AODV帶寬估計(jì)和鏈路穩(wěn)定度的QoS擴(kuò)展研究

孫小強(qiáng)，蔡茂國(guó)，陳劍勇，梁榮堅(jiān)

(深圳大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，廣東深圳518060)

目前對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)加入帶寬、時(shí)延和鏈路穩(wěn)定度等進(jìn)行QoS保證。AVAODV［1］利用節(jié)點(diǎn)接收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO分組的機(jī)制進(jìn)行鏈路穩(wěn)定度的計(jì)算，但對(duì)鏈路穩(wěn)定度并沒(méi)有進(jìn)行考慮。文獻(xiàn)［2］介紹了一種基于令牌傳送機(jī)制以及融入CDMA的混合令牌碼分區(qū)多路接入(Token－Code Division Multiple Access)的MAC協(xié)議，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的MAC機(jī)制能夠有效地減少分組時(shí)延及縮小隊(duì)列長(zhǎng)度。SQAODV協(xié)議［3］在AODV協(xié)議加入帶寬估計(jì)和鏈路穩(wěn)定度選項(xiàng)，利用節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ分組的功率估計(jì)鏈路穩(wěn)定度。CLQ－AODV協(xié)議［4］采用計(jì)算MAC層信道空閑時(shí)間比率估算節(jié)點(diǎn)剩余帶寬，對(duì)AODV協(xié)議進(jìn)行了帶寬需求和時(shí)延要求的擴(kuò)充。Xiaoxia Huang針對(duì)VANETS提出了一種有關(guān)節(jié)點(diǎn)不相關(guān)的多路徑路由協(xié)議［5］，在文獻(xiàn)［1］中有對(duì)節(jié)點(diǎn)不相關(guān)性優(yōu)缺點(diǎn)的論述。QAODV_BC［6］路由協(xié)議采用了帶寬估計(jì)、業(yè)務(wù)流接入控制和鏈路穩(wěn)定度選項(xiàng)改進(jìn)AODV協(xié)議的QoS性能。

AODV協(xié)議［7］是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)一種比較成熟的按需距離向量路由算法，并且是一種支持“盡力而為”的路由協(xié)議，因此存在一些方面的不足［6］。首先，AODV協(xié)議在路由尋找的過(guò)程中，僅把跳數(shù)作為路徑選擇的依據(jù)。只考慮跳數(shù)會(huì)導(dǎo)致在節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)有可能帶寬不足而使路由不斷重啟、丟包率過(guò)大或者時(shí)延過(guò)大。其次，AODV協(xié)議在進(jìn)行路由尋找時(shí)，源節(jié)點(diǎn)只對(duì)首次接收到的RREP(路由回復(fù))分組進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)后到的路由請(qǐng)求分組直接丟棄，并沒(méi)有考慮后到的RREP分組可能包含鏈路穩(wěn)定度更好的路徑。AVAODV協(xié)議中采用鏈路穩(wěn)定度方法克服了上述AODV協(xié)議的一些缺點(diǎn)，QVAODV協(xié)議在AVAODV協(xié)議的基礎(chǔ)上增加了帶寬估計(jì)選項(xiàng)，采用鏈路穩(wěn)定度與帶寬估計(jì)相結(jié)合的方法來(lái)提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸多媒體數(shù)據(jù)的性能，并且還解決了AODV協(xié)議源節(jié)點(diǎn)只對(duì)首次到達(dá)的RREP分組進(jìn)行響應(yīng)的缺點(diǎn)。

1 QoS參數(shù)的計(jì)算

1.1 帶寬的計(jì)算

帶寬估計(jì)在研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)QoS性能時(shí)是一個(gè)很重要的參數(shù)。帶寬估計(jì)一般指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸掏铝俊捁烙?jì)會(huì)受到節(jié)點(diǎn)碰撞、空閑信道占用比率和回退時(shí)間等方面的影響［8－9］。AVAODV協(xié)議只考慮鏈路穩(wěn)定度，而沒(méi)有考慮帶寬估計(jì)的因素。目前無(wú)線帶寬估計(jì)有以下兩種檢測(cè)機(jī)制:一是測(cè)量MAC層的信道空閑率［3－4，6］;二是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)層單位時(shí)間的吞吐量。

由于QVAODV協(xié)議MAC層采用IEEE802.11協(xié)議，可以采用計(jì)算信道忙閑比的方法來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的可利用帶寬。在QVAODV協(xié)議采用將一段時(shí)間劃分成m個(gè)相同的時(shí)間段，每隔一個(gè)時(shí)間段觀察MAC層信道是否空閑，空閑信道個(gè)數(shù)記為n，節(jié)點(diǎn)的剩余帶寬為

上述的帶寬估計(jì)方法存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是用過(guò)去一段時(shí)間的帶寬來(lái)代替未來(lái)時(shí)間的帶寬，得到的帶寬可能不準(zhǔn)確。為了解決這個(gè)問(wèn)題，平滑處理剩余帶寬，即

式中:B0=0.5b0;Bi表示節(jié)點(diǎn)在i時(shí)刻的剩余帶寬;Bi－1表示節(jié)點(diǎn)在i－1時(shí)刻的剩余帶寬;bi表示節(jié)點(diǎn)在i時(shí)刻由式(1)得到的剩余帶寬;C表示節(jié)點(diǎn)在i時(shí)刻的最大帶寬。

1.2 鏈路穩(wěn)定度的計(jì)算

QVAODV協(xié)議中計(jì)算某條鏈路的鏈路穩(wěn)定度首先需計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路穩(wěn)定度，得到該條鏈路所有相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈路穩(wěn)定度之后，便可以計(jì)算這條鏈路的鏈路穩(wěn)定度，具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。根據(jù)上述計(jì)算鏈路穩(wěn)定度方法來(lái)計(jì)算各個(gè)備選路徑的鏈路穩(wěn)定度，選擇鏈路穩(wěn)定度好并且滿足帶寬需求的路徑作為最優(yōu)路徑。

2 QVAODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

2.1 中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求分組的優(yōu)化

在AODV協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)接收到RREQ分組后，便會(huì)建立或更新沒(méi)有有效序列號(hào)的前一跳的路由。然后節(jié)點(diǎn)判斷最近PATH_DISC_TIME(路由尋找時(shí)間)內(nèi)是否接收到相同源節(jié)點(diǎn)ID(序列號(hào))與相同RREQ_ID(路由請(qǐng)求序列號(hào))的RREQ分組，如果已收到相同源節(jié)點(diǎn)ID與相同RREQ_ID的RREQ分組，節(jié)點(diǎn)會(huì)將后到的RREQ分組直接丟掉。AODV采用這種中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組的策略并沒(méi)有考慮后到RREQ分組所在路徑的鏈路穩(wěn)定度可能會(huì)高于先到路徑的鏈路穩(wěn)定度。由于AODV協(xié)議采取這種直接丟棄后到RREQ分組的方法，直接影響了AODV協(xié)議的性能。

在QVAODV協(xié)議中，根據(jù)帶寬估計(jì)和鏈路穩(wěn)定度的情況來(lái)決定是否對(duì)RREQ分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。雖然AVAODV協(xié)議也采用了鏈路穩(wěn)定度選項(xiàng)對(duì)RREQ分組轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化，便僅僅考慮鏈路穩(wěn)定度并不能適應(yīng)數(shù)據(jù)流帶寬需求的動(dòng)態(tài)性變化。QVAODV路由協(xié)議只有在中間節(jié)點(diǎn)滿足RREQ帶寬要求并且鏈路穩(wěn)定度不小于規(guī)定閾值時(shí)，才將中間節(jié)點(diǎn)添加到備選路徑中，RREQ分組才會(huì)被該中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄該RREQ分組。這樣的處理策略保證了所選路徑的穩(wěn)定性及高效性，提高了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組的性能。

2.2 最優(yōu)路徑的選擇

在AODV協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)只對(duì)首次到達(dá)的RREP分組進(jìn)行響應(yīng)，而對(duì)后到RREP分組采取丟棄的策略，有可能忽略后到RREP分組所在路徑的鏈路穩(wěn)定度可能會(huì)更好。QVAODV路由協(xié)議對(duì)于后到RREP分組采取不直接丟棄的方法，并且判斷它的鏈路穩(wěn)定度是否比路由表中相同目的節(jié)點(diǎn)的鏈路穩(wěn)定度大且更新次數(shù)不超過(guò)設(shè)定好的閾值。當(dāng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)分組時(shí)，可能會(huì)由于后到RREP分組所在路徑鏈路穩(wěn)定度更好而發(fā)生改變，但對(duì)于正在傳送數(shù)據(jù)分組的業(yè)務(wù)流需求來(lái)說(shuō)并沒(méi)有什么影響，相反會(huì)由于鏈路穩(wěn)定度的提高而使網(wǎng)絡(luò)性能更好。

2.3 QVAODV 具體路由實(shí)現(xiàn)過(guò)程［1］

為了使QVAODV協(xié)議能夠正常運(yùn)行，需要對(duì)AODV協(xié)議的RREQ分組、RREP分組、BROADCAST_ID(RREQ廣播分組緩存)、AODV_RT_ENTRY(AODV路由表項(xiàng))及AODV_NEIGHBOR(AODV鄰接表項(xiàng))進(jìn)行擴(kuò)充，需要擴(kuò)充的分組選項(xiàng)如表1和表2所示。

表1 AODV RREQ與RREP需要擴(kuò)充的選項(xiàng)

表2 AODV廣播分組緩存、路由表項(xiàng)與鄰接表項(xiàng)需要擴(kuò)充的選項(xiàng)

在QVAODV協(xié)議中，QVAODV RREQ分組比AODV RREQ分組增加了3個(gè)選項(xiàng)，分別是AHV選項(xiàng)、BREQ選項(xiàng)和備選路徑節(jié)點(diǎn)ID序列，其中AHV表示鏈路穩(wěn)定度，BREQ表示帶寬需求。相應(yīng)地，QVAODV RREP也增加了相同的3個(gè)選項(xiàng)。QVAODV RT_ENTRY比原先的AODV RT_ENTRY增加了AHV選項(xiàng)、BREQ選項(xiàng)和COUNT選項(xiàng)，COUNT選項(xiàng)表示目的節(jié)點(diǎn)收到RREP的個(gè)數(shù)。QVAODV BROADCAST_ID比原來(lái)的AODV BROADCAST_ID增加了COUNT_FORWARD選項(xiàng)，用來(lái)保存中間節(jié)點(diǎn)接收到RREQ分組的次數(shù)，如果超過(guò)了一定次數(shù)，則丟棄該RREQ分組。QVAODV_NEIGHBOR比 AODV_NEIGHBOR增加了COUNT_HELLO字段，用來(lái)保存鄰居節(jié)點(diǎn)成功接收到HELLO分組的個(gè)數(shù)。相比較AVAODV協(xié)議而言，QVAODV協(xié)議的RREQ分組和RREP分組分別增加了BREQ帶寬需求選項(xiàng)，以適應(yīng)中間節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的可用帶寬，并且QVAODV協(xié)議的 RT_ENTRY選項(xiàng)也比AVAODV協(xié)議增加了BREQ選項(xiàng)和COUNT選項(xiàng)。

在QVAODV路由協(xié)議中，若源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而源節(jié)點(diǎn)路由表中并不存在有效路由時(shí)，則啟動(dòng)路由尋找過(guò)程。從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ分組，若遇到滿足中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則的節(jié)點(diǎn)則會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)，如果RREQ分組被轉(zhuǎn)發(fā)，中間節(jié)點(diǎn)ID會(huì)被記錄到RREQ分組選項(xiàng)中，AHV值也會(huì)被更新。中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組的規(guī)則:如果中間節(jié)點(diǎn)通過(guò)MAC層估計(jì)的帶寬值大于等于RREQ分組所要求的帶寬值并且滿足原先AVAODV協(xié)議中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組的判定條件，則中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組，同時(shí)更新RREQ的AHV值，將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的ID加入到RREQ分組中間節(jié)點(diǎn)序列中，并且將中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ分組的次數(shù)加1;否則，丟棄該 RREQ分組。QVAODV協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組的規(guī)則比AVAODV協(xié)議增加了中間節(jié)點(diǎn)的剩余帶寬是否大于等于RREQ的需求帶寬判定選項(xiàng)。

源節(jié)點(diǎn)在第一次收到RREP分組時(shí)，建立相應(yīng)的路由表項(xiàng)，將RREP分組的AHV值與BREQ值記錄到路由表中，并且將路由表中的更新次數(shù)初始化為0。對(duì)于后到的RREP分組，則可以當(dāng)作更新路由表項(xiàng)而不直接丟棄，是否丟棄還得看是否滿足路由更新條件，并且采用更新次數(shù)來(lái)限制接收到的RREP分組個(gè)數(shù)。如果后到RREP分組的AHV值大于路由表中相同目的節(jié)點(diǎn)路由表項(xiàng)的AHV值且該路由表項(xiàng)的更新次數(shù)不大于15時(shí)，則更新該路由表項(xiàng)，同時(shí)將該路由表項(xiàng)的更新次數(shù)增加1;否則，將忽略后到RREP分組。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析

利用 NS－2.35對(duì) AODV協(xié)議、AVAODV協(xié)議和QVAODV協(xié)議的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在Ubuntu 12.04操作系統(tǒng)下，采用NS－2.35仿真平臺(tái)對(duì)QVAODV路由協(xié)議進(jìn)行仿真模擬。仿真場(chǎng)景設(shè)置為1 000 m×1 000 m的大小，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為25，隨機(jī)布置在網(wǎng)絡(luò)中，并且設(shè)置部分節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地移動(dòng)，以模擬Ad Hoc動(dòng)態(tài)環(huán)境。MAC層采用IEEE802.11協(xié)議，無(wú)線信道帶寬為2 Mbit/s。節(jié)點(diǎn)的最大通信范圍為250 m，數(shù)據(jù)分組大小為512 byte。仿真時(shí)間設(shè)置為800 s，業(yè)務(wù)流設(shè)置為CBR流，在本實(shí)驗(yàn)中有兩條CBR流。為了驗(yàn)證QVAODV協(xié)議的性能，仿真了相同條件下的AODV協(xié)議和AVAODV協(xié)議進(jìn)行參照對(duì)比。

3.2 性能評(píng)價(jià)

1)數(shù)據(jù)丟包率:(源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組的個(gè)數(shù)－目的節(jié)點(diǎn)正確接收到的分組個(gè)數(shù))/源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組的個(gè)數(shù)。分組丟包率越低，數(shù)據(jù)分組成功傳送到目的節(jié)點(diǎn)的比例越大。

2)平均路由開(kāi)銷(xiāo):發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)的路由控制分組個(gè)數(shù)/目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)分組。平均路由開(kāi)銷(xiāo)越小，路由協(xié)議效率越高。

3)平均端到端分組時(shí)延:所有數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所花時(shí)間總和/目的節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)分組個(gè)數(shù)。端到端平均時(shí)延越小，數(shù)據(jù)傳送所花費(fèi)的時(shí)間越少。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)圖1是AODV協(xié)議、AVAODV協(xié)議和QVAODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率的比較，很明顯可以看出，QVAODV協(xié)議比AODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率要低很多，AVAODV協(xié)議和QVAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)丟包率曲線幾乎重疊在一起。實(shí)際上AVAODV協(xié)議與QVAODV協(xié)議的丟包率還是有差別的，由于圖1的坐標(biāo)軸刻度過(guò)大看不出兩者的差異。為了更好地比較QVAODV協(xié)議與AVAODV協(xié)議的數(shù)據(jù)丟包率大小，特意將相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率下的AVAODV協(xié)議丟包率與QVAODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率進(jìn)行相減，得到的差值如果為正，則說(shuō)明相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率下QVAODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率要小于AVAODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率。圖2表示相減后得到的差值，由于QVAODV協(xié)議加入了帶寬估計(jì)選項(xiàng)，相同數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的QVAODV協(xié)議數(shù)據(jù)丟包率要比AVAODV協(xié)議要低些。

2)圖3是AODV協(xié)議、AVAODV協(xié)議和QVAODV協(xié)議平均端到端分組時(shí)延的比較，可以看出，相同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率下QVAODV協(xié)議的平均端到端分組時(shí)延要比AVAODV協(xié)議的平均端到端分組時(shí)延小。將AODV協(xié)議與QVAODV協(xié)議的平均端到端分組時(shí)延進(jìn)行比較可以看出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)率從360 kbit/s開(kāi)始，QVAODV協(xié)議要明顯比AODV協(xié)議的平均端到端分組時(shí)延小。

3)圖4是AODV協(xié)議和QVAODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)比較，很明顯可以看出，AODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)明顯小于QVAODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)。從圖5可以看出，QVAODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)要小于AVAODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)。

圖1 數(shù)據(jù)丟包率的比較

圖2 AVAODV與QVAODV數(shù)據(jù)丟包率差值

圖3 平均端到端分組時(shí)延比較

圖4 AODV與QVAODV平均路由開(kāi)銷(xiāo)比較

4 結(jié)語(yǔ)

QVAODV協(xié)議通過(guò)對(duì)AVAODV協(xié)議添加帶寬估計(jì)選項(xiàng)以適應(yīng)數(shù)據(jù)流帶寬需求的動(dòng)態(tài)性變化，并且針對(duì)AODV協(xié)議源節(jié)點(diǎn)只對(duì)首次到達(dá)的RREP分組進(jìn)行響應(yīng)的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，源節(jié)點(diǎn)在一定的次數(shù)限制下選擇鏈路穩(wěn)定度最好與滿足帶寬需求的一條路徑來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的傳輸。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，QVAODV協(xié)議相比較AVAODV協(xié)議在數(shù)據(jù)丟包率、平均端到端分組時(shí)延和平均路由開(kāi)銷(xiāo)均有改進(jìn)，尤其在平均端到端時(shí)延和平均路由開(kāi)銷(xiāo)方面效果顯著。AODV協(xié)議與QVAODV協(xié)議在數(shù)據(jù)丟包率和平均端到端分組時(shí)延方面，QVAODV協(xié)議要明顯好于AODV協(xié)議，盡管QVAODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AODV協(xié)議的平均路由開(kāi)銷(xiāo)。綜上所述，所提出的QVAODV協(xié)議在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中性能表現(xiàn)優(yōu)異，對(duì)于提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送性能有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在實(shí)際Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中由于節(jié)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)移動(dòng)的，并且還要承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，如何降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗［10］尤其重要，而且 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)還存在安全接入［11－12］的問(wèn)題，非法節(jié)點(diǎn)的接入嚴(yán)重影響了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS性能。因此，不僅需要考慮帶寬估計(jì)和鏈路穩(wěn)定度，而且還要考慮節(jié)點(diǎn)的能量限制、節(jié)點(diǎn)的安全接入等方面的因素。接下來(lái)準(zhǔn)備結(jié)合節(jié)點(diǎn)的能量限制與節(jié)點(diǎn)的安全接入提出更好的帶寬估計(jì)和鏈路穩(wěn)定度算法。

圖5 AVAODV與QVAODV平均路由開(kāi)銷(xiāo)比較

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