动态均衡无线网络节点负载的AODV协议设计

张 莉，马苗立

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

目前，物联网技术的发展非常迅速，在未来的几十年内物联网技术将在很大的程度上改变人们的生产、生活。物联网技术的核心问题是无线网络的通信能力，有效的利用网络资源是物联网技术发展的一个关键问题[1]。

在无线网络中，要考虑整个网络的通信能力，也要考虑网络中每个节点的负载问题。由于无线网络中各个节点的通信能力有强有弱，AODV协议中的跳数最小路由判据可能会造成网络负载集中流向通信能力差的网络节点，造成这些节点的网络堵塞，从而降低整个网络的通信能力[2-3]。同时，这些节点的能量消耗过多的应用到与周围节点建立通信连接上，这也会造成网络能量的浪费[4]。

针对以上问题，本文提出了一种均衡负载的AODV协议，该协议引入了无线通信成功率的概念，将路由的判据由原来的跳数最小改进为通信成功率最高，很好的避免了网络的阻塞，提高了整个网络的通信能力。

1 AODV协议简介

AODV路由协议是按需改进的距离向量路由协议，它包括多种控制消息：路由请求消息 Routing Request(RREQ)，路由应答消息 Route Replies(RREP)和路由错误消息 Route Error(RERR)，路由应答认可消息(RREP-ACK)，Hello 消息等[5]。网络中的每个节点靠发送hello消息与周围的节点建立连通关系[6]。当源节点需要向目标节点发布消息而又没有有效路由时，就会发送一个路由请求消息，开启一个寻找路由的过程，找到有效路由后目标节点回复一个路由应答消息到源节点,源节点将保存该路由到路由项表[7]。如果源节点收到无法寻求到有效路由的错误信息或寻求超时则表示到该目标节点没有有效路由。在路由寻求的过程中，各个节点就会建立起到其他节点连通性的路由项表。路由项表维护了该节点到其他节点的最新连通情况[7,8]。

2 LD-AODV协议

2.1 判据改进

无线网络中两个节点间的路由判据是路由选择的依据，在标准的AODV路由协议中，路由判据是跳数最少[9]，但是这种判据容易造成数据的堵塞和无线网络能量的浪费[10]。为了解决网络堵塞的问题，本论文将无线网络的路由判据由原来的跳数最小，修改为通信成功率最高。

2.2 通信成功率的获取

在标准的AODV协议里一个节点与其周围其他节点的连通性的建立是靠该节点定期向周围节点广播hello消息，周围节点向该节点回复应答消息，这个过程就使该节点与周围节点建立起连接。本文中为了获取通信成功率，节点在向其周围节点广播hello消息时将一个改为一组，节点根据在一个周期内收到的应答消息的个数来获取通信成功率,具体如公式1所示，

(1)

式中，Pi是第i个节点与源节点的通信成功率，Ri代表源节点接收到的第i个节点回应的Hello消息个数，T表示源节点在该时间段内广播的Hello消息个数。

2.3 消息格式的修改

为了适应路由判据的修改，AODV的消息格式也做了相应的修改，在每一种消息格式内都增加了2个字节的通信成功率数据。路由请求消息修改为表1的格式。

表1 修改后的RREQ消息格式

改进的RREQ协议与标准的RREQ协议相比，唯一的区别是在协议里增加了32个位，其中16位用于存储与其他节点的通信成功率，其他16位保留，默认为0. 值得提出的是，其他的控制消息与标准AODV协议的格式一致[11，12]。

2.4 路由通信成功率的获得

每条路由的通信成功率表示了该路由目标节点接收源节点发送数据包成功的概率，和该条路由上所有节点之间的通信成功率有关，具体计算如式2所示。

(2)

式中，Mj表示从目标节点到源节点的第j条路由总通信率；n表示第j条路由的跳数；Pji表示每一跳的通信成功率。

3 效果验证

3.1 验证网络组网方式

为了能够真实的验证LD-AODV协议的工作性能，专门设计了网络节点的硬件。利用若干个硬件组成一个特殊的测试网络。网络节点硬件主要由单片机stm32f103r8t6和无线射频模块nrf2401组成。硬件设计电路框图如图1所示。

图1 无线网络节点硬件框图

如图1所示，网络节点由ID标识、网口、串口、外部扩展器及无线通信单元NRF2410组成。其中：

(1) ID标识给网络节点提供唯一的8位节点序号，该节点序号由硬件提供，保证了节点程序的一致性。

(2) 网口和串口为网络节点的数据传输提供了接口。

(3) 外部扩展存储用于传输数据的存储，当网络通信成功率不高的时候，可以将待传输的数据暂存本地，防止因网络阻塞造成数据丢失。同时，扩展的存储器还开辟了一定的空间用于路由项表的存储。

(4) NRF2401是节点的网络通信单元，可以通过与其连接的放大器来调节网络的通信能力，本文为了验证协议的有效性，通过调节放大器的放大倍数及加遮挡物的方式来获得不同通信距离的网络节点。

另外，由于本文所选用的NRF2401每次通信字节数有限，在实验过程中，进一步将AODV的协议格式进行了压缩，其中包括：1)对预留位的删除；2)对协议字节数的缩减等。

3.2 验证网络组网方式

在验证LD-AODV无线网络时，设计了10个图1所示的无线网络节点，将这些节点随机的分布到一个空旷的测试环境内。利用硬件上的接口可以随意的切换硬件的运行模式。该网络可以单独获得任意节点的与周围节点的连通情况，也可以按照特定的模式进行数据通信。为了验证效果，我们设计了一条从节点1到节点10的寻找路由的过程。为了很好的验证LD-AODV的改进效果，实验中将节点10进行了特殊处理，其中10(1)表示节点10的功率放大器放大倍数被调至最小时的通信成功率，10(2)表示节点10在(1)的基础之上再通过放置遮挡物进行部分方向上信号的屏蔽。具体的组网结构如图2所示。

图2 组网结构图

3.3 效果验证方法

测试网络节点可以在不同的运行模式下运行，为了直观的观察LD-AODV无线网络的工作情况，首先将各节点运行在获取各节点与周围节点连通情况的模式下，获得各节点之间的通信情况，某一时刻各节点间的通信情况见表2。

表2 各节点与周围节点的连通情况

为了能够直观的看到数据通信的详细过程，测试自组的网络可以通过设置使其工作在标准的AODV和LD-AODV两种协议下，并且网络传输数据在传输过程中添加的数据传输的路径信息，为了能够更加清晰的看到数据的传输过程，数据在传输过程中每一跳都进行了通信成功重发与确认。为了观察算法的寻求路由的过程，从源节点开始，将每个路过的节点信息保存到寻找路径的信息中，具体的信息存储见表3。

表3 数据含义

3.4 效果验证结果

为了对比标准AODV协议和LD-AODV协议的数据传输过程，让两种协议下的网络进行相同的数据传输。表4是两种协议下数据从节点1到节点10的数据通信情况。

表4 两种通信协议下的数据传输对比

续表

从表4的数据传输过程来看，在节点1到节点10的数据通信过程中，在第一种情况下 LD-AODV协议成功的避开了通信成功率低的3号节点，在第二种情况下节点1到节点10是可联通的，但是成功率较低，LD-AODV协议选择了1-4-6-8-10将通信成功率提升到了76.3%。而标准的AODV协议选择了1-10的直接联通，其通信成功率为31.5%。从以上分析可知LD-AODV协议的路径选择是通讯成功率最高的路径。

从总体上看LD-AODV协议由于在路由选择过程中避让了通信能力较差的网络节点，所以减少了数据包被转发的次数。被转发次数的减少势必会减轻整个网络的负载量，从而可以减少整个网络的能量消耗。

在数据通信过程中，每一个网络节点的通信能力与和它通信的网络节点有关系，通信能力差是相对于某个节点而言的，某个网络节点的通信能力会根据数据通信的源节点和目标节点的不同而不同。所以本文所提出的LD-AODV协议动态的均衡了网络节点的负载。

另外，由于测试环境是多变的，各个节点间的实时通信成功率是变化的，所以测试的结果与实际的理论结果有一定的偏差。表4中的数据是五次测试的平均值。

4 结论

(1) 每个网络节点定期广播hello消息组，通过接收到的响应信息个数获取了与周围节点的通信成功率，并将其保存到路由项表里。

(2) 将通信成功率指标作为了信息是否经过该节点的判断依据，有效的避开了成功率较差的节点，增加了网络的通信成功率。

(3) 实验结果表明，LD-AODV协议避让了通信能力较差的中间节点，动态有效的均衡了网络负载分布，在一定程度上缓解了网络的消息堵塞问题，同时优化了整个网络的能量消耗。