IMAODV路由協(xié)議在高速移動的網(wǎng)絡中的應用

傳統(tǒng)的AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector）路由協(xié)議只以路由跳數(shù)為度量，沒有考慮到鏈路穩(wěn)定情況，因此，無法更好地適應節(jié)點高速移動的網(wǎng)絡環(huán)境。

為此，提出了一種改進的AODV路由協(xié)議，即IMAODV（Improved AODV）路由協(xié)議。該協(xié)議主要從路由度量值、HELLO消息的發(fā)送頻率、鄰居節(jié)點的監(jiān)聽方式等幾個方面對AODV進行改進，使之在移動網(wǎng)絡中具有較好的擴展性和魯棒性。仿真結果表明，IMAODV協(xié)議能夠較好地適應高速移動的網(wǎng)絡環(huán)境，并在一定程度上降低網(wǎng)絡時延和增加網(wǎng)絡吞吐量。

    移動自組網(wǎng)（MANET）是由一系列移動終端組成的無固定基礎設施的多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)[1]，其拓撲結構因為節(jié)點電量不足或是移動而變化，所以MANET的路由協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議有著很大的區(qū)別。
　目前,移動網(wǎng)絡中較成熟、較典型的路由協(xié)議有DSDV、DSR、AODV、ZRP等[2]。其中，AODV路由協(xié)議[3]是一種經(jīng)典的按需路由協(xié)議，它在一定程度上比其他協(xié)議有較小的路由開銷和更好的擴展性能，但是這種路由協(xié)議在網(wǎng)絡拓撲頻繁變化的情況下,路由斷鏈的幾率很大，其網(wǎng)絡性能下降很快，無法保證較高要求的服務質量。
　針對高速移動自組網(wǎng)的特性，本文提出一種基于AODV的改進路由協(xié)議，即IMAODV，它在路由度量值、斷鏈修復策略以及HELLO消息機制上做了修改，使之能有效地降低網(wǎng)絡延遲，提高網(wǎng)絡的吞吐量。通過NS2仿真可以看到，本文提出的IMAODV路由協(xié)議與傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議相比具有一定的優(yōu)勢：它既能降低中高速移動自組網(wǎng)的網(wǎng)絡延時，又能在一定程度上提高網(wǎng)絡吞吐量；同時，IMAODV路由協(xié)議能夠較好地適應無線網(wǎng)絡環(huán)境，有效提高網(wǎng)絡性能。
1 IMAODV路由算法
1.1 AODV
　傳統(tǒng)自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為主動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議[4]，由于移動自組網(wǎng)存在著動態(tài)多變特性，主動路由協(xié)議應用在移動網(wǎng)絡中有著明顯的缺陷，所以實際中經(jīng)常使用的都是按需路由協(xié)議[5]。
   AODV是Ad-hoc網(wǎng)絡的經(jīng)典路由協(xié)議，它是由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護組成。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示。而在路由維護中,節(jié)點通過周期性地發(fā)送HELLO包維持與鄰居節(jié)點的連接，若一段時間后還未收到鄰居節(jié)點的HELLO包，則開始鏈路修復過程。若本節(jié)點離目的節(jié)點較近，則進行本地修復，發(fā)送RREQ進行路由重建，當中間節(jié)點有到不可達節(jié)點的有效路由或者不可達節(jié)點收到此RREQ后就發(fā)送一個路由回復RREP給源節(jié)點，這樣路由就得到了重建。若鏈路修復失敗，則節(jié)點向所有的鄰居節(jié)點廣播RERR包，RERR包中的不可達節(jié)點列表不僅包括了鏈路斷開的鄰居節(jié)點，還包括了以此鄰居節(jié)點作為下一跳的所有目的節(jié)點。通過RERR的廣播，其他節(jié)點便知道鏈路斷開了，當此包傳到源節(jié)點時，將進行新一輪的路由發(fā)現(xiàn)。

1.2 IMAODV路由算法
　AODV雖然也能適應動態(tài)變化的網(wǎng)絡，但是它的機制并不靈活,不能根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境動態(tài)調節(jié)發(fā)送頻率，再者路由度量值僅僅考慮了跳數(shù)信息，且路由單一，所以不能滿足移動環(huán)境較為復雜或移動速度較高的網(wǎng)絡環(huán)境。為了更好地滿足移動自組網(wǎng)的服務要求，本文將針對高速移動環(huán)境提出的IMAODV，在AODV協(xié)議的基礎上做出以下改進，以改善網(wǎng)絡的吞吐量和平均端到端延遲。
1.2.1節(jié)點度量值的選取
    以跳數(shù)為度量的AODV,容易造成大量數(shù)據(jù)通過少量節(jié)點傳輸引起網(wǎng)絡的阻塞，而導致分組延時過大，吞吐量下降[6]。為了緩解這種情況，本文在路由度量值的選取中將考慮以下因素：
    節(jié)點移動速度：節(jié)點的移動速度越大，鏈路越不穩(wěn)定，所以在選擇路由時要選移動速度較低的中間節(jié)點，避免因節(jié)點移動造成斷鏈的路由重啟過程，以降低網(wǎng)絡開銷。
    延遲：路由過程中，延遲越小，數(shù)據(jù)傳輸才能顯示其時效性。
　 跳數(shù)：跳數(shù)越少，在某種程度上，所消耗的網(wǎng)絡資源越少。
　 考慮到節(jié)點的計算復雜度，路由度量值：
   
其中hop代表跳數(shù)，nodenum表示網(wǎng)絡總的節(jié)點數(shù)，delay代表上一跳節(jié)點到本節(jié)點的延遲，speed代表本節(jié)點的移動速度，max speed代表網(wǎng)絡中節(jié)點的最大移動速度，w1、w2和w3分別代表權值,其中，w1+w2+w3=1，本協(xié)議中w1、w2和w3的值分別取為0.7、0.2和0.1。當metric的值越小，路由鏈路的穩(wěn)定度越高，網(wǎng)絡延遲越小。
1.2.2 節(jié)點功能的改進
　傳統(tǒng)AODV中源節(jié)點只保留一條到目的節(jié)點的路由，當主路由上的鏈路斷開時，源節(jié)點重新開始進行路由發(fā)現(xiàn)幾率較大，容易造成過大的路由開銷和較大時延。為改善這種情況，本文提出的IMAODV，利用無線通信中廣播信道偵聽到的相鄰節(jié)點發(fā)給其他節(jié)點的RREP信息建立備用路由[7-8],通過增加節(jié)點的功能,使之具有監(jiān)聽路由控制信息的能力。
1.2.3 Hello機制的改進
   IMAODV中對HELLO消息做兩方面改進： (1)是為HELLO消息設置了一個標志。初始化為TURE，節(jié)點發(fā)送HELLO消息，當節(jié)點有路由或數(shù)據(jù)信息需要廣播時，標志設為FALSE。如果HELLO發(fā)送周期再次到來，先檢查標志，如果為FALSE，則改變狀態(tài)為TURE后不作任何處理，直至下一個周期的到來，再繼續(xù)檢查標志；當標志為TURE時，則發(fā)送HELLO消息，同時每個節(jié)點在接收路由包或是數(shù)據(jù)包的時候，要更新鄰居的生存時間，這樣可以降低發(fā)送HELLO消息的開銷。(2)由于節(jié)點的移動，會造成網(wǎng)絡拓撲的變化，HELLO消息的固定發(fā)送肯定不能有效地捕捉到網(wǎng)絡拓撲信息，為了保證鏈路的有效性，本文將根據(jù)節(jié)點自身的速度來調節(jié)HELLO包的發(fā)送頻率,發(fā)送頻率與節(jié)點的移動速度成正比，流程如圖2所示。

1.2.4 鏈路修復的改進
   由于IMAODV路由中每個節(jié)點對路由應答包具有偵聽功能，所以主路徑上節(jié)點的一跳鄰居都能夠偵聽到此包，所以都能通過主路徑上的節(jié)點建立到目的節(jié)點的路由，這樣就形成了多個到目的節(jié)點的備份路由。當主路由上的某條鏈路斷開時，便可以通過路由請求RREQ進行局部修復。為了減小路由請求的開銷，本文設置了路由請求的生存期為2跳，中間節(jié)點收到路由請求時，若路由生存期不為0，則查找自己是否有到目的節(jié)點的路由。若有，則按原AODV的方式進行應答，若沒有則繼續(xù)廣播路由請求消息，直到生存期變?yōu)?時丟棄包。當局部修復失敗時，節(jié)點再廣播路由錯誤包。
1.2.5 IMAODV路由協(xié)議
　IMAODV在路由請求、路由應答以及路由表中添加metric字段，以記錄路徑上每個節(jié)點的累計路由度量值。當源節(jié)點需要通信路由時，先初始化metric為0，再廣播這個RREQ包啟動路由發(fā)現(xiàn)過程。中間節(jié)點的路由表段中添加一個rt_metric，記錄從源節(jié)點到該節(jié)點路徑上的路徑度量最小值，中間節(jié)點收到非重復的RREQ包時，將自身的metric值累加到路由RREQ中的rq_metric上，再繼續(xù)轉發(fā)。如果節(jié)點已經(jīng)收到了同一源節(jié)點相同的廣播ID的RREQ，且包的目的序列號大于路由表中序列號，則直接更新路由，若相等就通過比較rq_metric與rt_metric，選較小者作為本路由表項中的rt_metric，即更新路由表項再轉發(fā)包。當路由請求包到達目的節(jié)點時，目的節(jié)點將選擇一個擁有較小metric的路由，發(fā)送路由回復RREP。路由應答是以單播的方式傳送，接收到此包的節(jié)點時,首先根據(jù)接收包中下一跳信息判斷本節(jié)點是監(jiān)聽節(jié)點還是正常的路由應答節(jié)點,如下一跳ID不等于本節(jié)點ID，則本節(jié)點是監(jiān)聽節(jié)點，此時記錄到目的節(jié)點的路由后不再轉發(fā),否則是主路徑上的節(jié)點，則按照傳統(tǒng)AODV路由應答的方式進行處理。圖3為IMAODV路由建立的流程。
   在圖3中，路由建立或更新是根據(jù)路由序列號和路由度量值來決定的。如果是第一次收到路由請求包，則建立路由；若收到請求包中的目的節(jié)點序列號大于路由表中存儲的目的節(jié)點序列號或是等于路由表中存儲的目的序列號，但路由表中的路由度量值大于請求包中的路由度量值，則更新路由。“是否忽略”檢查是否收到重復的包，若是，則丟棄；否則更新路由表和請求包信息再轉發(fā)。

2 仿真分析
2.1仿真環(huán)境
　仿真工具采用NS-2.30[7]版本，網(wǎng)絡的拓撲環(huán)境是一個包含50個移動節(jié)點的網(wǎng)絡模型，節(jié)點隨機分布在1 000 m×1 000 m的正方形區(qū)域內，并設置節(jié)點的移動速度在0 m/s~40 m/s之間,每個節(jié)點的無線接口帶寬為2 Mb/s,有效無線發(fā)射范圍為250 m,鏈路層采用無線802.11 MAC協(xié)議,在50個節(jié)點中隨機產(chǎn)生4對恒定比特率的CBR連接，每個分組的長度為512 B,每秒發(fā)送4個包,為了考察改進的協(xié)議在網(wǎng)絡仿真環(huán)境中的性能，本文將模擬節(jié)點速度在0~20 m/s時由于停留時間(pause time)、網(wǎng)絡中節(jié)點間最大連接數(shù)以及節(jié)點的速度的變化對網(wǎng)絡吞吐量的影響，還有節(jié)點移動速度變化對網(wǎng)絡平均端到端延遲的影響,設置了在相同環(huán)境下與AODV作比較，給出了仿真結果。
2.2 仿真結果及性能分析
   圖4顯示了端到端延遲與節(jié)點移動速度的關系，由此可知IMAODV協(xié)議的平均端到端延遲隨節(jié)點移動速度的增大優(yōu)于AODV協(xié)議，其原因是在路由度量中考慮了每一跳的延遲，且改進的HELLO機制的發(fā)送頻率與節(jié)點移動速度有關，能較快地發(fā)現(xiàn)路由斷鏈情況并做出相應處理。圖中節(jié)點最大速度為5 m/s時，由于處于低速狀態(tài)，IMAODV優(yōu)勢并不突出，較AODV的延遲大，但是隨著節(jié)點的移動速度的增加，IMAODV的平均端到端延遲低于AODV；當節(jié)點最大移動速度達到40 m/s時，IMAODV的延遲約為AODV延遲的1/2。從總體來看,隨著節(jié)點移動速度的增加，IMAODV延遲有所下降。

   圖5中IMAODV在路由度量值和HELLO消息機制中考慮到節(jié)點移動速度的影響，并且節(jié)點具有偵聽路由應答的功能，使其具有多條到目的節(jié)點的路由。這樣在斷鏈的時候能夠及時地恢復路由，進行數(shù)據(jù)傳輸，隨著節(jié)點速度的提高，IMAODV的吞吐量明顯優(yōu)于AODV，如圖5所示,在節(jié)點最大移動速度為10 m/s和15 m/s時，IMAODV能提供比AODV高29.4%和34.3%的網(wǎng)絡吞吐量。
   圖6中反映了節(jié)點停留時間與吞吐量的關系，此時場景中節(jié)點的最大移動速度為20 m/s,停留時間在40  s、50 s以及150 s時，IMAODV的吞吐量較AODV略有下降，原因是這些場景中中間節(jié)點的移動速度較小，由于新協(xié)議中路由度量是多個方面的折中考慮，所以在移動速度不明顯的時候，IMAODV的優(yōu)越性就不太明顯，但總體性能較AODV好。

　圖7是最大節(jié)點移動速度為20 m/s時，網(wǎng)絡中節(jié)點連接增加對網(wǎng)絡吞吐量的影響。圖中兩個協(xié)議的吞吐量都隨著網(wǎng)絡中節(jié)點連接數(shù)的增加而增大。明顯地，由于考慮了節(jié)點的移動速度，改進后的協(xié)議能夠較快地捕捉節(jié)點間的斷鏈情況，并做出較快的路由重建處理，使得圖中IMAODV比AODV能產(chǎn)生較高的吞吐量。

　本文針對移動自組織網(wǎng)絡中節(jié)點的移動速度對路由協(xié)議的影響對AODV協(xié)議做了改進，提出了一種新的改進路由協(xié)議IMAODV(Improved AODV)。該協(xié)議在對HELLO消息機制及路由修復機制做出優(yōu)化的同時，在MAC層做了優(yōu)化以使節(jié)點具有偵聽功能，使之能夠在節(jié)點以中高速運動的條件下建立較穩(wěn)定的路由，降低了分組傳輸端到端的平均延遲，并提高了網(wǎng)絡的吞吐量。仿真結果表明，該協(xié)議能較好地適應移動自組織網(wǎng)絡的通信環(huán)境。
    下一步工作將對路由協(xié)議做多接口擴展和跨層的優(yōu)化處理，以進一步提高路由算法的性能。