移动自组网多路径优化路由算法的研究

王勇智,谭用秋,石炎生

(湖南理工学院 计算机学院,湖南 岳阳 414006)

移动自组网络(Mobile Ad Hoc Network,简称MANET)是一种由多个可同时扮演终端和路由器的移动节点组成的分布式多跳网络,网络拓扑变化频繁,节点一般由电池供电,容易因为某些节点负载过重、能量迅速消耗而造成链路断裂.因此,在设计MANET路由算法时要充分考虑各节点的负载均衡[1].近年来,多路径路由技术已经成为MANET的热点研究问题之一[2].

AOMDV (Ad Hoc On-demand Multi-path Distance Vector)[3]是一种目前被广为研究的按需多路径单播路由协议.AOMDV协议的中间节点只转发第一次收到的路由请求RREQ,限制了在全网范围的路由泛洪,减少了网络开销,同时源节点和目的节点之间拥有多条可用的完整路径,能有效地提高网络性能.然而,AOMDV的路由发现机制,在于选取多条跳数最少的链路不相交路径,没有考虑节点的流量均衡,会将流量主要分布在主路径中,仅当主路径中断时,才会转移到备用路径,难以达到负载均衡的目的[4].在拓扑变化频繁、带宽受限且连接中断率高的MANET中,这种选路机制易引起局部节点的拥塞,造成路由信息丢失、路由请求频繁、链路过早断裂等问题.

基于以上的考虑,我们从负载均衡出发,对AOMDV算法的路径进行优化,提出一种基于带宽和拥塞度约束的移动自组网多路径优化路由算法,以带宽和节点拥塞度作为两个路由约束条件,在路由寻找和路由选择上对多路径进行分步优化.

1 基于带宽和拥塞度约束的多路径优化路由算法

1.1 多约束QoS参数模型的建立

无线自组网络的拓扑可抽象成带权有向图 G ( V,E),其中V 为节点集合,E 为单跳通信链路集合.对于一条可行路径 p = { v1,v2,…,vn},路径跳数为n,假设路径p的QoS参数取路径时延、带宽以及链路的拥塞度.根据文献[5]提出的QoS参数凹性特征,路径带宽和时延可分别定义为:

链路拥塞度可以定义为:

其中Fk(p)表示路径p上优先级为k的业务流拥塞度;C( p)表示路径p上被占用的通道数;Ek(p)表示k优先级业务在链路p中所占缓存比率.

我们通过更改AOMDV的路由表项,在缓冲区中加入不同业务的优先级队列(如图1所示),在缓冲区中严格按照优先级排列.

图1 业务流在路由缓冲区中的优先级队列

对于新到达的k优先级流,只能占用优先级比其低的分组缓冲区.有:

而对于可行路径p中所有的业务优先级,则有:

引入优先级的目的是为了保证不同类型业务流的优先等级,既能提供高等级业务的优先服务,又能使网络拥塞得到缓解.

1.2 多路径路由下的多目标优化建模

参照文献[6]提出的路径优先函数,综合考虑本算法的路径时延、带宽以及链路的拥塞度约束,建立路径优先函数:

其中Bmin为算法提供的能容忍的最小带宽;Delaymax为路径允许的最大时延;F( p)为链路的拥塞度;Congestion为拥塞度阈值;α、β、γ 分别是上述3种QoS约束的权重因子,满足α+β+γ= 1 .

为了节省路径计算带来的网络开销,AOMDV一般只选择两条独立无环路由来交替发送数据.在建立反向路由和前向多路径路由的基础上,首先通过 AOMDV在一次路由发现中获取多条独立无环路径,然后由算法根据多约束路由进行路径优化,从中选择两条满足约束条件的路径进行通信.多约束优化的路径集P的目标函数可以定义为:

其中vsn为源节点,sink为目标节点.对于任一条路径,必须保证路径带宽不小于Bmin,时延不大于Delaymax,拥塞度不大于Congestion.通过多约束优化,可以求得二条最优路径,使其路径优先级的函数值之和最大,并且路径集相似度最小.

1.3 路由的发现、维护与更新

当一个优先级为k的业务流到达时,源节点首先将数据包存入缓存,生成路由请求RREQ,RREQ中包含节点ID以及剩余带宽、链路拥塞度等信息,RREQ被广播到邻居节点,并由中间节点记录多条到源节点的反向路由.当目的节点收到RREQ包后,在其路由表中先记录下到源节点的反向路由,然后由目的节点向源节点发送路由回复RREP,生成的RREP中包含有RREQ包中的完整路由信息.当RREP包到达源节点,源节点将根据路由表项中多径路由列表选择一条路由(主路由)来发送数据.路径上的各个节点通过发送Hello包(未被请求的RREP包)来维护与其相邻节点间的连通,并根据生存时间和序列号来保证最新的路由信息.这样生成的多条路径满足多约束优化的路径集目标函数,虽然不一定是跳数最少的最短路径,但是能够主动避开拥塞度较大的节点,将部分流量映射到其它负荷较轻的链路,有利于网络资源的优化.

当到达目的节点的主路由失效后,由目的节点通过反向路由单播出错信息包RERR给各中间节点和源节点,源节点在发送下一分组时,并不将失效的主路由删除,而是将当前主路径变为备用路径,另选一条备用路径作为主路由交替发送数据.只有当两条路径都失效时,才发起新一轮路由请求重新搜索路径.这样,较好地继承AOMDV的多路径路由的优点,又能进一步降低路由泛洪带来的控制开销,从而能在一定程度上实现负载均衡.

2 仿真实验与比较

我们在NS2下创建如表1所示仿真环境,从网络生存期与归一化路由开销二个方面分别对本文算法与 AOMDV算法进行仿真测试.仿真创建30个CBR数据源,每个CBR源每秒产生2个512B的CBR分组,仿真时间500s,仿真性能指标的结果取5次模拟的平均值.

表1 仿真参数

2.1 网络生存期测试

网络生存期反映网络节点的存活率以及链路的稳定性.从图2可以看出,改进算法由于采取了多约束的QoS路由,能根据节点的拥塞程度分配流量,减少了控制和数据重传所带来的开销,能缓解网络拥塞,网络出现死亡节点的时间明显滞后于AOMDV,并且相同的轮次(Round)下,有更多的存活节点.但是,随着轮次的增大,网络负载越来越重,失效的节点大大增多,导致可选路径越来越少,备用路径不可靠几率变大,两种方法的路由请求RREQ次数会越来越接近,相差的轮次也在逐渐减少.

图2 不同负载下的网络生存期比较

2.2 归一化路由开销测试

归一化路由开销即每发送一个数据分组所需要的用于路由发现和路由维护的控制分组数,其值越大则意味着拥塞的概率也越高.图 3表示了在不同节点速率下的归一化路由开销.可以看出,在节点速率较低(停留时间长)的情况下,改进算法的归一化路由开销略低于AOMDV 算法.因为在备用链路比较稳定的情况下,由于采用了能量均衡策略缓解了链路拥塞,并且通过改进的主备路由切换机制能进一步减少全网路由发现次数,从而能降低路由发现所带来的控制开销.

图3 不同速率下归一化路由开销的比较

3 结论

我们针对 AOMDV多路径路由协议没考虑路径流量平衡的不足,提出了一种基于带宽与链路拥塞度约束的多路径优化路由策略.仿真实验结果表明,能在特定的移动自组网络环境中起到延长节点寿命、降低路由开销的作用.

[1] 夏皓伟,王国军,谢永明.移动自组网中的分段式负载均衡路由协议[J].计算机工程,2010,36(4):93～96

[2] 安辉耀,卢锡城.移动自主网络多路径路由技术研究进展[J].计算机工程与科学,2006,28(2):4～9

[3] Yuan Yuhua,Chen Huimin,Jia Min.An optimized Ad hoc on-demand multipath distance vector (AOMDV)routing protocol[C].Asia-Pacific Conference on Communications,2005:569～573

[4] 胡 平,张金钟.基于能量均衡的AOMDV路由协议的改进[J].计算机工程与设计,2011,32(9):2976～2979

[5] Wang Z,Crowcroft J.Quality-of-Service routing for supporting multimedia applications [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1996,14(7):1228～1234

[6] 曹 啸,王汝传,黄海平,等.无线多媒体传感器网络视频流多路径路由算法[J].软件学报,2012,23(1):108～121