CN105263166A - 基于优先级的双路径路由无线准入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，分析了每个节点基于优先级的可用带宽，并将可用带宽通过路径请求数据包传输到终节点，在收到所有候选路径后，选出最优的两条来满足数据流的带宽请求。最后，终节点进行路由返回，通过对本节点以及其周围节点的剩余带宽以及可用带宽（基于优先级）的预测来进行准入控制，以此来保证优先级高的数据流可以被优先准入来保证其带宽。通过路由与准入控制相结合，更好地提高了准入控制的效率，同时将传统的单路径路由准入控制扩展成双路径路由准入控制，更好地实现了负载均衡和提供更好的服务质量。与现有技术比较，本发明在吞吐量、时延和抖动方面都表现出色，同时优先保障了高优先级数据包的带宽。

Description

基于优先级的双路径路由无线准入控制方法

技术领域

本发明涉及一种计算机无线网络协议，特别涉及一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法。

背景技术

准入控制分为两种，一种是路由相关的，另一种是路由无关的。路由无关的准入控制已经提出很多，如：SWAN(StatelessWirelessAdHocNetworks)、MPARC(Multi-PriorityAdmissionandRateControl)。但是，之前的研究表明：路由相关的准入控制可能要优于路由无关的，所以，路由相关的准入控制CACP(Contention-awareAdmissionControlProtocol)被提出，不过，它们的路由都是基于单条路径的。平行多路径路由是将数据流分配到多条节点不重合的路径上，相比单路径路由，它能提供更加稳定的服务质量(QoS)以及更好的负载均衡。AODVM(AdHocDistanceVectorRoutingMultipathProtocol)、MSR(MultipathSourceRouting)、MP-DSR(Multi-PathDynamicSourceRouting)等多路径路由算法都已经被提出。

目前，路由相关的准入控制大多数都是基于单路径的且都是不基于优先级的。在WMN(WirelessMunicipalAreaNetwork)网络中，多路径路由通常使用两条不相交的路径来用于路由数据包，为了更好地支撑智慧道路系统中的应用，本文提出了一种基于优先级的双路径路由准入控制机制。

发明内容

本发明是针对路由相关的无线网络准入控制优化的问题，提出了一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，来克服单路径路由可能会遇到拥塞的缺点，并且将数据包的优先级考虑在内来支持智慧道路的无线网络。

本发明的技术方案为：一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，具体包括如下步骤：

1)网络中的所有节点定期地发送数据包来交换和采集本地和邻居节点的信息，请求的数据流被分为不同的优先级，计算基于优先级的可用带宽：

每个优先级配一个此优先级数据流的带宽预留总和TBRi，TBRi是优先级i下所有数据流带宽预留的总和，每个优先级有一个表格来记录每一个预留数据流的信息，在节点x中，计算优先级为i的数据流的可用带宽

2)路由发现：源节点创建一个路由请求RREQ数据包，RREQ数据包经过每个节点，都与本地记录进行对比，没有记录的，增加基于该数据流优先级的可用带宽信息，如不能增加将此数据包丢弃，RREQ数据包到达终节点时，包括了从源节点到终节点整条路径的所有信息；

3)路径选择及速率分配：

每个路径找出最小剩余带宽，作为瓶颈节点的剩余带宽，找出最优的两条路径RB_Pi、RB_Pj，两条路径的剩余带宽都大于等于零，且两条路径分配的速率R_i、R_j不仅要大于零而且两个速率相加为请求准入数据流的带宽需求速率R_req，然后取两条剩余带宽较大者作为两条路径共同的带宽计算分配的速率R；

4)路由返回和准入控制：

当最优的两条路由路径和分配的速率求出后，终节点会发送两个分别携带两条路径信息的RREP数据包，并且将它们按原路送回源节点，当一个节点收到RREP数据包后，进行准入控制，一共分三种情况：

首先是第x个节点的剩余带宽大于等于零的情况，予以准入；

第二种情况是第x个节点的剩余带宽小于零，而基于优先级的可用带宽大于等于零，此时，节点x释放部分低于优先级i的数据流的带宽，以满足这个数据流的请求带宽，然后予以准入；

第三种情况是基于优先级的可用带宽小于零，不予准入；

如果准入控制算法判断出请求数据流可以被予以准入的话，就对此节点以及它载波监听范围内的节点都进行资源预留，如果不予准入的话，就从候选路径中再选出最优的两条来进行路由返回及准入控制，直到没有候选路径符合要求为止。

所述步骤1)中优先级为i的数据流的可用带宽的计算公式如下：

${\left(B_a^x\right)}_i=B_a^x+\underset{n=1}{\overset{i-1}{\Σ}}{\mathrm{TBR}}_n$

是是节点x的剩余带宽，是所有比优先级为i的数据流的优先级小的数据流占用带宽之和。

所述步骤4)中基于优先级的可用带宽大于等于零时进行释放数据流的顺序为：首先是先释放优先级最低的数据流，同一优先级的话，遵循尽可能少地影响数据流的原则，即先释放占用带宽大的数据流的带宽，如果数据流的占用带宽相同的话，先释放预留资源晚的数据流。

本发明的有益效果在于：本发明基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，通过路由与准入控制相结合，更好地提高了准入控制的效率，同时将传统的单路径路由准入控制扩展成双路径路由准入控制，更好地实现了负载均衡和提供更好的服务质量(QoS)。通过与传统的单路径路由准入控制和双路径路由算法进行比较，可以看出本发明之基于优先级的双路径路由准入控制技术在吞吐量、时延和抖动方面都表现出色，同时优先保障了高优先级数据包的带宽。

附图说明

图1为本发明计算基于优先级的可用带宽所用到的优先级带宽预留索引表示意图；

图2为本发明提出的准入控制方法实现的一个简单示例图。

具体实施方式

一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，分析了每个节点基于优先级的可用带宽，并将可用带宽通过路径请求数据包传输到终节点，在收到所有候选路径后，选出最优的两条来满足数据流的带宽请求。最后，终节点进行路由返回，通过对本节点以及其周围节点的剩余带宽以及可用带宽(基于优先级)的预测来进行准入控制，以此来保证优先级高的数据流可以被优先准入来保证其带宽。

在本发明的准入控制中，请求的数据流被分为不同的优先级，并且引入了一个新的带宽估算算法来估算节点的剩余带宽和基于优先级的可用带宽，利用这些参数来进行准入控制，当节点的剩余带宽不能满足请求数据流的带宽需求，而基于优先级的可用带宽可以满足时，我们提出了释放数据流算法来计算释放哪些低优先级数据流的带宽以满足请求数据流的带宽需求。仿真实验结果表明：该准入控制机制与基于单路径的准入控制算法相比，有更高的吞吐量，更低的延迟和更低的抖动，保障了高优先级数据流的带宽需求。

本发明提出的准入控制是和路由相耦合的，所以，整个准入控制的过程包括三个步骤：首先，智慧道路无线网络的初始化，智慧道路无线网络的初始化是指网络中的所有节点都会定期地发送数据包来交换和采集本地和邻居节点的信息，这样一来，本地的拓扑结构就可以被采集到并且被记录下来；接着，进行路由发现，找到最优的两条路径；最后是路由返回，进行准入控制。

由于在智慧道路的无线网络中，数据流都有不同的优先级，所以，优先级高的数据流应当被优先准入，如果，在一个特定的节点，有低优先级的数据流已经被准入且剩余带宽已经不能满足高优先级数据流的情况下，低优先级的数据流应当从准入的队列中剔除，释放出其占有的带宽来优先满足高优先级的数据流。所以，在同一节点，不同优先级的数据流拥有不同的可用带宽，对于高优先级的数据流来说，节点的可用带宽是节点目前的剩余带宽加上低优先级数据流预留的带宽。

本发明基于优先级的双路径路由无线准入控制方法中具体每步采用的方法如下：

1、计算基于优先级的可用带宽：

为了方便计算某一个优先级数据流的可用带宽总和，我们设计了一个基于优先级的带宽预留索引表如图1所示：每个优先级都会有一个此优先级数据流的带宽预留总和TBRi(TotalBandwidthReseration)，是优先级i下所有数据流带宽预留的总和，每个优先级都会有一个表格来记录每一个预留数据流的信息，以便为后面的准入控制做准备。在节点x中，优先级为i的数据流的可用带宽的计算公式如下：

${\left(B_a^x\right)}_i=B_a^x+\underset{n=1}{\overset{i-1}{\Σ}}{\mathrm{TBR}}_n$

是节点x的剩余带宽，是所有比优先级为i的数据流的优先级小的数据流占用带宽之和。

2、路由发现的步骤如下：

1)源节点创建一个RREQ(RouteRequest)的数据包并将它广播到所有的邻居节点，这个RREQ数据包包含一个数据包ID，用于唯一识别每个RREQ数据包。

2)当一个节点收到这个RREQ数据包后，首先，将这个数据包的ID与本地的记录作对比，如果在记录中，没有找到这个ID相应的记录，那么，将这个RREQ数据包的ID记录下来，并且在这个数据包中加入该节点以及它的带宽信息，其中包括该节点的剩余带宽信息以及基于该数据流优先级的可用带宽信息；否则，就把这个数据包直接丢弃。当这个RREQ数据包最终到达终节点时，它包括了从源节点到终节点整条路径的所有信息。

3)终节点会设置一个时间窗口来收集RREQ数据包，这个时间窗口是一个非常重要的参数，它的取值是路由延迟和发现路径数目多少的一个权衡。此窗口值可以设定为搜索到四条路径的平均时间。

3、路径选择及速率分配：

定义1一条路径P，它的剩余带宽设为RB_p(ResidualBandwidth)，是此路径上拥有最小剩余带宽的节点的带宽，这在一定程度上反应了整条路径的传输能力，假设路径P有n个节点，第x个节点在考虑分配给数据流所需定额带宽后的剩余带宽为那么RB_p计算如下：

${\mathrm{RB}}_p=min\{B_r^1,B_r^2,B_r^3,...,B_r^n\}$

定义2假设ρ为一个路由节点不重合的路径集合，这个路径集合的剩余带宽为RBp(ResidualBandwidth)中拥有最小剩余带宽的路径的带宽，设为RB_r,假设ρ＝{P₁,P₂,...,P_n}，第x条路径的最小剩余带宽为RB_rx(x＝1,2,...,n)，那么计算如下：

${\mathrm{RB}}_{\mathrm{\ρ}}=min\{{\mathrm{RB}}_{P_1},{\mathrm{RB}}_{P_2},...,{\mathrm{RB}}_{P_n}\}$

由于我们选择的是双路径路由准入控制，所以，要从所有的路径中，选出剩余带宽最大的两条路径来进行准入控制，问题可描述如下：

求使其满足并且为两条路径分配的速率R₁、R₂不仅要大于零而且相加为请求准入数据流的带宽需求速率R_req。

解决方案如下：

我们假设一个节点的剩余带宽跟速率R呈线性关系，即a+b*R，且两条路径P₁和P₂分别有m和n个节点，所以，两条路径的最小剩余带宽的节点的带宽RB_p定义分别如下：

${\mathrm{RB}}_{P_1}=min\{a_1+b_1*R,a_2+b_2*R,...,a_m+b_m*R\}$

${\mathrm{RB}}_{P_2}=\min \{a_1^{\′}+b_1^{\′}*R^{\′},a_2^{\′}+b_2^{\′}*R^{\′},...,a_n^{\′}+b_n^{\′}*R^{\′}\}$

由于R与R’满足：

R+R′＝R_req

即：R′＝R_req-R,代入公式，得：

${\mathrm{RB}}_{P_2}=\min \{a_1^{\′}+b_1^{\′}*R_{req}-b_1^{\′}*R,a_2^{\′}+b_2^{\′}*R_{req}-b_2^{\′}*R,...,a_n^{\′}+b_n^{\′}*R_{req}-b_n^{\′}*R\}$

设c_x＝a'_x+b'_x*R_req，d_x＝-b'_x，1￡x￡n可得：

${\mathrm{RB}}_{P_2}=min\{c_1+d_1*R,c_2+d_2*R,...,c_n+d_n*R\}$

我们采用最大化最小值的公平性原则来处理这个问题：从定义2,可以看出，当且仅当两条路径的最小剩余带宽的节点的带宽RB_p相等时才可能取得多路径下，剩余带宽的最大值，即求出所有路径中的瓶颈节点的剩余带宽，从中选出两条路径，它们的瓶颈节点的剩余带宽相同并且是最大值。在实际的操作中，剩余带宽的取值相近即能求得最优的剩余带宽，相近带宽之间的差值可用于其他数据流的带宽预留。假设求出了两条路径的瓶颈节点的带宽相同且是所有路径中的最大值，分别为节点i，j， 所以a_i+b_i*R＝c_j+d_j*R，从而求得分配的速率R。

4、路由返回和准入控制：

算法1描述了选择索引表中的数据流来释放带宽的过程。节点x的释放数据流算法思路：首先释放优先级最低的数据流，同一优先级的话，我们遵循尽可能少地影响数据流的原则，即先释放占用带宽大的数据流的带宽，如果数据流的占用带宽相同的话，先释放预留资源晚的数据流。

当最优的两条路由路径和分配的速率求出后，终节点会发送两个分别携带两条路径信息的RREP数据包(包含分配的速率的信息以及两条路径的节点信息)，并且将它们按原路送回源节点。当一个节点(包括源节点和终节点)收到RREP数据包后，就会进行准入控制，一共分三种情况。

首先是第x个节点的剩余带宽大于等于零的情况，意味着准入这个数据流之后，对在这个节点上所有准入的数据流都没有影响，予以准入。

第二种情况是第x个节点的剩余带宽小于零，而基于优先级的可用带宽大于等于零，此时，节点x需要把一些低于优先级i的数据流的资源预留取消，释放出这些带宽，以满足这个数据流的请求带宽，所以予以准入。释放数据流的顺序，首先是先释放优先级最低的数据流，同一优先级的话，我们遵循尽可能少地影响数据流的原则，即先释放占用带宽大的数据流的带宽，如果数据流的占用带宽相同的话，先释放预留资源晚的数据流。在数据流进行资源预留时，就会按照占用资源和时间来插入资源预留的信息，所以，释放数据流是按照优先级带宽预留索引表上的顺序进行的。

第三种情况是基于优先级的可用带宽小于零，在这种情况下，即使将低于优先级i的数据流的带宽全都释放也满足不了请求数据流的带宽需求，所以，不予准入。

如果准入控制算法判断出请求数据流可以被予以准入的话，就对此节点以及它载波监听范围(CSNx)内的节点都进行资源预留，并且在节点的索引表内插入预留的信息，并更新数据流所在优先级的预留带宽数。如果不予准入的话，就从候选路径中再选出最优的两条来进行路由返回及准入控制，直到没有候选路径符合要求为止。

下面举个简单的例子，如图2所示：一共有七个节点的简单网络，假设节点A要发送数据包(优先级为i)到节点D。首先，进行路由发现，假设路由发现的过程中，共发现了三条独立路径：A-B-C-D、A-E-D和A-F-G，分别算出三条路径中所有节点的剩余带宽，从而得出三条路径中瓶颈节点的剩余带宽，依照速率分配的公式，可以求得两条符合要求的平行路径以及分配的速率。然后，携带两条平行路径信息的RREP数据包分别按照原路返回节点A，假设A-E-D是平行路径中的一条，当数据包经过节点E时，需要分别计算在节点E中的剩余带宽和基于优先级i的可用带宽，参照准入控制中的三种情况来进行准入控制，如果没有被准入，则从候选路径A-B-C-D和A-F-G中再选出两条平行路径，重复上述过程。

Claims (3)

1.一种基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）网络中的所有节点定期地发送数据包来交换和采集本地和邻居节点的信息，请求的数据流被分为不同的优先级，计算基于优先级的可用带宽：

每个优先级配一个此优先级数据流的带宽预留总和TBRi，TBRi是优先级i下所有数据流带宽预留的总和，每个优先级有一个表格来记录每一个预留数据流的信息，在节点x中，计算优先级为i的数据流的可用带宽；

2）路由发现：源节点创建一个路由请求RREQ数据包，RREQ数据包经过每个节点，都与本地记录进行对比，没有记录的，增加基于该数据流优先级的可用带宽信息，如不能增加将此数据包丢弃，RREQ数据包到达终节点时，包括了从源节点到终节点整条路径的所有信息；

3）路径选择及速率分配：

每个路径找出最小剩余带宽，作为瓶颈节点的剩余带宽，找出最优的两条路径、，两条路径的剩余带宽都大于等于零，且两条路径分配的速率R _i 、R _j 不仅要大于零而且两个速率相加为请求准入数据流的带宽需求速率R _req ，然后取两条剩余带宽较大者作为两条路径共同的带宽计算分配的速率R；

4）路由返回和准入控制：

当最优的两条路由路径和分配的速率求出后，终节点会发送两个分别携带两条路径信息的RREP数据包，并且将它们按原路送回源节点，当一个节点收到RREP数据包后，进行准入控制，一共分三种情况：

首先是第x个节点的剩余带宽大于等于零的情况，予以准入；

第二种情况是第x个节点的剩余带宽小于零，而基于优先级的可用带宽大于等于零，此时，节点x释放部分低于优先级i的数据流的带宽，以满足这个数据流的请求带宽，然后予以准入；

第三种情况是基于优先级的可用带宽小于零，不予准入；

如果准入控制算法判断出请求数据流可以被予以准入的话，就对此节点以及它载波监听范围内的节点都进行资源预留，如果不予准入的话，就从候选路径中再选出最优的两条来进行路由返回及准入控制，直到没有候选路径符合要求为止。

2.根据权利要求1所述基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，其特征在于，所述步骤1）中优先级为i的数据流的可用带宽的计算公式如下：

是是节点x的剩余带宽，是所有比优先级为i的数据流的优先级小的数据流占用带宽之和。

3.根据权利要求1或2所述基于优先级的双路径路由无线准入控制方法，其特征在于，所述步骤4）中基于优先级的可用带宽大于等于零时进行释放数据流的顺序为：首先是先释放优先级最低的数据流，同一优先级的话，遵循尽可能少地影响数据流的原则，即先释放占用带宽大的数据流的带宽，如果数据流的占用带宽相同的话，先释放预留资源晚的数据流。