文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.09.003
中文引用格式： 張頡，柴繼文，王海，等. 基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的集中式自愈路由算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(9)：14-17,28.
英文引用格式： Zhang Jie，Chai Jiwen，Wang Hai，et al. Research on centralized self-healing routing protocol for wireless mesh networks[J].Application of Electronic Technique，2015，41(9)：14-17,28.
0 引言
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳、具有自組織和自愈特點的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，它能夠提供更大的便利性和更強的可靠性，能夠更好地適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)狀況以及提供優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)性能[1，2]。
當(dāng)前無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法尋路過程一般伴隨洪泛現(xiàn)象造成網(wǎng)絡(luò)性能下降。另外，由于無線鏈路的不穩(wěn)定性使得路由的可靠性得不到保障。針對上述問題，已經(jīng)有不少學(xué)者做了相關(guān)研究。文獻[3]提出一種基于最優(yōu)搜索模型限制下一跳節(jié)點搜索區(qū)域的方法，抑制了網(wǎng)絡(luò)中的洪泛現(xiàn)象；文獻[4]則通過限制Hello幀的周期性廣播來達(dá)到降低路由開銷的目的。但上述兩種方法都需要獲取地理位置信息；文獻[5]中利用分級地址結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種不需要地理位置信息的定向廣播尋路方法，但該方法過度依賴于Root節(jié)點建立的樹狀路由，魯棒性較差。在保證路由可靠性方面，多路徑路由是一種行之有效的方法[6-9]，并且，節(jié)點不相交多路徑相比于鏈路不相交多路徑在負(fù)載均衡及路由可靠性方面更有優(yōu)勢[8]，但獲取節(jié)點不相交多路徑的過程通常較為復(fù)雜，并且多路徑路由的質(zhì)量得不到保障。
集中式路由[10]是人們在控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的基礎(chǔ)上提出的一種新的路由方法，目前的研究主要集中在IP網(wǎng)絡(luò)，針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究較少。文獻[11]中提出一種由網(wǎng)關(guān)節(jié)點為網(wǎng)內(nèi)通信連接計算最優(yōu)路的路由算法RDR(Root Driven Routing)，但到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路由仍然采用廣播方式建立，并且由網(wǎng)關(guān)節(jié)點計算最優(yōu)路的方式進一步加重了網(wǎng)關(guān)節(jié)點的負(fù)擔(dān)，其性能并不理想。本文引入集中式路由的思想，設(shè)計了一種由Root節(jié)點為任意節(jié)點對之間計算最優(yōu)路及備份路的路由算法CSRP，該算法在尋路和自愈過程不存在洪泛現(xiàn)象，另外，加入Root節(jié)點動態(tài)切換機制以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
1 網(wǎng)絡(luò)模型及研究思路
1.1 網(wǎng)絡(luò)模型
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點隨機分布在一個矩形區(qū)域內(nèi)，并且具有如下性質(zhì)：(1)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)關(guān)節(jié)點和Root節(jié)點唯一。(2)節(jié)點靜止或具有弱移動性。(3)每個節(jié)點有惟一的標(biāo)識。(4)所有節(jié)點平等，具有相同的計算、通信能力。
節(jié)點運動均遵循運動模型(Random Way Point，RWP)[12]，該模型可以描述為：節(jié)點在運動空間A內(nèi)隨機選取目的點D，隨機選取v作為此次運動的速度，其速率在(vmin，vmax)范圍內(nèi)選取，勻速從起始點S沿直線運動到D，并以時間PauseTime保持靜止，這樣完成一次運動過程，如此重復(fù)。
1.2 研究思路
現(xiàn)有無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法一般采用分布式的路由方式，這種分布式的路由方式保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，然而卻導(dǎo)致了尋路洪泛等問題。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重的場景下，進一步加重了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。
集中式路由是一種由路由控制平臺統(tǒng)一計算路由信息的路由方法，各節(jié)點負(fù)責(zé)收集拓?fù)湫畔⒉⑶蚁蚵酚煽刂破脚_通告，路由控制平臺根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫褂肈ijkstra算法為節(jié)點間計算路由，節(jié)點根據(jù)計算的路由消息轉(zhuǎn)發(fā)報文。在集中式路由方法中各節(jié)點不再具備尋路能力，因此需要預(yù)先構(gòu)建一種具備保護功能的路由機制，使得節(jié)點的路徑失效后都有立即可用的備份路徑。
多路徑路由通過路徑信息的冗余性來保證主路由失效后分組傳輸?shù)挠行浴６嗦窂酵ǔ７譃楣?jié)點不相交多路徑和鏈路不相交多路徑，如圖1所示，但節(jié)點不相交多路徑策略能夠保證備份路由和主路由具有最大不相關(guān)性，更能保證路由的可靠性。
因此，在CSRP路由算法中由Root節(jié)點(路由控制平臺)匯聚全網(wǎng)拓?fù)?，為源目?jié)點間計算路由，并結(jié)合節(jié)點不相交多路徑策略提升網(wǎng)絡(luò)的性能。
2 CSRP路由算法
CSRP路由算法分為鏈路狀態(tài)信息上傳、路徑選擇及分組轉(zhuǎn)發(fā)、路由自愈3個階段，下面分別加以介紹。
2.1 鏈路狀態(tài)消息上傳
各節(jié)點在建立起到Root節(jié)點的路由后會首先將與各鄰居節(jié)點之間的鏈路狀態(tài)信息(包含鄰居地址列表及其對應(yīng)的鏈路質(zhì)量度量值)發(fā)送給Root節(jié)點，Root節(jié)點以此掌握全網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>
另外，各節(jié)點每隔QueryInterval查詢一次鄰接鏈路的鏈路狀態(tài)，在式(1)和式(2)兩個條件任意一個滿足時向Root節(jié)點上傳鏈路狀態(tài)信息。
NeighborListnow?鄞=NeighborListlast(1)
即節(jié)點的鄰居節(jié)點發(fā)生變化。例如，有新的節(jié)點與當(dāng)前節(jié)點建立鄰居關(guān)系或者某個鄰居節(jié)點拆除了與當(dāng)前節(jié)點的鄰居關(guān)系。
Dmetric1>MetricThreshold(2)
即節(jié)點與某個鄰居節(jié)點I間的鏈路累計變化值大于閾值。
另外，各節(jié)點如果連續(xù)次查詢鏈路狀態(tài)未滿足式(1)和式(2)上傳條件，仍上傳鏈路狀態(tài)消息以探測根路由的有效性。
Root節(jié)點收到鏈路狀態(tài)信息后，會更新全網(wǎng)拓?fù)湫畔?。另外，各?jié)點上傳的鏈路狀態(tài)信息通過ACK確認(rèn)機制來確保上傳成功，如果一次傳輸未成功，則在QueryInterval時間后再次上傳。
2.2 路徑選擇及分組轉(zhuǎn)發(fā)流程
當(dāng)要發(fā)送分組時，節(jié)點首先查詢路由表項中是否有到達(dá)目的節(jié)點的路由信息。如果有，按照當(dāng)前路由信息直接發(fā)送至目的節(jié)點；如果沒有，查詢是否有到達(dá)Root節(jié)點的路由信息。
如果不存在到Root節(jié)點的路由，則需要首先請求到Root節(jié)點的路由，在此過程中使用序列號機制保證任何時候節(jié)點間都無環(huán)路。每個節(jié)點都保持著自己的一個序列號，這個序列號通過PREQ被發(fā)送到其他節(jié)點，其他節(jié)點只處理序列號更大的PREQ。請求到Root節(jié)點路由的具體步驟如下：
步驟(1)：向所有鄰居節(jié)點發(fā)送路由查詢幀。
步驟(2)：鄰居節(jié)點收到路由查詢幀后查看自身根路由是否有效，如果有效，回復(fù)有效確認(rèn)幀，否則回復(fù)無效確認(rèn)幀。
步驟(3)：如果節(jié)點接收到有效確認(rèn)幀，則從回復(fù)有效確認(rèn)幀的鄰居節(jié)點中隨機選取一個節(jié)點向其發(fā)送路由請求幀PREQ。
步驟(4)：如果沒有收到有效確認(rèn)幀，向其所有鄰居節(jié)點發(fā)送路徑請求幀PREQ。
步驟(5)：節(jié)點收到PREQ后，首先檢查PREQ是否包含了一個更大的序列號，如果不是，丟棄該幀。如果是，再檢查根路由有效，如果有效，上傳PREQ至Root節(jié)點，否則，重復(fù)步驟(1)~(4)。
步驟(6)：Root節(jié)點收到PREQ。
Root節(jié)點收到序列號更大的PREQ后，計算源節(jié)點到Root節(jié)點的最優(yōu)路及節(jié)點不相交的備份路，分別將最優(yōu)路和備份路封裝成PNTF幀，并沿各自路徑發(fā)送到源節(jié)點，中間節(jié)點及源節(jié)點建立路由。
如果源節(jié)點存在根路由信息，將分組Mesh幀頭中PathReq字段置1，表示請求源節(jié)點到目的節(jié)點的路由。如果傳輸采用根路由的備份路由，需要將Mesh幀頭中IsSparePath字段也置1，表示需要重新請求源節(jié)點到Root節(jié)點的路由，然后將分組發(fā)送到Root節(jié)點。
Root節(jié)點接收到分組后的處理流程如下：
1Root節(jié)點接收到一個分組；
2if (dst_address == m_address) 處理該分組；
3else 將分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點；
4查看Mesh幀頭中的路由請求PathReq標(biāo)記；
5if (PathReq==1)
{
6計算源節(jié)點到目的節(jié)點的最優(yōu)路；
7將最優(yōu)路徑封裝成路徑消息幀(Path Information
PIFM)發(fā)送到源節(jié)點；
8源節(jié)點接收到PIFM幀后解析得到最優(yōu)路徑；
9源節(jié)點將最優(yōu)路徑封裝成PNTF幀，并沿最優(yōu)路徑
發(fā)送到目的節(jié)點；
10中間節(jié)點建立到源目節(jié)點的路由；
11目的節(jié)點建立到源節(jié)點的路由；
}
12查看Mesh幀頭中的備份路徑IsSparePath標(biāo)記；
13if (IsSparePath==1)
{
14計算源節(jié)點到Root節(jié)點的最優(yōu)路及節(jié)點不相交的
備份路；
15分別將最優(yōu)路和備份路封裝成PNTF幀，并沿各自
路徑發(fā)送到源節(jié)點；
16中間節(jié)點建立到源節(jié)點及Root節(jié)點的路由；
17源節(jié)點更新到Root節(jié)點的最優(yōu)路由和備份路由；
}
2.3 路由自愈流程
在CSRP算法中，各節(jié)點到Root節(jié)點的路由采用節(jié)點不相交的備份路進行備份，而到其他節(jié)點的路由采用根路由進行備份。下面以圖例的方式詳細(xì)說明利用備份鏈路進行自愈的流程。
根路由失效后的自愈過程如圖2所示。以節(jié)點I為例，到根節(jié)點的主路由為I-F-D-A-R，備份路由為I-G-B-R。某一時刻，F(xiàn)探測到F-D鏈路發(fā)生失效后，會立刻通過自身的根路由F-G-B-R發(fā)送鏈路失效報文LinkPerr給Root節(jié)點，并向源節(jié)點I返回PERR錯誤報文，Root節(jié)點收到LinkPerr失效報文后，從全網(wǎng)拓?fù)渲袆h除失效鏈路，隨后F將緩存在本地的分組通過F-G-B-R發(fā)送至R，I在收到PERR錯誤報文后，會刪除本地路由表中的最優(yōu)路由，將需要發(fā)送的分組切換至備份路I-G-B-R繼續(xù)傳輸，并在Mesh幀頭中標(biāo)記為使用備份路發(fā)送。當(dāng)分組到達(dá)Root節(jié)點時，Root節(jié)點查詢到數(shù)據(jù)是由備份路由傳輸?shù)竭_(dá)，會計算Root節(jié)點R到I的當(dāng)前全局最優(yōu)路由和備份路由，并將計算結(jié)果通過PNTF報文發(fā)送到I，I在收到PNTF報文后，會更新本地的最優(yōu)路由和備份路由，后續(xù)分組通過當(dāng)前的最優(yōu)路由I-G-B-R為傳輸。
對于到網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點路由的自愈流程如圖3所示，源節(jié)點為F，目的節(jié)點為H，最優(yōu)路由為F-G-H。G探測到鏈路G-H失效后，會立即返回PERR給源節(jié)點F，并利用本地的根路由(主路由或備份路由)將鏈路失效報文LinkPerr和數(shù)據(jù)幀發(fā)送至Root節(jié)點，Root節(jié)點收到LinkPerr報文后，從全網(wǎng)拓?fù)渲袆h除失效鏈路，并將接收到數(shù)據(jù)幀后轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點H。源節(jié)點收到PERR錯誤報文后，刪除失效路由表項，將后續(xù)數(shù)據(jù)利用根路由(主路由或備份路由)發(fā)送，并在Mesh幀頭中設(shè)置路由請求標(biāo)記，Root節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀后重新計算F和H間的當(dāng)前最優(yōu)路由，并將其通過路徑消息報文PIFM發(fā)送至源節(jié)點F。F收到解析PIFM后得到最優(yōu)路徑，并將最優(yōu)路徑封裝成PNTF幀，向目的節(jié)點H發(fā)送PNTF路由通告消息，中間節(jié)點和目的節(jié)點建立路由，后續(xù)數(shù)據(jù)將通過新建立最優(yōu)路由傳輸。
3 仿真及結(jié)果分析
為了驗證CSRP路由算法的有效性，仿真實驗中將時延、包遞交率和路由開銷(定義路由開銷為路由協(xié)議分組字節(jié)總和占網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)總和的比例)作為評價指標(biāo)，對不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、鏈路失效場景下CSRP、HWMP和RDR的網(wǎng)絡(luò)性能仿真結(jié)果進行比較和分析。仿真軟件為NS-3[13]，仿真參數(shù)如表1所示，節(jié)點隨機均勻分布在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的左上角，Root節(jié)點初始時刻位于網(wǎng)絡(luò)的中心。仿真結(jié)果均為統(tǒng)計30次取平均的結(jié)果。
3.1 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下的性能仿真
圖4為不同負(fù)荷場景下CSRP與HWMP[14]、RDR[11]的性能仿真。
3.2 自愈性能仿真
在本小節(jié)對比了路由失效場景下CSRP與HWMP、RDR的性能。通信連接數(shù)為20，節(jié)點移動速率為0~5 m/s之間的隨機值，通過設(shè)置不同的PauseTime值來模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓膭×页潭取D5中的仿真結(jié)果表明：在時延和包遞交率方面，節(jié)點的移動性越強(PauseTime越小)，CSRP算法相比HWMP、RDR性能提升越明顯。這是因為CSRP采用多路徑備份策略，當(dāng)路由失效后可以切換到備用路由進行分組傳輸，確保時效路由的快速恢復(fù)及分組的最小損失。在路由開銷方面，如圖5(c)，對于HWMP，其路由開銷主要來源于Root節(jié)點的周期性廣播和節(jié)點的尋路廣播，鏈路越不穩(wěn)定，重新廣播尋路越頻繁，路由開銷越大。而對于RDR，隨著鏈路逐漸穩(wěn)定，鏈路狀態(tài)消息上傳越少，路由開銷越小。對于CSRP，其路由開銷主要來源于鏈路狀態(tài)消息的上傳，其路由開銷最小，比HWMP和RDR路由開銷至少降低67%。
4 結(jié)束語
該文將集中式路由方法用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，提出了一種集中式自愈路由算法CSRP，在該算法中各節(jié)點匯聚鏈路狀態(tài)消息至Root節(jié)點，由Root節(jié)點集中計算最佳路由。相比于傳統(tǒng)路由算法的洪泛尋路機制，該算法在很大程度上降低了路由開銷。另外，該算法采用多路徑備份策略及Root節(jié)點切換機制保證路由的可靠性。通過仿真表明，CSRP路由算法較HWMP、RDR路由算法在不同仿真場景下都有明顯改善，路由開銷至少降低67%，時延平均降低45%，包遞交率平均提升8%。在未來的工作中，考慮在網(wǎng)絡(luò)中加入多個路由控制平臺(Root節(jié)點)，各路由控制平臺之間相互備份，以進一步增加網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。
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