鄒蕾
(吉林警察學(xué)院 信息工程系,吉林 長(zhǎng)春 130000)
無(wú)線Mesh網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選舉算法研究
鄒蕾
(吉林警察學(xué)院 信息工程系,吉林 長(zhǎng)春 130000)
本文對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選舉進(jìn)行了分析研究.通過(guò)對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究提出一種網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選舉算法.該算法采用路由的機(jī)制確定了尋徑結(jié)果.整個(gè)過(guò)程由三個(gè)部分組成:可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的選舉、網(wǎng)關(guān)的維護(hù).實(shí)驗(yàn)表明該算法具有優(yōu)化、簡(jiǎn)潔、快速收簽以及靈活的特性.
無(wú)線Mesh網(wǎng);Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);路由協(xié)議;網(wǎng)關(guān)選取
無(wú)線Mesh網(wǎng)是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài),通過(guò)802.11、802.16、20.3G等技術(shù)組合成多跳無(wú)線鏈路的無(wú)線Mesh.無(wú)線Mesh可對(duì)系統(tǒng)大面積無(wú)限覆蓋,并且無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)也對(duì)無(wú)限系統(tǒng)提供了高的可靠性和大容量的帶寬.未來(lái)無(wú)線Mesh是一種先進(jìn)的無(wú)線技術(shù).傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是完全不同的網(wǎng)絡(luò).Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心思想是:INTERNET的架構(gòu)采用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,在INTERNET網(wǎng)絡(luò)中,用戶位置主要在網(wǎng)絡(luò)邊緣,網(wǎng)絡(luò)連接方式采用節(jié)點(diǎn)和路由器相連接,如果不同節(jié)點(diǎn)在鏈路失敗后,路由器會(huì)采用通過(guò)其他路由的去尋找新的替代路徑.
Mesh終端的設(shè)備一般采用手機(jī),電腦和PAD等.每個(gè)不同的終端進(jìn)行相互訪問(wèn)和連接構(gòu)成P2P網(wǎng)絡(luò).無(wú)線Mesh網(wǎng)作為一種新型寬帶無(wú)線接入技術(shù)備受學(xué)術(shù)界關(guān)注,逐漸成為下一代WMN的核心.
WMN的核心技術(shù)提供給通過(guò)無(wú)線技術(shù)提供給用連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò).移動(dòng)終端用戶接入無(wú)線接入服務(wù),當(dāng)移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線Mesh網(wǎng)接入Internet時(shí),在無(wú)線Mesh網(wǎng)中需要找到可用的無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為其提供接入Mesh網(wǎng)絡(luò)的服務(wù),所以如何選取網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一直是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問(wèn)題.
這里設(shè)計(jì)用于無(wú)線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選舉算法,主要是采用共同的思路——訪問(wèn)網(wǎng)關(guān).提出一種優(yōu)化的網(wǎng)關(guān)選取算法.
根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)的有關(guān)特性,將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)選舉算法的過(guò)程應(yīng)該分為三個(gè)階段:(1)可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn).(2)最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的選舉.(3)網(wǎng)關(guān)的維護(hù).
2.1 可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)
2.1.1 算法需要維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1.算法的概念描述與定義
(1)協(xié)議圖G(V1,PV,E1,PE):通過(guò)G(V1,E1)在路由協(xié)議中表達(dá)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).其中,節(jié)點(diǎn)集合用V1表示,V1在網(wǎng)絡(luò)中表示網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn),邊集合用EI表示,EI是無(wú)線鏈路,在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中,鏈路,節(jié)點(diǎn)之間在不同的環(huán)境總會(huì)出現(xiàn)失效,所以為了滿足實(shí)際的需求,在協(xié)議圖G中給邊,節(jié)點(diǎn)賦概率值,形成協(xié)議圖G.
(1)路徑的可靠度,在協(xié)議圖G中,目的和源節(jié)點(diǎn)通常采用單路徑傳輸,邊與節(jié)點(diǎn)之間乘積定義為單路徑可靠度.
(2)傳輸路徑:目的,源點(diǎn)之間進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?
(3)路由耗時(shí):到達(dá)傳輸路徑一共消耗的時(shí)間.每項(xiàng)指標(biāo)相加得到最后的耗時(shí)時(shí)間.
(4)路徑軌跡:網(wǎng)絡(luò)傳輸中記錄的節(jié)點(diǎn)序號(hào).
(5)傳輸時(shí)間數(shù)組:在路徑的傳輸過(guò)程中,開(kāi)始從節(jié)點(diǎn)I出發(fā),到節(jié)點(diǎn)J為止,然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)J 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),最后得到的時(shí)間.
2.節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
表1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu),在本算法中模擬一個(gè)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu).假設(shè)節(jié)點(diǎn)是作用在一個(gè)30×30范圍的區(qū)域以內(nèi),設(shè)定在這個(gè)區(qū)域內(nèi)一共有10個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)用字符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9表示),其中有8個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被設(shè)定為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(移動(dòng)節(jié)點(diǎn)用字符0、1、2、3、4、5、6、7表示)和2個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被設(shè)定為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)用字符8、9表示).移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性,它是可以任意移動(dòng)的,它的移動(dòng)范圍是在30×30范圍的區(qū)域之內(nèi);網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不具有移動(dòng)性,它是以固定位置與無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)相連,為了區(qū)別網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)所具有的結(jié)構(gòu)如表1所示.
(1)節(jié)點(diǎn)位置:由于在WMN中具有GPS獨(dú)立定位功能的只有MESH網(wǎng)絡(luò).該定位系統(tǒng)的誤差在1秒鐘之內(nèi)不超過(guò)10米.為了在本文設(shè)定的30×30范圍的區(qū)域以內(nèi)精確的表示出節(jié)點(diǎn)的位置,用兩個(gè)變量表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置.
(2)網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位:網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位是用于節(jié)點(diǎn)是否是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的.在無(wú)線Mesh網(wǎng)中,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是以有線的方式與無(wú)線Mesh網(wǎng)的骨干網(wǎng)相連的,為了表示這個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn),用變量GW表示,當(dāng)GW=1時(shí)證明該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).
3.路由請(qǐng)求消息列表
無(wú)線Mesh網(wǎng)中當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)為了尋找可用的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)而發(fā)起路由時(shí),首先發(fā)送一個(gè)探測(cè)包,其中主要包括的就是RREQ(路由請(qǐng)求消息),該探測(cè)包的結(jié)構(gòu)如表2所示:
表2 路由請(qǐng)求消息
(1)源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符:源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符由字符0~9表示,代表每個(gè)節(jié)點(diǎn)的名稱.
(2)源節(jié)點(diǎn)地址:由節(jié)點(diǎn)位置(x,y)表示.
(3)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)標(biāo)志:由于源節(jié)點(diǎn)要探測(cè)的是網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位(GW)表示.
(4)請(qǐng)求序列號(hào):用于標(biāo)識(shí)路由請(qǐng)求消息列表,由整數(shù)表示.
(5)發(fā)起的請(qǐng)求時(shí)間:源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求消息的起始時(shí)間.
4.路由表
無(wú)線Mesh網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息保存在路由表中,路由信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)保存.如果在路由器中發(fā)現(xiàn)新鏈路時(shí),要把發(fā)現(xiàn)的新信息加入.通過(guò)路由算法實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送找到路徑.路由通過(guò)可節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)方式,可采用直接存儲(chǔ)路由方式,路由表的結(jié)構(gòu)如表3所示:
(1)源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符:源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符由字符0~9表示,代表每個(gè)節(jié)點(diǎn)的名稱.
(2)源節(jié)點(diǎn)地址:由節(jié)點(diǎn)位置(x,y)表示.
(3)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)標(biāo)志:由于源節(jié)點(diǎn)要探測(cè)的是網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位(GW)表示.
(4)請(qǐng)求序列號(hào):用于標(biāo)識(shí)路由請(qǐng)求消息列表,由整數(shù)表示.
(5)發(fā)起的請(qǐng)求時(shí)間:源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求消息的起始時(shí)間.
(6)終止請(qǐng)求時(shí)間:源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求后終止的時(shí)間.
(7)中間節(jié)點(diǎn):每條路徑中源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間接相連的節(jié)點(diǎn),按順序存儲(chǔ).
2.1.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程
在本文中模擬10個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖1如下所示:
圖1 模擬的無(wú)線Mesh網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
圖2是自由無(wú)線Mesh網(wǎng)結(jié)構(gòu),用戶節(jié)點(diǎn),GW,SGW節(jié)點(diǎn)都是無(wú)線終端.在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中,通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)用戶連接INTERNET網(wǎng),若用戶不在網(wǎng)關(guān)的范圍內(nèi),網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)失效,客戶需求重新選擇一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接INTERNET網(wǎng).
在介紹移動(dòng)節(jié)點(diǎn)探測(cè)之前先做如下假設(shè):系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行同樣的路由選擇算法,初始化網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的路由表中路由大小初始值設(shè)為0.假設(shè)節(jié)點(diǎn)SRC_node為連接請(qǐng)求的源節(jié)點(diǎn),連接請(qǐng)求的目的節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)關(guān).
第一階段,SRC_node連接上網(wǎng)絡(luò).源節(jié)點(diǎn)SRC_node要向Internet發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它首先通過(guò)廣播發(fā)送本地路由請(qǐng)求信息RREQ分組,每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ分組都有一定的范圍,這個(gè)范圍由節(jié)點(diǎn)本身的探測(cè)器所決定,假定這個(gè)探測(cè)范圍是一個(gè)定值,由表示.當(dāng)SRC_node發(fā)送RREQ分組時(shí)后,在SRC_node節(jié)點(diǎn)為圓心以這個(gè)定值為半徑的范圍內(nèi),所有相鄰節(jié)點(diǎn)都可以接到這個(gè)RREQ包.RREQ中包含以下信息:目標(biāo)網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位等.
第二階段,在探測(cè)距離范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)收到RREQ分組后,會(huì)選行判斷自己的是不是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),如果它不是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),則會(huì)變成路徑的中間節(jié)點(diǎn),并且進(jìn)行以下操作,通過(guò)軌跡數(shù)組記錄節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí);中間節(jié)點(diǎn)再重復(fù)第一階段的內(nèi)容以自己為圓心在探測(cè)范圍內(nèi)再次進(jìn)行發(fā)送,查找網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).倘若在探測(cè)距離的范圍內(nèi)都沒(méi)有其它的節(jié)點(diǎn)存在或RREQ這個(gè)消息丟失了,則源節(jié)點(diǎn)SRC_node沒(méi)有發(fā)現(xiàn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路徑,它會(huì)重新返回?cái)嚅_(kāi)狀態(tài)并重新發(fā)送路由請(qǐng)求信息.
第三階段,當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GW收到來(lái)自源節(jié)點(diǎn)SRC_node的RREQ分組后,根本自身的網(wǎng)關(guān)標(biāo)志位GW進(jìn)行判斷,證明自己就是源節(jié)點(diǎn)想要找到的網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)就路由請(qǐng)求.
第四階段,網(wǎng)關(guān)把相關(guān)信息進(jìn)行封裝,然后進(jìn)行路由分組,主要包含,網(wǎng)關(guān)點(diǎn)地址,源序列號(hào),路由耗時(shí)等.封裝后,沿著原始傳給源節(jié)點(diǎn).
圖2描述了上面討論的路由發(fā)現(xiàn)的機(jī)制.
圖2 路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制
當(dāng)路由器內(nèi)部表發(fā)生改變,會(huì)及時(shí)把修改的狀態(tài)通知相連接的路由器,保證了數(shù)據(jù)傳輸.如圖3所示節(jié)點(diǎn)路由過(guò)程
圖3 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程
2.2 最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的選舉
通過(guò)上面的網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn),源節(jié)點(diǎn)SRC_node收到從可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)返回的RREP分組信息,即從當(dāng)前的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中找到可達(dá)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由信息,因?yàn)闊o(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)不止一個(gè),所以在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中所找到的可用路由信息和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè).由于網(wǎng)關(guān)的選舉機(jī)制最終僅僅允許每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只能選擇一個(gè)可用網(wǎng)關(guān),所以就必須從這些可用的路由包中進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的選取.網(wǎng)關(guān)尋找過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)收到從可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)返回的應(yīng)答信息RREP中查詢到每個(gè)可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息,將這些參數(shù)信息按照在網(wǎng)關(guān)選取策略中占有的不同比例進(jìn)行綜合計(jì)算,并且最終算出一個(gè)計(jì)算結(jié)果,而這個(gè)計(jì)算結(jié)果就是這個(gè)可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的PRI(優(yōu)先級(jí)).公式如下所示:
公式中通過(guò)下面參數(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)分,選擇路徑指標(biāo):
1.路由大小:也是路徑的長(zhǎng)度,即路徑的跳數(shù),是路徑上所經(jīng)過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)總和.源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求消息時(shí),將路由大小=0,路由每經(jīng)過(guò)一次,記錄都寫(xiě)入路由記錄中.進(jìn)行累加.hop_percent是指路由大小在公式中所占的比例,本算法中hop_percent是給定的一個(gè)定值,hop_percent=10%.
2.可靠性:主要是了路由中鏈接依賴性,一般情況下網(wǎng)絡(luò)鏈接失效較多,如果失效后,網(wǎng)絡(luò)鏈接修復(fù)速度比較快.因?yàn)楣?jié)點(diǎn)作用在無(wú)線Mesh網(wǎng)中具有移動(dòng)性,該節(jié)點(diǎn)的可靠度也是未知的,所以在本文中出現(xiàn)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠度被賦與一個(gè)隨機(jī)值.stab_percent指路由可靠性在公式中所占的比例,本算法中stab_percent是給定的一個(gè)定值.stab_percent=40%.
3.帶寬:指進(jìn)行流通的鏈接容量.一般情況下,以太網(wǎng)鏈接中,10Mbps比64kbps更好.本文中出現(xiàn)的帶寬bandwidth被賦與一個(gè)隨機(jī)值.bandwidth_percent是指帶寬在公式中所占的比例,本算法中bandwidth是給定的一個(gè)定值.bandwidth_percent=20%.
4.路由延遲:節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組傳輸所花的時(shí)間.它由所決定,本文中的delay是一個(gè)隨機(jī)值.delay_percent是路由延遲在公式中所占的比例,它是一個(gè)定值,delay_percent=10%.
5.等待隊(duì)列(team):指路徑中正在等待的業(yè)務(wù)的數(shù)量.由網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)所決定,所以本文中的team是一個(gè)隨機(jī)值.team_percent是等待隊(duì)列在公式中所占的比例,它是一個(gè)定值,team_percent=10%.
6.其它(other):影響路由的其它因素,是一個(gè)隨機(jī)值,other_percent是它在算法中的比例,是一個(gè)定值,other_percent=10%.
2.3 網(wǎng)關(guān)的維護(hù)
由于無(wú)線Mesh網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)具有可移動(dòng)性,所以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)路由中信息應(yīng)進(jìn)行及時(shí)的維護(hù).
算法按照周期,發(fā)送一次探測(cè)包,查找是否有備用的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),如果查找到可用的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),那么重新執(zhí)行網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化選取.否則重新進(jìn)行可用網(wǎng)關(guān)的發(fā)現(xiàn)等全過(guò)程.
這種無(wú)線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分成三個(gè)階段:可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的選舉以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的維護(hù).可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中源移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)探測(cè)并發(fā)現(xiàn)的過(guò)程.最優(yōu)網(wǎng)關(guān)的選舉實(shí)現(xiàn)了從多個(gè)可用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及多條路徑中優(yōu)化選舉出最適合的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),并定期通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)實(shí)現(xiàn)路由表的更新.
總之,由于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及鏈路的易受干擾性,使得數(shù)據(jù)易丟失,采用這種網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選舉算法減少和克服這種缺點(diǎn),是一種較好的解決辦法.
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TP301.6
A
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2016年度吉林省高??茖W(xué)技術(shù)和人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃項(xiàng)目(2016ZCY266)