CN107172663A - Ad Hoc网络的QoS路由方法 - Google Patents

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秦开宇
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何中海
张翔引
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Abstract

本发明涉及远程虚拟专网技术领域，具体涉及一种Ad Hoc网络的QoS路由方法，包括使用GCMPR中提出的算法计算不同的路径和使用拥塞信息的反馈机制来均衡网络负载。本发明的各个路由节点通过比较宣告消息中的路径标识得出不同的路径，使得在网络中发生拥塞时，可以根据不同路径带宽的不同来选择相应的路径分担网络需求，对于Ad Hoc网络有使用意义。

Description

Ad Hoc网络的QoS路由方法
技术领域
本发明属于远程虚拟专网技术领域，具体涉及一种Ad Hoc网络的QoS路由方法。
背景技术
Ad Hoc网络是由一些分布在不同地方的移动节点组成的，其体系结构可以分为平面式和分级式。在节点数比较少的时候，采用平面式的结构已经可以充分满足人们的各种通信和处理需要，但是随着节点数的增多，由于节点本身又是在不停移动的，这种结构会出现处理能力弱、开销大、经常发生中断等缺点。因此，在网络节点比较多的时候，必需采用分级结构。分级结构中的网络节点会被分到若干个簇中，每个簇都会有簇头和簇成员，簇头来负责簇内的通信，而簇头之间的通信是通过网关来转发的。这种结构虽然解决了Ad Hoc网络的可扩展性，但也带来了一些其它的问题，比如分簇算法的选择、簇结构的维护和开销、路由的优化、网络的负载平衡等。
当用户向Ad Hoc网络提交一个规模较大的任务时，由于Ad Hoc网络中的节点通常是一些移动终端设备，这些设备的能量维持是靠电池提供的，而电池的电量是非常有限的，仅在一个节点上执行可能无法完成或是执行的太慢，这个时候就需要通过合理的任务划分和调度来解决，寻找到合适的节点来共同完成任务，这样不仅能够防止资源的集中消耗，还能通过这种分布式执行的方式大大地减少任务执行所花费的时间，让用户享受到高质、高效的服务。但是，不好的任务调度策略反而会加大网络的通信开销，使得节点的选择时间和任务的分配时间远远大于任务执行所需要的时间，降低了整个网络的执行效率。因此，我们在任务调度时需要采用一种合适的任务调度方法。
Ad Hoc网络凭借它的灵活性、易于迅速展开等特点，已经得到越来越广泛的重视和应用。人们已经不再满足移动Ad Hoc网络提供的纯数据服务，而是希望网络能够提供更多的业务类型，如Vo IP，视频会议等，因此Ad Hoc网络需要具有一定QoS(服务质量)保障能力。在有线网络中，由于有中心节点的控制，这些要求可以很好的满足.但是Ad hoc无中心，自组织，自由移动使网络节点不能了解整个网络的状态，在网络负荷较大的情况下，某些实时业务的传输受到影响，导致超时或丢包，降低了网络整体性能。QoS保证是推动Ad Hoc网络民用化、确保互联网络提供多媒体实时服务的关键技术。与有线网络相比，无线Ad Hoc网路的带宽受限，网络拓扑变化较快，且缺乏中心控制单元。因此，一般认为互联体系中QoS保证问题的关键在Ad Hoc网络中，只有通过建立完整的QoS保证结构框架，并和已存在的有线网络QoS保证机制结合才能有效地解决问题。
满足QoS约束的路由协议是Ad Hoc网络QoS保证结构框架的重要组件，但Ad Hoc网络的频繁变化和不稳定的链路带宽使得单径路由协议(如DSR，AODV等)的性能受到很大限制。由于多径路由具有稳定和网络资源利用率高的特性，它比原来的单径路由更适合于QoS路由的要求。当前已提出了多个多径路由解决方案：
(1)AODV-BR(AODV Backup Routing)和AOMDV(Ad-Hoc on Demand MultipathDistance VectorRouting)策略，为AODV提供了多路径的扩充；
(2)Hu Y.-C.,Johnson D.B在《Caching strategies in on-demand routingprotocols for wireless Ad Hoc networks》提出了一种扩展DSR的机制，这种机制允许当主路由失效时,切换使用备用路由；
(3)Perkins C.E.,Royer E.M在《Ad-Hoc on demand distance vec-torrouting.In:Proceedings of the IEEE Work-Shop on MobileComputing Systems andApplications(WMCSA)》提出了一种对寻找到的多路径使用层次性的WRR调度策略MSR(Multipath Source Routing)进行调度的算法以均衡负载；
(4)Park V.D.,Corson M.S在《A highly adaptive distributed routingalgorithm for mobile wireless networks》提出了SMR(SplitMultipath Routing)策略，该策略更倾向于建立和保持最大数量的不相交路径。
上述的方法各有优点，但是也有不足的地方。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ad Hoc网络的QoS路由方法。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种Ad Hoc网络的QoS路由方法，包括以下步骤：S1、每个节点周期性泛洪自己的宣告消息，同时接收其他节点的宣告消息；S2、每个节点反馈其他节点发送的宣告消息，并且在反馈消息中带有本条路径的可用带宽；S3、收到其他节点的宣告消息，根据GCMPR中关于不同路径判断的算法得到到达其他节点的不同路径；S4、通过S3中得到的路径来形成多径路由表；S5、从多径路由表中选择路径可用带宽最大的路径形成单径路由表；S6、当链路发生拥塞，根据拥塞信息的反馈机制来调整路由。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用节点单径路由表和多径路由表，使用拥塞时，通过多路径分担流量运输来均衡负载，从而既保证了网络的需求又克服了部分节点消失后大量数据丢失的问题，同时使协议有更好的兼容性；
(2)采用对拥塞信息的反馈机制进行自适应路由调整，该调整机制能更快地对网络拥塞做出反应，能更好地适应网络环境的动态变化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明数据包的格式示意图；
图3为本发明单径路由表的格式示意图；
图4为本发明多径路由表的格式示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
如图1所示，本实施例提供一种Ad Hoc网络的QoS路由方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、每个节点泛洪自己的宣告消息；
在Ad Hoc网络中泛洪节点宣告消息，让每个节点了解其他的节点以及通过他让每个节点形成自己的多径路由表。节点宣告消息如图2所示，包括以下内容：
类型：用于标记该数据包是什么数据类型，类型有三种，一种是普通的数据类型，一种是拥塞信号，还有一种则是节点宣告。
已存活时间：这个数据包已经在路径中存活了多长时间，如果超过了最大存活时间则被判断为可以丢弃。
Flag：用于标记是否是回馈消息。
本节点地址：标记发出消息的节点地址。
时间：不是回馈消息时，记录的是数据包发送的起始时间；当数据包是回馈消息时，记录的是两个节点之间的时延。
带宽：当类型为普通的数据类型时，内容为需求带宽；当类型为拥塞信号时，内容为本节点到目的节点的路径可用带宽；当类型为节点宣告消息，且Flag是回馈时，内容为本节点到目的节点的路径可用带宽，(本节点到目的节点的路径可用带宽：当前节点到目的节点所经过的路径上所有相邻节点之间的最小带宽)，带宽的计算：数据包的大小/时延。
路径标识：记录的是路径上本节点的下一跳地址和路径上源节点的第一跳地址。
上一跳地址：记录本条路径上前一跳节点的地址。
最大存活时间：这个消息可以存活多久。
数据包大小：本数据包的大小。
S2、每个节点反馈其他节点发送的宣告消息，并且在反馈消息中带有本条路径的可用带宽；
S3、收到其他节点的宣告消息，根据相应算法得到到达其他节点的不同路径；这里使用的是刘永强，颜伟和戴亚飞在《GCMPR:Gateway-Centric Multi-path Routing forInternet Connectivity of Wireless Mobile Ad Hoc Network》提出的方法来查找到达其他节点的不同路径，具体包括以下步骤：
S3.1、每个节点收到其他节点的宣告消息，取出消息中的路径标识变量；
S3.2、路径标识变量用来判断两条路径是否链路相交.定义路径标识为：
路径标识＝〈下一跳地址,第一跳地址〉
其中下一节点是路径上本节点的下一跳地址,第一个节点是路径上源节点的第一跳地址。设路径标识i和路径标识j分别是来自路径i,j的两个不同的宣告消息中的路径标识。定义路径标识的如下比较操作：
路径标识i＝路径标识j(下一跳地址i＝下一跳地址j)∨(第一跳地址i＝第一跳地址j)
路径标识i≠路径标识j(下一跳地址i≠下一跳地址j)∧(第一跳地址i≠第一跳地址j)
比较路径标识，通过比较路径标识可以保证到达目的节点的路径是不相关的并且不存在环路；
S3.3、如果路径标识相同，那么说明这两条路径不是路径无关的或者可能存在环路，如果不相同，那么说明这两条路径是路径不相关的；
以上是路由节点判断到达其他节点是否存在不同路径的过程，如果路径标识相同那么认定这两条路径相关，如果路径标识不同那么认定两条路径路径不相关；
S4、通过S3中得到的路径来形成多径路由表；
S5、从多径路由表中选择路径可用带宽最大的路径形成单径路由表；
在步骤S1和S2中，节点通过泛洪的宣告消息获取了邻近节点以及远端节点的信息，足够我们给每个节点形成他们自己抵达其他节点的单径路由表和多径路由表，于是每个源节点、中间节点及目的节点都拥有自己的单径路由表和多径路由表，足以完成通信需求。
节点单径路由表的格式如图3所示，多径路由表的格式如图4所示。我们将网络节点间通信的单径信息和多径信息分别存在两个表中。我们记录下整条路径，方便与通信时明确路径之间的不同以及带宽的差异
当单独一条路径足以满足传输需求时，并不启用其他路径；但是当单独一条路径不满足需求时那么启用其他可能的路径来分担需求的带宽，从而使数据传输可以正常进行。
S6、当链路发生拥塞，根据拥塞信息的反馈机制来调整路由。
对拥塞信息的反馈机制为：当网络中发生拥塞时，当前节点产生拥塞信号，拥塞信号沿数据包中记录的上体条地址向上一跳反馈，同时当前节点开始进行拥塞控制操作。具体步骤如下：
S6.1、当本节点收到了拥塞信号时，首先查看该节点的多路径路由表是否存在其他路径，如果存在，那么判断所有路径的可用带宽(这条路径上所有两个节点之间的可用带宽的最小值)之和是否可以满足需求；
S6.2、如果满足需求，假设当前有n条可能的路径，在可能的路径中按路径可用带宽从大到小排列，使用其中的前m(m<n)条已经足以满足带宽需求那么就只使用m条路径来分担需求，分担的比例为：本条路径的当前可用带宽/所有分担路径的当前可用带宽之和；
S6.3、如果不满足需求那么则继续向前一个节点发送拥塞信号；
S6.4、前一个节点同样重复S6.1到S6.3的过程，直到重新满足网络需求为止；
S6.5、若拥塞解除，则不再传输拥塞信号。
上述过程，阐述了拥塞信息的反馈机制，通过多路径的分担负载，满足网络需求，在网络负载较重的情况下，新的路由调整机制能更快地对网络拥塞做出反应。
以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims (3)

1.一种Ad Hoc网络的QoS路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、每个节点周期性地全网泛洪自己的宣告消息，宣告消息中含有路径标识，带宽，时间，数据包大小等重要消息；
S2、每个节点反馈其他节点发送的宣告消息，并且在反馈消息中带有本条路径的可用带宽；
S3、当本节点收到其他节点的宣告消息时，根据刘永强，颜伟和戴亚飞在《GCMPR:Gateway-Centric Multi-path Routing for Internet Connectivity of WirelessMobile Ad Hoc Network》提出的方法来得到到达其他节点的不同路径，同时该方法对数据包中的路径标识进行相应操作来验证两条路径之间的路径不相关性并且确保路径中不存在环路；
S4、通过S3中得到的路径来形成多径路由表，多径路由表中我们记录的是多条可达路径，并且添加了当前路径可用带宽这个重要信息。因为在网络拥塞的时候要根据路径可用带宽来选择对应的路径，从而满足网络的需求；
S5、从多径路由表中选择路径可用带宽最大的路径形成单径路由表，当单径路由表中的路径就可以满足任务需求时，则直接使用该条路径即可。但当单径路由表中的路径无法独自满足任务需求的时候，则需要多路径路由表中多条路径来一起传输，从而满足网络的需求；
S6、当链路发生拥塞，根据拥塞信息的反馈机制来调整路由，并通过多路径分担负载来满足网络需求。
2.根据权利要求1所述的Ad Hoc网络的QoS路由方法，其特征在于，所述数据包包括以下内容：
类型：用于标记该数据包是什么数据类型，类型有三种，一种是普通的数据类型，一种是拥塞信号，还有一种则是宣告消息；
已存活时间：这个数据包已经在路径中存活了多长时间，如果超过了最大存活时间则被判断为可以丢弃；
Flag：用于标记是否是回馈消息；
本节点地址：标记发出消息的节点地址；
时间：当Flag标志不是回馈消息时，记录的是数据包发送的起始时间；当数据包是回馈消息时，记录的是两个节点之间的时延；
带宽：当类型为普通的数据类型时，内容为需求带宽；当类型为拥塞信号时，内容为本节点到目的节点的路径可用带宽；当类型为宣告消息，且Flag是回馈时，内容为本节点到目的节点的路径可用带宽；(路径可用带宽：当前节点到目的节点所经过的路径上相邻节点之间的带宽最小值)带宽的计算：数据包的大小/时延；
路径标识：记录的是本路径上本节点的下一跳地址，路径上源节点的第一跳地址；
上一跳地址：记录本条路径上前一跳节点的地址；
最大存活时间：这个消息可以存活多久；
数据包大小：本数据包的大小。
3.根据权利要求1或2所述的Ad Hoc网络的QoS路由方法，其特征在于，所述对拥塞信息的反馈机制为：当网络中发生拥塞时，当前节点产生拥塞信号，拥塞信号根据数据包中的上一跳地址向上一跳反馈，同时当前节点就已经开始进行拥塞控制；
具体步骤为：
3.1、当本节点收到了拥塞信号时，首先查看该节点的多路径路由表是否存在其他路径，如果存在，那么判断所有路径的可用带宽(这条路径上所有两个 节点之间的可用带宽的最小值)之和是否可以满足需求；
3.2如果满足需求，假设当前有n条可能的路径，在可能的路径中按路径可用带宽从大到小排列，使用其中的前m(m<n)条已经足以满足带宽需求那么就只使用m条路径来分担需求，分担的比例为：本条路径的当前可用带宽/所有分担路径的当前可用带宽之和；
3.3如果不满足需求那么则继续向前一个节点发送拥塞信号；
3.4前一个节点同样重复3.2到3.3的过程，直到重新满足网络需求为止；
分担路由带宽的原则：假设当前有n条可能的路径，在可能的路径中按路径可用带宽从大到小排列，使用其中的前m(m<n)条已经足以满足带宽需求那么就只使用m条路径来分担需求，分担的比例为：本条路径的当前可用带宽/所有分担路径的当前可用带宽之和。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103476086A (zh) * 2013-09-18 2013-12-25 南京理工大学 基于节点拥塞度预测的动态多径aodv路由方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘永强等: "一种满足QoS约束的自适应多径Ad Hoc网络路由协议", 《计算机学报》 *
王延宾: "无线自组网自适应OLSR路由算法的设计与实现", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（信息科技辑）》 *

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