线Mesh网络中基于链路状态的组播路由算法研究.docx

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线Mesh网络中基于链路状态的组播路由算法研究

线Mesh网络中基于链路状态的组播路由算法研究

万俊

男，重庆邮电大学软件技术中心，硕士研究生，主要研究方向：

网络管理技术，无线网络核心技术。

 张钟凯

男，重庆邮电大学软件技术中心，硕士研究生，主要研究方向：

网络管理技术，无线网络核心技术。

 陈梦甜

女，重庆邮电大学软件技术中心，硕士研究生，主要研究方向：

网络管理技术，无线网络核心技术。

 蒲锋

男，重庆邮电大学软件技术中心，硕士研究生，主要研究方向：

网络管理技术，无线网络核心技术。

 1   引言

组播是网络数据传输三种方式之一，但目前仍没有提出一种专用于无线Mesh网络的标准组播路由协议,大多都是先分析借鉴经典AdHoc网络中成熟的组播路由协议，再结合无线网络的特点选择某种改进角度，提Mesh出适用于无线Mesh的组播路由协议。

AdHoc网络主要有基于格网的协议和基于树的协议两类组播路由协议，基于网格的组播路由协议路径稳定性好，节点间有多条冗余链路，但建立和维护多条冗余链路将引起不必要的开销；而基于树的组播路由协议简单，效率高。

本文选择已成为草案的基于树的MAODV路由协议进行研究改进，以使MAODV路由协议适用于无线Mesh网络。

2   MAODV协议

[1]MAODV是一种共享树组播路由协议，它是在单播路由协议AODV基础上增加了组播功能。

在路由发现过程中的广播机制中同样使用RREQ（RouteRequest）和路由回RREP（RouteReply）.MAODV建立路由的算法成熟，协议决策简单，因此协议的性能可靠性强，但是由于每两个节点之间的路径只有一条，因而组播树结构脆弱，当网络拓扑结构变化太快的时候，将引起网拓扑的不断重构。

因此，MAODV组播路由协议比较适合于拓扑结构变化较慢的网络，而无线Mesh网络结构是由骨干路由节点和客户端节点组成，路由节点几乎不移动，而客户端节点移动性也相对较小，基于上述因素，本文选择基于树的MAODV路由协议进行研究改进，以MAODV路由协议适用于无线Mesh网络。

3   无线mesh组播路由改进及实现

3.1 改进思路

针对Mesh网络的特点和MAODV路由协议缺陷，本文在MAODV协议基础上提出了改进的组播路由协议MAODV-PPS（MulticastAdHocOn-DemandDistanceVectorRoutingProtocolbasedwithPathPredictionSelection），与MAODV路由协议相比，MAODV-PPS组播路由协议组主要是在以下两点进行了改进：

（1）在路径选择时，选择路径稳定性高的路径进行数据传输，可以降低数据转发期间路径中断的概率，减小

网络重建和修复开销、提高网络的性能。

（2）在路径维护过程时，采用链路可用时间预测的机制，通过链路预测，在链路失效前，重新选择一条新的有效的路由将分组转发出去，从而避免了采用建立多条冗

[2]余链路作后备的维护开销，并且，多条冗余路径的建立随着节点的移动也要不停的更新节点信息，需要重新建立冗余路径，增加了网络开销；而采用节点链路断链预测机制，对移动性不高的WMN非常有效，真正体现了一种按需路由的思想，减少了网络的路由维护开销。

3.2  改进算法描述

3.2.1算法模型

用图G（V,E）表示无线Mesh网络，V是图的顶点集合，代表网络中的节点，E是图的边的集合，包含代表网络的有效链路。

有效链路指双工链路，即组成链路的两个节点i和节点j均在对方的覆盖范围内，Ri和Rj分别表示节点i和节点j的信号覆盖半径。

假设节点的发射功率和覆盖半径都相同。

由于节点的瞬时速度大小和方向都具有随机性,增加了链路预测的难度,结合无线Mesh网络节点移动性低的特点，抛弃了这个瞬时速度的限制,引入一个稳定因子,用一段时间内?

T网络中局部区域节点的相对位置变化程度来作为判断路径稳定性的标准,利用GPS获取节点的位置信息，同时采用相邻节点的接收功率变化率来预测链路的可持续连接时间。

每个节点都通过GPS系统获得自身的位置信息，并周期性的向周围一跳邻居节点广播自身的位置向量。

3.2.2 算法数学分析

（1）路径稳定性分析

稳定路径的选择主要是时发生的,为了确定路径的稳定性因子SDp，首先需要确定每一跳节点间的链路稳定因子，而稳定因子的计算是通过节点间相对距离来确定。

单跳链路的稳定因子Lij,其中R为节点的覆盖半径，|pos（i,j,tk）|为节点i，j在tk时刻的相对距离。

点路由选择，网络建立

（2）路径的稳定因子能智能的选择更适合网络的链路进行数据传输。

当长路径的链路稳定因子与短路径的链路稳定因子值相差较小的时候，根据路径稳定因子公式，选

择短路径的链路进行数据传输，当长路径每条链路稳定因子大于短路径稳定因子的时候，选择长路径的链路进行数据传输，选择短路径的链路进行数据传输，路由算法会选择链路稳定因子相差较小的链路。

链路可持续使用时间预测分析

（3）链路的可持续使用时间预测主要是用于组播树的维护过程。

由于节点对（i,j）之间的链路是否有效，取决于它们之间的距离|pos（i,j,tk）|和节点i的覆盖半径Ri，信号强度等信息。

节点j在tk时刻接收到来自前驱节点i的能量值：

如果?

P（T）>0，表示接收到的信号经过T后较强,链路未进入危险状态；如果?

P（T）<0，表示接收到的信号经过T后减小,链路逐渐进入危险状态；如果?

P（T）=0，

表示接收到的信号经过T后不变；节点接受的门限能量值为Ps，当?

P（T）<0时，则预测链路断链时间为:

（6）假设链路断链的门限时间值为t，MAODV-PPS路由算法维护过程花费的时间主要是发送路由危险警告消息和路由建立组成。

考虑在最坏的情况下，路由危险警告消息和路由建立所经过的路由跳数是网络的直径（net_diameter）值,而路由的建立主要由路由请求、路由应答，路由激活3个过程才能完成，在不考虑其它时间开销的情况下，预测修复一条路径最坏的情况下的时间值,即链路断链的门限值为：

t=4×net_diameter×thop        （7）

其中net_diameter 为网络直径，即路径的跳数，thop为信息每一跳的传输延时，t为链路修复完成所要花费的时间，即链路预测的可持续时间大于t时，链路还未进入危险状态，当预测时间小于或接近t时，则进行链路修复。

同时，根据路由协议中的定时消息包HELLO不断更新节点间的距离和链路的可持续时间，在路由断链前主动发起路由修复过程。

3.3  改进算法描述

3.3.1算法基本思想

源节点在发送完RREQ后将等待一段时间并记录下这段时间内接收到的最大序列号和最大路径稳定性度量,最小链路稳定性度量，该RREP意味一条最新的最稳定多播树的路径。

源节点单播发送MACT到把最大序列号、最大路径稳定性度量,  最大链路稳定性度量发送给自己的邻居节点，邻节点收到MACT后激活单播路由表中到该组地址的路由项，并把MACT转发给路由项指出的下一跳节点。

MACT的传播激活了唯一的一条从源节点到多播树某成员的路径上所有中间节点的路由项，保证了源节点到多播树只有一条路径。

同时在路径的维护过程中，主要就是根据链路的预测断链时间，当达到门限值时，主动发起路由修复请求，对要中断链路进行主动修复。

本算法跟标准的MAODV算法相比，主要区别如下：

（1）RREP分组增加了最小链路稳定度量和路径稳定度量两个字段；

（2）源节点在进行MACT路径激活的时候，选择的是节点序列号最大，路径稳定因子最大和值最大的路径进行链路激活；

（3）节点必须依靠GPS定位系统获得位置信息，并且每隔hello_interval时间向一跳邻居节点广播一次位置信息。

节点收到一次邻居节点的广播后，更新一次链路稳定因子等相关信息。

（4）在进行链路中断预测时，主要利用自由空间预测模型，根据位置信息计算得到信号功率值，然后得到节点间的功率的变化率，从而获得链路的中断时间，当计算获

得的链路可持续工作时间不大于链路断开的门限值时，则在断链前主动发起路由重建过程，而不是MAODV的链路断开后的链路修复，体现一种主动修复失效路径的思想。

3.3.2 算法在路由发现阶段和路由维护阶段的操作流程

（1）当源节点要加入到多播树或者有数据分组要发送时，如果本地节点不存在到该多播树的路径，它就启动到多播树的路由发现过程。

首先生成一个RREQ分组，源节

点向目标组发出RREQ请求。

（2）中间节点收到RREQ分组后，首先检查自己否有到目的地址的路由或者为该组的成员，如果是，就检查自己路由项中的组序列号是否大于或等于RREQ中的组序

列号；如果两者相等，再检查路由项中的跳数是否小于RREQ中的跳数。

（3）直到RREQ分组到达目的节点。

然后将这条路由记录保存在目的节点的路由记录中。

然后生成RREP分组，同时初始化,EP分组沿原路反向单播给源节点,中间节点接收到RREP分组后，不断更新路径稳定因子。

（4）源节点在发出RREQ分组后等待一短时间，并在这段时间记录下接收到得最大序列号和最大路径稳定因子的RREP分组，源节点更新自己的路由信息，并单播发MACT到把最大序列号和最大路径稳定因子发送给自己的邻居节点，邻居节点收到MACT后激活单播路由表中道该组地址的路由项，并把MACT转发给路由项指出的下一跳节点。

最终激活唯一的一条从源节点到多播树某成员的路径上的所有中间节点的路由项。

（5）在链路有效性预测时，主要是通过周期的HELLO消息包机制来计算链路的可维持时间，并用此时间与链路断链的门限值比较，当预测链路可持续时间不大于断链时间门限值时就激活路由修复。

4    NS2仿真及性能评估4.1  性能评估指标

（1）平均端到端时延（AverageEnd-to-EndDelay）[3][4]：

目的节点的分组接收时间与源节点的相应分组发送时间的平均差值。

该参数包括了所有可能的时延：

源节点路由发现时延、路径中断修复时延、多跳转发时延、数据报文处理时延、接口排队时延、MAC层分组重传时延、链路传播时延等。

N∑分组从源节点到接收节点i的时延i=1平均传输延时=组播接收节点接收包的总数N  （8）

（2）端到端分组投递率（End-to-EndPacketDeliveryRatio）：

目的节点接收分组的个数与源节点发送分组的个数的比值。

该参数综合反映了数据分组传输过程中路径中断修复、发送缓冲区溢出、接口队列溢出、MAC分组冲突等因素对端到端分组投递率的影响。

组播接收者收到的分组数数据包投递率=         （9）组播接收者期望收到的分组数

（3）归一化路由开销（NormalizedRouteControlOverhead）：

每发送一个数据分组所需要的路由控制分组数。

使用归一化路由开销比单纯使用路由开销即路由控制分组数更能说明协议的开销情况。

它反映了网络的拥塞程度，开销大的协议拥塞的概率大，且会延迟接口队数

据包的发送。

用于路由发现和路由维护控制包个数归一化路由开销=   （10）接收到的数据包个数

4.2 仿真设计

为了验证MAODV-PPS路由算法的有效性,采用NS2（NetworkSimulatorVersion2）进行仿真，我们在此主要模拟通过不断提高网络节点的移动速度来比较算法的性能；[5,6]移动节点移动速度增加情况下，仿真环境具体设置如下：

网络由40个移动节点和10个静止路由节点组2成。

40个移动节点在1000×1000m的矩形区域内按照随机移动模型移动。

停滞（pausetime）时间为0s，节点最大移动速度设置为1，2，3，4，5，6，7，8，9，10m/s。

CBR分组大小为512bytes，发送速率为2分组/s。

链路断链的门限时间根据公式2.7计算获得。

4.3 仿真结果及分析

由图2可得：

开始速度较小的情况下，两种路由算法的分组投递率相差不大，在速度大于4m/s时，分组投递率降低较快。

但MAODV-PPS路由算法分组投递率一直高于MAODV路由算法，并且一直较为平稳。

这主要是由于MAODV-PPS算法在路由选择过程中，采取了路径稳定性判断，尽量选择局部拓扑变化小的路径进行数据转发，减少了路由中断和重构的次数。

同时，由于链路的修复采取一种主动激活修复方案，采用路由切换技术，减小了路由重构时间，从而减小了因路径中断而丢弃的数据分组数，缓存数据丢失较少，提高了分组投递率。

由图3可知：

随着网络拓扑的不断变化，需要不断维护链路，节点端到端延时逐渐增加。

MAODV路由算法端到端延时增加较快，在网络拓扑变化较小时，其延时开始比MAODV-PPS要小。

主要原因是：

由于节点移动速度较小，拓扑变化不大时，两种路由算法路由断链修复次数少；然而MAODV-PPS路由算法要在多条路径上选择一条稳定的路径发送数据，增加了节点的计算时间复杂度和空间复杂度，产生了一定延时。

但随着节点移动速度的增加，MAODV-PPS算法端到端延时比MAODV路由算法有所减小，这是由于在MAODV-PPS路由算法中，选取了链路相对稳定的路径作为转发数据的路径，在网络拓扑变加剧的情况下，减少了路由重构次数，同时在速度增大的情况下，链路预测机制减少了断链后修复的控制开销，同时减小了数据传输等待时延。

因此在速度增加的情况下，

MAODV-PPS路由算法在数据传输延时上相对于MAODV路由算法有一定的提高。

 由图4可知：

当节点移动速度比较小时，两种路由算法的归一化路由开销相差不大；当节点速度逐步增加时，两种路由算法的归一化路由开销持续上升，相互间差距

迅速拉大，这是因为随着节点移动速度的加快，网络拓扑变化加剧，这将导致不可避免的路由变化加剧，链路的重建和修复的次数增加，因此系统开销也将不可避免

的增加。

MAODV-PPS路由算法的归一化路由开销要小于MAODV路由算法，因为MAODV-PPS路由算法在路由建立时选择的路由比较稳定，这就使得路由的中断次数少于原MAODV路由算法，从而减少了因修复链路中断而带来的开销。

5   结语

通过仿真实验评价了MAODV-PPS算法的性能。

MAODV-PPS算法的策略是在路由建立阶段选择稳定性好且路由跳数较少的路径进行数据转发；在路由维护阶段，采取链路断链前主动激活路由修复。

仿真实验验证了MAODV-PPS算法对网络规模的扩展和网络负载具有较强的适应性，有助于网络组播业务的应用发展。

参考文献

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3     沈辉,石冰心等. AdHoc网中基于熵的长寿分布式QoS路由算法[J].软件学报,2005,16（3）:

445

4    KlemmF,YeZ,KrishnamurthyS,TripathiS.ImprovingTCP performanceinadhocnetworksusingsignalstrengthbasedlinkmanagement[J].AdHocNetworksJournal.2004,12（4）:

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5   S.S.Manvi,M.S.kakkasageri.Multicastroutinginmobileadhocnetworksbyusingamultiagentsystem[J].InformationSciences:

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