CN103856399B - 一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法；首先，本发明运用侦听MAC层控制包来建立备份路由，有效避免了侦听数据包带来的能量消耗。然后设计了基于链路稳定性的备份路由选择算法，增加了备份路由的健壮性，减少了路由的再次断裂，从而增加了包投递率。另外，本发明根据路由特性，将备份路由分为三类，每类有不同的优先级。高优先级的备份路由可以优先被选为传输路径，从而减少了传输时延。本发明从备份路由的建立及路由维护方面综合考虑均路由的稳定性，一方面减小了丢包率，另一方面减少了数据包传递的时延，由此达到提高由于路由稳定性及降低因排队带来的过大的时延的目的。

Description

一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法

技术领域

本发明涉及多媒体通信与网络传输技术领域，尤其涉及一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法。

背景技术

近年来，由于Ad Hoc网络自有的特点，在军事及灾难等场景下得到了较普遍的应用。特别是在灾难发生时期，由于基础通信设施遭到损坏，通信无法进行。而Ad Hoc网络不依赖于控制中心，可以快速地建立起通信保障。因此，国际上对Ad Hoc网络重视程度逐渐加强，越来越多的机构和个人对建立稳定的自组织网络产生了浓厚兴趣。由于网络拓扑的动态变化，如何建立起可靠的路由成为了重要的研究课题。移动自组织按需距离矢量路由AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)和动态移动自组织按需路由DYMO（DynamicMANET On Demand）是传统的单径路由协议。在AODV和DYMO中，源节点只在有数据需要传输时，才会发起路由建立的过程，有效减少了控制开销。但是，AODV和DYMO所建立起的路由都是基于跳数的路由。尽管这种路由能减少传输时延，但它无法保证路由的稳定性。为了解决路径的断裂问题，许多研究者提出了很多改进策略，备份路由算法就是一种有效的解决办法。当主路由发生断裂时，就可以利用提前建立好的备份路由进行数据的传输，从而减少了路由重发现的过程，进而有效的提高了投递率。例如，基于AODV的备份路由AODV-BR（AODVbased Backup Routing）通过侦听路由回复包RREP（Route Reply），中间节点获得了到目的节点的路由信息。但是，当节点移动速度大时，先前建立起的路由可能已经过时了。因此，只在路由发现过程建立起的路由难以维护路由稳定性。为了能够适应拓扑的动态变化，基于AODV的动态备份路由AODV-ABR（AODV Adaptive Backup Routing）提出了一种自适应的建立备份路由的算法。这种算法不需要额外的控制包，只是通过侦听邻居节点数据的传输即可。但是，这种方法需要消耗大量的能量，因为数据包的长度远远长于控制包。

通过分析现有的研究现状，我们发现，几乎所有的备份路由协议都忽略了选择的备份路径的性能。其实，备份路径的性能对网络性能的影响是很大的。缺乏严格评估的备份路径将会导致重新建立起的链路的再次断裂，或者会使能量较低的节点被选为中间节点，从而使投递率降低，传输时延加大。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，该算法是一种新的稳定备份路由机制SBR(Stable Backup Routing)算法，用于和常用的单播路由协议AODV和DYMO相结合，来满足在Ad Hoc网络中，提高路由稳定性的目的。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，包括以下步骤：

Step1：当节点中有数据请求时，启动主路由发现算法，建立主路由；

Step2：在沿路由传输数据过程中，通过侦听介质访问控制层MAC层请求发送包RTS（request-to-send）/清除发送包CTS（clear-to-send）信号，并考虑备份路由的路径成功概率，进行备份路由的建立，并记录此备份路由信息；

Step3：如果一条数据传输链路的发送节点,即上游节点发现数据断裂，则进入路由维护阶段，之后进入Step2；否则，执行下一步；

Step4：数据传输完毕，节点待机。

所述step1中，所述主路由发现算法是采用无线自组织网络Ad Hoc网络的经典最短路由算法，如按需距离矢量路由AODV，动态按需路由DYMO。

所述step2中，所述备份路由包括以下三类，“增加性”,“相等型”，“减少型”，其中，“增加性”备份路由的跳数要比主路由多一跳，“相等型”备份路由的跳数与主路由跳数相等，“减少型”备份路由的跳数比主路由跳数少一跳；为减少传输时延，将最少跳数的“减少型”设为最高优先级，“相等型”为次优先级，“增加型”为最低优先级。

所述step2中，所述备份路由的路径成功概率就是这条路径上所有链路成功概率之积。而链路成功概率：

$p_{\mathrm{suc}}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l$

其中l为包长度，假设网络中的两个邻居节点为节点i及节点j，它们所形成的链路为（i，j），为链路（i，j）的成功概率，为误码率，在节点j接收到由节点i发来的数据包时计算得到；为了让其他侦听节点得到链路（i，j）的成功概率，节点j回复的控制包CTS也要携带此信息。

所述step2中，所述备份路由的建立是指建立“增加性”,“相等型”，“减少型”三种备份路由。其建立过程为：当节点侦听到邻居链路上的节点进行RTS/CTS交互时，如果CTS包中所携带的表征邻居链路的链路成功概率小于通过此节点建立起的路径的成功概率，则表明这条新路径更加稳定，因此在本节点记录下备份路由类型，目的节点地址，下一跳节点地址等备份路由信息（其中，备份路由类型可以根据新路径的跳数与主路由跳数的比较判断的：跳数相同则为“相等型”，跳数减少则为“减少型”，跳数增加则为“增加型”）。

所述step3中，所述路由维护阶段，其具体步骤如下：

（1）广播备份路由请求包；当上游节点基于其链路层的检测机制检测到链路断裂时，转发备份路由请求包BRREQ，BRREQ里面携带了断裂节点地址，并且上游节点设置时间以等待回复；

（2）使用后退机制回复备份路由回复包BRREP；

（3）选择备份路由；如果收到多个备份路由回复包BRREP，节点i将从优先级最高的路由之中选择最先到达的作为备份路由，之后，节点根据此BRREP信息更新路由表，并通过此备份路由转发数据包；

（4）源节点进行重路由；这一过程与AODV的源路由过程相同,即如果节点i在规定时间内没有收到任何BRREP包，将广播路由错误包RRER，当源节点收到此包时，将重新广播请求包RREQ进行重路由。

所述步骤（2）的具体方法为：当收到备份路由回复包BRREP时，邻居节点根据目的节点地址和断裂节点地址查找备份路由表，之后选择优先级最高的路由；如果优先级相等，拥有最大路由成功概率的将被选为备份路由；

当链路断裂时，会出现有多个备份节点回复BRREP的情况，这样会造成冲突和路由开销的增加，尤其是在网络密度大的环境里，这种影响更大，因此，每个备份节点采用后退机制：即使备份节点有到目的节点的备份路由，如果它在后退时间内收到其他节点的BRREP包，本节点也将取消回复BRREP，否则，直到后退时间结束，仍然没有侦听到BRREP，本节点将回复BRREP；

所述步骤（2）中，回复BRREP的具体方法为：假设备份节点为j,BRREQ发送者为i，则后退时间T^(i,j)为：

公式中，为了防止后退时间过大造成的传输时延过大，θ∈(0,0.1]是根据链路传输时延所设置的实数，代表包在节点j处的队列时延，它被定义为：

$d_{\mathrm{que}}^{\left(j\right)}=a_{\mathrm{new}}^{\left(j\right)}\×L^{\left(j\right)}---\left(3\right)$

公式中，L^(j)代表队列长度，代表每发送单位长度的数据包所消耗的时间；假设连续两次数据传送时间间隔为Δt，在此时间内队列减少长度为ΔL^(j)，则可用下列公式估计得到：

$a_{\mathrm{new}}^{\left(j\right)}=\mathrm{\μ}\×\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{L}^{\left(j\right)}}+(1-\mathrm{\μ})\×a_{\mathrm{old}}^{\left(j\right)}---\left(4\right)$

公式中μ∈(0,1)是发送单位长度的数据包所消耗的时间的现在值与过去值的权重因子。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由SBR算法。首先，本发明运用侦听MAC层控制包来建立备份路由，有效避免了侦听数据包带来的能量消耗。然后设计了基于链路稳定性的备份路由选择算法，增加了备份路由的健壮性，减少了路由的再次断裂，从而增加了包投递率。另外，本发明根据路由特性，将备份路由分为三类，每类有不同的优先级。高优先级的备份路由可以优先被选为传输路径，从而减少了传输时延。本发明从备份路由的建立及路由维护方面综合考虑均路由的稳定性，一方面减小了丢包率，另一方面减少了数据包传递的时延，由此达到提高由于路由稳定性及降低因排队带来的过大的时延的目的。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的备份路由示意图；

图3为本发明的备份路由建立流程示意图；

图4为本发明与AODV-ABR协议投递率的比较图；

图5为本发明与AODV-ABR协议平均时延的比较图；

图6为本发明与AODV-ABR协议控制开销的比较图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图1所示，基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，主要分为三个模块，主路由建立，备份路由建立，路由维护，如图1所示。

主路由建立模块，主要是利用Ad Hoc传统基于最小跳数的单播路由算法，如AODV和DYMO，选取从源节点到目的节点的最短路由，并记录到路由表中。之后数据包就可以沿此路由进行传递。最短路由保证了传输时延最短。

备份路由建立模块，首先，将备份路由分为以下三类，“增加性”,“相等型”，“减少型”：其中，“增加性”备份路由的跳数要比主路由多一跳，“相等型”跳数与主路由跳数相等，“减少型”跳数比主路由跳数少一跳。为减少传输时延，本发明中将最少跳数的“减少型”设为最高优先级，“相等型”为次优先级，“增加型”为最低优先级。当然，以上优先级分类的前提是要保证路径的稳定性较高。本发明中，路径稳定性是基于链路成功概率：

$p_{\mathrm{suc}}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l---\left(1\right)$

其中l为包长度，为链路（i，j）的成功概率，为误码率。可以在节点j接收到由i发来的数据包时计算得到。为了让其他侦听节点得到链路（i，j）的成功概率，节点j回复控制包CTS时也要携带此信息。那么，整条路径的成功概率就是这条路径上所有链路成功概率之积。路径成功概率越高，代表路径的稳定性越高。因此，应该选择成功率高的路径作为备选路径。

路由维护模块主要是上游节点在发现链路断裂时启动的。其过程为：

（1）上游节转发BRREQ包，里面携带了断裂节点地址，并且设置时间以等待回复。

（2）当收到BRREQ时，邻居节点根据目的节点地址和断裂节点地址查找备份路由表，之后选择优先级最高的路由。如果优先级相等，拥有最大路由成功概率的将被选为备份路由。

在这里，每个备份节点采用后退机制，即使备份节点有到目的节点的备份路由，如果它在后退时间内收到其他节点的BRREP包，本节点也将取消回复BRREP。否则，直到后退时间结束，仍然没有侦听到BRREP，本节点将回复BRREP。

假设备份节点为j,BRREQ发送者为i，则后退时间T^(i,j)为：

公式中，为了防止后退时间过大造成的传输时延过大，θ被设置为一个很小的实数，仿真中设为0.02。代表包在节点j处的队列时延，它被定义为：

$d_{\mathrm{que}}^{\left(j\right)}=a_{\mathrm{new}}^{\left(j\right)}\×L^{\left(j\right)}---\left(3\right)$

公式中，L^(j)代表队列长度，代表没发送单位长度的数据包所消耗的时间。假设连续两次数据传送时间间隔为Δt，在此时间内队列减少长度为ΔL^(j)，则可用下列公式估计得到：

$a_{\mathrm{new}}^{\left(j\right)}=\mathrm{\μ}\×\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{L}^{\left(j\right)}}+(1-\mathrm{\μ})\×a_{\mathrm{old}}^{\left(j\right)}---\left(4\right)$

公式中μ∈(0,1)是现在值与过去值的权重因子，仿真中设为0.8。被初始化为0。

（3）选择备份路由。如果收到多个BRREP，节点i将从优先级最高的之中选择最先到达的作为备份路由。之后，节点根据此BRREP更新路由表，并通过此备份路由转发数据包。

（4）源节点进行重路由。如果节点i在规定时间内没没有收到任何BRREP包，将广播路由错误包RRER。当源节点收到此包时，将重新广播请求包RREQ进行重路由，这一过程与AODV相似。

如图2所示，路径S-A-B-C-E-D是在路由发现阶段建立起来的主路由，共有5跳。而节点E、F、G是在中间节点B、C、E附近的备份节点。通过侦听MAC信号，假设建立起了三条备份路由B-E，B-F-E及B-G-C。通过分析这三条备份路由的跳数，我们发现备份路由B-E比被替代的主路由B-C-E减少了一跳，因此我们称这种备份路由为“减少”型备份路由；而备份路由B-F-E与被替代的主路由B-C-E跳数相同，这里我们称为“相等”型备份路由；最后，备份路由B-G-C要比被替换主路由B-C多一跳，因而被称为“增加”型备份路由。为减少传输时延，本发明将最少跳数的“减少型”设为最高优先级，“相等型”为次优先级，“增加型”为最低优先级。

如表1所示，本发明MAC缓存表，备份路由表，RTS，CTS的数据结构；

表1（a）MAC缓存表

类型

目的节点

发送节点

接收节点

链路成功概率

时间戳

表1（b）备份路由表

类型

目的节点

“失效”节点

下一跳

路径成功概率

时间戳

表1（c）RTS数据结构表

类型

目的节点

“失效”节点

下一跳

路径成功概率

时间戳

表1（d）CTS数据结构表

目的节点

发送节点

接收节点

链路成功概率

在表1中，为了记录备份路由信息，链路成功概率和备份路由类型添加到了MAC缓存表中。备份路由表中的“失效”节点是用于记录由于主路由上链路断裂可能被备份节点替换的中间节点。MAC缓存表和备份路由表中的数据项都有一个最大生存时间10s。如果现在的时间与时间戳的差值大于生存时间，相应记录将被删除，这也是为了防止数据项过时无法准确获得备份路径。另外，RTS和CTS都要携带控制包发送节点，接收节点和目的节点的地址，CTS还要添加链路成功概率用来记录发送节点和接收节点之间链路的稳定性。

如图3所示，我们假设主路由上有一段路径B-C-E-F，另外节点G是这条路径附近的节点，但不位于主路由上。

（1）“增加型”的建立

在图3（a）中，当节点G侦听到节点B传送的RTS和节点C响应的CTS时，可以根据公式（1）计算出链路B-G，G-C链路成功概率而且可以从CTS中获知B-C的成功概率如果满足这条路由信息将会记录到MAC缓存表中：发送者被标记为B，接受者为C，备份路由类型为“增加型”，路径成功概率为之后如果节点G在移动时间段20ms内未侦听到下游链路的节点的RTS、CTS，这条“增加型”记录将被记录到备份路由表中，同时“失效”节点为节点C，下一跳为C；如果侦听到了，则进行（2）的操作。

（2）“相等型”的建立

在图3（b）中，当完成（1）操作后，如果节点G在规定时间20ms内侦听到节点C的发送的RTS和节点E响应的CTS，而且节点G将更新MAC缓冲表：发送节点为C，接收节点为E，备份路由类型由“增加型”修改为“相等型”，路径成功概率改为之后，这条记录将会添加到备份路由表中，同时“失效”节点为节点C，下一跳节点为E。

（3）“减少型”的建立

不同于“增加型”和“相等型”的建立方法，“减少型”是通过主路由上的下游节点建立的。例如图3(c)中，主路由上的节点E侦听到链路B-C的RTS/CTS交互过程，而且在时间20ms内，节点E收到了节点C向它发送来的RTS。如果这条记录将会被加入MAC缓存表中：发送节点为节点C，接收节点为F，备份路由类型为“减少型”，路径成功概率为之后，更新备份路由表：“失效”节点为C，下一跳为F。

本发明所获得的效果可以通过图4、图5和图6进一步说明。本发明的仿真结果是在NS2-2.34下进行的，比较对象选为经典备份路由协议AODV-ABR。仿真条件如表2所示：

表2仿真参数表

参数	值设置
		仿真器	NS2
节点数目	50
		仿真时间	300s
仿真区域	1500m*300m
		节点放置	随机
移动速度	0-20m/s
		移动模型	Random Waypoint
辐射范围	250m
		MAC层协议	IEEE802.11DCF
数据包大小	512bytes

另外，我们分别修改了AODV，DYMO协议用于支持我们的SBR算法，分别命名为基于AODV的稳定备份路由AODV-SBR，基于DYMO的稳定备份路由DYMO-SBR。在AODV-SBR中，主路由采用AODV的主路由发现算法，SBR负责备份路由建立及路由维护；相同的，DYMO-SBR中，DYMO利用其路径收集机制完成主路由的建立。图4、图5和图6分别给出了三种协议性能的比较，即包投递率、平均端到端时延和控制开销的比较。从图4可以看出，AODV-SBR，DYMO-SBR性能比AODV-ABR性能优越。而图5则说明，当节点停留时间小于200s时，AODV-SBR及DYMO-SBR的时延明显减少。但当节点近乎静止或网络负载小时，这时三种协议时延差别不大。图6是对控制开销的比较。可以看出，SBR可以很好的控制开销。综上所述，本发明在Ad Hoc网络中，能解决传统备份路由算法稳定性差的问题，且能在节点移动速度大及网络负载高的环境下，很好地控制了时延及路由开销。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于稳定性的移动自组织Ad Hoc网络备份路由算法，其特征是：包括以下步骤：

Step1：当节点中有数据请求时，启动主路由发现算法，建立主路由；

Step2：在沿路由传输数据过程中，通过侦听介质访问控制层MAC层请求发送包RTS/清除发送包CTS信号，并考虑备份路由的路径成功概率，进行备份路由的建立，并记录此备份路由信息；

Step3：如果一条数据传输链路的发送节点,即上游节点发现数据断裂，则进入路由维护阶段，之后进入Step2；否则，执行下一步；

Step4：数据传输完毕，节点待机；

所述step2中，所述备份路由包括以下三类，“增加型”,“相等型”，“减少型”，其中，“增加型”备份路由的跳数要比主路由多一跳，“相等型”备份路由的跳数与主路由跳数相等，“减少型”备份路由的跳数比主路由跳数少一跳；为减少传输时延，将最少跳数的“减少型”设为最高优先级，“相等型”为次优先级，“增加型”为最低优先级。

2.如权利要求1所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述step1中，所述主路由发现算法是采用无线自组织网络Ad Hoc网络的经典最短路由算法，如按需距离矢量路由AODV，动态按需路由DYMO。

3.如权利要求2所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述step2中，所述备份路由的路径成功概率就是这条路径上所有链路成功概率之积，而链路成功概率：

$p_{suc}^{(i,j)}={(1-p_b^{(i,j)})}^l$

其中l为包长度，假设网络中的两个邻居节点为节点i及节点j，它们所形成的链路为(i，j)，为链路(i，j)的成功概率，为误码率，在节点j接收到由节点i发来的数据包时计算得到；为了让其他侦听节点得到链路(i，j)的成功概率，节点j回复的控制包CTS也要携带此信息。

4.如权利要求1所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述step2中，所述备份路由的建立是指建立“增加型”,“相等型”，“减少型”三种备份路由，其建立过程为：当节点侦听到邻居链路上的节点进行RTS/CTS交互时，如果CTS包中所携带的表征邻居链路的链路成功概率小于通过此节点建立起的路径的成功概率，则表明这条新路径更加稳定，因此在本节点记录下备份路由类型，目的节点地址，下一跳节点地址等备份路由信息,其中，备份路由类型可以根据新路径的跳数与主路由跳数的比较判断的：跳数相同则为“相等型”，跳数减少则为“减少型”，跳数增加则为“增加型”。

5.如权利要求1所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述step3中，所述路由维护阶段，其具体步骤如下：

(1)广播备份路由请求包；当上游节点基于其链路层的检测机制检测到链路断裂时，转发备份路由请求包BRREQ，BRREQ里面携带了断裂节点地址，并且上游节点设置时间以等待回复；

(2)使用后退机制回复备份路由回复包BRREP；

(3)选择备份路由；如果收到多个备份路由回复包BRREP，节点i将从优先级最高的路由之中选择最先到达的作为备份路由，之后，节点根据此BRREP信息更新路由表，并通过此备份路由转发数据包；

(4)源节点进行重路由；这一过程与AODV的源路由过程相同,即如果节点i在规定时间内没有收到任何BRREP包，将广播路由错误包RRER，当源节点收到此包时，将重新广播请求包RREQ进行重路由。

6.如权利要求5所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述步骤(2)的具体方法为：当收到备份路由回复包BRREP时，邻居节点根据目的节点地址和断裂节点地址查找备份路由表，之后选择优先级最高的路由；如果优先级相等，拥有最大路由成功概率的将被选为备份路由；

当链路断裂时，会出现有多个备份节点回复BRREP的情况，这样会造成冲突和路由开销的增加，尤其是在网络密度大的环境里，这种影响更大，因此，每个备份节点采用后退机制：即使备份节点有到目的节点的备份路由，如果它在后退时间内收到其他节点的BRREP包，本节点也将取消回复BRREP，否则，直到后退时间结束，仍然没有侦听到BRREP，本节点将回复BRREP。

7.如权利要求6所述的一种基于稳定性的Ad Hoc备份路由算法，其特征是：所述步骤(2)中，回复BRREP的具体方法为：假设备份节点为j,请求节点为i，则后退时间T^(i,j)为：

公式中，为了防止后退时间过大造成的传输时延过大，θ∈(0,0.1]是根据链路传输时延所设置的实数，代表包在节点j处的队列时延，它被定义为：

$d_{que}^{\left(j\right)}=a_{new}^{\left(j\right)}\×L^{\left(j\right)}---\left(3\right)$

公式中，L^(j)代表队列长度，代表每发送单位长度的数据包所消耗的时间；假设连续两次数据传送时间间隔为Δt，在此时间内队列减少长度为ΔL^(j)，则可用下列公式估计得到：

$a_{new}^{\left(j\right)}=\mathrm{\μ}\×\frac{\mathrm{\Δ}t}{{\mathrm{\ΔL}}^{\left(j\right)}}+(1-\mathrm{\μ})\×a_{old}^{\left(j\right)}---\left(4\right)$

公式中μ∈(0,1)是发送单位长度的数据包所消耗的时间的现在值与过去值的权重因子。