基于無線Mesh網路由協議的研究及優化

朱昌洪

（桂林理工大學 博文管理學院，廣西 桂林 541006）

無線 Mesh網 WMN（Wireless Mesh Networks）也稱無線網狀網或無線網格網，是一種新型的無線“多跳”寬帶網絡，一種高容量、高速率的分布式網絡。WMN是由移動Ad hoc網絡發展演變而來，并結合了 WLAN（Wireless Local Area Networks）的一些關鍵技術，但更類似于移動Ad hoc網絡的結構和性能。

1 WMN路由協議設計

由于WMN的結構與移動Ad hoc網絡和WLAN都有所不同，因此必須設計適合WMN的路由協議。WMN從本質上來說是屬于移動Ad hoc網絡，而無線“多跳”網絡所共同面對的一個關鍵問題就是如何選擇合適的路由。因此，其路由協議設計原則上可以沿用移動Ad hoc網絡的路由協議，但需要考慮其自身的特點。

WMN的網絡結構如圖1所示。從圖1可以看出，Mesh骨干網和終端用戶網具有各自的特點。WMN的骨干網路由器（MR）移動性非常低，并且不受能耗限制，而終端用戶則由電池供電，需要節能效率高的路由協議。又由于終端節點的計算、通信和存儲能力有限，因此要求WMN路由協議簡單、高效、穩定，并能較好地適應網絡拓撲的動態變化。

圖1 WMN結構圖

2 WMN網絡路由協議

參照移動Ad hoc網絡路由協議的設計，WMN網絡路由協議可以大致分為表驅動路由協議、按需路由協議和分級路由協議。表驅動式路由協議主要包括DSDV、WRP和GSR等；按需路由協議主要包括DSR、AODV和TORA等；分級路由協議主要包括ZRP、ZHLS和DST等，如圖2所示。

圖2 WMN路由協議

其中，表驅動和按需路由協議的性能都有其各自的優點和缺點，如表1所示。

表1 表驅動和按需路由協議比較

3 I-AODV路由協議

3.1 AODV路由協議介紹

AODV路由協議作為一種典型的移動Ad hoc網絡按需路由協議，雖然其網絡開銷較小，但是因為只是在需要數據傳輸時才進行路由查找，所以造成一定的網絡延時，特別是在網絡拓撲快速變化時，產生網絡傳輸延時就變得非常明顯，同時也產生大量的控制消息，增大了網絡開銷，進而影響了整個網絡性能。

3.2 AODV路由協議優化思路

而在WMN中，由于大部分節點移動性都比較小，且數據業務流來源也有所不同，因此需要對AODV進行適當優化，以適應WMN的網絡結構，本文提出了I-AODV（Improve-AODV），其工作原理為：在路由維護階段引入了分級的思想，適當增加每個節點所保存的節點跳數，從1跳增加到2跳，這樣每個節點就可以有更多的節點拓撲信息，在路由建立和維護階段就可以減少中間節點的轉發，減少路由建立時間，降低端到端的延時。

當然，由于增加了Hello消息的數據幀信息，路由開銷肯定也會增加，然而Hello消息是一種開銷較小的控制消息，對Hello消息的適當擴展并不會影響整個協議的性能，因此增加的路由開銷還可以承受。

3.3 I-AODV路由表數據結構

由于I-AODV只是針對路由維護階段的Hello消息機制進行改動，并不涉及協議其他部分的改動，因此原RREQ和RREP的數據結構也沒有變動，只是在路由表項中增加一項：鄰節點ID（其他各項沒有改變），原hello項結構如下：

源節點ID源節點序列號目的節點ID目的節點序列號路由標識跳數 下一跳 TTL

改動后的 hello項（增加了“鄰節點 ID”）如下：

源節點ID源節點序列號目的節點ID目的節點序列號路由標識跳數 鄰節點ID下一跳 TTL

其中，鄰節點ID指本節點所保存的所有鄰節點地址。

3.4 I-AODV實現過程

I-AODV同樣包括路由建立過程和路由維護過程。

路由建立過程為：源節點S需要到目的節點D的路由，首先檢查自己的路由表項是否有到D的路由，同時D也不在其鄰節點之列，則面向所有鄰節點廣播RREQ，當節點B收到RREQ時，發現自己有到D的路由，于是B就直接回復RREP給節點S（S是B的鄰節點），而不是轉發RREQ，然后通過比較序列號和跳數，反向路由就建立起來，如圖3所示。

圖3 I-AODV反向路由建立圖

當源節點S收到中間B發送的RREP，再通過比較序列號和跳數，就可以建立前向路由，如圖4所示。至此，源節點S到目的節點D的路由就建立起來了。

圖4 I-AODV前向路由建立圖

圖5為原AODV的反向路由建立過程，圖6為原AODV的前向路由建立過程。從圖中可以明顯看出，IAODV的反向路由建立時間確實比AODV反向路由建立時間要快，因此也使得整條路由的建立時間更快，并節省了RREQ的轉發次數。如本例中，節點B就無需向節點C進行RREQ的轉發，同時也相應的減少了路由開銷。

圖5 AODV 反向路由建立圖

圖6 AODV前向路由建立圖

3.5 仿真結果及分析

本文在相同的仿真環境里對AODV、I-AODV路由協議進行仿真和比較其路由協議性能，分別采用建立時間、路由開銷、端到端平均延遲和平均跳數4個性能指標來對仿真結果進行分析，仿真結果如圖7所示。

分析實驗數據可以得出：

（1）從路由建立時間來看，I-AODV比 AODV要小，這主要是由于I-AODV協議中每個節點存放了相鄰2跳節點的信息，節省了一部分路由建立時間。

（2）從路由開銷來看，I-AODV的路由開銷和AODV相比并沒有提高，反而還略有下降，這主要是由于增加了hello包攜帶的信息和增加了每個節點維護的鄰節點數目所導致的。本文只是增加了一跳范圍內節點，如果再增加一跳或兩跳，那么因此而增加的路由開銷將是非常可觀。

圖7 仿真結果

（3）從端到端平均延時來看，I-AODV比AODV要略為小些，路由建立時間短，平均延時也必將隨著減小，這也是由于每個節點增加了維護的鄰節點數量的原因。

（4）以跳數來看，I-AODV路由建立的平均跳數也比原AODV要小。跳數越小，網絡性能越好，特別是在目的節點距離比較近的情況下，就能直接找到路由，而不需要通過廣播路由報文來尋找和建立路由。

從上面的分析可以得出結論：在相同的環境下，對AODV進行了優化后，I-AODV明顯地提高了網絡性能，其減少了路由建立時間、端到端的延時和平均跳數，而且路由開銷并沒有顯著增加。因此，I-AODV更能適應WMN網絡。

WMN由于具有高可靠性、可擴展性以及良好的建設成本，已經引起了越來越多的重視和發展，而路由技術作為WMN的關鍵技術之一，有著非常廣泛的研究和實用價值。本文詳細介紹了基于WMN的AODV路由協議，并進行適當的優化，提出了I-AODV路由協議，即在AODV中引入分層的思想，對Hello報文進行改進，增加了維護的鄰節點（2跳）數目，并分析了I-AODV在理論上的可行性。最后，利用NS-2仿真軟件進行模擬實驗，實驗結果證明了改進后的路由協議I-AODV在網絡綜合性能上比原AODV具有明顯改善。

[1]朱昌洪.無線Mesh網絡的路由協議的研究[J].自動化儀表，2009，10（30）：72-75.

[2]方旭明.下一代無線因特網技術：無線 Mesh網絡[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]王月姣.無線 Mesh網絡路由協議研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[4]許建，楊庚.無線 Mesh網絡路由協議研究[J].江蘇通信技術，2006，22（3）：11-15.

[5]Wang Lei， Zhang Lianfang， Shu Yantai， et al.Multi-path source routing in wireless ad hoc networks[C].2000 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering， 2000：479-483.

[6]AKYILDIZIF， WANG X， WangW.WirelessMesh networks： a survey[J].Computer Networks，2005，47 （4）：445-487.