一種基于QoS的改進AODV路由協(xié)議設(shè)計及其實現(xiàn)

何超男　林威　劉佳

摘 要：無線自組網(wǎng)是一種特殊的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個動態(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著無線自組網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大，提供端到端的服務(wù)質(zhì)量（QoS）也越來越重要。文中在傳統(tǒng)AODV協(xié)議基礎(chǔ)上進行了改進，引入跨層思想并進行QoS設(shè)計，在一些較關(guān)注某些具體性能的應(yīng)用場景下，可根據(jù)所關(guān)注的性能指標進行選路以滿足對性能的要求，具有更強的實用性，最后在實現(xiàn)中驗證了該改進協(xié)議的有效性。

關(guān)鍵詞：無線自組網(wǎng)；QoS；鏈路質(zhì)量等級；AODV

中圖分類號：TN711 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-03

0 引 言

與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)不同，無線自組網(wǎng)是一種復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的無線移動節(jié)點能夠動態(tài)地自組織成任意的網(wǎng)絡(luò)拓撲，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有預(yù)設(shè)通信基礎(chǔ)設(shè)備的條件下的互連通信[1]。無線自組網(wǎng)中的每個無線移動節(jié)點都能夠持續(xù)地監(jiān)聽和尋找附近節(jié)點，以確定在當前網(wǎng)絡(luò)條件下將數(shù)據(jù)分組傳送給其它節(jié)點的最優(yōu)路徑[2]。正由于無線自組網(wǎng)的特殊性，其本身具有的帶寬有限和拓撲動態(tài)變化等特點，使得在有線網(wǎng)絡(luò)或傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中性能表現(xiàn)良好的路由技術(shù)在無線自組網(wǎng)中均不適用，必須根據(jù)無線自組網(wǎng)的具體特點研究專門的路由技術(shù)。

隨著無線自組網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益壯大，提供端到端的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）也成為了衡量自組網(wǎng)的一個重要準則。QoS通常定義為把分組流從源節(jié)點傳輸?shù)侥康墓?jié)點時網(wǎng)絡(luò)必須滿足的一個服務(wù)要求集合，期望網(wǎng)絡(luò)向終端用戶提供端到端的服務(wù)保證以及基于策略的網(wǎng)絡(luò)性能的服務(wù)屬性，例如，時延、時延抖動、帶寬、分組丟失率等[3]。對于一些較關(guān)注某些性能指標的業(yè)務(wù)來說，如視頻、電話等，應(yīng)重點考慮這些業(yè)務(wù)所關(guān)注的指標，根據(jù)這些指標選擇合適的傳輸路徑，以增強其實用性。同時由于無線自組網(wǎng)中帶寬資源的有限性，降低不必要的系統(tǒng)開銷也是非常有必要的，以充分利用寶貴的帶寬資源，將其用于具體的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。

1 路由協(xié)議設(shè)計

1.1 AODV路由協(xié)議的不足

按需距離矢量路由協(xié)議[4]（Ad-Hoc On-Demand Distance Vector Routing Protocol，AODV）是無線自組網(wǎng)中最經(jīng)典的路由協(xié)議之一。AODV協(xié)議采用按需的思想，在有通信請求時才啟動路由發(fā)現(xiàn)機制去尋路，按照序列號最新時延最小的標準來選擇最后使用的路徑。

然而，對于某些對QoS要求較高的通信業(yè)務(wù)來說，依據(jù)該準則選取的路徑對于業(yè)務(wù)的通信需求來說并不一定是最好的，在這種情況下，應(yīng)該根據(jù)具體問題進行具體分析。本文提出一種改進方案，通過跨層的設(shè)計，依據(jù)物理層和MAC層上傳的具體鏈路信息來衡量鏈路的質(zhì)量，將其加入到路徑選擇時所需要考慮的因素范圍，使得改進后的路由協(xié)議實用性更強。

在AODV協(xié)議中各節(jié)點為維護自己周圍的鄰居節(jié)點信息，需要周期性地廣播Hello消息，在沒有業(yè)務(wù)通信請求時，這種周期性廣播的維護信息會耗費一定的帶寬，帶來不必要的系統(tǒng)開銷，在改進協(xié)議中利用物理層和MAC層上傳的鏈路信息獲得節(jié)點與鄰近的鄰居節(jié)點連接情況，減小了系統(tǒng)開銷。改進協(xié)議充分利用了已有的控制消息，將相關(guān)的QoS因素放在其路由請求（Route Request，RREQ）消息和路由應(yīng)答（Route Reply，RREP）消息的保留字段中，在不額外增加控制消息負載的條件下，實現(xiàn)了對QoS因素的考慮。

1.2 改進協(xié)議的機制

改進協(xié)議的主要思想是，在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過跨層設(shè)計，根據(jù)物理層和MAC層上傳的一些具體的鏈路QoS信息計算出鏈路質(zhì)量等級指標，并將該指標加入到RREQ消息和RREP消息中，作為選路依據(jù)之一，從而選擇出性能最優(yōu)路徑，具有更強的實用性。同時，根據(jù)物理層和MAC層上傳的鏈路信息判斷節(jié)點間的連接情況，能夠減小系統(tǒng)不必要的開銷，更有效地利用系統(tǒng)帶寬資源。在不增加其它控制消息的前提下，更能滿足通信業(yè)務(wù)對某些QoS性能的要求，并且提高分組投遞率，降低鏈路斷開引起的路由重尋概率。其工作過程主要包括：跨層通知步驟、尋路步驟、應(yīng)答步驟和選路步驟。

1.2.1 跨層通知步驟

跨層設(shè)計示意圖如圖1所示。物理層和MAC層實時為路由層提供節(jié)點周圍環(huán)境內(nèi)的鏈路信息，如信噪比、信干噪比、誤包率、丟包率、誤幀率、信道總帶寬、信道可用帶寬、傳輸延時等，選取應(yīng)用場景中關(guān)注的因素計算得到用來表示鏈路整體質(zhì)量的物理量，以用于后續(xù)的路由過程，增強了協(xié)議的實用性，本文中將其稱為鏈路質(zhì)量等級，用LQ表示。同時路由層也不再需要為維護鄰居節(jié)點信息額外地進行周期性廣播Hello消息，節(jié)省帶寬資源。

這里對鏈路質(zhì)量等級作如下定義：

用BW（u，v）表示節(jié)點u和節(jié)點v之間的信道可用帶寬，用SNR（u，v）表示節(jié)點u和節(jié)點v之間的信噪比，用DL（u，v）表示節(jié)點u和節(jié)點v之間的傳輸延時。在本文中使用信道可用帶寬BW（u，v）、信噪比SNR（u，v）和傳輸延時DL（u，v）的加權(quán)來表示一條鏈路或路徑的QoS狀態(tài)信息，將其稱為鏈路質(zhì)量等級。在具體使用時，可以根據(jù)應(yīng)用場景的具體業(yè)務(wù)需求，選取業(yè)務(wù)較關(guān)注的因素更換有關(guān)QoS信息。假設(shè)節(jié)點ui有n個鄰居節(jié)點u1，u2，…，un，那么它與每一個鄰居節(jié)點間的鏈路都有一個信道帶寬信息、信噪比信息和傳輸延時信息，所以，節(jié)點上應(yīng)有n個信道可用帶寬信息BW（ui，u1），BW（ui，u2），…，BW（ui，un）、n個信噪比信息SNR（ui，u1），SNR（ui，u2），…，SNR（ui，un）和n個傳輸延時信息DL（ui，u1），DL（ui，u2），…，DL（ui，un）。

1.2.2 尋路步驟

將計算得到的鏈路質(zhì)量等級信息包含在RREQ消息中，在不額外添加其他控制消息的前提下，充分利用協(xié)議中已有的控制消息，并進行單播或者廣播，每經(jīng)過一個中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)都對RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段進行更新。

源節(jié)點廣播RREQ消息時，將該消息中的鏈路質(zhì)量等級字段初始化為0，當非目的節(jié)點收到該消息時，更新RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段的值。

RREQ消息每經(jīng)過一個節(jié)點，對比收到該RREQ消息的鏈路所對應(yīng)的鏈路質(zhì)量等級字段以及該RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段，取其中的較大值來更新RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段，即在RREQ消息中保存較差鏈路的鏈路質(zhì)量等級，使得RREQ消息中的該字段保存的是所經(jīng)過所有鏈路中最差鏈路的鏈路質(zhì)量等級。

用LQ（path）表示保存在RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級，該RREQ消息經(jīng)過了一系列節(jié)點i1，i2，…，in，每一條鏈路都有各自的鏈路質(zhì)量等級LQ（im，in），則利用公式LQ（path）=max（LQ（i1，i2），LQ（i2，i3），…，LQ（in-1，in））更新RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段，即每經(jīng)過一條鏈路，就對比該鏈路的鏈路質(zhì)量等級與RREQ消息中鏈路質(zhì)量等級字段的值，并將較大值更新到RREQ消息的鏈路質(zhì)量等級字段中。各節(jié)點均據(jù)此規(guī)則來更新RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段，使得該字段中保存的是RREQ消息已經(jīng)經(jīng)過的鏈路中最差鏈路的鏈路質(zhì)量等級。

1.2.3 應(yīng)答步驟

為使得RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級字段保存的是最終連接源節(jié)點與目的節(jié)點的整條路徑的鏈路質(zhì)量等級信息，本文中規(guī)定只有目的節(jié)點能對RREQ消息進行回復(fù)，中間節(jié)點只能轉(zhuǎn)發(fā)而不能應(yīng)答。對于一條路徑而言，經(jīng)過該路徑的控制消息的鏈路質(zhì)量等級字段上，保存的是組成這條路徑的所有鏈路中最差鏈路的鏈路質(zhì)量等級。該字段的值越小，說明該消息經(jīng)過的所有鏈路中最差鏈路的質(zhì)量越好。并且對于同一個下一跳節(jié)點，目的節(jié)點只回復(fù)從這個下一跳節(jié)點上收到的第一個RREQ消息，而后續(xù)再從該節(jié)點上收到的其它RREQ消息，只有當其鏈路質(zhì)量等級字段中的值小于上一個回復(fù)的RREQ消息中的鏈路質(zhì)量等級，才會再次進行回復(fù)，其余的RREQ消息全部丟棄。

1.2.4 選路步驟

在RREP_WAIT_TIME時間內(nèi)，源節(jié)點可能收到N個應(yīng)答的RREP消息，從中選出最穩(wěn)定的路徑。

其中，ω，ξ為計算所需的加權(quán)因子，依據(jù)對跳數(shù)和鏈路質(zhì)量等級的關(guān)注度，可對加權(quán)因子進行相應(yīng)調(diào)整，以改變其所占有的權(quán)重。源節(jié)點對收到的N個應(yīng)答的RREP消息分別進行路由尺度的計算，然后從中選擇具有最小路由尺度的路徑。路由尺度越小，說明該路徑的跳數(shù)越小，且所經(jīng)過的鏈路中最差鏈路的質(zhì)量也越好。由于路由尺度綜合考慮了跳數(shù)和鏈路質(zhì)量，路由尺度最小的路徑應(yīng)最穩(wěn)定，故據(jù)此選出來的路徑應(yīng)為所有路徑中最穩(wěn)定的。

2 路由協(xié)議的實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)場景

根據(jù)上述工作機制對AODV協(xié)議改進后進行實現(xiàn)，本次實現(xiàn)中共四個節(jié)點，在搭建的四節(jié)點硬件平臺上完成實現(xiàn)工作，并測試協(xié)議性能。硬件基帶板加上射頻模塊即為一個完整的節(jié)點，硬件部分的核心是Marvel公司的FWPXA270C1，軟件環(huán)境使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為2.6.32.30。

2.2 實現(xiàn)設(shè)置

四個硬件平臺的IP地址配置如表 1所列，協(xié)議中使用的主要參數(shù)如表2所列。

四個硬件平臺的拓撲連接關(guān)系如圖2所示。其中S是業(yè)務(wù)發(fā)起的源節(jié)點，D是業(yè)務(wù)的目的節(jié)點。為示意直觀，將根據(jù)物理層上報的鏈路信息計算出的鏈路質(zhì)量等級標于該鏈路上，而不列出進行計算的具體過程。

在傳統(tǒng)協(xié)議中，只考慮路由跳數(shù)，而不考慮其他因素，因此在選路時只選擇具有最短跳數(shù)的路徑。在圖2的拓撲連接情況下，只從跳數(shù)最短的路徑1和路徑2中選擇，RREQ消息從哪條路徑先到目的節(jié)點D就選擇哪條路徑使用，而不考慮鏈路質(zhì)量。

在上述情況中，從S到D的業(yè)務(wù)雖然可通，但是效果并不好，在實驗中發(fā)現(xiàn)ping包測試時掉包較多，語音測試時話音質(zhì)量不好。

而在改進協(xié)議中，同時使用鏈路質(zhì)量和跳數(shù)作為判決依據(jù)，設(shè)置ω=0.5，ξ=0.5，LSmax=9，HCmax=5，使用公式（2）作為路由選擇依據(jù)。

當源節(jié)點S還未發(fā)起業(yè)務(wù)請求時，各節(jié)點的路由表中均只有其一跳鄰居節(jié)點。

當源節(jié)點S發(fā)起朝節(jié)點D的業(yè)務(wù)請求時，節(jié)點S發(fā)起路由尋路過程，在全網(wǎng)中廣播RREQ消息，以跳數(shù)和鏈路質(zhì)量計算得到的路由尺度作為路由選擇依據(jù)，計算得到路徑1的路由尺度為0.422 2，路徑2的路由尺度為0.477 8，路徑3的路由尺度為0.411 1，路徑4的路由尺度為0.577 8，最后選擇具有最小路由尺度的路徑3。

在ping包還在繼續(xù)發(fā)送的時候，節(jié)點A和節(jié)點B的路由表發(fā)生變化，具體如圖3和圖4所示，它可將一個本可一跳到達的鄰居節(jié)點通過另一個鄰居節(jié)點中繼到達。

盡管選擇的路徑跳數(shù)稍長，但從業(yè)務(wù)體驗的角度看，還是比傳統(tǒng)協(xié)議要好。在實驗中發(fā)現(xiàn)，ping包基本不丟，語音測試時效果也很好，話音清晰流暢。

由于業(yè)務(wù)對時延的要求并不是特別高，而對業(yè)務(wù)具體體驗效果有較高要求，在經(jīng)過改進的協(xié)議中，通過犧牲部分時延換取了更好的體驗效果，在設(shè)定的場景中該改進協(xié)議取得了預(yù)期效果。

3 結(jié) 語

本文基于某些業(yè)務(wù)對具體性能的要求，在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了改進，加入QoS，并在硬件平臺上進行實現(xiàn)，通過實現(xiàn)中得到的具體業(yè)務(wù)體驗效果。改進后的協(xié)議在業(yè)務(wù)要求的性能上得到了改善，表明該改進在該具體應(yīng)用場景中是有效的。

參考文獻

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