CN110418393B - 基于节点相对移动速度的区域路由改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于节点相对移动速度的区域路由改进方法，主要解决现有路由协议受节点因受相对移动速度影响而导致吞吐量低的问题。其方案是：节点通过Hello包定时广播相对移动速度；网络层从Hello包提取速度信息，通过非线性映射转化为对应路由表项的失效时间，并更新对应路由表项，若路由表项失效，则节点广播路由更新包，并实时统计路由更新开销；节点利用直线拟合路由更新开销，并对开销变化趋势进行非线性映射，得到路由开销参量，根据该参量与设定的阈值的关系调整路由协议的区域半径。本发明降低了以时间窗口开销作为判断依据带来的随机性和不稳定性，提高了网络拓扑的反应速度和吞吐量，可用于自组织网络中基于区域路由协议。

Description

基于节点相对移动速度的区域路由改进方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及一种区域路由改进方法，可用于自组织网络中基于区域路由协议ZRP。

背景技术

在传统区域路由协议ZRP中，节点维护固定半径的区域路由，在区域内部采取先验式路由方案，在区域外部采用按需路由方案。节点通过周期性发送区域内路由表项建立和维护到达区域内部其他节点的路径，当目的节点在区域外时，通过广播方式按需建立路由进行通信。但是当节点相对移动速度变化时，区域内部路由表项有效性发生变化，如果节点相对移动速度过快，链路断开率增加，路由失效可能性增大，所以应该减小区域半径以降低无效路由对网络吞吐量的影响；节点相对移动速度降低，链路变得更加稳定，增大区域半径可以减少区域外路由发现时延。

作者沈光亮在其发表的论文“基于速度自适应的新型ZRP路由协议”(《计算机工程与设计》，2011年)中，一方面，将节点发送Hello包的固定周期变成基于节点移动速度的动态周期，当节点移动较快时，减小Hello包的发送周期，节点移动速度较慢时，增大Hello包的发送周期。另一方面，节点根据移动速度与初始速度比值调整节点区域半径，实现半径自适应功能。但是该方法存在的不足之处是，当节点速度增加时，减小Hello包发送周期，对于邻节点而言，由于路由表项失效时间固定，因此链路失效时，不能即时感知，仍然会造成大量无效路由。同时，该方法过度依赖节点初始化速度，如果初始速度过大，则会造成该节点区域半径会非常大，无效路由过多；如果初始速度太小，又会造成节点区域半径过小，造成信道资源浪费。

作者黄小岭在其发表的论文“基于节点密度和速度的新型路由协议ZRP-DV研究与仿真”(《电脑知识与技术》，2010年)中，同时考虑路由开销和节点移动速度对区域半径影响，统计一个时间窗口内的区域内路由开销、总路由开销以及当前时刻节点移动速度，在区域内路由开销与总路由开销比值以及当前时刻节点移动速度与时间窗口开始时刻节移动速度的比值共同作用下，调整节点区域半径。但是该方法由于仅利用路由开销的比值作为区域半径调节的条件忽视了开销大小对于网络的影响，因而当网络负载较重时，会加重网络拥塞，造成网络吞吐量进一步下降，并出现恶性循环，造成网络崩溃。

发明内容

本发明的目的在于针对ZRP路由协议固定区域半径的不足，提出一种基于节点相对移动速度的区域路由改进方法，以减少信道资源浪费，缓解网络拥塞，提高路由表项的反应速度和吞吐量。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)采用区域路由协议ZRP的方式进行路由，并在定时器到达时，收集本节点相对移动速度，填入Hello包，并随Hello包广播出去；

(2)网络层从MAC层接收信息，判断是否为路由包，如果是，则执行(3)，否则，送入传统ZRP协议中的数据包处理模块；

(3)判断是否为Hello包，如果是，则执行(4)，否则，执行(5)；

(4)提取报文中速度信息，计算路由表项失效时间life_time，更新对应表项路由表项状态。

(5)判断是否为路由更新包，如果是，则执行(6)，否则，将该路由包送入传统ZRP协议中的路由处理模块；

(6)根据路由表项中保存的序列号判断该包是否为有效路由更新包，如果是，则执行(7)，否则，丢弃该报文，不进行处理；

(7)更新路由表项，转发路由更新包，确定当前时刻所在子时间间隔，统计该子时间间隔内发送的路由更新包总数，执行(8)；

(8)根据实时统计得到的路由更新包数目计算直线斜率k，非线性映射值m；

(9)设定半径不变区间的上限门限值β和下限门限值α，将非线性映射值m分别与这两个门限进行比较：

如果m>β，则节点区域半径增加1；

如果m<α，则节点区域半径减小1；

如果α≤m≤β，则节点区域半径保持不变；

(10)在节点区域范围内广播新的区域半径，其他节点根据接收到的新半径更新源节点区域半径，本轮ZRP区域半径调节结束。

发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明将节点相对移动速度作为参变量，通过非线性映射方式，当节点相对移动速度增加，邻节点将减小该节点路由生存时间，来提高对该节点反应速度，进而提高对网络拓扑的反应速度，克服了传统路由协议中以固定失效时间作为衡量链路状态变化标准所带来的对于拓扑变化快慢不敏感的问题。

第二，本发明实时统计本节点路由更新开销，对利用直线拟合路由开销所得到的路由更新开销变化趋势进行非线性映射，得到路由开销参量，然后根据该参量与阈值的关系调整ZRP区域半径，降低了现有技术中仅以时间间隔结束时节点移动速度或者当前时间间隔内产生的路由开销作为判断依据带来的随机性和不稳定性，提高了吞吐量。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是本发明中的半径预测子流程图；

图3是本发明中的Hello包格式图；

图4是本发明中的路由更新包格式图；

图5是本发明中的路由表结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，定时收集节点相对移动速度，发送Hello包。

(1a)节点设置定时器，定时器到达时，收集本节点相对移动速度，其中，节点相对移动速度，是指节点在单位时间内邻节点变化数目，主要包含经过单位时间后，原路由表新增加的邻节点数目以及失效的邻节点数目这两部分；

(1b)构造Hello包，Hello包的格式如图3，其包含包类型、源节点、移动速度、和区域半径内部路由表项；

(1c)设置报文子类型为1、路由子类型为0、源节点为本节点、移动速度为(1a)中收集的节点相对速度，并通过遍历路由表获得区域半径内部路由表项，该表项包含本节点区域半径内节点、最新先验路由序列号及到达表项中节点的路径；

(1d)将(1c)中设置的字段填入Hello包，并广播发送出去。

步骤2，对接收报文的类型进行判断。

(2a)网络层从MAC层接收到信息，提取报文中类型字段，该报文类型字段包含报文子类型和路由子类型两部分，将报文子类型使用0和1分别表示；

(2b)根据报文子类型字段判断出当前报文是路由包还是数据包：

若字段为1，则判报文为路由包，执行步骤3，

若字段为0，则判报文为数据包，并将该报文送入传统ZRP协议中的数据包处理模块。

步骤3，判断是否为Hello包。

(3a)提取报文中类型字段的路由子类型，该路由子类型包含Hello包、路由更新包、路由请求包、路由回复包和路由错误包五种报文格式，并将这五种报文类型使用0，1，2，3，4分别表示；

(3b)根据路由子类型判断出当前报文的类别：

若字段类型为0，则判报文为Hello包，执行步骤4，否则，执行步骤5。

步骤4，计算路由表项失效时间life_time，更新对应节点路由表项状态。

(4a)设计路由表格式，如图5所示，其中node代表节点，每个节点包含一个路由表项，每个路由表项由五部分组成，分别为到达本节点的下一跳节点，先验序列号、按需序列号、失效时间及到达该节点路径。

该先验序列号，表示在区域内广播信息时最新序列号，用来判断Hello包中所携带路径是否为最新；

该按需序列号，表示按需广播时最新序列号，用来避免广播风暴；

该失效时间，用以记录路由表项生命周期；

该节点路径，用以记录到达本节点所经过的路径；

(4b)根据Hello包中源节点移动速度字段，计算路由表项失效时间life_time，通过如下公式计算：

其中，v_t为发送节点移动速度，T为先验式路由表项最大失效时间，d为设定的路由表项失效时间最低门限值，根据实际测试得到d为2、T为5时节点对移动速度即时反应的效果最好；

(4c)调整节点路由表项失效时间为life_time，并更新路由表项中到达该节点的下一跳节点、到达其他节点路径及先验序列号。

步骤5，判断是否为路由更新包。

(5a)提取报文中类型字段的路由子类型，该路由子类型包含路由更新包、路由请求包、路由回复包和路由错误包五种报文格式，并将这五种报文类型使用1，2，3，4分别表示；

(5b)根据路由子类型判断出当前报文是路由更新包还是其他类型路由报文：若字段类型为1，则判为路由更新包，执行步骤6，否则，将字段为其他数值的报文判为传统ZRP报文，送入传统ZRP协议中的路由处理模块。

步骤6，判断该路由更新包是否有效。

根据路由更新包中广播序列号、生命周期及源节点判断该报文是否有效：

若广播序列号大于路由表中源节点的按需序列号且生命周期大于零，则判该报文有效，执行步骤7，否则，丢弃该报文，不进行处理。

所述路由更新包，是一种用于广播本节点区域半径内失效节点的报文，其格式如图4，它包含类型、源节点、广播序列号、无效节点、先验序列号及生命周期。其中，类型为报文类型，源节点为产生该报文的节点号，广播序列号为最新按需序列号，用来避免广播风暴，无效节点为失效节点，先验序列号为区域内广播信息时最新序列号，生命周期用来判断当前报文是否有效。

步骤7，更新路由表项，转发路由更新包，实时统计路由更新包数目。

(7a)提取路由更新包中序列号、源节点、失效节点信息，更新路由表中源节点序列号，遍历路由表中到达各节点的路径，如果存在通过源节点到达失效节点的路径，则将该路径清除，否则，不做处理；

(7b)判断路由更新包生命周期是否大于0，若是，则判该包生命周期有效，将生命周期减一，并修改发送节点为本节点，转发出去，否则，不做处理；

(7c)利用当前时刻减去该时间窗口起始时刻，得到时间偏移量，确定当前时刻所在子时间区间num：

其中t₀为时间窗口开始时刻，t₁为当前时刻，t₂为时间窗口结束时刻，n为子时间区间数量，这里为4，num为当前时刻所处子时间区间，其中*为点乘；

(7d)对当前子时间区间内已发送的路由更新包数目加一，得到实时统计的路由更新包总数。

步骤8，计算直线斜率k，非线性映射值m。

参考图2，半径预测流程图，计算直线斜率k，非线性映射值m的步骤如下：

(8a)将半径调整时间间隔划分成四个等长子时间区间，统计各子时间区间的更新路由开销，假设取值分别为e₁、e₂、e₃、e₄，将子时间区间序号i和对应的路由开销转化为(i,e_i)的坐标形式，即(1,e₁)、(2,e₂)、(3,e₃)、(4,e₄)；

(8b)计算拟合直线斜率k：

其中x为(8a)中横坐标i，y为(8a)中纵坐标e_i，n为设定的子时间区间数量，i＝1，2，3，4；

(8c)根据拟合直线斜率k计算非线性映射值m：

其中*表示点乘。

步骤9，根据非线性映射值m调节半径。

设定半径不变区间的上限门限值β和下限门限值α，将非线性映射值m分别与这两个门限进行比较：

如果m>β，则节点区域半径增加1；

如果m<α，则节点区域半径减小1；

如果α≤m≤β，则节点区域半径保持不变；

步骤10，在节点区域范围内广播新的区域半径。

在本节点区域范围内广播新的区域半径，其他节点根据收到的新半径更新源节点区域半径。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于节点相对移动速度的区域路由改进方法，包括如下：

(1)采用区域路由协议ZRP的方式进行路由，并在定时器到达时，收集本节点相对移动速度，填入Hello包，并随Hello包广播出去；

(2)网络层从MAC层接收信息，判断接收报文类型：

如果是路由包，则执行(3)；

如果是数据包，则送入传统ZRP协议中的数据包处理模块；

(3)判断是否为Hello包，如果是，则执行(4)，否则，执行(5)；

(4)提取报文中速度信息，计算路由表项失效时间life_time，更新对应表项路由表项状态；通过如下公式计算：

其中，v_t为发送节点移动速度，T为先验式路由表项最大失效时间，d为设定的路由表项失效时间最低门限值；

(5)判断是否为路由更新包，如果是，则执行(6)，否则，将该路由包送入传统ZRP协议中的路由处理模块；

(6)根据路由表项中保存的序列号判断该包是否为有效路由更新包，如果是，则执行(7)，否则，丢弃该报文，不进行处理；

(7)更新路由表项，转发路由更新报文，确定当前时刻所在子时间间隔，统计该子时间间隔内发送的路由更新包总数，执行(8)；

(8)根据实时统计得到的路由更新包数目计算直线斜率k，非线性映射值m；其实现如下：

(8a)将半径调整时间间隔划分成四个等长子时间区间，统计各子时间区间的更新路由开销，假设取值分别为e₁、e₂、e₃、e₄，将子时间区间序号i和对应的路由开销转化为(i,e_i)的坐标形式，即(1,e₁)、(2,e₂)、(3,e₃)、(4,e₄)；

(8b)计算拟合直线斜率k：

其中x为(8a)中横坐标i，y为(8a)中纵坐标e_i，n为设定的子时间区间数量，i＝1，2，3，4；

(8c)根据拟合直线斜率k计算非线性映射值m：

其中*表示点乘；

(9)设定半径不变区间的上限门限值β和下限门限值α，将非线性映射值m分别与这两个门限进行比较：

如果m>β，则节点区域半径增加1；

如果m<α，则节点区域半径减小1；

如果α≤m≤β，则节点区域半径保持不变；

(10)在节点区域范围内广播新的区域半径，其他节点根据接收到的新半径更新源

节点区域半径，本轮ZRP区域半径调节结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(2)中判断接收报文类型，其实现如下：

(2a)提取报文中类型字段，该报文类型字段包含报文子类型和路由子类型两部分，将报文子类型使用0和1分别表示；

(2b)根据报文子类型字段判断出当前报文是路由包还是数据包，即将字段为1的报文判为路由包，将字段为0的报文判为数据包。

3.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中判断是否为Hello包，按如下步骤进行：

(3a)提取报文中类型字段的路由子类型，该路由子类型包含Hello包、路由更新包、路由请求包、路由回复包和路由错误包四种报文格式，并将这四种报文类型使用0，1，2，3，4分别表示；

(3b)根据路由子类型判断出当前报文的类别：

若字段类型为0，则判报文为Hello包，

若字段类型为1，则判报文为路由更新包，

若字段类型为2，则判报文为路由请求包，

若字段类型为3，则判报文为路由回复包，

若字段类型为4，则判报文为路由错误包。

4.根据权利要求1所述的方法，其中(5)中判断是否为路由更新包，按如下步骤进行：

(5a)提取报文中类型字段的路由子类型，该路由子类型包含路由更新包、路由请求包、路由回复包和路由错误包四种报文格式，将这四种报文类型使用1，2，3，4分别表示；

(5b)根据路由子类型判断出当前报文是路由更新包还是其他类型路由报文，即将字段类型为1的报文判为路由更新包，将字段类型为其他数值的报文判为传统ZRP报文。

5.根据权利要求1所述的方法，其中(7)中更新路由表项，转发路由更新报文，确定当前时刻所在子时间间隔，统计该子时间间隔内发送的路由更新包总数按如下步骤进行：

(7a)提取路由更新包中序列号、源节点、失效节点信息，更新路由表中源节点序列号，遍历路由表中到达各节点的路径，如果存在通过源节点到达失效节点的路径，则将该路径清除，否则不做处理；

(7b)将该路由更新包的生命周期减一，判断生命周期是否大于等于0，如果是，则将路由更新包中发送节点修改为本节点，转发出去，否则，不做处理；

(7c)利用当前时刻减去该时间窗口起始时刻，可以计算出时间偏移量，进而确定当前时刻所在子时间区间num：

其中t₀为时间窗口开始时刻，t₁为当前时刻，t₂为时间窗口结束时刻，n为子时间区间数量，num为当前时刻所处子时间区间，其中*为点乘；

(7d)对当前子时间区间内以发送的路由更新包数目加一，得到实时统计的路由更新包总数。

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