HWMP和Batman-adv路由協(xié)議對比研究

摘 ?要： 根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需求，IEEE802.11工作組提出了二層路徑轉(zhuǎn)發(fā)的概念，即在數(shù)據(jù)鏈路層通過Mac地址進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。HWMP（Hybrid Wireless Mesh Protocol）和Batman-adv（Better Approach to Mobile Ad-hoc Networking Advanced）都是基于數(shù)據(jù)鏈路層的路由協(xié)議，本文通過對兩種協(xié)議的原理進(jìn)行介紹，并在相同條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析兩種路由協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性。結(jié)果表明Batman-adv路由協(xié)議在傳輸穩(wěn)定性方面比HWMP表現(xiàn)更優(yōu)，在收斂性方面表現(xiàn)HWMP和Batman-adv路由協(xié)議表現(xiàn)都較好。

關(guān)鍵詞： 無線Mesh;路由協(xié)議;Batman-adv;HWMP;穩(wěn)定性;收斂性

中圖分類號： TN915.04 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.026

本文著錄格式：林金鋒. HWMP和Batman-adv路由協(xié)議對比研究[J]. 軟件，2019，40（6）：119122

【Abstract】： According to the characteristics and requirements of wireless network， the IEEE802.11 working group proposed the concept of two-tier path forwarding， that is， data forwarding through Mac address in data link layer. Both HWMP （Hybrid Wireless Mesh Protocol） and Batman-adv （Better Approach to Mobile Ad-hoc Networking Advanced） are routing protocols based on data link layer. This paper introduces the principles of the two protocols， and makes comparative experiments under the same conditions to analyze the transmission stability and routing convergence of the two routing protocols. The results show that Batman-adv routing protocol performs better than HWMP in transmission stability and convergence.

【Key words】： Wireless mesh; Routing protocol; Batman-adv; HWMP; Stability; Convergenc

0 ?引言

目前大部分網(wǎng)絡(luò)的路由過程都是通過OSI模型第三層即網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，這種模式被證明是非常有效的[1-3]。IEEE802.11工作組根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需求，提出了基于數(shù)據(jù)鏈路層的路由[4]。基于數(shù)據(jù)鏈路層的路由有以下三點(diǎn)優(yōu)勢：（1）能有效降低數(shù)據(jù)包在協(xié)議棧中傳遞的復(fù)雜度;（2）可以使網(wǎng)絡(luò)層不受下層多跳網(wǎng)絡(luò)的影響;（3）不需要修改上層協(xié)議，協(xié)議可以在TCP/IP基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，可移植性好，可靠性高[5]。

HWMP路由協(xié)議是IEEE802.11s協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)的路由協(xié)議，該協(xié)議具有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種路由模式，主動(dòng)式路由周期性廣播路由信息，延時(shí)小;被動(dòng)式不需要周期性廣播路由信息，僅在需要時(shí)才從源節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源[6]。Batman-adv路由協(xié)議也是基于鏈路層的路由協(xié)議，它是從Batman路由協(xié)議改進(jìn)而來，具有源代碼開源、可移植性好、安全性高的特點(diǎn)，成為了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究熱點(diǎn)[7]。

1 ?HWMP路由協(xié)議原理

HWMP的兩種工作模式依賴于不同的配置。

按需模式：HWMP的按需模式是由Ad Hoc的AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing）基于L2的Mac地址的改進(jìn)[8]。該模式下，平時(shí)節(jié)點(diǎn)不發(fā)送消息，僅僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，此時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)接收的目的地址計(jì)算最優(yōu)路徑。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：如圖1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A需要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)A會(huì)以廣播的方式發(fā)送含有目的節(jié)點(diǎn)D的Mac地址的PREQ（Path Request）消息，Metric字段初始值為0。節(jié)點(diǎn)B、C、D收到PREQ，根據(jù)PREQ消息的SN（Sequence Number），首先進(jìn)行判斷，該P(yáng)REQ消息中的SN是否比本地路由表中存在的SN值大，如果更小，不進(jìn)行回復(fù)，如果相同，再比較PREQ消息中的Metric值，是否比本地路由列表中的Metric值更大，如果不是不進(jìn)行回復(fù)，如果是則生成或更新到源節(jié)點(diǎn)的路徑信息，并且廣播給其鄰節(jié)點(diǎn)。無論是中間節(jié)點(diǎn)B、C還是目的節(jié)點(diǎn)D，當(dāng)其收到PREQ消息的時(shí)候，PREQ消息字段的Metric值都是本節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)鏈路的Metric值的累加和。節(jié)點(diǎn)B和C繼續(xù)廣播PREQ消息給鄰節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D，然后轉(zhuǎn)發(fā)目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的PREP（Path Reply）消息。目的節(jié)點(diǎn)收到PREQ后直接單播PREP消息給源節(jié)點(diǎn)A。這樣，源節(jié)點(diǎn)就生成了到目的節(jié)點(diǎn)的所有路徑的路由表項(xiàng)，根據(jù)Metric值選擇一條最優(yōu)Metric的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

主動(dòng)路由模式：HWMP協(xié)議工作在主動(dòng)模式時(shí)，有兩種機(jī)制，一種是通過廣播PREQ消息，另一種是發(fā)送RANN[9]。這里只對PREQ工作機(jī)制進(jìn)行介紹。當(dāng)節(jié)點(diǎn)開始工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)A開始廣播PREQ消息給其鄰節(jié)點(diǎn)，這里和按需模式不同的是，PREQ字段的目的地址設(shè)為廣播地址。PREQ中的Metric字段同樣初始化為0，并且隨機(jī)生成一個(gè)SN值，每轉(zhuǎn)發(fā)一次，SN值加1。鄰節(jié)點(diǎn)收到PREQ消息后，更新PREQ消息中的Metric值，然后鄰節(jié)點(diǎn)繼續(xù)將PREQ消息轉(zhuǎn)發(fā)給其鄰節(jié)點(diǎn)，不斷重復(fù)下去。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到來自相同源節(jié)點(diǎn)的PREQ消息，節(jié)點(diǎn)根據(jù)SN值進(jìn)行處理，新收到的PREQ消息SN值大于已經(jīng)收到的PREQ消息的SN值，或者相等但是Metric值更小，則更新PREQ消息的Metric字段，如果SN值小于已收到的PREQ消息，則丟棄。通過SN值避免了PREQ消息泛濫，占據(jù)信道資源。

其中度量值Ca是傳輸數(shù)據(jù)幀的鏈路消耗資源總量，O是一個(gè)常數(shù)，表示對信道接入和協(xié)議開銷的量化，其值由具體采用的IEEE802.11協(xié)議確定。Bt代表測試幀的長度，為8192bit，r代表數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為Mbps，ef是測試幀丟失率，其意義為以速率r傳輸大小為Bt的數(shù)據(jù)幀，由于各種因素會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀在傳輸是依概率ef損壞。傳輸速率r和數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)概率ef可以從網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)獲取。

2 ?Batman-adv路由協(xié)議原理

Batman-adv路由協(xié)議和HWMP路由協(xié)議不同的是，僅維護(hù)一張具有最佳鏈路質(zhì)量的鄰節(jié)點(diǎn)的列表。以圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?dāng)節(jié)點(diǎn)A開始工作后，節(jié)點(diǎn)A按照遞增的順序生成帶有序列號（Seqno）的OGM包（Originator Message），廣播給它的鄰節(jié)點(diǎn)B、C、D。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對收到包的序列號使用滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行處理，滑動(dòng)窗口大小設(shè)為5，當(dāng)收到一個(gè)包，其序列號小于滑動(dòng)窗口最小值，則丟棄該包，不進(jìn)行下一步處理，當(dāng)序列號在滑動(dòng)窗口內(nèi)，接收該包，進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)序列號大于滑動(dòng)窗口最大值，則更新滑動(dòng)窗口值，通過這樣的機(jī)制保證節(jié)點(diǎn)始終接收到最新的OGM包。當(dāng)鄰節(jié)點(diǎn)B、C、D收到OGM包后，進(jìn)行進(jìn)一步處理，沒有被丟棄的包則減少生存周期重廣播給其鄰節(jié)點(diǎn)。通過這樣的方式，將OGM包泛洪到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，直到OGM包的生存周期為0或者OGM包由于鏈路質(zhì)量被丟棄為止。和HWMP協(xié)議不同的是，Batman-adv協(xié)議不需要回復(fù)消息，僅通過OGM的廣播與重廣播來告知鄰節(jié)點(diǎn)的存在，所以，OGM包是整個(gè)協(xié)議的重要組成部分。在IV版本的協(xié)議里，OGM包的作用有兩個(gè)：（1）、用于鄰節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和更新;（2）、根據(jù)OGM包的接收數(shù)量來記錄鏈路質(zhì)量，并作為路由選路的判據(jù)。在V版本，將OGM包的第二個(gè)作用交給了鏈路吞吐量，不再使用鏈路質(zhì)量作為判據(jù)。鏈路吞吐量的計(jì)算是根據(jù)Minstrel速率控制算法以不同速率發(fā)送數(shù)據(jù)探測包，統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到吞吐量，最后使用EWMA指數(shù)加權(quán)的方法將歷史得到的吞吐量和這一時(shí)刻得到的吞吐量進(jìn)行平滑取最終結(jié)果。具體計(jì)算公式如下：

3 ?實(shí)驗(yàn)

大規(guī)模的節(jié)點(diǎn)測試平臺(tái)容易導(dǎo)致相互節(jié)點(diǎn)之間的相互干擾，復(fù)雜的無線環(huán)境也會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。而節(jié)點(diǎn)數(shù)少更容易控制相關(guān)變量，因此本文基于圖1作為對比實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將Batman-adv和HWMP源碼通過Linux系統(tǒng)編譯后加載到路由器硬件上。由圖1可知，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C相互不可見，節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)C有4條鏈路，分別是鏈路B-A-C、B-D-C、B-A-D-C、B-D-A-C。通過Iperf工具，生成UDP數(shù)據(jù)流，持續(xù)時(shí)間60s，通過記錄數(shù)據(jù)包的接收數(shù)量來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察，主要對比HWMP和Batman-adv協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性。HWMP和Batman-adv協(xié)議都運(yùn)行在默認(rèn)參數(shù)下。

3.1 ?傳輸穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

以圖1作為實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄟ^Iperf流量生成工具，持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)流，觀察路由的切換情況，由于一次觀測具有偶然性，本文記錄三次實(shí)驗(yàn)的接收包數(shù)量，以此衡量協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性。

對比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)，Batman-adv路由協(xié)議在三次觀測中，第一次實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)生路由切換，第二次和第三次均發(fā)生了一次路由切換，通過對實(shí)驗(yàn)中吞吐量的跟蹤，發(fā)現(xiàn)在第二次的時(shí)候，鏈路B-A-C吞吐量下降，小于鏈路B-D-C吞吐量，根據(jù)路由選擇的條件，此時(shí)，選擇吞吐量大的鏈路B-D-C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同樣第三次路由切換是因?yàn)殒溌稡-A-C的鏈路吞吐量大于鏈路B-D-C。由吞吐量的計(jì)算原理可知，發(fā)生吞吐量的變化是因?yàn)樵诎l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于測量吞吐量發(fā)送的探測數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包在同一個(gè)信道，信道沖突導(dǎo)致吞吐量測量不準(zhǔn)確，繼而引發(fā)路由切換。觀測圖3，可知三次實(shí)驗(yàn)中均發(fā)生了多次路由切換，相比于Batman- adv路由協(xié)議，傳輸穩(wěn)定性較差。從HWMP的路由機(jī)制進(jìn)行分析，發(fā)生多次路由切換是因?yàn)榻邮諗?shù)據(jù)包的順序不僅和信道的質(zhì)量有關(guān)，還和媒體介入控制有關(guān)。在IEEE802.11的無線網(wǎng)絡(luò)中，采用隨機(jī)生成的二元指數(shù)后退機(jī)制實(shí)現(xiàn)無線媒體接入[10]。因此數(shù)據(jù)傳輸過程容易發(fā)生路由切換。

3.2 ?路由收斂性實(shí)驗(yàn)

對一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)來說，不斷有新的節(jié)點(diǎn)加入或者原有節(jié)點(diǎn)的退出，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化對協(xié)議的工作性能的影響成為了一個(gè)很重要的指標(biāo)，稱之為路由收斂性。在圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，使用Iperf流量生成工具，由節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)流，通過人為關(guān)閉節(jié)點(diǎn)A的無線功能，過一段時(shí)間，再打開無線功能，來測試節(jié)點(diǎn)的退出和加入對路由收斂性的影響。測試時(shí)間為60 s，在第20 s把節(jié)點(diǎn)A的無線功能關(guān)閉，此時(shí)節(jié)點(diǎn)A退出網(wǎng)絡(luò)，在第45 s的時(shí)候把節(jié)點(diǎn)A的無線功能打開，節(jié)點(diǎn)A加入網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖4、圖5。

觀察圖4和圖5，在節(jié)點(diǎn)A退出和節(jié)點(diǎn)A重新加入網(wǎng)絡(luò)，兩種路由協(xié)議的路由都發(fā)生了切換，切換后協(xié)議較為穩(wěn)定，沒有因?yàn)楣?jié)點(diǎn)突然退出和加入而發(fā)生嚴(yán)重的丟包，收斂性能都不錯(cuò)。圖5HWMP協(xié)議的收斂性能測試實(shí)驗(yàn)，除了節(jié)點(diǎn)退出發(fā)生路由切換，節(jié)點(diǎn)重新加入之后再次發(fā)生切換，路由切換的原因在3.1節(jié)中已經(jīng)說明。

4 ?結(jié)論

本文通過對HWMP和Batman-adv路由協(xié)議的原理進(jìn)行介紹，通過實(shí)驗(yàn)對比測試兩種協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性和路由收斂性，結(jié)果表明Batman-adv路由協(xié)議的傳輸穩(wěn)定性優(yōu)于HWMP路由協(xié)議，路由收斂性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種協(xié)議表現(xiàn)都較好，沒有因?yàn)楣?jié)點(diǎn)退出和加入網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致嚴(yán)重的丟包，在協(xié)議工作機(jī)制下，都較好地完成了路由的切換。

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