基于帶寬和時延的改進ZRP路由協議研究

王力軍，田靜，洪濤

基于帶寬和時延的改進ZRP路由協議研究

王力軍，田靜，洪濤

在Ad Hoc網絡中，節點變化較大，而ZRP協議預臵半徑的做法，不能有效利用網絡資源。針對此問題，提出了基于帶寬和延時的BD-ZRP協議。在定義節點半徑時，引入帶寬和時延參數，實時改變半徑大小，以適應動態網絡變化，從而提高路由性能。通過NS2仿真表明，改進后的BD-ZRP協議在包投遞率和時延方面比傳統ZRP協議具有更好的性能。

帶寬；延時；區域半徑；ZRP

0 引言

移動網絡是一種移動通信和計算機網絡相結合的網絡[1]，網絡中的每個節點都兼有路由器和主機兩種功能，它具有動態變化的拓撲結構、無中心和自組織等特性[2]。為了適應Ad Hoc的動態拓撲、帶寬和能量受限等特性，研究者提出了許多Ad hoc網絡路由協議[3]。根據路由觸發原理，這些路由協議可以分為先驗式路由協議、反應式路由協議和混合式路由協議[4]。

先驗式路由協議又稱表驅動路由協議，每個節點周期性的路由廣播，維護一張包含到達節點的路由信息的路由表，并根據網絡拓撲的變化隨時更新路由表；源節點一旦要發送報文，可以立即獲得到達目的節點的路由。因此這種路由協議的時延較小，但是協議需要大量的路由控制報文路由，協議的開銷較大。反應式路由協議又稱按需路由，是一種當需要時才查找路由的路由選擇方式，節點不需要保存整個網絡及時準確的路由信息，當需要發送報文時才發起路由查找過程。與先驗式路由協議相比，反應式路由協議的開銷小，但是數據報傳送的時延較大，不適合實時性的應用[5]。ZRP協議是一個先驗式和反應式路由協議的組合，網絡內的所有節點都有一個以自己為中心的虛擬區，區內的節點數與設定的區半徑有關，因此區是重疊的，這是與分群路由的區別；在區內使用先驗式路由算法，中心節點使用區內路由協議IARP維持一個區[6]。本文通過引入時延、帶寬確定ZRP協議的半徑，動態改變半徑大小，從而提高路由利用率。

1 ZRP協議

在ZRP協議中，每個節點都定義了一個半徑為r的域，它是以該節點為中心，到該節點的距離不超過r跳的所有節點的集合。節點A的一個半徑為2跳的域如圖1所示：

圖1 節點分類情況

圖1為以A為中心，跳數為2的路由區域；節點H在區域外，其余節點在區域內。

ZRP路由協議由3部分組成，如圖2所示[7]：

圖2 ZRP路由結構示意圖

在區域內部采用IARP（Intra-zone Routing Protocol）協議，是一種主動路由協議；在區域間采用IERP（Inter-zone Routing Protocol）協議，是一種按需路由協議。當r=1時，只有鄰節點間周期性交換信息，ZRP演變為按需路由協議；當r=DL時（DL為Ad Hoc網絡最大直徑），ZRP即成為純粹的主動路由協議。

2 基于帶寬和時延的BD-ZRP協議

ZRP協議性能的優化主要通過調整區域半徑實現先應式和后應式路由協議間的平衡。針對該協議的改進大多數研究主要對節點速率、節點密度和網絡規模進行考慮。本文提出基于帶寬和時延的區域有效性BD-ZRP，主要是以節點可用帶寬和訪問時間作為節點訪問的依據，在協議中動態改變半徑r，提高ZRP路由性能。BD-ZRP協議結構如圖3所示：

圖3 BD-ZRP路由結構示意圖

通信服務過程中引入帶寬和延時。

相比ZRP協議，BD-ZRP協議增加了帶寬和延時服務，實現了動態區域的半徑可變性，包括路由表的發現、更新、刪除。報文格式如表1所示：

表1 BD-ZRP報文格式

擴展了節點的可用帶寬、鏈接時間和半徑更新。節點查詢與應答與IARP、IERP結合，實現區域內外路由更新、刪除。節點查詢過程如下：當一個節點發送路由請求包RREQ到它的周邊節點，RREQ分組的內容包含源節點序號、目的節點序號集、半徑r。等待反饋回來的RREP分組, 并啟動計時器, 設置最大等待時間T（T與當前r是反比關系）。RREP分組包含所有路由節點的序號和鏈路的帶寬、延遲。如果接收到路由請求包的節點知道目的節點的位置，它會發回給源節點一個RREP路由回復。源節點將所有T內接收到的RREP信息記錄到自己的鄰節點鏈表中，如表2所示：

表2 鄰節點鏈表

如果在T時間內沒有接到其相鄰節點的信息，則認為該節點已丟失，從已建的鄰節點鏈表中將其刪除。如果接收到新的節點信息，則將其加入到鄰接表中。如果一個節點接收到幾個相同的路由請求副本，這些副本將被視為冗余的而被丟棄。

每個節點周期性的查詢鄰接點信息，如果所用帶寬大于可用帶寬，且用時大于平均用時，則網絡條件不足且節點移動較頻繁，此時需適當減小半徑，r=r-1(r>2)。刪除區域內半徑大于r的鏈路信息。否則所用帶寬小于可用帶寬，且用時小于平均用時，則認為此節點較穩定，保持r不變。經過若干個周期仍是如此，則增加跳數，r=r+1。增加鏈路信息。一個周期結束，重新計算路由表，更新鏈路信息，并將更新后的路由信息廣播給周圍的節點。

BD-ZRP協議根據網絡特點，適當調節區域半徑。當帶寬充足且節點移動較慢，可適當增加跳數以有效利用網絡資源。當帶寬不能滿足當前網絡需求或節點移動較頻繁時，則需要減小跳數，從而保證信息的有效傳達。

3 模擬仿真

網絡環境的設置與參考文獻[8]一致，物理層選用Two-ray ground reflection 無線傳播模型，鏈路層采用802.11。MAC層協議的分布式協調功能DCF（Distributed Coordination Function）。50個節點以0-10m/s的速度在區域1000 ×1000m2內移動，節點的傳輸半徑設為250m，信道容量為2Mbps，包長為512bytes。仿真時間為500s。ZRP協議初始半徑設置為2，BD-ZRP算法與ZRP路由算法進行仿真比較，選取平均延時（delay）和包投遞率（Packet delivery ratio）2個性能指標作為評估對象。

3.1 平均包延時

平均包延時是指在整個模擬過程中，源節點發送數據到目的節點接收該數據所需的平均時間。反映了路由協議的效率和網絡特性[9]。

公式為：

平均色延時比較如圖4所示：

圖4 平均包延時比較

由圖4可看出，平均包延時隨著節點移動速度的增加而增大，節點速度較慢時，鏈路相對穩定，平均端到端延時較小。隨著節點速度的增加，鏈路斷路較多，許多節點丟失，導致延時增加。BD-ZRP算法在確定區域半徑時根據接收到的返回信息即節點移動速度，動態調整半徑大小，提高路由效率，相對ZRP協議減少了網絡延時。

3.2 包投遞率

包投遞率是指在整個模擬過程中，數據在路由層成功傳送的比率[10]。

包投遞率越高，網絡質量超好。隨著節點速度的增加，鏈路穩定性降低，數據包丟失明顯增加，導致包投遞率降低如圖5所示：

Research on Improved ZRP Routing Protocol Based on Bandwidth and Delay

Wang Lijun, Tian Jing, Hong Tao
(China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The nodes change greatly in Ad Hoc network. That the ZRP protocol presets radius， can’t effectively use network resources. Aiming at the problem, BD-ZRP protocol based on bandwidth and delay is proposed in the paper. After defining the radius of nodes, the bandwidth and delay are introduced. The radius of the network is changed real-timly to adapt to the change of the network, and to improve the performance of the routing. The NS2 simulation results show that the improved BD-ZRP protocol has a good performance than the traditional ZRP protocol in terms of packet delivery ratio and delay.

Bandwidth; Delay; Region Radius; ZRP

TP311

A

1007-757X(2016)09-0075-02

王力軍（1978-），男，漢族，臨朐人，中國石油大學（華東）高級工程師，碩士，研究方向：工程技術管理，青島 266580田 靜（1981-），女，漢族，文登人，中國石油大學（華東）工程師，碩士，研究方向：網絡質量管理，青島 266580洪 濤（1976-），男，漢族，潛江人，中國石油大學（華東）高級工程師，碩士，研究方向：工程技術管理，青島 266580