基于擁塞預警與分流傳輸的AOMDV協議優化

周毅+鄒熙宇

收稿日期：2014-05-02

基金項目：湖南省標準戰略項目（201200004）

作者簡介：周 毅（1986—），男，湖南漣源人，碩士研究生，研究方向：計算機網絡。

通訊聯系人，E-mail：zhouyiabc2012@163.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0134-05

摘 要：針對AOMDV協議只使用主路徑傳輸數據，導致備用路徑未能得到充分利用以及網絡負載失衡的問題，本文提出一種LBAOMDV（Load Balanced AOMDV）協議。該協議在AOMDV協議的基礎上使用基于路徑長度、路徑使用次數以及路徑狀態的分流傳輸機制在多條路徑上同時傳輸數據以均衡網絡負載，當網絡中的節點負載過重并通過預先設定的閥值時將觸發擁塞預警機制以減少通過該節點的數據流量，從而進一步達到網絡負載的動態均衡。

關鍵詞：AOMDV；移動Ad hoc網絡；負載均衡；擁塞預警；分流傳輸

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

Improved AOMDV Routing Protocol Based on

Congestion Warning and Shunt Transmission

ZHOU Yi1，ZOU Xi-yu2

（1.School of Computer & Communication Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan 410114，China；

2.School of Information Science and Engineering， Central South University， Changsha，Hunan 410083， China）

Abstract：AOMDV routing protocol transmits data using only the primary path， does not take full advantage of the alternate paths， and does not balance the network load. To solve this problem， we propose a LBAOMDV（Load Balanced AOMDV）protocol. The proposed protocol uses shunt transmission mechanism which based on path length、path used times and path state to make data transmit in multiple paths at the same time， it will balance the load， when the load of an node in the network increases beyond a defined threshold， it will trigger congestion warning mechanism to reduce the data traffic through the node， it will further achieve dynamic load balancing.

Key words：AOMDV；mobile Ad hoc networks； load balancing； congestion warning； shunt transmission

1 引 言

研究者們早期提出了多種經典的移動Ad hoc網絡路由協議，可分為表驅動路由協議﹑按需路由協議以及混合式路由協議。其中屬于按需路由協議的AODV[1]協議，具有開銷適中、容易實現、能快速響應拓撲結構變化等優點，應用十分廣泛。但是AODV協議是一種單路徑的協議，每當路徑發生斷裂時就需要發起新的路由發現過程，從而大量增加了路由開銷和通信時延。針對這個問題，研究者對AODV協議進行了多路徑擴展，提出了多種多路徑協議如AOMDV[2]協議，AODV-BR[3]協議等。其中AOMDV協議是一種比較成熟的由AODV協議擴展而來的多路徑協議，與AODV協議相比，AOMDV協議充分利用AODV協議中已有的路由信息，通過一次路由發現過程在有通信需求卻沒有可用連接的兩個節點之間建立起多條無環并且路徑不相交的路徑，當主路徑發生斷裂時，可以立即啟用備用路徑繼續轉發數據，從而避免了發起新的路由發現過程，因此節省了大量的路由開銷，并且有效地減少了通信時延。然而，AOMDV協議未考慮網絡的負載情況，只使用主路徑傳輸數據，只有當主路徑斷裂時才會使用備用路徑，這樣將導致在主路徑承擔過多數據傳輸業務的同時其他多條備用路徑卻被閑置，網絡的負載將處于失衡的狀態，在網絡負載較高時將容易導致局部擁塞的發生，網絡性能將因此惡化。

2 相關研究

近年來，關于如何對AOMDV協議進行負載均衡方面的優化，研究者們提出了不少方案：AOMDV+SBA[4]協議和AOMDV-LB[5]協議通過避免負載高的節點參與路由發現過程從而使這些節點不會出現在最終建立的傳輸路徑上。AOMDV-C[6]協議則通過延時轉發路由控制分組使負載較低的路徑最先被建立，然后作為主路徑進行數據傳輸，同樣使傳輸路徑避開了負載高的節點。前面提及的這些協議都是基于AOMDV協議的路由發現過程尋找網絡中負載較低的路徑并將其作為主路徑進行數據傳輸，其余建立的路徑仍作為備用路徑并且只有當主路徑斷裂時才會使用這些備用路徑，這樣還是會和AOMDV協議一樣導致主路徑承擔過多的數據傳輸業務，此外，備用路徑可能因長期被閑置而導致生存時間過期而被刪除，從而這些路徑的有效性將不能得到很好的維護。LB-AOMDV[7]協議和QoS-AOMDV[8]協議按照不同的分配機制將數據傳輸業務分配給基于AOMDV協議的路由發現過程所建立的多條路徑，前者根據路徑負載的情況進行分配，負載較低的路徑將承擔較多的數據傳輸業務，后者則輪流使用這些路徑進行數據傳輸，使每條路徑的吞吐量保持一致。兩者都避免了數據流量過于集中在主路徑上，同時避免了備用路徑因長期未被使用而被刪除，維護了這些路徑的有效性。

以上所列出的AOMDV負載均衡改進協議都在一定程度上實現了網絡負載的均衡。然而它們對于節點或者路徑的負載情況的衡量都是基于在路由發現過程中所收集的各種信息，然而移動Ad hoc網絡的拓撲結構是動態變化的，網絡的負載情況也將隨之不斷改變，因此，在路由發現過程中所得到的負載信息將不一定能適應經過一段時間動態變化后的網絡。

3 基于分流傳輸機制和擁塞預警的LBAOMDV

協議

3.1 LBAOMDV協議的概述

針對上述提及的AOMDV協議及其負載均衡改進協議中存在的不足，本文設計了一種基于節點負載的擁塞預警機制和一種基于路徑使用次數、路徑長度以及路徑狀態的分流傳輸機制，并以此對AOMDV協議進行了優化，優化后的協議LBAOMDV將利用AOMDV協議的路由發現機制通過一次路由發現的過程在有通信需求卻沒有可用連接的兩個節點之間建立起最多3條無環且路徑不相交的路徑，然后利用分流傳輸機制將數據流量分配到各條路徑上。當網絡中的某個節點進入高負載狀態的時候，利用擁塞預警機制通知網絡中的其他節點，將通過這個高負載節點的路徑暫時地標記為擁塞路徑，使部分原來在擁塞路徑上進行的數據流量暫時地轉移到其他未擁塞的路徑上，經過一段時間后，再將路徑的擁塞狀態恢復為正常狀態。

3.2 擁塞預警機制

移動Ad hoc網絡中的節點會經常性地隨機移動，這將導致網絡的拓撲結構不斷發生變化，網絡中各節點或者路徑的負載情況也會隨之發生改變，這樣一來，通過路由發現過程所得到負載較低的路徑不能一直確保其負載情況一直良好，例如路徑中的某些節點可能因為網絡拓撲的變化而成為局部網絡數據傳輸的中心節點，其負載可能變得很高，此時，繼續在這些路徑上進行數據傳輸很可能會導致擁塞，數據分組將因緩存溢出而被丟失。當面對這種情況時就需要采取及時有效的擁塞預警措施以減少或停止在這些路徑上傳輸數據，同時因為網絡拓撲的不斷變化，負載高的節點不一定會一直處于高負載狀態，所以，可以將通過高負載節點的路徑暫時地標記為擁塞路徑，在經過一段時間后，將其恢復為正常路徑，這樣便能更好的適應網絡的動態變化。綜上所述，本文提出一種基于節點負載的擁塞預警機制。

目前，有多種參數可用來衡量節點的負載，其中緩存隊列的飽和度作為節點當前流量負載的具體體現，能直接反應節點當前的負載程度，其獲取簡單且無需額外開銷，被多種負載均衡改進協議所使用。節點i的緩存隊列飽和度Ci定義如下：

Ci=QiQmax（1）

其中Qi表示節點i當前的緩存隊列的長度，而Qmax則表示節點i緩存隊列長度的最大值。因為節點緩存隊列長度的監測獲得的是一個瞬時值，只能反映節點這個瞬間的負載情況，不能體現節點負載在未來一段時間內的變化趨勢，直接用緩存隊列長度的瞬時值判斷節點負載情況將不夠準確，所以節點擁塞判斷的度量需在緩存隊列飽和度的基礎上考慮節點負載的變化趨勢。本文采用了一個定時器，每隔一段時間INTERVAL檢測緩存隊列的長度，Qnew表示最新監測到的緩存隊列長度，Qold表示INTERVAL前監測到的緩存隊列長度，定義

Qadd=Qnew-Qold （2）

Qadd表示INTERVAL時間內節點緩存隊列的變化情況，能反映節點負載在近期的變化趨勢。最終將節點i負載判斷的度量Mi定義為：

Mi=Qi+QaddQmax （3）

當節點的M值大于預先設定的擁塞閾值時，則認為該節點已經處于擁塞狀態，通過該節點的路徑則被認為是擁塞路徑，節點在發送數據的時候應當盡量避免使用擁塞路徑。

基于節點負載的擁塞預警機制如下所述：節點在每次發送數據分組前，根據式（3）計算節點當前的M值并將其與設定的擁塞閾值相比較，判斷自身的負載情況。如果節點進入了擁塞狀態，則廣播一個攜帶了擁塞信息的HELLO分組通知所有鄰居節點此節點已經進入擁塞狀態，所有收到此HELLO分組的鄰居節點將路由表中所有經過擁塞節點的路徑都暫時標記為擁塞路徑。如果去往某個目的節點的所有路徑都已經被標記為擁塞路徑，則節點需廣播路由擁塞分組通知其他鄰居節點經過本節點去往目的節點的所有路徑均為擁塞路徑。鄰居節點收到路由擁塞分組時暫時標記相應的路徑進入擁塞狀態。如果節點因收到路由擁塞分組而導致其中某些路由表項的全部路徑進入擁塞狀態，節點同樣需要再次形成新的路由擁塞分組并將其廣播轉發。最終，網絡中的路徑都將被暫時劃分為擁塞路徑和正常路徑，有多條路徑可供數據傳輸的節點將擁塞路徑上的數據流量轉移到未擁塞的路徑上。本文將擁塞標記的持續時間設為T，當擁塞標記的持續時間超過T后，將路徑恢復為正常路徑。

3.3 分流傳輸機制

將數據傳輸業務集中在一條路徑上，容易導致網絡局部的擁塞，而將數據傳輸業務按照一定的分配機制分配到多條路徑上則一方面有利于網絡負載的均衡，另一方面能維護所建立的多條路徑的有效性。本文在綜合考慮負載均衡以及傳輸效率的基礎上，提出一種基于路徑使用次數、路徑長度以及路徑狀態的分流傳輸機制。本文定義在路徑j上進行數據傳輸的代價為Cj。

Cj=Nj×Lj（4）

其中Nj表示在路徑j上進行數據傳輸的次數，而Lj表示路徑j的長度，即在路徑j上進行數據傳輸所經過的跳數。式（4）表明路徑使用次數越多，路徑長度越長，則使用該路徑進行數據傳輸的代價就越大。當節點有多條路徑可供數據傳輸時，根據式（4）計算每條路徑的數據傳輸代價，然后選擇其中數據傳輸代價最小的路徑進行傳輸，在傳輸完一個數據分組后，便將路徑的使用次數增加1。為了避免使用擁塞路徑進行數據傳輸，被標記為擁塞的路徑將不會參加數據傳輸代價的比較。而當所有路徑都為擁塞路徑時，將導致因為沒有路徑參加數據傳輸代價的比較而找不到代價最小的路徑，此時重新根據式（4）計算比較所有路徑的數據傳輸代價，最后選擇其中最小的路徑進行數據傳輸。

4 仿真實驗及分析

本文通過NS2.34實現了LBAOMDV協議并對其進行了仿真實驗，比較其和AOMDV協議的性能。實驗將50個節點隨機分布在800 m×800 m的場景區域中，節點的移動采用Random Way Point[9]模型，節點的最大移動速度為10 m/s，節點的發射半徑為250 m，緩存隊列最大長度設為50，信源采用固定比特率，每個分組長度為512 B，每秒發送2個分組，同時啟動40個數據通信連接，擁塞閾值設置為0.8，路徑的擁塞標記持續時間T設置為6 s。將節點停留時間分別設置為0 s、20 s、40 s、60 s、80 s、100 s六種不同的情況進行仿真，每種仿真的情況進行了5次實驗，每次實驗的時間為200 s，最終結果取5次實驗的平均值。

仿真實驗將從分組投遞率，平均端到端時延，歸一化路由開銷三個方面來比較LBAOMDV和AOMDV的性能：

分組投遞率定義為仿真期間成功到達目的節點的分組數與網絡中節點總共發送的數據分組數的比值。

平均端到端時延定義為網絡中所有分組被接收的時間與分組被發送的時間之差的平均值。

歸一化路由開銷定義為網絡中所有節點發送以及轉發的路由控制分組的總和與節點接收到的數據分組的總和之比。

圖1描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的分組投遞率在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因為使用了分流傳輸機制在多條路徑上同時傳輸數據，使數據流量沒有過于集中于一條路徑上，維護了多條路徑，降低了由重啟路由發現過程所導致的數據分組被丟棄的概率。同時由于使用了擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，降低了因擁塞而使數據分組被丟棄的概率，所以在分組投遞率上要好于AOMDV協議。

圖2描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的平均端到端時延在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因采用了分流傳輸和擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，從而減少了數據分組在緩存隊列中的等待時間，同時維護了多條路徑，降低了因路徑斷裂而引起重啟路由發現的概率，進一步減少了通信時延，所以，其平均延時要小于AOMDV協議。

圖3描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的歸一化路由開銷在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因使用了多條路徑同時傳輸數據，維護了多條路徑的有效性，從而使重啟路由發現的概率要小于AOMDV協議，所以，其路由開銷要比AOMDV協議少。

5 結束語

本文針對AOMDV協議及其負載均衡改進協議中存在的問題提出了基于節點負載的擁塞預警機制和基于路徑使用次數、路徑長度以及路徑狀態的分流傳輸機制，并利用這兩種機制對AOMDV協議進行了優化。優化后的協議LBAOMDV通過分流傳輸機制在使用AOMDV路由發現機制所建立的多條無環且路徑不相交的路徑上同時傳輸數據，這樣即均衡了網絡負載，又維護了多條路徑，提高了數據傳輸路徑的穩定性。在此基礎上利用基于節點負載的擁塞預警機制標記擁塞路徑，減少了在擁塞路徑上的數據流量，進一步均衡了網絡的負載并降低了擁塞發生的概率。仿真結果表明，與AOMDV協議相比，LBAOMDV協議在網絡高負載情況下提高了分組投遞率，減少了通信時延和路由開銷，提升了整個網絡的性能。然而擁塞閾值與擁塞標記持續時間的設定問題有待更進一步的研究。

參考文獻

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[9] ENGELHART D C，ANAND SIVASUBRAMANIAM，BARRETT C L， et al.A Spatial Analysis of Mobility Models：Application to Wireless Ad Hoc Network Simulation[C].Proceedings of the 37th Annual Simulation Symposium，2004：35-42.

4 仿真實驗及分析

本文通過NS2.34實現了LBAOMDV協議并對其進行了仿真實驗，比較其和AOMDV協議的性能。實驗將50個節點隨機分布在800 m×800 m的場景區域中，節點的移動采用Random Way Point[9]模型，節點的最大移動速度為10 m/s，節點的發射半徑為250 m，緩存隊列最大長度設為50，信源采用固定比特率，每個分組長度為512 B，每秒發送2個分組，同時啟動40個數據通信連接，擁塞閾值設置為0.8，路徑的擁塞標記持續時間T設置為6 s。將節點停留時間分別設置為0 s、20 s、40 s、60 s、80 s、100 s六種不同的情況進行仿真，每種仿真的情況進行了5次實驗，每次實驗的時間為200 s，最終結果取5次實驗的平均值。

仿真實驗將從分組投遞率，平均端到端時延，歸一化路由開銷三個方面來比較LBAOMDV和AOMDV的性能：

分組投遞率定義為仿真期間成功到達目的節點的分組數與網絡中節點總共發送的數據分組數的比值。

平均端到端時延定義為網絡中所有分組被接收的時間與分組被發送的時間之差的平均值。

歸一化路由開銷定義為網絡中所有節點發送以及轉發的路由控制分組的總和與節點接收到的數據分組的總和之比。

圖1描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的分組投遞率在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因為使用了分流傳輸機制在多條路徑上同時傳輸數據，使數據流量沒有過于集中于一條路徑上，維護了多條路徑，降低了由重啟路由發現過程所導致的數據分組被丟棄的概率。同時由于使用了擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，降低了因擁塞而使數據分組被丟棄的概率，所以在分組投遞率上要好于AOMDV協議。

圖2描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的平均端到端時延在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因采用了分流傳輸和擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，從而減少了數據分組在緩存隊列中的等待時間，同時維護了多條路徑，降低了因路徑斷裂而引起重啟路由發現的概率，進一步減少了通信時延，所以，其平均延時要小于AOMDV協議。

圖3描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的歸一化路由開銷在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因使用了多條路徑同時傳輸數據，維護了多條路徑的有效性，從而使重啟路由發現的概率要小于AOMDV協議，所以，其路由開銷要比AOMDV協議少。

5 結束語

本文針對AOMDV協議及其負載均衡改進協議中存在的問題提出了基于節點負載的擁塞預警機制和基于路徑使用次數、路徑長度以及路徑狀態的分流傳輸機制，并利用這兩種機制對AOMDV協議進行了優化。優化后的協議LBAOMDV通過分流傳輸機制在使用AOMDV路由發現機制所建立的多條無環且路徑不相交的路徑上同時傳輸數據，這樣即均衡了網絡負載，又維護了多條路徑，提高了數據傳輸路徑的穩定性。在此基礎上利用基于節點負載的擁塞預警機制標記擁塞路徑，減少了在擁塞路徑上的數據流量，進一步均衡了網絡的負載并降低了擁塞發生的概率。仿真結果表明，與AOMDV協議相比，LBAOMDV協議在網絡高負載情況下提高了分組投遞率，減少了通信時延和路由開銷，提升了整個網絡的性能。然而擁塞閾值與擁塞標記持續時間的設定問題有待更進一步的研究。

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4 仿真實驗及分析

本文通過NS2.34實現了LBAOMDV協議并對其進行了仿真實驗，比較其和AOMDV協議的性能。實驗將50個節點隨機分布在800 m×800 m的場景區域中，節點的移動采用Random Way Point[9]模型，節點的最大移動速度為10 m/s，節點的發射半徑為250 m，緩存隊列最大長度設為50，信源采用固定比特率，每個分組長度為512 B，每秒發送2個分組，同時啟動40個數據通信連接，擁塞閾值設置為0.8，路徑的擁塞標記持續時間T設置為6 s。將節點停留時間分別設置為0 s、20 s、40 s、60 s、80 s、100 s六種不同的情況進行仿真，每種仿真的情況進行了5次實驗，每次實驗的時間為200 s，最終結果取5次實驗的平均值。

仿真實驗將從分組投遞率，平均端到端時延，歸一化路由開銷三個方面來比較LBAOMDV和AOMDV的性能：

分組投遞率定義為仿真期間成功到達目的節點的分組數與網絡中節點總共發送的數據分組數的比值。

平均端到端時延定義為網絡中所有分組被接收的時間與分組被發送的時間之差的平均值。

歸一化路由開銷定義為網絡中所有節點發送以及轉發的路由控制分組的總和與節點接收到的數據分組的總和之比。

圖1描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的分組投遞率在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因為使用了分流傳輸機制在多條路徑上同時傳輸數據，使數據流量沒有過于集中于一條路徑上，維護了多條路徑，降低了由重啟路由發現過程所導致的數據分組被丟棄的概率。同時由于使用了擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，降低了因擁塞而使數據分組被丟棄的概率，所以在分組投遞率上要好于AOMDV協議。

圖2描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的平均端到端時延在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因采用了分流傳輸和擁塞預警機制，減少了在擁塞路徑上的數據流量，從而減少了數據分組在緩存隊列中的等待時間，同時維護了多條路徑，降低了因路徑斷裂而引起重啟路由發現的概率，進一步減少了通信時延，所以，其平均延時要小于AOMDV協議。

圖3描述了LBAOMDV協議和AOMDV協議的歸一化路由開銷在不同停留時間情況下的變化情況。LBAOMDV協議因使用了多條路徑同時傳輸數據，維護了多條路徑的有效性，從而使重啟路由發現的概率要小于AOMDV協議，所以，其路由開銷要比AOMDV協議少。

5 結束語

本文針對AOMDV協議及其負載均衡改進協議中存在的問題提出了基于節點負載的擁塞預警機制和基于路徑使用次數、路徑長度以及路徑狀態的分流傳輸機制，并利用這兩種機制對AOMDV協議進行了優化。優化后的協議LBAOMDV通過分流傳輸機制在使用AOMDV路由發現機制所建立的多條無環且路徑不相交的路徑上同時傳輸數據，這樣即均衡了網絡負載，又維護了多條路徑，提高了數據傳輸路徑的穩定性。在此基礎上利用基于節點負載的擁塞預警機制標記擁塞路徑，減少了在擁塞路徑上的數據流量，進一步均衡了網絡的負載并降低了擁塞發生的概率。仿真結果表明，與AOMDV協議相比，LBAOMDV協議在網絡高負載情況下提高了分組投遞率，減少了通信時延和路由開銷，提升了整個網絡的性能。然而擁塞閾值與擁塞標記持續時間的設定問題有待更進一步的研究。

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