一種基于AODV路由協議改進的無線Mesh路由協議

劉邵華 ，黃廷磊 ，夏 鋒

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林541004；2.桂林電子科技大學 計算機控制與工程學院，廣西 桂林541004)

無線Mesh網絡結合了Ad Hoc網絡和傳統固定網絡的特點，具有高性能、低功耗、自組織、自配置的特點，因此Mesh網絡成為家庭網絡、社區寬帶網絡、企業內部網絡的優先選擇[1]。對于Mesh網絡來說，關鍵問題在于如何實現高品質的路由協議，協議不但要能夠及時應對網絡拓撲的動態變化，還要實現多跳傳輸的質量服務。

Mesh網絡目前使用的路由協議基本上都是從Ad Hoc移植過來的，AODV作為 Ad Hoc網絡經典的路由協議，適用于動態的、多變的Ad Hoc網絡，它同多數其他 Ad Hoc路由協議(如DSR、DSDV等)一樣,采用最短路徑路由算法,但是大量的實驗和實踐證明了該算法并不適用于無線Mesh環境，主要是因為它以源節點到目的節點的跳數作為路由評價的標準，然而跳數最少的路徑在實際中未必是最優的[2-3]。如當跳數最少路徑上的節點嚴重過載時,就會引起大量數據包丟失，增加延遲和降低網絡性能。在Mesh中，由于802.11 MAC采用的是分布式協調功能,在同一時刻的沖突域內只允許兩個節點進行通信,另外在沖突域內存在隱藏節點和暴露節點,當網絡負擔較重時,無線網絡的性能下降尤為突出,網絡吞吐性能遠低于理論值[4-5]。

由于Ad Hoc路由協議先天不足，以及Mesh網絡自身的特殊性，現有的Ad Hoc路由協議不能滿足Mesh網絡的要求，因此本文提出了新的路由算法AODV-LS。

1 AODV算法

AODV是基于DSDV和DSR提出的一種按需路由。AODV協議當中一個重要的特點就是添加了序列號，可以有效地阻止計數無窮大和路由環路問題。在AODV中每個節點維護一個路由表來記錄從路由包中獲得的路由信息。當源節點需要發數據時，會查看自己的路由表里有沒有該條路徑，如果有，則按照路由表項中的信息直接轉發數據；否則發起一個路由發現過程。首先，源節點創建一個RREQ包并廣播，當鄰居節點接收到RREQ包時，該節點將RREQ包中的跳數值加1并在自己的路由表中創建一個反向路由，如果該節點就是目的節點或者該節點存在到達目的節點的路由表項，則該節點就向源節點發送RREP，否則它只廣播RREQ。

RREP的傳播是由目的節點向源節點單播完成的。當一個節點收到RREP之后，創建正向路由表項，其中包含目的節點和下一跳節點。根據反向路由表繼續傳播RREP，直到RREP被源節點接收到。節點移動可以破壞之前的路由，為了增加成功的數據傳輸率，本地節點能夠修復損壞的鏈路。發生斷路時，網絡的上游節點向目的地發送RREQ，為了避免環路，應該將RREQ中目的節點的序列號加1。若本地修復成功，目的節點或者包含目的節點路由信息的中間節點創建RREP；如果節點修復失敗，則向源節點發送一個RERR包，源節點則重新創建新的RREQ，重新開始路由發現過程[6]。

2 改進的AODV-LS路由協議

2.1 AODV-LS路由選擇量度

AODV-LS中組合量度使用帶寬、緩存飽和度兩個參數。本文采用了基于 NAV[5]的統計來估算可用帶寬，節點所在信道的空閑時間是一個很重要的參數，由節點以及鄰居節點的業務量綜合決定，在這段時間內節點可以成功地傳輸數據。Bi=B×Ti/Tc，其中 Bi為節點的實時可用帶寬，B為信道帶寬，Tc為觀察時間，Ti為在觀察時間內的信道空閑時間。這里還考慮了節點緩存隊列飽和度的影響，如果節點緩沖隊列已滿，網絡發生擁塞會引起網路性能的急劇下降，例如時延增大、丟包率增加等。如果在路由發現時考慮節點負載狀態，將會降低擁塞，提高網絡性能。本文定義緩存飽和度為緩存節點的包的數量與允許緩存的額定包數之比，定義為ri=Ci/Cm，其中，Cm為緩沖隊列最大值，Ci是緩沖隊列中包數值。

節點負載越大,緩沖越接近飽和,其同鄰居節點間的鏈路則越繁忙,可用帶寬越少,因而通信傳輸代價同時也就越高。節點i的鏈路權重Xi計算如下：

Xi=[Bi/B+(1-Rti)+(1-Rgi)]×10

其中，Rti表示發送緩沖飽和度，Rgi代表接收緩沖隊列飽和度。并且一條鏈路的關鍵因素是所有中間節點權重的最小值：Xmi=min（X1，X2，X3，X4，…，Xh-1），h 為該條路徑的跳數。若Xmi越大，說明該條鏈路負載越少；Xmi越小，說明該條路徑上負載越大。為了綜合考慮鏈路狀況，還要考慮路由節點的鏈路權重之和，即：

Wj=sum（X1+X2+X3，…，Xh-1）

最后給出路由判定量度組合：

Pj=α×Xmi+(β×Wj)/(h-1)

式中α、β值的選取通過試驗獲得，且 α+β=1。為了盡量避開負載較重的節點，在源節點到目的節點之間找到一條負載較輕的路徑，賦予α較大的權重。

2.2 路由發現與建立

2.2.1 請求報文與數據報文

2）生活習性。桃小食心蟲在渭北果區每年發生1～2代，以老熟幼蟲在土壤內結繭越冬。一般5月下旬至6月上旬越冬幼蟲破繭出土，成蟲多產卵于果實梗（萼）洼處。幼蟲孵化后，蛀入果實，在果實內蛀食20天左右，老熟后咬破果皮，脫果而出；脫果早的在土表作夏繭化蛹發生第2代，脫果晚的入土越冬。6月下旬至7月上中旬出現第1代成蟲，8月上中旬出現第2代幼蟲，在采果前大部分脫果。

(1)路由請求報文 RREQ，包括 Type，Hops，RequestNo，DestinationIP，OriginatorIP，PreNode，Xmi，Wj。

(2)路由響應報文 RREP，包括 Type，Hops，RequestNo，DestinationIP，OriginatorIP，PreNode，RREQSrc，Xmi，Wj。

2.2.2 路由發現過程

每個節點都保留一個路由表,用來存儲節點所需要的路由信息，其表項是一個向量（Destination，NextHop，Wj，Hops，Pj，S，X，Xmi，LF）， 其 中 Destination 表 示 目 的網絡，NextHop為到達目的網絡的下一跳,Wj為從該節點到達目的網絡的累計鏈路權重，Hops為從該節點達到目的網絡的累計跳數，S為路由發現發起的節點，X為路由請求序號，LF為路由表項的生存時間。

(1)當源節點s要向目的地d轉發數據時，若存在s到d的路由，則轉發數據即可，如果不存在 s到d的路由信息，則創建RREQ報文并廣播，RREQ中 Type=1，Hops=0，Xmi=0，Wj=0，DestinationIP=d，OriginatorIP=s，Pre-Node=s，RequestNo=(當前節點最新的路由請求序號+1)。

(2)當節點k接收到RREQ包時，首先查看自身的權重值，如果自身的權重值超過了規定的權重值范圍，則直接扔掉該RREQ報文，否則創建反向路由向量,并且用RREQ報文中的值來填充該路由向量（s,RREQ.PreN-ode,RREQ.Wj,RREQ.Hops，α ×RREQ.Xmi+β ×RREQ.Wj/（RREQ.Hops-1）,RREQ.RequestNo,RREQ.Xmi,LF）。 如果k≠d，并且k中不含有到達 d的向量，則修改 RREQ報文 ， 若 RREQ.Xmi〈k.Xmi,則 RREQ.Xmi=k.Xmi， 否 則RREQ.Xmi保持不變，RREQ.Hops=RREQ.Hops+1，RREQ.PreNode=k，RREQ.Wj+k.Xmi,修改后的報文繼續廣播。如果k=d或者k的路由表中存在到達d的路徑，則產生回復報文 RREP,RREP中 Type=2，RREP.RequestNo=RREQ.RequestNo,RREP.OriginatorIP=d,RREP.RREQSrc=RREQ.OriginatorIP,RREP.DestinationIP=RREQ.PreNode，如果 k=d，則 RREP.Hops=0，RREP.Xmi=0，RREP.Wj=0，若 k 路由表中存在到達d的向量，則RREP.Hops=RT.Hops,RREP.Xmi=min(K.Xmi,RT.Xmi)，RREP.Wj=RT.Wj+k.Xmi(這里假設RT是該節點到目的地的向量)，構造響應報文之后以單播的方式轉發。

(3)當節點 h收到 RREP之后，構造h到下跳節點的正向路由向量（d,RREP.PreNode,RREP.Wj,RREP.Hops,RREP.Pj,RREP.RREQSrc,RREP.RequestNo,RREP.Xmi,LF）,如果h不是s，則更新RREP繼續單播下去，直至源節點s接收到 RREP。

2.3 路由維護過程

AODV-LS協議在路由維護方面也做了較大改變。在協議中，每個節點周期性地發送HELLO報文，用于同鄰居節點交換狀態信息。

(1)當鏈路斷開時，節點a不可達，這里假設a節點的下游節點到目的節點的路由仍然是有效的，則a節點的上游節點創建RREQ報文，并且把TTL設置為3，以此來限制廣播RREQ的范圍。舉例：圖1中原始路由是S-A-B-C-D，當B不可達時，節點A產生RREQ報文廣播，如果節點E收到報文并且自身的權重值滿足路由要求時，則E節點創建反向路由，并且繼續廣播包，如果此時C收到RREQ報文，并且C到D的路由還有效，則產生本地修復RREP報文并發送給節點A。當節點E接收到RREP報文，并且自身的鏈路權重滿足路由要求時，則產生正向路由向量，至此路由恢復過程完成，新的路徑變為SA-E-C-D。

如果一個本地修復請求到期時，則斷路節點的上游節點產生RERR報文，通知源節點本條路由已斷路，如果需要，重新發起路由請求。

(2)節點過載的路由維護。AODV-LS中節點a發送的HELLO報文,還會計算a與鄰居的鏈路權重。當權重值超出規定的范圍時,就廣播節點過載LRRERR報文，鄰居節點b收到LRRERR報文后，節點b則繼續按照(1)中的方式，按節點a不可達時的情況進行路由維護。

3 仿真與分析

利用 NS2(v2.34)對 AODV-LS進行仿真，分別對數據包平均端到端延遲、數據包轉發率、標準化路由負載等性能進行分析。MAC層采用IEEE802.11標準規定的分布式協調功能,利用CSMA/CA作為傳輸機制，網絡帶寬為2 Mb/s，發送數據包的大小為512 B。在仿真過程中，50個無線路由節點在一個800 m×800 m的矩形區域內隨機移動，移動速度分布在0～4 m/s的范圍內。數據源節點的個數為 20，發包率為每秒分別發送 1、2、4、7、10個包來產生不同的負載。分別對AODV-LS協議和AODV協議進行模擬仿真，并對仿真結果進行分析，得到兩個協議在不同停留時間下的數據包轉發率、數據包平均端到端延遲和標準化路由負載。

圖2顯示了網絡中節點發包率變化時，AODV、AODV-LS數據包轉發率的曲線。結果表明在網絡負載很小時，AODV、AODV-LS都有較高的、相近的數據轉發率。而當網絡負載增加時，AODV-LS的性能提高十分明顯。這是因為AODV-LS盡量避開負載較重的節點，選擇負載較輕的路徑傳輸數據，間接地提高了整個網絡的吞吐量。

圖3顯示分組平均端到端時延的變化曲線，節點發包率較小時，AODV-LS與AODV平均端到端延遲相近，但隨著節點發包率的增加，AODV-LS延遲明顯小于AODV。當網絡負載增大時，AODV-LS試圖找到一條鏈路狀況最好的路徑，繞過堵塞的節點，減小了擁塞等待時間。

圖4顯示，AODV-LS在標準化路由負載方面略優于 AODV。這主要由于不斷轉發RREQ在AODV的路由分組中占用了大量的網絡開銷，而在AODV-LS中過載的中間節點直接丟棄RREQ，大大減少了網絡路由開銷。同時，由于AODV-LS的分組轉發率比AODV高，相同情況下目的節點接收到更多的分組，所以標準化路由負載較小。

本文針對Mesh網絡自身的特點，對AODV算法做了改進，提出了新的AODV-LS路由協議，該協議采用節點權重值作為路由建立標準。實驗結果表明，由于采用了權重值作為路由判據，整個網絡的吞吐性能、包轉發率、端到端延時等方面都要優于AODV，體現了良好的性能。

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