基于火場救災的動態分組和多路徑DYMO協議

盧 嬌，李德敏，張 是

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

火災對人們的生活、財產甚至是生命都會造成不可估量的傷害。當發生火災時消防員怎樣有效和安全的在火場執行救災活動是十分重要的。當火災現場的通信設備遭到破壞時，消防員無法使用現有通信工具進行信息交流，造成救災工作無法有效開展，也影響消防員的人身安全。引入移動自組織網絡[1]的概念，通過在消防員身上佩戴能夠快速自組網的節點可以實現消防員間的通信。路由協議是實現各節點數據傳輸快速和準確的關鍵，也是研究的重點。

火災伴隨的濃煙、高溫及障礙物等都使得火場環境相當復雜。消防員位置分散，需要通過多跳的方式來實現通信。在這種情況下，按需路由[2]是優選的路由方式。動態自組網按需路由協議（DYMO，Dynamic MANET On-Demand）[3]就是一種基于按需距離矢量路由協議（AODV，Ad Hoc On-Demand Distance Vector）[4-6]的按需路由協議。它在AODV的基礎上采用了源路由的“路徑收集”技術，數據分組包含了該分組傳輸的源路由，其他節點能夠將這些信息存儲下來。相比于AODV，DYMO能夠使消防員記憶更多其他成員的信息，減小了防洪的次數，更適用于火場環境。

在實際情況中消防員都是通過小組協作的方式來執行任務的，并且消防員的通信鏈路需要較高的可靠性。因此可以引入多路徑確保消防員在最優路徑失效時有可選路徑使其保持通信。如 I-DYMO，就是利用多條鏈路不相交路徑來發送數據并將之與源路由結合的多路徑DYMO協議[7]。該協議在動態移動環境下具有較好的穩定性，但是沒有考慮動態分組，即類似分簇路由協議[8]的問題。

針對火場救災環境，文中在DYMO的基礎上引入了節點動態分組和多路徑路由的概念，提出了一種適用于火場救災的通信協議F-DYMO。

1 火場救災的動態分組與多路徑描述

進入火場的消防員就構成了一個火場救災自組織網絡。各節點能相互通信，各組長具有組內決策能力。圖1即為火場消防自組織網絡的拓撲圖。每個消防員用“A-B”的形式來編號，“A”表示組別，“B”為組內編號。組內編號為“1”表示是每組的組長。虛線連接的兩個點為可以直接通信的節點。可得出消防員進行救災任務具有以下幾個特點:

1）消防員入網與出網的頻率較高:在救援人員不夠的時候往往需要派遣新的消防員進入，當消防員完成某一任務后也可能直接退出網絡。如圖1中點“3-3”和“3-4”表示為離開或新加入的消防員。

2）消防員需要動態分組:消防員完成該項工作后根據不同的需求到不同的組工作。如黃色的節點“1-5(2-2)”原先為組2的2號成員，現為組1的5號成員。這種情況下，原先的組長要再管理這些分散開來的消防員難度加大并且管理的意義也不大。這時消防員就需要將現在任務組的組長視為新的組長，這就是消防員動態分組的問題。

3）數據傳輸的鏈路需要較高的可靠性:消防員將自身信息發送出去時，如果存在大量的信息缺失和嚴重信息傳輸延遲的通信網絡會影響消防工作的有效性。路由表存儲多條適宜的路徑存在了路徑排序的問題。如圖1中鏈路1、2和鏈路3、4和5分別表示了組內和組間通信最優路徑的選擇問題。

圖1 火場消防自組織網絡拓撲

2 針對火場救災的路由協議F-DYMO

針對火場救災的特點和存在的問題，結合DYMO路由協議的內容，本節從動態分組和多路徑兩方面內容著手，提出適用于火場救災的F-DYMO路由協議。

2.1 基于動態分組的DYMO的改進

消防員節點設定一個組成員編號，包括了組編號和組內編號變量。消防員在執行任務期間，隨著他所在的組不同，組成員編號會相應的改變。

當消防員完成某項任務后，廣播一個請求獲取新組長的信息給各組的組長，當某一組的組長收到該信息后，進行判斷，如果選擇該消防員為新的成員，則回復一個確認加入的信息，并將新的組內編號連同位置信息和任務內容等一并發送給該消防員，消防員收到確認信息后，更新其組成員編號，并按照新組長的指示開始執行任務。

離開和新入網的節點需要廣播一個信息，其他節點收到離開信息就會自動在路由表中刪除該節點的相關信息，當收到加入信息就會在路由表中加入該節點的信息，組長收到成員加入的信息，就將其加入管理列表從而實現對新加入成員的管理調度。

2.2 基于多路徑的DYMO的改進

首先可以根據I-DYMO的方法，保存跳數比最短路徑不大于2跳的其他路徑，并提出了最優路徑的選擇方法用于在路由表中標識出路徑的排序。

最優路徑的選擇原則是:先選擇跳數最短的為最優路徑。當存在跳數相同時，判斷中間節點是否為同一組的成員，優先選擇中間節點為同一組的路徑。當跳數相同且節點均為同一組內節點時，優先選擇中間節點中空閑節點多的路徑。如果連空閑節點數都相同時，就可以隨機選擇一條路徑作為最優路徑傳輸數據。判斷的同時，對每一條路徑都加以一個排序的編號，當最優路徑由于某些因素不可用時，能夠馬上使用次優路徑來傳輸數據。

由此，在DYMO的基礎上實現了改進的適用于火災現場消防救災的路由協議F-DYMO。由于加入的一些條件，F-DYMO比DYMO的控制信息開銷增大，但是存儲多條路徑可有效加強網絡的可靠性。

3 仿真與結果分析

在Linux中用NS2[9]進行仿真。基本參數為:場景大小為300 m×300 m，指定場景的節點數為27個，節點通信半徑為20 m，傳輸層協議為TCP，應用層協議為CBR，網絡層路由協議為AODV、DYMO和 F-DYMO，最大排隊序列為50，移動速度(m/s)分別為0.5、1、1.5、2、2.5和3，仿真時間為300s。

將AODV、DYMO和F-DYMO這3個路由協議從分組投遞率、平均端到端時延和歸一化路由開銷這3方面比較分析。分組投遞率是目的節點接收分組的個數與源節點發送分組的個數的比值。平均端到端時延為目的節點的分組接收時間與源節點的相應分組發送時間的平均差值。歸一化路由開銷則是成功發送一個數據分組到目的節點而發送的路由控制分組的個數。

由于實際情況下消防員移動速度變化不大且網內節點數量適宜，在圖2中3個協議的分組投遞率均高于90%，但在移動速度變快的情況下，F-DYMO的分組投遞率更高，由此可知 F-DYMO協議中的鏈路具有更高的可靠性。從圖3可知F-DYMO的端到端時延明顯比其他兩個路由協議的要小，這正是體現F-DYMO中多路徑概念的意義。圖4是歸一化路由開銷曲線，從圖4中可知，F-DYMO的路由開銷明顯比其他AODV和DYMO高出很多。這是由于F-DYMO為了提高鏈路可靠性加入了很多路由控制信息。

圖2 分組投遞率曲線

圖3 平均端到端時延曲線

圖4 歸一化路由開銷曲線

5 結語

針對火場救災提出了一種火場救災自組織網絡，分析了火場救災特點提出了消防員分組協作和數據傳輸鏈路需要良好可靠性的需求。由此在DYMO的基礎上提出了一種基于火場救災的動態分組和多路徑的路由協議 F-DYMO，并在NS2中將F-DYMO協議與DYMO和AODV進行對比分析，得出F-DYMO通信鏈路可靠性高，由此造成的路由開銷也相對增加的結果。因此F-DYMO是一種適用于火場救災的路由協議，具有鏈路可靠性高和可擴展性好的特點。

[1]盛敏.移動 Ad Hoc網絡關鍵技術研究[D].西安:電子科技大學,2003.

[2]趙迪.Ad hoc網絡兩種按需路由協議性能分析[J].通信技術,2010,43(04):187-189.

[3]MIAO Quanxing, XU Lei. DYMO Routing Protocol Research and Simulation Based on NS2[C]// 2010 Computer Application and System Modeling(ICCASM 2010).Taiyuan:IEEE,2010:41-44.

[4]PERKINS C, BELDING-ROYER E, DAS S. Ad hoc On-Demand Distance Vector(AODV) Routing[EB/OL]. (2003-07-01)[2012-09-09].http://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt.

[5]王新穎,吳釗,江小玲.基于節能的移動Ad Hoc網絡AODV路由協議改進[J].通信技術,2008,41(07):121-123 .

[6]潘鑫,曾浩洋,諶利.基于移動性的AODV路由協議改進[J].信息安全與通信保密,2011(03):49-51.

[7]韓冰青,荊霞,張宏.無線Ad Hoc網絡中改進的DYMO路由協議研究[J].計算機工程與應用,2010,46(29):120-123.

[8]王月姣,吳越.一種基于分簇的無線傳感器網絡安全路由協議[J].信息安全與通信保密,2008(01):83-85.

[9]方路平,劉世華,陳盼,等.NS-2網絡模擬基礎與應用[M].北京:國防工業出版社,2008.