 進(jìn)而給出了結(jié)論，并對(duì)未來(lái)的研究指出了方向。

【關(guān)鍵詞】Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；DSR；AD-DSR；主動(dòng)發(fā)現(xiàn)

1.引言

DSR協(xié)議作為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議，由于其具有僅在需要通信的節(jié)點(diǎn)間維護(hù)路由，減少了路由維護(hù)的代價(jià)，用路由緩存技術(shù)減少路由發(fā)現(xiàn)代價(jià)及產(chǎn)生多種到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此許多研究人員都以DSR協(xié)議為基礎(chǔ)進(jìn)行研究和改進(jìn)。具備很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，DSR協(xié)議也存在著一些不足，比如節(jié)點(diǎn)緩存中的失效路由不能及時(shí)的更新，導(dǎo)致在路由發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中引入失效的路由，從而造成通信質(zhì)量的下降。另外在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程當(dāng)中，中間節(jié)點(diǎn)可能返回了冗余的路由，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在通信過(guò)程中一直使用路徑較長(zhǎng)的路由，從而使通信的延遲增大，丟包率增加，路由失效的幾率也同時(shí)增加。同時(shí)，DSR協(xié)議當(dāng)中沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的能量均衡，這就使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)比較密集的區(qū)域可能過(guò)多的使用某個(gè)鏈路而使該鏈路中的節(jié)點(diǎn)能量迅速消耗進(jìn)而造成斷路等問(wèn)題。因此如何改進(jìn)這些缺點(diǎn)便成為了對(duì)DSR協(xié)議研究的重點(diǎn)之一。因此，本文著眼于對(duì)DSR路由協(xié)議進(jìn)行一些優(yōu)化改進(jìn)，以期使DSR路由協(xié)議能夠在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮更好的路由性能，達(dá)到節(jié)能及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命、提高鏈路質(zhì)量、增大網(wǎng)絡(luò)吞吐量等目的。

2.移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

（1）“Ad Hoc”—詞來(lái)源于拉丁語(yǔ)，全稱為“For the specific purpose only”，意思是“專門的，特別的，特設(shè)的”。簡(jiǎn)單地說(shuō)，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不需要與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施或任何其他中心控制節(jié)點(diǎn)相連接的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由多臺(tái)移動(dòng)主機(jī)（同時(shí)也是路由器），互相之間通過(guò)無(wú)線方式連接所形成的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨時(shí)可能發(fā)生改變。在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)中，不存在類似于移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)中預(yù)先安裝的有線骨干網(wǎng)和基站這樣的基礎(chǔ)設(shè)施，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作模式，基本上是對(duì)等的多跳移動(dòng)[1]。

（2）移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種：平面式結(jié)構(gòu)和分級(jí)式結(jié)構(gòu)。

（3）隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在實(shí)際生活當(dāng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。與其它傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信相比，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：無(wú)中心和自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分布式控制、移動(dòng)終端的局限性、安全性較差、存在單向的無(wú)線信道等。

（4）由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，它的應(yīng)用領(lǐng)域與傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)明顯不同，更加適合于無(wú)法預(yù)先鋪設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和需要快速部署網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合。可以將移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域歸納為以下幾個(gè)主要方面：軍事應(yīng)用、災(zāi)害和突發(fā)情況的應(yīng)用、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、臨時(shí)場(chǎng)合應(yīng)用、個(gè)人移動(dòng)通信應(yīng)用等。

（5）經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但仍存在許多尚需解決的問(wèn)題。目前，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題、能量節(jié)省機(jī)制、QoS保證機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)等。

3.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的主要作用是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，交換路由信息，產(chǎn)生、選擇和維護(hù)路由，并根據(jù)選擇的路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以提供網(wǎng)絡(luò)的連通性。

多年來(lái)，研究者們已提出數(shù)十種Ad Hoc路由協(xié)議方案?？蓮牟煌嵌葘?duì)這些協(xié)議進(jìn)行分類：

根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，可將其分為表驅(qū)動(dòng)路由（Table Driven Protocols）、按需驅(qū)動(dòng)路由（On-Demand Driven Protocols）和混和路由；

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異，可將其分為平面結(jié)構(gòu)路由（Flat Protocols）和分簇路由（Clustered Protocols）；

根據(jù)是否使用GPS（Global Position System）系統(tǒng)作為路由輔助條件，可將其分為地理定位輔助路由和無(wú)地理定位輔助路由[3]。

4.基于DSR路由協(xié)議的改進(jìn)策略

從DSR協(xié)議文檔可知，在DSR協(xié)議中，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由請(qǐng)求報(bào)文中包含本次路由請(qǐng)求的ID，中間結(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)這個(gè)ID來(lái)判斷自身的緩存中是否已存在該路由請(qǐng)求所需的路由信息，如果有則提取緩存中的路由信息并返回給源節(jié)點(diǎn)，從而建立路由。

一旦路由建立成功，數(shù)據(jù)流就會(huì)在這條已經(jīng)建立好的路徑上傳送，期間即使由于其他節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)產(chǎn)生了更短更快的路徑，這條新路徑也不會(huì)被正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流所采用。因?yàn)樵谝呀⒌穆窂綌嗔阎埃垂?jié)點(diǎn)不會(huì)再次發(fā)起新的路由請(qǐng)求，也就無(wú)法通過(guò)DSR的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制來(lái)發(fā)現(xiàn)這條已經(jīng)實(shí)際存在的路徑。這樣就可能導(dǎo)致鏈路質(zhì)量下降，數(shù)據(jù)傳輸率降低。

另外，由于路由緩存機(jī)制的影響，即使鏈路中斷再次請(qǐng)求路由，也會(huì)首先在中間結(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的緩存中匹配請(qǐng)求ID，如果原來(lái)的鏈路因?yàn)槟撤N原因仍然可用，數(shù)據(jù)將重新使用該路徑而不會(huì)去使用其他路徑，而新的更好的路徑仍然無(wú)法被利用。

針對(duì)上面提出的DSR路由協(xié)議的不足，本文提出了AD-DSR（Automatically Disconnect -DSR）協(xié)議，AD-DSR協(xié)議對(duì)DSR協(xié)議做了改進(jìn)，主要內(nèi)容是：主動(dòng)斷路式路由更新。

主動(dòng)斷路式路由更新，是針對(duì)DSR協(xié)議中，當(dāng)前鏈路不一定是最佳路徑，各個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存中的路由信息更新不夠智能而提出的改進(jìn)方法。由源節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起路由更新請(qǐng)求，并使用新的請(qǐng)求ID，在最大可能的情況下采用最佳路由，縮短鏈路，減少節(jié)點(diǎn)使用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

5.結(jié)語(yǔ)

目前，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)研究成果還停留在實(shí)驗(yàn)室的仿真模擬階段，距離全面推廣應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。在已有工作的基礎(chǔ)上，可以在以下方面作進(jìn)一步的探討。

首先，周期性的路由發(fā)現(xiàn)仍然有其不可避免的問(wèn)題，一部分網(wǎng)絡(luò)帶寬被路由請(qǐng)求、路由響應(yīng)等報(bào)文所占用，如何能夠通過(guò)更進(jìn)一步精細(xì)化的設(shè)計(jì)，使得節(jié)點(diǎn)可以做到主動(dòng)探測(cè)，只在周圍確實(shí)出現(xiàn)可利用的新鏈路時(shí)才開(kāi)始路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，做到更加有的放矢，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使網(wǎng)絡(luò)利用率更加提高，是下一步可以繼續(xù)進(jìn)行研究的一個(gè)主要方向。

其次，從物理層到網(wǎng)絡(luò)層，可以通過(guò)互相關(guān)聯(lián)的改進(jìn)辦法，系統(tǒng)的對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議進(jìn)行改造。目前多數(shù)的研究成果都是針對(duì)某一個(gè)層次進(jìn)行的研究，但是由于不同網(wǎng)絡(luò)層次之間存在相互的影響和制約。因此從整體角度考慮，利用各層的特點(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)避短，將它們有機(jī)的結(jié)合起來(lái)也對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)走向應(yīng)用起著巨大的推動(dòng)作用。

最后，為了更好地深入研究，有必要更加熟練掌握NS2等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的使用，在以后的工作中還要繼續(xù)加強(qiáng)學(xué)習(xí)，才能夠使理論上的研究和分析真正成為實(shí)際的內(nèi)容，讓理論不再僅僅停留在紙面上。

參考文獻(xiàn)

[1]IETF Mobile Ad-Hoc Networks（MANET）Working Group Charter.http：//www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html.

[2]高騰.能量高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議研究[D].大連理工大學(xué)，2011.

[3]李宗收.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的典型路由協(xié)議分析研究[A].2009年全國(guó)無(wú)線電應(yīng)用與管理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2009.