网络跨层通信协议

2024-12-02

网络跨层通信协议（精选4篇）

网络跨层通信协议篇1

0 引言

无线Mesh网络(WMN)是在移动自组织网络(MANET)和无线局域网(WLAN)基础上发展起来的一项网络技术,它作为下一代因特网核心网的无线版本,有效地解决“最后一公里”瓶颈问题[1],是一种具有动态自组织、自配置、高速率、高容量等特性的分布式宽带无线网络。

当前,WMN的MAC协议大多采用IEEE 802.11,使用这种MAC协议的Mesh网络也称为Wi-Mesh。跨层设计的主要思想在网络各层共享相关的信息,对无线网络进行整体设计,因此所有层间可以交互信息,使得协议栈能够以全局的方式适应特定应用所需的QoS 和网络状况的变化,并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化,实现对网络资源的有效分配,提高网络的综合性能[2]。跨层路由[3]便是将跨层的设计思想引入路由的设计中,进而提高网络性能。WMN的很多技术特点和优势来自于Mesh多跳路由[4],该文的目的就是在尽量保持网络分层结构的基础上,运用跨层的方法设计出一个适用于Wi-Mesh(后文中直接统称WMN)的高性能路由协议。

动态源路由(DSR)是一种以最小跳数为度量,基于源路由机制,采用按需路由策略的路由协议,它允许节点从多跳无线网络中动态地发现一条通向任何目的节点且跳数最少的路由。DSR的路由发现与维护按需进行,不需周期性传递控制包,可节省大量带宽,但DSR在路由选择时采用的最小跳数度量准则,可能导致每一跳传输距离过大,从而导致接收端信号减弱,给网络带来不必要的重传,而且DSR没有充分利用所获得的多径路由,也没考虑负载平衡来提高网络性能。这里对DSR进行适当的改进,希望既保持DSR的优点,又避免上述缺陷。

1 改进的路由协议CMRP

1.1 新路由准则:路径帧投递率(PFDR)

用来表征链路质量的参数有多种,如 mETX[5],ENT[5]等,这些链路质量参数都可从网络层直接获得,文献[6]分析了上述参数的优劣。网络层的链路质量参数主要都是基于一个最基本的链路性能:链路包投递率(Link Packet Deliver Rate,LPDR)。LPDR表征了数据包经过某条链路时,在网络层可成功传送的概率。但仅限于网络层不足以精确衡量某一链路的质量,而在MAC层则可相对客观地反映链路的质量。对于无线网络,当信号差、误码率较高,接收的数据帧多次校验错误,使多次重传失败时的丢包能较好地反映链路质量。此时链路质量与节点位置、距离、发射功率、调制技术等有关,路由协议根据此情况下获得的参数,可得到较优的路由。文中采用跨层交互的方法,在MAC层计算出与LPDR类似的参数:链路帧投递率(Link Frame Deliver Rate,LFDR),作为度量链路质量和选路的参数。

一般来说,LFDR是由链路的前向节点计算的,在按需式路由的路由请求中,上游节点要将全部已知下游节点的地址与相应的链路质量都加入请求信息包中,这大大增加了请求信息包长度,且使其长度变得很不稳定。CMRP采用后向计算的方法获得LFDR,整条路由的PFDR就是路由中每段链路LFDR的连乘[7]。

对于链路中的两个节点,当下游节点接收到上游节点发给它的RTS时,说明上游节点成功获得预定信道,将有数据帧发送给此下游节点。下游节点用计数器Ttran记录接收到的此类RTS的次数。Ttran表示下游节点感知到的上游节点传送给它的数据帧的发送次数。

每当下游节点成功接收到上游节点发送的数据帧并校验无错时,表明上游节点成功将数据帧发送给此下游节点。下游节点使用一个计数器Trec记录接收到的此类帧次数。Trec表明下游节点成功接收来自上游节点的数据帧次数。

因此,链路的后向帧传递率计算公式为:

$L F D R = (Τ_{r e c} / Τ_{t r a n}) \times 100 % (1)$

式(1)中的LFDR就是链路帧传递率。

(1) 路径帧传递率(Path Frame Deliver Rate,PFDR)

LFDR只能反映某条链路情况,而由概率知识可知,整条路由的PFDR与路由中的每段链路LFDR的关系是:

$Ρ F D R = \prod_{i = 1}^{n - 1} L F D R_{i, i + 1} (2)$

式中:n表示此路径的节点总各数;i表示此路径从源节点起算的第i个中间节点,i=1表示源节点,i=n 表示目的节点;LFDRi,i+1则表示第i个节点到第i+1个节间的链路帧传递率。

(2) PFDR参数与CMRP的结合

CMRP主要选路原则:最优的PFDR。

LFDR的获取:在CMRP中,每个节点都维护着其他节点到本节点的LFDR信息。LFDR是按需更新的,当需要(收到RREQ)时,节点提取从MAC计算出来的LFDR,存放到自身状态变量中。

PFDR的获取:在CMRP的路由发现过程中,中间节点收到RREQ后,在做任何处理前,先将本节点LFDR值与RREQ中的PFDR值相乘,用相乘结果更新RREQ的路由质量值。

PFDR的使用1:在CMRP的路由发现过程中,目的节点会收到多条从源节点发来经过不同路径的同一类RREQ,通过这些RREQ中的路由质量信息,CMRP可以选择优质路由。

PFDR的使用2:在CMRP的源路由数据包传输过程中,通过路由质量信息,可以基于路由质量的变化情况对路由进行主动维护。

PFDR的使用3:在CMRP的源路由数据包传输过程中,若存在非相关多径路由,源节点可以通过路由质量信息分配流量给这些路径。

1.2 拥塞避免

WMN的数据业务具有很大的随机性与突发性,使得网络中容易出现某些节点的负载突然加重,局部发生拥塞。队列长度是拥塞的主要标志, MAC层的剩余带宽、延迟等参数也主要由队列长度决定。再加上队列的长度相对于其他MAC层参数变化慢,能较稳定地反映网络拥塞程度,许多文献都以节点队列长度所定义的节点负载度来衡量拥塞的程度[8]。因此,该文选用MAC层接口队列来度量节点负载。

节点负载度与拥塞系数:

当MAC层输出队列的长度到达一定程度(拥塞门限)时,记为Qth b,网络出现拥塞。定义此时MAC层输出队列的长度Qth与最大长度Qmax b的比值为拥塞系数ρ:

$ρ = Q_{t h} / Q_{\max} ‚ ρ \leq 1 (3)$

将MAC输出队列当前长度Q b与最大长度Qmax的比值,定义为节点负载度Ld:

$L_{d} = Q / Q_{\max} (4)$

这样,当队列当前长度Ld<ρ时,网络未出现拥塞;当Ld≥ρ时,网络出现拥塞。

通过建模和分析可以得出拥塞系数ρ的参考值,它可用仿真时的指导。根据文献[9],可以取ρ=Smax,其中Smax为MAC层的最大归一化吞吐率。另外,在CMRP中还通过引入预警门限Pre(Pre值略小于ρ),增加了预测拥塞的能力。

1.3 CMRP的其他性能改进

在CMRP中除了提出新的路由准则PFDR和拥塞避免参数Ld之外,还在非相关多径路由、断链判定和主动路由方面进行了考虑,进一步提高网络的性能。中间节点通过对RREQ的转发次数进行限制,使目的节点可以根据PFDR选择最优非相关路由进行回复。在CMRP中,根据下游节点是否可以收到上游节点的RTS情况来判断是否断链,并且在断链的上游节点处进行维护。除此之外,CMRP还改进了侦听路由缓存机制,CMRP将按需路由与主动路由相结合,适用于节点变化小而业务要求高的WMN中。

2 网络仿真与分析

本文使用QualNet网络仿真工具[10],对改进的CMRP与原DSR进行路由协议的性能进行仿真比较,以证实改进思路的正确性与改进结果的有效性。仿真中采用的性能参数分别是网络平均吞吐率、网络平均时延、网络平均抖动。

WMN是准静态网络,仿真场景中节点全部设置静态,如图1所示,场景中节点分布呈8×8的正方形网格结构,节点间距为180 m,仿真中比较的是DSR与CMRP的性能,仿真时间设定为200 s。

为了更加真实地模拟因特网数据业务流的情况,突出业务流的随机特性与突发特性,采用Quanet中的应用层协议Traffic Gen来产生具有某种分布特性的随机业务流。根据研究,以Pareto分布,ON/OFF模型生成业务流的叠加符合因特网业务流的特性[11] 。

随机选取16条Traffic Gen业务流,ON期间比例分别为20%,40%,60%,80%,100%,也就是Traffic Gen业务流的发送概率从0.2增加到1.0,相应业务流的突发性就越来越低了。第二组随机选取16条Traffic Gen业务流,其余设置同于第一组。Traffic Gen的ON期间长度分布由均一分布改为Pareto分布。仿真结果如图2～图4所示。

从图2～图4可以看出,对于重负载下16条随机业务流的情况,DSR与CMRP的差距非常明显,CMRP的性能优越更加体现出来。CMRP在保持性能平稳的同时,平均吞吐量约为DSR的三倍,而平均时延及平均抖动都在DSR的40%以下。

仿真结论如下:

为了真实地模拟因特网数据业务流量特性,设置了16条随机连接的ON/OFF业务流场景中,比较平均吞吐率、平均时延、平均抖动三个网络性能参数可以看到,CMRP的性能比起DSR有了极大的提高,能够适应网络中业务流的随机特性与突发特性。

3 结语

根据WMN的节点准静态特性,基于DSR设计了一种跨层多径路由协议CMRP,在其中添加主动路由的思想,增加了链路质量判决、拥塞避免及多径路由、路由断链判定等机制。仿真结果表明,比起原来的DSR,CMRP在平均吞吐率、平均时延、平均抖动等网络性能上都有较大的提高,达到了预期的目标,可以更好地适用于WMN。

参考文献

[1]方旭明.下一代无线因特网技术:无线Mesh网络[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[2]罗明胜,黄联芬,姚彦.无线网络跨层设计的研究现状及展望[J].移动通信,2005,29(7):95-98.

[3]方旭明,马忠建.无线Mesh网络的跨层设计理论与关键技术[J].西南交通大学学报,2005(12):711-719.

[4]Bruno R,Conti M,Gregori E.Mesh Networks:CommodityMultihop Ad Hoc Networks[J].IEEE CommunicationsMagazine,2005,43(3):123-131.

[5]Koksal C E,Balakrishnan H.Quality Aware Routing Me-trics for Time-varying Wireless Mesh Networks[J].IEEEJournal on Selected Areas in Communications,2006:1 984-1 994.

[6]Ekram Hossain,Kin K Leung.Wireless Mesh Networks:Architectures and Protocols[M].Springer,2007.

[7]沈强,方旭明.无线Mesh网中一种基于综合准则的DSR扩展路由方法[J].电子学报,2007,35(4):614-620.

[8]郭嘉丰,张信明,谢飞,等.基于节点空闲度的自适应移动Ad Hoc网络路由协议[J].软件学报,2005,16(5):960-969.

[9]于明刚.论无线网状网路由分组接收率的提高与网络性能的改进[D].长春:吉林大学,2007.

[10]Scalable Network Technologies[EB/OL].http:/www.QualNet.com,2005.

[11]Hans-Peter Schwefel,Lester Lipsky.Impact of Aggrega-ted,Self-Similar ON/OFF traffic on Delay in StationaryQueueing Models(Ext.Version)[A].Performance Evalua-tion[OL].2000.

网络跨层通信协议篇2

1. 计算机网络与路由简述

计算机网络(computer networks)是一个复杂的系统，其中存在许多技术，并且每种技术都与其它的技术一样起着不可替代的作用。许多国际组织和公司已经独立地设置了网络标准，而且彼此并不完全兼容。许多企业也已经推出了各种使用非常规的网络技术的产品和网络服务及其网络协议。计算机网络正变得越来越复杂，使其变得复杂的原因在于有多种网络技术以及各种网络协议被用来连接两个或者多个网络，这也就导致网络间有多种可能的连接方式。比如，CISCO公司的路由器有其自主开发的动态路由协议IGRP和EIGRP，在广域网三层使用路由协议进行PACKET的分组交换路由的时候，目的路由器必须是使用的CISCO的路由器并且使用的是IGRP或者EIGRP路由选择协议，否者在路由器所连接的源和目的主机间不能进行通讯，因为IGRP和EIGRP是CISCO专有的路由协议。

2. 路由 / 路由协议 (Route / Routing Protocols)

2.1 路由(Route)与路由器 (Router)

路由(Route) 将分组从网间网的一个地方转发到另一个地方的路径和过程。

路由器(Router) 用来网络互连计算机三层网络边缘设备，工作在OSI七层参考模型的网络层，为不同的网络之间报文寻径并存储转发。

2.2 路由选择协议(Routing Protocol)与可路由选择协议(routed protocols)

我们可以想象一种情况，如果整个武汉市只有一条公路，每辆汽车、每辆自行车、每个摩托车、每个行人都必须使用这唯一的一条公路。成千上万的汽车造成的交通通信量将在所有的地方造成拥塞。显然，需要将过多的交通量转移到不同的道路上，以将其分解为可以管理的部分。道路仍然需要交叉，这样人们仍然可以到达它们需要的任何目的地。多个交叉也可以提供富余的路由，这样可以避免巨大的交通延迟。通过在不同的路由上发送交通量，可以将交通拥塞压缩到最低限度。按照相同的方法，互连网络通信量需要分解，以避免网络通信量拥塞。引导互连网络通信量达到不同网络上的过程称为路由选择(Routing)。

路由选择协议(Routing Protocols): 用于建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包的协议。比如，RIPV1，IGRP，OSPF等。

可路由选择协议(Routed protocols): 已选择路由协议由最终节点使用，以将数据和网络层地址分配信息一起封装在数据包中，目的是它可以通过互连网络进行中继。AppleTalk、IP和IPX都是已选择路由协议。注：当一个协议不支持网络层地址时，那么它就不是一个已路由协议。

路由器使用路由选择协议(routing protocols)，以建立和维护路由表和按照达到数据包的目的地的最佳路径转发数据数据包。路由选择协议使路由器可以了解没有直接连接的网络的状态和与其他的路由器通信，以了解它们所关心的网络。这种通信不断进行，这样当互连网络中发生变化时，路由选择表中的信息可以随时更新。

2.3 路由选择算法(Algorith)和度量值(Metric)

路由选择算法就是路由选择协议用于决定达到目的网络的最佳路径的计算方法。路由选择算法越简单，则路由器将使用的处理能力就越小。这将减少路由器的日常费用。

路由选择算法的主要目的有3个：

• 准确性

• 低开销

• 快速收敛

度量值(Metric)是那些用于决定哪个路由是最优的值。根据所使用的路由选择协议，不同的因素可以决定一个路由的度，包括中继数量、链路速度、延迟(delay)、可靠性(capability)和负载(load)。

3.动态路由选择协议(Dynamic Routing Protocols)分类

动态路由是用某种算法寻找网络中的最佳路径和维护这张路由表的过程。

动态路由选择协议(Dynamic Routing Protocols)主要类型，如下:

距离矢量 (Distance Vector)

链路状态路由协议 (Link State)

3.1 距离矢量 (Distance Vector)

距离向量路由选择协议也称为Bellman Ford协议，

距离矢量路由协议主要有： RIPV1 , RIPV2 , IGRP。( RIP Routing Information Protocols , IGRP Interior Gateway Routing Protocols )距离矢量路由器定期向相邻的路由器发送它们的整个路由选择表(routing table)。距离相邻路由器在从相邻路由器接收到的信息的基础之上建立自己的路由选择信息表。无论使用何种类型的路由选择算法，互连网络上的所有路由器都需要时间以更新它们的路由选择表中的改动，这个过程称为聚合(convergence)。

距离向量路由选择是最古老也是最简单的一种路由选择协议算法。

距离矢量路由协议有一个严重的缺点，缓慢的收敛时间过程会造成路由回路(Routing Loop)。

解决路由回环方法：水平分割，定义最大跳数，路由毒杀，反转毒杀，抑制时间。

(注：真正的距离矢量路由协议只有RIPV1和RIPV2，因为它们只用到了HOP跳数做为唯一的计算路由的方法。IGRP是CISCO公司专有的动态距离矢量路由协议，它使用到了跳数，但是主要决定路由因数是链路带宽，延迟，负载，最大传输单元，设备可靠性，能力等。)

3.2 链路状态路由协议 (Link State)

链路状态路由选择协议的目的是映射互连网络的拓扑结构，它是一种比距离矢量更复杂的路由选择协议，目前最流行的动态路由协议就是一种链路状态协议：OSPF 。OSPF的普及因为多协议标签交换(MPLS)的出现而更流行。

链路状态路由协议主要有： OSPF , IS IS(OSPF Open Shortest Path First , IS IS Intermediate System to Intermediate System)每个链路状态路由器提供关于它邻居的拓扑结构的信息。这包括：

• 路由器所连接的网段(链路)

• 那些链路的情况(状态)

链路状态路由器并不会广播包含在它们的路由表内的所有信息。链路状态路由协议只发送已经改动的路由的信息。链路状态路由器将向它们的邻居发送呼叫消息，这称为链路状态通告( LSA )。然后，邻居将LSA复制到它们的路由选择表中，并传递那个信息到网络的剩余部分。这个过程称为泛洪( flooding )。链路状态路由选择协议使用称为代价(cost)的方法，而不是使用跳(hop)。代价是自动或人工赋值的。链路状态路由选择协议的一个主要优点，即路由选择循环不可能形成，第2个优点，在链路状态互连网络中聚合是非常快。这些优点释放了路由器的资源，因为对不好的路由信息所花费的处理能力和带宽消耗都很少。

(注：EIGRP是一种混合动态路由协议，它综合了距离矢量和链路状态的两种路由方法。但是我们还是认为它属于一种高级距离矢量路由协议(HYBRID)，这里就不在过多讨论了。EIGRP和IGRP都是CISCO公司专有的路由协议，只有运用在CISCO公司或者它授权的路由产品中才能使用。)

4. 内部和外部网关协议 (IGP和EGP)

在大型网络中，例如Internet，极小的互连网络分解为自治系统AS(Autonomous System)。每个AS被认为是一个自我管理的互连网络，一个自治系统内部运用相同的路有策略和路由算法。连接到Internet上的大型公司网络是自己拥有的自治系统，因为Internet上的其他主机并不由它来管理，而且它和Internet路由器并不共享内部路由选择信息。

路由选择协议是在一个自治系统内部为管理系统而开发的。它们也称为内部网关协议( IGP Interior Gateway Protocols )。内部网关协议也称为域内协议，因为它们工作在域内，而不是在域之间。这些协议认为，它们所处理的路由器是它们系统的一部分，并且可以自由交换路由选择信息。内部网关路由协议主要有： RIPv1 , RIPv2 , IGRP , EIGRP , OSPF , IS IS等。

有些路由选择协议也是为在一个较大的互连网络中连接自治系统而开发的。它们称为外部网关协议(EGP C Exterior Gateway Protocls)。外部网关协议就是所谓的域间协议，因为它们工作在域之间。这些协议认为，它们在系统的边缘上，而且仅仅交换必须的最少的信息，以维持对信息提供路由的能力。外部网关路由协议主要有： EGP 和 BGP4(Border Gateway protocol 4)。

总结

网络跨层通信协议篇3

关键词：高速公路,跨层协作,自适应

车载自组织网络 (Vehicular Ad hoc Network, VANET) 是移动自组织网络 (Mobile Ad hoc Networks, MANET) 的一个新兴研究分支, 基本思想是在一定通信范围内的车辆可以相互交换各自的速率、位置等信息, 并自动建立一个移动的网络。在VANET中, 利用大规模计算和无线网络通信, 可以实现车辆与车辆之间 (Vehicle to Vehicle, V2V) , 车辆与路边基础设施之间 (Vehicle to Infrastructure, V2I) 的多跳无线通信, 并为车辆提供了各种安全应用 (如碰撞预警、协助交通管理等) 以及非安全应用 (如路况指示, 娱乐等) 。

一、研究背景

在车联网中, 路由协议的优劣和自适应程度, 直接影响了网络中的整体性能。由于VANET对于路由协议的研究并没有给出一个标准或是研究方向, 路由的设计还是一个很开放的课题。它们在发现路由、建立路由以及通信的初期阶段往往有不错的性能表现, 但随着节点的移动, 网络拓扑的快速变化导致路由链路的断裂, 性能往往会急剧下降。随着车载全球定位系统 (Global Position System, GPS) 的广泛运用, 借助GPS获取的地理位置信息而设计的位置路由 (Geographic Routing, GR) 逐渐发展起来。由于重大交通事故发生的场合主要是在高速路上, 所以如何保证高速公路上安全消息的可靠传递显得至关重要。一个好的路由协议的使用, 保证数据传输的成功率和时延要求, 并控制整个网络的负载开销, 才能保证应用能够稳定可靠的实现。但是传统的车联网分层结构对路由协议的设计, 仅仅依靠单一层次, 很难在各种变化的网络环境下达到安全消息极其严格的传递要求, 有必要采用跨层设计, 上层协议必须与下层进行有效的状态信息交互以配合分配好网络资源, 满足实时性和可靠性的要求。本文在此基础上本文提出了一种跨层的结构设计, 用以满足车联网信息传输中实时性和可靠性的要求。

二、CCR算法设计

根据车联网中不同的通信需求所需的Qos不同, 车联网中的消息可以划分为2个等级 (1和2) :等级越高, 表示对Qos的需求越高, 消息的优先程度也就越高。消息的优先级划分如表1所示。

首先, 在车联网中, 不同的消息种类对通信提出了不同的需求, 对于高优先级消息 (优先级为2的消息) , 如车辆碰撞预警、防追尾等, 这类消息往往与交通安全甚至人生安全息息相关, 因此, 实时性对于这类消息至关重要, 需要进行快速、可靠的分发。但对于低优先级的消息 (优先级为1的消息) , 如位置导航、地图下载、车载娱乐互动等消息, 这类消息对实时性的要求并没有像高优先级消息那样苛刻, 因此, 只需尽力传输即可。基于跨层协作的路由协议 (CCR) , 通过传输层与网络层的协作, 根据不同的优先级, 选择不同的路由策略, 从而保证了消息能够得到适当的处理。

CCR转发机制

(1) 需要发送消息的源车辆节点的应用层产生一个message, 并在每个packet中的头部的Destination_Priority字段标记数据包的优先级。按照CCR的优先级分类, 可以标记为1或2, 等级越高, 消息的优先级越高。

(2) 邻居车辆节点接收到message后, 将该message传输到网络传输层, 传输层的分类器通过查询头部的Destination_Priority字段, 判断该消息所处的优先级, 根据不同的优先级采取不同的转发策略

(3) 若Destination_Priority为2, 则该packet放入高优先级队列, 若队列没有满, 则进行洪泛广播, 若队列满, 则溢出, 由于高优先级消息对实时性有很苛刻的要求, 所以, 队列满后, 最后到达的数据包被直接丢弃;若Destination_Priority为1, 则放入低优先级队列进行排队, 如果该队列满, 则进行暂存, 最后到达的数据包将会被放入一个缓存池里, 待低优先级队列的有空隙时, 缓存池里的消息按照先进先出的原则依次进入低优先级队列, 排队等待发送。

(4) 当高优先级队列和低优先级队列中都有packet时, 则高优先级队列中的packet将会被优先发送出去, 以确保高优先级的安全消息被及时处理, 保证行车安全。

(5) 若高优先级队列中无packet, 则低优先级队列中按照先进先出的原则发送队列中的数据包, 由于在高速公路场景下, 优先级为2的数据包发送的概率相比与优先级为1的数据包相对较低, 如此, 采用CCR既可以保证高优先级的消息可以及时转发, 又兼顾了低优先级的消息稳定持续的进行路由。

在本文设计的CCR (cross-layer cooperation routing) 协议中, 一个基本假设是车联网中的车辆都配有车载射频发射机和接收机, 能够通过装载在车辆上的GPS获得自身的位置、速率等相关信息。并且规定了每个车辆节点都需要维护一个邻居节点历史移动信息数据库, 同时也必须通过周期性地向邻居节点广播beacon消息来刷新自己的速度信息和位置坐标信息。当节点收到邻居节点广播的beacon消息后, 根据时间戳在历史移动信息数据库中更新邻居节点的移动信息。

节点通过周期性广播的beacon消息交换当前所处状态信息, beacon消息所包含的信息如下:<类型, 节点ID, 生存时间, 位置信息, 速度信息, 状态>, 类型指明该消息数据包类型为beacon信息, 每一个车辆节点都有其唯一的节点ID, 生存时间是数据包存在的时间值, 位置信息包含车辆节点的位置 (x, y, z) , 是指其GPS坐标值, 速度信息是节点的速度大小v及运动方向Ѳ, 状态表明该节点是否处于繁忙状态, 若有数据包需要转发, 则繁忙, 否则空闲。

历史移动数据库主要包含以下内容<ID, (X, Y) , Velocity, last update time, CT>, 其中ID是邻居节点号, (X, Y) 是邻居节点坐标位置坐标, Velocity是邻居节点的速度信息, last update Time是该邻居节点信息的最新更新时间, CT (connection time) 是经过计算后得出的节点与该邻居节点的预测链路的最大连接时间。

在CCR中, 假设车辆的通信范围为R, 则在固定通信范围R内的一对节点被认定为处于可连通状态。但由于这两个车辆节点具有不同的行驶速率以及不同的行驶方向, 随着两个车辆节点的移动, 两个节点的位置也处于相对变化中, 在未来的某一时刻, 两个节点间的距离将超过车辆节点覆盖的通信范围R, 由此, 这一对节点变为不连通状态。这一段从可连通状态到不可连通状态的时间预测, 即双方连通性的预测。

如图1所示, 车辆节点a和车辆节点b相距距离为r。两点有各自不同的位置信息和速度信息。节点a位于 (xa, ya, ta) 处, 移动速度为;节点b位于 (, tb) , 移动速度为。这里ta和tb分别表示节点a和节点b位置更新时刻。R为两节点的通信距离。当r小于R时, 两节点处于连通状态。t为当前时刻。在短时间内, 节点的移动速度变化较小, 为计算方便, 我们假定车辆节点匀速行驶, 即保持匀速行驶。则两节点间距离r是关于时间t的函数r (t) 。由于ta和tb并不相同, 两节点的位置信息更新时刻不同步, 所以需要经过同步修正后使用。经同步修正后, 两节点均在ta时刻进行后续计算。经修正后的两节点位置坐标差如式 (1) (2) 所示

这样即可可到两点间距离函数r (t) 表达式

容易得出, 当r (T) <=R时候, 两节点处于连通状态。连通时间CT表示最大连通时间, 由式 (3.5) 计算得到表达式

(1) 低优先级消息分发机制

如图2所示, 在双向四车道的场景下, 节点S有5个邻居节点, 分别为N1, N2, N3, N4, N5。在传输层对消息进行分类后, 若判定为低优先级消息 (优先级为1的消息) , 则进行如图所示的转发过程, 启动贪婪算法选择的结果会试图选择靠近通信边缘的节点作下一跳。这样带来一个问题, 处于通信边缘的节点是不稳定状态。如图中节点N5所示情况一样, 它即将在短时间内移出之前中继节点的通信范围。而该中级节点无法及时知道这种情况, 仍然会选择这个“存在”的节点N5传输, 这样, 在传输过程中, 就会出现持续丢包情况。

低优先级转发算法要求每个节点维护了一个邻居节点历史移动数据库, 连通时间由式 (6) 计算得出, 如图中中继节点给出示例。考虑到传统MANET路由信标周期在1S左右, 即在1S内邻居节点发送的位置变化, 是难以获知的。所以设置CT值可信阈值下线为1S。CT值不足1S的邻居节点将视为不可靠节点, 意味着会在短时间内有很高的可能性移出通信范围。

(2) 高优先级消息分发机制

在高速公路场景下, 车辆能够以较高的期望速率行驶, 车流密度相对较小, 传输层对数据包的优先级进行分类后, 为了能够获得较低的时延, 以及较高的可靠性, 将高优先级消息 (优先级为2) 的数据包直接采取洪泛的方式进行广播。由于在高速公路场景下, 车辆密度相对较低, 采用洪泛广播的方式反而降低了发生广播风暴的可能性, 提高了数据包传输的及时性与可靠性。

三、性能仿真及分析

3.1 VISSIM以及NS3仿真工具

VISSIM是一种微观的、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具, 不仅可以完善地模拟各种真实的交通场景, 还可以生成可视化的交通运行状况, 并且以文件的形式输出各种交通评价参数, 是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。

NS3是一个离散事件模拟器, 是一款开源软件, 由C++编写, C++语言作为前台, 可以对网络性能进行仿真, 并且能正确地处理节点上的多重接口, 使用IP地址, 与因特网协议和设计更一致, 和更加详细的802.11模块等。

3.2仿真结果

在仿真实验中, 仿真结果展示了车辆在高速公路环境下路由的性能表现, 由于我国交通法规的限制, 高速公路上车速的限制在60km/h到120km/h之间, 本文也据此进行了速率的设定, 为了对提出的路由协议CCR进行性能分析, 本文利用VISSIM生成交通流模型, 并通过NS3仿真软件对路由协议的性能进行了分析。

图3和图4分别显示了三个路由协议在高速公路场景下的性能表现, 通过仿真结果可以看出, CCR路由协议相比于AODV与GPSR有较高的传输成功率以及较低的端到端延时。这是由于在高速公路场景下, CCR采用了基于跨层协作的路由协议, 使得高优先级与低优先级消息都能得到合理的处理, 对于低优先级消息, 对CT进行了估计, 剔除了不可信点, 减少了链路断裂的概率, 对于高优先级消息, 由于高速公路场景的特殊性, 采取洪泛的广播, 提高了数据包成功传输率, 所以, CCR的数据包成功传输率远高于其它两种路由协议, 平均的端到端延迟也小于GPSR、AODV协议, 而且随着数据发包率的增加这种优势愈发明显。通过仿真结果表明, CCR较传统基于拓扑和基于地理信息的路由有更好的传输成功率, 而且表现出更好的稳定性。

四、结语

综上所述, CCR算法重点在于通过传输层与路由层的跨层协作机制, 针对不同的优先级采取了不同的路由策略。仿真结果表明, 在高速公路场景下, 针对车联网不同业务的Qos需求, CCR最大程度地利用了有限的网络资源, 减少了数据传输延时, 有效地满足了车联网各种业务的需求。

参考文献