對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)區(qū)域路由算法實現(xiàn)探討

周征

摘要：當(dāng)今關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中受到了廣泛的使用，將其應(yīng)用與無線Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于Ad Hoc與無線Mesh的區(qū)別，這種直接的應(yīng)用不可避免的會出現(xiàn)許多的問題，該文深入分析了將常規(guī)路由協(xié)議用于無線MESH網(wǎng)絡(luò)時出現(xiàn)的諸多問題，從而對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)區(qū)域路由算法實現(xiàn)提出了相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；算法實現(xiàn)；Ad Hoc路由協(xié)議

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）27-6314-02

Abstract： Today on the Ad Hoc network routing protocol has been widely used in wireless Mesh network， its application and the wireless Mesh network environment， because of the difference between the Ad Hoc and wireless Mesh applications directly， the inevitable will appear many problems， this paper deeply analyzes the conventional routing protocol for many problems the emergence of wireless MESH network， and proposed the corresponding solution for wireless Mesh network routing algorithm to realize regional.

Key words： wireless Mesh network； algorithm； Ad Hoc routing protocol

信息化技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)為無線網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用提供了良好的使用環(huán)境，生活中人們對無線網(wǎng)的應(yīng)用越來越普遍和重要，很多相關(guān)學(xué)者關(guān)于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究也取得了一定的進步，該文也就是基于關(guān)于無線路由協(xié)議方面的視角對相關(guān)內(nèi)容進行了探析，希望可以更加促進無線路由的更好的應(yīng)用。

1 LB-AZRP的負載平衡路由算法

通常情況下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不同采用的無線路由的協(xié)議是不同的，在針對規(guī)模比較大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，因為需要傳送、處理、加工信息量比較大的數(shù)據(jù)信息，很容易出現(xiàn)由于信息量大而出現(xiàn)信息阻塞現(xiàn)象，這就會對網(wǎng)絡(luò)傳送質(zhì)量造成很大的阻礙，有時候還可能會造成整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，在解決這類大型網(wǎng)絡(luò)信息運輸高效的問題，為網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)提供更好的運行環(huán)境，則關(guān)于找到一種那種能夠自我適應(yīng)和調(diào)節(jié)控制阻塞的無線路由協(xié)議對于整個無線網(wǎng)絡(luò)的使用具有實踐性的影響。

因此，我們提出了基于負載平衡的自適應(yīng)區(qū)域路由協(xié)議LB-AZRP，其最大特點就在于在混合路由的基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)負載平衡機制，解決了擁塞問題。在LB-AZRP中，根據(jù)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流特點，根據(jù)信息數(shù)據(jù)增加的數(shù)量、信息數(shù)據(jù)運輸?shù)耐〞承砸约氨M量降低信息傳送的頻率，該文選擇靜止的Mesh路由器為區(qū)域中心節(jié)點，區(qū)域半徑由該Mesh路由器根據(jù)自身負載平衡自適應(yīng)控制。當(dāng)路由器檢測到可能發(fā)生擁塞時，該路由器根據(jù)負載平衡條件減小區(qū)域半徑，即不再接收新的節(jié)點接入，同時該路由器向鄰居MP節(jié)點廣播過載信息，接收到過載信息警告的節(jié)點將按照發(fā)送節(jié)點不可達的錯誤類型進行處理，向下一跳由過載結(jié)構(gòu)的前向節(jié)點運輸過來的未成功的信息文件，再啟動無線路由進行新一輪的信息發(fā)現(xiàn)、處理操作，從而實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)能夠在新的無線路由上進行運輸、加工和處理，避免信息數(shù)據(jù)運輸堵塞問題的出現(xiàn)。

根據(jù)下圖1，節(jié)點A、B是靜止的無線Mesh路由器，節(jié)點a、b、c、d是移動的Mesh客戶端且都處于以A路由器為中心的廣播區(qū)域內(nèi)（大圓），當(dāng)A路由器監(jiān)測到其自身可能發(fā)生擁塞時，立即減小其廣播區(qū)域半徑，不再接收新節(jié)點的接入請求，同時將過載信息廣播給的所有MP節(jié)點（此時只有B節(jié)點能收到該信息），B路由器收到消息后，立即按照A節(jié)點不可達進行處理，通知所有下一跳使用A節(jié)點的路由重新開始路由發(fā)現(xiàn)，至此，通過A節(jié)點的接入Internet的服務(wù)都通過路由器B轉(zhuǎn)發(fā)至新的節(jié)點，A節(jié)點出來的服務(wù)請求仍通過B節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，通告該操作的進行，有效的避免了A節(jié)點部位信息數(shù)據(jù)傳送阻塞問題的出現(xiàn)，達到網(wǎng)絡(luò)承載的平衡。

根據(jù)上面的分析以及更新示意圖所蘊含的信息，我們可以看出在解決負載平衡問題的算法操作方面，LB-AZRP路由協(xié)議在具體的實施過程中，需要注意以下方面：1） 檢測阻塞情況；2） 擁塞的自適應(yīng)控制；3） 隨機路由選擇；

2 LB-AZRP協(xié)議的仿真與性能分析

2.1 仿真系統(tǒng)概述

通過充分了解和應(yīng)用現(xiàn)今已經(jīng)廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)仿真型軟件OPNET Modeler10.0，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的仿真就是根據(jù)OPNET Modeler10.0使用的性能以及仿真模塊使用的特點，從而有針對性的規(guī)劃和設(shè)計無線路由仿真模型，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)平臺，同時在這個平臺上模擬仿真相對而言比較傳統(tǒng)的ZRP路由協(xié)議和我們提出的改進的混合路由協(xié)議——LB-AZRP路由協(xié)議，進而證明我們提出的路由協(xié)議LB-AZRP的優(yōu)越性。

2.2 仿真操作過程

搭建基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的LB-AZRP路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的目的是對采用LB-AZRP路由協(xié)議的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信性能進行全面、深入地分析評估，對網(wǎng)絡(luò)中涉及的技術(shù)參數(shù)進行討論。該文中希望在該平臺上進行以下兩方面的仿真分析：

首先，如果在面對無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點出現(xiàn)靜止現(xiàn)象時候，在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由項目環(huán)境下，要綜合考慮沒有改進之前的ZRP路由協(xié)議和AODV協(xié)議，同時也要考慮進行改進后的LB-AZRP路由協(xié)議在該環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)信息處理特點。

然后，如果在面對無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點出現(xiàn)低速移動（小于5m/s）現(xiàn)象的時候，在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由項目環(huán)境下，要綜合考慮改進前的ZRP路由協(xié)議、AODV協(xié)議，同時也要考慮進行改進后的LB-AZRP路由協(xié)議在該環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)信息處理特點。

3 仿真實驗和結(jié)果分析

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)分布采用傳統(tǒng)的ZRP路由協(xié)議和在此基礎(chǔ)上改進的LB-AZRP路由協(xié)議時的網(wǎng)絡(luò)性能，從而確定改進的LB-AZRP路由協(xié)議是否比傳統(tǒng)的ZRP路由協(xié)議更有優(yōu)勢以及更適合于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

仿真場景分為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點慢速移動（速度小于5m/s）兩種情況，仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)置和前面所述一致，將要搜集的統(tǒng)計量包括分組投遞率、路由發(fā)現(xiàn)延遲時間、歸一化路由開銷。

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止時兩種路由協(xié)議比較

本仿真實驗的目的是比較當(dāng)節(jié)點處于靜止?fàn)顟B(tài)時，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)分別采用傳統(tǒng)的ZRP路由協(xié)議和在此基礎(chǔ)上改進的LB-AZRP路由協(xié)議在分組投遞率、路由發(fā)現(xiàn)延遲時間、歸一化路由開銷這三個方面的網(wǎng)絡(luò)性能。

從圖2我們可以看出，各協(xié)議的分組投遞率都隨著客戶端數(shù)目的增加而降低，但LBAZRP協(xié)議的分組投遞率的值在節(jié)點數(shù)小于20時，由于STA節(jié)點信息需要通過MAP進行路由，因此略有差別，當(dāng)信息節(jié)點數(shù)大于20時開始體現(xiàn)出本協(xié)議的優(yōu)勢，這是在進行發(fā)送業(yè)務(wù)客戶端數(shù)量增加的情況時，根據(jù)無線路由信息通道中包含了很多的無線路由改進文件和無線路由請求及改進要求，也會在一定程度上出現(xiàn)廣播風(fēng)暴問題的出現(xiàn)，阻礙了無線網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵、有效數(shù)據(jù)信息的傳播、加工、處理，造成協(xié)議的分組投遞率出現(xiàn)了明顯下降，而我們提出的LB-AZRP協(xié)議考慮了節(jié)點的負載，能繞過網(wǎng)絡(luò)中的重負載節(jié)點，達到均衡負載的目的，降低了因負載過重導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)丟包的可能性，有效地改善了數(shù)據(jù)的分組投遞成功率。

但是，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸半徑的增加，LB-AZRR和ZRP、AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時間都在逐漸變大。這是因為當(dāng)節(jié)點增多時，節(jié)點間路由查找的時間也會增大。但LBAZRP協(xié)議由于采用了固定位置的STA位置服務(wù)器進行一次查詢，返回包使用事先建好的表驅(qū)動路由，在經(jīng)過相關(guān)結(jié)果再一次進行處理后，就可以進行路由器的工作。因此，這種環(huán)境下的查詢效率是要高于按需路由的請求速度的，而且隨著節(jié)點數(shù)的增加，性能只是略有變化。

同時，隨著負載的增大，各協(xié)議開始逐漸使用路由緩存的信息，網(wǎng)絡(luò)開銷率就會變得越來越小。在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信息承載量比較大的情況下，LB-AZRP協(xié)議的開銷反而會有所增大，這是因為在發(fā)生擁塞的情況下，需要啟動負載平衡自適應(yīng)機制，這時整個網(wǎng)絡(luò)中會出現(xiàn)用于路由控制的數(shù)據(jù)包，歸一化路由開銷率被提高，但仿真結(jié)果顯示，開銷仍維持在一個極低的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動時兩種路由協(xié)議比較

本仿真實驗的目的是比較當(dāng)節(jié)點處于慢速移動狀態(tài)（速度小于5m/s）時，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)分別采用傳統(tǒng)的ZRP路由協(xié)議和在此基礎(chǔ)上改進的LB-AZRP路由協(xié)議時在分組投遞率、路由發(fā)現(xiàn)延遲時間、歸一化路由開銷這三個方面的網(wǎng)絡(luò)性能。

從仿真結(jié)果，我們可以得出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點慢速移動時，和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止時相比，性能有所下降，這是因為節(jié)點的移動性會帶來控制數(shù)據(jù)包傳送的增加以及丟包的概率增大等等問題，但LB-AZRP路由協(xié)議表現(xiàn)穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)略有下降，幾乎表現(xiàn)出了和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止時大概一致的趨勢。

綜上所述，無論是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靜止還是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動時，可以看出綜合來看，ZRP和AODV的沒有LB-AZRP協(xié)議高效信息處理的優(yōu)勢。在面對信息負載量比較大的情況下，LB-AZRP協(xié)議對信息數(shù)據(jù)傳播、加工處理的優(yōu)勢是更加明顯的，可見LBAZRP協(xié)議更適用于簡單、高校的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，并且可以在實踐運用過程中，可以大量的節(jié)省花費成本和提高網(wǎng)絡(luò)運行效率。

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