摘 要： 提出了一種基于負載均衡的DYMO路由協議改進，通過仿真證明改進的DYMO路由協議實現了網絡的優化，增加了移動自組網的性能。
關鍵詞： 移動自組網；Ad Hoc路由協議；DYMO
移動自組網MANET（Mobile Ad Hoc Networks）是由若干移動節點自行組成的網絡，整個網絡沒有固定的基礎設施，每個節點都可以自由地移動、加入以及退出網絡。移動自組網的研究最初是以一個獨立網絡存在的，隨著近年來移動自組網研究的不斷深入以及固定接入網的普及，實現Ad Hoc網絡與接入網技術的結合成為了移動自組網的一個重要研究方向。
移動自組網中的路由協議分為兩大類。一是先驗式路由協議，又稱為表驅動路由協議，這類協議類似于固定網絡的路由協議，在任何情況下，無論是否傳輸數據，每個節點都必須維護一張整個網絡的路由表。二是后驗式路由協議，又稱為按需路由協議，這類路由協議是基于移動自組網的網絡拓撲不斷變化特性而研究出的。DYMO是最新的按需路由協議，由IETF的移動自組網工作組提出，是AODV路由協議的后繼協議，大量繼承了AODV路由協議的方法和機制，并且包含了一些DSR路由協議的特性。
本文針對DYMO路由協議和接入網的結合，提出了基于網關發現以及網關負載均衡算法的改進LB-DYMO路由協議，使得網絡內的節點能夠有效地分擔流量和能耗，延長節點存活時間。并通過仿真驗證LB-DYMO路由協議能更好地與接入網結合。
1 DYMO路由協議
DYMO路由協議的基本操作分為路由發現和路由維護兩個階段。
在DYMO路由協議的路由發現階段，當源節點要發送數據到目標節點時會先查找源節點內部的路由表，如果不存在目的節點的路由條目，源節點就先緩存要發送的數據，然后開啟一個路由發現進程。首先，源節點廣播發送一個路由查詢包（RREQ）到它所有的鄰居節點，這些鄰居節點收到了RREQ后再查找它們內部的路由表，如果還是沒有目的節點的路由條目，則這些鄰居節點繼續向它們的鄰居轉發這個RREQ包直到目的節點收到為止。DYMO包含了源動態DSR路由協議的特性，在RREQ包轉發的過程中加入了中間節點的節點信息。當RREQ包到達目的節點時，目的節點會往源節點地址單播發送一個路由回應（RREP）包。源節點收到這個RREP包時，源節點與目的節點之間的路由便建立起來了。
路由維護階段分為兩個部分。當一個活躍的節點檢測到其某條鄰接的鏈路斷裂時，這個節點就會發出一個路由錯誤（RRER）包來表示這條路由已經破損且目標節點不可達。在更新路由條目時，DYMO路由協議使用序列號來檢查條目的時效性，序列號數值越大則表明時效性越高，每個節點內都保存其自身的序列號用來維持這個序列號機制，該機制能很好地保證路由無環。
2 改進的LB-DYMO路由協議設計
為了提高DYMO與接入網鏈接的效率，本文提出一種基于負載均衡算法的LB-DYMO路由協議。
2.1 基本思想
2.1.1網關發現
為了實現自組網與有限接入網的結合，路由協議必須具備網關發現的能力。整個自組網絡至少需要一個連接外網的節點作為網關，這樣才能使網絡中的各個節點實現與Internet互聯。在移動自組網拓撲高度動態變化的環境下，能夠高效地發現網關并不容易。
網關發現算法可以分為主動式和被動式兩大類，改進的LB-DYMO采用被動式網關發現算法。由于DYMO路由協議本身是一個被動式路由發現的路由協議，因此被動式的網關發現算法的應用能起到更好的效果。為了實現被動路由協議發現，可以在路由協議的路由回應階段RREP包中加入IGW（網關）字段，表明該節點為網關。新的RREP格式如圖1所示，新加入的IGW字段利用了原來RREP報文所設置的保留位（Rsv）。
2.1.2 Load-balance（負載均衡）算法實現機制
在LB-DYMO路由協議的網關發現過程之后，由于移動自組網的特性，網絡中可能存在多個網關。簡單地選取一條跳數最短的路由并不一定是最合適的路由。在多網關的移動自組網環境下，采用負載均衡算法不但能夠使得數據流避開帶寬較小的網關，選擇阻塞較小的網關，還能均衡各個節點的業務流量以及能耗。
2.2 實現方案
路由發現階段：LB-DYMO和DYMO使用同樣的方法，如果發現到達目的地址在源節點的路由表中找不到對應路由，那么源節點就會廣播發送RREQ包至所有鄰居節點。
路由回復階段：當源節點所要到達的目的地址不存在于整個自組網中，那么LB-DYMO的被動網關發送算法就會被觸發。IGW收到通往外網網段的RREQ查詢包后，會在RREP包后加入IGW字段，表明本節點為網關。同時在RREP包按原路徑返回源節點時，還會綜合計算整個鏈路上的負載以及帶寬。在多網關的情況下，源節點會收到多個RREP包用來告知源節點有多條通往目的地址的路由存在。LB-DYMO通過RREP包返回時計算出的鏈路MetricGW值選擇合適的網關，在源節點的路由表中寫一條通往外網的默認IGW，暫時未使用到的IGW會在路由表的默認路由下寫為備份IGW。默認網關的使用會分配GWtmin和GWtmax。分別表示默認網關的最小生存以及最大生存時間。
路由維護階段：一旦默認IGW的使用時間到達了最大生存時間，LB-DYMO則會實行新一輪的路由發現策略，目的地為前默認IGW節點以及各個備份IGW節點，然后通過收到的RREP包得到最新的鏈路MetricGW值，權衡之后再選出新的默認IGW節點。
3 仿真結果及分析
本文仿真采用NS2網絡仿真模擬軟件，設計的仿真場景為1 500 m×1 500 m，節點數量為100個的矩形區域，仿真時間為300 s。NS2中選擇的節點運動模式為Random waypoint，MAC層采用IEEE 802.11介質訪問控制協議。傳輸層采用UDP協議，應用層發送包大小為512 B的恒定比特率（CBR）數據流，整個自組網絡中的IGW數量為3。
實驗結果如圖2~圖4所示，圖2和圖3顯示的是數據包傳輸速率在5~40 packet/s情況下，LB-DYMO與DYMO的端到端時延與歸一化路由開銷比較。由圖可知，LB-DYMO的路由開銷和時延都在一定程度上比DYMO高，這是由于LB-DYMO在路由回應以及路由維護階段均比DYMO復雜。圖4顯示的是在不同數據包傳輸速率下，LB-DYMO與DYMO分組投遞率的比較。由圖可知，加入了負載均衡算法的LB-DYMO的表現比DYMO有一定提高。
本文在DYMO路由協議的基礎上進行了改進，根據各自的MetriGW值來選擇不同路徑到達不同的網關實現負載均衡。仿真結果表明，LB-DYMO的分組投遞率較DYMO有一定程度的提高，但是由于協議復雜度的增加，路由開銷和端到端延時也相應增加。今后的工作將是研究如何能進一步提高LB-DYMO路由協議的各項性能，以及如何從理論出發更好地實現自組網的網關負載均衡。
參考文獻
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