基于无线Mesh网路由协议的研究及优化

朱昌洪

（桂林理工大学 博文管理学院，广西 桂林 541006）

无线 Mesh网 WMN（Wireless Mesh Networks）也称无线网状网或无线网格网，是一种新型的无线“多跳”宽带网络，一种高容量、高速率的分布式网络。WMN是由移动Ad hoc网络发展演变而来，并结合了 WLAN（Wireless Local Area Networks）的一些关键技术，但更类似于移动Ad hoc网络的结构和性能。

1 WMN路由协议设计

由于WMN的结构与移动Ad hoc网络和WLAN都有所不同，因此必须设计适合WMN的路由协议。WMN从本质上来说是属于移动Ad hoc网络，而无线“多跳”网络所共同面对的一个关键问题就是如何选择合适的路由。因此，其路由协议设计原则上可以沿用移动Ad hoc网络的路由协议，但需要考虑其自身的特点。

WMN的网络结构如图1所示。从图1可以看出，Mesh骨干网和终端用户网具有各自的特点。WMN的骨干网路由器（MR）移动性非常低，并且不受能耗限制，而终端用户则由电池供电，需要节能效率高的路由协议。又由于终端节点的计算、通信和存储能力有限，因此要求WMN路由协议简单、高效、稳定，并能较好地适应网络拓扑的动态变化。

图1 WMN结构图

2 WMN网络路由协议

参照移动Ad hoc网络路由协议的设计，WMN网络路由协议可以大致分为表驱动路由协议、按需路由协议和分级路由协议。表驱动式路由协议主要包括DSDV、WRP和GSR等；按需路由协议主要包括DSR、AODV和TORA等；分级路由协议主要包括ZRP、ZHLS和DST等，如图2所示。

图2 WMN路由协议

其中，表驱动和按需路由协议的性能都有其各自的优点和缺点，如表1所示。

表1 表驱动和按需路由协议比较

3 I-AODV路由协议

3.1 AODV路由协议介绍

AODV路由协议作为一种典型的移动Ad hoc网络按需路由协议，虽然其网络开销较小，但是因为只是在需要数据传输时才进行路由查找，所以造成一定的网络延时，特别是在网络拓扑快速变化时，产生网络传输延时就变得非常明显，同时也产生大量的控制消息，增大了网络开销，进而影响了整个网络性能。

3.2 AODV路由协议优化思路

而在WMN中，由于大部分节点移动性都比较小，且数据业务流来源也有所不同，因此需要对AODV进行适当优化，以适应WMN的网络结构，本文提出了I-AODV（Improve-AODV），其工作原理为：在路由维护阶段引入了分级的思想，适当增加每个节点所保存的节点跳数，从1跳增加到2跳，这样每个节点就可以有更多的节点拓扑信息，在路由建立和维护阶段就可以减少中间节点的转发，减少路由建立时间，降低端到端的延时。

当然，由于增加了Hello消息的数据帧信息，路由开销肯定也会增加，然而Hello消息是一种开销较小的控制消息，对Hello消息的适当扩展并不会影响整个协议的性能，因此增加的路由开销还可以承受。

3.3 I-AODV路由表数据结构

由于I-AODV只是针对路由维护阶段的Hello消息机制进行改动，并不涉及协议其他部分的改动，因此原RREQ和RREP的数据结构也没有变动，只是在路由表项中增加一项：邻节点ID（其他各项没有改变），原hello项结构如下：

源节点ID源节点序列号目的节点ID目的节点序列号路由标识跳数 下一跳 TTL

改动后的 hello项（增加了“邻节点 ID”）如下：

源节点ID源节点序列号目的节点ID目的节点序列号路由标识跳数 邻节点ID下一跳 TTL

其中，邻节点ID指本节点所保存的所有邻节点地址。

3.4 I-AODV实现过程

I-AODV同样包括路由建立过程和路由维护过程。

路由建立过程为：源节点S需要到目的节点D的路由，首先检查自己的路由表项是否有到D的路由，同时D也不在其邻节点之列，则面向所有邻节点广播RREQ，当节点B收到RREQ时，发现自己有到D的路由，于是B就直接回复RREP给节点S（S是B的邻节点），而不是转发RREQ，然后通过比较序列号和跳数，反向路由就建立起来，如图3所示。

图3 I-AODV反向路由建立图

当源节点S收到中间B发送的RREP，再通过比较序列号和跳数，就可以建立前向路由，如图4所示。至此，源节点S到目的节点D的路由就建立起来了。

图4 I-AODV前向路由建立图

图5为原AODV的反向路由建立过程，图6为原AODV的前向路由建立过程。从图中可以明显看出，IAODV的反向路由建立时间确实比AODV反向路由建立时间要快，因此也使得整条路由的建立时间更快，并节省了RREQ的转发次数。如本例中，节点B就无需向节点C进行RREQ的转发，同时也相应的减少了路由开销。

图5 AODV 反向路由建立图

图6 AODV前向路由建立图

3.5 仿真结果及分析

本文在相同的仿真环境里对AODV、I-AODV路由协议进行仿真和比较其路由协议性能，分别采用建立时间、路由开销、端到端平均延迟和平均跳数4个性能指标来对仿真结果进行分析，仿真结果如图7所示。

分析实验数据可以得出：

（1）从路由建立时间来看，I-AODV比 AODV要小，这主要是由于I-AODV协议中每个节点存放了相邻2跳节点的信息，节省了一部分路由建立时间。

（2）从路由开销来看，I-AODV的路由开销和AODV相比并没有提高，反而还略有下降，这主要是由于增加了hello包携带的信息和增加了每个节点维护的邻节点数目所导致的。本文只是增加了一跳范围内节点，如果再增加一跳或两跳，那么因此而增加的路由开销将是非常可观。

图7 仿真结果

（3）从端到端平均延时来看，I-AODV比AODV要略为小些，路由建立时间短，平均延时也必将随着减小，这也是由于每个节点增加了维护的邻节点数量的原因。

（4）以跳数来看，I-AODV路由建立的平均跳数也比原AODV要小。跳数越小，网络性能越好，特别是在目的节点距离比较近的情况下，就能直接找到路由，而不需要通过广播路由报文来寻找和建立路由。

从上面的分析可以得出结论：在相同的环境下，对AODV进行了优化后，I-AODV明显地提高了网络性能，其减少了路由建立时间、端到端的延时和平均跳数，而且路由开销并没有显著增加。因此，I-AODV更能适应WMN网络。

WMN由于具有高可靠性、可扩展性以及良好的建设成本，已经引起了越来越多的重视和发展，而路由技术作为WMN的关键技术之一，有着非常广泛的研究和实用价值。本文详细介绍了基于WMN的AODV路由协议，并进行适当的优化，提出了I-AODV路由协议，即在AODV中引入分层的思想，对Hello报文进行改进，增加了维护的邻节点（2跳）数目，并分析了I-AODV在理论上的可行性。最后，利用NS-2仿真软件进行模拟实验，实验结果证明了改进后的路由协议I-AODV在网络综合性能上比原AODV具有明显改善。

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