CN1738291A - 基于负载均衡的自组网并发多径路由方法 - Google Patents

Abstract

基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，属于无线自组网技术领域，它由路由信息交换、路由生成和数据转发三个步骤构成。路由信息交换为全网范围内的路由信息交换；路由生成由网络中各节点在节点内部运用多重Dijkstra算法计算多条路径，同时计算各条路径的路径负载；数据转发包括路径选择、业务流调度、分组在并行路径上的同时传输等。本发明能够实时收集并掌握准确的路径负载信息；不需要其它的额外开销，能够节省网络带宽资源；有利于实现负载均衡；有利于减轻路由耦合带来的负面影响，降低路径之间的相互干扰；有利于提高网络吞吐量，减少分组传送时延。本发明可以应用于无线自组网络、传感器网络、无线局域网、无线接入等采用负载均衡路由技术的网络。

Description

基于负载均衡的自组网并发多径路由方法

技术领域

本发明属于使用无线自组网技术的领域，如无线自组网络、传感器网络、无线局域网、无线接入等，特别涉及采用负载均衡路由技术的网络。

背景技术

自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络中的终端节点在网络中可任意移动、自由加入和退出网络，网络拓扑结构变化频繁。便携式移动节点通常依靠电池提供能量，发射功率有限，有时需要多跳转发实现通信，每个用户节点都兼有路由器和终端两种功能。节点需要运行各种面向用户的应用程序和相应的路由协议，并根据路由策略和路由表完成数据分组的转发和路由维护工作，故要求节点采用合适的路由协议。自组网络路由协议的目标是快速、准确和高效，要求在尽可能短的时间内找到准确可用的路由信息，并能适应网络拓扑的快速动态变化，同时减小引入的额外时延和维护路由的控制信息，降低路由协议的开销，以满足移动终端计算能力、储存空间以及电源等方面的限制。

现有大多数自组网路由协议运行的结果都是只产生一条单一的路径，由此产生的众多单一路径往往都要经过一部分处于网络中心位置的节点，大量数据通过少量节点传输必然导致网络出现拥塞和瓶颈，使分组传输时延增加。同时，被过度使用的那部分节点的电池能量消耗过快，缩短了网络的总体生存时间。因此，有必要在路由的生成和选择过程中考虑网络中各节点的负载和拥塞情况，对网络进行负载均衡。负载均衡在本质上就是利用分组传输可能存在的多条路径构建分组路由，通过有足够剩余容量的节点转发分组，以减轻现存的和潜在的局部拥塞，在网络中对动态变化的负载进行成功传输，尽可能减少分组丢失和提高网络吞吐率，为业务提供更好的QoS保证。

现有的自组网负载均衡路由方法有：

1、单径负载均衡路由方法，主要有ABR(Associativity-Based Routing，基于联合稳定度的路由，参见文献Toh C K.Associativity-Based Routing for Ad-hoc Mobile Networks.Wireless Personal Communications Journal，March 1997，vol.4，no.2：103-139.)和ARA(ant-colony based routing algorithm，基于蚂蚁群体的路由算法，参见文献Gunes M，Sorges U，Bouazizi I.ARA-the ant-colony based routing algorithm for MANETs.International Conference on Parallel Processing Workshops.18-21 Aug.2002：79-85.)等。这类方法将网络负载作为路由选择的依据之一，寻找一条具有负载均衡功能的最优化路径，数据分组在这条路径上进行传输。这种方法只用一条路径进行数据传输，可靠性不强，负载均衡的效果有限。

2、多径负载均衡路由方法，主要有MSR(Multipath Source Routing，多径源路由，参见文献Yantai Shu，Miao Dong，Lianfang Zhang，Yang O WW，Lei Wang.Adaptive multipathsource routing in ad hoc networks.ICC 2001，IEEE International Conference onCommunications，11-14 June 2001，vol.3：867-871.)和NTBMR(Neighbor-Table-BasedMultipath Routing，基于邻居表的多径路由，参见文献Zhongbang Yao，Junfeng Jiang，Pingyi Fan，Zhigang Cao，Li V O K.A neighbor-table-based multipath routing in adhoc networks.Vehicular Technology Conference，VTC2003，Spring 2003，The 57th IEEESemiannual Volume 3，22-25 April 2003：1739-1743.)等。这类方法将网络负载作为路由选择的依据之一，寻找多条具有负载均衡功能的最优化路径，数据分组同时在多条路径上进行传输。多条路径上的并行传输提高了数据传送成功率、吞吐率等网络性能，减轻了网络拥塞。但这类方法中多路径的产生都是基于源启动按需路由机制，会对网络带宽带来额外的开销；而且路由建立需要时间，会增加数据传输的端到端时延。

现有的自组网负载均衡路由方法存在如下缺点：负载均衡方案主要采用源启动按需路由机制，为实现负载均衡而进行的通信过程增加了网络带宽的额外负担；路由建立过程所消耗的时间增大了数据传输的端到端时延；采用单路径的负载均衡方法在可靠性和吞吐率等方面受到单一路径的限制，负载均衡的效果有限。为此，我们将提出一种基于负载均衡的自组网并行多路径路由方法，以解决现有算法的上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于减少现有自组网多路径负载均衡路由方法中对网络带宽带来的额外开销，降低分组的端到端传输时延，提高分组传送成功率和网络吞吐率，增加算法对应用环境的适应性和健壮性。

本发明中路径选择和业务流调度的原理：

需要发送业务分组的移动节点在节点内部按照最小跳数原则计算出两条以上(如果存在的话)通往目的地的不相交路径p1＝<s，u₁₁，...，u_1m，d>、p2＝<s，u₂₁，...，u_2n，d>、……，其中s代表源节点，d代表目的节点，u代表不同路径上的中继节点，m≤n；将各条路径上各中继节点的网络层内等待发送的分组数分别相加，得到表征路径负载的量 $L_{p1}=\underset{k=u_{11}}{\overset{u_{1m}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_k,$ $L_{p2}=\underset{k=u_{21}}{\overset{u_{2n}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_k,$ ……，比较L_p1和L_p2，……，如果L_p1小于其他路径负载量，则将业务分组放到第一条路径上传送，该路径上的各中继节点在转发业务分组时独立选取最小跳数的路径，逐跳转发；如果L_p1大于其他路径的路径负载量，则将业务分组放到其他路径中路径负载量最小的一条路径上，源节点事先将所有中继节点<u₁，...，u_n>写入业务分组头部，用源路由方式转发。这样，既能够根据不同路径的负载情况进行动态负载均衡，又可以保证各条路径不会交叉或者重合，有利于避免路由耦合。

基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，它由路由信息交换、路由生成和数据转发三个步骤构成。

一、路由信息交换

路由信息交换为全网范围内的路由信息交换，由网络中的每个节点周期性地向邻居节点广播自己的邻居信息，并在全网范围内广播自己所知道的网络拓扑信息和自己网络层的负载情况(等待发送的分组数)来完成。其分步骤如下：

1、在一跳的范围内，节点周期性地广播HELLO消息，其中包含自己知道的所有1跳邻居节点的地址和状态、本节点网络层数据缓冲区等待发送的分组数；

2、在全网范围内，节点周期性地广播TC(Topology Control，拓扑控制)消息，其中包含本节点网络层数据缓冲区等待发送的分组数，以及把自己作为MPR(Multipoint Relay，多点中继)的节点的地址。MPR节点按照以下方法产生：一个节点的MPR节点是它的1跳邻居节点的一个子集，节点要和它的所有两跳邻居节点通信，必须依靠该子集中的节点来中继。

3、节点收到HELLO消息和TC消息后，根据这两种消息所携带的节点连接信息来构建自己的网络拓扑表。从HELLO消息携带的链路状态信息中，节点能够得知自己是否是邻居节点的MPR节点，如果是，则收到邻居节点发来的TC消息时，需要对该TC消息进行转发。

本发明在路由信息交换阶段的具有如下特征：

1、通过HELLO消息周期性地向邻居广播自己知道的所有1跳邻居节点的信息，有利于邻居节点获得最新的本地网络拓扑信息，有利于了解掌握局部网络拓扑。

2、通过TC消息周期性地向全网广播选自己作MPR的节点的信息，把本地的局部拓扑信息散布到全网，有利于网络中的每一个节点都得到最新的、一致的全网拓扑信息。

3、周期性地向全网广播本节点网络层数据缓冲区等待发送的分组数，有利于是全网节点了解当前的网络负载状况，从而进行相应的负载均衡操作。

4、只有MPR节点才转发TC消息，而一般节点不作处理，这样对泛洪信息的转发节点进行了限制，节省了广播开销。

5、TC消息中只包含节点的部分两跳邻居节点，精简了内容，减少了广播开销。

本发明在路由信息交换阶段的创新之处在于：现有的自组网先应式路由算法在路由信息交换时，主要向邻居和全网节点广播本地的局部网络拓扑信息，节点通过该信息可以寻找到去往目的地的路由，但却无法了解各条路由上的负载轻重情况。因此，本发明将节点网络层缓冲区的待发送分组数附加到局部网络拓扑信息上一起广播到全网，使网络中的节点通过内部计算为分组找路时，不仅可以找到所需的路由，还能了解到该路由的负载状况，有利于选择一条负载较轻的路由，为实现负载均衡创造了条件。

本发明在路由信息交换阶段的实质是路由信息交换阶段增加了负载信息的全网发布过程，为节点的选路提供网络负载方面的参考，实现路由的分布式负载优化选择，为在全网范围内实现负载均衡提供帮助。

二、路由生成

网络中各节点通过路由信息交换步骤获得网络拓扑信息和负载信息后，在节点内部运用多重Dijkstra算法计算从源节点到目的节点的多条路径，同时计算各条路径的路径负载，以便于进行业务流调度时作为选择路径的参考。路由生成的具体步骤为：

1、网络中各节点通过路由信息交换步骤获得网络拓扑信息和负载信息后，在节点内部运用多重Dijkstra算法计算从源节点到目的节点的可能存在的多条路径；

2、计算各条路径的路径负载，以便于进行业务流调度时作为选择路径的参考。

多重Dijkstra算法是在经典的Dijkstra算法基础上改进而成的，它能够计算出更多的从源节点通往目的节点的路径。其计算步骤如下：

1、节点获得网络拓扑信息之后，首先运用经典的Dijkstra算法，计算出一条通往某个目的节点的、具有最小跳数的路径；

2、如果使用经典的Dijkstra算法无法计算出到目的节点的路径，说明当前该目的节点不可达，则停止计算；

3、计算出到某个目的节点的最小跳数路径之后，在网络拓扑图的节点集合中将该路径中包含的所有中间节点剔除，生成一个新的网络拓扑图，如果存在通往目的节点的更多路径，这些路径必存在于此新的网络拓扑图中；

4、在新的网络拓扑图中使用经典的Dijkstra算法，寻找一条通往目的节点的最小跳数路径；如果能够得到，则说明多路径存在；否则说明不存在通往目的节点的多路径，停止计算。

5、可以根据需要重复步骤1)～步骤4)，寻找更多通往目的节点的路径。

本发明在路由生成阶段具有如下特征：

1、只要路径存在，在经典的Dijkstra算法基础上改进的多重Dijkstra算法便能够计算出多条的通往目的节点的最小跳数路径，而且这些路径互相分离，减少了相互之间的干扰；

2、生成多条路由的同时，本阶段还将路由上的节点的负载相加，得到了各条路由的负载，为下一阶段业务流的调度提供了均衡负载的可靠依据。

本发明在路由生成阶段的创新之处在于：常用的经典的Dijkstra算法，只能够计算出一条最小跳数路径，本发明将其扩展，提出了多重Dijkstra算法，该算法不仅可以计算出最小跳数路径，还可以方便地计算出更多的分离路径；而且，本发明在生成多条路径的过程中，全在节点内部通过计算得到，没有为网络带宽增加任何的额外负担，这点对于网络带宽非常紧张的无线自组网尤其重要。此外，本阶段还通过计算得到了各条路径的负载信息，为业务流的在多条路径之间的合理调度提供了可靠的依据，为均衡负载创造了有利条件。

本发明在路由生成阶段的实质是用节点的计算资源换取网络的带宽资源，以可以承受的最小代价得到多条相互分离的路径及其负载信息，在努力获取所求性能的同时尽量减少开销。

三、数据转发

数据转发阶段主要包括路径选择、业务流调度、分组在并行路径上的同时传输等。路径选择和业务流调度直接决定了各条路径上的负载轻重，对于负载均衡的效果至关重要；分组在并行路径上的同时传输能够体现多路径传输的优点，但路径之间的相互干扰是个需要注意的问题。为了减轻路径之间的相互干扰，本发明在第一条路径，即最小跳数路径上采用传统的表驱动路由协议所使用的转发方法，由中间节点自主确定下一跳节点，逐跳转发；而在其他路径上采用源路由方式，由源节点确定所有的中间节点，并将整条路径的信息装入数据分组头部，中间节点根据该头部信息来确定是否转发以及如何转发。

数据转发阶段的具体步骤为：

1、在路由生成阶段得到了各条路径的路径负载之后，节点对来自上层的分组按照到达时间的先后依次处理；

2、如果存在通往目的节点的多条路径，则节点比较各条路径的路径负载，选一条负载较轻的，将数据分组发送出去；

3、如果数据分组在第一条路径，即最小跳数路径上传送，则采用传统的表驱动路由协议所使用的转发方法，由中间节点自主确定下一跳节点，逐跳转发；

4、如果数据分组在其他路径上转发，则采用源路由方式，由源节点确定所有的中间节点，并将整条路径的信息装入数据分组头部，中间节点根据该头部信息来确定是否转发以及如何转发；

5、源节点发送分组时按照数据分组到达的先后进行，目的节点收到数据分组后，由其上层进行分组顺序的调整工作。

本发明在数据转发阶段的创新之处在于：数据分组选路时根据两条路径的负载动态选择；数据转发时同时使用两条分离路径并行传送；最小跳数路径和其他路径上数据分组的转发机制有所不同，一种是表驱动机制，另一种是源路由机制，这种方式能够有效避免两条路径使用同样的中间节点，从而减轻了路由耦合带来的负面影响，降低了路径之间的相互干扰。

本发明在数据转发阶段的实质是根据路径负载的不同为数据分组动态选路以实现负载均衡；综合使用表驱动和源路由两种机制转发数据分组以实现在分离路径上的并行数据传输，减少路径之间的干扰。

在具体应用的过程中，可以按照上述三个阶段所确定的规律和方法，通过编程来实现本发明提出的负载均衡多径路由方法。

本发明与其他自组网负载均衡多径路由方法相比，具有以下优点：

1、能够实时收集网络中各节点的负载信息，从而获得准确的路径负载情况；

2、多路径的生成使用多重Dijkstra算法，仅通过节点内部计算就能完成，不需要其它的额外开销，尤其是节省了宝贵的网络带宽资源；

3、为数据分组在多条路径之间进行选路时，使用路径负载作为依据，有利于实现负载均衡，提高多方面的网络性能；

4、综合使用表驱动和源路由等转发机制，在不同的路径上使用不同的转发方式，有利于减轻路由耦合带来的负面影响，降低了路径之间的相互干扰。

5、同时使用两条路径并行传输数据，有利于提高网络吞吐量，减少分组传送时延。

附图说明：

图1为MPR示意图

采用MPR机制后，只有被选为MPR的节点才转发包含路由信息的控制分组，这样，就能够在广播路由信息时进行选择性的泛洪，减少了参与转发控制消息的节点数和整个网络范围内的路由控制消息数量，避免形成广播风暴，同时也节省了开销。随着网络规模的扩大，节点数量和节点密度的增加，采用MPR机制的优势会更加明显。

图2为多重Dijkstra算法示意图

多重Dijkstra算法的主要步骤是在不同的网络拓扑图上分步、依次运行经典的Dijkstra算法，分别得到最小跳数路径和其他路径，各条路径互相分离，没有共同的中间节点。

图3为源路由机制示意图

源路由的特点是采用主机智能，在传送数据分组之前，源节点已经把整条路径上的所有中间节点以及它们的顺序确定好了，并把这个信息装入了数据分组的头部，因此中间节点不需要为数据分组找路，只需按照头部的设置进行转发即可。采用这种机制能够事先确定好路径，减少了路径的变动，降低了路由的随意性，因此有利于实现路径的分离和克服路径之间的相互干扰。

图4为双路径并行传输示意图

同时使用两条路径并行传输数据，有利于提高网络吞吐量，减少分组传送时延。路径1到目的节点的跳数最少，它采用表驱动机制，各中间节点独立地为数据分组确定去往目的节点的下一跳节点；路径2采用源路由机制，数据分组包含有完整的路径信息，各中间节点根据分组头部的信息确定下一跳节点并转发。

图5为基于负载均衡的自组网并发多径路由方法的步骤示意图。

图6为基于负载均衡的自组网并发多径路由方法中路由信息交换的步骤示意图。

图7为基于负载均衡的自组网并发多径路由方法中路由生成的步骤示意图。

图8为基于负载均衡的自组网并发多径路由方法中数据转发的步骤示意图。

Claims (5)

1、基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，它由路由信息交换、路由生成和数据转发三个步骤构成；所述路由信息交换为全网范围内的路由信息交换，由网络中的每个节点周期性地向邻居节点广播自己的邻居信息，并在全网范围内广播自己所知道的网络拓扑信息和自己网络层的负载情况来完成；所述路由生成由网络中各节点通过路由信息交换步骤获得网络拓扑信息和负载信息后，在节点内部运用多重Dijkstra算法计算从源节点到目的节点的多条路径，同时计算各条路径的路径负载，以便于进行业务流调度时作为选择路径的参考；所述数据转发主要包括路径选择、业务流调度、分组在并行路径上的同时传输等。

2、根据权利要求1所述的基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，所述路由信息交换具体步骤为：

1)、在一跳的范围内，节点周期性地广播HELLO消息，其中包含自己知道的所有1跳邻居节点的地址和状态、本节点网络层数据缓冲区等待发送的分组数；

2)、在全网范围内，节点周期性地广播TC消息，其中包含本节点网络层数据缓冲区等待发送的分组数，以及把自己作为MPR的节点的地址；

3)、节点收到HELLO消息和TC消息后，根据这两种消息所携带的节点连接信息来构建自己的网络拓扑表。

3、根据权利要求1所述的基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，所述路由生成具体步骤为：

1)、网络中各节点通过路由信息交换步骤获得网络拓扑信息和负载信息后，在节点内部运用多重Dijkstra算法计算从源节点到目的节点的可能存在的多条路径；

2)、计算各条路径的路径负载，以便于进行业务流调度时作为选择路径的参考。

4、根据权利要求1所述的基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，所述数据转发具体步骤为：

1)、在路由生成阶段得到了各条路径的路径负载之后，节点对来自上层的分组按照到达时间的先后依次处理；

2)、如果存在通往目的节点的多条路径，则节点比较各条路径的路径负载，选一条负载较轻的，将数据分组发送出去；

3)、如果数据分组在第一条路径，即最小跳数路径上传送，则采用传统的表驱动路由协议所使用的转发方法，由中间节点自主确定下一跳节点，逐跳转发；

4)、如果数据分组在其他路径上转发，则采用源路由方式，由源节点确定所有的中间节点，并将整条路径的信息装入数据分组头部，中间节点根据该头部信息来确定是否转发以及如何转发；

5)、源节点发送分组时按照数据分组到达的先后进行，目的节点收到数据分组后，由其上层进行分组顺序的调整工作。

5、根据权利要求3所述的基于负载均衡的自组网并发多径路由方法，其特征是，所述多重Dijkstra算法的具体步骤为：

1)、节点获得网络拓扑信息之后，首先运用经典的Dijkstra算法，计算出一条通往某个目的节点的、具有最小跳数的路径；

2)、如果使用经典的Dijkstra算法无法计算出到目的节点的路径，说明当前该目的节点不可达，则停止计算；

3)、计算出到某个目的节点的最小跳数路径之后，在网络拓扑图的节点集合中将该路径中包含的所有中间节点剔除，生成一个新的网络拓扑图，如果存在通往目的节点的更多路径，这些路径必存在于此新的网络拓扑图中；

4)、在新的网络拓扑图中使用经典的Dijkstra算法，寻找一条通往目的节点的最小跳数路径；如果能够得到，则说明多路径存在；否则说明不存在通往目的节点的多路径，停止计算。

5)、可以根据需要重复步骤1)～步骤4)，寻找更多通往目的节点的路径。

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