摘 要： 提出了一種基于負載均衡的DYMO路由協(xié)議改進，通過仿真證明改進的DYMO路由協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡的優(yōu)化，增加了移動自組網(wǎng)的性能。
關鍵詞： 移動自組網(wǎng)；Ad Hoc路由協(xié)議；DYMO
移動自組網(wǎng)MANET（Mobile Ad Hoc Networks）是由若干移動節(jié)點自行組成的網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡沒有固定的基礎設施，每個節(jié)點都可以自由地移動、加入以及退出網(wǎng)絡。移動自組網(wǎng)的研究最初是以一個獨立網(wǎng)絡存在的，隨著近年來移動自組網(wǎng)研究的不斷深入以及固定接入網(wǎng)的普及，實現(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡與接入網(wǎng)技術的結(jié)合成為了移動自組網(wǎng)的一個重要研究方向。
移動自組網(wǎng)中的路由協(xié)議分為兩大類。一是先驗式路由協(xié)議，又稱為表驅(qū)動路由協(xié)議，這類協(xié)議類似于固定網(wǎng)絡的路由協(xié)議，在任何情況下，無論是否傳輸數(shù)據(jù)，每個節(jié)點都必須維護一張整個網(wǎng)絡的路由表。二是后驗式路由協(xié)議，又稱為按需路由協(xié)議，這類路由協(xié)議是基于移動自組網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲不斷變化特性而研究出的。DYMO是最新的按需路由協(xié)議，由IETF的移動自組網(wǎng)工作組提出，是AODV路由協(xié)議的后繼協(xié)議，大量繼承了AODV路由協(xié)議的方法和機制，并且包含了一些DSR路由協(xié)議的特性。
本文針對DYMO路由協(xié)議和接入網(wǎng)的結(jié)合，提出了基于網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)以及網(wǎng)關負載均衡算法的改進LB-DYMO路由協(xié)議，使得網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點能夠有效地分擔流量和能耗，延長節(jié)點存活時間。并通過仿真驗證LB-DYMO路由協(xié)議能更好地與接入網(wǎng)結(jié)合。
1 DYMO路由協(xié)議
DYMO路由協(xié)議的基本操作分為路由發(fā)現(xiàn)和路由維護兩個階段。
在DYMO路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)階段，當源節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到目標節(jié)點時會先查找源節(jié)點內(nèi)部的路由表，如果不存在目的節(jié)點的路由條目，源節(jié)點就先緩存要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后開啟一個路由發(fā)現(xiàn)進程。首先，源節(jié)點廣播發(fā)送一個路由查詢包（RREQ）到它所有的鄰居節(jié)點，這些鄰居節(jié)點收到了RREQ后再查找它們內(nèi)部的路由表，如果還是沒有目的節(jié)點的路由條目，則這些鄰居節(jié)點繼續(xù)向它們的鄰居轉(zhuǎn)發(fā)這個RREQ包直到目的節(jié)點收到為止。DYMO包含了源動態(tài)DSR路由協(xié)議的特性，在RREQ包轉(zhuǎn)發(fā)的過程中加入了中間節(jié)點的節(jié)點信息。當RREQ包到達目的節(jié)點時，目的節(jié)點會往源節(jié)點地址單播發(fā)送一個路由回應（RREP）包。源節(jié)點收到這個RREP包時，源節(jié)點與目的節(jié)點之間的路由便建立起來了。
路由維護階段分為兩個部分。當一個活躍的節(jié)點檢測到其某條鄰接的鏈路斷裂時，這個節(jié)點就會發(fā)出一個路由錯誤（RRER）包來表示這條路由已經(jīng)破損且目標節(jié)點不可達。在更新路由條目時，DYMO路由協(xié)議使用序列號來檢查條目的時效性，序列號數(shù)值越大則表明時效性越高，每個節(jié)點內(nèi)都保存其自身的序列號用來維持這個序列號機制，該機制能很好地保證路由無環(huán)。
2 改進的LB-DYMO路由協(xié)議設計
為了提高DYMO與接入網(wǎng)鏈接的效率，本文提出一種基于負載均衡算法的LB-DYMO路由協(xié)議。
2.1 基本思想
2.1.1網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)
為了實現(xiàn)自組網(wǎng)與有限接入網(wǎng)的結(jié)合，路由協(xié)議必須具備網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)的能力。整個自組網(wǎng)絡至少需要一個連接外網(wǎng)的節(jié)點作為網(wǎng)關，這樣才能使網(wǎng)絡中的各個節(jié)點實現(xiàn)與Internet互聯(lián)。在移動自組網(wǎng)拓撲高度動態(tài)變化的環(huán)境下，能夠高效地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關并不容易。
網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)算法可以分為主動式和被動式兩大類，改進的LB-DYMO采用被動式網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)算法。由于DYMO路由協(xié)議本身是一個被動式路由發(fā)現(xiàn)的路由協(xié)議，因此被動式的網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)算法的應用能起到更好的效果。為了實現(xiàn)被動路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)，可以在路由協(xié)議的路由回應階段RREP包中加入IGW（網(wǎng)關）字段，表明該節(jié)點為網(wǎng)關。新的RREP格式如圖1所示，新加入的IGW字段利用了原來RREP報文所設置的保留位（Rsv）。
2.1.2 Load-balance（負載均衡）算法實現(xiàn)機制
在LB-DYMO路由協(xié)議的網(wǎng)關發(fā)現(xiàn)過程之后，由于移動自組網(wǎng)的特性，網(wǎng)絡中可能存在多個網(wǎng)關。簡單地選取一條跳數(shù)最短的路由并不一定是最合適的路由。在多網(wǎng)關的移動自組網(wǎng)環(huán)境下，采用負載均衡算法不但能夠使得數(shù)據(jù)流避開帶寬較小的網(wǎng)關，選擇阻塞較小的網(wǎng)關，還能均衡各個節(jié)點的業(yè)務流量以及能耗。
2.2 實現(xiàn)方案
路由發(fā)現(xiàn)階段：LB-DYMO和DYMO使用同樣的方法，如果發(fā)現(xiàn)到達目的地址在源節(jié)點的路由表中找不到對應路由，那么源節(jié)點就會廣播發(fā)送RREQ包至所有鄰居節(jié)點。
路由回復階段：當源節(jié)點所要到達的目的地址不存在于整個自組網(wǎng)中，那么LB-DYMO的被動網(wǎng)關發(fā)送算法就會被觸發(fā)。IGW收到通往外網(wǎng)網(wǎng)段的RREQ查詢包后，會在RREP包后加入IGW字段，表明本節(jié)點為網(wǎng)關。同時在RREP包按原路徑返回源節(jié)點時，還會綜合計算整個鏈路上的負載以及帶寬。在多網(wǎng)關的情況下，源節(jié)點會收到多個RREP包用來告知源節(jié)點有多條通往目的地址的路由存在。LB-DYMO通過RREP包返回時計算出的鏈路MetricGW值選擇合適的網(wǎng)關，在源節(jié)點的路由表中寫一條通往外網(wǎng)的默認IGW，暫時未使用到的IGW會在路由表的默認路由下寫為備份IGW。默認網(wǎng)關的使用會分配GWtmin和GWtmax。分別表示默認網(wǎng)關的最小生存以及最大生存時間。
路由維護階段：一旦默認IGW的使用時間到達了最大生存時間，LB-DYMO則會實行新一輪的路由發(fā)現(xiàn)策略，目的地為前默認IGW節(jié)點以及各個備份IGW節(jié)點，然后通過收到的RREP包得到最新的鏈路MetricGW值，權(quán)衡之后再選出新的默認IGW節(jié)點。
3 仿真結(jié)果及分析
本文仿真采用NS2網(wǎng)絡仿真模擬軟件，設計的仿真場景為1 500 m×1 500 m，節(jié)點數(shù)量為100個的矩形區(qū)域，仿真時間為300 s。NS2中選擇的節(jié)點運動模式為Random waypoint，MAC層采用IEEE 802.11介質(zhì)訪問控制協(xié)議。傳輸層采用UDP協(xié)議，應用層發(fā)送包大小為512 B的恒定比特率（CBR）數(shù)據(jù)流，整個自組網(wǎng)絡中的IGW數(shù)量為3。
實驗結(jié)果如圖2~圖4所示，圖2和圖3顯示的是數(shù)據(jù)包傳輸速率在5~40 packet/s情況下，LB-DYMO與DYMO的端到端時延與歸一化路由開銷比較。由圖可知，LB-DYMO的路由開銷和時延都在一定程度上比DYMO高，這是由于LB-DYMO在路由回應以及路由維護階段均比DYMO復雜。圖4顯示的是在不同數(shù)據(jù)包傳輸速率下，LB-DYMO與DYMO分組投遞率的比較。由圖可知，加入了負載均衡算法的LB-DYMO的表現(xiàn)比DYMO有一定提高。
本文在DYMO路由協(xié)議的基礎上進行了改進，根據(jù)各自的MetriGW值來選擇不同路徑到達不同的網(wǎng)關實現(xiàn)負載均衡。仿真結(jié)果表明，LB-DYMO的分組投遞率較DYMO有一定程度的提高，但是由于協(xié)議復雜度的增加，路由開銷和端到端延時也相應增加。今后的工作將是研究如何能進一步提高LB-DYMO路由協(xié)議的各項性能，以及如何從理論出發(fā)更好地實現(xiàn)自組網(wǎng)的網(wǎng)關負載均衡。
參考文獻
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