移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)基于路由協(xié)議的擁塞控制

摘 要： 為解決Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的AODV路由協(xié)議在通信過程中存在的擁塞問題，提出了改進AODV路由協(xié)議的思想。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)鏈路擁塞度的大小采取不同措施和節(jié)點路由，建立不相關(guān)多徑路由分流以避免擁塞。仿真結(jié)果表明，改進后的路由協(xié)議有效地減少了發(fā)生擁塞的幾率，從而提高了移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能。
關(guān)鍵詞： Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；鏈路擁塞

移動自組網(wǎng)MANET(Mobile Ad Hoc Network)[1]是由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成的一個多跳、臨時性無中心的網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施,網(wǎng)中的每個終端都可以自由移動、自由加入和退出網(wǎng)絡(luò)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地位相等。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有很高的靈活性，可以廣泛應(yīng)用于不易建立基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境，如地震后的緊急搜救、軍用戰(zhàn)術(shù)環(huán)境和民用應(yīng)急通信。與單跳的無線網(wǎng)路不同，移動自組網(wǎng)的節(jié)點之間通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制進行數(shù)據(jù)通信，需要中間節(jié)點進行分組轉(zhuǎn)發(fā)決策。
移動自組網(wǎng)路由協(xié)議的多數(shù)路由協(xié)議以單徑路由算法為基礎(chǔ)，而且在路由選擇時以跳數(shù)最少(或稱為路徑最短)作為選擇標準，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。由于一條路徑的帶寬有限，當很多節(jié)點都選擇跳數(shù)最少路徑作為路由路徑時，骨干節(jié)點連接繁忙，從而造成端到端時延和丟包率增大，網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響網(wǎng)絡(luò)整體性能[2]，而且擁塞引起的路由控制消息丟失會觸發(fā)更多的路由請求和路由回復，從而加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞。
1 AODV路由協(xié)議
網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信最關(guān)鍵和最核心的問題。目前比較成熟透明的按需距離矢量路由AODV(Ad Hoc on-Demand Distance Vector Routing)[3]基于傳統(tǒng)的距離向量路由機制，具有簡單易實現(xiàn)、防止循環(huán)發(fā)生、支持中間節(jié)點應(yīng)答等優(yōu)點，但也存在一定不足：每次由源節(jié)點發(fā)起路由請求均只得到一條路由、中間節(jié)點的應(yīng)答路由可能過時等。在AODV協(xié)議的仿真實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)負荷的增加，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)局部擁塞，吞吐率下降很快。網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點負荷很大，而節(jié)點的鏈路帶寬和處理能力有限，當數(shù)據(jù)到達速率超過節(jié)點處理能力時，數(shù)據(jù)將阻塞在這些節(jié)點中等待傳輸。一旦這種狀況持續(xù)一段時間，節(jié)點緩沖區(qū)會很快溢出，從而造成數(shù)據(jù)分組丟失。而源節(jié)點因在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到確認而選擇重傳，這又將進一步加劇該路徑節(jié)點的擁塞，導致這些節(jié)點成為影響網(wǎng)絡(luò)效率的瓶頸[4]。
為了緩解擁塞對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，提出一種基于AODV路由協(xié)議，能夠緩解鏈路擁塞的路由算法LC-AODV。在擁塞節(jié)點的上游節(jié)點處建立能繞過擁塞節(jié)點的旁路，在網(wǎng)絡(luò)工作路由處于堵塞情況時啟動備份路由分流，從而避免擁塞的發(fā)生。
2 LC-AODV路由協(xié)議
2.1 AODV路由協(xié)議的修改
在AODV路由協(xié)議中，路由查找過程只建立一條從源節(jié)點到目的節(jié)點的跳數(shù)最少、距離最短的路由。為了緩解擁塞，在一次尋找路由過程中建立多條節(jié)點不相關(guān)路由，并在路由尋找過程中加入鏈路擁塞度。
定義1：節(jié)點不相關(guān)路由，指所建多條路由中，任何兩條路徑除了源節(jié)點和目的節(jié)點外，其他節(jié)點都不共用。
定義2：鏈路擁塞度，描述本節(jié)點與下一跳鄰居節(jié)點的擁塞狀態(tài)，取值為下一跳節(jié)點的MAC層接口緩存隊列中剩余空間占總隊列的比率。
具體修改操作如下：
(1)在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對路由請求RREQ和路由應(yīng)答RREP控制包分別增加一個條目——鏈路擁塞度。在源節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，發(fā)送路由請求RREQ消息，當RREQ報文按照不同的路徑到達目的節(jié)點時，目的節(jié)點不是簡單地只處理第一個到達的RREQ，對此后到達的RREQ回復相同的RREP，并建立源節(jié)點到目的節(jié)點的備份路由。
(2)在路由維護階段，周期性地傳輸Hello報文以確保鏈路的連接。但是在LC-AODV路由協(xié)議中，同樣在Hello消息中增加鏈路擁塞度這一條目，檢測該節(jié)點與鄰居節(jié)點之間鏈路的擁塞度，并加以動態(tài)調(diào)整。
2.2 擁塞狀態(tài)檢測
在進行數(shù)據(jù)傳輸過程中，當傳到一個節(jié)點的包個數(shù)超過它的處理能力時，節(jié)點就會變得擁塞，由于節(jié)點隊列長度有限，故包會根據(jù)隊列類型的方式開始丟棄，用R來表示定義2描述的鏈路擁塞程度[5]。根據(jù)R值的不同，設(shè)定三種擁塞狀態(tài)。根據(jù)式(1)的劃分，LCD為0時表示鏈路不擁塞，顯示為綠色狀態(tài)；LCD為1時表示鏈路出現(xiàn)擁塞，但是不是很嚴重，顯示為黃色狀態(tài)；LCD為2時，鏈路出現(xiàn)嚴重擁塞，顯示為紅色狀態(tài)。

2.3 LC-AODV工作原理
搭建一個移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，S為源節(jié)點，D為目的節(jié)點，其他為中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。當源節(jié)點有數(shù)據(jù)要向目的節(jié)點傳輸，而且S節(jié)點中沒有到目的節(jié)點的路由時，需要建立路由。源節(jié)點廣播路由請求RREQ，假設(shè)在路由建立過程中，找到了兩條路由分別為路由1：S-3-4-5-D和路由2：S-1-2-D。路由1先返回路由應(yīng)答，則路由2作為備份路由存在于網(wǎng)絡(luò)中。當數(shù)據(jù)開始傳輸一段時間后，節(jié)點3到節(jié)點4之間發(fā)生路由擁塞，則節(jié)點3啟動局部修復，發(fā)現(xiàn)可通過節(jié)點6到達目的節(jié)點，則產(chǎn)生路由S-3-6-5-D，因為通過節(jié)點6進行傳輸時，鏈路有輕微擁塞，則向上游節(jié)點通知備份路由，隨時準備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果修復不成功，則直接啟動備份路由2進行數(shù)據(jù)傳輸。當所有路由都失效的情況下，源節(jié)點重新啟動路由請求過程。

2.4 鄰居擁塞表
每個節(jié)點維護一個鄰居擁塞表，記錄本節(jié)點所有鄰居節(jié)點(除去上一跳節(jié)點)的擁塞狀態(tài)。例如在表1中，對于節(jié)點S而言，LCDs1的值為0。

3 實驗仿真及結(jié)果分析
實驗采用NS2[6]模擬平臺進行模擬，將LC-AODV算法與AODV在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和高負載特性下進行仿真和性能對比分析，以便有效評價本算法的性能。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計為50個移動節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型，各節(jié)點隨機分布在1 200 m×1 000 m的平面矩形區(qū)域，每一個節(jié)點的最大傳輸范圍為250 m，隨機任意方向運動(Random Way Point) ，節(jié)點停留時間為0 s，實驗模擬時間500 s，運動最大速率為40 m/s，連接為20個CBR，大小為512 B數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流為3 packets/s，最大連接數(shù)為20。物理層選用TwoRayGround無線傳播模型，MAC層采用802.11b DCF協(xié)議。仿真過程如圖2所示。通過數(shù)據(jù)包的成功傳輸率和平均端到端傳輸延遲2個指標來比較。

3.1 數(shù)據(jù)包的成功傳遞率
數(shù)據(jù)包遞交率：目的節(jié)點收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)的比率。仿真結(jié)果如圖3所示。LC-AODV的正確傳輸率比AODV更高，因為采取抗擁塞措施，節(jié)點丟失包的幾率就會降低，導致到達目的節(jié)點的數(shù)據(jù)包增加。當節(jié)點移動速度不快時，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點位置變化不大，即拓撲結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的正確傳遞率都處于高水平，但是隨著節(jié)點移動速度增大，數(shù)據(jù)包丟失增多，網(wǎng)絡(luò)整體性能下降。而且隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化的加快，兩種路由協(xié)議之間的差距在慢慢變小，這是因為改進后的路由協(xié)議在拓撲結(jié)構(gòu)變化比較快時，路由經(jīng)常失效，抗擁塞措施作用有所下降。
3.2 平均端到端延遲
傳輸數(shù)據(jù)包所需的總延遲包括緩存數(shù)據(jù)包、新路由發(fā)現(xiàn)、在隊列中排隊、MAC層重傳、發(fā)送和傳播所用的時延總和。仿真結(jié)果如圖4所示。整體而言，LC-AODV的性能優(yōu)于AODV路由協(xié)議，這是因為采取了抗擁塞措施，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候選擇擁塞度低的鏈路，而且在傳輸過程中若遇到擁塞會及時地進行鏈路轉(zhuǎn)移，使得傳輸更為順暢。而且在節(jié)點移動速度較小時，拓撲變化較小，備份路由存在時間長，導致備份路由在節(jié)點移動速度低時較節(jié)點移動速度快時的利用率更高，從而速度低時兩路由協(xié)議的延遲差距更小。

本文針對移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)高負載情況下網(wǎng)絡(luò)路由不能很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的問題，提出了一種抗擁塞的改進AODV路由協(xié)議。改進的LC-AODV協(xié)議是一個適用于動態(tài)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的擁塞適應(yīng)路由協(xié)議。利用鄰居擁塞表，節(jié)點能即時感知與鄰居之間的網(wǎng)絡(luò)擁塞度，并根據(jù)擁塞等級采取不同的策略，通過備份路由來快速重新傳輸數(shù)據(jù)。結(jié)果證明改進后的路由協(xié)議可以緩解網(wǎng)絡(luò)的負載，提高了數(shù)據(jù)包正確傳輸率并降低端到端平均延遲。
參考文獻
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