基于DSR算法的MANET設(shè)計(jì)

賀蘊(yùn)彬

摘 要 MANET（Mobile Ad Hoc Network）是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文基于DSR算法的MANET設(shè)計(jì)研究，將DSR（Dynamic Source Routing）路由算法在MANET網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行改進(jìn)，解決目前MANET節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)問題，進(jìn)而設(shè)計(jì)DSR路由算法改進(jìn)方案，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使其符合工業(yè)生產(chǎn)控制要求，能夠解決無線自組網(wǎng)問題，實(shí)現(xiàn)有效的、穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)通信。

【關(guān)鍵詞】DSR算法 MANET網(wǎng)絡(luò) 路由算法 無線自組網(wǎng)

1 MANET網(wǎng)絡(luò)概述

MANET是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，被稱為移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，它由多個(gè)移動(dòng)無線節(jié)點(diǎn)組成，具有無中心、自組織、分布式的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，滿足快速、輕量的創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)通信。MANET網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的地位和目的，可任意增加和減少節(jié)點(diǎn)，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)其他鏈路通信造成影響。MANET由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率限制、環(huán)境限制等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的鏈接保障性較差。

總結(jié)MANET網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)主要包括：無中心自組織、輕量部署生存周期短、多跳網(wǎng)絡(luò)策略擴(kuò)展性強(qiáng)、節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性。其相比傳統(tǒng)的有限網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面無中心，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、無基礎(chǔ)設(shè)施支持，配置速度快、分布式進(jìn)行控制管理。但是其安全性和服務(wù)質(zhì)量較差、生存時(shí)間較短，網(wǎng)絡(luò)健壯性困難。

2 DSR路由算法

DSR路由算法屬于被動(dòng)式路由算法，被動(dòng)式路由對(duì)于無中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較好的適用性，其算法簡(jiǎn)單、易于優(yōu)化、便于移植。DSR算法實(shí)現(xiàn)源路由機(jī)制，在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，需要在數(shù)據(jù)包頭部添加路由信息，當(dāng)路由發(fā)現(xiàn)過程中會(huì)帶來很大的消耗，所以需要在節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置路由表對(duì)路由信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過路由的維護(hù)來調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

路由的發(fā)現(xiàn)過程會(huì)首先查看路由表內(nèi)是否存在節(jié)點(diǎn)信息，若自身內(nèi)部路由表存在到目的節(jié)點(diǎn)信息則直接使用，若無則需要發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)以泛洪廣播發(fā)送路由請(qǐng)求包。

路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包是由源節(jié)點(diǎn)地址（Sid）、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址（Did）、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)路徑（Route record）和路由請(qǐng)求包序列號(hào)（Request id）構(gòu)成。為了保證降低路由發(fā)現(xiàn)能耗開銷，根據(jù)源及誒單地址和請(qǐng)求包序列號(hào)判斷是否為首次收到數(shù)據(jù)包，若是首次收到數(shù)據(jù)包則進(jìn)行連接，否則則放棄連接。在目的節(jié)點(diǎn)收到所需路由答應(yīng)數(shù)據(jù)包。DSR路由算法發(fā)現(xiàn)過程為初始化數(shù)據(jù)檢查節(jié)點(diǎn)本身是否含有目的及誒單路由信息，若有則啟動(dòng)路由建立連接，若沒有則啟動(dòng)路由建立泛洪路由請(qǐng)求判斷是否存在目的節(jié)點(diǎn)，若是存在則發(fā)送路由應(yīng)答，源節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答建立連接，若不存在目的節(jié)點(diǎn)則判斷是否緩存有到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，若有則發(fā)送路由應(yīng)答，源節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答建立連接，若無則判斷是否達(dá)到最大跳數(shù)限制，若未達(dá)到則返回再次進(jìn)行搜索，若達(dá)到限制則路由建立連接失敗。當(dāng)路由連接中斷，節(jié)點(diǎn)會(huì)向源及誒單反向發(fā)送錯(cuò)誤信息包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到錯(cuò)誤信息包后會(huì)將該路由信息刪除。若是源節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)沒有收到答應(yīng)包則會(huì)認(rèn)為路由連接可能中斷或者信息不可用，會(huì)刪除其路由表中對(duì)應(yīng)的路由信息。

3 DSR路由算法改進(jìn)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生無限媒介的競(jìng)爭(zhēng)，設(shè)A為信息的發(fā)送點(diǎn)，B、CWie接收點(diǎn)，設(shè)AB兩點(diǎn)距離為x，C與B的競(jìng)爭(zhēng)其處于區(qū)域SAB，競(jìng)爭(zhēng)概率，概率積分區(qū)間等于中心點(diǎn)在A半徑x圓周[0，r]，得到競(jìng)爭(zhēng)概率期望值為

，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收同條信息的數(shù)量越多其競(jìng)爭(zhēng)概率越大。

為了提高DSR路由算法效率，需要進(jìn)行降低路由發(fā)現(xiàn)消耗、減少路由發(fā)現(xiàn)過程的發(fā)起次數(shù)、設(shè)置計(jì)時(shí)字段、限制路由表記錄數(shù)并建立等待路由應(yīng)答表。同時(shí)，DSR算法按需分配對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)包格式統(tǒng)一定義。

降低路由發(fā)現(xiàn)能耗設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大路由為4跳，為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)包設(shè)置一個(gè)生存時(shí)間值，其初始值為為4，每條路徑最大包含5個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)每次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)都會(huì)較少一次生存時(shí)間值。減少路由發(fā)現(xiàn)過程的發(fā)起次數(shù)以中間節(jié)點(diǎn)獲取應(yīng)答包后提取路由信息，進(jìn)而獲得節(jié)點(diǎn)到到源點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的路由。DSR是被動(dòng)路由算法，路由表信息具有一定的時(shí)效性，所以為路由表設(shè)置生存計(jì)時(shí)字段，每一條信息都具有計(jì)時(shí)字段，可記錄節(jié)點(diǎn)信息被記錄的時(shí)間，當(dāng)提取有效信息時(shí)需要在網(wǎng)絡(luò)包里盡可能多的進(jìn)行提取。為了解決存儲(chǔ)器資源科設(shè)置節(jié)點(diǎn)路由表中的記錄條數(shù)限制在10條以內(nèi)，若路由表存滿則按照一定策略進(jìn)行淘汰。為了防止節(jié)點(diǎn)頻繁發(fā)送路由請(qǐng)求，建立等待路由應(yīng)答表按照順序回復(fù)答應(yīng)包。

4 基于DSR算法的MANET設(shè)計(jì)

4.1 DSR定義

DSR定義包括網(wǎng)絡(luò)包和各類表的格式定義，網(wǎng)絡(luò)包的格式定義路由請(qǐng)求包RREQ、路由應(yīng)答包RREP、源路由包DATA、路由出錯(cuò)信息包REER。源路由節(jié)點(diǎn)ID使用SID字段表示，節(jié)點(diǎn)有效ID取值范圍（1，254），以0表示無效ID，255表示所有節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)ID使用DID字段表示，包的序列號(hào)使用QID字段表示，取值范圍（0-65535），包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑使用Path字段表示，包的生存時(shí)間值使用TTL字段表示，數(shù)據(jù)段有效長(zhǎng)度使用DLen字段表示，取值（0，16），Reserved位屬性擴(kuò)展保留字段，DATA表示數(shù)據(jù)字段。

4.2 節(jié)點(diǎn)程序

在組網(wǎng)無線通信中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可作為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、交互節(jié)點(diǎn)存在，MANET節(jié)點(diǎn)程序框架包括主程序、串口中斷函數(shù)、定時(shí)器中斷函數(shù)和nRF中斷函數(shù)。主程序負(fù)責(zé)任務(wù)的調(diào)度和處理，串口中斷函數(shù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收串口命令和維護(hù)串口接收緩沖，定時(shí)器中斷函數(shù)負(fù)責(zé)維護(hù)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，nRF中斷函數(shù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)包，維護(hù)nRF緩沖區(qū)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有且僅有一張路由表，最多可記錄10條信息，路由信息按照FIFO策略進(jìn)行更新，由Time字段記錄信息有效時(shí)間，當(dāng)Time=0時(shí)則節(jié)點(diǎn)失效。為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置SID_QId快查表，記錄節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)絡(luò)包的，Count字段記錄節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)絡(luò)包的次數(shù)。在nRF中斷緩沖區(qū)記錄節(jié)點(diǎn)收到的網(wǎng)絡(luò)包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中有效數(shù)據(jù)通過源路由包發(fā)送，路由表力無對(duì)應(yīng)路由信息則需要將路由包記錄在待發(fā)任務(wù)表中，等待條件滿足后發(fā)送，使用State字段表示待發(fā)狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)DSR算法進(jìn)行改進(jìn)，以滿足工業(yè)控制、傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域?qū)ANET的需求，在MANET節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)包和各類表格式進(jìn)行定義，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)程序，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)用和事件實(shí)施響應(yīng)，提高M(jìn)ANET的使用效率，解決節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)問題，將DSR協(xié)議中的路由算法在自定義MANET協(xié)議棧中優(yōu)化和移植，具有良好的路由優(yōu)化策略。

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作者單位

昭通學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 云南省昭通市 657000