OLSR

OLSR（精选3篇）

OLSR 篇1

0 引 言

无线传感网络节点多用于比较恶劣的环境,如战场或各种地下作业,因此对节能和数据可靠传输的要求较高,同时由于节点分布不均匀,多为垂直和水平分布,传统的路由协议如AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing),Gear,Leach等缺乏灵活性,且对节点定位要求较高[1]。而先应式路由协议OLSR(Optimized Link State Routing)引入了MPR选择机制,使得其有效减少路由开销和保证节点传输的可靠性。

OLSR是一种先验式路由协议,已经被IETF MANET工作组正式公布为自组网路由协议的RFC标准。OLSR通过获得的拓扑信息,利用Dijkstra算法进行路由计算,选择到达目的节点的最短路径。

虽然OLSR协议具有很多优点,但研究结果表明,当节点分布稀疏时,使用OLSR协议获得的数据吞吐量大幅度下降,同时延迟也增大[2]。因此本文将对OLSR协议进行改进,使其在稀疏节点环境中也能取得较好的性能。

1 OLSR路由协议的改进

本文提出的结合功率进行补偿机制的改进OLSR协议,在节点密集处采用传统OLSR协议,在节点稀疏处自动切换到改进后的OLSR协议。

1.1 OLSR路由算法的缺陷

(1)不适应稀疏节点

OLSR协议默认节点信号传播半径足够大,保证源与目的节点之间存在通信链路使得网络整体连通。但在节点稀疏或移动分布式无线网络拓扑结构中,网络拓扑频繁改变,无法确保网络的连通性及节点间始终存在通信路径。

(2)链路结构不均衡

OLSR协议只有被选为MPR的节点才产生并转发TC(Topology Control)消息,默认情况下的TC只包含了MPR(MultiPoint Relays)选择者的地址信息[3]。在每个时刻,网络节点的拓扑集里仅仅存在MPR链路信息,而对其他的对称链路或者单向链路不会反映到网络拓扑集中。OLSR协议实验可以得到10个节点情况下网络拓扑图如图1所示,完整的拓扑图如图2所示。

由图1可以看出,节点3,7,8,9均未被任何节点选为MPR,它们没有TC消息可以发送,同时节点8只有一条链路可以被广播。

节点8到目的节点只有一条可用链路,因此需要为这些MPR节点集中节点数为1的节点选择一个备用的转发节点,当MPR节点出现故障时,能够及时代替MPR节点转发。

1.2 稀疏OLSR路由补偿节点选择算法

改进协议针对只有一条链路被感知的节点,在Hello消息中增加一个标志位,标志该节点MPR集中节点数量。

协议开始后,按照传统OLSR协议进行MPR选举,MPR集合中的节点选出后,各个MPR节点检查收到的节点Hello消息中的标志位,当标志位为1时,在网络性能下降到一定程度时就可以采用补偿算法选取相应的补偿节点,增大补偿节点发射功率,使它的通信范围覆盖MPR集合中惟一节点所覆盖的范围,这样就解除了该惟一节点的不可靠性,以保证整个网络的连通性。补偿节点选择流程如图3所示。

由图3可得到补偿算法如下:

为了节约能量,补偿节点最大发射功率的工作时间为一个查找周期,当发现MPR集合中的集合节点不需要补偿节点时就恢复之前的发射功率。

2 自主切换机制

在路由建立阶段,当通过各个节点的Hello消息使整个网络的MPR节点集确定后,MPR子集内部各个节点利用式(1)求出平均阈值Savr:

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式中:Sall代表整个网络的节点数和;Smpr代表MPR集合节点个数。MPR节点集合内的各个子节点计算自己负责转发的节点数Hello_Count。当Hello_Count低于平均阈值Savr时,便利用式(2)开始预测本轮信号强度:

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式中:Snew-measure表示新测得的信号强度;Sold表示上一次预测的信号强度;Snew表示预测的下一段时间的信号强度;∂是权重,取值范围是[0,1],∂越小,预测信号强度受该时刻信号强度的影响越大[4]。

当预测的下次信号强度低于预先规定的一定强度时,可以确定此处为稀疏节点分布区且信号强度较低,则该MPR集合中节点分组内实行改进后的OLSR协议,否则继续使用OLSR协议。

OLSR协议和改进OLSR协议的自主切换机制流程如图4所示。

3 功率控制算法依据

补偿机制中,需要增大节点的发射功率,当源节点向目的节点发送分组时,发送功率Pt与接收功率Pr的关系[5]如下:

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式中:λ为载波波长;d为源节点和目的节点间的距离;Gt为发射机天线增益;Gr为接收机天线增益。设接收功率的门限为Prt,当信号的功率不小于Prt时才能被正确接收,可推出式(4)和式(5):

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由式(4)可知,当传输距离增大1倍,发射功率成幂级数增加,才能被正确接收。

4 实验结果

本文实验环境是在Linux操作平台下移植了TinyOS操作系统,利用CC2430控制芯片进行编程,并在ns2.34环境下进行仿真实验。

4.1 仿真实验环境

仿真的网络范围为500 m×1 000 m,节点数量为20和100个,传输范围为250 m,物理信道的带宽为2 Mb/s,MAC层使用802.11a协议。建立12个CBR业务连接,分组长度为512 B,仿真时间为200 s,发包率为4个/s,节点的速度分别为0 m/s,1 m/s,5 m/s,10 m/s,20 m/s,25 m/s,30 m/s。

4.2 性能指标

协议改进主要针对网络的可靠传输,因此仿真实验的性能指标有节点投递率和网络传输平均延时[7]。由于改进后的协议运用了自主切换机制,必然会增大部分能量的开销,因此,需要对剩余能量也进行仿真实验[6]。

(1) 投递率

OLSR协议适用于节点密集型的网络,从图5可以看出,两个协议在100个节点的网络整体比20个节点的稀疏网络的投递率高。在节点固定或者移动较小的情况下,性能已经很好,则改进后的协议性能并未得到良好的体现。当节点移动速度超过10 m/s后,网络性能明显下降,这时运用自主切换机制,网络的投递率得到显著改善。速度越大,OLSR协议性能下降越快,而改进的OLSR协议性能下降得到控制。

(2) 平均时延

在节点固定或者移动速度较低的情况下,改进的OLSR协议并未表现出特别的优势,这是由于监测网络的性能耗费一定的时延,之前采用自主切换提高的时延并不明显。

端到端时延统计如图6所示。由图可看出,当节点移动速度超过15 m/s后,改进的OLSR协议能够在网络剩余能量很低或部分MPR节点失效的情况下,使数据通过补偿节点得到及时的转发,因而它的网络传播时延相比OLSR协议有明显降低。

(3) 剩余能量

对100个节点进行仿真,速度固定为5 m/s,假定节点初始能量在[20,60]间随机分配。仿真时间为400 s,x轴表示剩余能量,y轴表示处于该能量的节点数,如图7所示。

在400 s处,使用传统路由协议在剩余能量60 J处有3个,而改进的协议在此处为1个。但是在剩余能量为10 J的节点中,传统OLSR有15个,而改进的OLSR只有11个,两个协议的大多数节点都集中在[20,50]的能量区。由此可见,使用改进的OLSR协议并没有造成过多的能量耗费,同时有效地平衡了能量的均衡使用,从而延长了部分节点的寿命。

5 结 论

本文分析了OLSR协议不适合节点分布稀疏的网络拓扑结构情况,通过加入特定节点补偿机制和自主切换机制对其进行改进,并对改进后的OLSR协议进行了仿真。实验结果表明,改进后的协议能够取得更高的投递率,提高了网络传输的可靠性。在节点移动速度较大时,在降低时延方面效果显著。同时也有利地均衡了各个节点的能量,从而延长整个网络的寿命。

选取出的补偿节点进行合适的功率放大后,增大了节点的传输覆盖范围,必然会对周围的节点传输信号有所影响,本文假定是在忽略功率增大的幅度对周围节点信号强度影响的情况下进行的研究,下一步对增加这种补偿和切换机制后的网络与节点信号强度之间的关系和影响进行研究,找到一种均衡的度量关系,使改进的协议性能可以得到最好的发挥。

摘要：针对物联网无线传感器监测系统,研究了适合稀疏分布传感器节点下的无线路由OLSR协议,并对传统OLSR路由协议进行改进。在网络高可靠性要求和节点分布不均的情况下,引入了功率补偿机制和自主切换机制,并对改进后的协议通过NS2进行了仿真实验。实验结果表明,该协议在可靠性和时延方面均有所提高,达到了提高稀疏节点无线路由网络系统性能的目的。

关键词：OLSR协议,稀疏路由,补偿点,功率补偿,自主切换机制

参考文献

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[4]严雯,郭伟,刘军.一种基于信号强度的OLSR路由协议改进算法[J].电讯技术,2008,48(5):40-45.

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[10]刘晓培,李颖,张豪,等.高效率的小规模Ad Hoc组播路由协议[J].现代电子技术,2011,34(1):7-10.

OLSR 篇2

不需要固定基础设施支撑的、由若干移动节点组成的自组织无线网络,简称为Ad Hoc网络。进入20世纪90年代后,Ad Hoc网络逐渐成为无线网中的一个研究热点[1]。节点的移动特性以及分布式特性对定位和路由提出了新的要求[1]。

对低速无人机Ad Hoc网络而言,由于带宽有限、能源限制、信道干扰等诸多因素以及成本问题,完全依靠GPS(全球定位系统)设备进行小型无人机节点的定位是不切实际的,因此需要移动自组网实现节点的独立定位[2]。其次,路由选择和定位是互相影响的重要技术。路由选择需要定位协议所提供的位置信息,定位的实现也需要路由协议进行信息传输,因此两者的有效结合成为了研究的一个新方向。针对低速紧密编队无人机Ad Hoc网络节点密度较大且分布均匀的特点,本文对原路由协议OLSR[3](最优链路状态路由)进行了改进,提出了一种能把路由选择和定位结合起来的协议—OLSR-P(最优链路状态路由和定位)。本文对OLSR协议和OLSR-P协议进行了对比分析,给出了OLSR-P协议的基本原理及实现过程,并进行了建模与仿真。

1 OLSR

路由协议可通过多跳实现数据的中继转播,这对于Ad Hoc网络来说至关重要。OLSR协议[3]是一种标准化的表驱动式优化链路状态路由协议,节点之间周期性地交换控制信息,通过分布式计算更新和建立网络拓扑图。

协议采用了MPR(多点中继)技术,通过减少所需转发的消息数量,提供了一种控制消息泛洪的有效机制。节点首先发送Hello数据包,选择MPR节点,然后通过MPR节点泛洪TC(拓扑控制)信息构建网络的全局路由表。只有被选为MPR的节点才负责转发TC消息,最终分发到整个网络。

MPR技术采取的是以节点计算开销换取网络链路开销的策略,节点的计算能力增长很快,而网络带宽等却是稀缺资源,因此可以明显减少网络的路由开销,尤其适合大型密集的移动网络。

2 OLSR-P

本文在原OLSR协议中添加了一种不依赖参考节点,能够处理非凸面网络拓扑的非测距定位技术,目的是同时实现路由和定位,此协议称为OLSR-P。定位仅利用网络的连通度和节点间的信息交换来实现,基本思想是:节点能够发现网络中正三角形的局部相对定位坐标,并将重叠的正三角形进行合并,最后会生成一个全局的相对坐标系统。

选择在OLSR协议中添加定位技术有潜在的优势:其一,定位技术需要网络中邻居节点的信息来进行节点位置的估计,而OLSR协议能周期性地维持和更新一跳邻居信息;其二,OLSR中的MPR选择机制的故有特点能减小定位的距离误差,且定位技术能够使用OLSR的路由开销进行定位,可有效控制网络开销。

OLSR-P的具体实现过程如下:

(1)发送Hello数据包和选择MPR节点

在OLSR中,节点周期性地向网络中发送自身的Hello数据包来维持一跳邻居信息,建立本地的链路信息。每个节点都能了解到自身邻居节点的信息。因此,原始OLSR协议中的Hello数据包在OLSR-P中无需进行改变。

MPR节点的选择是通过Hello数据包的发送实现的。节点从邻居节点链路目录中选择MPR节点,并将MPR节点的地址列表写入到Hello数据包中。收到MPR信息的节点被选为MPR节点。主动选择MPR的节点称为MPR选择节点。

假定在无测距设备装载的网络中,源节点的通信范围R可知,节点往往会认定源节点与一跳节点间的通信距离为R。因此选择更接近通信半径的节点作为一跳节点可以减小距离预测的误差。而在MPR选择中,寻找能连接更多两跳节点的一跳节点作为MPR节点,能够有效地控制泛洪,减少中继节点的数目,减少网络开销。这种方法同样使得选择的MPR节点较之普通节点而言,更加远离源节点而靠近通信的边界。所以在定位的实现过程中,MPR节点的距离特征能够减小距离估算的误差。

(2) 最远两跳节点的选择

图1举例说明了节点S如何将F选为最远两跳节点。图中,黑点表示节点,虚线圈表示节点的通信直径,方括号中的数字表示能实现与S连接的MPR节点的数目。最远两跳节点的选择使用了MPR节点和两跳节点的连通性,且仅依赖于节点间的连通数目。

由图1可知,与节点F连通的MPR节点的数目为1,而与E、G和H节点相连的MPR节点则多于一个。在网络连通状况较好的情况下,节点F与S的距离理论上是最远的。节点正是基于能到达的路径数最小进行最远两跳节点的选择。这是因为在节点密度固定的情况下,从源节点到两跳节点的距离越大,连通性越低。

在OLSR-P协议中,节点首先通过MPR节点在全部的节点中选择最远两跳节点作为正三角形顶点的备选者,并将最远两跳节点的信息增加到最远节点列表中,然后把最远节点列表和最远选择器节点列表加入到本地链路信息中。接下来进行TC数据包的发送,收到该TC数据包的节点被选为最远两跳节点,并把信息增加到列表中。

(3) 发送TC数据包

在OLSR-P协议中,实现定位功能不仅需要MPR选择器的数目,还需要最远两跳节点的数目,需要最远两跳节点的信息来生成三角形,同时需要设置接收信息判定以确认传输是否来自于接收节点。接收节点会利用每个节点发来的信息更新最远两跳节点的目录。若发送新的数据包用于最远两跳节点信息的传输以及三角形的匹配无形中会增加网络的开销,因此本文对原OLSR中的TC数据包[3]进行了改良,如图2所示。改良后的TC数据包中包含了MPR选择器节点的数目、最远两跳节点的数目、接收节点的身份认证和信息的数量。

(4) 匹配正三角形及合并定位坐标

接下来,收到改良TC数据包的节点通过接收到的最远两跳节点目录进行正三角形的匹配。大量的仿真实验论证了逼近正三角形的方式在定位中是最有效的。

图3给出了寻找节点构建正三角形的过程,即如何将节点B匹配到三角形ABC中。箭头指明了最远两跳节点的方向。节点A的3个最远两跳节点为B、C和D。节点C的3个最远两跳节点为A、B和E。节点A、C向最远两跳节点泛洪包含了最远两跳节点目录的经改良后的TC数据包。节点B将节点A、C选为最远两跳节点。节点B通过最远两跳节点列表来匹配正三角形,得到正三角形ABC。 该正三角形中应包括3个MPR节点以及最远两跳节点。MPR节点与源节点的距离在理想模型中被认定为R,则最远两跳节点的距离近似地估算为2R。

通过正三角形的匹配能够实现局部的坐标定位。这些节点局部定位坐标与正三角形的坐标相一致。当生成的正三角形中包含3个或更多个点相互重合时,可将正三角形进行合并,并丢弃原始的图。合并的过程是递归进行的,直到没有图可以进行合并为止。局部定位坐标被并入到一系列全局坐标中去,从而实现全局的定位。

3 仿真及结果分析

本文使用OPNET Modeler[4]仿真软件建立网络模型,对OLSR-P协议进行性能评估。在800 m×800 m的区域放置50～250个节点,节点在空间随机移动,速度为20 m/s,通信半径R=200 m,节点间隔设为10 m。协议的Hello分组和TC分组发送时间间隔均为1 s。定义整型参数MPR_COVERAGE(≥1)表示两跳节点连接的MPR节点的平均数目,通常设定MPR_COVERAGE=1,即最低限度地保证网络的连通即可。MPR_COVERAGE的值决定网络中MPR节点的数量,影响一跳距离的估计,进而影响三角形匹配的成功率和定位误差,但不会使路由控制算法发生改变。因此,论文选择不同的MPR_COVERAGE值进行仿真,然后进行对比分析。

图4展示了在MPR机制下,选择不同的MPR_COVERAGE值时,MPR节点与源节点平均距离的变化,并与不采用MPR机制时源节点与一跳节点的平均距离进行对比。图的上部集中的4条曲线对应的是不同MPR_COVERAGE值时,MPR节点与源节点的平均距离。下部的一条曲线对应的是源节点与普通一跳节点的平均距离。

显而易见,使用MPR机制后显著提高了源节点与一跳节点之间的平均距离。MPR_COVERAG值越小,选择的MPR节点的平均距离越接近通信半径R。因此,有效论证了在OLSR-P协议中使用OLSR协议的MPR机制不仅能有效控制泛洪,减小网络的开销,而且能够选择更加接近通信半径R的点作为中继节点,有助于减小定位的误差。

MPR_COVERAG的值越小,相应的MPR节点的数目减小,泛洪的TC数据包的数量也会较少,这样可以有效地控制网络的开销。但MPR节点的数量又会影响到三角形匹配的成功率,进而影响OLSR-P协议定位的实现。因此选择合适的MPR_COVERAG值至关重要。对三角形匹配成功率及定位误差的仿真分析分别如图5和图6所示。

在图5中,当MPR_COVERAG=1时,三角形匹配成功率还不到10%,无法满足协议的定位需求。当MPR_COVERAG值为2、3和4时,三角形匹配成功率显著提高,尤其是当MPR_COVERAG值为3和4时,在节点连通率好的前提下,三角形匹配成功率接近100%。因此,MPR_COVERAG值选取3或4将是比较理想的情况。

由图6的定位误差曲线可以看出:MPR_COVERAG的值小时,定位误差也相应的小。当MPR_COVERAG=1时,定位误差在20～30 m之间。当MPR_COVERAG的值为2、3和4时,虽前期受节点连通性的影响较大,但当节点的连通量较大(>15)时,定位误差在40～70 m之间,三者的误差值接近,且MPR_COVERAG=3时,定位误差随节点连通性减小的趋势较为明显。在与MPR_COVERAG=1进行比较时,定位误差的增加也不大。

综合对比MPR_COVERAG=3和4的情况,源节点与一跳节点的平均距离、三角形匹配的成功率以及定位误差都比较接近。在权衡网络开销的情况下,MPR_COVERAG=3时,选取的MPR节点的数目相对较少,相应产生的TC数据包的数量较之MPR_COVERAG=4的情况要少很多,相应的路由开销也小。因此,选择MPR_COVERAG=3,能使OLSR-P在实现开销控制下得到最为理想的三角形匹配成功率和定位精度。

仿真中OLSR-P会周期性地更新路由表及定位信息,实际更新由100架无人机组成的网络的路由表大约需要20 ms,同时综合无人机编队的控制时间,该协议实现的定位精度也能够满足网络的需求,而且省去了额外选择定位协议的网络开销,具有实际应用价值。

4 结束语

本文提出了一种在OLSR路由协议基础上改进的OLSR-P协议。该协议依赖网络的连通度和节点的信息交换,在有效控制开销的情况下实现了网络的路由和定位。协议对TC数据包进行了改良,实现了利用原OLSR协议的开销同时实现路由和定位的功能。设定整形参数MPR_COVERAG对OLSR-P协议的性能进行横向比较,结论为当MPR_COVERAG=3时,得到最为理想的三角形匹配成功率和定位误差。三角形匹配成功率约为100%,定位误差控制在40～70 m之内,可以满足低速紧密编队无人机Ad Hoc网络的需求,并能有效控制开销。下一步仍需对协议进行进一步的改进,使其能应用于节点移动速度较快的无人机Ad Hoc网络中。

参考文献

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[2]陈茜.移动自组网中的定位技术研究[D].长沙:国防科技大学,2004.

[3]IETF RFC 3626-2003,Optimized Link State RoutingProtocol(OLSR)[S].

OLSR 篇3

短波通信因其通信距离远、抗毁性强等优点,是军事通信指挥中不可或缺的重要手段。近年来,电子信息技术领域里的新技术、新工艺等在短波通信信道和终端设备的大量应用,使得短波通信无论在传输速率还是在可靠性方面均得到了大幅提升,大大改善和提高了自身通信能力。大批新型短波通信设备陆续投入使用,各种短波通信网也因此初步形成。一些短波网络经过不断地试验改进,构成了更大范围的短波广域网(HFWAN)[1]。图1显示了由三个通过短波无线电相互连接的节点所构成的短波广域网。其中各短波电台都带有IP子网。各子网的地址可以独立指定,但子网内部各终端的地址一般具有相同的前缀[2]。

路由是网络的一种关键技术。在无线网络中,链路一般具有较低的带宽和更高的误码率,节点的移动可能导致网络拓扑结构的频繁变化。因此,用于解决这些独特难题的无线路由协议应运而生。其中最优链路状态路由协议[3](OLSR)是一种典型的无线路由协议。

1 OLSR路由协议

OLSR(Optimized Link State Routing,最优链路状态路由)协议是一个先应式路由协议。它不断地监视着网络节点间的连通性并且向全网广播连通信息来更新网络中每一个节点的路由表。

OLSR的一个特点就是通过减少同一个区域内相同控制消息的重复转发次数来减少网络中广播分组的数量。早先的链路状态路由都是将一个节点的控制消息以泛洪的方式发送给它所有的邻居节点,收到消息的节点继续以泛洪的方式将消息发送给自身所有的邻居节点,直到网络中的所有节点都发送过此消息为止。

不同的是,OLSR网络中的每一个节点选取其邻节点的一个子集用于转发节点发送的控制消息,这些被选择的节点就称为该节点的MPR(Multipoint Relaying)。每个节点都独立选择自己的MPR集,使得该节点通过该集合转发的消息能够覆盖该节点所有的两跳范围的邻居节点。

OLSR采用周期性地广播Hello消息来侦听邻居节点的状态,节点之间无线链路的状态包括:非对称链路,对称链路和连接MPR的链路。某节点发送的广播消息通过MPR转发能到达此节点的邻节点的两跳范围以外的其他节点。对于节点的非MPR,收到的广播消息,只进行读取和处理,但不进行转发。为了实现这一点,每个节点都维护着一张MPR Selector列表,记录当前有哪些节点选择它作为MPR。

每个被其他节点选为MPR的节点就会周期性的发送一个TC(Topology Control)分组。为了压缩TC分组的长度,TC分组中并没有包含源节点所有邻居节点的信息,而只包含了它的MPR Selector集合信息,然后通过MPR机制来控制TC分组在网络中广播的规模,减少控制分组给网络带来的负荷,同时避免形成广播风暴。

网络中的每一个节点根据收到的TC分组以最短路径优先原则独立地计算路由表。这个路由表包括一些[目的节点,上一跳节点]对。每一对中的目的节点可以通过连续的上一跳节点到达。这一链路通过TC分组广播。OLSR路由就是通过这些节点对将发送节点与目的节点穿成一串。

2 HFARP(短波地址解析协议)

OLSR协议在数据链路层使用ARP[4]为网络层协议地址和对应的链路层硬件地址提供动态映射。ARP分组主要提供发送节点和目的节点的协议与硬件地址。

无线网络中经常是一个或多个子网公用一个无线节点的MAC地址。而标准ARP是为有线网设计的,不能将一个MAC地址与通过这个MAC地址能够连接的一个或多个子网地址建立映射关系。文献[5]中提出的一种ARP的改进方式WARRP通过给标准ARP协议数据单元(PDU)增加一个子网地址列表来解决这个问题。WARRP分组中不但携带有无线节点的MAC地址,而且有与此节点连接的用户和子网的IP地址。

根据WARRP的思想,本文提出HFARP(HF Address Resolution Protocol,短波地址解析协议)。与WARRP只能严格的工作在按需驱动的模式不同,HFARP既可以工作在按需模式(即仅当有地址解析的需要并且缓存中不存在地址映射关系或地址映射失效时,才发送请求),也可以周期性地广播请求。

HFARP和ARP的主函数都试图找出一个需要发送业务并且已知协议地址的网络的MAC地址。请求分组中包含有目的主机的协议地址,以及源主机的协议地址和MAC地址。由于请求分组以广播方式发送,所以所有主机都可以接收到请求,但只有被请求的主机会对该请求进行处理。目的主机首先把请求分组中的源主机的协议地址和MAC地址存入自己的HFARP缓存中。然后目的主机创建HFARP响应分组,在分组中填入自身的MAC地址发送给源主机。这个响应不再以广播形式发送,而是以单播形式直接发送给源主机。

ARP高效运行的关键是由于每个节点上都有一个ARP高速缓存。这个高速缓存存放了最近的协议地址到硬件地址的映射记录。高速缓存中每一项都有生存时间,以保证过期的地址映射不再保留在高速缓存中。HFARP也像ARP一样将经过解析的地址映射关系缓存起来。

HFARP分组格式(表1)通过向类似于ARP的分组中附加一个可变数,提供了子网的信息。分组头部的一个计数(Count)字段显示了附加到分组中的子网数目。

标准的ARP分组不能超出路由的限制,只能在所属网段内广播。而HFARP对ARP中的操作数进行了扩展,使得HFARP分组能跨越一跳(one hop)路由。HFARP的操作数不但能区分请求和应答,还能够区分目的节点、中继节点等。这就使HFARP具有了一定的路由能力。在两跳之内,无需通过路由协议即可完成路由功能。

3 OLSR损耗分析

短波通信带宽低,所以其路由和地址解析所带来的损耗速率是短波通信网的重要指标参数。

OLSR有两个重要的控制消息:Hello和TC。值得注意的是,由于OLSR的特性,用户业务对路由损耗没有直接的影响。但是,用户业务将影响到HFARP地址解析的损耗。

Hello消息由各节点以固定速率在邻居节点范围内广播,不能被转发。则全网中所有的Hello消息发送速率[3]为:

其中Nnetwork为网络中的节点数、THello为Hello消息发送时间间隔(单位:s)。

TC消息也是由每一个MPR节点以固定的最小速率广播。尽管当探测到拓扑结构改变时会触发更高频率的TC更新,但这样的TC更新在短波网络中还是有一个最小的时间间隔TTC。TC消息会被通过MPR列表转发。设Nrelay为网络中的平均中继节点数(0代表全连接网络)、NMPR为中继节点的平均MPR集大小(0代表网络尺度≤2跳)。网络中的全部TC消息业务由初始化发送和转发组成,所以全网中所有的TC消息产生速率[3]为:

其中NrelayNMPR为每个TC分组的转发数量。

如果ARP被用于地址解析,当ARP缓存时间大于ARP缓存器生存时间TARP并且有业务需要提供地址解析时,ARP缓存将被刷新[4]。用户信息仅被发往一跳邻居。每一个ARP请求促发一个应答,所以整个网络中的ARP包业务为:

当采用按需驱动的HFARP提供地址解析时,除了初始化拓扑请求和应答,HFARP只在链路失效时才产生损耗。而且只有当尝试发生数据失败时才能发现链路失效。对于链路失效的响应,将广播一个HFARP请求,然后每一个一跳邻居都向请求节点返回一个HFARP应答。

链路失效的发现速率依赖于拓扑结构改变的速率和受影响链路的业务速率[6]。因为只有尝试发送用户业务时才能发现链路失效。假设每次拓扑结构改变都将产生一个HFARP请求加上每个一跳邻居返回的HFARP应答,则HFARP的损耗传输速率存在一个上限:

其中Thold为拓扑结构保持不变的平均时间。当网络为静态网络时,Thold为无穷大,RHFARP则为零。

4 仿真分析

由于短波通信距离远,一跳通常为数百甚至在两跳之内完成。因此,设计了两种拓扑结构如图2所示。

一个是完全连接的8节点网络,其每一个节点都能与任一其他节点进行通信。另一个是部分连接的8节点网络,其中间的节点能与任一其他节点进行通信,但是任何一侧的节点都不能与另一侧的节点进行通信。

分别对两种拓扑结构下ARP扩展前后的OLSR的损耗进行仿真。图3显示了这四种情况中OLSR损耗传输速率与Hello消息发送时间间隔的关系。

仿真结果表明,全连接网络的损耗小于部分连接网络的损耗,而采用HFARP提供地址解析功能后OLSR的损耗显著降低了。随着Hello消息发送时间间隔的增大,四种情况下的损耗都逐渐减小。

由此可知,要进一步降低损耗需要继续增大路由中Hello这一类控制消息的发送时间间隔。一种极限的想法是可采用仅当有用户业务需要传输时才发送控制信息的路由协议,即按需驱动路由协议[7]。

5 总结和展望

标准的ARP协议是链路层协议,ARP分组不能跨越路由,只是在一个网段内广播。在HFARP的设计中,对ARP进行了扩展,使得HFARP分组能跨越一跳路由。这是因为短波的传输距离比一般的无线载波远。正是利用短波传输距离远的这个特性,让HFARP分组传得更远。可是这样就会碰到路由的限制。所以设计了一个机制,让HFARP分组能跨越一跳路由。但是如果完全取消路由的限制,让HFARP分组传得尽量远也会产生问题。当网络较大节点较多时,发送的HFARP分组多了,所引起的分组竞争和碰撞,将会降低网络效率,抵消短波传输距离远所带来的好处。事实上,当短波网络不断建设和融合,覆盖范围变广,通信距离多于两跳时,HFARP的性能会严重下降。因此,如何解决多于两跳时的路由问题将成为下一步的工作。

网络层采用表驱动路由协议时,链路层采用按需驱动的HFARP可获得较小的损耗。同时,与之相反的设想也变得有意义。

链路层采用周期性广播的HFARP、网络层采用按需驱动路由协议是一个有前瞻性的设想。由于OLSR等表驱动路由协议,链路层使用的标准ARP也是周期性广播的,所以HFARP和ARP的损耗基本相同(HFARP周期性广播时损耗略大一些)。但表驱动路由协议需要周期性广播路由信息,而按需驱动路由只有在有业务时才发起路由请求,再加上HFARP在两跳以内可以完成路由功能,只在多于两跳时才启动按需驱动路由的寻路功能。因此,链路层采用周期性广播的HFARP、网络层采用按需驱动路由协议比链路层采用ARP、网络层采用表驱动路由协议的损耗要小。而由于周期性广播HFARP的路由功能加入后,两跳以内的路由发现时延[8]比传统按需驱动路由小。这就成了一种结合表驱动和按需驱动优点的针对短波网络的新路由。

6 结束语

在现代化战争中,无线电通信是战场指挥的重要手段。覆盖范围广、性能优越的短波广域网能够有效的增强指挥信息的传输能力。通过数学分析和仿真,本文验证了HFARP能有效降低OLSR的损耗,并提出了链路层采用周期性广播的HFARP、网络层采用按需驱动路由协议的设想。对短波广域网路由协议的研究和我国短波通信的发展提供了一个很好的参考。

参考文献

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