高能量高信号强度节点优先的AODV路由协议

邹修明

淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏淮安 223300

◎网络、通信、安全◎

高能量高信号强度节点优先的AODV路由协议

邹修明

淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏淮安 223300

针对AODV协议只选择具有最少跳数路由，而不考虑节点能量即将耗尽或节点即将离开邻节点传送范围，造成路由频繁中断的问题，提出新的改进方案，在路由发现阶段，选择能量较高和信号强度较强的节点作为路由节点，在路由维护阶段，对能量即将耗尽或即将离开邻节点有效传送范围的节点进行路由备份。仿真实验结果表明改进后的协议能够有效增加数据包投递率和减少平均端到端延时，并能有效减缓能耗速度，提高整个网络的生存期。

无线自组织网络按需距离矢量路由协议（AODV）；节点能量；信号强度

1 引言

移动自组织网络（Mobile Ad hoc Network，MANET）是由一组无线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定网络通信基础设施的能够迅速展开使用的网络体系[1]。在MANET网络中，没有中心控制节点，所有节点的地位平等，不仅能够进行信息处理，而且具有报文转发功能[2]。

由于节点的移动，有线网络中的路由协议不再适用于MANET网络，其协议主要分为两类：主动型和按需型[3]。主动型路由协议：其代表性的路由协议是目的序列距离矢量路由协议（Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV），该型路由协议参考了有线网络中路由的生成方法，每个无线节点会周期性地广播自己的路由表信息，各个无线节点就根据收到的信息动态更新自己的路由表[4]。其缺点是，由于进行周期性的广播，会大量浪费宝贵的带宽资源和节点的电池能量，如果降低广播的频率，又不能及时地反映网络拓扑的变化，造成数据发送的失败[5]。按需型路由协议：其代表性的路由协议是按需距离矢量路由协议（Ad-hoc On-demand Distance Vector，AODV），该型路由协议只在节点需要通信时，才进行广播来获取到达目的地的路由，对带宽的占用相对较小，更能适应拓扑的动态变化，更加高效[6]。因此相比于DSDV，AODV更加适合具有运动节点的MANET网络。但是也存在一定的缺点，研究人员提出了许多协议的改进方案，如：文献[7]提出，在路由发现过程中，将链路中各节点信号强度最小值记录在路由请求报文RREQ中，目的节点选择具有最大信号强度的RREQ进行回复作为本次通信的主路由，同时，将具有次大值RREQ的链路作为备份路由。这种方案虽然最大限度地减少了因节点离开传送范围，而导致的链路断裂情况，但是没有考虑到因为节点能量的耗尽而导致的链路断裂。文献[8]在路由发现的过程中，选择距离较近的邻节点作为路由节点（即节点信号强度大于一定的阈值，否则不转发RREQ请求报文），这种方法只有部分节点转发RREQ报文，节约了宝贵的带宽资源，而且避免了因为点离开传送范围，而导致的链路断裂情况，但是也没有考虑到节点能量耗尽问题。文献[9]提出一种基于节点能量的EOAODV方法，该方法通过HELLO消息和邻节点交互，选择具有高能量的节点作为路由的中间节点，以最大限度地防止因为节点能量耗尽而导致的链路断裂，但是没有考虑因为节点离开传送范围而导致的链路断裂情况。

本文在前人研究基础之上，针对引起链路断裂的两个因素，分别在路由发现和路由维护阶段进行改进优化，以提高网络运行效果。

2 路由发现

2.1 AODV的路由发现及存在问题

在AODV路由协议中，当源节点需要和新的目的节点通信时，它就会发起路由发现过程，通过广播RREQ报文来查找相应路由[10-11]。当这个RREQ到达目的节点本身，或者是一个拥有足够新的到达目的节点路由的中间节点时，目的节点只对第一个到达的RREQ进行确认，回送RREP报文，建立新路由[12-13]。所谓“足够新”是通过目的序列号来判断的，即RREQ中，目的节点序列号大于或等于中间节点中目的节点序列号[14]。

AODV路由协议只选择具有最少跳数的路由，而不管这条路由是否有链路断裂的危险。如图1所示，如果节点S要和节点D进行通信，那么AODV路由协议会选择S-＞A-＞D这条路由，因为在这条路由中，跳数最少。但是节点A处于节点S和节点D有效传送范围的边缘，属于危险的节点，即节点A有可能在下一秒离开节点S和节点D，那么刚刚建立的路由就会断裂，必须重新进行路由发现过程。相反，由于节点B和节点C分别在节点S和节点D有效传送范围的内部，同时也在对方的有效传输范围之内，立即离开有效传送范围的可能性大大降低，如果采用S-＞B-＞C-＞D这条路由，那么链路断裂可能性会降低很多。文献[8]就是在这个方面对其进行了改进。

图1 AODV的路由发现过程

如果节点A处于节点S和节点D连线的中间，且不考虑其他因素的情况下，那么S-＞A-＞D这条路由就是最佳路由。但是如果节点A的电量接近耗尽，而节点B和节点C还有很多剩余电量，那么采用S-＞B-＞C-＞D这条路由是最佳路由，因为S-＞A-＞D很快就会因为A的电量不足而断裂。文献[9]就是在这个方面对其进行了改进。

2.2 路由发现的改进

针对AODV路由协议在路由发现的过程中存在的问题，应该尽量避免选择即将离开有效传送范围的节点和电量即将耗尽的节点作为路由的中间节点，具体算法描述如下：

步骤1规定基本电量的阈值和有效传输距离的阈值（通过接收报文的信号强度来判断，信号强度越大，则距离越近，信号强度越小则距离越远）。

步骤2在进行首次路由发现时，接收到RREQ报文的节点，检查自己剩余的电量和信号强度是否大于相应的阈值，如果都大于阈值，则转发RREQ报文，否则丢弃RREQ报文。

步骤3如果成功则采用该路由，如果失败，即说明没有符合条件的最优路由，则采用原始的AODV路由发现过程。

该算法试图通过首次路由发现来寻找含有最少危险节点的路由。如图1所示，如果所有节点的剩余电量都大于预先设定的阈值，在进行路由发现时，节点S广播RREQ报文，节点A和节点B都收到了RREQ报文，其中节点A的信号强度小于预先设定的阈值，那么节点A就将RREQ报文丢弃，不再转发，也就是将来的S到D的路由中不会含有A节点，相反B大于该阈值，那么B就可以继续转发该RREQ报文，最终建立S-＞B-＞C-＞D的路由。其中，剩余电量是在路由层，通过M obileNode对象的energy（）方法获得。节点信号强度值是通过RREQ报文的txinfo_.RxPr属性进行获取。在TwoRayGround传输模型下，节点信号强度计算如公式（1）所示：其中，p为接收到的信号强度，Pt为传输功率，Gt为发送节点的天线增益，Gr为接收节点的天线增益，ht为发送天线的高度，hr为接收天线高度，d为两个节点间的距离，L为系统损失因子。

3 路由维护

3.1 AODV的路由维护及存在问题

AODV路由协议在建立好路由之后，就进入路由维护阶段。在路由维护阶段，如果收到一个数据包，首先检查是否有到达目的节点的活跃路由，如果存在这样一条活跃路由，则通过该路由进行转发。如果传送数据失败，则进行路由修复，如果路由修复失败，则向上游节点发送错误报告RERR分组，通知所有使用该路由的节点，终止使用这条路由[15]。在AODV路由维护的过程中，只有节点完全离开邻节点的有效传输范围或者能量完全耗尽的情况下才会进行路由修复工作，影响网络传输的效率。

3.2 路由维护的改进

为了提前发现路由中断危险，及时进行路由修复，本文在路由发现阶段的基础上，通过HELLO消息对下游节点的能量值和信号强度值来进行监测，对能量值或信号强度值小于阈值的危险节点，进行路由备份，以避免路由中断，这里的阈值要比路由发现阶段的阈值小。如图2所示。

图2 hello消息

在图2中，存在一条路由S-＞A-＞B-＞C-＞D，由中间节点向上游节点发送Hello消息，其中目的节点不用发送hello消息。Hello消息是广播的，为了减少网络开销，本文将Hello消息的目的地址改为上游节点的地址，即由单播来实现。如节点B给节点A发送Hello消息，将TTL值改为1（即只和邻居节点交互），将节点B中Hello消息的目的地址字段（即daddr字段）改为上游节点A的地址。由于Hello消息被封装在hdr_aodv_reply结构体中，因此，将发送Hello消息节点的能量值，放在该结构体的保留字段（reserved字段）中。上游节点A接收到B的Hello消息后，首先查看报文的daddr字段，如果是发送给A的，则获取下游节点B的信号强度（即Hello报文的txinfo_.RxPr属性值）和下游节点B的能量值。如果这两个值有任一项小于阈值，则说明该路由有中断的危险，那么A按2.2节中路由发现的方法进行路由备份，由A重新寻找到节点D的路由。一旦节点B的能量耗尽或这节点B离开A的有效传送距离则启用新路由。如图3，图4所示。

图3 备份路由情况1

图4 备份路由情况2

在节点A发现节点B成危险节点后，或立即找好备份路由E-＞C-＞D或E-＞F-＞D，当节点B失效后，启用替代路由，以提高网络传送效果。

4 仿真实验及结果分析

4.1 仿真环境介绍

仿真实验采用NS2下进行，无线电传播模式采用TwoRay Ground，对AODV协议、EOAODV协议和本文改进的AODV协议（NAODV）的性能进行比较。在本场景中，节点以10 m/s以内的随机速度向一个随机的方向运动，并停留一定的时间，再向下一个随机的方向运动。其中，停留时间为0 s，则表示节点不停地运动，如果节点停留的时间为100 s，则说明节点没有运动。本次仿真实验分别对停留时间为0到100 s之间，每隔5 s，进行一次对比，共进行21次对比实验。具体参数如表1所示。

表1 实验参数

4.2 结果分析

实验结果如图5～图7所示，naodv是本文的改进协议。在图5中的前8次实验中，即从停留时间为0 s到停留时间为35 s的实验中，naodv的数据包投递率明显高于eoaodv和原始的aodv路由协议，这是因为，节点的活动性强，节点周围出现高能量和高信号强度节点的可能性很大，所以提升的空间也比较大，从停留40 s的那次实验开始，三种协议的数据包投递率越来越趋近于相同，这是由于停留的时间越长即节点的运动性越低，那么节点周围出现高能量和高信号强度节点的可能性也就越来越小，到停留时间为100 s，即节点都停止不动时，它们的数据包投递率和平均端到端时延也就趋近于相同了，平均端到端时延则正好相反。图7是节点停留时间为0，即节点处于不停运动情况下的节点平均剩余能量变化情况。在图7中，naodv的能耗速度要明显低于eoaodv和aodv，这是因为naodv中的路由节点是采用高能量高信号强度节点作为路由节点，路由断裂的概率要比eoaodv和aodv低，其广播路由发现报文RREQ的次数就少，因而其能耗就少，并且随着时间推移和路由断裂可能性的增加，这种能耗的差距越来越明显。

图5 数据包投递率对比图

图6 平均端到端时延对比图

图7 节点平均剩余能量变化对比图

5 结束语

改进的路由协议naodv在路由发现阶段选择能量较高和信号强度较强的节点作为路由的中间节点，以尽量避免路由的中断，在路由维护阶段结合Hello消息，及时发现路由链路中可能即将断裂的节点，根据路由发现的方法做好路由备份，在原有路由断裂后，立即启用备份路由。仿真实验表明改进的路由协议有效地提高了数据包投递率，降低了平均端到端时延，并能够有效减慢整个网络的能耗速度，起到延长网络生存期的目的。下一步将考虑更加优化的路由改进方法，研究其对低速运动场景网络的改进效果。

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ZOU Xium ing

School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huai’an, Jiangsu 223300, China

AODV routing protocol only selects the route with least number of hops, without considering the node energy depletion or being about to leave the transmission range of it’s neighbor node, it often results in routing fracture frequently. In order to solve this problem, a new scheme is improved. In the route discovery phase, the node which has greater energy and greater signal strength is selected. In the routing maintenance phase, routing backup is done when the node energy being about to run out or leaving the effective transmission range. Simulation results show that the improved routing protocol can increase the packet delivery ratio, reduce the average end to end delay and energy consumption rate, enhance survival time of the entire network.

Ad hoc On-demand Distance Vector routing（AODV）; node energy; signal strength

ZOU Xiuming. AODV routing protocol of greater energy and signal strength node first. Computer Engineering and Applications, 2014, 50（17）：86-89.

A

TP393.01

10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158

江苏省淮安市科技支撑计划（工业）项目（No.HASZ2012030）。

邹修明（1968—），男，博士研究生，副教授，主要研究领域为网络安全、模式识别、生物信息学。E-mail：brightzou@126.com

2013-10-15

2014-01-16

1002-8331（2014）17-0086-04

CNKI网络优先出版：2014-03-12,http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3778/j.issn.1002-8331.1310-0158.htm l