路由负载（共7篇）
路由负载 篇1
在对传统路由协议的分析中,由于传统路由协议大多采用单路径的路由方案。对于多点对多点的网络拓扑结构来说,单路径路由具有不稳定性,不能使网络资源得到充分的利用,使网络的利用率降低,不能实现网络负载的均衡分配。同时对于那些对网络服务质量QoS有很高要求的新兴业务来说,设计一种带有多个服务质量QoS约束的路由协议来优化网络资源就显得尤为重要。
1 简化的QoS路由模型
可用一个无向图G (V,E)来描述无线网络的拓扑结构,网络的链路用图的边来表示,网络的节点用图的顶点来表示。网络中所有链路的集合用E来表示,E={In,m(n,m):n,m∈V};网络中所有节点的集合用V来表示,V={ni}。用一组边{ls,1,l1,2,l2,3,…,ln,d}来表示无线Mesh网络中任意两个节点ns,nd之间的连接关系,这组边的集合为就被称为一条路由r:rs,d={ls,1,l1,2,l2,3…,ln,d}。同时也可以用节点的集合表示路由r:rs,d{nj,j=s,u,v,…d}。用Ru·v表示网络中任意两个节点u,v之间的全部路由r组成的一个集合。
设Ti为时延,Bi为节点ni的带宽,于是可得到在路由rs,d={nj,j=s,u,v,…d}上的时延T(s,d)和带宽B(s,d)的定义:
定义1:路由rs,d的时延T(s,d):在路由中所有节点进行累计的时延。单位:秒。
定义2:路由rs,d的带宽B(s,d):路由中每个节点的最小带宽值。单位:比特/秒。
在无线Mesh网络中,当需要在s,d之间对多媒体数据流D进行传送时,则必须要使D对以下QoS性能要求得到满足:T表示时延,B表示带宽,D表示丢包率。因此NBLMP路由协议要找到节点s,d之间的路由集合Rs,d,就必须需满足下面条件中的任何一个:
条件1:找到n条路由∈Rs,d满足:
(Dl(s,d)+…+Dn(s,d))
条件2:至少发现一条路由rd,s∈Rs,d满足:
B(s,d)≥B;
T(s,d)≤T;
D(s,d)≤D。
在以上的数学模型中对丢包、带宽及时延等性能参数进行了衡量。丢包率属于可乘性参数,而时延属于可加性参数,所以对多个性能参数的限定将会造成运算量的增加,而希望能得到的是一个简化的QoS模型。
通过上面的详细分析,简化的服务质量QoS模型为:第一标准为带宽,附加标准为对时延的限制,找到可适用的路径。如果可适用的路径有很多条,那么就对最短的路径进行选择。如果单条路径满足不了要求,就得用独立多路径进行数据的传送。最大限度地充分利用网络带宽的资源,使网络的吞吐量得到保证。要实现以上简化的QoS模型,NBLMP路由协议就必须满足以下条件:
条件1:路由算法要采用分布式的方式。
条件2:要能充分保证路由对时延要求的满足,并且要能对时延有效地进行估算。
条件3:新的路由协议中要能够对无线信道中节点的可用带宽进行有效的测量,接入数据流是以网络中的可用带宽资源控制,同时节点要对数据流的时延及带宽的要求有所保证。
条件4:新路由协议要能对路由失效的情况进行妥善的修复处理。
条件5:在网络中没有任何一条路径能够使数据流需求得到满足的情况下,新路由协议必须要充分衡量目前网络的状态,通过对节点不相交独立多路径进行选用以数据的传送,从而使网络带宽资源的利用率得到提高。
2 可用带宽的计算
在NBLMP路由协议中路由的可用带宽的计算是一个关键性的问题。本文采是利用对共享信道的占用率的检测来对可用带宽进行预测。节点的可用带宽是通过此节点所在信道的闲置时间表现出来的。
在IEEE802.11标准中具有能够判断信道占用状态变化的载波监听机理,可通过中断的方式将得到的信息告知网络层,以此来对可用带宽进行预测。通过对退避机制以及MAC帧所产生的开销进行衡量,同时信道的占用率与信道的剩余带宽近似成正比,需要对比例系数进行修改。可用带宽近似表达式为:
k表示修正系数:
其中,信道的空闲时间用T_idel来表示,信道总的采样周期时间用T_total来表示,MAC层的链路带宽速率用B_basic来表示。此节点可用带宽的计算方式对路由协议的开销能够大大减小。
3 路由的发现过程
在NBLMP路由协议中,由源节点负责发起路由。当上层的协议将数据流请求发送到源节点的时候,要先对本地的路由缓存表进行一次查找,看是否存在满足条件的路由,如果存在就用此路由将数据分组进行发送,否则就将路由发现过程发起,向附近节点泛洪一个中路由请求分组NRREQ。图1为中间节点对路由请求分组的处理过程的流程图。当网络中的中间节点收到一个路由请求分组NRREQ时,第一步先判断此NRREQ是否是第一次收到,如果不是第一次收到,就采用上面提到的路径选择策略对此NRREQ分组进行丢弃操作。如果是第一次收到,就要对此路由请求分组NRREQ继续进行判断。判断此NRREQ分组能不能满足数据流的时延限制,如果满足不了时延的限制就要对此NRREQ分组进行丢弃操作,如果能够满足就利用节点的可用带宽对路由请求分组中的瓶颈带宽进行替换。接着在路由请求分组中添加此节点的ID,并将此NRREQ分组继续转发出去。
4 路由的维护过程
在路由的维护方面,由于在路由发现过程中NBLMP路由协议构建的网络拓扑结构很特殊,所以对路由的恢复就通过路由分组中的备用路径来进行维护。路由的维护步骤如下:
(1)当某条路径出现问题而断开时,就会由断开的节点沿着路由路径的相反方向传送一个路由错误分组NRRER;
(2)当一个NRRER分组到达某个交叉节点时,因为此交叉节点的后继路径也具有不相关性,所以能够最快速地进行路由恢复;
(3)交叉节点要在路由表中查寻是否存在相匹配的备用路径;
(4)如果有备用路径,就将数据切换到备用路径上。如果没有备用路径就沿着路由路径的相反方向继续发送NRRER分组,然后返回Step3继续进行查寻。当NRRER分组已经抵达源节点时,就需要重新发起路由的发现过程,说明在此路径分组中不存在相匹配的备用路径;
(5)当某一个节点的可用带宽有限不能对数据分组进行发送时,源节点就会收到通知并在路由的缓存区内查找是否有通向目的节点的其他路径,如果有就直接用新路径对数据分组进行发送,否则将持续使用原路径进行发送;
(6)当节点的发送时间超过了时限,此节点就会发送一个路由错误分组NRRER到源节点,并且接着发送数据分组。
这样的维护方法可以使路由发现过程的重新发起率最大限度的降低,同时也能使网络的开销减少,使处于激活状态的数据流得到更好的保护,防止丢包的发生。
5 评价性能参数
在此次仿真实验的过程中,选择了路由协议的开销率、数据分组的丢包率以及端到端的平均时延作为性能评价的参数。
5.1 路由协议的开销率
其中控制包包括路由协议控制包和数据包。路由协议所产生的数据包如RREQ,RREP,RRER等就是控制包。此性能参数是对网络的拥塞情况和对网络协议的效率进行评估。
5.2 数据分组的丢包率
此值越小显示出成功发送到目的节点的数据分组越多,协议的性能也就越好。此性能参数是对整个网络的吞吐量以及网络中数据成功发送的效率进行评估。
5.3 端到端的平均时延
此性能参数是对网络的拥塞状况及效率进行评估。
在对路由协议的设计中,应该力求对路由的开销以及端到端的平均时延的减少,还有对数据分组的丢包率的降低。
6 仿真结果及分析
仿真环境参数设置:仿真场景大小为1000m×1000m的矩形范围内,节点数量为50个,模拟时间为1000s,数据源类型为CBR,节点移动速度为10m/s,数据分组大小为512Kb,信道的带宽为1Mbps,节点传输范围在250m。
在仿真实验过程中,业务类型为固定码率,每个数据包长度为512B,数据包的时间间隔为0.15s。
在路由开销率方面,如图2所示,可表现出NBLMP协议与DSR协议的路由开销率和网络负载之间的关系。由于DSR协议是作为NBLMP协议设计的一个基础,对DSR协议进行优化改进。所以这两种协议的路由开销率在网络负载比较低的情况下,是没有太大差异的。但是随着网络的负载不断增加,DSR路由协议就要比较频繁的重新发起路由很大程度上增加了路由控制包的数量,致使路由开销不断增大。而NBLMP路由协议在路由开销方面就有较好的表现。
在数据分组丢包率方面,由于不断增大的网络负载使NBLMP协议和DSR协议的数据分组丢包率均有变大的趋势,但是其中DSR协议的传输方式是选择最短的单路径进行数据传送,所以不能使服务质量QoS带宽的要求得到满足,从而导致数据分组的丢包率迅速上升,造成网络拥塞情况的出现。而对于NBLMP协议来说,随着网络的负载不断增大单路径服务质量QoS带宽的要求无法满足时,就会将网络的负载平均分配到多条独立路径上,通过多条节点不相交的独立多路径同时进行数据传送,从而使各条路径上的服务质量QoS要求有所降低,更好地保证了分组数据传输的有效性,同时也将数据分组的丢包率降到更低。
从端到端的平均时延性能上比较,NBLMP协议也有较好的表现。随着网络中负载的不断增加网络中的资源也越来越少,拥塞率随之增大,致使数据传输端到端的平均时延也在增大。DSR协议在网络中固定码率数据流比较少的情况下,是通过选择最短路径对数据包进行传送,与NBLMP协议相比端到端的平均时延要低一些。但是在网络中固定码率数据流的数量不断增多的情况下,NBLMP协议是通过选择节点不相交的独立多路径来同时进行数据传送,而DSR协议重新发起路由的频率要大大增加。所以NBLMP协议在数据传送端到端的平均时延方面与DSR协议相比较要有明显优势。
摘要：近年来,我国IT技术突飞猛劲的发展,无线Mesh网络(英文名称:Wireles Mesh Network,简称为WMN)也已随之迅猛地发展起来。无线Mesh网络是一种无线多跳网络,是用无线链路把终端设备与路由器连接起来,它也是一种具有高速率、高容量的多点对多点的分布式网络。针对无线Mesh网络路由协议进行研究,因为对于无Mesh网络性能的优化来说,无线路由协议的研究是一项十分重要的内容。
关键词：无线Mesh网络,独立多路径,负载均衡,节点不相交
路由负载 篇2
R1、R3上分别做NAT，使得内网的PC能够访问外网，并在此基础上实现HSRP，
Cisco 路由器HSRP负载均衡的配置
。要求实现2组负载均衡：R1作为HSRP组1的Active路由器虚 拟IP为：172.20.10.100. 并且作为HSRP组2的standby路由器虚拟IP为172.20.10.200. 同理：R2作为HSRP组1的standby路由器虚拟IP为：172.20.10.100. 并且作为HSRP组2的Active路由器虚拟IP为172.20.10.200. 此外设置：PC1的默认网关为：172.20.10.100. PC2的默认网关为：172.20.10.200。
R1上的配置：
先是配置R1上的默认路由，访问控制列表以及NAT的配置：
R1(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 s0/1
R1(config)#access-list 1 permit any
R1(config)#ip nat inside source list 1 interface s0/1
R1(config)#int f1/0
R1(config-if)#ip nat i
R1(config-if)#int s0/1
R1(config-if)#ip nat o
R1(config-if)#end
R1上的HSRP的配置：
R1(config)#int f1/0
R1(config-if)#standby 1 ip 172.20.10.100
R1(config-if)#standby 1 priority 105
R1(config-if)#standby 1 preempt
R1(config-if)#standby 1 track s0/1
R1(config-if)#standby 2 ip 172.20.10.200
R1(config-if)#standby 2 priority 95
R1(config-if)#standby 2 preempt
R1(config-if)#standby 2 track s0/1
R1(config-if)#end
R3上的默认路由和访问控制列表以及NAT的配置：
R3(config)#ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 s0/2
R3(config)#access-list 1 permit any
R3(config)#ip nat inside source list 1 interface s0/2
R3(config)#int s0/2
R3(config-if)#ip nat o
R3(config-if)#int f1/0
R3(config-if)#ip nat i
R3(config-if)#end
R3上的HSRP的配置：
R3(config)#int f1/0
R3(config-if)#standby 1 ip 172.20.10.100
R3(config-if)#standby 1 priority 95
R3(config-if)#standby 1 preempt
R3(config-if)#standby 1 track s0/2
R3(config-if)#standby 2 ip 172.20.10.200
R3(config-if)#standby 2 priority 105
R3(config-if)#standby 2 preempt
R3(config-if)#standby 2 track s0/2
R3(config-if)#end
实验的验证：
在R1上sh standby的显示：
R1#sh standby
FastEthernet1/0 - Group 1
State is Active
2 state changes, last state change 00:29:03
Virtual IP address is 172.20.10.100
Active virtual MAC address is 0000.0c07.ac01
Local virtual MAC address is 0000.0c07.ac01 (default)
Hello time 3 sec, hold time 10 sec
Next hello sent in 2.836 secs
Preemption enabled
Active router is local
Standby router is 172.20.10.253, priority 95 (expires in 8.972 sec)
Priority 105 (configured 105)
Track interface Serial0/1 state Up decrement 10
IP redundancy name is “hsrp-Fa1/0-1” (default)
FastEthernet1/0 - Group 2
State is Standby
4 state changes, last state change 00:28:52
Virtual IP address is 172.20.10.200
Active virtual MAC address is 0000.0c07.ac02
Local virtual MAC address is 0000.0c07.ac02 (default)
Hello time 3 sec, hold time 10 sec
Next hello sent in 1.184 secs
Preemption enabled
Active router is 172.20.10.253, priority 105 (expires in 9.172 sec)
Standby router is local
Priority 95 (configured 95)
Track interface Serial0/1 state Up decrement 10
IP redundancy name is “hsrp-Fa1/0-2” (default)
PC1上traceroute 2.2.2.2的显示：
1 172.20.10.252 104 msec 104 msec 76 msec
2 12.12.12.2 136 msec * 140 msec
当断开R1上的F1/0口后再traceroute 2.2.2.2的显示：
1 172.20.10.253 156 msec 104 msec 68 msec
2 23.23.23.2 68 msec * 40 msec
在实验的时候，PC1的网关是172.20.10.100，PC2的网关是172.20.10.200，使用的都是虚拟网关，
根据本实验的例子，当S0/1down掉之后，standby 1 的优先级会减10，此时和在R3上的优先级一样，但是R1上还是active，因为抢占是在优先级不一样的时候才有效，当优先级一样的情况下，原来哪个是active的，还是active，就像本实验一样，当s0/1down之后，对PC1来说，active的还是R1，但是R1上的s0/1端了，所以还是ping不通的。当hsrp刚启动的时候，加入R1和R3上的优先级一样，那么就会比IP地址，因为R3上的的F1/0端口的IP比R1上的F1/0要高，所以此时会选择R3会active。
当R1上的s0/1上断了之后，在R1上的standby 1和standby 2都会减小10，如果此时你在上面配 standby 1 priority 150，但是在show standby brief中显示是140。
路由负载 篇3
由于无线传感器网络节点体积小,一般采用电池供电,其电池容量非常有限,节点更换和能量补充也较难实现，因此,造成了单个节点处理和存储能力有限、通信范围有限、能量有限等诸多问题。这就使得如何延长传感器网络的生存周期成为需要考虑的关键因素之一[1]。
目前，国内外对路由算法进行了广泛的研究。GPSR协议[2]是一种基于地理位置的最短距离路由协议。协议的思想：当信息源节点需要发送数据到目的节点时,根据相邻到达目的节点的距离选择最短的邻节点作为下一跳节点把数据转发到目的节点。GEAR[3]是一种基于地理位置的路由协议。该协议假设网络区域的位置都是可以被定位的，并且每个节点的位置信息和剩余能量以及所有相邻节点的位置信息和剩余能量也都是已知的。LEACH协议[4]是为无线传感器网络设计的一种低功耗自适应分层路由协议，也是第一个基于聚簇的路由协议。在该协议中,首次提出了一种“轮”的概念，表示一个网络工作周期。协议的基本思想就是在每一轮开始时随机地重新选择簇首节点，均衡网络中每个传感器节点的能量，达到均衡节点能量损耗，延长网络生命周期的目的。需要注意的是，在随机选择簇首时，之前的轮次中已经被选定为簇首的节点在本轮中不被重新选择。所以，在N轮次过后，网络中的每个节点都会成为一次簇首节点。PEGASIS[5]是针对LEACH的缺点提出的一种路由协议。在该协议中,整个传感器网络中的所有节点属于一个簇,并且每一轮只选择唯一的簇首节点与目的节点进行直接传输。与LEACH相同的是，每一轮都重新选择一个簇首，达到均衡节点能量的目的。所有的传感器节点都只和相邻节点通信,由此形成一条包含了网络所有节点的传输路径。该协议可以减少随机选择大量簇头导致的通信开销,并且每个节点都是发送数据到最邻近的节点，能量消耗也相对较小,单一路径直接传输到达目的节点，可以减少工作流量,节省网络能量损耗。EAR协议[6]是一种典型的能量感知路由协议，它完全根据网络中传感器节点的剩余能量来选择路由节点。该协议对所有节点的类型进行标示，并且每个节点有各自对应的地理坐标。
本文在分析现有路由算法的基础上，提出了基于负载平衡的路由算法。首先，将网络划分成多个网格，根据网格内节点的负载情况定义网格的状态，结合网格的地理位置和网格负载状态选择路由网格;其次，根据节点剩余能量和负载大小在选择的网格内选取一个合适的节点开始数据的收发工作;最后，通过模拟实验将本文算法与GPSR算法和GEAR算法进行比较。仿真结果表明，该算法有效改善了网络的负载均衡，延长了网络的生存期，并提高了网络的吞吐量。
1 系统模型
1.1 网络模型
整个传感器网络分为若干个网格区域，在每个网格子区域内的所有节点都是随机分布的。我们假定网络中的每个节点的地理坐标都是可知的，并且所有节点的地理位置都是视为不变的。然后，根据网络的地理位置将原有的网络划分成多个虚拟方形网格子区域的形式，每个划分的网格都有各自对应的二维坐标，称为网格坐标。最后，根据每个节点的地理位置即节点坐标，通过网格映射的计算公式得到每个节点对应的网格坐标，并自动映射到节点所属的网格中。每个网格内随机选定一个节点为活动节点，其余节点为普通节点(网格内没有任何节点的特殊情况忽略不计)。每个工作周期过后，网格内的活动节点要重新选取，选择当前状态下网格内剩余能量最大的节点为新的活动节点，原来的活动节点成为普通节点。如图一所示，网络中存在一个源节点和一个Sink节点，源节点通过选择下一跳节点的方式路由并转发源节点发送的数据到Sink节点。
1.2 能量模型和问题定义
本文使用的能量模型是一阶无线收发模型，该模型由发送电路、放大电路和接收电路三部分构成[7]。在数据传输过程中，发送和接收电路所需要消耗的能量k×Eelec为50 nJ/b，而放大器所需要消耗的能量εamp是100 pJ/(b/m2)。因此，我们可以得到该通信模型从节点i传输kb信息至与节点i的距离为d的节点j时，节点i所需要消耗的能量ETi的计算公式为：
同时，节点j为了接收到该消息所需要消耗的能量ERj的计算公式为：
我们设定节点j在工作周期开始时的能量即节点的初始能量为EIj;在这个周期内接收数据所消耗能量为ER j,转发数据消耗的能量为ETj;在这个工作周期结束后节点j的剩余能量为ESj，同时ESj也是节点j下一个工作周期的初始能量。节点j每个工作周期的剩余能量ESj计算公式为：
定义1(网格的距离)：假定网络中网格Wi的二维坐标为(Xi,Yi),网格Wj的二维坐标为(Xj,Yj)，则网格Wi与网格Wj间的距离定义为：
定义2(通信开销指标)：我们把一个数据包通过下一跳节点发送到目的节点的过程中，下一跳节点所需要的能量消耗E定义为网格转发数据的通信开销。E的计算公式为：
式(5)中τ为常数，由节点发送的数据包的大小决定。Wself表示当前节点所在网格，Wnext表示下一跳网格，Wd表示目的节点所在的网格。我们从公式中可以看出，转发数据的开销指标主要由下一跳网格到达目的节点所在网格的距离Dist(Wnext,Wd)和本身网格到达下一跳网格的距离Dist(Wnext,Wself)决定。如图二所示，当满足其他原则的下一跳网格共有A、B、C三个，根据通信开销E的计算方法得出三者的通信开销分别为34τ、32τ和41τ，因为得到B点的E值最小，所以应选择B为下一跳网格。
定义3(网格负载量)：我们记录在负载情况观察相同时间间隔内，节点i本身发送的数据包数为LRi,该节点转播发送的数据包数为LTi。那么，我们设定该节点当前的工作负载LCi大小为：
我们根据节点的工作负载LCi大小,以网格为单位，设定一个表示网格工作负载量大小的度量值，称为网格负载量。通过该数值的大小可以反映网格的负载情况，如果该值越大，说明网格越容易发生拥塞;反之，则说明该网格发生拥塞的可能性越小。我们将网格负载量定义为：
式(7)中，n表示网格内节点个数(包括1个活动节点和n-1个普通节点)，LCi表示网格内节点i的工作负载大小。
2 负载平衡路由算法
本文提出的路由算法是结合GLBR算法和其他算法的改进，主要思想是根据网格的地理坐标和网格的负载情况，选取网格负载量小的网格，再在选取的网格内根据各个节点的负载情况，选择负载量较小的节点来发送数据，从而避免数据传输到网络的热点区域，以达到平衡负载的目的。该算法的运行过程分为三个步骤：网格的负载状态广播、路由网格的选择、网格内工作节点的选择。
2.1 网格的负载状态广播
首先进行的就是网格负载状态广播。在路由网格的选择之前，网络中的所有网格根据网格负载计算公式计算出各自的负载量W-Load。我们根据每个网格的负载量设定网络中的网格有繁忙、正常和空闲三种状态。每个网格都有自己的ID和坐标标识，具体属性如表一所示。
每个网格根据自己的网格负载表中记录的相邻网格负载信息，求出相邻八个网格负载量的均值为LP。我们把LP作为确定网格负载状态的一个阀值。当W-Load>=LP时，我们则认为网络目前处于繁忙状态;当LP/2
2.2 路由网格的选择
在网格状态消息广播被相邻网格收到以后，就开始路由网格的选择。首先，我们根据网格负载状态表中记载的消息，优先选择相邻网格中负载为空闲状态的网格，其次考虑负载为正常状态的网格。当然，如果网格负载状态表中显示网格的负载状态为繁忙，则不考虑选择它作为下一个路由网格。在考虑网格负载状态的同时，我们还要考虑下一跳网格到达目的节点的距离，防止数据包朝向偏离目的节点所在的网格方向发送，以避免路由跳数的不必要增加以及整个网络的能量损耗的增大。
路由网格的选择必须满足三个原则：
(1)状态原则。不考虑选择繁忙状态的网格为路由网格，先考虑选择网格负载为空闲状态的网格然后考虑网格负载是正常状态的网格;
(2)距离原则。必须要满足Dist(Wnext,Wd)
(3)能耗最低原则。在满足以上两个原则的情况下，选择通信开销E最小的相邻网格为下一跳网格。
2.3 网格内工作节点的选择
当网格被选为下一跳网格时，活动节点通过节点负载表(NLT)查看网格内各个节点的工作负载和剩余能量等信息。首先，根据网格内NLT查询所有节点的剩余能量并计算出平均值EP，在选择工作节点时要考虑节点j的剩余能量ESj是否小于EP，所有剩余能量少于平均值EP的节点均不考虑作为本次的工作节点。然后，再通过网格内每个节点负载量的比较，在满足剩余能量大于平均值的节点中选取工作负载最小的节点作为本次发送数据的工作节点。因此，网格内的每个成员节点都要有自己的ID、地理坐标等信息。
3 仿真和性能分析
本文通过理论分析仿真出所提出算法的性能表现，并与GPSR和GEAR两种算法进行相应的计较。在仿真过程中，P表示每个节点请求传输数据的概率，P的大小表示单位时间内需要传输数据量的多少。在性能分析图中，横轴表示P的数值，从0.1依次增加到1。
3.1 吞吐量分析
图三是网络吞吐量的性能比较，图中网络吞吐量都随着P值的增大呈现了上升趋势。本文所提算法的吞吐量和明显高于GPSR和GEAR。本文所提算法是基于负载均衡的路由体制，可以使网络中每个节点的能量得到充分的利用。GPSR没有考虑网络负载均衡的问题，只是通过地理位置选择最短路径，这样导致部分区域节点过早死亡，影响整个网络的吞吐量;GEAR虽然考虑了节点剩余能量的问题，吞吐量的性能表现优越于GPSR，但由于它的拓扑信息不足，很难均衡整个网络，因此表现与本文算法相比还是有差距。
3.2 生命周期分析
网络的生命周期表现如图四所示。该算法的生命周期同样比GPSR和GEAR要长，主要原因还是本文的算法考虑了整个网络的负载均衡，每次都避开繁忙的网格区域，并且选择负载量小的节点进行路由，能够达到均衡节点能量损耗的效果;同时，通过距离原则还避免了路由自组织情况下的形成背离目标节点的路径增大能量损耗情况的发生，使网络能量的利用最大化，避免部分区域节点过早出现死亡，从而延长了整个网络的生命周期。
4 结束语
本文提出了基于负载平衡的无线传感器网络路由算法，通过将网络划分成多个网格，根据网格内节点的负载状态和网格的地理位置信息来选择路由网格;根据节点剩余能量和负载大小选择一个合适的节点开始数据的收发工作;通过与GPSR算法和GEAR算法进行仿真比较，证明本算法有效改善了网络的负载均衡，延长了网络的生存期，并提高了网络的吞吐量。
摘要：为了提高无线传感器网络的能量利用率和延长网络的生命周期,本文提出了基于负载平衡的无线传感器网络路由算法。首先,将网络划分成多个网格,根据网格内节点的负载情况定义网格的状态,结合网格的地理位置和网格负载状态选择路由网格;其次,根据节点剩余能量和负载大小在选择的网格内选取一个合适的节点开始数据的收发工作;最后,通过模拟实验将本文算法与GPSR算法和GEAR算法进行比较。仿真结果表明,该算法有效改善了网络的负载均衡,延长了网络的生存期,并提高了网络的吞吐量。
关键词：无线传感器网络,负载均衡,路由算法,能量高效,网格
参考文献
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[6]W.Zhang,G,Cao.T.L.Porta.Dissemination with Ring-Based Index for Wireless sensor Systems Research(CIDR2003).2003.
路由负载 篇4
VRRP被设计用来实现IP传输失败情况下的不中断服务, 具体地说, 就是用于在局域网内源主机无法动态地学习到首跳路由器IP地址的情况下, 防止首跳路由的失败。VRRP将多个路由器都映射为一个虚拟的路由器, VRRP组中只有一个路由器代表虚拟路由器进行包的发送, 被称为主路由器, 其他路由器称为备份路由器。当网络中的主机发送数据包给网关, 也就是发向虚拟路由器时, 主路由器承担转发工作。如果这个主路由器在某个时刻由于某种原因无法工作的情况下, 处于备份状态的路由器将被选择来代替原来的主路由器。因此, VRRP使得局域网内的主机看上去只使用了一个路由器, 并且即使在它当前使用的首跳路由器失败的情况下仍能够保持通讯的连续性和可靠性。
1 、VRRP 基本概念
(1) VRRP路由器
运行VRRP协议的路由器, 一台VRRP路由器可以同时参与到多个VRRP组中, 在不同的组中, 一台VRRP路由器可以充当不同的角色。
(2) VRRP 组 (VRID)
由多个VRRP路由器组成, 属于同一VRRP组的VRRP路由器相互交换信息。
(3) 虚拟路由器
对于每一个VRRP组, 抽象出来的一个逻辑路由器, 该路由器充当网络用户的网关。
(4) 虚拟IP地址、虚拟MAC地址
虚拟IP地址用于标识虚拟的路由器, 该地址实际是用户的默认网关, 根据需要由管理员指定。虚拟IP地址可以是接口的真实地址, 为了安全, 一般不建议这样操作。虚拟MAC地址 :00-00-5E-00-01-{VRID}, 例如指定VRRP组的VRID为10时, 则虚拟MAC地址为00-00-5E-00-01-0A。
(5) Master、Backup路由器
Master路由器就是在VRRP组实际转发数据包的路由器;Backup路由器就是在VRRP组中处于监听状态的路由器, 一旦Master路由器出现故障, Backup路由器就开始接替工作。
2 、VRRP 工作原理
如图1-1所示, VRRP将局域网的一组路由器组织成一个虚拟的路由器。这个虚拟的路由器拥有自己的IP地址172.16.10.254 (这个IP地址可以和某个路由器的接口地址相同, 也可以不同) , 同时, VRRP组中的物理路由器都有自己的IP地址 (如图1-1中的172.16.10.1和172.16.10.2) 。局域网内 的主机仅 仅知道这 个虚拟路 由器的IP地址172.16.10.254, 而并不知道具体的路由器的IP地址, 他们将自己的 缺省网关 设置为虚 拟路由器 的IP地址192.168.10.254, 网络内的主机就通过这个虚拟的路由器来与其他网络进行通信。VRRP通过多台路由器实现冗余, 任何时候只有一台路由器为主路由器, 其他的为备份路由器。路由器间的切换对用户是完全透明的, 用户不必关心具体过程, 只要把缺省路由器设为虚拟路由器的IP地址即可。
3 、VRRP 报文
VRRP报文由主路由器定时发出, 目的是向VRRP组内的其他路由器通告它的存在, 使用VRRP报文可以检测虚拟路由器的各种参数, 并用于主路由器的选举。VRRP报文使用的IP组播地址:224.0.0.18承载在IP报文之上, 使用协议号112。VRRP报文的格式如表1。
4 、VRRP 路由器的切换
VRRP协议采用竞选的方法选择主路由器。通过比较各台路由器优先级的大小, 优先级最大的路由器为主路由器, 状态变为Master。若路由器的优先级相同, 则比较网络接口的主IP地址, 主IP地址大的就成为主路由器, 由它提供实际的路由服务。主路由器选出后, 其他的路由器作为备份路由器, 并通过主路由器发出的VRRP报文监测主路由器的状态。当主路由器工作正常时, 会每隔一段时间发送一个VRRP组播报文, 称为宣告报文, 以通知备份路由器, 主路由器处于正常工作的状态。如果组内的备份路由器长时间没有接收到来自主路由器的报文, 则将自己的状态转为Master。当组内有多台路由器时, 再次执行竞选。通过这一过程会将优先级最大的路由器选成新的主路由器, 从而实现VRRP的备份功能。
二、VRRP 应用研究
1 、园区网网络状况介绍
图2是某公司的网络拓扑结构图, 公司生产经营区域局域网与公司管理区域局域网分布在甲、乙两地, 甲乙两地相距约50公里, 两个局域网通过广域网实现远程互联。位于甲地的生产区域局域网中前端设备主要有网络摄像机、生产办公用计算机、OA系统服务器等设备构成。位于乙地的公司管理区域局域网络主要由文件服务器、FTP服务器、计算机等组成。两个区域的局域网络频繁传递办公数据流、视频数据流, 办公数据流主要是甲乙两地局域网内计算机与服务器之间交互的数据, 用于甲乙两地的协同办公。视频数据流主要是位于乙地的公司管理区域的管理者调用位于甲地的公司生产经营区域的网络视频数据所产生的数据信息, 该数据信息的正常传输需要较大的网络带宽。在这个案例中, 位于甲乙两地的局域网中需要同时传输办公数据流和视频数据流, 要求两个网络间建立可靠、不中 断的路由冗 余连接服务 , 同时 , 为了规避办公数据流和视频数据流的拥塞, 需要实现负载均衡的功能。
2 、设备选型及硬件连接
(1) 设备选型
接入层交换机选择普通百兆交换机, 它主要连接局域网中的网络摄像机、网络硬盘录像机、办公用计算机、OA服务器等设备;汇聚层交换机选择锐捷S2126二层交换机, 核心层交换机选择锐捷S3550交换机。
(2) 硬件连接
网络中的前端设备, 如网络摄像机、网络硬盘录像机、办公用计算机、OA服务器等设备直接连接接入层交换机, 连接网络摄像机和网络硬盘录像机的交换机接入到汇聚层交换机S2126的F0/3-13端口, 连接办公用计算机及OA服务器的交换机接入到汇聚层交换机的F0/14-24端口。在汇聚层交换机S2126建立VLAN 10和VLAN 20。通过S3550A和S3550B的干道链路 (Trunk) 建立双核心对外连接, 启动S3550A和S3550B的F0/24端口的路由功能, 接入广域网, 实现远程互联。
3 、网络配置
(1) 局域网中的VLAN配置
1 S2126的VLAN配置
在S2126上划分VLAN 10和VLAN 20, 将F0/3-13和F0/14-24分别划入到VLAN 10和VLAN 20, 配置与S3550A和S3550B的Trunk连接。其配置如下:
2 S3550A和S3550B的基本配置
在S3550A和S3550B上启用VLAN 10和VLAN 20, 在S3550A和S3550B上配置与S2126的Trunk连接, 在S3550A和S3550B的F0/24接口上启用路由功能, 参考配置如下 (以S3550A为例) :
3 S3550A的SVI接口配置
4 S3550B的SVI接口配置
三、VRRP 负载均衡配置
在S3550A和S3550B上配置VLAN 10和VLAN 20的VRRP组, 指定主路由器, 实现链路负载均衡。
1 、S 3550A 的 VRRP 配置为
S3550A (config) # interface vlan 10
S3550A (config-if) #standby 10 ip 172.33.10.254 !配置VRRP10虚拟路由器IP
S3550A (config-if) #standby 10 priority 200!配置VRRP10优先级200
S3550A (config-if) #exit
S3550A (config) # interface vlan 20
S3550A (config-if) #standby 10 ip 172.33.20.254 !配置VRRP20虚拟路由器IP
S3550A (config-if) #standby 20 priority 100!配置VRRP20优先级100
S3550A (config-if) #exit
2 、S 3550B 的 VRRP 配置为
S3550B (config) # interface vlan 10
S3550B (config-if) #standby 10 ip 172.33.10.254 !配置VRRP10虚拟路由器IP
S3550B (config-if) #standby 10 priority 100!配置VRRP10优先级200
S3550B (config-if) #exit
S3550B (config) # interface vlan 20
S3550B (config-if) #standby 10 ip 172.33.20.254 !配置VRRP20虚拟路由器IP
S3550B (config-if) #standby 20 priority 200!配置VRRP20优先级100
S3550B (config-if) #exit
3 、查看 VRRP 实现均衡链路负载
完成配置后, 可以看到VRRP状态改变的信息, 执行showstandby分别查看S3550A和S3550B的VRRP状态。可以看出, S3550A成为VRRP组10的主路由器, S3550B成为VRRP组20的主路由器;VLAN 10和VLAN 20的用户分别通过S3550A和S3550B实现对外连通, 从而实现均衡链路负载。
S3550A#show standby
S3550B#show standby
4 、查看 VRRP 实现路由冗余
在VLAN 10中配置一 台PC10的网关为172.33.10.254, 在VLAN 20中配置一 台PC20的网关为172.33.20.254, 使用ping命令验证。在PC10和PC20上执行ping 218.3.215.242–t, 断开S3550A的F0/1连线, 随后接上S3550A的连线, 在断开S3550B的F0/1连线, 随后接上, 观察ping命令的执行情况:
可以看到, 在设备VRRP状态改变是, ICMP的应答时间会稍长一些 (备份路由器在VRRP超时才改变状态) , 在缺省VRRPG广告间隔时间的情况下, 基本没有断点 (timeout) 。
四、结束语
VRRP协议不仅能够为园区局域网络设备提供冗余网关, 实现路由冗余, 保证园区网络运行的可靠性、稳定性, 当网络发生故障时, 把用户的损失达到最低。同时能够实现网络负载均衡, 规避网络中的办公数据流、视频数据流、语音数据流的拥塞、碰撞, 提高数据传输效率, 在园区网络建设中应大力推广使用这个协议。
参考文献
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[3].朱应国, 江森林.基于VRRP高可靠性校园数据中心建设[J].无锡职业技术学院学报, 2008, 7 (3) :45-46.
路由负载 篇5
现如今,随着科技的迅猛发展,互联网推广普及应用,网络业务针对互联网传输质量提出较高要求,网络传输设备体系结构加入更多复杂功能,导致网络交换设备相对较为臃肿,其性能提升空间愈发变小,Open Flow技术应运而生,有效解决此类问题的出现。Open Flow下分布式网络中相关负载均衡路由,能够合理整合利用整个网络全部信息,基于中心控制器,运用一定算法, 完成对全局链路资源使用状态的全面监控,旨在实现流路径的动态调整,尽可能较少端到端任务传输所需时间。
1 Open Flow相关内容
1.1网络结构
如图1所示,Open Flow主要是通过控制器以及Open Flow交换机、Flow Visor共同构成的,其中控制器(controller)的作用为集中控制网络;Open Flow交换机的作用是完成数据层转发工作;Flow Visor的作用为针对网络实施虚拟化操作。
1.2应用优势
(1)有效分离数据转发与路由控制,基于Open Flow技术应用能够在交换机合理移除控制机制,强化提高交换机报文转发速度,大幅提升网络整体性能。从成本角度出发来看,通过虚拟网络管理功能运用来看,Open Flow可优化降低网络构建及其允准所需成本费用。
(2)实现新功能应用测试。纵观Open Flow网络应用,其管理人员能够基于Open Flow软件,在目前已有的网络架构基础上进行新功能特征的增加,完成添加的多元化功能可实现在平台上的优化运行,让用户无需再在各个供应商硬件中进行实现。运用Open Flow所提供的开放性较强的API,管理人员与研究人员能够实现所需控制软件的合理添加,旨在获取重要的新型交换功能。传统意义上的路由器与交换机欠缺统一化API,上述功能一般是难以有效实现的。
(3)尽可能做到统一化管理。Open Flow集中控制器能够进行统一性网络视图的优化提供,通过全面完善的统一管理网络设施,旨在促进全网安全性能的明显增强,便于管理人员清楚了解整个网络流量信息,针对所存在网络入侵等类型问题展开简单识别,深化解决网络应用中所存在的堵塞与设备问题情况。除此之外,Open Flow允许管理者可进行虚拟网络拓扑的有效构建,能够在不对物理网络实施更改的情形下同时创建VLANs或者是VWANs,并利用此类机制,建立集中虚拟控制屏幕,强化开展网络管理工作,尤其是能够更为有效地管理相应数据中心。
(4)云计算技术。纵观云计算网络,运用网络计算机可完成数据计算工作,所以说,计算应综合考虑的问题涵盖有操控虚拟环境的实际能力、虚拟跟其无差错搬迁、遇见通信与规模、计算素等方面内容,将Open Flow交换机应用在网络结构中,能够更为合理有效地实现对计算资源及网络数据的优化控制。若需应对数据中心包括的大量数据,基于控制完成传送路径优化,满足负载均衡要求,大幅提升数据交换实际速率。
2负载均衡路由研究
Open Flow基于集中模式针对全网拓扑结构进行合理计算,网络设备仅需完成计算好的路由接收并将其安装至硬件即可,如此一来, 网络设备实现难度大幅降低,此外,Open Flow所倡导相对较为开放的网络设备平台,基于Open Flow技术应用进行硬件编程,旨在完成满足自身需求的网络转发服务。现如今,负载均衡可谓是重点关注话题,其作为计算机网络负载分担技术的重要类型,是分布式网络系统主流研究方向,目的在于在对称结构中涉及的众多计算机或者是网络链接均匀分配来自于外部送来的请求,旨在实现具体吞吐量的最大化获取,优化利用现今已有资源,合理降低网络响应时间, 大幅减少延时情况出现。应用Open Flow技术,网络流控制所需成本费用水平相对较低,并且颇具十分较强的可操作性,基于交换机软件运用,使得网络数据包传输路径控制得以充分实现。
初始化过程当中,运用LWFS,即为Largest Weighet First Served,根据优先级从至低完成调度,也就是说最先完成所获最高优先级或者是最大优先级值对应数据流的合理调度。为实现后续负载均衡路由进程,应完善构建并维护交换机路径表与负载分布表展开网络变化信息存储。纵观交换机路径表,每隔终端主机至另个终端主机全部路径在此矩阵表格数据项里完成存储;在负载分布表中,各行所代表的是一对起点与终点,即为<src,dst> 组,割裂所代表的为每个相隔固定时隙时间点,表中各个数据表示对应七点与终点相关链路基于相应时间位置点剩余传输带宽。
3胖树型网络拓扑
创建胖树型网络拓扑结构,如图2所示,全部数据流均在所有链路上进行平均分配,针对任何一条链路,最少需要4路才可找到其对应代替路径,会催生较大系统资源浪费情况,多数情形下,难以说明某条链路进行替代链路选择是否会对其他类型链路产生影响,是否会拥堵其他链路,通过此类考虑,基于目标流进行新负载均衡路由算法完善设计,并把目标流全部置换至另一传输路径,类似于选择再次初始化路径,即为Multi-Hop LABERIO (多跳LABERIO)。在其中,每隔一段时间间隙,均会全面扫描全部链路,标出负载过重链路,当做一个集合,而后寻找数据流, 其覆盖的集合中包含链路数量最多,也就是说起路径涵盖负载过重链路跳数是最多的,此类数据流能够设定成对目标流实施的负载均衡算法调度。替代原有路径的新型路径应做到,基于目前时隙,此条替代路径最为繁忙对应链路为全部路径中最繁忙链路剩余容量最大的,即为合理选择最大剩余容量链路,并尚无其他数据流在此条替代路径上进行重新分配。在此需要注意是,对应算法主要集中于网络数据流上,没有综合考虑控制信号传输等系统开销,同时设定全部控制信号均实现良好同步并未出现延时,对比数据流,在此忽略控制信号大小情况。基于吞吐量及带宽利用率、传输时常等方面全面细致评估相关算法,最终获得可靠详细结论,提高工作有效性。大量实验数据证明LABERIO算法颇具实际应用优势。
4结束语
路由负载 篇6
随着互联网技术及应用的飞速发展,计算机网络已经成为大多数高校开设的计算机专业的核心基础课程之一。然而鉴于路由器、交换机、防火墙等网络设备价格偏高[1,2],很多高校都无力构建真实的网络环境,由此导致计算机网络课程的实训教学环节也受到了一定的限制影响。即便某些高校已然构建有完善的网络实验室,但设备数目与学生现实需求却仍然难以匹配,每位学生平均可占用的实验时间都有严格标配,束缚了学生的才能施展空间。针对这一重点教学现状,国家适时推出了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函[2013]94号),重点抓好虚拟仿真实验教学中心信息管理平台建设、视频材料制作设计等工作。积极利用企业的开发实力和支持服务能力,充分整合学校信息化实验教学资源,以培养学生综合设计和高新能力为出发点,创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源,提高教学能力,拓展实践领域,丰富教学内容,降低成本和风险,开展绿色实验教学[3,4]。
另据研究可知,负载平衡是指路由器在其前往目标地址的度量值相同的所有的网络端口之间分配数据流的能力。负载均衡可提高网段的利用率,从而增加有效的网络带宽。
为了弥补实体实验室的应用不足,本文引入了GN3网络模拟器[5]。GNS3是一种可以仿真复杂网络的图形化网络模拟器。实际上,GNS3可解析为Dynagen的图形化前端环境工具软件,而Dynamips则是仿真IOS的核心程序。Dynagen运行在Dynamips之上,目的是提供更为友好的、基于文本的用户界面。综上分析可知,GNS3允许在Windows、Linux系统上仿真IOSs,由其支持的路由器平台、防火墙平台(PIX)的类型已堪称全面丰富。通过在路由器插槽中配置上Ether Switch卡,也可以仿真该卡所支持的交换机平台。在GNS3中,真正运行的是实际的IOS,能够使用IOS设计支持的所有命令和参数。另外,GNS3还是一种开源软件,无需付费就可使用。但是,若使用Cisco的IOS,却需要符合Cisco的版权规定。
1 实验拓扑结构
本次实验平台是GN3,路由器型号是7200,IOS是C7200-JK.BIN,面板是vxr,NPE为npe-400,适配卡slot 0是C7200-IO-FE,slot 1则是PA-4T+,实验拓扑图如图1所示。
2 实验步骤
1)配置各端口的IP地址,命令如下:
2)配置R1路由协议,启用eigrp路由协议,进程号为1,关闭自动汇总功能,默认是开启的,对外宣告192.168.12.0和192.168.41.0网段,配置命令如下:
3)比照R1的配置过程,同样配置R2、R3、R4路由器,使用show running-config命令可以查到运行结果,具体如图2所示。
3 实验调试
3.1 实验1
综上设计可知,在R4上输入show ip route命令就可查看到结果确认信息。信息效果显示如图3所示。
本次实验只关注路由器R2的Loopback 1,虽然路由器R4到达路由器R2的Loopback 1有2条路径,但是路由器会将FD最小的那条路径放入路由表,所以就重点选用了fastethernet 0/0接口。
在路由器R4上输入show ip eigrp topology命令可查看到如图4所示的拓扑表。
由图4中的输出可知,第二条路径(经由s1/0接口)的AD为2 297 856,而最优路由(经由F0/0接口)的FD为2 300 416,AD<FD,满足可行性条件,所以第二条路径(经由s1/0接口)是最优路由(经由f0/0接口)的可行后继。
3.2 实验2
通过适当的配置,使得在路由器R4上浏览查看R2的Loopback 1的路由条目为等价路由,由此即可实现等价负载均衡。根据EIGRP度量值的计算公式,这2条路径的最小带宽是相同的,只要两者的延迟之和相同,就是等价路由,为此,可在路由器R4上设定如下的配置:
至此,可在R4上查看如图5所示的路由表。
以上输出表明路由条目“2.2.2.0”确实有2条等价路径,由此可清晰推得EIGRP是支持等价负载均衡的。
3.3 实验3
将R4的以太口f0/0的delay恢复到原来的值:
通过“variance”命令来研究EIGRP的非等价负载均衡。在3.1节的实验结果中发现,对于“2.2.2.0”路由条目,在路由器R4的拓扑结构数据库中存在如下的记录:
现在只需要在R4的路由器上调整variance的值,使得这2条路径在路由表中均呈现为可见与可用,在此给出R4上的配置如下:
在R4上使用show ip route eigrp命令可查看EIGRP路由表信息,完整内容如图6所示。
以上输出表明路由条目“2.2.2.0”有2条路径可达,但是两者的度量值不同,这就是所说的非等价路由,从而证明EIGRP是支持非等价负载均衡的。
4 结束语
在计算机虚拟化网络平台下,研究选用了GN3仿真软件,究其根源在于该实验过程与真实环境的事件结果始终一致。同时,研究中设计展开一系列实验,有助于学生直观掌握:EIGRP等价负载均衡的实现方法、EIGRP非等价负载均衡的实现方法、修改EIGRP度量值的方法和可行距离(FD)、通告距离(RD)以及可行性条件(FC)的深层含义。为今后学生从事网络管理的相关探讨研发奠定了良好的应用技术实践基础。
摘要：为解决计算机网络实验室投资成本高与真实环境少的问题,本文拟将GN3网络模拟器引入计算机网络课程的实训教学中,可以生成与真实设备一样的运行环境。以思科路由器的EIGRP配置为例,设计了一个动态路由配置方案拓扑图,并给出详细的配置命令,对实验效果进行了仿真验证与分析。
关键词：计算机网络,GN3,仿真实验教学,路由选择
参考文献
[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].6版.北京:国防工业出版社,2006.
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[3]阮灿华.批处理脚本在高校计算机机房管理中的应用[J].鄂州大学学报,2013,20(4):67-68,72.
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路由负载 篇7
关键词：无线Mesh,负载平衡,拥塞控制
0 引言
传统意义上的无线接入技术主要采用一种由点至点或者多点的拓扑结构。在此结构中往往只有一个中心节点,比如WLAN中的AP,或者移动通信系统中的基站都属于这种情况。它们的工作原理是:中心节点一方面通过单挑无线链路与其他各个无线端点相连,另一方面又通过有线链路提供到有线骨干网的链接。而无线Mesh网络采用的是网状的Mesh拓扑结构,即由多点至多点的网络结构。它能够提供典型的Internet接入场景,通过一个或多个网关节点完成网络中的节点和外部网络的互联。在它的主要骨干网路中的节点大部分是静止的或具有很不明显的移动性。
1 Mesh网络的介绍
1.1 无线Mesh网络技术简介
随着各种无线通信技术的蓬勃发展,一种新的无线网络技术——无线Mesh网络也逐渐发展起来,在用户群中产生了重大的影响,受到了人们的热烈追捧。无线Mesh网络(Wireless Mesh Networks,简称WMNs),即无线网状网,亦称无线多跳网,通过与其他宽带无线接入技术如802.11、802.16以及3G移动通信等技术相结合,从而组成一个高速率大容量多点对多点的分布式无线网状网络,此网络的一大特色是含有多跳无线链路。有了这种无线网状网路,就可以大大增加无线系统的覆盖面,同时又能提高无线宽带容量和通信的可靠性,因此是一种非常有发展前景的宽带无线接入手段。基于以上特点,无线Mesh网络成为社区、企业内部以及城域网络的理想选择。
无线Mesh网络一般由Mesh路由器和Mesh终端两种网络节点组成。Mesh路由器在具备传统的无线路由器的网关/中继功能的基础上,又增加了支持Mesh网络互连的路由功能。这种路由器通常具有多个无线接入点,这些接入点是运用相同的接入技术建立的,同时也支持不同的无线接入技术。与传统的无线路由相比,Mesh路由器具有极大的优越性。它能够通过无线多跳通信用比传统无线路由低很多的发射功率获得同样范围的无线覆盖。在无线Mesh网络中,互连的Mesh路由器构成骨干网,骨干网再运用其中的网管Mesh与Internent相连。相较于Mesh路由器,Mesh终端一般不具有网关桥接能力。即使它也具有一定的网络互联和分组转发功能,但通常只拥有一个无线接口,因此它的复杂程度很较小。Mesh终端是多种多样的,它可以是笔记本电脑,掌上电脑,甚至是手机等。各Mesh终端之间的互连构成一个小型的对等通信网络。Mesh路由和终端之间混合组网的情况并不复杂。如图1所示。
1.2 无线Mesh网络的特点
无线Mesh网络与传统的无线接入技术相比,有以下六个新特点:
1) 多类型网络的接入
无线Mesh网络既允许无线终端接入骨干网,同时又支持与其相对等的无线终端设备的网络通信。一方面它可以与其他无线网络相结合,另一方面又通过为无线终端设备的用户提供无线接入服务。
2) 无线多跳网络
无线Mesh技术的开发目标除了在充分拓展信道容量的情况下,对现有无线网络的覆盖范围进行扩展之外,还有一个目标是为远距离的无线链路用户提供非视距连接。这就使得多跳网络的应用成为必要。多跳网络的无线链路距离更短、节点干扰较少和频率的重复利用率高等特点,这样就使得Mesh网络在获得更高的系统容量的同时又不影响信道的正常容量。
3) 支持Adhoc方式网络连接
因为具有结构灵活、易于部署和网状连接多点对多点通信等特点,无线Wesh网络可以根据用户的实际需求进行逐渐容量扩展。它的自组织自愈能力使其可以自动探索到新的节点,自动完成配置升级,而不用管理员亲自动手。这样一来,在出现节点或者链路故障时也可以通过自动的调整排除故障。
4) 集成性
无线Mesh网络可以运用Mesh路由器的网关功能,将现有的多种无线网络技术进行整合。如此一来,无线骨干网就形成了。多种无线网络连接在一起就形成了“无线互联网”。身为用户终端自组网的Adhoc网络就不具备这种网关功能。
5) 相对稳定的拓扑结构
传统的Adhoc网络的终端用户具有不可靠性和移动性,导致网络拓扑和连接的变化相对较大,这就给路由协议和网络配置问题面临更大的技术挑战。而在无线Mesh网络中,Mesh路由器一般是静止不动的设备。这样就比终端用户具有更大的可靠性。
6) 专门化的路由和配置功能
在无线Mesh网络中,即使Mesh终端本身具有路由转发功能,但Mesh路由器还是承载了主要的路由和配置功能,这样就大大减轻了Mesh终端的压力。
2 一种负载平衡混合路由协议
LB-HWMP,IEEE802.11s中提出一种混合式无线Mesh网络路由协议(HybridW irelessMesh Protoco,l HWMP)将MA-NET路由协议中的按需式路由和先应式路由的思想接合起来,该协议既具备按需式路由的灵活性又具备先应式路由的迅速性,适应无线Mesh网络这种基干网结构和Ad hoc自组织网结构接合的网络拓扑结构。HWMP中有按需路由形式(On-DemandRouting)和基于树形结构的路由形式(Tree-Based Routing)两种路由办法.按需路由形式和传统的AODV路由办法相同,而基于树形结构的路由形式是在树的树立和保护中吸收了传统AODV协议中的RREQ、RREP、RRER等机制。
IEEE802.11s草稿仅给出HWMP的基本思想和主要框架,那里面的成功实现细节仍在不断完备当中,现阶段已经显露出来一点针对HWMP改进的路由协议,在HWMP基础上提出了一种新的多途径路由协议。WMRP,它接合散布式和集中式路由,将数值链路层的最简单的面路由办法拉伸成大致相似于IP路由的多级路由框架,增长了HWMP的执行速率。研究中有一种管用的先验式和反响式接合的路由算法,利用HWMP中先验式和反响两种路由方式的长处来补救各自的欠缺,管用减不多时延和吞吐量,经过对HWMP以及现存改进协议在负载平衡方面的剖析,发现有以下五个不足之处:
1) HWMP是混合路由协议,但它没有将按需求路由和先应式路由形式美好地接合起来,只供给了一个送出和收缴信息的框架。
2) HWMP是基于MANET网络中AODV协议施行改进,AODV协议本身在负载扼制方面存在不充足,因为这个HWNP在WMN负载较重时,会导致较大的路由发觉时延。
3) HWMP在路由发觉和路由保护过程中,只依据最小跳数作为途径挑选根据,没有思索问题节点的负载事情状况,有可能显露出来途径的部分负载过大,因此造成的整个网络的吞吐量的减退。
4) 处于基干WMN核心的节点(即mesh路由器)是网络负载的瓶颈。在节点负载过重时,仍不断收缴转发的烦请响应信息,进一步导致信道堵塞,针对上面所说的剖析中提出的问题,本文对HWMP路由发觉和路由保护过程施行改进,成功实现了一种具备负载平衡机制的混合路由协议LB-HWMP(Load Balancing HWMP)。
该协议的主要改进思想是:运用节点负载约束机制和节点信息扼制机制,经过预设负载约束权值函数对路由发觉和路由保护过程施行改进,路由挑选时同时思索问题节点负载和跳数两个因素,对重担载节点跳数加以恶罚。同时,在重担载时扼制半中腰节点接收和转发数值包,缓解信道的运用率。
3 负载行数的设计
因为H W M P路由发觉和路由保护过程以AODV协议为基础,所以在路由树立过程中都是以最小跳数为挑选依据,这会造成当一点负载过大的节点还是处于主途径中,这就造成了部分负载过大,减低网络吞吐量。我们运用以下函数对负载连续不断增加的节点施行一定的方式,防止再次选中重担载节点,设负载约束权值函数为f(),节点nodei的现时负载为load,i约束因数为α,节点跳数为hopcounti。用以下公式来表示:
首先,依据路由协议本身的独特的地方,节点本身跳数为一跳,即经过本次节点路由路数加1,参加线性约束因数α后,节点约束权值和节点负载成正比,对于节点负载loadi树立以下节点负载板型:
其次,权值函数计算出load_metrici代替节点原有的hopcounti值,即可计算出节点nodei的约束权值,每个节点转发数值包时,需求将自身节点负载约束权值load_metrici累加到了目的节点后则构成了整条途径的约束权值。
最后,在实际施行途径挑选时,每个节点会优先挑选loadMet-ricpath最小的途径树立路由。
4 无线Mesh节点负载的勘测机制
现阶段计算节点可用带宽有两类典型机制,一类是测量MAC层信道利用率,另一类是勘测网络层单位时间的吞吐量。因为Mesh基干网中路由器移动性很低,网络流量大,不易计算节点吞吐量,而对于信道利用率没有确认的计算办法,因为这个要通不为己甚析影响无线信道相关的相关参数,来计算节点负载:
1) M A C层信道品质指数(C h a n n e l Q u a l i t y Index,CQI)是无线信道的通信品质的勘测标准。CQI由信道强度指使信息(RSSI)、送出包不正确率(TxPER)、送出包重传率(TxPRR)表决,固然可以在经过链路品质反映节点的负载体积,但却不充分,若节点A的负载轻,不过与重载的节点CQI细小,则其他节点会觉得A一样是重载节点。因为这个不可以单独运用CQI作为节点负载判据。
2) MAC缓存区占用率。无线网络负载平衡可以运用MAC层缓和冲突区中的数值包个数对节点负载施行描写,但一样不可以单独运用。由于它没有绝对思索问题无线信道的共享事情状况。如果有节点A两个邻舍节点B和C,假如A的缓存区是空的,而B和C的办公量非常大,一直占用信道,由于A、B、C三个节点并肩运用信道,其它节点就觉得A也是负载过重的。
3) 邻舍节点的个数。因为Mesh节点共享无线信道,在一定程度上邻舍节点的数目能反映出信道的空程度,如果觉得邻舍节点多的节点信道占用率就高。信道比较空,建立路由的时刻就应当防止此节点显露出来在主路由中,但只用邻居节点的个数一样不可以正确地反映节点负载,若节点A有许多邻舍节点,这些个节点的负载都是0,则觉得A处于轻载状况,不过假如依照以上的分辨断定负载体积的办法。
5 协议仿真和结果分析
因为实际的网络流量是突发流,所以为保障实验的严密谨慎性,首先设立如下的一些背景:
1) WMN中全部数值包传道输送出错只是因为碰撞造成的,即无线信道是理想信道;2) 数值包的保存生命时间(TTL)和重传回数都为无限大,即数值包不会由于TTL到时或是重传败绩而没有办法到了目标节点;3) 数值包被准确的收缴的几率大于0,即WMN是一个连通网络,不存在离合局部和孤立节点;4) LB-HWMP协议在有限的时间内可以为源节点供给一条管用地到了目标节点的途径,源节点也可以将数值包发送到目标节点。
本次研究就是运用网络仿真软件NS2来构建WMN仿真平台。配备布置如下所述:1)仿真场景:在1500x1000的长方形拓扑图中,安放50个Mesh路由器和10个移动站点STA,那里面MP节点可以作为Mesh接入点,也可以作为Mesh节点。MP静止不动,STA慢速移动。2)节点的MAC层参变量:认为合适而使用802.11规范,带宽为1Mbps,通讯半径为200m,扩频形式:DSSS(直接序列扩频),接收天线及无线信道参变量认为合适而使用NS2中供给的默许值。3)节点链路层参变量:认为合适而使用CSMA/CA协议施行无线电视台过访扼制.认为合适而使用散布式协调功能(DCF)。
参考文献
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