基于節點靜默-激活機制的優化鏈路狀態路由研究

黃鋅源,王 睿,郭一平,胡谷雨

(中國人民解放軍陸軍工程大學 指揮與控制工程學院,江蘇 南京 210007)

0 引 言

移動無線自組織網絡MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一種通過無線鏈路將移動設備進行連接的自組網技術[1],不需要像傳統網絡那樣依靠固定的網絡基礎設施實現網絡接入,節點之間直接通過無線鏈路進行互聯,且每個網絡節點既可以作為端節點,也可以作為路由器等轉發設備進行數據傳遞,節點可以很輕松自由地接入網絡或離開網絡[2],充分利用了無線環境中的電磁頻譜資源作為通信鏈路。同時,隨著MANET結構的逐步完善,無線通信等賦能技術穩定性的提高,以及路由協議安全性的增加,MANET網絡在軍事、救災等領域也得到了大量的應用[3]。MANET網絡環境中的路由算法通常分為兩種,即基于矢量優先的路由算法和基于路徑優先的路由算法,兩類算法都需要定期發送數據包用于節點構建網絡拓撲信息,從而進行路由選擇。

軍事環境中MANET網絡通常是利用背負式、車載式、機載式等搭載式的軍用數字無線電臺作為網絡設備,通信手段也主要是依靠電臺之間的無線電傳輸[4],但移動通信中所使用的無線電信號安全度不高,十分容易被敵方進行有針對的電子偵察,捕獲軍隊經常使用的通信頻率,針對這些通信頻段,實施不同程度的電子干擾,以至于戰場信息網絡中的無線鏈路出現傳輸速率降低、誤碼率升高、丟包率上升等鏈路質量下降的問題。

在遭受干擾狀況的環境中,無論MANET節點使用哪種路由算法,網絡鏈路都會因傳輸能力下降導致丟包率升高,同時由于網絡結構中丟包重傳的原因,當節點發送的數據包因響應超時或網絡環境較差出現丟包時,會將丟失的數據包進行重發,使得網絡環境中充斥著大量的重發數據,造成本就擁塞的戰場信息網絡的效率更加低下,嚴重時甚至會導致出現網絡崩潰的情況。因此,可通過對網絡路由協議的優化,減少不必要的路由信息交互、降低重發概率,在干擾環境中盡量提高戰場信息網絡對戰場中的緊急指令、有效報文等數據的傳輸成功率,盡可能地加強遭敵干擾下的戰場信息網絡的數據傳輸能力。

文獻[5]對MANET中常見的AODV,DSR,OLSR,GPR四種路由協議進行了對比分析,通過對四種路由在相同場景下的端到端時延和吞吐量進行比較,得出OLSR路由協議綜合性能更高的結論。該文在被敵干擾的戰場網絡場景下對傳統的OLSR協議進行了研究,通過對OLSR協議的分析,針對OLSR協議中鄰居監聽時HELLO包發送過量冗余的問題,提出了一種基于節點靜默-激活機制的優化鏈路狀態路由(SA-OLSR)協議,通過節點對HELLO消息接受的感知,估測當前所處的網絡環境狀態,降低HELLO包的發送間隔。

1 OLSR概述及相關研究

優化鏈路狀態(Optimized Link State Routing,OLSR)協議是一種主動式的路由協議,通過降低控制類型數據包的大小和減少用于轉發鏈路狀態的數據包數量來實現對純鏈路狀態路由協議的優化[6-7]。OLSR主要分為三個階段:鄰居感知階段、TC消息交互階段、路由選擇階段。

在鄰居感知階段,網絡中的每個節點會定期向周圍節點發送HELLO消息,HELLO消息報文結構如圖1所示。第一部分為HELLO消息的頭部,前兩個字節為保留字段,設置為全0;第三個字節為HELLO信息的生命周期,第四字節表示節點愿意被選為MPR節點的程度。HELLO消息的第二部分為鏈路信息的首部,第一字節指定了鏈路發送接口和鄰居接口列表;第二字節為保留字段;三四字節標識了鏈路信息的大小。第三部分為鄰居接口信息,依次列出了每個鄰居節點的接口地址信息。通過定期的HELLO消息交互,每個節點都可以得到本節點與一跳鄰居、二跳鄰居之間的鏈路狀況,從而構建出自己的一跳鄰居表和二跳鄰居表,再通過MPR選擇算法選出對應的MPR集,構建出一張MPR表。

圖1 HELLO消息包格式

在TC消息交互階段,基于前一階段所構建出的MPR表,網絡中的MPR節點會定期地將TC消息進行洪泛,而MPR節點收到后也都會再將其轉發。TC消息報文結構如圖2所示。

圖2 TC消息包格式

在路由選擇階段,通過TC消息的交互,節點構建出網絡拓撲表后,便可利用最短路徑優先算法尋找出各個目的節點的路徑信息,構建出路由表。

針對OLSR協議路由開銷過大的問題,文獻[8]提出了一種C-OLSR(集群OLSR)協議,通過將網絡分群的策略,將控制信息的轉發限制在了集群內部,集群間的通信則采用改進的轉發策略,有效減小了TC信息的全網洪泛,降低了路由開銷。文獻[9]基于一種利用無速率編碼的地理廣播路由方案,將傳遞消息的策略和數據交換的方式進行了改進,提出了一種利用表驅動的OLSR協議將消息傳遞到目標區域,通過實驗仿真結果顯示,該方案在降低路由開銷成本的同時還提高了分組的發送成功率。文獻[10]基于節點的移動策略與OLSR性能的關系進行了分析,通過在多個網絡場景下,控制節點的移動速度不同以及移動方式不同進行實驗對比,分析了路由的發包率、端到端時延和路由控制開銷等性能的差異。考慮到無線自組網中節點的能量壽命的問題,文獻[11]對OLSR協議的多點中繼選擇過程進行了改進,通過將被選取為MPR集的willings和TC消息的發送間隔進行調整,有效地提高了網絡節點的工作壽命,節約了節點能量,并且依然保證了OLSR的QoS質量。針對鏈路故障拓撲結構頻繁變化導致丟包,從而造成網絡擁塞的問題,文獻[12]提出了一種低延遲最優鏈路狀態路由(LL-OLSR)方案,通過對已經建立的路徑的監測,在鏈路網絡擁塞的情況下,采用最小的成本將源節點和目的節點相連接,最大化地提高了數據傳輸效率。文獻[13]進行了去中心化研究,通過將節點位置進行分區,避免在相同區域內的數據頻繁傳輸,有效降低了TC消息的轉發數量,降低了路由開銷。

2 問題描述及改進分析

2.1 問題描述

OLSR協議利用節點之間定期進行的HELLO消息交互獲取自己與鄰居節點之間的鏈路狀態,同時感知自己與二跳鄰居節點的鏈路狀況。如圖3所示,當戰場環境中出現干擾時,假設干擾范圍對戰場網絡中的6號節點、7號節點、8號節點之間的通信鏈路產生了影響,三個節點所組成的局部網絡中通信環境的鏈路質量嚴重下降,鏈路上的丟包率急劇升高,導致三個節點之間交互的數據包都難以成功接受。而此時按照HELLO消息的交互機制,遭受干擾的節點仍然會持續地定期發送這類交互報文,受到干擾的局部網絡環境也因此會出現大量被重發和無法成功接受的HELLO信息,使得一些需要在戰場上進行緊急傳輸的數據無法成功投遞,嚴重影響了戰場環境中的部隊指揮官對分隊的指揮決策能力。

圖3 干擾環境示意圖

2.2 改進措施

針對在鏈路質量較為糟糕的情況中,OLSR路由在進行鄰居監聽時仍然會持續發送大量HELLO信息的問題,該文提出了一種基于節點的靜默-激活機制,對OLSR的鄰居監聽算法進行改進,減少MANET節點進行大量冗余HELLO信息的發送。

改進后的SA-OLSR算法的HELLO接受流程如圖4所示。在每次接受到HELLO包后會記錄當前的時間,然后再對數據包進行處理解析。

圖4 HELLO信息接受流程

發送流程如圖5所示。當節點在3個HELLO消息的發送時鐘周期內未能收到來自其他節點的HELLO報文,則該節點會進入靜默狀態,進入靜默狀態后,節點不再主動發送用于交互的HELLO信息,但節點內部會繼續進行其余的工作,只有當收到來自其他節點的HELLO消息后,靜默節點才會被激活,重新開始主動地去進行HELLO信息交互。該算法主要是通過降低在干擾狀況下MANET節點主動發送HELLO消息的頻次,減少網絡中控制包的數量,降低控制信息的開銷,提升網絡中對有效信息傳輸的比率。

圖5 HELLO信息發送流程

2.3 理論分析

在自組織網絡中,影響網絡性能指標的因素主要有網絡中節點的總數、節點的發包速率、包的大小、節點的移動速度等[14]。在OLSR協議中,其鄰居監聽算法的路由開銷主要與HELLO包的發送頻率、包的大小、包的總量相關,相關參數定義如表1所示。

術前宣教形式多樣，包括展開個人咨詢、宣傳彩頁或多媒體方式等。如果患者及家屬與相關的外科醫生、麻醉醫生及護理人員進行一次面對面的交流則更理想。宣教內容應包括解釋在整個流程中患者的任務，鼓勵患者術后早期進食，早期下床活動，配合鎮痛及呼吸功能鍛煉等，并應向患者及家屬詳細說明出院標準。

表1 網絡性能分析參數

在自組織網絡中,單位時間內,全網所產生的HELLO包數量為:

(1)

在無干擾狀況下的網絡持續時間內,全網所生成的HELLO包數量為:

(2)

同理可知,在存在干擾的狀況下,被干擾的局部網絡所生成的HELLO包數量為:

(3)

干擾時間段內HELLO包的丟包數量為:

(4)

在整個網絡持續時間內,有效傳輸的HELLO包所占的比率為:

(5)

由式5可知,只需要提高在干擾狀況下的HELLO包發送時間間隔,即可有效增加在網絡中HELLO信息的有效傳輸率。而SA-OLSR方式在干擾時明顯降低了傳輸頻率,增加了傳輸間隔,因此降低了HELLO包的控制開銷。

3 實驗驗證及結果分析

仿真中,以SA-OLSR,OLSR,AODV在同一網絡場景下進行對比,選取HELLO信息的發包量、網絡平均時延網絡擁塞的累積分布概率作為指標比較了SA-OLSR和OLSR的差異,驗證了SA-OLSR的有效性。使用網絡平均時延、網絡吞吐量兩個指標,比較了SA-OLSR,OLSR和AODV之間的區別,驗證了SA-OLSR的先進性和可靠性。

3.1 仿真場景設置

基于Windows平臺利用OPNET[15]仿真工具對傳統的OLSR以及SA-OLSR進行模擬,同時與現階段在MANET網絡中常使用的AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)協議在時延和吞吐量參數上進行了比較。仿真場景設置在3 km×3 km的區域內,分別將20個MANET節點進行均勻排列,節點移動速度為10～30 m/s,節點最大通信距離為600 m,仿真持續時間為30分鐘,設置場景在200 s～500 s時間段,網絡中出現干擾,導致其中共5個節點組成的局部網絡中的通信效率降低。仿真參數設置如表2所示。

表2 仿真參數設置

3.2 仿真結果分析

3.2.1 HELLO包數量

OLSR與SA-OLSR的HELLO包發送數量比較如圖6所示。由于SA-OLSR減小了HELLO包的發送間隔,在網絡開始階段以及出現干擾階段,SA-OLSR的HELLO數據發送量明顯比OLSR的低,在干擾消失,網絡性能逐漸恢復后,兩種協議的發包數量漸漸達到一致。在干擾狀況下SA-OLSR的HELLO包發送數量比OLSR的降低了10%左右。

圖6 HELLO包數量比較

3.2.2 網絡擁塞的CDF

從圖7中可知,與OLSR相比,雖然SA-OLSR造成網絡中出現較短擁塞時間的概率更大,但是其能夠有效避免網絡中出現長期的擁塞持續時間。因此在進行長時間網絡運行時,SA-OLSR的效率更高,有效避免了網絡中較長時間的持續擁塞事件的出現。

圖7 網絡擁塞時長CDF

3.2.3 時 延

從圖8中可知,三種路由協議中,AODV的平均時延最大,且在網絡狀態不穩定時,時延情況會出現較大幅度的突變。SA-OLSR與OLSR的時延都能始終保持在相對較低的水平上。但是與OLSR相比,SA-OLSR的平均時延有一定的增加趨勢,這是由于拓撲不斷變化,控制信息發送量的減少,使得節點在變化時對鄰居狀態的監聽不夠及時導致的,但平均時延都相對較低。

圖8 時延對比

3.2.4 吞吐量

從圖9中可以看出,隨著仿真時間的增加,三種路由協議中,SA-OLSR的吞吐量明顯最高,OLSR的吞吐量次之,AODV的吞吐量最低。隨著網絡拓撲隨時間的變化,SA-OLSR比AODV的吞吐量提高了約0.12 Mbit/s,且該提高量會逐漸增加。因此,在無線信道容量不變的情況下,SA-OLSR能夠提供更好的網絡性能保障。

圖9 吞吐量對比

4 結束語

通過對OLSR協議鄰居監聽算法的分析,提出了一種基于節點SA(靜默-激活)機制的鄰居監聽算法。該算法通過節點對最近一次接受到HELLO消息時間的檢測,能夠判斷自己是否處在被干擾環境中,從而決定自己是否需要進入靜默狀態,增加了在干擾環境下節點發送HELLO包的時間間隔,降低了發送頻率。通過實驗分析,相比于傳統的OLSR,SA-OLSR能夠有效減少MANET節點進行鄰居監聽時的HELLO包開銷,同時降低網絡中出現長時間擁塞的概率。與AODV相比,SA-OLSR和OLSR都能夠在保持更低且更加穩定的端到端時延的情況下,提高網絡吞吐量,從而提升網絡性能。下一步將對OLSR的MPR選擇算法和TC洪泛機制進行研究,綜合提高OLSR在戰場環境下的性能。