基于节点静默-激活机制的优化链路状态路由研究

黄锌源,王 睿,郭一平,胡谷雨

(中国人民解放军陆军工程大学 指挥与控制工程学院,江苏 南京 210007)

0 引 言

移动无线自组织网络MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一种通过无线链路将移动设备进行连接的自组网技术[1],不需要像传统网络那样依靠固定的网络基础设施实现网络接入,节点之间直接通过无线链路进行互联,且每个网络节点既可以作为端节点,也可以作为路由器等转发设备进行数据传递,节点可以很轻松自由地接入网络或离开网络[2],充分利用了无线环境中的电磁频谱资源作为通信链路。同时,随着MANET结构的逐步完善,无线通信等赋能技术稳定性的提高,以及路由协议安全性的增加,MANET网络在军事、救灾等领域也得到了大量的应用[3]。MANET网络环境中的路由算法通常分为两种,即基于矢量优先的路由算法和基于路径优先的路由算法,两类算法都需要定期发送数据包用于节点构建网络拓扑信息,从而进行路由选择。

军事环境中MANET网络通常是利用背负式、车载式、机载式等搭载式的军用数字无线电台作为网络设备,通信手段也主要是依靠电台之间的无线电传输[4],但移动通信中所使用的无线电信号安全度不高,十分容易被敌方进行有针对的电子侦察,捕获军队经常使用的通信频率,针对这些通信频段,实施不同程度的电子干扰,以至于战场信息网络中的无线链路出现传输速率降低、误码率升高、丢包率上升等链路质量下降的问题。

在遭受干扰状况的环境中,无论MANET节点使用哪种路由算法,网络链路都会因传输能力下降导致丢包率升高,同时由于网络结构中丢包重传的原因,当节点发送的数据包因响应超时或网络环境较差出现丢包时,会将丢失的数据包进行重发,使得网络环境中充斥着大量的重发数据,造成本就拥塞的战场信息网络的效率更加低下,严重时甚至会导致出现网络崩溃的情况。因此,可通过对网络路由协议的优化,减少不必要的路由信息交互、降低重发概率,在干扰环境中尽量提高战场信息网络对战场中的紧急指令、有效报文等数据的传输成功率,尽可能地加强遭敌干扰下的战场信息网络的数据传输能力。

文献[5]对MANET中常见的AODV,DSR,OLSR,GPR四种路由协议进行了对比分析,通过对四种路由在相同场景下的端到端时延和吞吐量进行比较,得出OLSR路由协议综合性能更高的结论。该文在被敌干扰的战场网络场景下对传统的OLSR协议进行了研究,通过对OLSR协议的分析,针对OLSR协议中邻居监听时HELLO包发送过量冗余的问题,提出了一种基于节点静默-激活机制的优化链路状态路由(SA-OLSR)协议,通过节点对HELLO消息接受的感知,估测当前所处的网络环境状态,降低HELLO包的发送间隔。

1 OLSR概述及相关研究

优化链路状态(Optimized Link State Routing,OLSR)协议是一种主动式的路由协议,通过降低控制类型数据包的大小和减少用于转发链路状态的数据包数量来实现对纯链路状态路由协议的优化[6-7]。OLSR主要分为三个阶段:邻居感知阶段、TC消息交互阶段、路由选择阶段。

在邻居感知阶段,网络中的每个节点会定期向周围节点发送HELLO消息,HELLO消息报文结构如图1所示。第一部分为HELLO消息的头部,前两个字节为保留字段,设置为全0;第三个字节为HELLO信息的生命周期,第四字节表示节点愿意被选为MPR节点的程度。HELLO消息的第二部分为链路信息的首部,第一字节指定了链路发送接口和邻居接口列表;第二字节为保留字段;三四字节标识了链路信息的大小。第三部分为邻居接口信息,依次列出了每个邻居节点的接口地址信息。通过定期的HELLO消息交互,每个节点都可以得到本节点与一跳邻居、二跳邻居之间的链路状况,从而构建出自己的一跳邻居表和二跳邻居表,再通过MPR选择算法选出对应的MPR集,构建出一张MPR表。

图1 HELLO消息包格式

在TC消息交互阶段,基于前一阶段所构建出的MPR表,网络中的MPR节点会定期地将TC消息进行洪泛,而MPR节点收到后也都会再将其转发。TC消息报文结构如图2所示。

图2 TC消息包格式

在路由选择阶段,通过TC消息的交互,节点构建出网络拓扑表后,便可利用最短路径优先算法寻找出各个目的节点的路径信息,构建出路由表。

针对OLSR协议路由开销过大的问题,文献[8]提出了一种C-OLSR(集群OLSR)协议,通过将网络分群的策略,将控制信息的转发限制在了集群内部,集群间的通信则采用改进的转发策略,有效减小了TC信息的全网洪泛,降低了路由开销。文献[9]基于一种利用无速率编码的地理广播路由方案,将传递消息的策略和数据交换的方式进行了改进,提出了一种利用表驱动的OLSR协议将消息传递到目标区域,通过实验仿真结果显示,该方案在降低路由开销成本的同时还提高了分组的发送成功率。文献[10]基于节点的移动策略与OLSR性能的关系进行了分析,通过在多个网络场景下,控制节点的移动速度不同以及移动方式不同进行实验对比,分析了路由的发包率、端到端时延和路由控制开销等性能的差异。考虑到无线自组网中节点的能量寿命的问题,文献[11]对OLSR协议的多点中继选择过程进行了改进,通过将被选取为MPR集的willings和TC消息的发送间隔进行调整,有效地提高了网络节点的工作寿命,节约了节点能量,并且依然保证了OLSR的QoS质量。针对链路故障拓扑结构频繁变化导致丢包,从而造成网络拥塞的问题,文献[12]提出了一种低延迟最优链路状态路由(LL-OLSR)方案,通过对已经建立的路径的监测,在链路网络拥塞的情况下,采用最小的成本将源节点和目的节点相连接,最大化地提高了数据传输效率。文献[13]进行了去中心化研究,通过将节点位置进行分区,避免在相同区域内的数据频繁传输,有效降低了TC消息的转发数量,降低了路由开销。

2 问题描述及改进分析

2.1 问题描述

OLSR协议利用节点之间定期进行的HELLO消息交互获取自己与邻居节点之间的链路状态,同时感知自己与二跳邻居节点的链路状况。如图3所示,当战场环境中出现干扰时,假设干扰范围对战场网络中的6号节点、7号节点、8号节点之间的通信链路产生了影响,三个节点所组成的局部网络中通信环境的链路质量严重下降,链路上的丢包率急剧升高,导致三个节点之间交互的数据包都难以成功接受。而此时按照HELLO消息的交互机制,遭受干扰的节点仍然会持续地定期发送这类交互报文,受到干扰的局部网络环境也因此会出现大量被重发和无法成功接受的HELLO信息,使得一些需要在战场上进行紧急传输的数据无法成功投递,严重影响了战场环境中的部队指挥官对分队的指挥决策能力。

图3 干扰环境示意图

2.2 改进措施

针对在链路质量较为糟糕的情况中,OLSR路由在进行邻居监听时仍然会持续发送大量HELLO信息的问题,该文提出了一种基于节点的静默-激活机制,对OLSR的邻居监听算法进行改进,减少MANET节点进行大量冗余HELLO信息的发送。

改进后的SA-OLSR算法的HELLO接受流程如图4所示。在每次接受到HELLO包后会记录当前的时间,然后再对数据包进行处理解析。

图4 HELLO信息接受流程

发送流程如图5所示。当节点在3个HELLO消息的发送时钟周期内未能收到来自其他节点的HELLO报文,则该节点会进入静默状态,进入静默状态后,节点不再主动发送用于交互的HELLO信息,但节点内部会继续进行其余的工作,只有当收到来自其他节点的HELLO消息后,静默节点才会被激活,重新开始主动地去进行HELLO信息交互。该算法主要是通过降低在干扰状况下MANET节点主动发送HELLO消息的频次,减少网络中控制包的数量,降低控制信息的开销,提升网络中对有效信息传输的比率。

图5 HELLO信息发送流程

2.3 理论分析

在自组织网络中,影响网络性能指标的因素主要有网络中节点的总数、节点的发包速率、包的大小、节点的移动速度等[14]。在OLSR协议中,其邻居监听算法的路由开销主要与HELLO包的发送频率、包的大小、包的总量相关,相关参数定义如表1所示。

术前宣教形式多样，包括展开个人咨询、宣传彩页或多媒体方式等。如果患者及家属与相关的外科医生、麻醉医生及护理人员进行一次面对面的交流则更理想。宣教内容应包括解释在整个流程中患者的任务，鼓励患者术后早期进食，早期下床活动，配合镇痛及呼吸功能锻炼等，并应向患者及家属详细说明出院标准。

表1 网络性能分析参数

在自组织网络中,单位时间内,全网所产生的HELLO包数量为:

(1)

在无干扰状况下的网络持续时间内,全网所生成的HELLO包数量为:

(2)

同理可知,在存在干扰的状况下,被干扰的局部网络所生成的HELLO包数量为:

(3)

干扰时间段内HELLO包的丢包数量为:

(4)

在整个网络持续时间内,有效传输的HELLO包所占的比率为:

(5)

由式5可知,只需要提高在干扰状况下的HELLO包发送时间间隔,即可有效增加在网络中HELLO信息的有效传输率。而SA-OLSR方式在干扰时明显降低了传输频率,增加了传输间隔,因此降低了HELLO包的控制开销。

3 实验验证及结果分析

仿真中,以SA-OLSR,OLSR,AODV在同一网络场景下进行对比,选取HELLO信息的发包量、网络平均时延网络拥塞的累积分布概率作为指标比较了SA-OLSR和OLSR的差异,验证了SA-OLSR的有效性。使用网络平均时延、网络吞吐量两个指标,比较了SA-OLSR,OLSR和AODV之间的区别,验证了SA-OLSR的先进性和可靠性。

3.1 仿真场景设置

基于Windows平台利用OPNET[15]仿真工具对传统的OLSR以及SA-OLSR进行模拟,同时与现阶段在MANET网络中常使用的AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)协议在时延和吞吐量参数上进行了比较。仿真场景设置在3 km×3 km的区域内,分别将20个MANET节点进行均匀排列,节点移动速度为10～30 m/s,节点最大通信距离为600 m,仿真持续时间为30分钟,设置场景在200 s～500 s时间段,网络中出现干扰,导致其中共5个节点组成的局部网络中的通信效率降低。仿真参数设置如表2所示。

表2 仿真参数设置

3.2 仿真结果分析

3.2.1 HELLO包数量

OLSR与SA-OLSR的HELLO包发送数量比较如图6所示。由于SA-OLSR减小了HELLO包的发送间隔,在网络开始阶段以及出现干扰阶段,SA-OLSR的HELLO数据发送量明显比OLSR的低,在干扰消失,网络性能逐渐恢复后,两种协议的发包数量渐渐达到一致。在干扰状况下SA-OLSR的HELLO包发送数量比OLSR的降低了10%左右。

图6 HELLO包数量比较

3.2.2 网络拥塞的CDF

从图7中可知,与OLSR相比,虽然SA-OLSR造成网络中出现较短拥塞时间的概率更大,但是其能够有效避免网络中出现长期的拥塞持续时间。因此在进行长时间网络运行时,SA-OLSR的效率更高,有效避免了网络中较长时间的持续拥塞事件的出现。

图7 网络拥塞时长CDF

3.2.3 时 延

从图8中可知,三种路由协议中,AODV的平均时延最大,且在网络状态不稳定时,时延情况会出现较大幅度的突变。SA-OLSR与OLSR的时延都能始终保持在相对较低的水平上。但是与OLSR相比,SA-OLSR的平均时延有一定的增加趋势,这是由于拓扑不断变化,控制信息发送量的减少,使得节点在变化时对邻居状态的监听不够及时导致的,但平均时延都相对较低。

图8 时延对比

3.2.4 吞吐量

从图9中可以看出,随着仿真时间的增加,三种路由协议中,SA-OLSR的吞吐量明显最高,OLSR的吞吐量次之,AODV的吞吐量最低。随着网络拓扑随时间的变化,SA-OLSR比AODV的吞吐量提高了约0.12 Mbit/s,且该提高量会逐渐增加。因此,在无线信道容量不变的情况下,SA-OLSR能够提供更好的网络性能保障。

图9 吞吐量对比

4 结束语

通过对OLSR协议邻居监听算法的分析,提出了一种基于节点SA(静默-激活)机制的邻居监听算法。该算法通过节点对最近一次接受到HELLO消息时间的检测,能够判断自己是否处在被干扰环境中,从而决定自己是否需要进入静默状态,增加了在干扰环境下节点发送HELLO包的时间间隔,降低了发送频率。通过实验分析,相比于传统的OLSR,SA-OLSR能够有效减少MANET节点进行邻居监听时的HELLO包开销,同时降低网络中出现长时间拥塞的概率。与AODV相比,SA-OLSR和OLSR都能够在保持更低且更加稳定的端到端时延的情况下,提高网络吞吐量,从而提升网络性能。下一步将对OLSR的MPR选择算法和TC洪泛机制进行研究,综合提高OLSR在战场环境下的性能。