動(dòng)態(tài)均衡無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的AODV協(xié)議設(shè)計(jì)

張 莉，馬苗立

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展非常迅速，在未來的幾十年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在很大的程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心問題是無線網(wǎng)絡(luò)的通信能力，有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題[1]。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信能力，也要考慮網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載問題。由于無線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信能力有強(qiáng)有弱，AODV協(xié)議中的跳數(shù)最小路由判據(jù)可能會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載集中流向通信能力差的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，造成這些節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)堵塞，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信能力[2-3]。同時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)的能量消耗過多的應(yīng)用到與周圍節(jié)點(diǎn)建立通信連接上，這也會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)能量的浪費(fèi)[4]。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種均衡負(fù)載的AODV協(xié)議，該協(xié)議引入了無線通信成功率的概念，將路由的判據(jù)由原來的跳數(shù)最小改進(jìn)為通信成功率最高，很好的避免了網(wǎng)絡(luò)的阻塞，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

1 AODV協(xié)議簡(jiǎn)介

AODV路由協(xié)議是按需改進(jìn)的距離向量路由協(xié)議，它包括多種控制消息：路由請(qǐng)求消息 Routing Request(RREQ)，路由應(yīng)答消息 Route Replies(RREP)和路由錯(cuò)誤消息 Route Error(RERR)，路由應(yīng)答認(rèn)可消息(RREP-ACK)，Hello 消息等[5]。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)靠發(fā)送hello消息與周圍的節(jié)點(diǎn)建立連通關(guān)系[6]。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)布消息而又沒有有效路由時(shí)，就會(huì)發(fā)送一個(gè)路由請(qǐng)求消息，開啟一個(gè)尋找路由的過程，找到有效路由后目標(biāo)節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)路由應(yīng)答消息到源節(jié)點(diǎn),源節(jié)點(diǎn)將保存該路由到路由項(xiàng)表[7]。如果源節(jié)點(diǎn)收到無法尋求到有效路由的錯(cuò)誤信息或?qū)で蟪瑫r(shí)則表示到該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有有效路由。在路由尋求的過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)建立起到其他節(jié)點(diǎn)連通性的路由項(xiàng)表。路由項(xiàng)表維護(hù)了該節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的最新連通情況[7,8]。

2 LD-AODV協(xié)議

2.1 判據(jù)改進(jìn)

無線網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的路由判據(jù)是路由選擇的依據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)的AODV路由協(xié)議中，路由判據(jù)是跳數(shù)最少[9]，但是這種判據(jù)容易造成數(shù)據(jù)的堵塞和無線網(wǎng)絡(luò)能量的浪費(fèi)[10]。為了解決網(wǎng)絡(luò)堵塞的問題，本論文將無線網(wǎng)絡(luò)的路由判據(jù)由原來的跳數(shù)最小，修改為通信成功率最高。

2.2 通信成功率的獲取

在標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議里一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其周圍其他節(jié)點(diǎn)的連通性的建立是靠該節(jié)點(diǎn)定期向周圍節(jié)點(diǎn)廣播hello消息，周圍節(jié)點(diǎn)向該節(jié)點(diǎn)回復(fù)應(yīng)答消息，這個(gè)過程就使該節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)建立起連接。本文中為了獲取通信成功率，節(jié)點(diǎn)在向其周圍節(jié)點(diǎn)廣播hello消息時(shí)將一個(gè)改為一組，節(jié)點(diǎn)根據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)收到的應(yīng)答消息的個(gè)數(shù)來獲取通信成功率,具體如公式1所示，

(1)

式中，Pi是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的通信成功率，Ri代表源節(jié)點(diǎn)接收到的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的Hello消息個(gè)數(shù)，T表示源節(jié)點(diǎn)在該時(shí)間段內(nèi)廣播的Hello消息個(gè)數(shù)。

2.3 消息格式的修改

為了適應(yīng)路由判據(jù)的修改，AODV的消息格式也做了相應(yīng)的修改，在每一種消息格式內(nèi)都增加了2個(gè)字節(jié)的通信成功率數(shù)據(jù)。路由請(qǐng)求消息修改為表1的格式。

表1 修改后的RREQ消息格式

改進(jìn)的RREQ協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)的RREQ協(xié)議相比，唯一的區(qū)別是在協(xié)議里增加了32個(gè)位，其中16位用于存儲(chǔ)與其他節(jié)點(diǎn)的通信成功率，其他16位保留，默認(rèn)為0. 值得提出的是，其他的控制消息與標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議的格式一致[11，12]。

2.4 路由通信成功率的獲得

每條路由的通信成功率表示了該路由目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包成功的概率，和該條路由上所有節(jié)點(diǎn)之間的通信成功率有關(guān)，具體計(jì)算如式2所示。

(2)

式中，Mj表示從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的第j條路由總通信率；n表示第j條路由的跳數(shù)；Pji表示每一跳的通信成功率。

3 效果驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

為了能夠真實(shí)的驗(yàn)證LD-AODV協(xié)議的工作性能，專門設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件。利用若干個(gè)硬件組成一個(gè)特殊的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件主要由單片機(jī)stm32f103r8t6和無線射頻模塊nrf2401組成。硬件設(shè)計(jì)電路框圖如圖1所示。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由ID標(biāo)識(shí)、網(wǎng)口、串口、外部擴(kuò)展器及無線通信單元NRF2410組成。其中：

(1) ID標(biāo)識(shí)給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供唯一的8位節(jié)點(diǎn)序號(hào)，該節(jié)點(diǎn)序號(hào)由硬件提供，保證了節(jié)點(diǎn)程序的一致性。

(2) 網(wǎng)口和串口為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸提供了接口。

(3) 外部擴(kuò)展存儲(chǔ)用于傳輸數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信成功率不高的時(shí)候，可以將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)暫存本地，防止因網(wǎng)絡(luò)阻塞造成數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，擴(kuò)展的存儲(chǔ)器還開辟了一定的空間用于路由項(xiàng)表的存儲(chǔ)。

(4) NRF2401是節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)通信單元，可以通過與其連接的放大器來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的通信能力，本文為了驗(yàn)證協(xié)議的有效性，通過調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)及加遮擋物的方式來獲得不同通信距離的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

另外，由于本文所選用的NRF2401每次通信字節(jié)數(shù)有限，在實(shí)驗(yàn)過程中，進(jìn)一步將AODV的協(xié)議格式進(jìn)行了壓縮，其中包括：1)對(duì)預(yù)留位的刪除；2)對(duì)協(xié)議字節(jié)數(shù)的縮減等。

3.2 驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

在驗(yàn)證LD-AODV無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，設(shè)計(jì)了10個(gè)圖1所示的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的分布到一個(gè)空曠的測(cè)試環(huán)境內(nèi)。利用硬件上的接口可以隨意的切換硬件的運(yùn)行模式。該網(wǎng)絡(luò)可以單獨(dú)獲得任意節(jié)點(diǎn)的與周圍節(jié)點(diǎn)的連通情況，也可以按照特定的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了驗(yàn)證效果，我們?cè)O(shè)計(jì)了一條從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10的尋找路由的過程。為了很好的驗(yàn)證LD-AODV的改進(jìn)效果，實(shí)驗(yàn)中將節(jié)點(diǎn)10進(jìn)行了特殊處理，其中10(1)表示節(jié)點(diǎn)10的功率放大器放大倍數(shù)被調(diào)至最小時(shí)的通信成功率，10(2)表示節(jié)點(diǎn)10在(1)的基礎(chǔ)之上再通過放置遮擋物進(jìn)行部分方向上信號(hào)的屏蔽。具體的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 效果驗(yàn)證方法

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以在不同的運(yùn)行模式下運(yùn)行，為了直觀的觀察LD-AODV無線網(wǎng)絡(luò)的工作情況，首先將各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在獲取各節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)連通情況的模式下，獲得各節(jié)點(diǎn)之間的通信情況，某一時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)間的通信情況見表2。

表2 各節(jié)點(diǎn)與周圍節(jié)點(diǎn)的連通情況

為了能夠直觀的看到數(shù)據(jù)通信的詳細(xì)過程，測(cè)試自組的網(wǎng)絡(luò)可以通過設(shè)置使其工作在標(biāo)準(zhǔn)的AODV和LD-AODV兩種協(xié)議下，并且網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)在傳輸過程中添加的數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂叫畔?，為了能夠更加清晰的看到?shù)據(jù)的傳輸過程，數(shù)據(jù)在傳輸過程中每一跳都進(jìn)行了通信成功重發(fā)與確認(rèn)。為了觀察算法的尋求路由的過程，從源節(jié)點(diǎn)開始，將每個(gè)路過的節(jié)點(diǎn)信息保存到尋找路徑的信息中，具體的信息存儲(chǔ)見表3。

表3 數(shù)據(jù)含義

3.4 效果驗(yàn)證結(jié)果

為了對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)AODV協(xié)議和LD-AODV協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程，讓兩種協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)傳輸。表4是兩種協(xié)議下數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10的數(shù)據(jù)通信情況。

表4 兩種通信協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)比

續(xù)表

從表4的數(shù)據(jù)傳輸過程來看，在節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10的數(shù)據(jù)通信過程中，在第一種情況下 LD-AODV協(xié)議成功的避開了通信成功率低的3號(hào)節(jié)點(diǎn)，在第二種情況下節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)10是可聯(lián)通的，但是成功率較低，LD-AODV協(xié)議選擇了1-4-6-8-10將通信成功率提升到了76.3%。而標(biāo)準(zhǔn)的AODV協(xié)議選擇了1-10的直接聯(lián)通，其通信成功率為31.5%。從以上分析可知LD-AODV協(xié)議的路徑選擇是通訊成功率最高的路徑。

從總體上看LD-AODV協(xié)議由于在路由選擇過程中避讓了通信能力較差的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，所以減少了數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)。被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)的減少勢(shì)必會(huì)減輕整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，從而可以減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

在數(shù)據(jù)通信過程中，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信能力與和它通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有關(guān)系，通信能力差是相對(duì)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)而言的，某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信能力會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)通信的源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的不同而不同。所以本文所提出的LD-AODV協(xié)議動(dòng)態(tài)的均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。

另外，由于測(cè)試環(huán)境是多變的，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)時(shí)通信成功率是變化的，所以測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際的理論結(jié)果有一定的偏差。表4中的數(shù)據(jù)是五次測(cè)試的平均值。

4 結(jié)論

(1) 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定期廣播hello消息組，通過接收到的響應(yīng)信息個(gè)數(shù)獲取了與周圍節(jié)點(diǎn)的通信成功率，并將其保存到路由項(xiàng)表里。

(2) 將通信成功率指標(biāo)作為了信息是否經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的判斷依據(jù)，有效的避開了成功率較差的節(jié)點(diǎn)，增加了網(wǎng)絡(luò)的通信成功率。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LD-AODV協(xié)議避讓了通信能力較差的中間節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布，在一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)的消息堵塞問題，同時(shí)優(yōu)化了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。