Ad Hoc的DSR协议在物联网中的运用

2014-09-24魏滢沙锋

物联网技术 2014年7期

魏滢+沙锋

摘要：分析了移动自组织Ad Hoc网络与物联网相似的组网结构和通信特点，在此基础上讨论了Ad Hoc中DSR路由协议在物联网通信过程中的适用性。并通过NS模拟了DSR路由协议在物联网中的通信过程，由仿真结果可知：当网络节点移动速度增快或网络规模扩大时，采用按需路由协议DSR可以保持较高的分组平均递交率和较低的路由开销，同时网络也具有较好的服务质量，适合规模较大、快速移动、拓扑结构变化较快的物联网。

关键词：物联网；Ad Hoc网络；DSR路由协议；NS仿真

中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：2095-1302（2014）07-0048-04

0引言

物联网使物理世界信息化，是目前国际学术界和工业界研究的热点之一。随着物联网应用规模的日益扩大，其承载业务的不断增多，路由正确性与及时性直接影响网络传输性能和服务质量。本文在分析物联网与Ad Hoc网络特点基础上，探讨Ad Hoc网络技术在物联网环境的适用性，并通过实验仿真Ad Hoc网络中的DSR路由技术在物联网中的通信过程。

1Ad Hoc网络与物联网

1.1物联网的技术特点

物联网在传统电信网和互联网的基础上，融合了通信工程、计算机应用、微电子信息、自动化管理等多门学科技术，将普通物理对象互联，从而使物品之间具有终端设备功能，并且拥有普适运算和智能化的特点。物联网体系结构主要由感知传感识别层、网络通信层、管理服务数据融合层和综合应用服务层等四个层次构成[1,2]。

感知识别层位于物联网四层模型中的最底端，是所有上层结构的基础，同时也是联系物理世界和信息世界的纽带。感知识别层通过传感节点进行数据采集，传感节点的能量供应问题是物联网的主要瓶颈之一。另外，传感节点的动态接入与退出网络，网络拓扑动态变化，需要有健壮的网络模型支持。

网络通信层由电磁波为传导媒体的无线网络以及由双绞线、同轴电缆、光纤构成的有线网络组成，主要负责将传感器定时采集到的数据信息传递到中心服务器上。感知层采集到的数据量通常比较庞大（包含了视频、图像、声音等内容），另外感知节点多数由移动节点构成，由于带宽受限、节点移动、网络拓扑结构动态变化、路由转发等因素，容易造成数据分组乱序、迟延、丢包等现象，影响着网络服务性能。网络层实现高效的数据传输不仅需要协调各种异构网络，而且需要有一系列可行的协议规范。

管理服务数据融合层采用数据挖掘、云计算、计算中心等技术，实现数据过滤从而降低冗余、实现丢失数据定位，合理优化。

综合应用服务层主要为用户提供与物联网的交互接口，满足用户需求[3-6]。

1.2Ad Hoc网络在物联网环境中的适用性分析

Ad Hoc网络中移动装置体积小、价格便宜、使用方便、功能强大，其节点拥有主机、天线、路由器三个基本功能[7]，与物联网具有相似的网络特性和要求：

（1） Ad Hoc网络节点采用分布式操作，整个网络无中心性，不需要依靠基础设施支持和中心管理，每个节点具有主机和路由功能，节点不仅可以进行运算而且可以根据路由算法存储转发数据分组[8]。物联网中运用了大量的传感节点，其网络分布同样无中心性，每个传感节点采用分布式操作采集数据，通过节点之间相互协力完成信息传递。

（2） Ad Hoc网络的节点与物联网节点都可在拓扑范围内沿着不同的速度和方向自由随机移动性[9]。整个网络拓扑随机、迅速、不可预测，并且传输由单向链和双向链组成。移动性和网络拓扑结构的动态变化性制约了网络规模的扩展，简单、快速的路由协议为网络服务质量提供了重要保障。

（3） Ad Hoc网络的节点与物联网节点都可以随意的进入和退出网络，网络不会因为某些节点状态而发生改变。网络具有很好的健壮性、和自组织性，在多种的临时突发场合都可以运用。

（4）在链路和带宽上，Ad Hoc网络与物联网都具有链路易变、带宽受限的特性。由于无线网络经常受到信号衰减、噪音干扰、环境屏蔽等因素影响，所以，无线网络具有比特误码率较高、带宽受限、链路容量和质量波动起伏、网络吞吐量较低等特征。

（5） Ad Hoc网络节点与物联网在民用领域广泛运用。网络节点主要是以手持设备或者更小的设备构成。小设备通常受到设备本身的若干特性限制如：电池能量、设备处理能力等，所以对协议设计优化均提出了一定的要求。

（6） Ad Hoc网络与物联网通信上都采用开放的空中接口，利用电磁波无线传导媒体传输数据，在安全性上相比固定网络更加容易受到窃听、欺骗、伪装、篡改等多种主动式攻击与被动式攻击的安全威胁。通常会将一系列链路安全技术运用到无线网络中，降低安全威胁。Ad Hoc网络的节点与物联网以非中心控制方式组网提供了额外的安全强壮性，对抗有基础设施支持的中心控制网络中单节点上出现的安全漏洞[10]。

在Ad Hoc网络技术中，各种异构设备利用无线通信模块和标准通信协议构成自组织网络与物联网具有相似的网络结构。物联网的一个重要特征是“物品触网”，每一件物品均具有通信能力，成为带有计算能力的移动网络终端，随遇装置、动态移动的特性决定了使无线网络成为其最简单的互连方式。Ad Hoc网络与物联网具有诸多相似的网路结构和特征。Ad Hoc网络的组网以及路由等技术可以广泛运用于物联网的特殊环境[11]。

2Ad Hoc网络的DSR路由协议在物联网中的运用

2.1Ad Hoc路由技术及DSR路由协议的特征

路由算法选择直接影响网络服务质量，路由算法应尽量简单，并且能快速适应网络拓扑变化，目前Ad Hoc网络中主要有三类路由协议，即使表驱动路由协议、按需路由协议和混和型路由协议[12]。表驱动路由协议又称先验式路由协议，主要包括：序列目的节点距离矢量路由协议DSDV，基于反向路径转发的拓扑分发协议等。按需路由协议：又称反应式（Reactive）路由协议，主要包括：动态源路由协议DSR，按需距离矢量路由协议AODV、基于节点间相互关系路由协议ABR等。混和型路由协议：该类型是上两种类型的折衷，在局部范围内使用表驱动路由协议，以缩小路由控制消息传播的范围。当目标节点较远时，通过查找发现路由，从而减少路由协议的开销，改善时延特性。混和型路由协议主要包括：域路由协议ZRP，抢先式路由协议等[13]。

源动态源路由协议DSR具有简单且高效的特点，为Ad Hoc网络提供快速反应式服务，确保节点在移动或者网络状况发生变化时都可以成功交付数据分组。按需路由协议DSR由路由寻找和路由维护两个主要机制组成。路由寻找机制主要运行于从源节点到目的节点的源路由查找过程，并且只有在源节点需要发送一个数据分组给终端目的节点时，并且还不知道到达目的节点的时候才能使用。当数据分组在路由器之间存储转发时，如果探测到路径上的某个中间路由节点存在链路失败，该中间路由节点将为源节点回传一个路由错误数据分组。路由错误数据分组包含发生链路失败的两个端节点地址。源节点收到回传的错误数据分组时，将根据错误数据分组所包含的地址，找到该节点并且删除包含该链路的路由，从而触发新的路由建立过程[14]。

2.2DSR路由技术在物联网中的仿真实验

合理有效的路由机制直接影响着物联网传输性能和运行效率，为完善网络服务质量提供保障。为了进一步分析Ad Hoc网络技术及路由协议在物联网环境的适用性本，本节采用NS仿真的方法[15]，通过一系列的仿真实验来分析按需路由协议DSR在物联网环境下的通信的性能。

2.2.1实验场景设计

实验仿真场景：以局域网通信作为模型，采用1000m×1 000 m网络拓扑范围，节点在拓扑内随机移动模拟终端主机，因为在物联网数据传输主要以流媒体为主，所以采用CBR作为网络负载。建立客户端服务器通信模型。每个数据分组大小定义为1 460字节，由于无线网卡的功率范围有限，因此实验定义无线发射范围为400内通信。目前在MAC层上采用IEEE802.11g协议，支持最大带宽为54 Mb/s。每次实验仿真时间为1 200 s。

2.2.2网络性能评估参数选取

在评价网络服务性能时通常可以采用一系列指标作为评价标准[16]。由于物联网通信最主要的是速度与传输率问题，所以实验采用网络分组平均递交率（Packet Delivery Rate）、端到端的平均时延、（Average End-to-End Delay）、路由协议开销（Overhead）三个主要性能指标。

2.2.3仿真结果分析

本文对节点在不同移动速度下的通信性能进行了分析，得出了如图1所示的仿真结果。图2所示是节点在不同工作站数目下的通信性能。具体实验如下：

实验1：节点在不同速度内自由移动，测试网络通信性能。节点速度变化分别为2，4，6，…，20 m/s，规模为101，其中1个节点作为服务端，100作为工作站并发访问同一个服务端。其仿真结果如图1所示。其中，图1（a）反映节点移动速度变化与数据分组平均递交率的关系。图1（b）反映节点移动速度变化与端到端平均时延的关系。图1（c）反映节点移动速度变化和路由开销关系。

实验2：节点在不同工作站数目下的通信性能。1个节点作为为服务器，10，20，…，100。工作站节点并发访问同一服务端。实验结果如图2所示。其中图2（a）反映节点数目变化与吞吐量的关系。图2（b）反映节点数目变化与端到端平均时延的关系。图2（c）反映节点数目变化与路由开销的关系。

从实验结果可知：随着节点移动速度以及节点数目不断增加，网络拓扑中链路变化和链路中断将明显加快，按需路由协议DSR为网络快速适应机制，每个节点都拥有快速获取到达新目的节点的路由能力，并且开环式操作快速收敛，可以有效避免Bellman-Ford问题，因此网络具有较高分组平均递交率。平均分组递交率为节点单位时间内接收到的数据包个数与源节点单位时间内发出的数据包个数之比。平均分组递交率越高其网络传输越可靠。另外，随着移动速度和节点数目不断增加，节点保持着较低的端到端的平均时延和较少的网络路由开销。只有当移动节点快速移动或规模增加较大时，端到端的平均时延才增大明显。平均时延包含从源节点到达目的节点的平均时延，由节点处理时延，数据发送时延，信号传播时延以及路由选择和排队等待时延所构成；路由开销是网络性能重要指标，发送大量路由分组的协议将增大网络拥塞的概率，并且会延迟接口队列中数据包的发送。随着网络规模增大时后，路由控制开销会和节点数目成正比增加，但由于DSR路由协议采用按需机制，因此路由开销相对增加较少[17]。

3结语

通过对物联网和移动自组织Ad Hoc网络特点对比分析，两个网络具有相似的网络结构，Ad Hoc网络技术可以为物联网提供了合理的网络环境。与此同时，合理高效的路由机制和简单的路由算法保证着物联网高效可靠的数据传输。为了论证Ad Hoc中的按需路由协议在物联网通信过程中的适用性，我们采用了仿真实验的方法模拟物联网节点通信场景。通过实验结果分析可知：物联网中的节点在拓扑范围自由移动、随机通信，采用DSR路由协议，当节点高速移动或网络用户节点数增加时，网络仍保持着较高的分组递交率、较低的网络迟延和路由开销。按需路由协议DSR不仅可以适应于物联网网络环境，而且当物联网中节点移动速度较快、规模较大时同样能提供较好的网络通信性能。

参考文献

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作者简介：魏滢（1980—），女，福建漳州人，硕士研究生，讲师，厦门大学嘉庚学院计算系科学与技术系。主要研究领域为无线网络通信、物联

网工程。

沙锋（1981—），男，吉林白山人，硕士研究生，网络工程师，厦门理工学院信息中心。研究方向为计算机网络。

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收稿日期：2014-04-28

基金项目：2013年福建省中青年教师教育科研项目A类科技项目“基于无线移动Ad Hoc网络的物联网通信拥塞机制研究”（JA13355）

A pplication of DSR routing protocol of Ad Hoc network in IOT

WEI Ying1, SHA Feng2

(1. Tan Kah Kee College, Xiamen University, Zhangzhou 363105, China; 2. Information center, Xiamen University of technology, Xiamen 361024, China)

Abstract: The networking structure and communication features of Ad Hoc network, which are similar to those of Internet of Things (IOT) are analyzed in this paper. Ad Hoc network can be used in the environment of IOT. The applicability of DSR routing protocol in Ad Hoc network in IOT communication process. NS2 simulation software was used to simulate the communication process of DSR routing protocol in IOT. It can be conclude by the simulation results that the routing protocol DSR according to demand can maintain a higher average packet delivery ratio, lower routing overhead and better QOS when the moving speed of the network nodes is faster or network size grows up. DSR routing protocol in Ad Hoc network is suitable for large-scale and fast-moving IOT with rapid changing topology structure.

Keywords: IOT; Ad Hoc network; DSR routing protocol; NS simulation

远望谷发布新一代超高频读写器

2014年6月3日至5日，远望谷参加了在北京召开的“2014中国国际物联网博览会”，会议期间，远望谷发布了新一代超高频读写器XC-RF808。

远望谷发布的XC-RF808型新一代读写器，是一款具有高性能、宽频段及可扩展性的超高频RFID读写设备，可支持ISO18000-6C/6B 标准与EPCglobal Class 1 Gen 2协议。并可广泛应用于制造及供应链管理、数字化仓储管理、商业零售、门禁管理、资产管理、智能交通等领域。

远望谷XC-RF808型新一代读写器采用新型处理器设计，该设计既能处理复杂的客户业务需求，又能快速的响应对标签的各种操作。多标签读取性能优异，支持密集阅读模式，大容量标签读写，接收信号强度检测(RSSI)，以及可选配网络供电(PoE)功能。具有可靠的网络适应性，支持多种网络协议，特别适合于企业级大规模批量组网应用，大幅地提升物流供应链效率，有效降低企业的运营成本。

远望谷XC-RF808型新一代读写器产品的主要特点如下：

◇ 单标签识别速度快：>500次/秒；

◇ 多标签读取率高：400张标签，5秒内100%识别率；

◇ 支持双标准：支持符合ISO18000-6B与ISO18000-6C标准的标签；

◇ 全面的 API 支持：VC、Java与.NET API，简化应用程序的开发；

◇ 防护等级高：IP65，铝合金外壳，坚固耐用，适用于各种恶劣的工作环境；

◇ 四路TNC天线端口：配置灵活，满足不同应用需求，实现最佳成本效益；

◇ 丰富的I/O控制接口：低功耗，低成本，提供额外的控制和监视功能；

◇ 内置Web Server服务器：远程查询、配置读写器参数，简化了设置、部署、测试管理；

◇ 网络供电(PoE)：通过网络为设备提供电源，简化管理，节省资源，降低用户的组网成本。

Keywords: IOT; Ad Hoc network; DSR routing protocol; NS simulation

远望谷发布新一代超高频读写器