基于節(jié)點靜默-激活機制的優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由研究

黃鋅源,王 睿,郭一平,胡谷雨

(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué) 指揮與控制工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

0 引 言

移動無線自組織網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一種通過無線鏈路將移動設(shè)備進行連接的自組網(wǎng)技術(shù)[1],不需要像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)那樣依靠固定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入,節(jié)點之間直接通過無線鏈路進行互聯(lián),且每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既可以作為端節(jié)點,也可以作為路由器等轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳遞,節(jié)點可以很輕松自由地接入網(wǎng)絡(luò)或離開網(wǎng)絡(luò)[2],充分利用了無線環(huán)境中的電磁頻譜資源作為通信鏈路。同時,隨著MANET結(jié)構(gòu)的逐步完善,無線通信等賦能技術(shù)穩(wěn)定性的提高,以及路由協(xié)議安全性的增加,MANET網(wǎng)絡(luò)在軍事、救災(zāi)等領(lǐng)域也得到了大量的應(yīng)用[3]。MANET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的路由算法通常分為兩種,即基于矢量優(yōu)先的路由算法和基于路徑優(yōu)先的路由算法,兩類算法都需要定期發(fā)送數(shù)據(jù)包用于節(jié)點構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲信息,從而進行路由選擇。

軍事環(huán)境中MANET網(wǎng)絡(luò)通常是利用背負式、車載式、機載式等搭載式的軍用數(shù)字無線電臺作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,通信手段也主要是依靠電臺之間的無線電傳輸[4],但移動通信中所使用的無線電信號安全度不高,十分容易被敵方進行有針對的電子偵察,捕獲軍隊經(jīng)常使用的通信頻率,針對這些通信頻段,實施不同程度的電子干擾,以至于戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)中的無線鏈路出現(xiàn)傳輸速率降低、誤碼率升高、丟包率上升等鏈路質(zhì)量下降的問題。

在遭受干擾狀況的環(huán)境中,無論MANET節(jié)點使用哪種路由算法,網(wǎng)絡(luò)鏈路都會因傳輸能力下降導(dǎo)致丟包率升高,同時由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中丟包重傳的原因,當(dāng)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包因響應(yīng)超時或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差出現(xiàn)丟包時,會將丟失的數(shù)據(jù)包進行重發(fā),使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中充斥著大量的重發(fā)數(shù)據(jù),造成本就擁塞的戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)的效率更加低下,嚴重時甚至?xí)?dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)崩潰的情況。因此,可通過對網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的優(yōu)化,減少不必要的路由信息交互、降低重發(fā)概率,在干擾環(huán)境中盡量提高戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)場中的緊急指令、有效報文等數(shù)據(jù)的傳輸成功率,盡可能地加強遭敵干擾下的戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

文獻[5]對MANET中常見的AODV,DSR,OLSR,GPR四種路由協(xié)議進行了對比分析,通過對四種路由在相同場景下的端到端時延和吞吐量進行比較,得出OLSR路由協(xié)議綜合性能更高的結(jié)論。該文在被敵干擾的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)場景下對傳統(tǒng)的OLSR協(xié)議進行了研究,通過對OLSR協(xié)議的分析,針對OLSR協(xié)議中鄰居監(jiān)聽時HELLO包發(fā)送過量冗余的問題,提出了一種基于節(jié)點靜默-激活機制的優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由(SA-OLSR)協(xié)議,通過節(jié)點對HELLO消息接受的感知,估測當(dāng)前所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài),降低HELLO包的發(fā)送間隔。

1 OLSR概述及相關(guān)研究

優(yōu)化鏈路狀態(tài)(Optimized Link State Routing,OLSR)協(xié)議是一種主動式的路由協(xié)議,通過降低控制類型數(shù)據(jù)包的大小和減少用于轉(zhuǎn)發(fā)鏈路狀態(tài)的數(shù)據(jù)包數(shù)量來實現(xiàn)對純鏈路狀態(tài)路由協(xié)議的優(yōu)化[6-7]。OLSR主要分為三個階段:鄰居感知階段、TC消息交互階段、路由選擇階段。

在鄰居感知階段,網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點會定期向周圍節(jié)點發(fā)送HELLO消息,HELLO消息報文結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一部分為HELLO消息的頭部,前兩個字節(jié)為保留字段,設(shè)置為全0;第三個字節(jié)為HELLO信息的生命周期,第四字節(jié)表示節(jié)點愿意被選為MPR節(jié)點的程度。HELLO消息的第二部分為鏈路信息的首部,第一字節(jié)指定了鏈路發(fā)送接口和鄰居接口列表;第二字節(jié)為保留字段;三四字節(jié)標(biāo)識了鏈路信息的大小。第三部分為鄰居接口信息,依次列出了每個鄰居節(jié)點的接口地址信息。通過定期的HELLO消息交互,每個節(jié)點都可以得到本節(jié)點與一跳鄰居、二跳鄰居之間的鏈路狀況,從而構(gòu)建出自己的一跳鄰居表和二跳鄰居表,再通過MPR選擇算法選出對應(yīng)的MPR集,構(gòu)建出一張MPR表。

圖1 HELLO消息包格式

在TC消息交互階段,基于前一階段所構(gòu)建出的MPR表,網(wǎng)絡(luò)中的MPR節(jié)點會定期地將TC消息進行洪泛,而MPR節(jié)點收到后也都會再將其轉(zhuǎn)發(fā)。TC消息報文結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TC消息包格式

在路由選擇階段,通過TC消息的交互,節(jié)點構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)拓撲表后,便可利用最短路徑優(yōu)先算法尋找出各個目的節(jié)點的路徑信息,構(gòu)建出路由表。

針對OLSR協(xié)議路由開銷過大的問題,文獻[8]提出了一種C-OLSR(集群OLSR)協(xié)議,通過將網(wǎng)絡(luò)分群的策略,將控制信息的轉(zhuǎn)發(fā)限制在了集群內(nèi)部,集群間的通信則采用改進的轉(zhuǎn)發(fā)策略,有效減小了TC信息的全網(wǎng)洪泛,降低了路由開銷。文獻[9]基于一種利用無速率編碼的地理廣播路由方案,將傳遞消息的策略和數(shù)據(jù)交換的方式進行了改進,提出了一種利用表驅(qū)動的OLSR協(xié)議將消息傳遞到目標(biāo)區(qū)域,通過實驗仿真結(jié)果顯示,該方案在降低路由開銷成本的同時還提高了分組的發(fā)送成功率。文獻[10]基于節(jié)點的移動策略與OLSR性能的關(guān)系進行了分析,通過在多個網(wǎng)絡(luò)場景下,控制節(jié)點的移動速度不同以及移動方式不同進行實驗對比,分析了路由的發(fā)包率、端到端時延和路由控制開銷等性能的差異。考慮到無線自組網(wǎng)中節(jié)點的能量壽命的問題,文獻[11]對OLSR協(xié)議的多點中繼選擇過程進行了改進,通過將被選取為MPR集的willings和TC消息的發(fā)送間隔進行調(diào)整,有效地提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作壽命,節(jié)約了節(jié)點能量,并且依然保證了OLSR的QoS質(zhì)量。針對鏈路故障拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化導(dǎo)致丟包,從而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題,文獻[12]提出了一種低延遲最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由(LL-OLSR)方案,通過對已經(jīng)建立的路徑的監(jiān)測,在鏈路網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下,采用最小的成本將源節(jié)點和目的節(jié)點相連接,最大化地提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。文獻[13]進行了去中心化研究,通過將節(jié)點位置進行分區(qū),避免在相同區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)頻繁傳輸,有效降低了TC消息的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量,降低了路由開銷。

2 問題描述及改進分析

2.1 問題描述

OLSR協(xié)議利用節(jié)點之間定期進行的HELLO消息交互獲取自己與鄰居節(jié)點之間的鏈路狀態(tài),同時感知自己與二跳鄰居節(jié)點的鏈路狀況。如圖3所示,當(dāng)戰(zhàn)場環(huán)境中出現(xiàn)干擾時,假設(shè)干擾范圍對戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)中的6號節(jié)點、7號節(jié)點、8號節(jié)點之間的通信鏈路產(chǎn)生了影響,三個節(jié)點所組成的局部網(wǎng)絡(luò)中通信環(huán)境的鏈路質(zhì)量嚴重下降,鏈路上的丟包率急劇升高,導(dǎo)致三個節(jié)點之間交互的數(shù)據(jù)包都難以成功接受。而此時按照HELLO消息的交互機制,遭受干擾的節(jié)點仍然會持續(xù)地定期發(fā)送這類交互報文,受到干擾的局部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也因此會出現(xiàn)大量被重發(fā)和無法成功接受的HELLO信息,使得一些需要在戰(zhàn)場上進行緊急傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無法成功投遞,嚴重影響了戰(zhàn)場環(huán)境中的部隊指揮官對分隊的指揮決策能力。

圖3 干擾環(huán)境示意圖

2.2 改進措施

針對在鏈路質(zhì)量較為糟糕的情況中,OLSR路由在進行鄰居監(jiān)聽時仍然會持續(xù)發(fā)送大量HELLO信息的問題,該文提出了一種基于節(jié)點的靜默-激活機制,對OLSR的鄰居監(jiān)聽算法進行改進,減少MANET節(jié)點進行大量冗余HELLO信息的發(fā)送。

改進后的SA-OLSR算法的HELLO接受流程如圖4所示。在每次接受到HELLO包后會記錄當(dāng)前的時間,然后再對數(shù)據(jù)包進行處理解析。

圖4 HELLO信息接受流程

發(fā)送流程如圖5所示。當(dāng)節(jié)點在3個HELLO消息的發(fā)送時鐘周期內(nèi)未能收到來自其他節(jié)點的HELLO報文,則該節(jié)點會進入靜默狀態(tài),進入靜默狀態(tài)后,節(jié)點不再主動發(fā)送用于交互的HELLO信息,但節(jié)點內(nèi)部會繼續(xù)進行其余的工作,只有當(dāng)收到來自其他節(jié)點的HELLO消息后,靜默節(jié)點才會被激活,重新開始主動地去進行HELLO信息交互。該算法主要是通過降低在干擾狀況下MANET節(jié)點主動發(fā)送HELLO消息的頻次,減少網(wǎng)絡(luò)中控制包的數(shù)量,降低控制信息的開銷,提升網(wǎng)絡(luò)中對有效信息傳輸?shù)谋嚷省?/p>

圖5 HELLO信息發(fā)送流程

2.3 理論分析

在自組織網(wǎng)絡(luò)中,影響網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的因素主要有網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的總數(shù)、節(jié)點的發(fā)包速率、包的大小、節(jié)點的移動速度等[14]。在OLSR協(xié)議中,其鄰居監(jiān)聽算法的路由開銷主要與HELLO包的發(fā)送頻率、包的大小、包的總量相關(guān),相關(guān)參數(shù)定義如表1所示。

術(shù)前宣教形式多樣，包括展開個人咨詢、宣傳彩頁或多媒體方式等。如果患者及家屬與相關(guān)的外科醫(yī)生、麻醉醫(yī)生及護理人員進行一次面對面的交流則更理想。宣教內(nèi)容應(yīng)包括解釋在整個流程中患者的任務(wù)，鼓勵患者術(shù)后早期進食，早期下床活動，配合鎮(zhèn)痛及呼吸功能鍛煉等，并應(yīng)向患者及家屬詳細說明出院標(biāo)準(zhǔn)。

表1 網(wǎng)絡(luò)性能分析參數(shù)

在自組織網(wǎng)絡(luò)中,單位時間內(nèi),全網(wǎng)所產(chǎn)生的HELLO包數(shù)量為:

(1)

在無干擾狀況下的網(wǎng)絡(luò)持續(xù)時間內(nèi),全網(wǎng)所生成的HELLO包數(shù)量為:

(2)

同理可知,在存在干擾的狀況下,被干擾的局部網(wǎng)絡(luò)所生成的HELLO包數(shù)量為:

(3)

干擾時間段內(nèi)HELLO包的丟包數(shù)量為:

(4)

在整個網(wǎng)絡(luò)持續(xù)時間內(nèi),有效傳輸?shù)腍ELLO包所占的比率為:

(5)

由式5可知,只需要提高在干擾狀況下的HELLO包發(fā)送時間間隔,即可有效增加在網(wǎng)絡(luò)中HELLO信息的有效傳輸率。而SA-OLSR方式在干擾時明顯降低了傳輸頻率,增加了傳輸間隔,因此降低了HELLO包的控制開銷。

3 實驗驗證及結(jié)果分析

仿真中,以SA-OLSR,OLSR,AODV在同一網(wǎng)絡(luò)場景下進行對比,選取HELLO信息的發(fā)包量、網(wǎng)絡(luò)平均時延網(wǎng)絡(luò)擁塞的累積分布概率作為指標(biāo)比較了SA-OLSR和OLSR的差異,驗證了SA-OLSR的有效性。使用網(wǎng)絡(luò)平均時延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量兩個指標(biāo),比較了SA-OLSR,OLSR和AODV之間的區(qū)別,驗證了SA-OLSR的先進性和可靠性。

3.1 仿真場景設(shè)置

基于Windows平臺利用OPNET[15]仿真工具對傳統(tǒng)的OLSR以及SA-OLSR進行模擬,同時與現(xiàn)階段在MANET網(wǎng)絡(luò)中常使用的AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)協(xié)議在時延和吞吐量參數(shù)上進行了比較。仿真場景設(shè)置在3 km×3 km的區(qū)域內(nèi),分別將20個MANET節(jié)點進行均勻排列,節(jié)點移動速度為10～30 m/s,節(jié)點最大通信距離為600 m,仿真持續(xù)時間為30分鐘,設(shè)置場景在200 s～500 s時間段,網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)干擾,導(dǎo)致其中共5個節(jié)點組成的局部網(wǎng)絡(luò)中的通信效率降低。仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 HELLO包數(shù)量

OLSR與SA-OLSR的HELLO包發(fā)送數(shù)量比較如圖6所示。由于SA-OLSR減小了HELLO包的發(fā)送間隔,在網(wǎng)絡(luò)開始階段以及出現(xiàn)干擾階段,SA-OLSR的HELLO數(shù)據(jù)發(fā)送量明顯比OLSR的低,在干擾消失,網(wǎng)絡(luò)性能逐漸恢復(fù)后,兩種協(xié)議的發(fā)包數(shù)量漸漸達到一致。在干擾狀況下SA-OLSR的HELLO包發(fā)送數(shù)量比OLSR的降低了10%左右。

圖6 HELLO包數(shù)量比較

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)擁塞的CDF

從圖7中可知,與OLSR相比,雖然SA-OLSR造成網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)較短擁塞時間的概率更大,但是其能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)長期的擁塞持續(xù)時間。因此在進行長時間網(wǎng)絡(luò)運行時,SA-OLSR的效率更高,有效避免了網(wǎng)絡(luò)中較長時間的持續(xù)擁塞事件的出現(xiàn)。

圖7 網(wǎng)絡(luò)擁塞時長CDF

3.2.3 時 延

從圖8中可知,三種路由協(xié)議中,AODV的平均時延最大,且在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定時,時延情況會出現(xiàn)較大幅度的突變。SA-OLSR與OLSR的時延都能始終保持在相對較低的水平上。但是與OLSR相比,SA-OLSR的平均時延有一定的增加趨勢,這是由于拓撲不斷變化,控制信息發(fā)送量的減少,使得節(jié)點在變化時對鄰居狀態(tài)的監(jiān)聽不夠及時導(dǎo)致的,但平均時延都相對較低。

圖8 時延對比

3.2.4 吞吐量

從圖9中可以看出,隨著仿真時間的增加,三種路由協(xié)議中,SA-OLSR的吞吐量明顯最高,OLSR的吞吐量次之,AODV的吞吐量最低。隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲隨時間的變化,SA-OLSR比AODV的吞吐量提高了約0.12 Mbit/s,且該提高量會逐漸增加。因此,在無線信道容量不變的情況下,SA-OLSR能夠提供更好的網(wǎng)絡(luò)性能保障。

圖9 吞吐量對比

4 結(jié)束語

通過對OLSR協(xié)議鄰居監(jiān)聽算法的分析,提出了一種基于節(jié)點SA(靜默-激活)機制的鄰居監(jiān)聽算法。該算法通過節(jié)點對最近一次接受到HELLO消息時間的檢測,能夠判斷自己是否處在被干擾環(huán)境中,從而決定自己是否需要進入靜默狀態(tài),增加了在干擾環(huán)境下節(jié)點發(fā)送HELLO包的時間間隔,降低了發(fā)送頻率。通過實驗分析,相比于傳統(tǒng)的OLSR,SA-OLSR能夠有效減少MANET節(jié)點進行鄰居監(jiān)聽時的HELLO包開銷,同時降低網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)長時間擁塞的概率。與AODV相比,SA-OLSR和OLSR都能夠在保持更低且更加穩(wěn)定的端到端時延的情況下,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,從而提升網(wǎng)絡(luò)性能。下一步將對OLSR的MPR選擇算法和TC洪泛機制進行研究,綜合提高OLSR在戰(zhàn)場環(huán)境下的性能。