基于鏈路層反饋的DYMO性能分析

王 彬， 武穆清， 羅大勇

（①北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876；②天津電力公司電力通信分公司，天津 300010）

0 引言

移動Ad Hoc網絡是無線多跳網絡，由一組無線移動節點組成，具有無中心，網絡拓撲動態變化的特點[1]。移動Ad Hoc網絡的路由協議則必須能夠適應網絡拓撲動態變化的特點，而目前出現的幾種反應式路由協議如AODV，DSR等，在鏈路監測機制上，顯得都比較遲鈍。由于目前移動Ad Hoc網絡中普遍使用802.11作為鏈路層的協議[2]，我們利用鏈路層的反饋作為監測鏈路狀態的手段，大大加快路由協議對斷裂鏈路的感知。目前，人們雖然已經在研究路由協議和MAC協議之間的交互，但迄今為止作者還沒有發現明確將鏈路層反饋機制作為MANET路由協議的鏈路監測機制的文獻。

1 DYMO協議

DYMO[3](Dynamic MANET On-demand) 協議是最新出現的反應式路由協議，被當作目前MANET 工作組在按需路由研究方面的重要課題。它僅定義了反應式路由所必需的最基本的元素，即路由發現和路由維護。

與AODV相比，DYMO借用了DSR路由發現過程中路由控制包攜帶更多路由信息的機制。與 DSR相比，DYMO采用了發現斷路后AODV的態度，通知全網中使用到該斷裂鏈路的節點，而不是僅僅通知某條路由的從斷路開始的上游部分；在路由發現過程中，使用路由控制包攜帶更多的路由信息。

從這個角度講，DYMO是AODV和DSR優勢互補的結果。

2 Hello包鏈路監測機制

AODV協議中規定了Hello包鏈路監測機制：每個節點都定期地向周圍鄰居發送Hello包，以此來告知周圍鄰居自身的存在，如節點A收到來自節點B的Hello包，A認為B是A的鄰居，此時A與B之間的鏈路正常，并且認為未來N個周期內，A與B的鏈路是正常的，N值一般取3，也就是說如果未來N個周期的時間內，A又收到一個來自B的Hello包，那么A對于A與B之間鏈路的信任將會從A收到那個Hello包開始往后順延N個周期，但如果未來N個周期的時間內，A沒有收到來自B的Hello包，那么A將認定A與B之間的鏈路已經斷裂。N越大，這種機制的靈敏度就越低，也就是說斷路感知時延越大。

3 基于802.11的鏈路層反饋

802.11 DCF中，對于單播幀，都會嘗試重傳多次，但如果嘗試次數達到最大重傳次數后，仍然沒有獲得接入信道的機會，或者仍然沒有收到目的站點的確認，發送站點將會丟棄該幀。對于這種情況，我們在MAC協議丟棄該幀之前，確認如果幀里承載的上層數據包是IP數據包，則從幀中取出目的站點的MAC地址，進而得到IP包的下一跳IP地址，通知本節點的DYMO路由協議：下一跳節點不可達。這樣，就實時地使節點中的路由協議感知到了鏈路斷裂，進而通知全網該鏈路已斷裂。

我們將感知斷路的時延定義為，從鏈路真正斷裂到節點中運行的路由協議感知到該鏈路斷裂，并且將發送路由錯誤分組時的時間。我們通過對以往鏈路監測機制的研究，發現它對拓撲快速變化的網絡中鏈路的斷裂表現得很“遲鈍”，大致的感知斷路時延為 1～2 s，而如果我們采用鏈路層反饋機制作為鏈路監測手段，在不增加任何路由控制包的情況下，便可“實時”地感知到鏈路的狀態，將感知斷路的時延降低到最小，進而能及早通知到全網，使網絡中數據包的轉發不再使用已失效的路由。

我們可以利用 802.11對于單播幀進行確認的機制，來將下一跳不可達的IP地址回送給路由協議。但該機制有一個局限，就是必須上層向下一跳發送單播數據的時候，機制才能發揮作用，否則，上層是感知不到去往下一跳的鏈路狀況的。為了使上層在沒有向下一跳發送單播數據的時候也能夠感知到去往下一跳的鏈路狀況，我們依然沿用Hello包的發送機制來確認跟鄰居的鏈路狀況。此外，鏈路層反饋機制產生的鏈路斷裂感知時延應該是與上層使用鏈路層發送單播數據的速率相關的。

4 仿真與分析

仿真采用的軟件是OPNET 14.0版本，選用的節點模型為manet_station。

4.1 仿真場景介紹

場景介紹：如圖1所示，所有節點運行DYMO協議，MAC協議使用802.11 DCF，mobile_node_0在仿真過程中向mobile_node_6發送CBR流，數據包大小為1024比特，每個節點無線信號的覆蓋范圍是250 m，也即信號的門限距離為250 s，仿真過程中，mobile_node_6沿著白色箭頭的方向，從坐標（0，500）開始，以5 m/s的速度勻速移動到坐標（1000，500）處，其余節點均靜止，仿真歷時200 s。

圖1 仿真場景

對于監測鏈路狀態的機制，我們在Hello包機制的基礎上分別開啟和關閉鏈路層反饋機制，以評估和分析鏈路層反饋機制對鏈路斷裂的感知時間以及分組投遞率的影響。我們僅研究由于移動使收發節點之間的距離超過門限值后，產生的鏈路感知時延。

4.2 仿真結果與分析

開啟鏈路層反饋的情況下，源節點發包速率為5個/秒時，鏈路斷裂感知時延如表1。

表1 鏈路斷裂感知時延

開啟鏈路層反饋的情況下，源節點發包速率為10個/秒時，鏈路斷裂感知時延如表2。

表2 鏈路斷裂感知時延

關閉鏈路層反饋的情況下，源節點發包速率為10個/秒時，鏈路斷裂感知時延如表3。

表3 鏈路斷裂感知時延

從表1和表2中的數據顯示兩者的共同點是，鏈路層反饋機制感知到的斷路數量與Hello包機制相比并不多，但是通過對場景的分析可以發現，由于節點mobile_ node _6的移動而造成的斷路也頂多為3至4次，而恰恰鏈路層反饋機制感知到的斷路數量分別為2次和3次，也就是說由于移動造成的斷路中，鏈路層反饋機制平均以0.11 s和0.035 s的時延感知到斷裂的鏈路，而Hello包機制則平均以1.71 s和1.76 s的時延去感知這些斷路。Hello包所感知到的次數多達10次，我們認為主要由于Hello包維護的是雙向的鏈路。這一點應該是Hello包機制相對于鏈路層反饋機制的優點，也即在路由上沒有數據包發送的時候還可以維護路由。表1和表2中數據的不同點是：發包速率為10個/秒的場景中鏈路斷裂感知時延明顯要小于發包速率為5個/秒的場景，因而鏈路層反饋機制產生的鏈路斷裂感知時延是跟上層使用鏈路層發送單播數據的速率相關的，上層使用鏈路層發送單播數據的速率越快，鏈路層反饋機制產生的鏈路斷裂感知時延也就越小，反之則越大。

由表3可知，關閉鏈路層反饋后，對斷路的綜合感知時延平均值明顯變大，路由協議更加遲鈍。

發包速率為 10個/秒，打開和關閉鏈路層反饋的情況下，分組投遞情況如表4。

表4中統計的數據指出，在開啟鏈路層反饋機制后，對于本身丟包不是很嚴重的小流量場景中，丟失的數據包數量從60降低到2，減少了58個，分組投遞率由97.0%上升到99.9%，上升了將近 3個百分點，分析原因，我們認為單純地依靠Hello包機制，由于其機制的原因，必然不能及時地感知到斷裂的鏈路，這樣，路由協議還認為路由是正常的，所有的數據包依舊照常轉發，但在Hello包機制感知到斷路的這段時間里，這條路由所轉發的數據包全部會丟失。但是，開啟鏈路層反饋機制后，會極大地降低路由協議對鏈路斷裂的感知時延，從而避免了通過已斷路由轉發數據包的情況，自然分組投遞率會提高。此外，我們認為仿真過程中，由于節點的移動而造成轉發數據的路由斷裂次數越多，鏈路層反饋機制表現出來的減少丟包的性能會更好。

表4 分組投遞

5 結語

通過仿真，驗證了我們提出的鏈路層反饋機制確實可以降低鏈路斷裂感知的時延，從而降低了路由協議對已斷路由的繼續使用的概率，進而降低了由于使用已斷路由轉發數據包而丟失的數據包的數量，提高了分組投遞率。此外，開啟這種機制，不需要增加額外的路由控制包的開銷。

文章對小流量場景中由于移動性造成鏈路斷裂的感知時延的研究，我們準備下一步針對由于網絡擁塞造成的鏈路斷裂的情況下，研究開啟鏈路層反饋機制的表現。

[1] 郭中華,史浩山.Ad Hoc 網絡路由協議性能分析[J].通信技術,2008,41(11):111-113.

[2] 宋璐璐,雒江濤.無線移動自組織網絡的發展及其技術概述[J].通信技術,2007,40(01):35-39.

[3] Chakeres I, Perkins C G. draft-ietf-manet-dymo-17[EB/OL]. USA:MANET.[2009-3-8].http://tools.ietf.org/html/draft-ietfmanet- dymo-17#page-37.