軌道交通環(huán)境下無線MESH網(wǎng)絡中AODV協(xié)議的改進與仿真

孫懷東，孫宇梁

(1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.湖州師范學院 理學院，浙江 湖州 313000)

無線Mesh網(wǎng)絡是一種新型的無線網(wǎng)絡結構，它因組網(wǎng)靈活、支持范圍大和移動性強等特點,使其在城市軌道交通中具有很好的應用前景[1]。若將傳統(tǒng)的AODV協(xié)議[2]應用于軌道交通環(huán)境下的無線Mesh網(wǎng)絡中，它將采取一種類似于被動網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)的方式來發(fā)現(xiàn)通往網(wǎng)關的路由。當終端有信息要發(fā)送到Internet中，卻沒有通向Mesh Gateway的路由時，將廣播帶有源節(jié)點IP地址和目的網(wǎng)關IP地址等信息的Route Request報文，當具有通往目的節(jié)點的路由的中介節(jié)點或者目的節(jié)點收到Route Request后，此節(jié)點向源節(jié)點發(fā)送Route Reply報文。該報文到達源節(jié)點后，源節(jié)點通往目的網(wǎng)關的路由正式建立。

如圖1所示，軌道交通無線Mesh網(wǎng)絡[3]采用的網(wǎng)絡結構是一種帶狀結構，包含交換控制中心（SCC），Mesh 網(wǎng)關（MPP），Mesh 路由器（MAP），Mesh 客戶終端（MC）4 種網(wǎng)絡實體。 交換控制中心是軌道交通WMN的核心，他一方面接入Internet，另一方面以有線的形式與MPP相連；MAP是部署在軌道交通沿線上的Mesh路由器，它們一方面接受客戶終端的接入，另一方面可以對分組進行路由轉(zhuǎn)發(fā)；MPP是骨干鏈路通往有線網(wǎng)絡的出口，多個MPP使骨干鏈路構成了一個“多出口總線式”網(wǎng)絡結構[4]；MC是部署在交通工具（如：列車、地鐵）上的Mesh終端，要求支持快速AP切換，保證從一個MR切換到下一個MR保持連接不間斷。

圖1 軌道交通WMN結構

由于軌道交通環(huán)境下的無線Mesh網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)大多是由MC發(fā)出，流經(jīng)MAP最終通過MPP到達SCC，數(shù)據(jù)流向的方向性非常明顯。此外，這種網(wǎng)絡結構中MAP及MPP的移動性較小并不需要頻繁更新路由表內(nèi)容。在傳統(tǒng)的AODV協(xié)議中，由于Route Request廣播報文并無方向性，所以若網(wǎng)絡中有多個MC同時發(fā)起路由建立請求，將會導致網(wǎng)絡中充滿大量的廣播請求幀，嚴重影響了網(wǎng)絡吞吐量，占用了寶貴的帶寬資源[5]。因此可以根據(jù)軌道交通WMN網(wǎng)絡結構相對固定且數(shù)據(jù)流向的方向性顯著的特點結合主動的網(wǎng)關路由發(fā)現(xiàn)算法對傳統(tǒng)的AODV協(xié)議進行改進。

1 基于主動網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)算法的AODV協(xié)議PGD_AODV

1.1 改進思想

軌道交通WMN的數(shù)據(jù)大多流向MPP，但是由于Route Request廣播報文沒有方向性，所以其可能在向離MPP靠近的方向轉(zhuǎn)發(fā)的同時也向相反的反向轉(zhuǎn)發(fā)，而后者對于路由建立沒有幫助并且占用了帶寬資源，降低了網(wǎng)絡通信吞吐量。

如圖1所示，虛線箭頭代表傳統(tǒng)AODV協(xié)議中Route Request報文的傳播方向。當MC1節(jié)點需要建立通往交換控制中心的路由時，廣播無方向的Route Request報文，由圖1我們可以看出以目前MC1所處位置，通向MPP1的跳數(shù)要小于通向MPP2的跳數(shù)，所以此時不可能通過MAP2及MAP3建立路由，但是由于傳統(tǒng)AODV協(xié)議中廣播報文的無方向性，所以MAP2、MAP3不會對收到的Route Request報文進行判斷看是否有廣播的必要，所以Route Request報文仍會向該方向轉(zhuǎn)發(fā)，即使在MC1已經(jīng)成功建立了該路由的情況下，Route Request報文仍在該方向上進行廣播，造成了大量不必要的開銷。因此，如果能不可能建立最佳路由的路徑上的節(jié)點對Route Request報文不進行轉(zhuǎn)發(fā)的話，就可以減小對帶寬資源的占用，提高網(wǎng)絡通信吞吐量。

1.2 新增報文結構[6]

由1.1所闡述的改進思想可以看出，如果能夠使不可能建立最佳路由的路徑上的節(jié)點不轉(zhuǎn)發(fā)Route Request報文，則能夠使Route Request報文盡量向靠近目前最優(yōu)MPP節(jié)點的方向傳播。本章提出的PGD_AODV協(xié)議建立了一種主動網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)機制，以便每個MAP節(jié)點或者MC節(jié)點可以學習自己到各個MPP的距離。為支持這種機制，在傳統(tǒng)AODV協(xié)議現(xiàn)有報文的基礎上增加了MPP Hello Message報文，用于MPP節(jié)點廣播自身信息；同時增加了MPP-距離表結構，每個MAP節(jié)點維護一張MPP-距離表，用于保存目前自身到各個MPP節(jié)點的最短距離等信息；最后還對AODV協(xié)議中的Route Request報文結構進行了修改，以支持主動網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)機制。

1.2.1 PGD_AODV的Route Request報文結構

PGD_AODV的Route Request報文結構如圖2。

圖2 PGD_AODV的Route Request報文結構

PGD_AODV的Route Request報文結構與傳統(tǒng)AODV協(xié)議的Route Request報文相比，增加了Handled 標 志 位 （H）、ToOutsideNet標志位 （T）、 距離 MPP跳數(shù)字段（Hop Num）、目標 MPP IP地址字段（Destination MPP Address）, 各 個 新增字段的含義如下：

① Handled標志位：表示本Route Request報文是否已經(jīng)在之前經(jīng)過的節(jié)點中確定了要通往的MPP節(jié)點，若已經(jīng)確定，則本標志位標記為True，否則本標志位標記為False。

②ToOutsideNet標志位：表示本Route Request報文的目的節(jié)點是否是外網(wǎng)節(jié)點。若本Route Request報文的目的節(jié)點的IP地址與源節(jié)點的IP地址不在一個網(wǎng)段（須流向MPP節(jié)點），則本標志位標記為True，否則本標志位標記為False。

③目標MPP IP地址字段：表示目前本Route Request報文經(jīng)歷最少跳數(shù)能到達的MPP節(jié)點的IP地址。

④距離MPP跳數(shù)字段：到達目標MPP節(jié)點所需要的跳數(shù)。

1.2.2 MPP Hello Message報文結構

MPP Hello Message報文結構如圖3。

圖3 MPP Hello Message報文結構

新增的MPP Hello Message報文結構的字段主要有Type（類型）、MPP IP Address（發(fā)送本報文的MPP節(jié)點的IP地 址 ）、MPP Hello Message ID （報 文ID）、Hop Count（跳數(shù)計數(shù)），各個字段的含義如下：

① Type：標識本報文類型為MPP Hello Message報文。

② MPP Hello Message ID：報文 ID，每個MPP Hello Message報文有且只有一個ID，用于唯一標識每個報文，識別重復報文。

③MPP IP Address：發(fā)送本報文的MPP節(jié)點的IP地址，供各個MAP節(jié)點學習。

④ Hop Count：本報文經(jīng)歷的跳數(shù)。

1.3 MPP-距離表表項（MPP-Distance Entry)結構

MPP-Distance表表項結構如圖4所示。

新增的Node-Distance Entry（節(jié)點-距離表表項）結構的字段主要有MPP IP Address（MPP節(jié)點的 IP 地址）、MPP Sequence Number（MPP 序號）、Distance（距離），各個字段的含義如下：

① MPP IP Address：MPP節(jié)點IP地址。

圖4 MPP-Distance表表項結構

② MPP Sequence Number：MPP節(jié)點序號，用于識別舊的Hello Message報文。

③ Distance：本節(jié)點距離MPP IP Address字段對應的MPP節(jié)點的最少跳數(shù)。

1.4 PGD_AODV協(xié)議的工作原理

如果能夠使不可能建立最佳路由的路徑上的節(jié)點能夠不轉(zhuǎn)發(fā)Route Request報文，則能夠使Route Request報文向盡量向靠近目前最優(yōu)MPP節(jié)點的方向傳播。因此需要每個MAP節(jié)點或者MC節(jié)點可以學習自己到各個MPP的距離。這通過MPP節(jié)點周期性廣播MPP Hello Message報文（參考1.2.2）實現(xiàn)。

1.4.1 MAP及MC節(jié)點學習階段描述

MPP節(jié)點廣播MPP Hello Message報文；

MAP節(jié)點或者MC節(jié)點接收到MPP Hello Message報文：

1.4.2 發(fā)起路由更新（建立）階段描述

1.4.3 節(jié)點收到路由請求處理階段描述

1.4.4 協(xié)議整體過程描述

PGD_AODV協(xié)議在處理路由發(fā)起時的效果如圖5所示，其中MAP節(jié)點旁的文字表示該MAP節(jié)點與離它最盡的MPP節(jié)點的距離。

圖5 PGD_AODV協(xié)議執(zhí)行過程圖

當MC1想要建立去往交換控制中心的路由時，先廣播RREQ其中HOP_NUM字段為 2（跳），到達第一個MAP節(jié)點后，其通往目的MPP需要1跳，符合條件，設置HOP NUM為1（跳）后繼續(xù)廣播，分別送往MPP和第二個MAP節(jié)點。當?shù)诙€MAP節(jié)點收到RREQ報文后，發(fā)現(xiàn)通往目的MPP需要2跳而HOP NUM為1（跳），故丟棄該RREQ包不予轉(zhuǎn)發(fā)。實現(xiàn)了RREQ包廣播的方向性。

若按照傳統(tǒng)AODV協(xié)議的方式，向右傳播的RREQ報文不會被丟棄，而會被繼續(xù)傳播至目的節(jié)點，但是返回的RREP報文因為跳數(shù)過大，而導致該路徑不會被采用，所以產(chǎn)生了很多不必要的網(wǎng)絡資源消耗。

顯而易見，PGD_AODV協(xié)議不僅加快了路由建立的時間，同時減少了網(wǎng)絡中的廣播信息，緩解了網(wǎng)絡對帶寬資源的壓力。

2 協(xié)議仿真和結果分析

2.1 仿真環(huán)境

采用NS-3網(wǎng)絡模擬器對傳統(tǒng)AODV協(xié)議和PGD_AODV協(xié)議進行仿真對比，將對網(wǎng)絡吞吐量、平均端到端時延、丟包率進行評估。

20個MAP節(jié)點以及3個MPP節(jié)點呈帶狀分布，每隔5個MAP節(jié)點部署一個MPP節(jié)點，MPP節(jié)點通以有線方式接入交換控制中心。MC節(jié)點沿著帶狀鏈路以54 km/h的速度移動。拓撲圖如表1所示。在MC節(jié)點上安裝On-Off Application以54 Mbps的速率向交換控制中心發(fā)送TCP報文，MAC層協(xié)議采用IEEE802.11 g。仿真模擬時間為147.0 s，MC節(jié)點從0.1 s開始發(fā)送數(shù)據(jù)，147.0 s停止發(fā)送數(shù)據(jù)。分別以Seed值為1～10進行了10次試驗。

表1 仿真參數(shù)表

2.2 結果分析

2.2.1 網(wǎng)絡吞吐量

網(wǎng)絡吞吐量(Throughput)THO表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡（或信道、接口）的數(shù)據(jù)量，在分析Pcap文件時，可以用公式（1）計算平均吞吐量：

公式中,TotalDataReceived是指目的節(jié)點接收到源節(jié)點發(fā)送報文的總字節(jié)數(shù)；SimulationTime指的是從發(fā)送第一個包開始到發(fā)送最后一個包結束之間持續(xù)的時間。仿真結果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡吞吐量

從圖6可以看出，在10次實驗中使用改進PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的吞吐量性能明顯優(yōu)于使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡。經(jīng)過統(tǒng)計，在這10次試驗中使用PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的平均吞吐量約為10.2 Mb/s而使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡平局吞吐量約為3.2 Mb/s，可見使用改進后的AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的吞吐量大約是使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的3倍左右。這是由于改進后的AODV協(xié)議很好的限制了網(wǎng)絡中無用的廣播報文的傳播。

2.2.2 丟包率

丟包率(Packet Loss)是指測試中所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率，通常在吞吐量范圍內(nèi)測試。在分析NS-3日志文件時，以公式（2）來計算丟包率：

公式中TPN表示源節(jié)點發(fā)送的分組總數(shù)，RPN表示目的節(jié)點接收到的分組總數(shù)仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出，在10次實驗中使用改進后的AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的丟包率基本上略低于使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡。

2.2.3 平均端到端時延

時延（Time-Delay）是指一個報文或分組從一個網(wǎng)絡的一端傳送到另一個端所需要的時間。在分析NS-3日志文件時，使用公式（3）來計某一分組的時延，使用公式4來計算網(wǎng)絡平均端到端時延：

公式3中，RT(i)表示目的節(jié)點接受到分組i的時間，ST(i)表示源節(jié)點發(fā)送分組i的時間。公式4表示對N個分組的時延值求平均值。

仿真結果如圖8所示。

圖8 時延

可見看出使用PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡與使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡平均端到端時延相當，但是經(jīng)統(tǒng)計使用PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的端到端實驗數(shù)據(jù)方差小，說明時延抖動均勻，優(yōu)于使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡。

2.2.4 PGD_AODV協(xié)議與傳統(tǒng)AODV協(xié)議在路由修復方面的性能仿真

在傳統(tǒng)AODV協(xié)議中，若某個節(jié)點出現(xiàn)故障，則路徑中有該節(jié)點，且在該節(jié)點之前的各個節(jié)點因收到錯誤報文而移除有關該路徑的路由。再由各個需要通信的源節(jié)點重新發(fā)起路由建立過程。前文已經(jīng)提及，傳統(tǒng)AODV協(xié)議的路由建立發(fā)起過程，勢必造成許多沒有意義的廣播在網(wǎng)絡中傳播，對網(wǎng)絡性能造成不良影響。同時，在PDG_AODV協(xié)議中，由于各個MAP節(jié)點已經(jīng)學習到自己到距離自己最近的MPP節(jié)點的距離，因此，若某條通往MPP的路徑斷裂，則可以更快的完成路由重新建立的過程。本文針對MC節(jié)點周圍的MAP節(jié)點突然不能正常工作的情形，分別應用AODV協(xié)議以及PGD_AODV協(xié)議進行了仿真實驗。仿真環(huán)境及參數(shù)與2.1小節(jié)中介紹的相同。

圖9 AODV協(xié)議在正常情況以及出現(xiàn)節(jié)點損壞情況下的吞吐量對比圖

圖10 PGD_AODV協(xié)議在正常情況以及出現(xiàn)節(jié)點損壞情況下的吞吐量對比圖

本實驗通過在指定時間將節(jié)點移動至無窮遠處來模擬網(wǎng)絡設備的損壞，多次檢測了分別使用AODV協(xié)議和PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡，分別在節(jié)點均正常的情況下以及出現(xiàn)MC節(jié)點周圍的MAP節(jié)點無法正常工作的情形下的網(wǎng)絡吞吐量性能。仿真結果如圖9～10所示。當網(wǎng)絡中出現(xiàn)MC節(jié)點周圍的MAP節(jié)點損壞，相較正常情況網(wǎng)絡平均吞吐量下降明顯。而當網(wǎng)絡使用PGD_AODV協(xié)議時，網(wǎng)絡平均吞吐量在兩種情況下的表現(xiàn)基本相當，這是由于PGD_AODV協(xié)議能夠快速準確地完成路由重新建立的緣故。由本組實驗還可以看出使用PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡的吞吐量性能遠遠優(yōu)于使用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡，這也印證了2.2.1小節(jié)中的結論。

3 結論

針對傳統(tǒng)AODV協(xié)議的路由建立機制會導致網(wǎng)絡中充滿大量無實際意義的Route Request廣播報文，占用大量帶寬資源，嚴重影響網(wǎng)絡吞吐量的現(xiàn)象進行了改進。提出了基于主動網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)算法的AODV協(xié)議（PGD_AODV），通過限制無實際意義的Route Request報文的廣播，來緩解網(wǎng)絡壓力，提高網(wǎng)絡吞吐量。仿真結果表明PGD_AODV協(xié)議相較傳統(tǒng)AODV協(xié)議在同樣的端到端時延水平下，提高了網(wǎng)絡吞吐量，降低了丟包率，緩解了時延抖動。最后，本文在正常情況下與網(wǎng)絡中出現(xiàn)MC節(jié)點周圍的MAP節(jié)點損壞的情況下，分別對應用AODV協(xié)議以及PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡進行了多次實驗，并對得到的網(wǎng)絡平均吞吐量數(shù)據(jù)進行了分析。結果表明，應用PGD_AODV協(xié)議的網(wǎng)絡對于節(jié)點故障的情況并不敏感，網(wǎng)絡吞吐量性能相較正常情況下降不明顯。而應用傳統(tǒng)AODV協(xié)議的網(wǎng)絡出現(xiàn)節(jié)點故障時，網(wǎng)絡吞吐量下降明顯。因此PGD_AODV協(xié)議在路由修復方面的表現(xiàn)要優(yōu)于傳統(tǒng)AODV協(xié)議。