基于負(fù)載均衡的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)

1、基于負(fù)載均衡的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)基于負(fù)載均衡的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)摘要在移動(dòng)自組網(wǎng)中，減少移動(dòng)節(jié)點(diǎn)電池能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)總的壽命時(shí)間，已經(jīng)成為路由協(xié)議性能評價(jià)的重要方面。本文提出了一種新的路由選擇度量，它綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，路徑的延時(shí)和跳數(shù)，試圖通過一種最優(yōu)路徑選擇算法來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的低能量節(jié)點(diǎn)。結(jié)合該度量方式還提出一種路由選擇協(xié)議 LBAODV (Load Balancing based Ad-Hoc On-Demand DistanceVector Routing) ，仿真結(jié)果表明，該協(xié)議能夠使節(jié)點(diǎn)能耗與負(fù)載的分布更為均勻，相比以前相關(guān)的路由算法有效提高了吞吐量。關(guān)鍵詞 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)；路由

2、協(xié)議；負(fù)載均衡；AODV；能量1引言移動(dòng) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)(MANET) 1 是由一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過自組連接形成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。不同于有線網(wǎng)絡(luò)，它不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施。由于其自組織性、快速部署和無須任何固定設(shè)施的特點(diǎn)，MANET 有廣泛的應(yīng)用，如戰(zhàn)地指揮控制、緊急災(zāi)難恢復(fù)、礦場操作和研討會(huì)信息共享。MANET 正作為重要的、有前途的研究領(lǐng)域受到極大關(guān)注。如今按需路由協(xié)議是移動(dòng) ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的一種路由協(xié)議。作為按需路由協(xié)議代表的 AODV2 和 DSR3 都是以最短路徑作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)，它們在網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載情況下表現(xiàn)良好。然而，在高業(yè)務(wù)量的情況下，AODV和 DSR 的性能都急劇

3、惡化4 ，部分原因是由于其在路徑選擇時(shí)傾向于使用相同的節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)，大量的數(shù)據(jù)通過少量節(jié)點(diǎn)傳輸，引起網(wǎng)絡(luò)的阻塞，從而導(dǎo)致較高的分組時(shí)延，部分節(jié)點(diǎn)也會(huì)過早地電池耗盡。許多研究者認(rèn)識到，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，最短路徑并非是 MANET 中用于路徑選擇的最佳度量5 ,6 。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡正受到越來越多的關(guān)注。MANE 網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在充當(dāng)終端角色發(fā)送和接收信息的同時(shí)，還作為路由中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。由于 MNANET 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，路由的選擇會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，端到端時(shí)延，終端節(jié)點(diǎn)的能量消耗等參數(shù)。多數(shù)終端節(jié)點(diǎn)都采用有限電源模式，因此剩余能量就作為節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源，一旦資源耗盡，終端節(jié)點(diǎn)就無法工作

4、，也無法作為中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法正常運(yùn)行。然而，在一些節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)候，其它節(jié)點(diǎn)還有過多剩余能量，這就造成了 MANET 網(wǎng)絡(luò)的能耗不公平性，還有些節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著比其它節(jié)點(diǎn)更為重要的作用，一旦能量耗盡會(huì)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成巨大損失。因此，就需要在基于最短路徑路由的常規(guī)路由協(xié)議基礎(chǔ)上，更多的考慮網(wǎng)絡(luò)的能量損耗公平性，即負(fù)載均衡性能。本文第 2 節(jié)介紹 MANET 中負(fù)載平衡路由的相關(guān)工作;第 3 節(jié)描述路由協(xié)議 LBAODV，提出一種新的路由選擇度量，它綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，路徑的延時(shí)和跳數(shù)，試圖通過一種最優(yōu)路徑選擇算法來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的低能量節(jié)點(diǎn) 7第 4 節(jié)給出仿真環(huán)境、性能參數(shù)和

5、仿真結(jié)果；最后提出結(jié)論和進(jìn)一步的研究工作。2負(fù)載均衡路由協(xié)議的研究目前提出的負(fù)載均衡路由算法主要有：MRP LB (Multi - PathRouting with Load Balancing) 7 、MSR(Multi - Path Source Routing)8 、DLAR (Dynamic Load- Aware Routing) 9 、LWR (Load AwareRouting) 10 、LSR(Load - Sensitive on Demand Routing) 11 和LBAR(Load - Balanced Ad Hoc Routing) 12 。這些算法的選路準(zhǔn)則不再象

6、普通的 MANET 中的路由算法(如：AODV、DSR 等) 那樣，以“路由最短”作為選路準(zhǔn)則，而是通過一些能夠反映網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)的信息來作為選擇準(zhǔn)則。表 1從選路準(zhǔn)則、性能評價(jià)、是否需要周期性發(fā)送信息三個(gè)方面列出了目前已提出的主要的負(fù)載均衡路由算法的特點(diǎn)。由于現(xiàn)有的 ad hoc 路由協(xié)議缺乏網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡能力，而且沒有考慮網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命，面對大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，協(xié)議不能提供令人滿意的性能。針對上述的不足之處，本文提出了 LBAODV 協(xié)議是綜合路由的負(fù)載均衡，延時(shí)和跳數(shù)來選擇最優(yōu)路徑的。改進(jìn)主要基于以下幾個(gè)方面：1）當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到 RREQ 消息后，首先判斷自己的剩余能量所處的狀態(tài)，進(jìn)而來判

7、斷是否進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，從而防止了 RREQ 分組在全網(wǎng)范圍內(nèi)的不必要轉(zhuǎn)發(fā)和某些節(jié)點(diǎn)的失效，減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高了系統(tǒng)吞吐量，并且平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，延長了重負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間。2）當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)（或者目的節(jié)點(diǎn)）收到來自不同路徑的同一個(gè)路由請求識別碼的路由請求時(shí)，對收到的各請求分組中包含的路徑信息進(jìn)行緩存，然后本節(jié)點(diǎn)將從收到的多個(gè)來自不同路徑的路由應(yīng)答分組中按照一定的算法綜合考慮路由的負(fù)載均衡，延時(shí)和跳數(shù)來選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行記錄，以便數(shù)據(jù)分組可以選擇到目的節(jié)點(diǎn)代價(jià)最優(yōu)的路徑進(jìn)行傳輸。表 1負(fù)載均衡路由算法特點(diǎn)比較3LBAODV 協(xié)議描述3.1三級電池能量閾值保護(hù)狀態(tài)考慮到 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量受限，一旦能

8、量耗盡就不能繼續(xù)工作。而骨干節(jié)點(diǎn)停止工作后將很容易導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的失效。所以路由選擇應(yīng)該盡量避免使用那些剩余能量少的那些節(jié)點(diǎn)。LBAODV 協(xié)議按式（3-1）定義電池剩余能量率 RER（Residual Energy Ratio）：（3-1）此外根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的能量等級對路由請求做出相應(yīng)的響應(yīng)。本協(xié)議采用了 3 個(gè)能量級別，分別為：Danger，Warning ，Normal，分別對應(yīng)于 rer1，rer2，rer3 三級閾值。其中三者順序?yàn)椋簉er1rer2rer3。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到 RREQ 消息后，首先判斷自己的剩余能量所處的狀態(tài)，進(jìn)而來判斷是否進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)該消息。1）若當(dāng)

9、前節(jié)點(diǎn)的處于 Danger 狀態(tài)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將丟棄所有路由請求信息，不再進(jìn)行任何的消息轉(zhuǎn)發(fā)，從而保護(hù)了該節(jié)點(diǎn)。它只為自己作為源節(jié)點(diǎn)或者目的節(jié)點(diǎn)的路徑服務(wù)；2）若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于 Warning 狀態(tài)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將在它的路由表中查找符合條件的替換節(jié)點(diǎn)，并且通知它的上下游節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本地路徑的更新；3）若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)處于 Normal 狀態(tài)時(shí)，在路由請求 RREQ 中添加一個(gè)字段來記錄所經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的最小剩余能量率，以及來記錄 RREQ 從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到目的節(jié)點(diǎn)的延遲。然后繼續(xù)廣播 RREQ。3.2LBAODV 協(xié)議描述3.2.1路由發(fā)現(xiàn)操作當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要和另一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信但沒有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由可使用時(shí)，協(xié)議通過對

10、RREQ 進(jìn)行廣播的方式發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。RREQ 消息攜帶有源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址、初始化值為 0 且每次遞加 1 的序列號、和源節(jié)點(diǎn)的剩余能量率 RER 添加到相應(yīng)的域。收到 RREQ 消息的各中間節(jié)點(diǎn)將對本節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)進(jìn)行判斷。剩余能量不足而導(dǎo)致功能受限節(jié)點(diǎn)通過丟棄 RREQ 而防止本節(jié)點(diǎn)成為新路徑的中間節(jié)點(diǎn)，以避免 RREQ 風(fēng)暴。使產(chǎn)生的路由在避開受限節(jié)點(diǎn)的同時(shí)減少了受限節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā) RREQ 帶來的附加控制開銷。非功能受限狀態(tài)的中間節(jié)點(diǎn)在收到第一個(gè) RREQ 時(shí)，對 RREQ 中攜帶的節(jié)點(diǎn)序列號和相應(yīng)路徑的信息進(jìn)行記錄之后，然后對 域進(jìn)行設(shè)置為原始值和該節(jié)點(diǎn)延遲轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間之和，再將

11、本節(jié)點(diǎn)的剩余能量率 RER 和該請求消息中的 域中的值進(jìn)行比較，如果小于該值，則把當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量 RER 添加到該域中。以實(shí)現(xiàn)對 RREQ 的更新，并將更新后的 RREQ 再次向目的節(jié)點(diǎn)廣播。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)地址、序列號相同的兩個(gè) RREQ 應(yīng)被認(rèn)為是同一個(gè) RREQ 分組。當(dāng)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)收到RREP 分組時(shí)，直接按照 RREP 中包含的路徑對 RREP 繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。另外，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)收到 RREP 分組時(shí)，還會(huì)更新本節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。3.2.2源節(jié)點(diǎn)的操作在 AODV 協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)只接收第一個(gè)到達(dá)的 RREP 報(bào)文。在改進(jìn)的LBAODV 協(xié)議中，主要做了兩方面的改進(jìn)。第一：節(jié)點(diǎn)收到

12、數(shù)據(jù)包后不是一律立即轉(zhuǎn)發(fā)，而是按照剩余能量的多少，延遲一個(gè)與剩余能量成反比的時(shí)間 （能量越少，延遲時(shí)間越長）轉(zhuǎn)發(fā)，如（3-2）式所示。這也是需要綜合考慮負(fù)載均衡，延時(shí)和跳數(shù)的原因（不再是簡單的跳數(shù)越多，延時(shí)越長）。第二：源節(jié)點(diǎn)收到第一個(gè) RREP 報(bào)文后，啟動(dòng)延遲器。當(dāng)延時(shí)器超時(shí)后，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)以下策略在所有到達(dá)的可選路徑中選擇最優(yōu)路徑。如（3-3）式所示：（3-2）其中，為該節(jié)點(diǎn)根據(jù)剩余能量而進(jìn)行的延遲， RE 為剩余能量。（3-3）其中為最優(yōu)路徑，為該路徑中的最小剩余能量率，為該路徑的總的延遲，為該路徑的總的跳數(shù)，為各個(gè)參數(shù)的權(quán)重。在 LBAODV 協(xié)議中采用。3.2.3中間節(jié)點(diǎn)的操作當(dāng)源節(jié)

13、點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包且在它的路由表中沒有有效路徑時(shí)，就調(diào)用路由發(fā)現(xiàn)過程。源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請求（RREQ）消息，中間節(jié)點(diǎn)接收到（RREQ）后，將按照下列步驟執(zhí)行操作。if(路由表中有到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑)反向向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送 RREP 消息；刪除該請求包，不再往前發(fā)送；else if （本節(jié)點(diǎn) ID 在 RREQ 記錄的 ID 序列中）刪除該請求包，不再往前發(fā)送；else 計(jì)算該節(jié)點(diǎn) RER 值if(RERrer1 then)刪除該請求包，不再往前發(fā)送；else if(RERrer2)尋找替換路徑else 進(jìn)行路徑信息更新，然后繼續(xù)廣播該請求信息。3.2.4目的節(jié)點(diǎn)的操作目的節(jié)點(diǎn)收到 RREQ 以后，利用

14、 RREQ 中的反向路徑信息以單播的方式向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送 RREP。3.2.5路由維護(hù)階段在無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)可以自由移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化會(huì)導(dǎo)致路由失效，并考慮到節(jié)點(diǎn)剩余能量的變化，一旦源節(jié)點(diǎn)、活動(dòng)路徑上的中間節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)剩余能量不能夠滿足要求，就必須找到一條替換路徑。當(dāng)由于路由中間節(jié)點(diǎn)的剩余能量發(fā)生變化而不能滿足傳輸要求，則需要當(dāng)前節(jié)點(diǎn)向周圍發(fā)送 RERRRE 分組尋找滿足要求的替代節(jié)點(diǎn)或替代節(jié)點(diǎn)群進(jìn)行替代路由的建立。若周圍節(jié)點(diǎn)中滿足要求的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)需要看當(dāng)前節(jié)點(diǎn)剩余能量在和范圍內(nèi)，處于 warning 域內(nèi)，則可繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)信息，若節(jié)點(diǎn)剩余能量是處于功能受限的 dange

15、r 域內(nèi)，則此情況被視為等同于路由斷裂情況，發(fā)送 RERR 分組通知源節(jié)點(diǎn)。論文出處(作者):可見，LBAODV 協(xié)議避免了在網(wǎng)絡(luò)斷鏈情況下總是重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)帶來的附加開銷和時(shí)延，將業(yè)務(wù)流負(fù)載均衡和網(wǎng)絡(luò)抗毀性進(jìn)行了較好的結(jié)合。4 仿真和分析4.1 仿真環(huán)境本文使用的模擬工具是由 Berkeley 大學(xué)開發(fā)的 NS2.30 ，并在 NS2.30的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了 LBAODV 協(xié)議。50 個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè) 500500 的矩形區(qū)域按照random waypoint 模型移動(dòng)。仿真的時(shí)間為 800 秒。MAC 層協(xié)議采用的是802.11，詳細(xì)參數(shù)見表 2 所示。表 2 LBAODV 模擬環(huán)境參數(shù)的設(shè)置區(qū)

16、域大小500500節(jié)點(diǎn)數(shù)50節(jié)點(diǎn)移動(dòng)場景 由 setdest 工具來生成場景文件網(wǎng)絡(luò)流量場景 由 cbrgen 工具來生成場景文件傳播模型TwoRayGroundMAC 協(xié)議802.11路由協(xié)議LBAODV初始電量500J發(fā)射消耗功率 1.33W接收消耗功率 0.85W仿真時(shí)間800s4.2 性能參數(shù)和仿真結(jié)果為了驗(yàn)證 LBAODV 協(xié)議的性能，選擇以下仿真參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包成功率(Packet DeliveryFraction :PDF)；節(jié)點(diǎn)的平均能耗 (Average EnergyConsume)；能量不為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)目（Number ofNodes）。1、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包成功率(Packet D

17、eliveryFraction :PDF)在仿真過程中，采用了不同的停留時(shí)間為：0s，100，200s，300s，400s，500s，600s，700s，800s。仿真結(jié)果如圖 1 所示，LBAODV 協(xié)議的性能明顯的提高了發(fā)包的成功率，當(dāng)節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間比較短的時(shí)候，該協(xié)議性能明顯高于原來的協(xié)議。圖 1 節(jié)點(diǎn)不同的停留時(shí)間下的發(fā)包成功率2、節(jié)點(diǎn)的平均能耗(Average EnergyConsume)圖 2 為節(jié)點(diǎn)在停留時(shí)間為 0 秒的情況下的平均耗能的情況，從圖中可以看出，仿真剛開始的 100 秒，兩個(gè)算法的能量消耗幾乎相同，這是因?yàn)閯傞_始每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量都處于 normal 狀態(tài)，都進(jìn)行對 RR

18、EQ 消息的處理，但是隨著時(shí)間的推移，兩個(gè)算法的能量消耗差距越來越明顯，到 800 秒的仿真結(jié)束時(shí)，LBAODV 協(xié)議比 AODV協(xié)議節(jié)省了將近 170 焦耳的能量。這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)處于danger 狀態(tài)的時(shí)候已經(jīng)不再進(jìn)行處理不屬于源或目的節(jié)點(diǎn)的路徑請求信息。一是節(jié)省了能量，均衡了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能，延長了節(jié)點(diǎn)的壽命；二是減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，增加了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率。圖 2 節(jié)點(diǎn)在停留時(shí)間為 0 秒的情況下的平均耗能3、能量不為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)目（Number ofNodes）圖 3整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間內(nèi)能量不為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)目圖 3 是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間內(nèi)能量不為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況。從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)一直運(yùn)行到 400 秒

19、的時(shí)候，兩個(gè)協(xié)議下有效的節(jié)點(diǎn)數(shù)目都為總的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，但是隨著時(shí)間的推移，AODV 協(xié)議由于沒有考慮到節(jié)點(diǎn)剩余能量的情況，所以在高業(yè)務(wù)量的情況下，造成了某些節(jié)點(diǎn)耗能不均衡而過早的電池耗盡，而改進(jìn)的協(xié)議 LBAODV協(xié)議性能有了明顯的提高。所以說 LBAODV 協(xié)議能夠延長移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的壽命，均衡了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的耗能。5總結(jié)本文在 AODV 基礎(chǔ)上提出了一種基于負(fù)載均衡的改進(jìn)協(xié)議 LBAODV，該協(xié)議綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量，路徑的延時(shí)和跳數(shù)，通過一種最優(yōu)路徑選擇算法來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的低能量節(jié)點(diǎn)。它有效地均衡網(wǎng)絡(luò)流量并保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的低能量節(jié)點(diǎn)，避免了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)電池能量過早耗盡。通過 Ns-2 仿真與原有的

20、 AODV 協(xié)議相比較，該算法可提高網(wǎng)絡(luò)的發(fā)包成功率，減少了網(wǎng)絡(luò)的平均耗能情況，并且延長網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間。下一步研究的主要工作是如何充分利用該協(xié)議能到的多條路徑，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分組傳送。參考文獻(xiàn)1 IETF Mobile AdHoc Working Group Charter2 Perkins C,Royer E, “Ad hoc OnDemand Distance VectorRouting (AODV),” July2003, RFC 35613 Johnson D,Maltz D, “Dynamic sourcerouting in ad hocwireless networks,”Mo

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