基于移動(dòng)代理的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法研究

摘 要：隨著當(dāng)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)管理的核心，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，因而對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的研究也逐漸成為了熱點(diǎn)。在深入研究傳統(tǒng)的基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法之后，給出一種改進(jìn)的新思想，采用劃分子網(wǎng)的方法，該方法可以在提高拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上有效地減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，并且能夠降低網(wǎng)絡(luò)帶寬，在一定程度上改善了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫諗克俣冗^慢的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)； 拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)； 移動(dòng)代理； 劃分子網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0039?04

Abstract： With the rapid development of modern wireless network， the wireless Ad hoc network arises at the right moment. The network topology discovery technology as the core of network management plays an important role in network operation. Therefore， research of the wireless Ad hoc network topology discovery has gradually become a hot spot. An improved new idea， that is， the method of subnet division is presented based on study of the traditional topology discovery algorithm based on mobile agent. It can effectively reduce the network load on the premise of improving the topology discovery， reduce the network bandwidth， and overcome the disadvantage that convergence rate of the network topology is slow to a certain extent.

Keywords： wireless Ad hoc network； topology discovery； mobile agent； subnet division

0 引 言

移動(dòng)自組網(wǎng)（MANET）是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)的移動(dòng)，通過無(wú)線連接組成任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有分布性和移動(dòng)性等特性。

移動(dòng)代理起源于人工智能，早在20世紀(jì)80年代的中期，人工智能技術(shù)結(jié)合了分布式計(jì)算技術(shù)，進(jìn)而產(chǎn)生了分布式人工智能方向。移動(dòng)代理在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中能自主地從一臺(tái)主機(jī)移動(dòng)到另一臺(tái)主機(jī)，并且可以選擇何時(shí)、向何方向移動(dòng)，在移動(dòng)中移動(dòng)代理可以根據(jù)要求掛起其運(yùn)行，然后轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)的其他地方重新開始或繼續(xù)其執(zhí)行。移動(dòng)代理的兩大特性是移動(dòng)性（mobility）和自治性（autonomy），因此移動(dòng)代理與移動(dòng)自組網(wǎng)具有天然的共性它憑借自身的特性與優(yōu)勢(shì)打破了人工智能領(lǐng)域停滯不前的僵局，進(jìn)而被人們廣泛的接受，也使得它有了新的發(fā)展空間。MIT媒體實(shí)驗(yàn)室很早就提出了使用移動(dòng)代理來研究拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的思想[1]。通過移動(dòng)代理來為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集相關(guān)的拓?fù)湫畔?，并且可以轉(zhuǎn)發(fā)給其他相鄰節(jié)點(diǎn)，最終達(dá)到使所有節(jié)點(diǎn)都能夠獲得全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌哪康?。同時(shí)，移動(dòng)代理還有定期更新拓?fù)湫畔⒌墓δ堋?/p>

1 無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的常用方法

傳統(tǒng)的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，通常是利用節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信的廣播機(jī)制來獲得該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，并且運(yùn)用拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)分組的擴(kuò)散來產(chǎn)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將所獲得的拓?fù)湫畔鬟f給它的下一跳節(jié)點(diǎn)，從而形成完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?dāng)前無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)層出不窮，最常見的方法有以下幾種：

（1） 基于ICMP的方法。此方法能夠較高效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于它主要利用ping操作，只能確定從管理站到目的IP是否可達(dá)，中間過程沒有具體的信息獲得，比如經(jīng)過哪些路由器等，所以要想分析它們的連接關(guān)系是比較復(fù)雜的，此外各個(gè)IP所在子網(wǎng)情況也難以判斷。并且，它需要對(duì)IP地址進(jìn)行ping和traceroute操作，而它所利用的traceroute工具屬于主動(dòng)性較強(qiáng)的工具，無(wú)形中增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。所以相比而言，它們還是比較適合子網(wǎng)內(nèi)主機(jī)的發(fā)現(xiàn)。

（2） 基于ARP的方法。ARP表中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址都是最近活動(dòng)過的有效IP地址，幾乎沒有冗余信息，拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)效率高、開銷低，但由于ARP協(xié)議本身的局限性使得節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)范圍小，比較適合應(yīng)用于局域網(wǎng)中[2]。

（3） 基于SNMP的方法。此方法通過獲取MIB中的信息來得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。它的發(fā)現(xiàn)過程和算法簡(jiǎn)單，發(fā)現(xiàn)效率較高，并且系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的開銷小，易于實(shí)現(xiàn)。但是該方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不支持SNMP協(xié)議或沒有安裝SNMP代理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而且路由表中包含了大量的冗余信息。

（4） 基于OSPF的方法。該發(fā)現(xiàn)方法只需要訪問區(qū)域邊界路由器，顯然效率和速度都有了較大提高，但該方法也存在一些不足：首先，它要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都支持OSPF協(xié)議；其次，由于OSPF涉及路由部分的算法相對(duì)來講比較復(fù)雜，所以實(shí)現(xiàn)起來難度較大；最后，由于利用ping來發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的主機(jī)，所以速度較慢。

本文詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法，在對(duì)基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法深入研究之后，進(jìn)行了算法的改進(jìn)，改進(jìn)的算法能夠在一定程度上減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)收斂速度。

2 現(xiàn)有的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

在文獻(xiàn)[3?4]中，Marwaha等人提出Ant?AODV算法，該算法使用類似移動(dòng)代理的螞蟻，主要針對(duì)AODV路由協(xié)議的分布式拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；由于該算法中螞蟻任意移動(dòng)，導(dǎo)致螞蟻的歷史記錄較大，增大了負(fù)載。

在文獻(xiàn)[5]中，Aissani等人提出Ant?DSR算法，優(yōu)點(diǎn)是利用螞蟻代理進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，缺點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)低移動(dòng)或低負(fù)載時(shí)，Ant?DSR算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能并沒有特別優(yōu)化，而且螞蟻代理的引入還增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。在文獻(xiàn)[6?7]中，Choudhury等人提出了一種分布式拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)機(jī)制，使用基于類移動(dòng)代理的螞蟻來進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)；該算法采用了多代理技術(shù)進(jìn)行無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)，缺點(diǎn)是缺乏適當(dāng)?shù)倪w移策略，多個(gè)螞蟻在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)目的遷移，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連通度高的地方螞蟻數(shù)量較多，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大。

在文獻(xiàn)[8]中，加拿大University of Calgary的研究小組提出了他們的M?S移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)框架；他們把移動(dòng)代理分為了兩種，即Manager代理和Service代理，分別屬于群首和群內(nèi)成員；“Ant”Based系統(tǒng)是純粹基于先驗(yàn)式的，現(xiàn)在大多數(shù)的基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)都是“Ant”Based，他們存在一些缺點(diǎn)，比如代理丟失，帶寬的不必要消耗，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性不強(qiáng)。

本文提出的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法采用劃分子網(wǎng)的方法來限制移動(dòng)代理的任意移動(dòng)，移動(dòng)代理只能在自己的子網(wǎng)中移動(dòng)，從而減少了歷史記錄，能夠在一定程度上減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提高了網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，并且與引入的駐留代理相結(jié)合，改變了移動(dòng)代理的丟失和節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔⒌膩G失現(xiàn)象。最后又引入了移動(dòng)總代理，使網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)可以通過產(chǎn)生的移動(dòng)總代理來收集所有移動(dòng)代理攜帶的節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔?，該方法能夠防止收集信息時(shí)移動(dòng)代理的洪泛，在一定程度上減少了帶寬的消耗。

3 改進(jìn)的基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法

3.1 算法理論依據(jù)

3.1.1 信息素濃度

設(shè)集合S表示網(wǎng)絡(luò)中的全部節(jié)點(diǎn)，集合Na表示節(jié)點(diǎn)a的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)b位于節(jié)點(diǎn)a的鄰居鏈路中。信息素濃度Tab（t）表示在t時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)a（a∈S）選擇以節(jié)點(diǎn)b（b∈Na）作為下一跳時(shí)，由節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b所組成的鏈路Lab的信息素濃度值，并且其值要大于等于零，即Tab（t）≥0。

3.2 算法描述

在無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法中，通常采用基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方式。這種方式解決了主動(dòng)式路由策略和基于需求路由策略的不足[9]。本文在基于移動(dòng)代理的基礎(chǔ)上，選取網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，引入駐留移動(dòng)代理并將網(wǎng)絡(luò)按照一定規(guī)則劃分成若干的子網(wǎng)，使節(jié)點(diǎn)只能在各自的子網(wǎng)內(nèi)遷移，并且引入了移動(dòng)總代理，網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)可以通過產(chǎn)生的移動(dòng)總代理來收集所有移動(dòng)代理攜帶的節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔?。這種結(jié)合方式能夠在提高拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，防止在遷移過程中因節(jié)點(diǎn)丟失而引起的移動(dòng)代理丟失以及移動(dòng)代理所攜帶拓?fù)湫畔⒌膩G失，從而更準(zhǔn)確快速，有效地獲得全網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

根據(jù)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并對(duì)傳統(tǒng)的算法進(jìn)行了分析總結(jié)之后，提出以下算法：

根據(jù)地理位置，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，一定程度上起到限制網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)代理洪泛的作用。并在每個(gè)子網(wǎng)中設(shè)立一個(gè)網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為該子網(wǎng)的成員節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)作為每個(gè)子網(wǎng)的管理員，它是在計(jì)算了電池能量、處理器能量以及信號(hào)強(qiáng)度的大小之后做出選擇的。它通常也與網(wǎng)絡(luò)中的位置有關(guān)，常會(huì)考慮選擇網(wǎng)絡(luò)中位置處于最中央的設(shè)備作為網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，這樣它能更好地與其他子網(wǎng)的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，且開銷較小，耗時(shí)較短。

網(wǎng)絡(luò)開始時(shí)，由每個(gè)子網(wǎng)中的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，同一子網(wǎng)內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)都能接收到該消息。在網(wǎng)絡(luò)中仍然保留傳統(tǒng)的移動(dòng)代理，并在所有的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)中各保存一個(gè)駐留代理，每個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)總代理，用來收集所有移動(dòng)代理攜帶的成員節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?，在一定程度上能夠減少移動(dòng)代理返回信息時(shí)而引起的移動(dòng)代理洪泛的現(xiàn)象，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。由于大量實(shí)驗(yàn)表明，最佳移動(dòng)代理數(shù)目應(yīng)為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目的一半，所以移動(dòng)代理的初值暫且保留節(jié)點(diǎn)數(shù)目的一半即可。節(jié)點(diǎn)在開始運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果此數(shù)為奇數(shù)，則產(chǎn)生移動(dòng)代理，此數(shù)為偶數(shù)則不產(chǎn)生移動(dòng)代理，這樣就能保證產(chǎn)生的移動(dòng)代理數(shù)目為節(jié)點(diǎn)數(shù)目的一半。每個(gè)子網(wǎng)中的移動(dòng)代理只能在本子網(wǎng)內(nèi)任意移動(dòng)，且不斷地收集該子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?，并進(jìn)行定期的分發(fā)和更新。

為了避免因節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)代理的任意移動(dòng)而丟失拓?fù)湫畔?，?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁發(fā)生變化；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息不僅保存在該節(jié)點(diǎn)中，也會(huì)復(fù)制一份在該節(jié)點(diǎn)的駐留代理中。駐留代理和節(jié)點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生，同時(shí)消亡，有效減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

移動(dòng)代理不斷地從其所在子網(wǎng)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)遷移到該節(jié)點(diǎn)的某一鄰居節(jié)點(diǎn)。在此之前，該節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)式（3）計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)的每一條鄰居鏈路的信息素濃度值。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保存一個(gè)本地鄰居鏈路的信息素濃度表，鄰居鏈路信息素濃度表中記錄了某節(jié)點(diǎn)以其任意鄰居節(jié)點(diǎn)為遷移節(jié)點(diǎn)時(shí)，該條鄰居鏈路的信息素濃度值，其值與移動(dòng)代理的遷移概率成反比，由式（5）可知，如果一條鏈路被移動(dòng)代理選擇過，其鏈路信息素濃度會(huì)增高；反之，如果一條鏈路很少有移動(dòng)代理經(jīng)過，其鏈路信息素濃度會(huì)降低，移動(dòng)代理會(huì)根據(jù)此記錄來選擇遷移方向。

在遷移過程中，移動(dòng)代理不斷地收集其子網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔ⅰＨ绻龅狡渌苿?dòng)代理，則可以相互交換彼此未到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔?。如果有兩個(gè)移動(dòng)代理同時(shí)到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)兩個(gè)移動(dòng)代理中記錄的計(jì)數(shù)器值來判斷哪個(gè)移動(dòng)代理比較新，進(jìn)而選用比較新的移動(dòng)代理所攜帶的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

如果有新節(jié)點(diǎn)加入子網(wǎng)，則由舊節(jié)點(diǎn)復(fù)制一份該子網(wǎng)的拓?fù)湫畔⒔o新加入的節(jié)點(diǎn)，然后重新選擇該子網(wǎng)的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，并且移動(dòng)代理與成員節(jié)點(diǎn)之間互相更新拓?fù)湫畔?，刪除過時(shí)的拓?fù)湫畔ⅲ砑有碌耐負(fù)湫畔?。最后將更新的拓?fù)湫畔⒈泶嬗诿總€(gè)成員節(jié)點(diǎn)中，再?gòu)?fù)制一份存于該節(jié)點(diǎn)的駐留代理中。在移動(dòng)代理離開時(shí)，節(jié)點(diǎn)及移動(dòng)代理都將各自的計(jì)數(shù)器值加1，為移動(dòng)代理所攜帶拓?fù)湫畔⒌男屡f程度的辨別提供了方便。最后，網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)移動(dòng)總代理來收集該子網(wǎng)中所有移動(dòng)代理攜帶的成員節(jié)點(diǎn)拓?fù)湫畔ⅲM(jìn)行整合后把新的拓?fù)湫畔⒈矸祷亟o網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，并且復(fù)制一份發(fā)送給網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)的駐留代理。每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)都是通過移動(dòng)代理來實(shí)現(xiàn)的。

網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送消息給本子網(wǎng)的成員節(jié)點(diǎn)，并等待回應(yīng)。如果某成員節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有回應(yīng)，說明該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不在本子網(wǎng)內(nèi)，移動(dòng)代理則刪除該節(jié)點(diǎn)并更新該子網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，并將新的拓?fù)湫畔⒎祷亟o該子網(wǎng)的網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)之間也周期性地交換各自子網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅲ瑥亩_(dá)到更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪康摹?/p>

3.3 算法流程圖

算法流程圖如圖2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)管理的核心，而基于移動(dòng)代理的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)又是無(wú)線自組網(wǎng)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。本文采用網(wǎng)絡(luò)劃分子網(wǎng)的方法，在每個(gè)子網(wǎng)中選擇一個(gè)網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)，再引入駐留代理，并且保留一半節(jié)點(diǎn)數(shù)目的移動(dòng)代理，使移動(dòng)代理和駐留代理共存。劃分子網(wǎng)能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且便于對(duì)一個(gè)大型的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效管理。引入駐留代理，能夠避免節(jié)點(diǎn)任意移動(dòng)而導(dǎo)致拓?fù)湫畔G失對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋷淼挠绊憽?/p>

本文進(jìn)一步的研究方向是將駐留代理與移動(dòng)代理的比例進(jìn)行精確化，并將其應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合式路由算法中。

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