第一作者:刘强(1980—),男,江苏南京人,讲师,博士.研究方向为移动自组织网.email:liuq@bjtu.edu.cn
在大规模密集的高速移动自组织网络中,节点的快速移动使网络拓扑变化频繁,从而需要加快路由更新,由此导致路由开销不断增加,网络性能下降.针对这一问题,本文提出了FH-OLSR路由协议,该协议基于优化链路状态路由协议(OLSR)设计,并引入模糊视觉技术与快速路由技术,通过监听节点链路状态的变化情况,自动调整握手消息与拓扑控制消息的发送频率与发送范围,同时结合链路状态计算路由,有效地提升网络拓扑收敛速度,降低路由开销,提高网络性能.本文利用OPNET仿真软件进行实验,结果表明:在大规模网络拓扑高速变化的情况下,FH-OLSR协议与OLSR协议相比,路由开销降低25%,端到端延时降低50%,丢包率降低15%.
In the large-scale high-speed mobile ad-hoc networks,the rapid movements of nodes make the network topology change frequently, so it needs to speed up the routing update,which leads to the continuous increase of the routing overhead and degrades the performance of networks.To solve this problem,this paper proposes the fast hazy optimized link state routing (FH-OLSR) protocol, which is based on OLSR,the introduction of hazy sighted technology and the fast routing technology.By monitoring the changes of node link state, the transmit frequency and range of handshake messages and topology control messages can be automatically adjusted.Meanwhile the link state routing computation can be integrated to effectively speed up the network topological convergence and reduce the routing overhead and improve the network performance.The experimental results in OPNET show that in large-scale network topological high-speed changes,compared with the OLSR protocal,FH-OLSR can reduce the routing overhead, end-to-end delay and the packet loss rate by 25%,50%,15%,respectiely.
移动自组织网络(MANET)[1]是一种移动、多跳和无中心的无线通信网络, 该网络无需任何固定基站就可以在各种环境下快速组网进行通信.在这种网络中, 节点的传输范围有限, 节点间的通信通常需要其他节点辅助才能完成, 因此路由协议的设计对于MANET网络设计起着十分重要的作用.
目前, 国内外对于MANET网络路由协议的分类方法有很多种, 根据不同的路由发现策略, 路由协议主要分为先验式路由协议和反应式路由协议.
先验式路由协议[2]又称表驱动路由协议.在这种路由协议中, 无论是否有通信需求, 每个节点都周期性地进行路由分组广播, 通过交换路由信息, 维护一张到达其他节点的路由表.节点一旦需要发送报文, 就可以根据路由表及时获取路径信息, 因此这种路由协议的时延较小.典型的先验式路由协议有OLSR[3]、DSDV[4]等.
反应式路由协议[5]又称按需路由协议.在这种路由协议中, 节点不需要维护及时准确的路由信息, 而是当需要时才查找路由.当源节点发送数据报文时, 节点在网络中发起路由查找过程, 找到相应的路由后, 才开始发送报文, 因此存在一定的时延, 并且随着网络规模的增大, 时延随之增大.典型的反应式路由协议有AODV[6]、DSR[4]等.
通过文献[2]和文献[5]两种协议的对比, 先验式路由协议更适用于大规模密集的网络.在此种网络中, OLSR路由协议的性能相比其他先验式路由协议的性能更优[7], 但随着节点移动性的增加, 网络性能逐渐下降.针对这一问题, 人们对OLSR提出了很多改进方法.文献[8]提出了一种MPR预测路由协议KMPR-OLSR, 该协议通过预测MPR节点链路未来时刻的连接状态, 来适应网络拓扑结构的快速变化, 降低由于链路中断而产生的时延和丢包率.文献[9]提出了FLSQR路由协议, 该协议通过决策表来存储最优和次优路径, 帮助节点发现最优带宽和时延的路径.文献[10]提出了一种基于链路感知的LR-OLSR路由协议, 该协议对节点负载、链路投递率和链路可用性等信息进行感知并用于路由表的计算, 提高吞吐量, 达到负载均衡.文献[11]提出了一种移动预测LP-OLSR协议, 该协议使用卡尔曼滤波对节点的位置进行预测, 并将结果用于路由表的计算, 使节点适应网络拓扑结构的快速变化.
这些路由协议多数从改进路由表计算方面来解决此问题, 并没有考虑到大量的路由消息及链路感知速度慢而导致的信道堵塞、链路状态失效、包丢失和延时增加等问题.为了解决上述问题, 本文从消息发送机制方面来进行改进, 引入模糊视觉技术与快速路由技术, 提出了快速模糊视觉优化链路状态路由协议(FH-OLSR).
FH-OLSR协议与OLSR协议相同, 该协议也有两种控制消息:握手(HELLO)消息与拓扑控制(TC)消息, 它们分别用于邻居消息广播、拓扑控制消息广播、多点中继(Multipoint Relays, MPR)集及路由计算.不同的是, 它们发送消息的频率与范围不同.FH-OLSR协议在OLSR协议的基础上主要做到:HELLO消息发送机制, MPR集选择机制, TC消息发送机制, 路由权值设计共4点改进.
HELLO消息发送机制:由于无线传播的不确定性, 节点必须定期检测链路状态, 但随着节点移动性的不断增加, HELLO_interval(发送HELLO消息的间隔)值为2 s已经不能确保邻居信息的准确性, 由此导致节点选择的路径并不是最优路径, 从而出现延时增加, 包丢失等问题.为了解决这些问题, FH-OLSR路由协议设置了两种HELLO消息和两种时间间隔.
1.1.1 HELLO_interval的改变
FH-OLSR路由协议引入快速路由技术[12, 13], 将节点分为:Default状态、Fast-OLSR状态、Fast-Response状态共3种状态, 并且定义了两种HELLO_interval值, 一种是原OLSR路由协议中发送HELLO消息的固定间隔, 在此用Default_HELLO_interval标识, 设置为2 s; 另一种是Fast_HELLO_interval值, 设置为
图1表示的是3种节点状态之间转换的逻辑关系.由图1可以看出, FH-OLSR协议是通过
式中, HELLO_interval为发送HELLO消息的间隔, 此数值与节点状态有关:1)Default状态:值为Default_HELLO_interval; 2)Fast-OLSR状态:值为Fast_HELLO_interval; 3)Fast-Response状态:值为Fast_ HELLO_interval.
UPPER为最高阈值, LOWER为最低阈值.假设网络规模大小为
FH-OLSR的HELLO消息发送机制如图2所示.图2中发送消息过程如下.
1)初始时, 节点处于(a)状态;
2)判断(b)是否成立, 如果成立执行(F)处理过程, 否则判断(c)是否成立;
3) 如果(c)成立, 执行(R)处理过程, 否则执行(D)处理过程;
4)非初始状态, 判断节点是否处于(d)状态, 如果是, 重复步骤2), 3);
5)如果否, 判断节点是否处于(e)状态, 如果是, 执行步骤6); 否则, 执行步骤7);
6) 判断(b)是否成立, 如果成立, 则执行(F)处理过程, 否则执行(D)处理过程;
7)判断节点是否处于(f)状态, 如果否, 则程序结束; 否则继续判断(g)是否成立, 如果成立, 则执行(D)处理过程, 否则执行(F)处理过程.
1.1.2 MPR选择机制
MPR集选择机制:当节点变化速度较快时, 为了确保拓扑结构稳定, FH-OLSR路由协议仅选择移动速度相对慢的节点或者静止的节点作为MPR候选节点.
每个处于Fast-OLSR状态的节点有一个MPR集和一个MPR候选集.由于处于Fast-OLSR状态的节点移动速度较快, 不建议被选为MPR, 它的willingness被设为LOW.具体MPR选择机制的改进如下.
1)当节点状态转换为Fast-OLSR状态时, 该节点的MPR集被创建.首先将可以作为MPR的节点存放于MPR候选集中, 然后依据OLSR路由协议中MPR的选择策略从候选集中选出MPR.此时, 处于Default状态的邻居节点还没有检测到Fast-OLSR邻居的存在, 所以MPR集合中的节点都是处于Fast-Response状态的节点.
2)当处于Fast-OLSR状态的节点收到Response_Fast_HELLO消息时, 它的邻居一定是处于Fast-Response状态的节点, 如果该邻居还没有加入到MPR集(MPR集未满)或是MPR候选集中, 则将此节点加入.
3)当处于Fast-Response状态的邻居节点转换到Fast-OLSR状态时, 该节点失去被选为MPR的资格, 此时将其从MPR集或是MPR候选集中删除, 然后从MPR候选集中重新选出一个MPR节点移到MPR集中.
TC消息发送机制:在大规模网络中, 远端节点影响非常小, 为了避免消息扩散到全网, 造成不必要的开销, FH-OLSR协议引入模糊视觉技术, 即节点仅在检测到链路状态发生改变时才发送拓扑控制消息, 且仅向近端节点发送通知.
1.2.1 TC_interval的改变
与原版OLSR不同的是, 节点不再周期性地广播TC消息, 而是每当检测到邻居发生变化时, 才发送此消息, 以此来避免“ 广播” 风暴的产生.
在FH-OLSR协议中, 每个节点都有一个计数器counter和一个定时器
自适应发送TC消息的规则:节点每隔
式中:N为满足的最大奇数; i为整数; 节点依据此式决定TC消息的发送时间.
1.2.2 分发范围TTL值的改变
OLSR路由协议采用多点中继思想, 只有选择的MPR节点才发送TC消息, 但所有的2跳邻居都能收到该消息, 因此该算法在减少广播开销的同时网络中所有节点都能获得全网信息.但随着网络规模的增大及节点速度的提高, TC消息转发的次数会逐渐增多, 由此导致路由开销不断增加.而模糊视觉技术采用受限分发, TC消息不再进行全网广播, 而是根据链路状况决定消息的可达范围, 这样很大程度上减少了TC消息的转发次数, 但与OLSR路由协议的TC消息分发机制相比, 会增大次优路由开销.因此, FH-OLSR协议将这两种机制结合, 通过减小链路状态更新消息的TTL值来控制仅由MPR转发的TC消息的可达范围, 以此来减少由于节点快速移动而增加的路由开销.
总路由开销分为3类:被动路由开销、主动路由开销和次优路由开销.如文献[14]中介绍的
式中:C为节点的数目; λ 为链路状态改变值; δ 为网络的平均密度; L为节点传输的范围; M代表移动性; R为网络的最远距离;
由式(4)可以看出随着网络移动性、密度及距离的增加, 路由开销不断增加.为减少路由开销, 需要在这3种开销中找到一个平衡.
文献[16, 17]证明
其思想可描述为:节点每隔
1.2.3 分发规则设计
FH-OLSR路由协议为了减少路由开销, 采用受限分发机制, 如图3所示.
分发规则具体如下:假设计数器为counter, 利用式(2)计算
1)在
2)在2
3)在3
1.2.4 分发算法设计
FH-OLSR协议在空间与时间上对TC消息的分发进行限制, 具体分发算法流程如图4所示.假设节点
1)初始化时, 节点
2)判断节点移动模式, 当计数器的值大于移动度量(move_metric)时, 说明在counter周期内链路还未发生改变, 节点移动速度相对静止, 此时, 周期性地广播TC消息; 反之, 节点移动速度相对比较快, 执行步骤3).
3)根据式(2)计算
4)每当节点改变移动类型或是计数器数值等于最远跳数时, 定时器与计数器都要重置.
FH-OLSR路由协议在对消息发送机制改进的基础上, 对路由权值也进行了新的设计即采用混合判据的方法, 将链路速率与跳数相结合, 以此来解决由于无线传输的不确定性而导致的跳数最少的路径并不是最佳通信路径的问题.在此, 本文不做详细介绍.
本文使用OPNET软件进行仿真建模, 构建文中提出的FH-OLSR协议模型, 并与标准版的OLSR协议进行结果对比分析.
首先下载安装OPNET14.5这个实现了标准OLSR协议的软件包, 并对仿真参数进行设定, 节点的传输半径为1 km, 信道传输速率为11 Mbps, 业务数据速率为16 kbps, 节点每秒发32个包, 传输层使用UDP协议, MAC层使用IEEE802.11b协议.构建如图5仿真场景, 网络区域为20 km× 20 km.
在特定移动场景下, 设置3种类型的规模进行仿真实验对比, 如表1所示.
如图6和图7所示, 随着节点数目的增加, 路由开销与延时逐渐增加.当网络节点数高于50时, FH-OLSR的性能明显优于OLSR, 路由开销降低了约60%, 延时维持在0.02 s左右.这是因为网络规模越大, 网络层产生的数据就越多, 路由开销就越大, 信道就越易堵塞, 从而增加延时, 降低网络性能.
在大规模场景下, 设置3种类型的移动速度进行仿真实验对比, 如表2所示.
如图8所示, OLSR协议由于周期性发送消息, 消息发送量相对平稳.而FH-OLSR动态调整消息的发送频率与范围, 使得TC消息发送量降低, HELLO消息发送量增加, 并且随着节点速度的增加, 路由开销相比于OLSR协议降低了约25%.如图9所示, 随着节点移动速度的增加, 节点的平均端到端延时的差距逐渐增加.当节点移动速度低于10 m/s时, 延时相差不多, 但超过15 m/s时, FH-OLSR协议的延时明显低于其余3种协议, 这是因为FH-OLSR协议不仅能够迅速感知邻居状态, 选出有效路由, 同时也能够降低路由开销, 减少由于信道堵塞而造成的等待延时.
在大规模高速移动场景下, 进行仿真参数设定, 如表3所示.
如图10、11和12所示, 在大规模高速动态的场景中, FH-OLSR协议为了适应快速变化的拓扑结构会增加HELLO消息的发送频率, 从而导致HELLO消息发送量增加了约40%, 而TC消息由于采用了模糊视觉技术, 从空间和时间上限制了TC消息的发送量.因此由于改进了消息发送机制, HELLO消息增加了约40%, TC消息减少了约60%, 路由开销降低了约25%.
如图13、14和15所示, 由于网络消息发送量降低了25%左右, 降低了信道占用率.FH-OLSR协议的平均端到端延时低于OLSR协议的50%左右, 抖动维持在7 ms左右, 丢包率降低了约15%.
这说明在大规模网络拓扑变化快的场景中, OLSR协议的路由具备高失效性, 并且消息越多, 网络就越易堵塞, 时延自然会高, 抖动也越厉害, 丢包率也随之增加, 而FH-OLSR协议通过改进消息发送机制, 有效地提升了网络性能.
本文作者FH-OLSR协议主要解决以下问题:1)引入快速路由技术, 通过调整HELLO消息的发送频率, 使每个节点能够及时反映出新的邻居连接状态, 建立更加准确的路由; 2)引入模糊视觉技术, 动态调整控制消息的发送频率与发送范围, 降低约25%的路由开销, 并且由于减少带宽的消耗及底层信道的竞争, 包的等待时延降低约50%; 3)选取MPR时, 考虑节点的稳定性, 降低由于节点快速移动而导致的路由震荡, 丢包率降低了约15%; 4)路由权值采用混合判据方法, 使得计算的路由路径传输性能更优.
但FH-OLSR协议还存在一定的局限性, 如MPR选择冗余、无法很好地支持QoS等, 针对这些不足, 本文会在后续工作中进一步改进FH-OLSR协议.
The authors have declared that no competing interests exist.