移动自组网中一种基于锚点的避洞路由协议

移动自组网中一种基于锚点的避洞路由协议摘要:随着移动自组网中路由协议研究的深入,基于地理位置信息的路由应用范围越来越广,然而当源节点和目的节点之间存在洞时,经常会面对局部最优的问题,而且有可能会选择一条较长的路径进行数据转发。

针对此问题,文章提出了一种基于锚点的避洞路由协议,它通过循环发现中间节点也就是锚点,构造子路径,进行数据转发,有效地解决了这个问题。

模拟结果表明,本协议具有路由延迟小、路径短等特点。

关键词:簇;延迟;网格;移动自组网近年来,基于地理位置信息的路由协议在移动自组网中得到了很大发展。

在移动自组网的大部分路由协议中,通过路由探测获知网络中节点之间的连接关系和链路特性,由此来确定网络路由。

随着定位技术的进一步发展,具有定位功能的节点能够更加方便地获得地理位置信息,利用这些信息进行路由对于降低路由的控制开销、适应动态变化的网络拓扑以及提高路由协议的可扩展性都具有非常重要的意义。

目前,基于地理位置信息路由协议一般采用贪婪转发算法,即节点将数据包转发给它的某个比自身更接近目的节点的直接邻居。

显然,如果没有一个邻居节点比转发节点自身更接近于目的节点,那么贪婪算法将不可行,即遇到了局部最优问题,这时需要采用某种恢复策略来处理这种问题。

现有的基于地理位置信息路由协议中,一般有两类恢复策略。

一类为周边转发策略,如GPSR,Face-2 algorithm,即当节点遇到局部最优时,建立边不相交的局部区域的平面子图(planar subgraph),依次得到洞的边界线,使用右手规则沿着洞的边界线进行路由,最后绕过洞。

另一类策略是提前反映出网络中的洞分布,如BOUNDHOLE。

该算法中每个节点预先保存了沿着洞的路由信息,当数据包的转发到达洞边界时,直接使用这些预先保存的路由信息即可绕过洞。

但是这两种恢复策略仍存在些问题,如:三角问题和盲目避洞问题。

文章其它部分组织如下:第一部分介绍了本路由协议的网络模型;第二部分提出GAR路由协议的设计方案;第三部分对提出的路由协议进行模拟与性能评估;最后对文章进行了总结。

1网络模型文章提出的网络路由协议是基于下面一些假设:①网络中存在两种节点:普通节点和超级节点;普通节点用短无线电进行通信,通信半径r=■d/2;超级节点用长、短无线电进行信,长无线电通信半径R=■d,即簇头可以和它相邻的8个簇头节点直接通信;②如图1所示,整个网络被划分为若干个边长相等的小正方形区域(边长为d),每个区域称为一个网格;③每个节点都知道自己的地理位置信息,如通过GPS设备或者某种定位算法获得,如Grid location service;④普通节点和超级节点在网络中分布均匀,即有普通节点的地方就有超级节点。

每个网格是一个簇,其中的簇头节点通过文献[6]介绍的簇头选举算法,在超级节点中选举产生,普通节点和其余的超级节点是簇成员节点。

网络分为两层:簇成员节点构成一层,用短无线电通信,称为下层;簇头节点构成一层,用长无线电通信,称为上层,也称为骨干网层。

簇内采用表驱动路由,簇之间采用按需路由。

图2是两层的骨干网模型示意图,为简洁起见,簇头和簇成员之间的链接没有完全画出来。

图中每个小正方形就是一个网格。

2GAR路由协议在我们提出的GAR路由协议中,我们主要解决在一般的利用边界转发思想进行避洞时,常遇到的三角问题和盲目避洞问题。

GAR有两部分组成:锚点发现算法和锚点路由算法。

GAR通过锚点发现算法去获得在源节点和目的节点之间的所有锚点,并把这些锚点注册在一个AC(anchor cache)表里。

GAR利用锚点路由算法,从一个锚点到另外一个锚点进行数据转发,并最终把数据送到目的节点。

2.1锚点发现算法锚点发现算法的主要目的是记录从源节点到目的节点上所有的锚点,并把它们注册在AC表里,以备锚点路由算法之用。

当一个数据包要进行转发时,那源节点首先查看自己的AC表,是否包含了锚点的信息,若包含了,则直接利用锚点路由算法进行数据转发即可;否则,启用锚点发现算法,去寻找在源节点和目的节点之间的所有锚点。

在这里锚点发现算法,我们主要利用的是HRR思想。

下面给以简单介绍。

如图3所示,内侧的椭圆是洞被椭圆化后的形状,外侧的是洞影子的范围,当S 有数据要转发时,S首先发送一个控制包(Data Control Pack ),当这个控制包到达洞影子范围内的一个节点M时,M做4条切线,即MR1,R1D,和MR2,R2D,交点分别是R1 和R2,然后比较MR1+R1D和MR2+R2D的长短,从中选择一条较短的进行数据转发,在这里我们选择MR2,R2D,即M把控制包转发给R2,然后R2把自己的信息注册进这个控制包,再转发给D。

我们称R2为一个锚点,在S和D之间可能不止一个洞,像这样的锚点很可能有多个。

最终当这个控制包到达目的节点后,它将记录从源节点到目的节点的路径上所经过的所有锚点,然后目的节点再把此控制包从原路返回给源节点S。

当S收到此控制包后,查看里面所有的锚点,并把他们放到自己的AC表里面。

在这里我们应该知道AC表可能有三种状态:AC表不存在;AC表存在,但是为空;AC表存在,也不为空。

它一般在锚点路由算法时才用到。

2.2锚点路由算法锚点路由算法主要是用来进行路径优化的,也就是用来解决地理位置路由经常遇到的三角问题和盲目避洞问题的。

它一般是在已经找到锚点,开始转发数据时才用到。

其思想是:当源节点S要转发数据时,它首先查看自己到目的节点的AC表,一般AC表有3种状态,表示的含义各不相同:①AC表不存在,说明还没有进行锚点发现算法,即还没有数据从这个节点经过。

这时源节点要利用HRR的思想发起锚点路由算法。

②AC表存在,但是为空,说明从源节点到目的节点的路径上不存在洞,这时源节点就可以直接利用贪婪算法进行数据转发。

③AC表存在,也不为空,则此时当有数据转发时,把AC表中的锚点作为中间的目标节点,利用HRR思想继续寻找下一级的锚点,直到两个锚点之间可以利用贪婪算法进行数据转发为止。

2.3锚点路由算法的递归利用我们应该知道,在源节点和目的节点之间很可能存在许多大小不一的洞,因此就可能存在许多的锚点,这样第一次我们找到的是源节点和目的节点之间的一级锚点,而第二次我们还必须去寻找在两个锚点之间是否存在洞,是否会有二级的锚点存在。

依次类推,直到任何两个锚点都可以利用贪婪算法的思想,进行数据转发为止。

如图4所示,是我们利用GAR递归地去寻找锚点和锚点路由算法的过程,首先我们利用锚点发现算法在源节点和目的节点之间寻找锚点,如图4(1)所示,是我们最初找到的两个锚点R1和R2,并把R1和R2注册在源节点S的AC表里面。

这时当有数据发送时,通过中间的锚点R1和R2,利用贪婪算法进行。

当数据包要发送时,由于源节点没有到R1的路由表,这时又会触发二级的路由发现过程,源节点S会把R1当成目标节点,进行锚点发现,当发送出去的数据控制包返还回来时,发现没有锚点,这时可知源节点和R1之间不存在洞,可以直接利用贪婪算法进行数据转发,并把S到目标节点R1的AC表置为空,如图4(2)所示。

当数据包到达R1后,R1会触发二级锚点发现过程,新的锚点R3会被发现在R1和R2之间,如图4(3)所示。

三级锚点发现过程将在R1和R3之间进行,如图4(4)所示。

当数据包达到R2后,会再次触发二级的锚点发现过程在R2和D之间,由于到D不存在洞,所以锚点发现和锚点路由过程结束,如图4(5)所示。

当S再有数据包转发到目的节点D时,就可以利用上面建立的路由表,利用贪婪算法发送数据。

如图5所示,当S节点有数据包要转发时,它查看自己的AC表名为空,便发起锚点发现算法,利用HRR的思想,找到一个锚点R,然后利用锚点路由算法在进行路径优化,最终建立起一条链路,其所走的路径如图5中绿色实线段SR和红色线段RD所示,而利用GPSR思想进行数据转发时所走的路径如图5中黑色实线段SM、黑色虚线段MR和红色线段RD所示。

从中我们可以看出,GAR路由协议和GPSR相比在一定程度上解决了盲目避洞和三角问题,而且对路径进行了进一步的优化,使数据转发所走的路径更短。

3模拟分析目前,GPSR协议中的周边转发策略是基于地理位置信息路由协议中性能较好的恢复策略。

本节通过模拟与GPSR协议(利用在骨干层)进行比较,来说明文章提出的避洞路由协议具有路由延迟小、路径短和可扩展性好等优点。

假设短无线电的传输半径r=280 m,网格边长为200m,长无线电的传输半径R=560 m,它可以保证位于网格中心的簇头与其相邻的8个簇头直接通信。

另外在这个模拟环境中,假设存在的洞最大为6个相邻的空网格。

模拟实验中,节点的移动遵循随机移动模型。

文章在两种网络环境中进行了模拟,模拟参数设置如表1所示。

文章在模拟实验中采用平均路径长度和平均路由延迟作为性能评估指标。

平均路径长度是指所有从源节点到目的节点之间的路径总跳数的平均值。

平均路由延迟是指所有成功建立的路径总延迟的平均值。

图6描述了在1 800 m×1 800 m网络中,移动节点数为460时,随着相邻空网格数变化时平均路径长度的变化情况。

图7描述了在6 000 m×6 000 m网络中,移动节点数为4 800时,随着相邻空网格数变化时平均路径长度的变化情况。

从图6和图7中可以看出,这两种路由协议在没有洞或洞比较小时,它们向目的节点转发数据,几乎都是按照贪婪算法进行数据转发的,因此它们的平均路径长度基本上是比较接近的。

但是随着洞的变大,它们遇到洞的概率增大,这两种路由协议各自的特性就体现出来了。

由于GPSR在遇到洞时,是从洞的边界进行数据转发的,因此所走的路径最长,而GAR利用HRR进行路径选择,然后利用锚点路由算法进行路径优化,因此所走的平均路径要比GPSR短,而且还可以看出随着洞的增大GAR 算法所产生的平均路径长度要比GPSR更短,优越性也就更明显。

因此在同等规模的网络中,我们提出的GAR算法要比GPSR好。

图8和图9描述了在两种不同的网络环境中,分别存在6个相邻空网格和12个相邻空网格时的平均路由延迟的变化情况。

可以看出文章提出的避洞路由协议的平均路由延迟要比GPSR减小很多。

另外随着各网格内的节点密度增大,有簇头的网格数增多,下一跳转发簇头的选择范围增大,从而也会使平均路由延迟减小很多。

模拟结果表明,我们提出的基于锚点的避洞路由协议是可行的,能有效地解决基于地理位置路由协议中存在的局部最优问题和GPSR中存在的三角问题和盲目避洞问题。

同时可以看出,在大规模移动网络中,如600 m×6 000 m,GAR算法运行的也非常好。

5结语文章提出了一种基于地理位置的锚点路由算法,它利用HRR思想进行锚点发现,然后利用锚点路由算法,递归地在每对相邻锚点之间进行链路建立,逃离了洞,有效的解决了地理位置路由时,经常出现的局部最优问题、三角问题和盲目避洞问题。