摘  要： AODV路由協(xié)議每次在源節(jié)點(diǎn)只建立一條通向目的節(jié)點(diǎn)的路由，未能充分利用從中間節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)返回的路由應(yīng)答信息，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一個(gè)改進(jìn)的方法。在源節(jié)點(diǎn)處建立一條主路由的基礎(chǔ)上，利用路由應(yīng)答信息，建立一條備份路由，并且每次將最優(yōu)的設(shè)為主路由，次優(yōu)的設(shè)為備份路由。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的協(xié)議和原協(xié)議相比，降低了端到端的延時(shí)，提高了包投遞率

　　關(guān)鍵詞： Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；AODV協(xié)議；備份路由

　　移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET（Mobile Ad Hoc Network）是一種移動(dòng)、自組織的系統(tǒng)。MANET是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以作為主機(jī)，也可以作為路由器，數(shù)據(jù)包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)。由于它組網(wǎng)靈活、不依賴于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在軍事和緊急救援領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為3大類，表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議有OLSR、WRP、DSDV[1]，按需路由協(xié)議有AODV[2]、DSR，基于約束的路由協(xié)議有ABR、LAR。

　　AODV是一種按需路由協(xié)議，并已經(jīng)成為IETF的標(biāo)準(zhǔn)化路由協(xié)議。它的主要特點(diǎn)是使用序列號(hào)來(lái)表示一條路由的新舊程度，同時(shí)用來(lái)避免出現(xiàn)路由環(huán)路，AODV主要有路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過(guò)程。

　　本文針對(duì)AODV路由協(xié)議出現(xiàn)鏈路斷開時(shí)只能通過(guò)本地修復(fù)機(jī)制來(lái)進(jìn)行鏈路修復(fù)的不足，利用從中間節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)返回的路由應(yīng)答信息，在建立一條主路由的基礎(chǔ)上，再建立一條備份路由，并且每次將最優(yōu)的設(shè)為主路由，次優(yōu)的設(shè)為備份路由，使得出現(xiàn)鏈路斷開的上游節(jié)點(diǎn)能夠利用備份路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，有效地降低了時(shí)延和提高了分組投遞率，通過(guò)仿真軟件NS2驗(yàn)證了改進(jìn)后的協(xié)議具有更好的性能。

1 AODV路由協(xié)議概述

　　1.1 路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程

　　當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ，并向鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，進(jìn)行泛洪路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程[3]。

　　中間節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求之后，首先根據(jù)RREQ中的廣播號(hào)判斷是否是已經(jīng)處理過(guò)的RREQ，如果是，則丟棄；如果是新收到的RREQ，就建立或者更新到源節(jié)點(diǎn)的反向路由，使得反向路由表中到源節(jié)點(diǎn)的路由序列號(hào)大于RREQ中的序列號(hào)或者序列號(hào)相同并且有更少的跳數(shù)。然后查找路由表，如果沒(méi)有到目的節(jié)點(diǎn)的積極路由，就繼續(xù)廣播RREQ，如果有到目的節(jié)點(diǎn)的積極路由，并且路由中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)大于或者等于RREQ中的序列號(hào)，就沿著反向路由向源節(jié)點(diǎn)單播路由應(yīng)答RREP。

　　目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，不再?gòu)V播，建立反向路由，產(chǎn)生一個(gè)含有最新序列號(hào)的路由應(yīng)答RREP，沿反向路由向源節(jié)點(diǎn)單播。中間節(jié)點(diǎn)收到RREP后，建立到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由，并更新路由信息。源節(jié)點(diǎn)收到RREP后，建立到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由，并開始向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

　　路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。如果節(jié)點(diǎn)S需要對(duì)節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)S沒(méi)有到節(jié)點(diǎn)D的積極路由，節(jié)點(diǎn)S廣播一個(gè)路由請(qǐng)求RREQ。節(jié)點(diǎn)1收到RREQ，假設(shè)其沒(méi)有到節(jié)點(diǎn)D的積極路由，節(jié)點(diǎn)1會(huì)繼續(xù)廣播此RREQ。假設(shè)節(jié)點(diǎn)2中有一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)D的積極路由，節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4中沒(méi)有到節(jié)點(diǎn)D的積極路由。最終節(jié)點(diǎn)S將會(huì)先后收到由節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)D分別發(fā)送的包含S-1-2-D和S-3-4-D的路由應(yīng)答RREP，由于節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的RREP具有更高的序列號(hào)，所以路由S-1-2-D將被丟棄，即使這條路由也是有效的。這樣當(dāng)節(jié)點(diǎn)S與節(jié)點(diǎn)3鏈路斷開，節(jié)點(diǎn)S進(jìn)行鏈路失效處理時(shí)就無(wú)法使用路由S-1-2-D，而可能進(jìn)行局部修復(fù)，從而造成了延時(shí)。設(shè)想如果能將S-1-2-D路由作為備份加以保留，那么在S-3-4-D路由斷裂時(shí)，就可以轉(zhuǎn)換到使用備份路由上來(lái)。

　　1.2 路由維護(hù)

　　路由維護(hù)[4]可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)因移動(dòng)或其他原因而引起的鏈路斷開，每個(gè)包含路由的節(jié)點(diǎn)，周期地廣播HELLO消息，并且TTL值為1，因此只能與其相鄰節(jié)點(diǎn)傳播。一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到HELLO消息便知道自己與鄰節(jié)點(diǎn)保持連接，如果在一定時(shí)間內(nèi)收不到HELLO消息，則進(jìn)行鏈路失效的處理。如果鏈路斷開處離目的節(jié)點(diǎn)較近，將進(jìn)行鏈路的局部修復(fù)，即由鏈路斷開處的上游節(jié)點(diǎn)發(fā)起到目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。如果在給定的時(shí)間內(nèi)重新建立起有效的路由，就繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；如果未能成功建立，則向上游發(fā)送RERR。如果鏈路斷開處離目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，則不進(jìn)行局部修復(fù)，直接將路由設(shè)為失效狀態(tài)，并向上游發(fā)送RERR。設(shè)想如果有一條備份路由存在于鏈路斷開處離目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，就可以直接使用備份路由而不必進(jìn)行泛洪路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

2 基于備份路由的改進(jìn)方法

　　對(duì)AODV路由協(xié)議的分析表明，源節(jié)點(diǎn)接收到路由應(yīng)答RREP后，將序列號(hào)最大或者序列號(hào)相同且有較少的跳數(shù)作為判據(jù)，因此只保留了一條到目的節(jié)點(diǎn)的路由，如果這條路由失效，就會(huì)重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，從而增大了網(wǎng)絡(luò)的開銷。為了充分利用源節(jié)點(diǎn)接收到的路由應(yīng)答信息，同時(shí)又能避免路由環(huán)路的出現(xiàn)[5]，對(duì)AODV協(xié)議作了改進(jìn)。

　　在路由表項(xiàng)中添加標(biāo)記主路由或備份路由的主/備份標(biāo)志位，并且初始化為0，表示主路由（1表示備份路由），在鏈路未出現(xiàn)斷開的情況下，均默認(rèn)使用主路由。

　　為了能夠?qū)崿F(xiàn)添加備份路由的功能，對(duì)源節(jié)點(diǎn)接收到RREP的處理過(guò)程作了修改，如圖2所示。在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，源節(jié)點(diǎn)接收到RREP后建立主路由。如果接收到的RREP的序列號(hào)比存在的到該目的節(jié)點(diǎn)的主路由序列號(hào)大，或者序列號(hào)相同但是有更少的跳數(shù)，并且是第一次接收到RREP的話，更新主路由。如果不是第一次接收到RREP并且沒(méi)有備份路由，則更改原來(lái)主路由的標(biāo)志位，設(shè)為備份路由，添加新的主路由并更新；如果有備份路由，更改原來(lái)主路由中的標(biāo)志位，設(shè)為備份路由，更改原來(lái)備份路由中的標(biāo)志位，設(shè)為主路由并更新。

　　如果源節(jié)點(diǎn)接收到的RREP的序列號(hào)沒(méi)有比存在的到目的節(jié)點(diǎn)的主路由序列號(hào)大，或者序列號(hào)相同但是沒(méi)有更少的跳數(shù)，而且沒(méi)有備份路由，則添加此RREP序列號(hào)對(duì)應(yīng)的路由為備份路由；如果存在備份路由，并且現(xiàn)接收序列號(hào)比備份路由序列號(hào)大，或者序列號(hào)相同但是有更少的跳數(shù)，則更新備份路由，否則丟棄RREP。

　　這樣通過(guò)以上過(guò)程，就能使得每次在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程以及可能的修復(fù)過(guò)程中建立兩條路由，而且主路由和備份路由是最優(yōu)的兩條路由，同時(shí)主路由優(yōu)于備份路由。如圖1所示，通過(guò)改進(jìn)的方法，在與之前相同的情況下，節(jié)點(diǎn)S與節(jié)點(diǎn)D之間便建立了一條主路由S-3-4-D和一條備份路由S-1-2-D。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，除了前述改進(jìn)方法中源節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收到的RREP建立備份路由時(shí)要查找本地路由表中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的備份路由外，其他的節(jié)點(diǎn)均只查找本地路由表中是否有到目的節(jié)點(diǎn)的主路由，從而保證了優(yōu)先使用主路由。

　　在路由維護(hù)階段，如圖3所示，如果節(jié)點(diǎn)S要向節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)，在建立的主路由S-1-4-5-D中，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4之間發(fā)生鏈路中斷，這時(shí)，節(jié)點(diǎn)1要對(duì)鏈路斷開進(jìn)行處理。如果之前節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)D傳輸過(guò)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)本文前述改進(jìn)的方法在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中建立了備份路由1-2-3-D（節(jié)點(diǎn)1曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)源節(jié)點(diǎn)），且該備份路由有效，則節(jié)點(diǎn)1使用備份路由發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少了延時(shí)，提高了分組的投遞率；如果該備份路由已經(jīng)失效，則進(jìn)行與原AODV協(xié)議相同的操作。

3 仿真環(huán)境和結(jié)果

　　用仿真軟件NS2進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)[6]，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)包含50個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型，各節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 000 m×300 m的平面矩形區(qū)域內(nèi)，并隨機(jī)地以均勻分布在0~20 m/s之間的速度向區(qū)域內(nèi)任意目的地移動(dòng)，到達(dá)目的地后停留一段時(shí)間，然后再隨機(jī)地選擇一個(gè)目的地移動(dòng)，如此反復(fù)，直到模擬結(jié)束?？偰M時(shí)間為300 s，若停留時(shí)間為0，則節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地后不停留，若停留時(shí)間為300 s，則節(jié)點(diǎn)靜止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率為1 Mb/s，MAC層協(xié)議采用IEEE 802.11，采用CBR業(yè)務(wù)類型，CBR流的個(gè)數(shù)為10。

　　端到端的延時(shí)是指一個(gè)數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)的IP層到目的節(jié)點(diǎn)的IP層所需要的平均時(shí)間，從圖4中可以看到兩種協(xié)議的平均端到端延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)暫停時(shí)間的增加都在減小，但是，新協(xié)議的端到端延時(shí)比原協(xié)議更小。

　　分組投遞率是目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層接收到的分組數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組數(shù)之比，從圖5中可以看到兩種協(xié)議的分組投遞率隨著節(jié)點(diǎn)暫停時(shí)間的增加都在增加，但是新協(xié)議有更高的分組投遞率。

　　本文對(duì)AODV路由協(xié)議進(jìn)行了分析，針對(duì)AODV路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中源節(jié)點(diǎn)未能充分利用路由應(yīng)答的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，建立備份路由，并通過(guò)改進(jìn)主路由和備份路由的選擇機(jī)制，使得當(dāng)鏈路斷開時(shí)，鏈路斷開處的上游節(jié)點(diǎn)可以使用備份路由發(fā)送數(shù)據(jù)，盡管在建立備份路由的過(guò)程中占用一定的時(shí)間和資源，但仿真結(jié)果明顯表明，其減少了端到端的時(shí)延和提高了分組投遞率。

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