CN101646218B

CN101646218B - 一种基于gop的多路径源路由协议实现方法

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Publication number: CN101646218B
Application number: CN200910184201.0A
Authority: CN
Inventors: 白光伟; 沈航; 曹磊; 陶金晶; 王军元; 靳勇; 吴志刚
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101646218A

Abstract

本发明公开了一种基于GOP的多路径源路由协议实现方法，包括：基于业务优先级的洪泛方法：在GMSR中引入了两种RREQ消息转发策略，分别面向实时多媒体业务和普通的数据通信业务；累积路由回复方法：将多个条路径记录到一个RREP包中集中进行发送；自顶向下跨层工作方法：该方法作用于应用层、传输层和网络层，用于将上层的多媒体参数传递给网络层。本发明实时多媒体业务相比普通的数据通信业务有更高的概率建立多条路径，节省网络带宽资源、节约带宽，提高多媒体数据传输可靠性。

Description

一种基于GOP的多路径源路由协议实现方法

技术领域

本发明属于计算机通信网络技术领域，尤其是一种路由协议的实现方法。

背景技术

随着无线通信技术的迅速发展以及无线网络带宽的不断提高，在移动环境下为用户提供多媒体通信业务正日益兴起。新兴的多媒体应用对通信网络提出了新的、更高的要求。视频点播，网络游戏和移动电视等多媒体应用需要平滑的实时数据传输和服务质量(QoS)保证。然而，在无线通信环境下为这些多媒体应用提供QoS保证比有线网络复杂得多。许多研究表明现有的网络体系结构和一些协议机制并没有充分考虑无线通信的一些固有特性，使得无线通信环境下的网络系统性能大大降低。

无线网络是一个动态的环境。无线移动通信的特性包括信道带宽有限，高误码率，不稳定的、随时间动态变化的信道质量(channel conditions)，结点移动导致网络拓扑结构的动态变化等。多个用户对共享信道的竞争，无线信号传输的衰减和失真，随机干扰，以及障碍物的阻挡等都会严重影响无线通信的质量和效率。而多媒体应用具有严格的QoS要求。传统的尽力而为(best-effort)传输模式无法满足各种多媒体应用对网络传输质量的要求。另外，目前广泛应用于低码率视频应用中的压缩算法(如MPEG)采用预测编码、运动补偿以及可变长编码等技术实现对视频流在时间和空间上的压缩，以便获得比较高的压缩率，但压缩后视频流是可变速率(VBR)的。由压缩产生的突发性，使这类通信源的特性变得相当复杂。这些因素使得我们在研究、设计新一代无线多媒体网络协议的过程中面临严峻的挑战。

近年来，新的无线多媒体网络体系结构和协议机制，为无线实时业务提供可靠的服务已经成为国内外通信网络领域研究的热点，吸引了学术界和工业界众多研究人员的关注。

实时流媒体传输对通信带宽具有较高的要求，对端到端的延迟(Delay)和延迟抖动(Jitter)非常敏感。无线移动网络具有信道带宽有限、高误码率、不稳定的、随时间动态变化的信道质量、节点移动等特性，这些特性使得无线移动网络环境下流媒体的应用与研究面临新的挑战。一些研究表明无线网络不适于采用有线网络中的层次结构，许多研究人员开始探索跨层的体系结构设计。

传统的OSI七层模型以及TCP/IP体系结构对于层间信息交互设定了严格的限制，每一层通过特定协议实现本层的功能并为上一层提供服务。不相邻的层次之间禁止直接通信，且相邻层次之间的通信只能通过有限的程序调用和响应而实现。许多研究结果已经证实了分层次的网络体系结构在无线网络环境下性能严重下降的问题。这些因素要求我们必须重新考虑无线网络的协议设计。其中高效的动态多跳路由协议是我们需要考虑的关键因素之一。

由于多路径(multipath)路由算法由具有稳定和网络资源利用率高的特性。多路径路由维护了源节点到达目的节点的多条路径，这些路径作为主路径和备用路径，可以通过单一路径的方式传输，也可以有选择地在多条路径上并发传输。目前相关的研究主要集中在传输可靠性、负载均衡、最小化端到端时延、拥塞控制、能量优化、提高吞吐量、控制开销等方面。研究表明，多路径路由技术可有效改善实时流媒体传输性能。然而，我们发现现有的多路径路由协议大多不能直接应用于无线移动多媒体网络。一方面，多路径路由机制本身存在的一些缺陷容易对实时业务产生负面影响。另一方面，目前的研究大多仅从路由算法的层面提出了改进策略，没有考虑同多媒体业务流的交互，以及不同协议层之间的协作问题。因此，虽然这些研究成果在一定程度上改善了网络的性能，但仍不能满足新一代无线移动网络对各种新兴的多媒体应用的需求，仍然存在许多挑战性的问题需要解决。

发明内容

本发明对现有DSR路由算法进行改进，公开了移动自组织网络中一种基于GOP的多路径源路由协议GMSR的实现方法(GMSR：GOP-Aware Multipath Source Routing)。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于GOP的多路径源路由协议实现方法，包括由源节点、中间节点和目的节点构成的网络，其特征在于所述实现方法包括如下方法：

(1)基于业务优先级的洪泛方法，将RREQ包16位标识域中前15位存放标识，最后一位存放标识flag_m；当要传输多媒体数据时，所述源节点将RREQ包的标识flag_m设置为1并发送至中间节点，所述中间节点收到RREQ包后采用面向多媒体业务的转发方法转发；当要传输普通数据时，所述源节点将RREQ包的标识flag_m设置为0并发送至中间节点，所述中间节点收到RREQ包后采用DSR的转发方法转发；

(2)累积路由回复方法，包括三个步骤：

A.所述目的节点接收到新的RREQ包时，立即向所述源节点发送新的RREP包，所述源节点收到新的RREP包后将作为主路径使用；

B.所述目的节点沿着主路径发送CRREP消息，为沿途的中间节点配置备用路径；

C.所述目的节点向各条备用主路径发送CRREP消息，为沿途的中间节点配置备用路径；

(3)自顶向下跨层工作方法，该方法作用于应用层、传输层和网络层：

a.采用应用层为每个即将发送的视频帧设置了相应的参数，包括视频帧类型F_typ、视频帧序列号F_seq、GOP序列号G_seq、流标识F_id；

b.在向UDP层传送视频帧前，参数视频帧类型F_typ、视频帧序列号F_seq和流标识F_id被直接传递到了网络层；

c.当传输层收到了来自应用层的视频帧后，按照传输层的最大传输单元MTU进行分割，将分割的数目N_seg直接传递给网络层；

d.在给步骤c所述的相应的分割段配置UDP包头后，发送到网络层；

e.在记录下相应的多媒体参数：视频帧类型F_typ、视频帧序列号F_seq、GOP序列号G_seq、流标识F_id和步骤c所述的分割数目N_seg后，网络层便等待接受上层的数据；

f.当网络层收到相应的数据后，将多媒体参数配置到经过扩展的IPv4包头中。

本发明有效提高了路径的健壮性，提高了数据投递率，无论是在节点高速还是低速移动的场景下，采用多路径路由协议GMSR的视频播放质量相比DSR有明显的提高；GMSR能够提高带宽的利用率，因而更加适合实时多媒体通信；GMSR相比DSR能够有效改善多媒体数据投递的实时性，提供更加平滑的视频播放质量；可以有效延长路径的寿命；明显减少了路由回复开销，从而降低了数据包发送时发生冲突的概率，而且在一定程度上减少了无效视频数据的传输，提高了数据传输的可靠性；相比DSR，GMSR对可解码帧率的改善较为明显。

附图说明

图1为路径结构示意图，其中实线箭头表示主路径，虚线箭头表示备用主路径，点划线箭头表示中间节点的备用路径。

图2为GMSR选项头中的RREQ选项格式示意图。

图3为路由集合示意图。

图4为传统的路由回复策略示意图。

图5为累积路由回复策略示意图。

图6为DSR选项头中的RREP选项格式示意图。

图7为GMSR选项头中的CRREP选项格式示意图。

图8为累积路由回复机制工作流程示意图。

图9为基于MPEG视频流的跨层工作框架示意图。

图10为IPv4头部结构示意图。

图11为扩展的IPv4头部结构示意图。

图12为DSR选项头中的RERR选项格式示意图。

图13为GMSR选项头中的RERR选项格式示意图。

图14为视频参数获取流程示意图。

图15为数据传输控制流程示意图。

图16为节点移动速度对性能的影响(应用层)示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)四图的纵轴分别表示可解码帧率、无效帧率、视频帧平均端到端时延和视频帧平均时延抖动。

图17为节点移动速度对性能的影响(网络层)示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)四图的纵轴分别表示标准化路由载荷、路由发现频率、路由回复开销和路由错误开销。

图18为干扰源对性能的影响(应用层)示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)四图的纵轴分别表示可解码帧率、无效帧率、视频帧平均端到端时延和视频帧平均时延抖动。

图19为干扰源对性能的影响(网络层)示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)四图的纵轴分别表示标准化路由载荷、路由发现频率、路由回复开销和路由错误开销。

图20为缓存时间的变化对网络性能的影响(应用层)示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)四图的纵轴分别表示可解码帧率、无效帧率、视频帧平均端到端时延和视频帧平均时延抖动。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明提出的协议机制主要包括基于业务优先级的洪泛策略、累积路由回复策略、自顶向下的跨层工作框架和自适应的无效视频数据清理策略等。

为了便于协议的理解，表1定义了一些描述符号。移动Ad Hoc网络可表示成有向图G(V，E)，其中V表示网络节点集，E表示无线链路集。假设有N个节点随机分布在一个拓扑边界内，n表示其中的节点的编号(1≤n≤N)，d_ij表示节点n_i和节点n_j之间的距离。每个节点都配置了相同的802.11无线网卡，节点的直接通信距离为γ，节点信号发射的干扰半径为ω。

表1符号定义

符号	定义
		γ	节点的直接通信距离
ω	节点信号发射的干扰半径
		S	源节点
D	目的节点
		F_id	视频帧所属的流标识

F_seq	视频帧的序列号
		F_typ	视频帧的类型
G_seq	GOP的序列号
		F_id	视频帧所属的流标识
N_seq	视频帧到达传输层后被分割的数目
		UP_I	无法投递的属于I帧的数据包
UP_P	无法投递的属于P帧的数据包
		UP_B	无法投递的属于B帧的数据包
UP₀	无法投递的普通数据包
		UF_seq	无法投递的视频数据包所属的帧序列号
UF_typ	无法投递的视频数据包所属的帧类型
		UG_seq	无法投递的视频数据包所属的GOP序列号
UF_id	无法投递的视频数据包所属的流标识

对于无法投递的多媒体数据，我们根据MPEG视频帧的类型将其分为三类，即属于I帧，P帧和B帧的数据包分别用UP_I，UP_P，UP_B表示。除此之外，对于无法投递的普通数据，我们用UP₀表示。因此，网络中出现无法投递的数据包(包括多媒体数据和普通数据)共归纳为四种类型。

GMSR在源节点和目的节点之间建立了多条路径不相交的路由。同时，在条件允许的情况下，GMSR也为中间节点建立了多条到达目的节点的路由。我们仍然采用类似DSR的源路由方法，目的节点记录了所有的可用路由信息。如图1所示，路由集合包含一条主路径(实线)、两条备用主路径(点线)以及一些中间节点的备用路径(虚线)。主路径和备用主路径连接源节点和目的节点；中间节点的备用路径连接自己和目的节点。

我们设定了如下的路径建立条件：

■主路径和备用主路径需要保持路径不相交；

■中间节点的备用路径和相应的子路径(即从该节点到达目的节点的路径)也需要保持路径不相交；

这里需要说明的是，中间节点的备用路径不需要同其他的主路径保持路径不相交的条件，这是因为中间节点的备用路径仅仅用来挽救数据包。具体地说，在数据传输的过程中，一旦主路径发生路由中断，往往节点的备用路径也即将中断或已经中断，这时如果长时间启用节点备用路径有可能导致较多数量的丢包。为了有效控制丢包，中间节点的备用路径仅仅临时用来挽救数据包，GMSR将及时切换到另一条路径。

1、算法描述

(1)基于业务优先级的路由请求策略

当节点有数据包发送时，需要初始化一个路由发现过程，先是由源节点发起的路由请求洪泛过程，然后是由目的节点进行路由回复。在DSR的路由请求过程中，重复的RREQ消息会被中间节点丢弃。该方法有效控制了洪泛消息的数量，却大大减小了发现多条路径的概率。

为了控制路由洪泛消息的数量同时保证路径的健壮性，在总结了上述协议的优缺点后，我们在GMSR中引入了两种RREQ消息转发策略，分别面向实时多媒体业务和普通的数据通信业务。

对于实时多媒体业务，中间节点转发重复RREQ消息必须满足如下条件：

■与该节点收到的第一个RREQ包的时间间隔不超过100ms。实验数据分析表明，目的节点通常在100ms的时间内即可接收到绝大部分的RREQ消息。将延迟的RREQ消息尽早丢弃，既可以减少路由开销又可以保证路径的质量；

■路径同之前收到的RREQ消息里的路径不相交；

■沿途经过的节点跳数不大于之前RREQ消息的跳数。

对于普通的数据通信业务，这里仍然采用DSR路由协议的RREQ消息转发策略。这是考虑到普通的数据通信业务没有严格的QoS需求，路径质量对普通的数据通信的影响要小于实时多媒体业务。

该策略修改了RREQ包格式(如图2所示)。原有的标识(Identification)域长度为16位，现在用15位存放标识，最后一位用于存放一个标识，即flag_m。这样，针对实时多媒体业务和普通数据通信业务，中间节点可以用来设定不同的RREQ转发形式。具体地说，如果有多媒体数据要发送，源节点将RREQ消息的flag_m设置为1，中间节点收到后采用面向多媒体业务的转发方法；如果要发送普通的数据，源节点将RREQ消息的flag_m设置为0，中间节点收到后采用DSR的转发方法。基于业务优先级的路由请求策略与区分服务(DiffServ)的思想相类似，既能提供相对可靠的视频传输服务，也可在一定程度上控制路由开销。采用该策略后实时多媒体业务相比普通的数据通信业务有更高的概率建立多条路径。

(2)累积路由回复机制

为了给源节点和中间节点建立多条到达目的节点的路径，现有的多路径路由机制往往在一次路由发现过程中产生过多的路由回复(RREP)消息，消耗了有限的网络带宽资源。为了从根本上解决这个问题，本节提出一种累积路由回复策略(CRREP)，该策略具有较高可操作性。

图3是一个由5个节点组成的链式拓扑场景。除了主路径(实线)以外，源节点和中间节点均有一条备用路径(点线)到达目的节点。如果采用传统的路由回复机制，目的节点不得不发送5次RREP消息，如图4所示。CRREP的主要思想就是将多个条路径信息记录到一个RREP包中集中进行发送，沿途节点收到后记录下相关的路由信息。CRREP只需要发送一次RREP消息即可为源节点和中间节点建立多条路径，如图5所示。

累积路由回复策略需要对RREP包进行扩展。如图6所示，DSR的RREP包中只存储了一条路径信息。为了实现路由信息的累积发送，这里扩展了RREP包的结构(见图7)。一方面，将其中原有的7位的保留字段用来存储该RREP包中记录的路径的数目；另一方面，开辟了新的存储空间记录多条中间节点到达目的节点的路径信息。如果需要存储的路径信息超过了选项数据长度(Opt Data Len)的上限，则通过CRREP包分多次发送。

根据图8，累积路由回复策略的实施细节如下。每个节点设置两个路由缓存(routecache)，这里称为主缓存和副缓存。当接收到新的RREQ消息时，目的节点便将其中携带的路径信息分别记录在主缓存和副缓存中，并及时向源节点发送RREP消息，建立源节点到目的节点之间的主路径。在此后的一段时间内(设为100ms)，当目的节点收到重复的RREQ包时，先将其中的路径信息存放到副缓存，然后将该路径信息同主缓存中的路由信息进行比较，如果满足路径不相交条件，便将其记录到主缓存中去。需要说明的是：在100ms内，目的节点会接收到大部分的RREQ消息，但不会向源节点或中间节点发送任何的RREP消息。当时间到达后，目的节点将停止接收新的RREQ消息。同时，目的节点开始计算主缓存中各条主路径上中间节点的备用路径信息。在计算的过程中，需要调用副缓存中的路由信息。最后将路由信息进行汇总，然后沿着各条主路径发送CRREP消息。

在整个流程中，目的节点的主要行为可以归纳为三个主要步骤：

①目的节点接收到新的RREQ消息时，立即向源节点发送RREP消息，源节点收到后将做为主路径使用；

②目的节点沿着主路径发送CRREP消息，为沿途的中间节点配置备用路径；

③目的节点向各条备用主路径发送CRREP消息，为沿途的中间节点配置备用路径。

(3)自顶向下的跨层协作模式

作为目前最主要的多媒体数据压缩技术，MPEG采用离散余弦变换和运动补偿、预测技术从空间和时间上实现对视频流的压缩，以满足高压缩比和随机访问两方面的要求。算法定义了帧内编码(intra-frame)和帧间编码(inter-frame)两类视频帧。采用帧内编码方式的帧可以独立解码；而采用帧间编码方式的视频帧则必须在其所依赖的全部参考帧被正确接收后方可正常解码。显然这种编码机制使得压缩码流中不同部分的视频帧之间形成了很强的解码依赖关系。网络传输差错造成的部分数据丢失或损坏会导致另外一些与之相关的视频数据帧即使被正确接收也无法解码。考虑到多媒体通信的这些固有特信，路由协议有必要同上层多媒体数据源构建一种交互关系，使得路由协议能够合理地调整数据传输行为，更好地支持实时多媒体通信。然而，传统的层次化网络体系结构不能够向网络层提供来自上层的价值的的多媒体参数。为此，我们提出一种面向实时多媒体媒体通信的自顶向下跨层工作框架，如图9所示。目的是通过研究高效的路由协议提高无线多媒体网络的整体性能。

本发明的跨层体系作用于应用层、传输层和网络层，用于将上层的多媒体参数传递给网络层。

下面介绍具体的工作流程。应用层为每个即将发送的MPEG-4视频帧设置了相应的参数，包括视频帧类型(F_typ)、视频帧序列号(F_seq)、GOP序列号(G_seq)、流标识(F_id)。每发送一个视频帧，F_typ增加1；同理，当一个新的GOP到来时，G_seq增加1。设置F_id是用于区分不同的多媒体流，这里考虑到一个节点可能存在多个不同多媒体业务。在向UDP层传送视频帧前，参数F_typ、F_seq和F_id被直接传递到了网络层。传输层收到了来自应用层的视频帧后，按照传输层的最大传输单元(MTU)进行分割，同时将分割的数目(N_seg)传直接递给网络层。然后在给相应的分段(segment)配置UDP包头后，发送到网络层。在记录下相应的多媒体参数(F_typ，F_seq，G_seq，F_id，N_seg)后，网络层便等待接受上层的数据。当收到相应的数据后，将多媒体参数配置到经过扩展的IPv4包头中。该跨层框架仅仅用于多媒体数据源，普通的数据通信仍然采用传统的层次化体系结构。

每个IP数据是由一个头部和一个正文部分(payload)组成的。IPv4头部由一个20个字节的固定长度部分和一个可选的变长部分(如图10所示)。我们将IPv4包头进行了扩展，用于记录上层的多媒体参数。经过扩展的IPv4包头增加了四个新的数据域(见图11)，分别用于存储跨层参数F_typ、F_seq、G_seq和F_id。

服务类型(ToS：Type of Service)域在头部占据了6位，IETF规定每一种位的组合代表一种服务类型。MPEG视频帧有三种基本类型，我们将服务类型域右边未被使用的两位用来存储该数据包所属的视频帧类型(F_typ)，用01、10和11分别表示I帧、P帧和B帧。如果值为00，则表示该数据包属于非多媒体数据类型。另外，新开辟一块32位数据域，其中前两个12位长的字段用于记录该数据包所属的视频帧序列号(F_seq)和GOP序列号(G_seq)，剩下的8位用于记录数据包所属的流标识(F_id)。该方案初步构建了路由协议同上层多媒体数据源的交互关系。目的是让路由协议传输实时多媒体数据的过程中动态地调节传输行为。

(4)自适应无效视频数据清理策略

在上一节的基础上，本节提出了一种自适应的无效视频数据清理策略，和路由协议协同工作。

MPEG编码机制使得压缩码流中不同部分的视频帧之间形成了很强的解码依赖关系，帧间依赖关系也决定的各个类型的视频帧的对于整个GOP的不同重要程度。用于流媒体传输的UDP/RTP没有确认、重传机制，网络传输差错造成的部分数据丢失或损坏会导致另外一些与之相关的视频数据帧即使被正确接收也无法解码(本文将这种视频帧称为“无效帧”)。因此，引入一种合理的无效视频数据清理策略有助于节约带宽，提高多媒体数据传输的可靠性。

为了实现自适应的无效视频数据清理策略，路由协议必须及时将无法投递的视频数据的参数反馈给相关的节点。采用何种途径进行参数反馈是一个关键问题。如果协议设定新的路由控制消息用于参数反馈，将带来额外的路由开销。现有的按需路由协议(例如AODV和DSR)遇到数据包无法投递时的操作是：丢弃该数据包后沿着上游节点向目的方发送路由错误(RERR)消息。因此，RERR包可以作为反馈多媒体参数的载体。

在源路由协议DSR中，源节点当收到RERR包时的操作是：将错误的路径信息删除然后在路由缓存中查找替代路径，如没有发现替代路径，则发起路由请求。图12给出了DSR路由协议中RERR包的结构。这里对DSR路由协议中的RERR包结构进行了一定的调整和扩展(见图13)，增加了4个新字段，让其承担了额外的功能。一方面，原有的8位长度的保留字段用于存放无法投递的视频包所属的帧类型(UF_typ)。用01、10和11分别表示发生错误的I帧、P帧和B帧。如果值为00，则表示出错的数据包属于非多媒体数据类型。另一方面，新建了一块32位长的数据域，其中前两个12位长的数据字段用于记录无法投递的视频包所属的帧序列号(UF_seq)和GOP序列号(UG_seq)，剩下的8位用于记录流标识(UF_id)。节点的网络层设置了5个变量，其中4个用于记录反馈来的多媒体参数(UF_typ，UF_seq，UG_seq，UF_id)，剩下的一个变量用于存储一个标识，用Flag_d表示。这5个变量的初始值都为0，具体用途描述见下文。

自适应的无效视频数据清除策略的操作可以分为两个主要的流程，即视频参数获取流程(图14)和数据传输控制流程(图15)。

根据图14，在数据传输过程中，一旦发生数据包无法投递的情况，相应的节点检查经过扩展的IPv4包头中的F_typ字段。对于普通的数据类型，节点仍然采用类似DSR路由协议的默认操作去配置RERR包；对于多媒体数据类型，节点会记录下IPv4包头中相应的多媒体参数(F_typ，F_seq，G_seq，F_id)，并将这些参数写入如图13所示的RERR包中。最后沿着反向路径发送RERR包。当收到RERR包，沿途的节点会检查它的EF_typ域，假如发现EF_typ域的值不为0，相应的节点会记录下RERR包中多媒体参数(UF_typ，UF_seq，UG_seq，UF_id)，并将Flag_d域设置为1(表明这时网络中出现了无法投递数据包)。根据RERR反馈来的多媒体参数，节点在传输后续数据包的过程中可以动态地调整传输行为。

根据图15，当有数据包发送或转发时，节点会查看数据包IPv4头部中的F_typ域。如果是多媒体数据类型，则检查数据包所属的F_id域；如果是普通数据类型，则采用类似DSR的默认操作。对于多媒体数据类型，如果F_id和本节点记录的EF_id值相同，则检查本节点记录的Flag_d数值。这里需要说明的是：当Flag_d为0时，节点不需要检查多媒体参数(UF_typ，UF_seq，UG_seq)。我们设置Flag_d的目的是为了减少节点的处理开销。当Flag_d为1时，节点需要检查多媒体参数(UF_typ，UF_seq，UG_seq)去判断此数据包是否应该丢弃。当属于B帧的数据包出错时，我们仅仅丢弃属于该帧的后续数据包。这是由于B帧的优先级最低，它失效不会影响整个GOP的解码。当属于I帧或P帧的数据包无法投递时，相应的节点会丢弃相关GOP中后续所有即将发送或发送过程中的B帧，但是不会丢弃属于该视频帧的后续数据包以及GOP中后续的P帧，原因包括两方面。

首先，源节点和中间节点有可能配置了备用路径。当数据传输路径失效时，备用路径可用来挽救数据包。也就是说，如果此时备用路径可用的话，之前无法投递的数据仍然有可能被正确地发送和接收；其次，当属于I帧或P帧的数据包出错时，丢弃GOP中后续所有的视频帧会导致严重的问题。这里假设GOP长度为12，视频帧的发送间隔为0.04s，那么在在丢弃了后续全部视频数据后，传输路径将在未来大约0.48s内保持空闲的状态，直到下一个GOP数据到来。在这段时间内，不会有任何的路径状态反馈信息，当下一个GOP的I帧传输时，原先的传输路径有可能已经失效，这将导致整个GOP被破环。为了避免这种情况的发生，仍然发送后续属于P帧的数据包，以便及时地反馈路径的状况。因此，本文制定了这种折衷的方案，即当I帧或P帧出错时，丢弃GOP中后续的B帧。

2、性能分析与评价

(1)仿真环境及网络配置

下面通过一系列的仿真实验，对GMSR路由协议的性能进行全面分析和评价，分别考虑在节点移动速度变化(实验一)、干扰源数目变化(实验二)和接收方缓存变化(实验三)情况下的网络性能。为了减少实验的随机性，这里随机产生了多个移动场景，每一组数据都是进行了10次仿真实验后计算的平均值，每次仿真持续3700s。

这里采用了一个中等质量的MPEG-4视频片段作为多媒体数据源。该片段包含89998个视频帧，GOP结构为IBBPBBPBBPBB(N＝12，M＝3)，视频帧的发送速率为每秒25帧(25fps)。表2给出了该视频的相关统计参数。

表2视频统计参数

参数	单位	值
			压缩比	YUV∶MP4	97.8350027837119
平均帧长	byte	388.59849107758
			最小帧长	byte	26
最大帧长	byte	4690
			平均比特率	bps	77720.5617965043
峰值比特率	bps	938000

多媒体数据在实时投递过程中对时延的敏感程度较高。通常情况下，数据包的时延在400ms-10s之间是可以接受的(取决于具体的应用)。较大的时延抖动将会导致图像的失真或停滞。为了减轻抖动带来的影响，通常需要在接收方设置播放缓存。缓存时间如果设置过大，将影响视频播放的实时性；如果设置的过小，将导致较高时延抖动。实验一和实验二将接收方缓存时间设为2s；实验三将重点研究接收方缓存时间的变化对视频播放质量的影响，缓存时间的变化范围为400ms-10s。表3记录了具体的仿真参数设置情况。

表3参数配置

仿真参数	数值
		节点的单跳通信距离	250m
场景拓扑边界	1200m*800m
		移动节点数目	60
MAC层协议	IEEE802.11
		MAC层信道接入模式	RTS/CTS/Data/ACK
多媒体数据源类型	MPEG-4
		多媒体会晤数目	1
干扰数据源类型	CBR(constant bit rate)

干扰数据源发送速率	12Kbps
		节点移动模型	随机移动(Random Waypoint)
负载发生模式	随机产生(Spread Randomly)
		节点最大移动速度(实验一)	5、10、15、20和25m/s
节点最大移动速度(实验二)	10m/s
		干扰源数目(实验一)	5
干扰源数目(实验二)	5、6、7、8、9和10
		干扰源数目(实验三)	6

(2)性能评价标准

本发明提出的GMSR协议应用了一系列面向实时多媒体通信的新机制。为了客观准确地对协议性能进行验证。实验引入了CMSR2用于性能对比分析。GMSR2在GMSR的基础做了三点修改，具体包括：

■多媒体会晤采用传统多路径路由协议的路由回复机制(如图4所示)；

■普通的数据通信会晤采用DSR的路由回复机制；

■路由协议中没有集成自适应的无效视频数据清理策略。

实验制定的性能评价标准面向应用层和网络层，具体包括：

■可解码帧率(DFR：Decodable Frame Ratio)：目的节点可解码帧的数量除以源节点发送的视频帧总数；

■无效帧率：目的节点接收到的但是无法解码的视频帧数量除以源节点发送的视频帧总数；注意无效帧率不等于(1-DFR)，因为在传输过程中损失的视频帧没有计算在内；

■视频帧平均端到端时延：统计时去除了损坏的视频帧和超时的视频帧；

■视频帧平均时延抖动：仅统计可解码的视频帧的抖动信息；

■标准化路由载荷：总的路由控制包数量(路由开销数目)除以接收的MPEG数据包数量；

■路由发现频率：单位时间内(每秒)初始化的路由查询次数；

■路由回复开销：总的RREP消息传播次数，每一次RREP消息的发送和转发都计一次开销；

■路由错误开销：总的RERR消息传播次数。每一次RERR消息的发送和转发都计一次开销。

(3)节点移动速度对多媒体网络性能的影响

本节重点研究节点移动速度的变化对实时流媒体通信性能的影响。这里考虑的是节点持续移动的场景，其中设置了5个干扰源，节点最大移动速度分别为5、10、15、20和25m/s。图16和图17分别从应用层和网络层的角度显示采用改进的路由协议机制后网络整体性能的提升。

对于应用层，图16(a)显示了节点移动速度的变化对可解码帧率的影响。在高速移动的场景下(节点最大移动速度为25m/s)，采用GMSR和GMSR2路由协议后的可解码帧率接近90％，属于一个可接受的视频播放质量；而采用DSR路由协议后的可解码帧率下降到70％以下，这将带来很差的视频播放质量。这是由于GMSR和GMSR2有效提高了路径的健壮性。另外，备用路径也成功挽救了一些传输过程中无法投递的数据包，提高了数据投递率。因此，无论是在节点高速还是低速移动的场景下，采用多路径路由协议GMSR和GMSR2后的视频播放质量相比DSR有明显的提高。另一个特点是：随着节点移动速度的提升，GMSR和GMSR2的结果变化较为稳定，而DSR则呈现出快速下降的趋势。其中，GMSR提供的可解码帧率略高于GMSR2。

无效帧率可以反映网络带宽的浪费程度。如图16(b)所示，GMSR和GMSR2接收的无效帧率相对DSR有明显下降。随着节点移动速度的提高，GMSR和GMSR2的无效帧率大约维持在3％左右，而DSR的无效帧率则超过了13％。这表明GMSR和GMSR2能够提高带宽的利用率，因而更加适合实时多媒体通信。另外，由于GMSR集成了自适应的无效视频数据清理策略，很多无效视频数据在传输的过程中即被清除，因此GMSR相比GMSR2具有更少的无效帧率。

图16(c)和16(d)分别显示了节点移动速度变化对视频帧的平均端到端帧时延和平均时延抖动的影响。时延抖动是多媒体网络中重要的QoS指标之一。从结果变化趋势看，GMSR为视频帧传输提供了最小的端到端帧时延和时延抖动；其次是GMSR2；最后是DSR。随着节点移动速度的提高，GMSR和GMSR2性能的变化情况始终较为稳定，而DSR则呈现出快速上升的趋势。这表明GMSR相比DSR能够提供更为平滑的视频播放质量。如图16(c)所示，即使是在节点低速移动的情况下，GMSR和GMSR2提供的视频帧端到端帧时延和时延抖动相对DSR也有明显改善。这里需要注意的是：GMSR提供了比GMSR2更优的时延和抖动。主要原因包括3个方面：(1)累积的路由回复策略有效控制了RREP消息的数量，从而减少了冲突的概率；(2)自适应的无效视频数据清理策略有效地减少了无效视频数据的传输，节约了带宽；(3)干扰会晤的路径寿命得到了延长，也在一定程度上减少了洪泛消息的传播。该结果表明GMSR能够为实时多媒体通信提供更加平滑的视频播放质量。

图17(a)显示了节点移动速度对路由协议的标准化路由载荷的影响。从总体上观察，GMSR的载荷最小，其次是GMSR2，最后是DSR。随着节点移动速度的增加，路径中断频率会显著提高，路由协议不得不花费更多的开销维持路径的连接，路由载荷也会随之升高。在节点低速移动的场景下，DSR的表现要优于GMSR；然而，随着速度的提高，GMSR和GMSR2显示出了良好的性能。一方面，由于GMSR和GMSR2具有较好的路由健壮性，额外的路由开销对视频传输的影响有限；另一方面，通过采用两种不同的洪泛机制，GMSR有效地控制了路由控制消息的数量。需要注意的是GMSR的表现优于GMSR2。这是由于GMSR中的累积路由回复策略有效控制了RREP消息的数量，在一定程度上降低的全网的路由控制开销。

图17(b)给出了路由发现频率的实验结果。显然，多路径路由机制可以有效延长路径的寿命，只有当源节点和目的节点间所有的路径失效才启动新的路由发现过程。不仅是多媒体会晤的路径寿命得以延长，普通的数据通信会晤的路径寿命也在一定程度上得到了延长。

为了验证累积路由回复机制的效果，我们单独统计了三种路由协议的路由回复开销。如图17(c)所示，GMSR的路由回复开销最小，其次是GMSR2，最后是DSR。随着节点移动速度的提高，GMSR1始终保持着稳定的低开销；而DSR协议的开销明显高于GMSR且呈现出较快增长的趋势。GMSR2虽然表现较为稳定，但相比GMSR，多产生了近一倍的开销。实验结果表明累积路由回复机制可有效解决传统多路径路由协议中路由回复消息开销较高的问题。

图17(d)统计了路由错误开销情况。节点进行路由维护需要完成的操作包括发现路由错误、更新路由信息、发起路由请求。路由错误的数目能够在反映路径的健壮性以及路由协议的容错能力。随着节点移动速度的提高，路径的中断频率也会随之增加，从而带来较多的路由错误消息。GMSR产生了最少的路由错误消息，其次是GMSR2，最后是DSR。这是由于GMSR明显减少了路由开销，从而降低了数据包发送时发生冲突的概率；另外，GMSR在一定程度上减少了无效视频数据的传输，提高了数据传输的可靠性。

(4)干扰源对多媒体网络性能的影响

本节重点研究干扰源数目变化对实时流媒体性能的影响。考虑的是节点持续移动的场景，干扰源数目分别设为5、6、7、8、9和10，节点最大移动速设为10m/s。图18和图19分别从应用层和网络层考察GMSR对网络整体性能的改善。

图18(a)显示了可解码帧率随干扰源数目的增加的变化趋势。随着干扰源数目的增加，数据发送时冲突的可能性也随之增加，使得可解码帧率都呈现出下降的趋势。相比DSR，GMSR和GMSR2对可解码帧率的改善较为明显。当干扰源数目较多时，DSR提供的可解码帧率下降到了60％以下，而GMSR和GMSR2提供的可解码帧率接近80％。这表明GMSR和GMSR2能够较好地适应网络环境的变化。另外，GMSR的表现优于GMSR2，这是由于GMSR减少了无效视频数据的发送，提高了数据传输的可靠性。

干扰源数目的增加影响了流媒体通信的可靠性，会带来较多的无效视频数据。如图18(b)所示，GMSR具有最少的无效帧率，其次是GMSR2，最后是DSR。在干扰源数目较多时，DSR的无效帧率达到15％，这对网络带宽是极大的浪费。GMSR的路由维护机制较好地控制了路由开销，提高了数据发送的可靠性。另外，自适应无效视频数据清理策略在一定程度上提高了带宽的利用率。

图18(c)和图18(d)分别显示了视频帧的平均端到端时延和抖动的变化趋势。随着干扰源数目的增加，协议性能呈现出相同的变化趋势。在干扰源数目较少时，GMSR和GMSR2较为明显地改善了时延，其中GMSR的表现最优。然而，当干扰源数目较多时，DSR的表现接近甚至超过了GMSR和GMSR2。一方面，干扰源数目的增多导致数据发送发生冲突的概率提高，DSR路由协议受到的影响为严重。由于DSR丢包严重，使得网络的可用带宽提高，被正常接收的数据包的时延和抖动得到了一定改善。然而，这样的改善对于提高流媒体通信性能意义不大，因为大量的丢包会严重视频播放质量。另一方面，GMSR和GMSR2的路径健壮性优于DSR，能够将丢包始终维持在一个较低的水平。因此，随着网络可用带宽的减少，视频数据的时延和抖动必然受到一定影响。

图19(a)显示了干扰源数目增加对路由载荷的影响。DSR提供了最低的路由载荷，其次是GMSR，最后是GMSR2。GMSR和GMSR2的路由请求转发策略增加了一定的路由开销，但是明显改善了流媒体服务质量，因此付出这样额外的开销是有意义的。需要注意的是GMSR相比GMSR2有更优表现，这与图17(a)的结果相类似，其中累积路由回复机制发挥了重要作用。

图19(b)给出了干扰源数目增加对路由发现频率的影响。GMSR的路由发现频率最低，其次是GMSR2，最后是DSR。多路径路由机制对降低路由发现次数起到了关键作用。

图19(c)给出了路由回复开销的变化趋势。GMSR的路由回复开销明显低于GMSR2和DSR，累积路由回复机制极大地减少了路由回复消息的数量。在一次路由发现过程中，GMSR2有可能产生比DSR更多的路由回复消息数量，但多路径路由机制可以有效延长路径寿命，从而减少初始化的路由发现次数，因此总体上GMSR2产生的路由回复消息数目小于DSR。

图19(d)给出了路由错误开销的变化趋势。随着干扰源数目的增加，信道的通信质量下降，导致路由错误增多。不同与图17(d)的结果，三种路由协议的产生的路由错误消息数目较为接近。在节点低速移动的场景下，由路径中断导致的路由错误相对较少，随着干扰源数目的增加，信道的通信质量下降是导致路由错误的重要因素之一。

(5)缓存时间对多媒体网络性能的影响

实验三重点研究接收方缓存时间变化对视频播放质量的影响(如图20所示)。缓存时间增加通常会在一定程度上影响流媒体播放的实时性，这里将接收方缓存时间的变化范围设为400ms-10s。该实验考虑的是节点持续移动的场景，其中包括6个干扰源，节点最大移动速度为10m/s。

图20(a)和图20(b)给出了缓存时间变化对可解码帧率和无效帧率的影响。随着缓存时间的增加，GMSR和GMSR2在400ms到3s之间呈现快速增长的趋势，在3s到10s之间趋于稳定；而DSR则在整个时间段都呈现出增长的趋势。GMSR提供了最优的可解码帧率和相对较低的无效帧率，当缓存时间超过2s时，可解码帧率能够维持在90％以上。DSR提供的可解码帧率受缓存时间影响较大，当缓存时间超过5s时，仅达到80％的水平。结果表明GMSR能够有效改善多媒体数据投递的实时性，提供更加平滑的视频播放质量。

图20(c)和图20(d)给出了缓存时间的变化对视频帧时延和抖动的影响。当缓存时间较低时，三种路由协议提供的视频帧时延和抖动数据较为接近。由于GMSR和GMSR2对数据投递实时性的改善成效明显，缓存时间的增加对时延和抖动的影响较小；而DSR传输流媒体实时性较差，缓存的时间的增加使客户端可以接收到更多的视频数据，因此时延和抖动变化较大。

Claims

1.一种基于GOP的多路径源路由协议实现方法，应用于由源节点、中间节点和目的节点构成的网络，其特征在于所述实现方法包括如下步骤：

步骤(1)，基于业务优先级的洪泛步骤，将路由请求控制包RREQ包16位标识域中最后一位存放标识flag_m；当要传输多媒体数据时，所述源节点将RREQ包的标识flag_m设置为1并发送至中间节点，所述中间节点收到RREQ包后采用面向多媒体业务的转发方法转发；当要传输普通数据时，所述源节点将RREQ包的标识flag_m设置为0并发送至中间节点，所述中间节点收到RREQ包后采用DSR路由协议方法进行转发；

步骤(2)，累积路由回复步骤，包括三个子步骤：

A.所述目的节点接收到新的RREQ包时，立即向所述源节点发送新的路由回复控制包RREP包，所述源节点收到新的RREP包后将作为主路径使用；

B.所述目的节点沿着主路径发送累积路由回复控制包CRREP消息，为沿途的中间节点配置备用路径；

步骤(3)，自顶向下跨层工作步骤，该步骤作用于应用层、传输层和网络层：

a.采用应用层为每个即将发送的视频帧设置了相应的参数，包括视频帧类型Ftyp、视频帧序列号Fseq、连续画面GOP序列号Gseq、流标识Fid；

b.在向UDP层传送视频帧前，参数视频帧类型Ftyp、视频帧序列号Fseq和流标识Fid被直接传递到了网络层；

c.当传输层收到了来自应用层的视频帧后，按照传输层的最大传输单元MTU进行分割成段，将分割的数目Nseg直接传递给网络层；

d.在给步骤c相应的分割段配置UDP包头后，发送到网络层；

e.在记录下相应的多媒体参数：视频帧类型Ftyp、视频帧序列号Fseq、GOP序列号Gseq、流标识Fid和步骤c所述的分割数目Nseg后，网络层便等待接收上层的数据；

2.根据权利要求1所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于步骤(1)所述的面向多媒体业务的转发方法中，当中间节点转发重复RREQ包时必须同时满足如下条件：

①与该中间节点收到的第一个RREQ包的时间间隔不超过设定的时间；

②路径同之前收到的RREQ包里的路径不相交；

③所述RREQ包沿途经过的节点跳数不大于之前RREQ包的跳数。

3.根据权利要求1所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于：为实现累积路由回复步骤，将多条路径信息记录到一个RREP包中，集中从所述目的节点发送到所述源节点，所述中间节点收到RREP包后记录下相关的路由信息；将RREP包中占用了7位的保留字段用来存储该RREP包中记录的路径的数目，并开辟新的存储空间记录所述中间节点到达所述目的节点的路径信息。

4.根据权利要求3所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于：对于累积路由回复步骤，如果需要存储的路径信息超过了选项数据长度的上限，则通过CRREP包分多次发送所述需要存储的路径信息。

5.根据权利要求4所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于：为进一步实现累积路由回复步骤，每个节点设置主路由缓存和副路由缓存，当接收到新的RREQ消息时，所述目的节点便将其中携带的路径信息分别记录在所述主路由缓存和所述副路由缓存中，并向所述源节点发送RREP包，建立所述源节点到所述目的节点之间的主路径；当在此后设定的时间内，所述目的节点收到重复的RREQ包时，先将其中的路径信息存放到所述副路由缓存中，然后将该路径信息同所述主路由缓存中的路由信息进行比较，当路径不相交，则将所述重复的RREQ包的路由信息记录到所述主路由缓存中去；当经过设定的时间后，所述目的节点停止接收新的RREQ包，并调用副路由缓存中的路由信息计算得到所述主路由缓存中各条主路径上中间节点的备用路径信息，最后根据得到的备用路径信息沿着各条主路径发送CRREP消息。

6.根据权利要求1所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于：在步骤(3)所述的自顶向下跨层工作步骤中，每个IP数据包由一个头部和一个正文部分组成，服务类型域在头部占据了6位，将服务类型域右边未被使用的两位用来存储该数据包所属的视频帧类型Ftyp；新开辟一块32位数据域，其中前两个12位长的字段用于记录该数据包所属的视频帧序列号Fseq和GOP序列号Gseq，剩下的8位用于记录数据包所属的流标识Fid。

7.根据权利要求1所述的基于GOP的多路径源路由协议实现方法，其特征在于还包括自适应的无效视频数据清理步骤：

将原DSR路由协议中的路由错误控制包RERR包原有的8位长度的保留字段用于存放无法投递的视频包所属的帧类型UFtyp；相对DSR路由协议中的RERR包结构新建一块32位长的数据域，其中前两个12位长的数据字段分别用于记录无法投递的视频包所属的帧序列号UFseq和GOP序列号UGseq，剩下的8位用于记录流标识序列号UFid；节点的网络层设置了5个变量，其中4个变量用于记录反馈来的多媒体参数：无法投递的视频包所属的帧类型UFtyp、帧序列号UFseq、GOP序列号UGseq和流标识序列号UFid，剩下的一个变量用于存储一个用Flagd表示的标识；所述自适应的无效视频数据清理步骤具体如下：

I)视频参数获取：在数据传输过程中，当数据包无法投递，则相应的节点检查经过扩展的IPv4包头中的Ftyp字段：对于普通的数据类型，所述节点仍然采用DSR路由协议方法配置RERR包；对于多媒体数据类型，节点会记录下IPv4包头中相应的多媒体视频帧类型Ftyp、视频帧序列号Fseq、GOP序列号Gseq、流标识Fid，并将视频帧类型Ftyp、视频帧序列号Fseq、GOP序列号Gseq、流标识Fid写入RERR包中，最后沿着反向路径发送RERR包；当沿途的节点收到RERR包，则检查其EFtyp域，当EFtyp域的值不为0，相应的节点记录下RERR包中多媒体中的无法投递的视频包所属的帧类型UFtyp、帧序列号UFseq、GOP序列号UGseq和流标识序列号UFid，并将Flagd域设置为1；

II)数据传输控制，当有数据包发送或转发时，所述节点会查看数据包IPv4头部中的Ftyp域：

当数据包是多媒体数据类型，则检查数据包所属的流标识Fid域，当流标识Fid和本节点记录的EFid值相同，则检查本节点记录的Flagd数值：当Flagd值为1，需要的转发数据包属于B帧的数据包出错时，仅丢弃属于该帧的后续数据包；当需要的转发数据属于I帧或P帧的数据包无法投递时，相应的节点丢弃相关GOP中后续所有即将发送或发送过程中的B帧，但是不丢弃属于该视频帧的后续数据包以及GOP中后续的P帧；

当数据包是是普通数据类型，则采用DSR路由协议方法操作。