Ad Hoc的DSR協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中的運用

引言

物聯(lián)網(wǎng)使物理世界信息化，是目前國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點之一。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模的日益擴大，其承載業(yè)務(wù)的不斷增多，路由正確性與及時性直接影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能和服務(wù)質(zhì)量。本文在分析物聯(lián)網(wǎng)與AdHoc網(wǎng)絡(luò)特點基礎(chǔ)上，探討AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的適用性，并通過實驗仿真AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的DSR路由技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的通信過程。

1AdHoc網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點

物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，融合了通信工程、計算機應(yīng)用、微電子信息、自動化管理等多門學(xué)科技術(shù)，將普通物理對象互聯(lián)，從而使物品之間具有終端設(shè)備功能，并且擁有普適運算和智能化的特點。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)主要由感知傳感識別層、網(wǎng)絡(luò)通信層、管理服務(wù)數(shù)據(jù)融合層和綜合應(yīng)用服務(wù)層等四個層次構(gòu)成。

感知識別層位于物聯(lián)網(wǎng)四層模型中的最底端，是所有上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，同時也是聯(lián)系物理世界和信息世界的紐帶。感知識別層通過傳感節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感節(jié)點的能量供應(yīng)問題是物聯(lián)網(wǎng)的主要瓶頸之一。另外，傳感節(jié)點的動態(tài)接入與退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化，需要有健壯的網(wǎng)絡(luò)模型支持。

網(wǎng)絡(luò)通信層由電磁波為傳導(dǎo)媒體的無線網(wǎng)絡(luò)以及由雙絞線、同軸電纜、光纖構(gòu)成的有線網(wǎng)絡(luò)組成，主要負(fù)責(zé)將傳感器定時采集到的數(shù)據(jù)信息傳遞到中心服務(wù)器上。感知層采集到的數(shù)據(jù)量通常比較龐大（包含了視頻、圖像、聲音等內(nèi)容），另外感知節(jié)點多數(shù)由移動節(jié)點構(gòu)成，由于帶寬受限、節(jié)點移動、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化、路由轉(zhuǎn)發(fā)等因素，容易造成數(shù)據(jù)分組亂序、遲延、丟包等現(xiàn)象，影響著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸不僅需要協(xié)調(diào)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而且需要有一系列可行的協(xié)議規(guī)范。

管理服務(wù)數(shù)據(jù)融合層采用數(shù)據(jù)挖掘、云計算、計算中心等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾從而降低冗余、實現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)定位，合理優(yōu)化。

綜合應(yīng)用服務(wù)層主要為用戶提供與物聯(lián)網(wǎng)的交互接口，滿足用戶需求。

1.2AdHoc網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的適用性分析

AdHoc網(wǎng)絡(luò)中移動裝置體積小、價格便宜、使用方便、功能強大，其節(jié)點擁有主機、天線、路由器三個基本功能，與物聯(lián)網(wǎng)具有相似的網(wǎng)絡(luò)特性和要求：

（1）AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用分布式操作，整個網(wǎng)絡(luò)無中心性，不需要依靠基礎(chǔ)設(shè)施支持和中心管理，每個節(jié)點具有主機和路由功能，節(jié)點不僅可以進(jìn)行運算而且可以根據(jù)路由算法存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。物聯(lián)網(wǎng)中運用了大量的傳感節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)分布同樣無中心性，每個傳感節(jié)點采用分布式操作采集數(shù)據(jù)，通過節(jié)點之間相互協(xié)力完成信息傳遞。

（2）AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點都可在拓?fù)浞秶鷥?nèi)沿著不同的速度和方向自由隨機移動性。整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S機、迅速、不可預(yù)測，并且傳輸由單向鏈和雙向鏈組成。移動性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化性制約了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展，簡單、快速的路由協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供了重要保障。

（3）AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點都可以隨意的進(jìn)入和退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)不會因為某些節(jié)點狀態(tài)而發(fā)生改變。網(wǎng)絡(luò)具有很好的健壯性、和自組織性，在多種的臨時突發(fā)場合都可以運用。

（4）在鏈路和帶寬上，AdHoc網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)都具有鏈路易變、帶寬受限的特性。由于無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常受到信號衰減、噪音干擾、環(huán)境屏蔽等因素影響，所以，無線網(wǎng)絡(luò)具有比特誤碼率較高、帶寬受限、鏈路容量和質(zhì)量波動起伏、網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低等特征。

（5）AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)在民用領(lǐng)域廣泛運用。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要是以手持設(shè)備或者更小的設(shè)備構(gòu)成。小設(shè)備通常受到設(shè)備本身的若干特性限制如：電池能量、設(shè)備處理能力等，所以對協(xié)議設(shè)計優(yōu)化均提出了一定的要求。

（6）AdHoc網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)通信上都采用開放的空中接口，利用電磁波無線傳導(dǎo)媒體傳輸數(shù)據(jù)，在安全性上相比固定網(wǎng)絡(luò)更加容易受到竊聽、欺騙、偽裝、篡改等多種主動式攻擊與被動式攻擊的安全威脅。通常會將一系列鏈路安全技術(shù)運用到無線網(wǎng)絡(luò)中，降低安全威脅。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)以非中心控制方式組網(wǎng)提供了額外的安全強壯性，對抗有基礎(chǔ)設(shè)施支持的中心控制網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點上出現(xiàn)的安全漏洞。

在AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，各種異構(gòu)設(shè)備利用無線通信模塊和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)具有相似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)的一個重要特征是“物品觸網(wǎng)”，每一件物品均具有通信能力，成為帶有計算能力的移動網(wǎng)絡(luò)終端，隨遇裝置、動態(tài)移動的特性決定了使無線網(wǎng)絡(luò)成為其最簡單的互連方式。AdHoc網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)具有諸多相似的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和特征。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及路由等技術(shù)可以廣泛運用于物聯(lián)網(wǎng)的特殊環(huán)境。

2AdHoc網(wǎng)絡(luò)的DSR路由協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)中的運用

2.1AdHoc路由技術(shù)及DSR路由協(xié)議的特征

路由算法選擇直接影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，路由算法應(yīng)盡量簡單，并且能快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，目前AdHoc網(wǎng)絡(luò)中主要有三類路由協(xié)議，即使表驅(qū)動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混和型路由協(xié)議。表驅(qū)動路由協(xié)議又稱先驗式路由協(xié)議，主要包括：序列目的節(jié)點距離矢量路由協(xié)議DSDV，基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浞职l(fā)協(xié)議等。按需路由協(xié)議:又稱反應(yīng)式(Reactive)路由協(xié)議，主要包括：動態(tài)源路由協(xié)議DSR，按需距離矢量路由協(xié)議AODV、基于節(jié)點間相互關(guān)系路由協(xié)議ABR等?；旌托吐酚蓞f(xié)議：該類型是上兩種類型的折衷，在局部范圍內(nèi)使用表驅(qū)動路由協(xié)議，以縮小路由控制消息傳播的范圍。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點較遠(yuǎn)時，通過查找發(fā)現(xiàn)路由，從而減少路由協(xié)議的開銷，改善時延特性?；旌托吐酚蓞f(xié)議主要包括：域路由協(xié)議ZRP，搶先式路由協(xié)議等。

源動態(tài)源路由協(xié)議DSR具有簡單且高效的特點，為AdHoc網(wǎng)絡(luò)提供快速反應(yīng)式服務(wù)，確保節(jié)點在移動或者網(wǎng)絡(luò)狀況發(fā)生變化時都可以成功交付數(shù)據(jù)分組。按需路由協(xié)議DSR由路由尋找和路由維護(hù)兩個主要機制組成。路由尋找機制主要運行于從源節(jié)點到目的節(jié)點的源路由查找過程，并且只有在源節(jié)點需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組給終端目的節(jié)點時，并且還不知道到達(dá)目的節(jié)點的時候才能使用。當(dāng)數(shù)據(jù)分組在路由器之間存儲轉(zhuǎn)發(fā)時，如果探測到路徑上的某個中間路由節(jié)點存在鏈路失敗，該中間路由節(jié)點將為源節(jié)點回傳一個路由錯誤數(shù)據(jù)分組。路由錯誤數(shù)據(jù)分組包含發(fā)生鏈路失敗的兩個端節(jié)點地址。源節(jié)點收到回傳的錯誤數(shù)據(jù)分組時，將根據(jù)錯誤數(shù)據(jù)分組所包含的地址，找到該節(jié)點并且刪除包含該鏈路的路由，從而觸發(fā)新的路由建立過程。

2.2DSR路由技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的仿真實驗

合理有效的路由機制直接影響著物聯(lián)網(wǎng)傳輸性能和運行效率，為完善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供保障。為了進(jìn)一步分析AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及路由協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的適用性本，本節(jié)采用NS仿真的方法，通過一系列的仿真實驗來分析按需路由協(xié)議DSR在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的通信的性能。

2.2.1實驗場景設(shè)計

實驗仿真場景：以局域網(wǎng)通信作為模型，采用1000mX1000m網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶?，?jié)點在拓?fù)鋬?nèi)隨機移動模擬終端主機，因為在物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸主要以流媒體為主，所以采用CBR作為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。建立客戶端服務(wù)器通信模型。每個數(shù)據(jù)分組大小定義為1460字節(jié)，由于無線網(wǎng)卡的功率范圍有限，因此實驗定義無線發(fā)射范圍為400內(nèi)通信。目前在MAC層上采用IEEE802.11g協(xié)議，支持最大帶寬為54Mb/s。每次實驗仿真時間為1200s。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)性能評估參數(shù)選取

在評價網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能時通?？梢圆捎靡幌盗兄笜?biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。由于物聯(lián)網(wǎng)通信最主要的是速度與傳輸率問題,所以實驗采用網(wǎng)絡(luò)分組平均遞交率(PacketDeliveryRate)、端到端的平均時延、(AverageEnd-to-EndDelay)、路由協(xié)議開銷(Overhead)三個主要性能指標(biāo)。

2.2.3仿真結(jié)果分析

本文對節(jié)點在不同移動速度下的通信性能進(jìn)行了分析,得出了如圖1所示的仿真結(jié)果。圖2所示是節(jié)點在不同工作站數(shù)目下的通信性能。具體實驗如下：

實驗1:節(jié)點在不同速度內(nèi)自由移動，測試網(wǎng)絡(luò)通信性能。節(jié)點速度變化分別為2,4,6,…，20m/s，規(guī)模為101，其中1個節(jié)點作為服務(wù)端，100作為工作站并發(fā)訪問同一個服務(wù)端。其仿真結(jié)果如圖1所示。其中，圖1(a)反映節(jié)點移動速度變化與數(shù)據(jù)分組平均遞交率的關(guān)系。圖1(b)反映節(jié)點移動速度變化與端到端平均時延的關(guān)系。圖1(c)反映節(jié)點移動速度變化和路由開銷關(guān)系。

實驗2:節(jié)點在不同工作站數(shù)目下的通信性能。1個節(jié)點作為為服務(wù)器，10,20,…，100。工作站節(jié)點并發(fā)訪問同一服務(wù)端。實驗結(jié)果如圖2所示。其中圖2(a)反映節(jié)點數(shù)目變化與吞吐量的關(guān)系。圖2(b)反映節(jié)點數(shù)目變化與端到端平均時延的關(guān)系。圖2(c)反映節(jié)點數(shù)目變化與路由開銷的關(guān)系。

從實驗結(jié)果可知：隨著節(jié)點移動速度以及節(jié)點數(shù)目不斷增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲墟溌纷兓玩溌分袛鄬⒚黠@加快，按需路由協(xié)議DSR為網(wǎng)絡(luò)快速適應(yīng)機制，每個節(jié)點都擁有快速獲取到達(dá)新目的節(jié)點的路由能力，并且開環(huán)式操作快速收斂，可以有效避免Bellman-Ford問題，因此網(wǎng)絡(luò)具有較高分組平均遞交率。平均分組遞交率為節(jié)點單位時間內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)與源節(jié)點單位時間內(nèi)發(fā)出的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比。平均分組遞交率越高其網(wǎng)絡(luò)傳輸越可靠。另外，隨著移動速度和節(jié)點數(shù)目不斷增加，節(jié)點保持著較低的端到端的平均時延和較少的網(wǎng)絡(luò)路由開銷。只有當(dāng)移動節(jié)點快速移動或規(guī)模增加較大時，端到端的平均時延才增大明顯。平均時延包含從源節(jié)點到達(dá)目的節(jié)點的平均時延，由節(jié)點處理時延，數(shù)據(jù)發(fā)送時延，信號傳播時延以及路由選擇和排隊等待時延所構(gòu)成；路由開銷是網(wǎng)絡(luò)性能重要指標(biāo)，發(fā)送大量路由分組的協(xié)議將增大網(wǎng)絡(luò)擁塞的概率,并且會延遲接口隊列中數(shù)據(jù)包的發(fā)送。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時后，路由控制開銷會和節(jié)點數(shù)目成正比增加，但由于DSR路由協(xié)議采用按需機制，因此路由開銷相對增加較少。

3結(jié)語

對物聯(lián)網(wǎng)和移動自組織AdHoc網(wǎng)絡(luò)特點對比分析,兩個網(wǎng)絡(luò)具有相似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)提供了合理的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。與此同時，合理高效的路由機制和簡單的路由算法保證著物聯(lián)網(wǎng)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為了論證AdHoc中的按需路由協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)通信過程中的適用性，我們采用了仿真實驗的方法模擬物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通信場景。通過實驗結(jié)果分析可知：物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點在拓?fù)浞秶杂梢苿?、隨機通信，采用DSR路由協(xié)議，當(dāng)節(jié)點高速移動或網(wǎng)絡(luò)用戶節(jié)點數(shù)增加時，網(wǎng)絡(luò)仍保持著較高的分組遞交率、較低的網(wǎng)絡(luò)遲延和路由開銷。按需路由協(xié)議DSR不僅可以適應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而且當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點移動速度較快、規(guī)模較大時同樣能提供較好的網(wǎng)絡(luò)通信性能。

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