基于BATMAN的无线自组网系统中乒乓切换的研究

肖衡，梁加明，冯璐

基于BATMAN的无线自组网系统中乒乓切换的研究

肖衡，梁加明，冯璐

（长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410022）

文章主要针对BATMAN协议在多节点移动组网应用场景中所在节点处于各种干扰环境中，导致路由乒乓切换的问题，提出了更新门限阈值的方案。方案的优势就是当路由节点受到干扰来回切换时，提供快速切换制度，提高数据传输效率。通过对无线自组网系统进行测试，表明文章所提出的优化方案能够有效地解决上述问题。

BATMAN；乒乓切换；自组网

引言

无线mesh自组网是一种带有无线收发功能的可移动设备所组成的一个临时性多跳网络，它不依赖于传统网络预设的基础设施，具有可快速实时组网、携带便携、无控制中心、维护成本小等特点。

通过对BATMAN协议的研究发现，各种场景下使用的BATMAN协议都普遍存在着当节点受到干扰的时候，导致经常出现路由乒乓切换问题。因此本文提出一种基于门限阈值的路由快速切换的方案，通过阈值控制路由节点的切换，避免因节点受到干扰来回切换。

1 BATMAN_Adv协议路由协议概述

BATMAN协议致力于将最佳端到端路径问题从Mesh网中的节点分割到所有实际组网节点。所有节点仅仅感知并存储到所有其他节点的最优下一跳信息。各个节点在进行数据传输时就已经在维护一张路由表，使其具备路径选择时延小的优点[1]。

BATMAN路由协议的工作原理：源节点在网络中周期性地洪泛OGM报文，各源节点建立自己的路由表并对路由表进行更新，维护网络中通过单跳或多跳通信链路能够访问到的所有节点的状态信息[2]。

2 BATMAN协议中的乒乓切换问题分析与设计

2.1 路由乒乓切换问题描述

在无线自组网通信过程中，由于信号干扰，导致各链路的度量值发生动态变化，且路由的切换主要由度量值大小决定的，从而存在路由来回切换的问题。路由的频繁切换，会导致时延抖动、报文丢失、导致通信质量严重下降。乒乓切换的基本模型如图1所示。通过研究BATMAN协议，发现引起路由乒乓切换的主要原因就是BATMAN协议中的路由更新机制[3]。

图1 路由乒乓切换模型

图2 三角路由拓扑网络

在BATMAN协议中，路由更新机制主要由通过邻居节点和路由节点去源节点的吞吐量和最近一次传递的OGM报文序列号所决定。只有当通过邻居节点去源节点的吞吐量更高时或者路由节点可能由于遮挡或关机，已经连续在多个OGM报文周期中没有传递过路由节点的OGM报文时，邻居节点将更新为路由节点[4]。

2.2 路由乒乓切换优化设计

为解决路由乒乓切换的问题，本文在路由更新判决的地方增加门限阈值的处理，核心思想：只有当通过邻居节点去源节点的吞吐量与通过路由节点去源节点的吞吐量之差大于门限阈值时，才进行路由节点的更新；故门限阈值是核心，搭建乒乓切换模型，模拟可能的干扰对链路度量值的影响并记录实验数据，进而确定阈值。从A到D有两条路由；A- >B->D链路度量值为25Mbps，A->C->D链路度量值为24.5Mbps[5]。实验数据如表1所示：

表1 各种干扰下的链路度量值

当A->B->D的这条链路存在干扰，导致链路度量值小于24.5Mbps时，A到D的路由就会切换到A->C->D这条链路；当干扰消失后，A到D的路由切换到A->B->D这条链路；形成路由频繁切换，降低了数据传输效率。因此得出结论，链路度量值的波动范围在2~3Mbps，故门限阈值设为3Mbps[6]。

3 方案分析

3.1 实验环境搭建

搭建通信中普遍存在的三角路由拓扑网络，其中每一个节点都是PC端，表2为路由节点地址，图2为PC端分布图。

表2 路由节点地址

3.2 节点信息

使用调试工具batctl查询路由节点5信息，如表3所示。

表3 路由节点5信息

3.3 实验结果分析

在节点5上添加衰减器使5->6链路吞吐量减少，实验结果如表4所示。

表4 路由节点5信息

由表4知道5->10->6链路吞吐量为36Mbps，而5->6链路的吞吐量为29Mbps，故两链路吞吐量之差为7Mbps，超过设置的阈值3M，故路由路径由5->6链路切换为吞吐量更高的5->10->6链路，同时下一跳MAC地址更新为路由节点10的MAC地址。

根据上述实验分析可知，本方案提供一种快速乒乓切换的机制，加强了自组网系统的抗干扰能力，避免了因轻微干扰引起的路由乒乓切换，提高数据传输效率[7]。

4 结束语

BATMAN协议由于路径选择等待时延小等优点，在自组网中得到广泛地应用，但是该协议还是存在一些技术缺陷，本文对基于BATMAN协议的无线自组网系统中普遍存在的乒乓切问题进行了深入研究，并提出相应BATMAN协议优化方案，为BATMAN协议研究以及优化路由乒乓切换问题起到了一定的借鉴作用。

[1] 王大鹏.无线Mesh网络中高效公平通信协议的研究[D].中国科学技术大学,2011.

[2] 王琦.无线Mesh网络路由协议关键技术的研究[D].国防科学技术大学,2012.

[3] 陈宇.基于BATMAN的铁路干线无线Mesh网络切换机制研究[D].中南大学,2014.

[4] 罗尚平,刘才铭,黄陈英.海上多跳无线自组网路由协议仿真研究[D].乐山师范学院,2015.

[5] 陈东升,戴和原.改进BATMAN的电力系统状态监测通信研究[D].东北电力大学,2016.

[6] 王道大,张智斌,王海瑞.基于Zigbee自组网技术的煤矿瓦斯预警系统的设计[J].价值工程,2016,35(003):75-77.

[7] 常初宇,向勇,史美林.车载自组网的现状与发展[J].通信学报,2017, 28(11):116-126.

Research on Ping-Pong Switching in Wireless Ad Hoc Network System Based on BATMAN

Xiao Heng, Liang Jiaming, Feng Lu

( School of Electronic Information and Electrical Engineering, Changsha University, Hunan Changsha 410022 )

This article focuses on the problem of BATMAN protocol in the multi-node mobile networking application scenario where the node is interfering and causes continuous routing switching, resulting in routing ping-pong switching. The advantage of the scheme is that when the routing node is switched back and forth by interference, it provides a fast switching system to improve data transmission efficiency. By testing the wireless ad hoc network system, it is shown that the optimization scheme proposed in this paper can effectively solve the above problems.

BATMAN; Ping-Pong Switching; Ad hoc network

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.007

U462.1

A

1671-7988(2021)02-20-03

U462.1

A

1671-7988(2021)02-20-03

肖衡，就职于长沙学院电子信息与电气工程学院。