移動自組織網絡解析

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摘要：近年來，移動自組織網絡（MANET）發展迅速，在很多領域都得到了廣泛研究與應用。文章以MANET為研究對象，介紹了MANET的主要關鍵技術，主要介紹了MANET的AODV路由協議，分析了路由協議的相關性能指標的計算方法，最后介紹了基于Linux的MANET路由協議的實現方法。

關鍵詞：移動自組織網絡；實現方法；可行性

移動自組織網（MobileAdhocNetwork，MANET）[1]是由一組相互協作的自主無線節點或終端組成的自動創建、自動組織和自我管理的網絡。它不需要固定基礎設施，使用分布式管理。MANET沒有基站，這與傳統的蜂窩網絡不同。MANET中所有節點以分布方式運行，具備路由器功能、負責發現和維護相關的路由，并將數據包轉發到相鄰節點。該網絡可獨立運行，可通過網關接入有線骨干網。目前，移動自組織網絡可用于軍事應用、應急救援、傳感器網絡等場景，其思路也可應用于4G網絡。隨著移動自組織網絡的發展，它的研究方向越來越明確。通過分析現有的研究成果，本文可以總結出以下幾個值得關注的領域：（1）拓撲演進及拓撲控制技術研究。（2）路由協議研究。（3）鏈路利用率研究。（4）低功耗節能技術研究等[2]。本文主要研究了MANET中的自適應距離向量路由（AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting，AODV）路由協議，分析了相關性能指標的計算方法，給出了已有文獻中關于MANET路由協議的設計與實現。

1MANET的AODV路由協議

AODV是一種應用于自適應網絡路由的路由協議，它可以實現單播路由與多播路由。AODV是AdHoc網絡中根據需要生成路由模式的一種常見協議[3]。定義該協議為：當一個節點需要向網絡中的其他節點傳輸信息時，沒有路由到達目標節點的話，那么必先以組播的形式發出RREQ（routingrequest）消息。RREQ消息記錄初始節點和目標節點的網絡層地址。相鄰節點接收RREQ后，判斷目標節點是否為自己。如果是，則將RREP（routingresponse）發送給發起節點；如果不是，它首先在路由表中查找是否有到達目標節點的路由，如果有，就將單播RREP轉發到源節點，不然繼續轉發RREQ進行查找。在該路由協議中，除非需要建立連接，否則整個網絡都是靜態的。也就是說，網絡節點在廣播連接建立請求之前需要建立連接。剩余AODV節點轉發請求消息，記錄源節點，并臨時路由回源節點。當接收連接請求的節點知道到達目的節點的路由時，路由信息根據之前記錄的返回到源節點的臨時路由信息發送回源節點。因此，源節點開始通過其他節點使用這種路由，并且跳數最短。當鏈路斷開時，路由錯誤就被發送回源節點，然后源節點重新啟動路由查找進程。隨著研究的深入，MANET路由協議的研究也不斷增多，因此，這樣需要相關性能指標來評估各類協議的網絡性能。

2性能指標的定義

考慮到在虛擬網絡中，節點以穩定的速度移動，并隨機分布，節點之間通過通信交換節點位置和速度等信息。路由表包含節點間傳輸路徑和外圍網絡拓撲信息的相關數據。由網絡節點活動產生大量數據，這樣的數據存儲結構影響著數據讀取效率。所以，有必要設計一個合理的數據結構和存儲模式，方便讀取協議索引計算種使用的數據，從而計算性能指標[4]。本文主要選取網絡吞吐量、平均端到端延遲、平均功耗、路由開銷為典型的4個指標。吞吐量是指網絡每次成功發送的比特數。它由終端用戶應用層接收的數據流來描述，反映了網絡的通信性能。其表達式為：g=n×z/t（1）式中：g代表網絡的平均吞吐量，z表示數據包大小，n表示數據包個數，t表示網絡運行時間。平均端到端時延包括所有可能時延，例如路由發現延遲，接口隊列排隊時延，MAC層傳輸延遲以及傳輸和接收延遲等。該索引影響源節點和目的節點的總通信時長，可以反映網絡的連通性。式（2）給出了平均端到端時延的表達式：()/yyd=∑E−S∑p（2）式中：d為平均端到端時延，S表示數據包發送時間，E為接收到的數據包的時間，p表示數據包個數，y表示包類型。平均功耗是指每個節點通信所消耗的平均功率。由于節點能量有限，低功耗的路由協議是必須的。式（3）為平均功耗表達式：c=∑C/(∑p⋅z)（3）式中：C表示包傳輸功耗，c表示平均功耗。路由開銷是轉發的路由數據包數量和發送的路由數據包數量之和與目的地接收的路由數量之比。它是網絡拓撲變化率的函數，可以用來衡量網絡擁塞能力。式（4）給出路由開銷表達式：1/ykopp==∑∑（4）式中：o為路由開銷。

3基于Linux的MANET路由協議的實現方法

Linux路由架構是按照有線網絡路由協議的工作模式來實現的，它是一種主動路由協議。該體系結構適用于DSDV和WRP等MANET主動路由協議。但對于按需路由協議，如DSR，AODV等不能采用這種方法來實現[5]。按需路由協議僅保留網絡中某些節點的路由信息，根據Linux路由架構固有的處理機制，當內核路由表中查找不到可用路由時，數據包會被丟棄，使得用戶空間種的路由守護進程無法發揮其作用。另一方面，用戶空間維護存儲最近使用過路由的路由列表。每個路由表條目都有一個計時器。當使用路由時，計時器將重置。如果在計時器指定的時間內沒有使用路由，它將被刪除。但是，用戶空間無法獲得內核中路由使用的信息，無法更新用戶空間中的舊路由。SPDSR協議測試網絡中需要有若干臺安裝ubuntu操作系統的PC機模擬網絡節點，系統數據轉發功能開啟。每個網絡節點配備一塊無線網卡，假設其中任意兩條鏈路均處在對方通信范圍之外，不會發生串路現象。通過對該方法的測試平臺搭建，可以實現對MANET中某種適合于Linux路由協議的測試。對比相關的仿真軟件平臺，這類相對實踐的測試方法更具可靠性。

4結語

本文對移動自組織網作了簡單概述，介紹了MANET的研究的主要技術問題，分析了其典型的路由協議，討論了路由協議的相關性能指標，并介紹了基于Linux的MANET路由協議的實現方法。

作者:王涵 單位:宜春學院