基于BATMAN的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)中乒乓切換的研究

肖衡，梁加明，馮璐

基于BATMAN的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)中乒乓切換的研究

肖衡，梁加明，馮璐

（長沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410022）

文章主要針對BATMAN協(xié)議在多節(jié)點(diǎn)移動(dòng)組網(wǎng)應(yīng)用場景中所在節(jié)點(diǎn)處于各種干擾環(huán)境中，導(dǎo)致路由乒乓切換的問題，提出了更新門限閾值的方案。方案的優(yōu)勢就是當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)受到干擾來回切換時(shí)，提供快速切換制度，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。通過對無線自組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測試，表明文章所提出的優(yōu)化方案能夠有效地解決上述問題。

BATMAN；乒乓切換；自組網(wǎng)

引言

無線mesh自組網(wǎng)是一種帶有無線收發(fā)功能的可移動(dòng)設(shè)備所組成的一個(gè)臨時(shí)性多跳網(wǎng)絡(luò)，它不依賴于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，具有可快速實(shí)時(shí)組網(wǎng)、攜帶便攜、無控制中心、維護(hù)成本小等特點(diǎn)。

通過對BATMAN協(xié)議的研究發(fā)現(xiàn)，各種場景下使用的BATMAN協(xié)議都普遍存在著當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到干擾的時(shí)候，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)路由乒乓切換問題。因此本文提出一種基于門限閾值的路由快速切換的方案，通過閾值控制路由節(jié)點(diǎn)的切換，避免因節(jié)點(diǎn)受到干擾來回切換。

1 BATMAN_Adv協(xié)議路由協(xié)議概述

BATMAN協(xié)議致力于將最佳端到端路徑問題從Mesh網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)分割到所有實(shí)際組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)僅僅感知并存儲到所有其他節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)下一跳信息。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)就已經(jīng)在維護(hù)一張路由表，使其具備路徑選擇時(shí)延小的優(yōu)點(diǎn)[1]。

BATMAN路由協(xié)議的工作原理：源節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中周期性地洪泛OGM報(bào)文，各源節(jié)點(diǎn)建立自己的路由表并對路由表進(jìn)行更新，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中通過單跳或多跳通信鏈路能夠訪問到的所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息[2]。

2 BATMAN協(xié)議中的乒乓切換問題分析與設(shè)計(jì)

2.1 路由乒乓切換問題描述

在無線自組網(wǎng)通信過程中，由于信號干擾，導(dǎo)致各鏈路的度量值發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，且路由的切換主要由度量值大小決定的，從而存在路由來回切換的問題。路由的頻繁切換，會(huì)導(dǎo)致時(shí)延抖動(dòng)、報(bào)文丟失、導(dǎo)致通信質(zhì)量嚴(yán)重下降。乒乓切換的基本模型如圖1所示。通過研究BATMAN協(xié)議，發(fā)現(xiàn)引起路由乒乓切換的主要原因就是BATMAN協(xié)議中的路由更新機(jī)制[3]。

圖1 路由乒乓切換模型

圖2 三角路由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

在BATMAN協(xié)議中，路由更新機(jī)制主要由通過鄰居節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)去源節(jié)點(diǎn)的吞吐量和最近一次傳遞的OGM報(bào)文序列號所決定。只有當(dāng)通過鄰居節(jié)點(diǎn)去源節(jié)點(diǎn)的吞吐量更高時(shí)或者路由節(jié)點(diǎn)可能由于遮擋或關(guān)機(jī)，已經(jīng)連續(xù)在多個(gè)OGM報(bào)文周期中沒有傳遞過路由節(jié)點(diǎn)的OGM報(bào)文時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)將更新為路由節(jié)點(diǎn)[4]。

2.2 路由乒乓切換優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決路由乒乓切換的問題，本文在路由更新判決的地方增加門限閾值的處理，核心思想：只有當(dāng)通過鄰居節(jié)點(diǎn)去源節(jié)點(diǎn)的吞吐量與通過路由節(jié)點(diǎn)去源節(jié)點(diǎn)的吞吐量之差大于門限閾值時(shí)，才進(jìn)行路由節(jié)點(diǎn)的更新；故門限閾值是核心，搭建乒乓切換模型，模擬可能的干擾對鏈路度量值的影響并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定閾值。從A到D有兩條路由；A- >B->D鏈路度量值為25Mbps，A->C->D鏈路度量值為24.5Mbps[5]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 各種干擾下的鏈路度量值

當(dāng)A->B->D的這條鏈路存在干擾，導(dǎo)致鏈路度量值小于24.5Mbps時(shí)，A到D的路由就會(huì)切換到A->C->D這條鏈路；當(dāng)干擾消失后，A到D的路由切換到A->B->D這條鏈路；形成路由頻繁切換，降低了數(shù)據(jù)傳輸效率。因此得出結(jié)論，鏈路度量值的波動(dòng)范圍在2~3Mbps，故門限閾值設(shè)為3Mbps[6]。

3 方案分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

搭建通信中普遍存在的三角路由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是PC端，表2為路由節(jié)點(diǎn)地址，圖2為PC端分布圖。

表2 路由節(jié)點(diǎn)地址

3.2 節(jié)點(diǎn)信息

使用調(diào)試工具batctl查詢路由節(jié)點(diǎn)5信息，如表3所示。

表3 路由節(jié)點(diǎn)5信息

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在節(jié)點(diǎn)5上添加衰減器使5->6鏈路吞吐量減少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 路由節(jié)點(diǎn)5信息

由表4知道5->10->6鏈路吞吐量為36Mbps，而5->6鏈路的吞吐量為29Mbps，故兩鏈路吞吐量之差為7Mbps，超過設(shè)置的閾值3M，故路由路徑由5->6鏈路切換為吞吐量更高的5->10->6鏈路，同時(shí)下一跳MAC地址更新為路由節(jié)點(diǎn)10的MAC地址。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)分析可知，本方案提供一種快速乒乓切換的機(jī)制，加強(qiáng)了自組網(wǎng)系統(tǒng)的抗干擾能力，避免了因輕微干擾引起的路由乒乓切換，提高數(shù)據(jù)傳輸效率[7]。

4 結(jié)束語

BATMAN協(xié)議由于路徑選擇等待時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)，在自組網(wǎng)中得到廣泛地應(yīng)用，但是該協(xié)議還是存在一些技術(shù)缺陷，本文對基于BATMAN協(xié)議的無線自組網(wǎng)系統(tǒng)中普遍存在的乒乓切問題進(jìn)行了深入研究，并提出相應(yīng)BATMAN協(xié)議優(yōu)化方案，為BATMAN協(xié)議研究以及優(yōu)化路由乒乓切換問題起到了一定的借鑒作用。

[1] 王大鵬.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中高效公平通信協(xié)議的研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

[2] 王琦.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[3] 陳宇.基于BATMAN的鐵路干線無線Mesh網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制研究[D].中南大學(xué),2014.

[4] 羅尚平,劉才銘,黃陳英.海上多跳無線自組網(wǎng)路由協(xié)議仿真研究[D].樂山師范學(xué)院,2015.

[5] 陳東升,戴和原.改進(jìn)BATMAN的電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測通信研究[D].東北電力大學(xué),2016.

[6] 王道大,張智斌,王海瑞.基于Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)的煤礦瓦斯預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2016,35(003):75-77.

[7] 常初宇,向勇,史美林.車載自組網(wǎng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通信學(xué)報(bào),2017, 28(11):116-126.

Research on Ping-Pong Switching in Wireless Ad Hoc Network System Based on BATMAN

Xiao Heng, Liang Jiaming, Feng Lu

( School of Electronic Information and Electrical Engineering, Changsha University, Hunan Changsha 410022 )

This article focuses on the problem of BATMAN protocol in the multi-node mobile networking application scenario where the node is interfering and causes continuous routing switching, resulting in routing ping-pong switching. The advantage of the scheme is that when the routing node is switched back and forth by interference, it provides a fast switching system to improve data transmission efficiency. By testing the wireless ad hoc network system, it is shown that the optimization scheme proposed in this paper can effectively solve the above problems.

BATMAN; Ping-Pong Switching; Ad hoc network

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.007

U462.1

A

1671-7988(2021)02-20-03

U462.1

A

1671-7988(2021)02-20-03

肖衡，就職于長沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院。