IMAODV路由協(xié)議在高速移動的網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector）路由協(xié)議只以路由跳數(shù)為度量，沒有考慮到鏈路穩(wěn)定情況，因此，無法更好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)高速移動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

為此，提出了一種改進(jìn)的AODV路由協(xié)議，即IMAODV（Improved AODV）路由協(xié)議。該協(xié)議主要從路由度量值、HELLO消息的發(fā)送頻率、鄰居節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽方式等幾個方面對AODV進(jìn)行改進(jìn)，使之在移動網(wǎng)絡(luò)中具有較好的擴(kuò)展性和魯棒性。仿真結(jié)果表明，IMAODV協(xié)議能夠較好地適應(yīng)高速移動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)時延和增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

移動自組網(wǎng)（MANET）是由一系列移動終端組成的無固定基礎(chǔ)設(shè)施的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)電量不足或是移動而變化，所以MANET的路由協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有著很大的區(qū)別。
　目前,移動網(wǎng)絡(luò)中較成熟、較典型的路由協(xié)議有DSDV、DSR、AODV、ZRP等[2]。其中，AODV路由協(xié)議[3]是一種經(jīng)典的按需路由協(xié)議，它在一定程度上比其他協(xié)議有較小的路由開銷和更好的擴(kuò)展性能，但是這種路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化的情況下,路由斷鏈的幾率很大，其網(wǎng)絡(luò)性能下降很快，無法保證較高要求的服務(wù)質(zhì)量。
　針對高速移動自組網(wǎng)的特性，本文提出一種基于AODV的改進(jìn)路由協(xié)議，即IMAODV，它在路由度量值、斷鏈修復(fù)策略以及HELLO消息機(jī)制上做了修改，使之能有效地降低網(wǎng)絡(luò)延遲，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過NS2仿真可以看到，本文提出的IMAODV路由協(xié)議與傳統(tǒng)的AODV路由協(xié)議相比具有一定的優(yōu)勢：它既能降低中高速移動自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時，又能在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量；同時，IMAODV路由協(xié)議能夠較好地適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。
1 IMAODV路由算法
1.1 AODV
　傳統(tǒng)自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為主動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議[4]，由于移動自組網(wǎng)存在著動態(tài)多變特性，主動路由協(xié)議應(yīng)用在移動網(wǎng)絡(luò)中有著明顯的缺陷，所以實(shí)際中經(jīng)常使用的都是按需路由協(xié)議[5]。
AODV是Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典路由協(xié)議，它是由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)組成。路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示。而在路由維護(hù)中,節(jié)點(diǎn)通過周期性地發(fā)送HELLO包維持與鄰居節(jié)點(diǎn)的連接，若一段時間后還未收到鄰居節(jié)點(diǎn)的HELLO包，則開始鏈路修復(fù)過程。若本節(jié)點(diǎn)離目的節(jié)點(diǎn)較近，則進(jìn)行本地修復(fù)，發(fā)送RREQ進(jìn)行路由重建，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)有到不可達(dá)節(jié)點(diǎn)的有效路由或者不可達(dá)節(jié)點(diǎn)收到此RREQ后就發(fā)送一個路由回復(fù)RREP給源節(jié)點(diǎn)，這樣路由就得到了重建。若鏈路修復(fù)失敗，則節(jié)點(diǎn)向所有的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RERR包，RERR包中的不可達(dá)節(jié)點(diǎn)列表不僅包括了鏈路斷開的鄰居節(jié)點(diǎn)，還包括了以此鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳的所有目的節(jié)點(diǎn)。通過RERR的廣播，其他節(jié)點(diǎn)便知道鏈路斷開了，當(dāng)此包傳到源節(jié)點(diǎn)時，將進(jìn)行新一輪的路由發(fā)現(xiàn)。

1.2 IMAODV路由算法
　AODV雖然也能適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，但是它的機(jī)制并不靈活,不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送頻率，再者路由度量值僅僅考慮了跳數(shù)信息，且路由單一，所以不能滿足移動環(huán)境較為復(fù)雜或移動速度較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。為了更好地滿足移動自組網(wǎng)的服務(wù)要求，本文將針對高速移動環(huán)境提出的IMAODV，在AODV協(xié)議的基礎(chǔ)上做出以下改進(jìn)，以改善網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和平均端到端延遲。
1.2.1節(jié)點(diǎn)度量值的選取
以跳數(shù)為度量的AODV,容易造成大量數(shù)據(jù)通過少量節(jié)點(diǎn)傳輸引起網(wǎng)絡(luò)的阻塞，而導(dǎo)致分組延時過大，吞吐量下降[6]。為了緩解這種情況，本文在路由度量值的選取中將考慮以下因素：
節(jié)點(diǎn)移動速度：節(jié)點(diǎn)的移動速度越大，鏈路越不穩(wěn)定，所以在選擇路由時要選移動速度較低的中間節(jié)點(diǎn)，避免因節(jié)點(diǎn)移動造成斷鏈的路由重啟過程，以降低網(wǎng)絡(luò)開銷。
延遲：路由過程中，延遲越小，數(shù)據(jù)傳輸才能顯示其時效性。
　 跳數(shù)：跳數(shù)越少，在某種程度上，所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源越少。
　 考慮到節(jié)點(diǎn)的計算復(fù)雜度，路由度量值：

其中hop代表跳數(shù)，nodenum表示網(wǎng)絡(luò)總的節(jié)點(diǎn)數(shù)，delay代表上一跳節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的延遲，speed代表本節(jié)點(diǎn)的移動速度，max speed代表網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最大移動速度，w1、w2和w3分別代表權(quán)值,其中，w1+w2+w3=1，本協(xié)議中w1、w2和w3的值分別取為0.7、0.2和0.1。當(dāng)metric的值越小，路由鏈路的穩(wěn)定度越高，網(wǎng)絡(luò)延遲越小。
1.2.2 節(jié)點(diǎn)功能的改進(jìn)
　傳統(tǒng)AODV中源節(jié)點(diǎn)只保留一條到目的節(jié)點(diǎn)的路由，當(dāng)主路由上的鏈路斷開時，源節(jié)點(diǎn)重新開始進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)幾率較大，容易造成過大的路由開銷和較大時延。為改善這種情況，本文提出的IMAODV，利用無線通信中廣播信道偵聽到的相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的RREP信息建立備用路由[7-8],通過增加節(jié)點(diǎn)的功能,使之具有監(jiān)聽路由控制信息的能力。
1.2.3 Hello機(jī)制的改進(jìn)
IMAODV中對HELLO消息做兩方面改進(jìn)： (1)是為HELLO消息設(shè)置了一個標(biāo)志。初始化為TURE，節(jié)點(diǎn)發(fā)送HELLO消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有路由或數(shù)據(jù)信息需要廣播時，標(biāo)志設(shè)為FALSE。如果HELLO發(fā)送周期再次到來，先檢查標(biāo)志，如果為FALSE，則改變狀態(tài)為TURE后不作任何處理，直至下一個周期的到來，再繼續(xù)檢查標(biāo)志；當(dāng)標(biāo)志為TURE時，則發(fā)送HELLO消息，同時每個節(jié)點(diǎn)在接收路由包或是數(shù)據(jù)包的時候，要更新鄰居的生存時間，這樣可以降低發(fā)送HELLO消息的開銷。(2)由于節(jié)點(diǎn)的移動，會造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，HELLO消息的固定發(fā)送肯定不能有效地捕捉到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑸榱吮ＷC鏈路的有效性，本文將根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的速度來調(diào)節(jié)HELLO包的發(fā)送頻率,發(fā)送頻率與節(jié)點(diǎn)的移動速度成正比，流程如圖2所示。