劉穎，唐藝瑋，邵小桃，李旭

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044)

基于無線多跳自組網(wǎng)的混合路由研究

劉穎，唐藝瑋，邵小桃，李旭

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100044)

隨著大規(guī)模無線多跳自組網(wǎng)在軍隊通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，域路由協(xié)議(ZRP)作為一種混合路由協(xié)議，其靈活的路由發(fā)現(xiàn)和維護策略，使其在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了更多的關(guān)注。ZRP的域內(nèi)路由協(xié)議以及域間路由協(xié)議的選取，對協(xié)議整體性能影響巨大。面向具有一定拓撲變化的大規(guī)模無線多跳自組網(wǎng)，基于傳統(tǒng)ZRP框架，優(yōu)化設(shè)計得到改進的域路由協(xié)議。改進協(xié)議中，域內(nèi)路由協(xié)議采用具有更高路由有效性以及較小資源消耗的主動路由策略，域間路由協(xié)議則通過增加過期路由緩存機制降低網(wǎng)絡(luò)控制開銷。通過建模分析驗證了改進協(xié)議的域內(nèi)路由具有更高的有效性；通過軟件模擬平臺NS2仿真，驗證了改進協(xié)議具有更優(yōu)的性能。

通信技術(shù)；無線多跳自組網(wǎng)；混合路由；協(xié)議性能

0 引言

無線多跳自組網(wǎng)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，自組織、易架設(shè)、可擴展性強等優(yōu)勢特點使其在軍隊通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因無線多跳自組網(wǎng)具有無基礎(chǔ)設(shè)施，無中心，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有移動性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇_數(shù)百甚至數(shù)千個節(jié)點的特點，如何保證網(wǎng)絡(luò)性能，對路由協(xié)議設(shè)計來說是較大的挑戰(zhàn)。目前應(yīng)用于無線多跳自組網(wǎng)的路由協(xié)議主要分為3類：主動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議以及混合路由協(xié)議。主動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議均采用固定的路由策略，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，這兩種協(xié)議均暴露出明顯的問題，主動路由協(xié)議因其周期性的路由更新產(chǎn)生過大的路由消耗，而按需路由協(xié)議則因業(yè)務(wù)發(fā)送前的尋路過程導(dǎo)致全網(wǎng)時延性能較差。域路由協(xié)議(ZRP)結(jié)合了主動路由策略與按需路由策略，平衡了兩者的優(yōu)缺點，為大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中的路由尋找和維護提供了一種更為靈活的解決辦法。ZRP草案中給出：域內(nèi)路由協(xié)議(IARP)是一種限制跳數(shù)的主動鏈路狀態(tài)路由協(xié)議,維護到達節(jié)點R跳范圍內(nèi)的所有域內(nèi)節(jié)點的路由信息；域間路由協(xié)議(IERP)是一種按需路由協(xié)議，用以獲取到達R跳以外節(jié)點的路由。

因ZRP在無線多跳自組網(wǎng)中的應(yīng)用具有較大的潛力，為了能夠使得ZRP具有更優(yōu)的性能，大量學(xué)者對ZRP作出了探索性的優(yōu)化改進。文獻[1-3]對ZRP的性能針對不同的場景與其他路由協(xié)議做出了仿真對比分析，仿真結(jié)果表明ZRP性能具有較大提升空間。文獻[4]中將誤比特率作為選路度量值，從而獲得質(zhì)量更優(yōu)的路由。文獻[5]中提出了根據(jù)移動速度和節(jié)點密度來動態(tài)調(diào)整區(qū)域半徑的算法，但運動中的節(jié)點移動速度很難估計，導(dǎo)致實際工程中采用該算法動態(tài)調(diào)整區(qū)域半徑很難實現(xiàn)。文獻[6-8]均針對區(qū)域重疊問題提出了改進優(yōu)化方案：文獻[6]提出了動態(tài)調(diào)整節(jié)點發(fā)射功率和區(qū)域半徑的方案，提高分組投遞率；文獻[7]提出基于位置信息的區(qū)域路由協(xié)議，但由于需要定位技術(shù)支持，使用該方案將提高設(shè)備成本和實現(xiàn)復(fù)雜度；文獻[8]則提出了一種基于簇域機制的ZRP改進協(xié)議(C-ZRP)，在域間利用分層結(jié)構(gòu)進行路由查找，從而降低了路由和網(wǎng)絡(luò)開銷，使得協(xié)議獲得更高的運行效率，但該改進協(xié)議同樣由于需要地理位置信息輔助路由表的建立和更新，且主要針對的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是很大的場景，同時需要簇的維護機制，成本高，實現(xiàn)復(fù)雜。文獻[9]為了減小路由協(xié)議開銷的同時不影響路由精確度，提出了一種基于魚眼狀態(tài)路由協(xié)議(FSR)的ZRP改進協(xié)議(FZRP)，將FSR的思想運用到IARP中，這種改進協(xié)議在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，在不明顯增加時延的同時節(jié)省了開銷，但該改進協(xié)議并未考慮節(jié)點的移動性。文獻[10]為降低開銷，提出了區(qū)域緩存機制，但該機制很難適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲變化快、流量較大的網(wǎng)絡(luò)中。

盡管上述研究對于ZRP性能均可起到改善作用，但本文認為IARP以及IERP的正確選取是使得ZRP獲得良好性能的根本。因此，本文基于傳統(tǒng)ZRP框架，結(jié)合移動Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)更優(yōu)方案(BATMAN)[11]的基本思想以及Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)按需距離矢量(AODV)路由協(xié)議過期路由緩存機制，優(yōu)化設(shè)計得到一種基于BATMAN的ZRP改進協(xié)議(ZRP-B)。ZRP-B首先采用了一種新的基于BATMAN協(xié)議的IARP，該協(xié)議可及時擴散域內(nèi)鏈路信息并形成域內(nèi)路由[12]，相比傳統(tǒng)ZRP協(xié)議：域內(nèi)路由有效保持時間更長，且節(jié)省了重新計算路由表的資源消耗；增加了域間過期路由緩存機制，通過對過期路由的充分利用，避免了短時間內(nèi)反復(fù)多次通過洪泛的方式尋路帶來的不必要開銷。通過軟件模擬平臺NS2對協(xié)議性能進行仿真驗證，仿真結(jié)果表明改進協(xié)議可有效地降低時延，對路由開銷稍有改善。

1 改進協(xié)議ZRP-B

1.1 ZRP存在問題

ZRP域內(nèi)主動路由是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，鄰居維護消息與路由更新消息具有相同的周期且分開完成，且每個節(jié)點在接收到域內(nèi)路由更新包后均需要重新計算路由表，資源消耗大，處理時延長，路由收斂性差。某條鏈路狀態(tài)經(jīng)幾跳傳輸以后很可能已經(jīng)失效，這就導(dǎo)致了路由更新消息中的鏈路信息陳舊，有效性差，影響整體路由質(zhì)量，進而會增大端到端時延、投遞率等；域內(nèi)鄰居維護消息與主動路由更新消息均是以相同周期發(fā)送，這種方式使得鄰居維護消息與路由更新消息做了重復(fù)性的工作，浪費了網(wǎng)絡(luò)資源。

為了解決上述域內(nèi)路由存在的問題，本文提出的改進協(xié)議中取消了鄰居維護消息，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點周期性發(fā)送路由包，域內(nèi)節(jié)點接收到路由包以后直接繼續(xù)廣播路由包，使得域內(nèi)節(jié)點能夠及時獲取鄰居信息以及到達域內(nèi)其他節(jié)點的路由，提高域內(nèi)路由有效性。

除上述問題外，在傳統(tǒng)ZRP路由機制中，路由具有一定的生存時間，這意味著路由過期刪除以后節(jié)點再次需要到同一目的節(jié)點的路由時，需要再次啟動尋路過程。若本次尋路與上一次尋路間隔時間較短，節(jié)點運動范圍有限，大規(guī)模全網(wǎng)廣播尋路消息是不必要的，會造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費[13]。

為了減少域間尋路不必要的轉(zhuǎn)發(fā)，改進協(xié)議中將過期的域間路由進行緩存，在短時間內(nèi)再次需要到達該目的節(jié)點的路由時，無需全網(wǎng)搜索，只需將搜索方向限定在上一次獲取路由的下一跳節(jié)點方向，從而減少無用的轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 ZRP-B具體算法描述

1.2.1 域內(nèi)路由協(xié)議

1)源節(jié)點生成并廣播IARP路由包。源節(jié)點周期性地廣播IARP路由包來通知域內(nèi)節(jié)點發(fā)現(xiàn)它的存在。源節(jié)點需將本機地址添加到路由包中的路由區(qū)域，將生存時間(TTL)值設(shè)為區(qū)域半徑值R(單位為跳數(shù))。

2)域內(nèi)節(jié)點接收并轉(zhuǎn)發(fā)IARP路由包。

①更新路由表。接收到IARP路由包的中間節(jié)點將本節(jié)點地址順序添加至IARP路由包路由區(qū)域內(nèi)，并記錄下路由區(qū)域內(nèi)的路由及鏈路信息，更新本地路由表，繼續(xù)步驟②；

②緩存IARP路由包信息。查看IARP路由包信息緩存表，若已接收過同一源節(jié)點發(fā)來的相同序列號的路由包，則將該路由包丟棄；否則，緩存路由包信息，緩存內(nèi)容包括：源節(jié)點地址和包的序列號，繼續(xù)步驟③；

③更新IARP路由包TTL值。更新路由包中TTL值，若TTL值小于等于0，則將該路由包丟棄；否則，向鄰居節(jié)點廣播IARP路由包。

圖1為一個區(qū)域半徑為2的IARP例圖。節(jié)點S到期廣播IARP路由包，在IARP路由包的路由區(qū)域中添加本機地址，并將TTL值設(shè)為2；A、B、C、D接收到IARP路由包，并分別將本機地址添加至路由區(qū)域，分別記錄下鏈路S-A、S-B、S-C、S-D，并更新到節(jié)點S的路由，然后查看緩存中是否記錄該包信息，若有，則丟棄；否則，更新TTL值，此時TTL值為1，為大于0的值，因而繼續(xù)廣播該路由包；下面以A節(jié)點為例，節(jié)點A繼續(xù)廣播包，節(jié)點S、G、C均會收到，節(jié)點S、C已收到過該路由包，因此節(jié)點S只會記錄下鏈路S-A，節(jié)點C會記錄下鏈路S-A和A-C，并分別更新到達節(jié)點A的路由，然后節(jié)點S和節(jié)點C將包丟棄；節(jié)點G收到路由包，更新TTL值，發(fā)現(xiàn)TTL值為0，記錄下鏈路S-A和A-G并更新到節(jié)點A與節(jié)點S的路由以后將該路由包丟棄，其他節(jié)點接收到域內(nèi)路由包具有相同處理過程。

圖1 IARP例圖Fig.1 Example of IARP

1.2.2 域間路由協(xié)議

1)啟動IERP. 源節(jié)點產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，首先查看本節(jié)點路由表中是否含有到目的節(jié)點的路由條目，若有，則直接發(fā)送；否則，查看過期路由緩存表中是否有到目的節(jié)點的路由條目，若有，生成路由請求(RREQ)包，并發(fā)送至該緩存條目中的下一跳；否則，生成RREQ包，并邊界廣播。

2)中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)處理IERP RREQ包。

①緩存IERP RREQ包。中間節(jié)點接收到IERP RREQ包后，首先查看本節(jié)點的請求緩存中是否存在該RREQ包的相關(guān)信息，若存在，則將該RREQ包丟棄；否則建立到達源節(jié)點的反向路由，并將該請求包的相關(guān)信息添加至緩存中，主要包括請求源節(jié)點、目的節(jié)點、請求包ID，繼續(xù)步驟②；

②轉(zhuǎn)發(fā)RREQ包。中間節(jié)點首先查看目的節(jié)點是否位于本節(jié)點區(qū)域內(nèi)，若在則將RREQ包單播至目的節(jié)點；否則，將上一跳節(jié)點的區(qū)域內(nèi)節(jié)點標(biāo)記為已覆蓋，并查看RREQ包的多播樹節(jié)點地址區(qū)域是否有本節(jié)點的地址，若有則將原RREQ包中多播樹節(jié)點地址區(qū)域的所有地址修改為可到達本節(jié)點所有邊界節(jié)點的鄰居節(jié)點地址，并將本節(jié)點地址順序添加至源路由列表中，繼續(xù)邊界廣播包。

3)目的節(jié)點響應(yīng)RREQ包。目的節(jié)點生成路由響應(yīng)(RREP)包，并沿反向路由將該RREP包單播給源節(jié)點。

圖2為一個區(qū)域半徑為2的IERP例圖。節(jié)點S第1次需要一條到節(jié)點J路由(路由緩存中沒有到節(jié)點J路由的相關(guān)信息)，節(jié)點S將進行邊界廣播路由請求包(RREQ報文沿虛線箭頭方向向外廣播)，其中節(jié)點S的鄰居節(jié)點A、B、C、D位于邊界廣播樹上，它們的地址將被添加至RREQ包的多播樹節(jié)點列表中；鄰居節(jié)點M不在邊界廣播樹上，于是節(jié)點M收到RREQ消息以后，發(fā)現(xiàn)自己緩存中沒有該RREQ消息相關(guān)信息，于是記錄下該RREQ消息信息，然后查看RREQ消息中的邊界廣播樹節(jié)點地址列表發(fā)現(xiàn)自己不在其中，于是將包丟棄不再繼續(xù)廣播；節(jié)點A、B、C、D接收到RREQ包，首先同M記錄下RREQ包信息，然后發(fā)現(xiàn)自己在邊界廣播樹節(jié)點地址列表中，節(jié)點A、B、C查看域內(nèi)路由，沒有到節(jié)點J的路由，于是繼續(xù)邊界廣播RREQ包，而節(jié)點D發(fā)現(xiàn)節(jié)點J位于自己的路由區(qū)域，于是將 RREQ包單播發(fā)送至節(jié)點J，同時繼續(xù)邊界廣播RREQ包，沿路的進行轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點均會按順序?qū)⒈竟?jié)點地址添加至路由請求包的源路由列表中；目的節(jié)點J收到路由請求包，將創(chuàng)建路由響應(yīng)包，將路由請求包中的源路由列表復(fù)制到路由響應(yīng)包中，并按照反向路由方向(J-F-D-S)將包發(fā)送至源節(jié)點S，源節(jié)點S將到達節(jié)點J的路由(S-D-F-J)緩存在域間路由表中，設(shè)置過期時間，然后可向節(jié)點J發(fā)送數(shù)據(jù)。一段時間以后，域間路由表中節(jié)點S到節(jié)點J的路由過期，于是節(jié)點S將到節(jié)點J的路由緩存至域間過期路由緩存中，并設(shè)置過期移除時間(本次過期將刪除該條路由)。在此期間內(nèi)節(jié)點S再次有到節(jié)點J的數(shù)據(jù)需要發(fā)送，本次節(jié)點S首先查看路由表中是否有到節(jié)點J的路由，沒有查到，于是查看域間過期路由緩存，發(fā)現(xiàn)有到節(jié)點J的路由，于是節(jié)點S直接沿路由S-D-F-J單播路由請求包至節(jié)點J，節(jié)點J再生成路由響應(yīng)回復(fù)節(jié)點S，完成本次路由查找過程。

圖2 IERP例圖Fig.2 Example of IERP

1.2.3 路由維護相關(guān)機制

1)斷鏈維護。若節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包過程中，若檢測到斷鏈，節(jié)點將首先刪除本地鏈路狀態(tài)表中存儲的該條鏈路以及路由表中的相關(guān)路由表項，通過鏈路狀態(tài)表重新計算相關(guān)路由。若仍存在可到達該數(shù)據(jù)包目的節(jié)點的路由，則更新數(shù)據(jù)包路由區(qū)域路由，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)包；若沒有，則將包丟棄，并生成路由錯誤(RERR)包，在包中添加斷鏈信息，然后將RERR包廣播，TTL值設(shè)為區(qū)域半徑值R，用以通知域內(nèi)的節(jié)點該條斷鏈。

2)域間路由過期處理。當(dāng)節(jié)點路由表中一條到達域外節(jié)點的路由過期后，將該條路由信息在過期路由緩存中緩存，并從路由表中刪除該條路由信息。過期路由緩存定時到期，過期路由將從過期路由緩存中被刪除。

2 域內(nèi)路由有效性分析

本文使用節(jié)點存儲的平均鏈路有效保持時間作為路由有效性的衡量標(biāo)準(zhǔn)，定義為鏈路平均保持時間與鏈路信息傳遞平均端到端時延(包括處理時延與傳輸時延)之差。

(1)

(2)

ZRP-B IARP中，域內(nèi)路由包發(fā)送周期與傳統(tǒng)ZRP IARP中路由更新消息周期相同，為T. 由于源節(jié)點不攜帶與鄰居節(jié)點間的鏈路信息，因此可直接生成路由更新包，并發(fā)送，節(jié)點在接收到來自其他節(jié)點的域內(nèi)路由包以后，無需重新計算路由，可直接記錄下路由更新包中的路由信息，并直接轉(zhuǎn)發(fā)。因此域內(nèi)鏈路信息在中間節(jié)點平均駐留時間近似為0，因此網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點與鄰居節(jié)點之間的鏈路信息到達域內(nèi)k跳的節(jié)點所需平均端到端時延為

(3)

則ZRP-B IARP中節(jié)點存儲的平均鏈路有效保持時間為

(4)

經(jīng)上述分析可知ZRP-B域內(nèi)路由有效性高于傳統(tǒng)ZRP.

3 ZRP-B仿真與分析

3.1 仿真環(huán)境

本文基于軟件模擬NS2平臺對ZRP-B進行仿真。由于混合路由協(xié)議的產(chǎn)生主要是為了適應(yīng)大規(guī)模且網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較快的場景下，因此，本文仿真中設(shè)置具體仿真場景參數(shù)如表1所示。

表1 仿真場景參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation scene

根據(jù)上述表格設(shè)置的場景參數(shù)，使用NS2下的移動場景生成工具，選用隨機路點模型生成移動場景，并使用流量生成器采用等概率隨機產(chǎn)生每對連接的收發(fā)節(jié)點的方式生成流量場景。

為提高仿真數(shù)據(jù)可靠性，針對表1場景參數(shù)設(shè)置生成多組移動場景文件與流量場景文件進行多次試驗，最終通過平均仿真結(jié)果來估計路由協(xié)議性能。

3.2 仿真結(jié)果及分析

通過仿真結(jié)果，本文主要從平均端到端時延τ、包投遞率ρ以及控制開銷占比η3個方面對ZRP-B與傳統(tǒng)ZRP進行對比分析。

如圖3所示，ZRP-B的端到端時延明顯優(yōu)于傳統(tǒng)ZRP. 由第2部分路由有效性分析知，當(dāng)ZRP-B與ZRP具有相同更新周期的情況下，ZRP-B所獲得的域內(nèi)路由有效性更高，因而可有效降低發(fā)包過程中因路由質(zhì)量導(dǎo)致的重傳概率，進而降低了整體的端到端時延。

圖3 ZRP與ZRP-B平均端到端時延對比圖Fig.3 Average end-to-end delay comparison of ZRP and ZRP-B

圖4 ZRP與ZRP-B投遞率對比圖Fig.4 Delivery ratios of ZRP and ZRP-B

圖5 ZRP與ZRP-B路由開銷對比圖Fig.5 Routing overheads of ZRP and ZRP-B

圖4為兩個路由協(xié)議投遞率的對比關(guān)系，從圖4中可以看出，ZRP-B投遞率相對傳統(tǒng)ZRP稍有提高，這是因為ZRP-B獲得的路由具有更好的有效性，降低了數(shù)據(jù)包發(fā)送途中因路由失效或中斷導(dǎo)致丟失的概率。

圖5為仿真得到的ZRP與ZRP-B路由控制開銷占比對比圖。兩種協(xié)議在3.1仿真場景設(shè)置之下，IARP開銷基本相當(dāng)，而ZRP-B的IERP增加了過期路由緩存機制，有效減少了域間路由尋路過程洪泛導(dǎo)致的開銷，因此ZRP-B相比傳統(tǒng)ZRP協(xié)議路由開銷稍有減少。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的ZRP協(xié)議在域內(nèi)路由有效性、資源消耗以及域間尋路開銷方面的不足之處，提出了一種改進的混合路由協(xié)議ZRP-B，通過采用類似BATMAN的主動路由策略以及域內(nèi)斷鏈維護提高了路由有效性，減小了資源消耗，降低了端到端時延，同時通過增加域間過期路由緩存機制降低了路由控制開銷。通過仿真結(jié)果和對比分析，改進協(xié)議ZRP-B在整體性能上優(yōu)于傳統(tǒng)ZRP，尤其在時延方面改善顯著。

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Hybrid Routing Protocol for Wireless Multi-hop Ad Hoc Networks

LIU Ying，TANG Yi-wei，SHAO Xiao-tao，LI Xu

(School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044，China)

Since the large-scale wireless multi-hop ad hoc networks have been widely used in military communications, emergency communications and other fields, the zone routing protocol (ZRP), as a hybrid routing protocol, has been paid more attention in the large scale network application because of its more flexible routing discovery and maintenance strategy. The selection of intrazone routing protocol and interzone routing protocol of ZRP has great impact on the overall protocol performance. An improved zone routing protocol based on the traditional ZRP framework is proposed for large-scale wireless multi-hop ad hoc network that has certain topological changes. In the improved protocol, the intrazone routing protocol uses a more effective and less resource consumption routing strategy, and the interzone routing protocol uses an expired routing cache mechanism to reduce network overhead. The modeling and analysis results show that the improved routing protocol has higher validity. It is verified through NS2 simulation that the improved protocol has better performance.

communication technology; wireless multi-hop ad hoc network; hybrid routing protocol; protocol performance

2016-04-05

國家自然科學(xué)基金項目(61371068)；國家“863”計劃項目(2015AA01A705)；國家科技支撐項目(2014BAK02B04)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2014JBZ002)

劉穎(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail: liuying@bjtu.edu.cn

TN915.04

A

1000-1093(2017)01-0184-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.01.024