一種基于蟻群優(yōu)化的DSR 路由協(xié)議*

梁哲文，張少杰，龍 飛

（北京慧清科技有限公司，北京 101500）

0 引言

隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)是一種不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，具有通信帶寬小、通信距離遠(yuǎn)且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓忍攸c(diǎn)[1]。為了實(shí)現(xiàn)通信的隱蔽性，隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并動(dòng)態(tài)維護(hù)跳數(shù)較少、傳輸可靠的路由，在保證低延時(shí)、高可靠的前提下，盡可能降低數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。目前，隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)多采用動(dòng)態(tài)源路由（Dynamic Source Routing，DSR）協(xié)議。該協(xié)議為按需路由協(xié)議，在數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送時(shí)由源節(jié)點(diǎn)按照最短路徑準(zhǔn)則計(jì)算完整路由，不需要中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由計(jì)算，從而降低了路由報(bào)文的發(fā)送開(kāi)銷。但是，DSR 協(xié)議沒(méi)有考慮跳數(shù)、鏈路質(zhì)量以及中繼節(jié)點(diǎn)緩存等對(duì)路由的影響，造成路由中斷概率高、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)大等問(wèn)題，無(wú)法滿足隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)的需求[2-3]。

蟻群優(yōu)化（Ant Colony Optimization，ACO）算法利用蟻群的智能功能高效地在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲姓业阶顑?yōu)路徑，為隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提供了新的思路[4-5]。文獻(xiàn)[6]提出了移動(dòng)自組網(wǎng)蟻群路由（Ant Routing for Mobile Ad hoc Network，ARMAN）。該協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程與AODV 協(xié)議類似，在計(jì)算路由時(shí)根據(jù)端到端延時(shí)、鏈路容量等QoS 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算信息素以及選擇概率，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)QoS 指標(biāo)的改善。但是，該協(xié)議為逐跳路由協(xié)議，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)都需要計(jì)算路由并選擇下一跳，因此節(jié)點(diǎn)需要周期性地廣播HELLO 分組來(lái)進(jìn)行路由維護(hù)，不適合隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)降低傳輸次數(shù)的需求。文獻(xiàn)[7]同樣針對(duì)AODV 協(xié)議做出了改進(jìn)，在計(jì)算信息素時(shí)考慮傳輸可靠性、節(jié)點(diǎn)的擁塞狀態(tài)和剩余能量，在改善端到端性能的同時(shí)通過(guò)能量均衡提高網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)[8]提出的蟻群路由算法（Ant based Routing Algorithm，ARA）路由旨在優(yōu)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，在節(jié)點(diǎn)信息素低于某個(gè)閾值時(shí)進(jìn)入休眠模式以節(jié)約能量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間能量消耗的均衡。改進(jìn)的蟻群路由算法（Improved ARA，IARA）對(duì)ARA 中的冗余鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，采用角度因子和距離因子限制搜索方向，避免產(chǎn)生無(wú)關(guān)路徑。但是，該算法的節(jié)點(diǎn)計(jì)算復(fù)雜度高，收斂速度慢[9]。文獻(xiàn)[8-9]主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，無(wú)法解決隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由開(kāi)銷和傳輸可靠性等指標(biāo)的要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于蟻群算法的DSR 路由協(xié)議（Ant Colony based DSR，ACDSR）。本文第一次將蟻群算法融入DSR 協(xié)議，擴(kuò)展了路由報(bào)文和ACK 報(bào)文并將其建模為螞蟻，將其攜帶的鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存映射為信息素，根據(jù)路由跳數(shù)計(jì)算啟發(fā)函數(shù)計(jì)算各路由的選擇概率，動(dòng)態(tài)使用選擇概率最高的路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。本文使用Opnet 實(shí)現(xiàn)了AC-DSR 路由協(xié)議，通過(guò)與傳統(tǒng)的DSR 路由和基于ACO 的ARMAN 路由協(xié)議的性能對(duì)比，驗(yàn)證了AC-DSR 在路由協(xié)議開(kāi)銷、端到端延時(shí)等方面的性能上有顯著提升。

1 基于蟻群算法的DSR 路由協(xié)議

與傳統(tǒng)DSR 協(xié)議類似[10]，AC-DSR 協(xié)議包含3個(gè)功能模塊。一是路由發(fā)現(xiàn)模塊。源節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由報(bào)文的交互獲得多條通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，并掌握多條路由的中繼節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存、鏈路質(zhì)量等信息建立路由表。二是路由選擇模塊。源節(jié)點(diǎn)考慮路由表中各路由的跳數(shù)、中繼節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存以及鏈路質(zhì)量等因素，實(shí)時(shí)計(jì)算各路由的信息素，并根據(jù)信息素推導(dǎo)選擇各路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的概率，最終使用選擇概率最高的路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，同時(shí)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文ACK 動(dòng)態(tài)更新路由的信息素。三是路由維護(hù)模塊。發(fā)現(xiàn)路由失效的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由報(bào)文，其他中繼節(jié)點(diǎn)根據(jù)該路由報(bào)文更新路由表，并重新計(jì)算各路由的信息素以及對(duì)應(yīng)的路由選擇概率。

為了便于介紹，將以圖1 的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，對(duì)設(shè)計(jì)的AC-DSR 協(xié)議流程進(jìn)行說(shuō)明[11]。圖1 中的頂點(diǎn)表示通信節(jié)點(diǎn)，不妨假設(shè)S 為源節(jié)點(diǎn)，D 為目的節(jié)點(diǎn)，連接頂點(diǎn)的邊表示節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線鏈路，頂點(diǎn)上方數(shù)字表示該節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存中待發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的數(shù)量，無(wú)線鏈路上的數(shù)字表示該無(wú)線鏈路的質(zhì)量。

圖1 隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 路由發(fā)現(xiàn)

源節(jié)點(diǎn)S 在發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文前，首先在其路由緩存表中查找是否存在到目的節(jié)點(diǎn)D 的可用路由。不存在可用路由時(shí)，節(jié)點(diǎn)S 將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文加入隊(duì)列緩存，然后開(kāi)始路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程來(lái)動(dòng)態(tài)查找通往目的節(jié)點(diǎn)的路由。AC-DSR 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)階段。

圖2 AC-DSR 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

1.1.1 節(jié)點(diǎn)S 廣播發(fā)送RREQ 報(bào)文

當(dāng)前在節(jié)點(diǎn)S 無(wú)線傳輸范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)（包括節(jié)點(diǎn)A 和B）都能夠接收到節(jié)點(diǎn)S 廣播發(fā)送RREQ 報(bào)文。節(jié)點(diǎn)S 發(fā)送的RREQ 報(bào)文內(nèi)容如表1所示。

路由域表示該條路由所經(jīng)過(guò)的各中繼節(jié)點(diǎn)的地址。鏈路質(zhì)量和緩存數(shù)量域分別表示該路由所經(jīng)各鏈路的質(zhì)量和各中繼節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列緩存數(shù)。生存時(shí)間域表示該RREQ 報(bào)文剩余的可傳輸跳數(shù)。該數(shù)值與協(xié)議支持的跳數(shù)有關(guān)。

1.1.2 節(jié)點(diǎn)A 和B 收到節(jié)點(diǎn)S 發(fā)送的RREQ 報(bào)文

以節(jié)點(diǎn)B 為例進(jìn)行說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)B 收到RREQ報(bào)文后，先讀取報(bào)文中的目的地址信息，發(fā)現(xiàn)自身并不是目的節(jié)點(diǎn)，然后讀取報(bào)文中的路由記錄，發(fā)現(xiàn)在路由記錄表中沒(méi)有記錄自身的地址。節(jié)點(diǎn)B 讀取RREQ ID 并搜索其維護(hù)的＜源地址,RREQ ID,路由記錄＞表，發(fā)現(xiàn)不存在＜S,1,Null＞項(xiàng)。因此，節(jié)點(diǎn)B 將＜S,1,NULL＞保存在＜源地址,RREQ ID,路由記錄＞表中，將自身地址添加到該RREQ 報(bào)文的路由記錄域中對(duì)應(yīng)的位置，計(jì)算節(jié)點(diǎn)S 到本節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量“2”并添加到鏈路質(zhì)量域中對(duì)應(yīng)的位置，查看本節(jié)點(diǎn)當(dāng)前隊(duì)列緩存中待發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文個(gè)數(shù)“3”并寫(xiě)入緩存數(shù)量域中對(duì)應(yīng)的位置，將RREQ報(bào)文的生存時(shí)間值減1 并廣播轉(zhuǎn)發(fā)該分組。因此，節(jié)點(diǎn)B 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文內(nèi)容如表2 所示，節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文內(nèi)容如表3 所示。

表1 節(jié)點(diǎn)S 發(fā)送的RREQ 報(bào)文內(nèi)容

表2 節(jié)點(diǎn)B 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文內(nèi)容

表3 節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文內(nèi)容

1.1.3 節(jié)點(diǎn)C 收到節(jié)點(diǎn)A 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文，節(jié)點(diǎn)C、D、F 收到節(jié)點(diǎn)B 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文

節(jié)點(diǎn)C、F 收到RREQ 報(bào)文后的處理與1.1.2 章節(jié)中所述的處理過(guò)程類似，這里不再說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)D收到節(jié)點(diǎn)B 轉(zhuǎn)發(fā)的RREQ 報(bào)文后，讀取分組中的目的地址信息，發(fā)現(xiàn)自身地址與RREQ 報(bào)文中目的地址域相匹配，然后計(jì)算節(jié)點(diǎn)B 到本節(jié)點(diǎn)的鏈路質(zhì)量，創(chuàng)建RREP 報(bào)文回復(fù)至源節(jié)點(diǎn)S，并刪除收到的RREQ 分組。節(jié)點(diǎn)D 回復(fù)的RREP 分組內(nèi)容如表4 所示。

由于無(wú)法保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線鏈路都是雙向鏈路，因此節(jié)點(diǎn)D 也將以洪泛轉(zhuǎn)發(fā)的方式回復(fù)RREP 分組至源節(jié)點(diǎn)S。中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)收到RREP分組后的處理與RREQ 分組的處理過(guò)程相類似。

1.1.4 節(jié)點(diǎn)S 收到節(jié)點(diǎn)D 回復(fù)的RREP 報(bào)文

源節(jié)點(diǎn)S 收到RREP 報(bào)文后，讀取分組中的路由記錄，根據(jù)分組中的路由信息更新路由表。源節(jié)點(diǎn)S 維護(hù)的路由表如表5 所示。

AC-DSR 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖2 所示。通過(guò)上述流程，源節(jié)點(diǎn)S 可以獲得多條通往目的節(jié)點(diǎn)D 的路由，并且能獲得各條路由當(dāng)前時(shí)刻的跳數(shù)、鏈路質(zhì)量、中繼節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中待發(fā)送報(bào)文數(shù)量等信息。下面介紹源節(jié)點(diǎn)根據(jù)上述路由表和路由選擇策略計(jì)算最優(yōu)路由的過(guò)程。

表4 節(jié)點(diǎn)D 回復(fù)的RREQ 報(bào)文內(nèi)容

表5 源節(jié)點(diǎn)S 維護(hù)的路由表

1.2 路由選擇

源節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的RREP 報(bào)文或者數(shù)據(jù)報(bào)文的ACK 后，將根據(jù)蟻群算法更新每一條路由的信息素和選擇概率，然后按照最大選擇概率準(zhǔn)則選擇發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的路由。路由選擇過(guò)程包括選擇概率計(jì)算和信息素更新兩個(gè)子過(guò)程。

1.2.1 選擇概率計(jì)算

與傳統(tǒng)路由協(xié)議僅考慮跳數(shù)、期望延時(shí)等影響因素不同，本文設(shè)計(jì)的基于蟻群算法的路由選擇策略綜合考慮了跳數(shù)、鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)負(fù)載等因素，并參考了歷史路由選擇結(jié)果，可以獲得更優(yōu)性能。

路由跳數(shù)、鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)負(fù)載等信息可以由RREP 報(bào)文和數(shù)據(jù)報(bào)文的ACK 攜帶至源節(jié)點(diǎn)處并動(dòng)態(tài)更新，上述信息決定了每條鏈路上的信息素。在本文設(shè)計(jì)的基于蟻群算法的路由選擇策略中，路由r上某段鏈路(i,j)上的信息素用τij(t)表示，是鏈路(i,j)的鏈路質(zhì)量Lij(t)與中繼節(jié)點(diǎn)i緩存隊(duì)列中等待發(fā)送報(bào)文數(shù)量Ci(t)的比值，即：

路由r上的信息素，即路由r上所有鏈路的信息素之和，可以表示為：

路由r上的啟發(fā)函數(shù)值ηr(t)可以表示為：

式中，dr表示源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)路由r的跳數(shù)。顯然，該啟發(fā)函數(shù)表示螞蟻經(jīng)過(guò)路由r從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的期望程度。值反映了尋優(yōu)過(guò)程中確定性因素的作用強(qiáng)度。值越大，表示源節(jié)點(diǎn)選擇最少跳數(shù)路由的可能性越大。

源節(jié)點(diǎn)在選擇路由時(shí)，同時(shí)受到路由上的信息素和啟發(fā)函數(shù)的影響。用R表示所有路由的集合，源節(jié)點(diǎn)路由r(r∈R)的選擇概率表示為：

式中：α為信息素因子，表示路徑上的信息素對(duì)路由尋優(yōu)影響的程度；β為啟發(fā)因子，表示啟發(fā)函數(shù)對(duì)路由尋優(yōu)影響的程度。作為路由信息素的冪數(shù)，α值越大，表示路由尋優(yōu)時(shí)路由報(bào)文交互和ACK 報(bào)文攜帶的信息素的影響越大，即路由尋優(yōu)主要受之前報(bào)文交互時(shí)獲得的鏈路質(zhì)量、緩存數(shù)據(jù)報(bào)文數(shù)的經(jīng)驗(yàn)因素影響。作為啟發(fā)函數(shù)的冪數(shù)，β值越大，表示路由尋優(yōu)時(shí)路由跳數(shù)的影響越大，即路由尋優(yōu)主要受路由跳數(shù)這個(gè)確定性因素的影響。根據(jù)圖1 的各路由狀態(tài)信息計(jì)算得到的各路由的選擇概率如表5 所示，其中α和β均為0.3。

在AC-DSR 協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)采用最大選擇概率準(zhǔn)則選擇發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的路由，因此最優(yōu)路由可以表示為：

在后續(xù)的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送中，源節(jié)點(diǎn)S 會(huì)使用選擇概率最高的S-B-D 路由。根據(jù)圖1 中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，該路徑所經(jīng)過(guò)的鏈路質(zhì)量較好，同時(shí)各中繼節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存數(shù)據(jù)量少，使用該鏈路傳輸可以獲得更優(yōu)的性能。

1.2.2 信息素更新

源節(jié)點(diǎn)收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的RREP 報(bào)文后，先根據(jù)其攜帶的鏈路質(zhì)量、中繼節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)報(bào)文個(gè)數(shù)等信息，計(jì)算各路由的初始信息素值和啟發(fā)函數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算各路由的選擇概率，而源節(jié)點(diǎn)將使用選擇概率最大的路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，當(dāng)收到目的節(jié)點(diǎn)回復(fù)的數(shù)據(jù)報(bào)文ACK 消息后，獲取ACK 消息攜帶的鏈路質(zhì)量、中間節(jié)點(diǎn)緩存?zhèn)€數(shù)等信息，對(duì)發(fā)送該數(shù)據(jù)報(bào)文路由的信息素值進(jìn)行更新，并重新計(jì)算其路由選擇概率，以便源節(jié)點(diǎn)再次選擇發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的路由。

數(shù)據(jù)報(bào)文的ACK 內(nèi)容如表6 所示。

表6 數(shù)據(jù)報(bào)文的ACK 內(nèi)容

根據(jù)接收到的ACK中的鏈路質(zhì)量和緩存數(shù)量，源節(jié)點(diǎn)計(jì)算所選擇的路由各鏈路的信息素τij(t)，然后計(jì)算整個(gè)路由的信息素增量Δτr(t)為：

最終該路由的信息素可以更新為：

式中，ρ為信息素?fù)]發(fā)因子，ρ∈[0,1]，1-ρ表示信息素殘留因子。

1.3 路由維護(hù)

路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)報(bào)文會(huì)沿著其攜帶的源路由所指定的路徑，依次被中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。但是，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌焚|(zhì)量不斷動(dòng)態(tài)變化等因素，可能會(huì)使源路由中某些相鄰節(jié)點(diǎn)不在彼此的通信范圍內(nèi)，導(dǎo)致當(dāng)前正在使用的源路由因?yàn)橹虚g一些鏈路的中斷而不能成功轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文到目的節(jié)點(diǎn)，因此需要路由維護(hù)過(guò)程來(lái)修復(fù)路由。

在AC-DSR 協(xié)議中，中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文中包含的路由信息向下一跳發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。如果節(jié)點(diǎn)在設(shè)定的重發(fā)次數(shù)內(nèi)收到下一跳節(jié)點(diǎn)回復(fù)的確認(rèn)消息，則可以確定兩節(jié)點(diǎn)間的鏈路狀態(tài)正常；否則，認(rèn)為鏈路中斷，開(kāi)始路由維護(hù)過(guò)程。

如圖3 所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)B、D 之間的鏈路中斷后，路由維護(hù)過(guò)程如下。節(jié)點(diǎn)B 確認(rèn)鏈路中斷后，開(kāi)始路由維護(hù)過(guò)程，需要?jiǎng)?chuàng)建并向源節(jié)點(diǎn)S 發(fā)送路由錯(cuò)誤報(bào)文RERR。根據(jù)RERR 報(bào)文指定的路徑，沿途轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)。如果它的路由列表中存有包含中斷鏈路的路由信息，必須被全部刪除。然后，節(jié)點(diǎn)檢查其自身的路由緩存，若存在另一條有效路由到達(dá)數(shù)據(jù)報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)，則利用這條路由來(lái)替代原有的路由將數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

源節(jié)點(diǎn)S 收到RERR 報(bào)文后，會(huì)根據(jù)報(bào)文中攜帶的中斷鏈路信息刪除其路由緩存中相應(yīng)的失效路由。若源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間仍存在通信業(yè)務(wù)，且源節(jié)點(diǎn)更新后的路由列表中有其他到目的節(jié)點(diǎn)的路由，則直接使用這條路由發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，否則將重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

圖3 AC-DSR 路由維護(hù)過(guò)程

2 性能仿真與分析

本文提出的AC-DSR 協(xié)議的仿真實(shí)驗(yàn)在Opnet環(huán)境下進(jìn)行，在2 km×2 km 的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布5個(gè)通信節(jié)點(diǎn)搭建移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，并與經(jīng)典的DSR協(xié)議和基于蟻群優(yōu)化的AODV 路由協(xié)議ARMAN 就端到端延時(shí)和路由開(kāi)銷性能進(jìn)行對(duì)比分析。仿真場(chǎng)景如圖4 所示，表7 為仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況。

圖4 仿真使用的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景

表7 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)設(shè)置

圖5 顯示的是數(shù)據(jù)報(bào)文端到端延時(shí)性能隨時(shí)間變化的曲線。可以看出，與傳統(tǒng)DSR 協(xié)議相比，基于蟻群優(yōu)化的ARMAN 和本文提出的AC-DSR 協(xié)議都可以獲得更低的端到端延時(shí)性能。究其原因，以圖4 時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔M(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)使用傳統(tǒng)的DSR 協(xié)議時(shí)，源節(jié)點(diǎn)總是使用路徑最短的路由，因此源節(jié)點(diǎn)0 向節(jié)點(diǎn)4 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)總會(huì)選擇路由“0-2-3-4”，造成節(jié)點(diǎn)2 處負(fù)載較重。發(fā)送隊(duì)列緩存較長(zhǎng)，源節(jié)點(diǎn)0 發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文在節(jié)點(diǎn)2 的緩存隊(duì)列中等待較長(zhǎng)時(shí)間才可以發(fā)往下一跳節(jié)點(diǎn)3，最終導(dǎo)致較長(zhǎng)的端到端延時(shí)。但是，基于蟻群優(yōu)化的ARMAN 和AC-DSR 協(xié)議可以根據(jù)隊(duì)列緩存和鏈路質(zhì)量實(shí)時(shí)計(jì)算各路徑的信息素并更新選擇概率，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2 隊(duì)列緩存較長(zhǎng)時(shí)，選擇隊(duì)列緩存更優(yōu)的節(jié)點(diǎn)1 作為中繼節(jié)點(diǎn)，從而降低了端到端延時(shí)。

圖5 端到端延時(shí)性能隨時(shí)間變化曲線

圖6 顯示的是路由協(xié)議的額外開(kāi)銷隨時(shí)間變化的曲線。可以看出，DSR 和AC-DSR 協(xié)議路由報(bào)文的開(kāi)銷遠(yuǎn)低于ARMAN 協(xié)議。這主要是由于ARMAN 屬于逐跳路由協(xié)議，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要周期性發(fā)送路由報(bào)文以維護(hù)與鄰節(jié)點(diǎn)的路由，而DSR 和AC-DSR 都屬于源路由協(xié)議，由源節(jié)點(diǎn)維護(hù)路由信息且僅在有數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送時(shí)才發(fā)送路由報(bào)文以獲得到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，減少了發(fā)送的路由報(bào)文的數(shù)量，因此擁有更少的路由額外開(kāi)銷。

圖6 路由協(xié)議額外開(kāi)銷隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)需要在保證低延時(shí)、高可靠的前提下盡量減少報(bào)文的發(fā)送次數(shù)，這對(duì)路由協(xié)議提出了新的挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)的AC-DSR 將蟻群優(yōu)化思想融入DSR 協(xié)議設(shè)計(jì)，可根據(jù)路由跳數(shù)、鏈路質(zhì)量、緩存等狀態(tài)實(shí)時(shí)更新路由的選擇概率，能夠達(dá)到減少數(shù)據(jù)報(bào)文端到端延時(shí)和降低路由協(xié)議額外開(kāi)銷的目標(biāo)，為隱蔽通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)提供了新的思路。