基于负载均衡的路由协议的设计

1、基于负载平衡的路由协议的设计摘要在挪动自组网中，减少挪动节点电池能量消耗，延长网络总的寿命时间，已经成为路由协议性能评价的重要方面。本文提出了一种新的路由选择度量，它综合考虑了节点的剩余能量，途径的延时和跳数，试图通过一种最优途径选择算法来保护网络中的低能量节点。结合该度量方式还提出一种路由选择协议LBADV(LadBalaningbasedAd-Hn-DeandDistaneVetrRuting)，仿真结果说明，该协议可以使节点能耗与负载的分布更为均匀，相比以前相关的路由算法有效进步了吞吐量。关键词Adh网络；路由协议；负载平衡；ADV；能量1引言挪动AdH网络(ANET)1是由一组挪动节点

2、通过自组连接形成的多跳无线网络。不同于有线网络，它不需要固定的根底设施。由于其自组织性、快速部署和无须任何固定设施的特点，ANET有广泛的应用，如战地指挥控制、紧急灾难恢复、矿场操作和研讨会信息共享。ANET正作为重要的、有前途的研究领域受到极大关注。如今按需路由协议是挪动adh网络中应用最广泛的一种路由协议。作为按需路由协议代表的ADV2和DSR3都是以最短途径作为路由选择的标准，它们在网络轻负载情况下表现良好。然而，在高业务量的情况下，ADV和DSR的性能都急剧恶化4，局部原因是由于其在途径选择时倾向于使用一样的节点作为中间节点，大量的数据通过少量节点传输，引起网络的阻塞，从而导致较高的分

3、组时延，局部节点也会过早地电池耗荆许多研究者认识到，当网络负载较重时，最短途径并非是ANET中用于途径选择的最正确度量5,6。与此同时，网络负载平衡正受到越来越多的关注。ANE网络的各个节点在充当终端角色发送和接收信息的同时，还作为路由中继节点转发信息。由于NANET网络特点，路由的选择会直接影响网络吞吐量，端到端时延，终端节点的能量消耗等参数。多数终端节点都采用有限电源形式，因此剩余能量就作为节点最珍贵的资源，一旦资源耗尽，终端节点就无法工作，也无法作为中继节点继续工作，进而导致整个网络无法正常运行。然而，在一些节点能量耗尽的时候，其它节点还有过多剩余能量，这就造成了ANET网络的能耗不公平

4、性，还有些节点担负着比其它节点更为重要的作用，一旦能量耗尽会对整个网络造成宏大损失。因此，就需要在基于最短途径路由的常规路由协议根底上，更多的考虑网络的能量损耗公平性，即负载平衡性能。本文第2节介绍ANET中负载平衡路由的相关工作;第3节描绘路由协议LBADV，提出一种新的路由选择度量，它综合考虑了节点的剩余能量，途径的延时和跳数，试图通过一种最优途径选择算法来保护网络中的低能量节点7第4节给出仿真环境、性能参数和仿真结果；最后提出结论和进一步的研究工作。2负载平衡路由协议的研究目前提出的负载平衡路由算法主要有：RPLB(ulti-PathRutingithLadBalaning)7、SR(u

5、lti-PathSureRuting)8、DLAR(DynaiLad-AareRuting)9、LR(LadAareRuting)10、LSR(Lad-SensitivenDeandRuting)11和LBAR(Lad-BalanedAdHRuting)12。这些算法的选路准那么不再象普通的ANET中的路由算法(如：ADV、DSR等)那样，以“路由最短作为选路准那么，而是通过一些可以反映网络负载状态的信息来作为选择准那么。表1从选路准那么、性能评价、是否需要周期性发送信息三个方面列出了目前已提出的主要的负载平衡路由算法的特点。由于现有的adh路由协议缺乏网络负载平衡才能，而且没有考虑网络中的每

6、个节点的寿命，面对大量数据业务，协议不能提供令人满意的性能。针对上述的缺乏之处，本文提出了LBADV协议是综合路由的负载平衡，延时和跳数来选择最优途径的。改良主要基于以下几个方面：1当中间节点收到RREQ消息后，首先判断自己的剩余能量所处的状态，进而来判断是否进展转发，从而防止了RREQ分组在全网范围内的不必要转发和某些节点的失效，减少了网络拥塞，进步了系统吞吐量，并且平衡网络负载，延长了重负荷节点的生存时间。2当中间节点或者目的节点收到来自不同途径的同一个路由恳求识别码的路由恳求时，对收到的各恳求分组中包含的途径信息进展缓存，然后本节点将从收到的多个来自不同途径的路由应答分组中按照一定的算法

7、综合考虑路由的负载平衡，延时和跳数来选择最优途径进展记录，以便数据分组可以选择到目的节点代价最优的途径进展传输。表1负载平衡路由算法特点比拟3LBADV协议描绘3.1三级电池能量阈值保护状态考虑到AdH网络的节点能量受限，一旦能量耗尽就不能继续工作。而骨干节点停顿工作后将很容易导致整个网络的失效。所以路由选择应该尽量防止使用那些剩余能量少的那些节点。LBADV协议按式3-1定义电池剩余能量率RERResidualEnergyRati：3-1此外根据节点的剩余能量，每个节点根据自身的能量等级对路由恳求做出相应的响应。本协议采用了3个能量级别，分别为：Danger，arning，Nral，分别对应

8、于rer1，rer2，rer3三级阈值。其中三者顺序为：rer1rer2rer3。当中间节点收到RREQ消息后，首先判断自己的剩余能量所处的状态，进而来判断是否进展转发该消息。1假设当前节点的处于Danger状态时，该节点将丢弃所有路由恳求信息，不再进展任何的消息转发，从而保护了该节点。它只为自己作为源节点或者目的节点的途径效劳；2假设当前节点处于arning状态时，该节点将在它的路由表中查找符合条件的交换节点，并且通知它的上下游节点实现本地途径的更新；3假设当前节点处于Nral状态时，在路由恳求RREQ中添加一个字段来记录所经过节点的最小剩余能量率，以及来记录RREQ从源节点发出到目的节点的

9、延迟。然后继续播送RREQ。3.2LBADV协议描绘3.2.1路由发现操作当源节点需要和另一节点进展通信但没有到目的节点的有效路由可使用时，协议通过对RREQ进展播送的方式发起路由发现过程。RREQ消息携带有源节点和目的节点地址、初始化值为0且每次递加1的序列号、和源节点的剩余能量率RER添加到相应的域。收到RREQ消息的各中间节点将对本节点的剩余能量状态进展判断。剩余能量缺乏而导致功能受限节点通过丢弃RREQ而防止本节点成为新途径的中间节点，以防止RREQ风暴。使产生的路由在避开受限节点的同时减少了受限节点转发RREQ带来的附加控制开销。非功能受限状态的中间节点在收到第一个RREQ时，对RR

10、EQ中携带的节点序列号和相应途径的信息进展记录之后，然后对域进展设置为原始值和该节点延迟转发的时间之和，再将本节点的剩余能量率RER和该恳求消息中的域中的值进展比拟，假如小于该值，那么把当前节点的剩余能量RER添加到该域中。以实现对RREQ的更新，并将更新后的RREQ再次向目的节点播送。源节点和目的节点地址、序列号一样的两个RREQ应被认为是同一个RREQ分组。当一个中间节点收到RREP分组时，直接按照RREP中包含的途径对RREP继续进展转发。另外，当中间节点收到RREP分组时，还会更新本节点到目的节点的路由。3.2.2源节点的操作在ADV协议中，源节点只接收第一个到达的RREP报文。在改良

11、的LBADV协议中，主要做了两方面的改良。第一：节点收到数据包后不是一律立即转发，而是按照剩余能量的多少，延迟一个与剩余能量成反比的时间能量越少，延迟时间越长转发，如3-2式所示。这也是需要综合考虑负载平衡，延时和跳数的原因不再是简单的跳数越多，延时越长。第二：源节点收到第一个RREP报文后，启动延迟器。当延时器超时后，源节点根据以下策略在所有到达的可选途径中选择最优途径。如3-3式所示：3-2其中，为该节点根据剩余能量而进展的延迟，RE为剩余能量。3-3其中为最优途径，为该途径中的最小剩余能量率，为该途径的总的延迟，为该途径的总的跳数，为各个参数的权重。在LBADV协议中采用。3.2.3中间

12、节点的操作当源节点需要发送数据包且在它的路由表中没有有效途径时，就调用路由发现过程。源节点播送一个路由恳求RREQ消息，中间节点接收到RREQ后，将按照以下步骤执行操作。if(路由表中有到目的节点的途径)反向向源节点发送RREP消息；删除该恳求包，不再往前发送；elseif本节点ID在RREQ记录的ID序列中删除该恳求包，不再往前发送；else计算该节点RER值if(RERrer1then)删除该恳求包，不再往前发送；elseif(RERrer2)寻找交换途径else进展途径信息更新，然后继续播送该恳求信息。3.2.4目的节点的操作目的节点收到RREQ以后，利用RREQ中的反向途径信息以单播的

13、方式向源节点发送RREP。3.2.5路由维护阶段在无线Adh网络中由于节点可以自由挪动，网络拓扑构造的动态变化会导致路由失效，并考虑到节点剩余能量的变化，一旦源节点、活动途径上的中间节点或目的节点剩余能量不可以满足要求，就必须找到一条交换途径。当由于路由中间节点的剩余能量发生变化而不能满足传输要求，那么需要当前节点向周围发送RERRRE分组寻找满足要求的替代节点或替代节点群进展替代路由的建立。假设周围节点中满足要求的节点，此时需要看当前节点剩余能量在和范围内，处于arning域内，那么可继续转发信息，假设节点剩余能量是处于功能受限的danger域内，那么此情况被视为等同于路由断裂情况，发送RE

14、RR分组通知源节点。可见，LBADV协议防止了在网络断链情况下总是重新发起路由发现带来的附加开销和时延，将业务流负载平衡和网络抗毁性进展了较好的结合。4仿真和分析4.1仿真环境本文使用的模拟工具是由Berkeley大学开发的NS2.30，并在NS2.30的根底上实现了LBADV协议。50个节点在一个500500的矩形区域按照randaypint模型挪动。仿真的时间为800秒。A层协议采用的是802.11，详细参数见表2所示。表2LBADV模拟环境参数的设置区域大小500500节点数50节点挪动场景由setdest工具来生成场景文件网络流量场景由brgen工具来生成场景文件传播模型TRayGru

15、ndA协议802.11路由协议LBADV初始电量500J发射消耗功率1.33接收消耗功率0.85仿真时间800s4.2性能参数和仿真结果为了验证LBADV协议的性能，选择以下仿真参数：网络的发包成功率(PaketDeliveryFratin:PDF)；节点的平均能耗(AverageEnergynsue)；能量不为零的节点数目NuberfNdes。1、网络的发包成功率(PaketDeliveryFratin:PDF)在仿真过程中，采用了不同的停留时间为：0s，100，200s，300s，400s，500s，600s，700s，800s。仿真结果如图1所示，LBADV协议的性能明显的进步了发包的成

16、功率，当节点停留时间比拟短的时候，该协议性能明显高于原来的协议。图1节点不同的停留时间下的发包成功率2、节点的平均能耗(AverageEnergynsue)图2为节点在停留时间为0秒的情况下的平均耗能的情况，从图中可以看出，仿真刚开场的100秒，两个算法的能量消耗几乎一样，这是因为刚开场每个节点的能量都处于nral状态，都进展对RREQ消息的处理，但是随着时间的推移，两个算法的能量消耗差距越来越明显，到800秒的仿真完毕时，LBADV协议比ADV协议节省了将近170焦耳的能量。这是因为当节点处于danger状态的时候已经不再进展处理不属于源或目的节点的途径恳求信息。一是节省了能量，平衡了网络中

17、每个节点的耗能，延长了节点的寿命；二是减轻了网络负担，增加了网络的带宽利用率。图2节点在停留时间为0秒的情况下的平均耗能3、能量不为零的节点数目NuberfNdes图3整个网络时间内能量不为零的节点数目图3是整个网络时间内能量不为零的节点数目情况。从图中可以看出节点一直运行到400秒的时候，两个协议下有效的节点数目都为总的节点数目，但是随着时间的推移，ADV协议由于没有考虑到节点剩余能量的情况，所以在高业务量的情况下，造成了某些节点耗能不平衡而过早的电池耗尽，而改良的协议LBADV协议性能有了明显的进步。所以说LBADV协议可以延长挪动节点的寿命，平衡了网络中每个节点的耗能。5总结本文在ADV

18、根底上提出了一种基于负载平衡的改良协议LBADV，该协议综合考虑了节点的剩余能量，途径的延时和跳数，通过一种最优途径选择算法来保护网络中的低能量节点。它有效地平衡网络流量并保护网络中的低能量节点，防止了网络中的节点电池能量过早耗荆通过Ns-2仿真与原有的ADV协议相比拟，该算法可进步网络的发包成功率，减少了网络的平均耗能情况，并且延长网络中的节点生存时间。下一步研究的主要工作是如何充分利用该协议能到的多条途径，进展数据的分组传送。参考文献1IETFbileAdHrkingGrupharter2Perkins,RyerE,“AdhnDeandDistaneVetrRuting(ADV),July

19、2022,RF35613JhnsnD,altzD,“Dynaisurerutinginadhirelessnetrks,bilepute,1996,pp.153-1814Perkins,RyerE,DasS,etal,“PerfraneparisnftndeandrutingprtlsfrAdhnetrks,IEEEPersnaluniatins,2001,8(1),pp.16-285PerkinsDD,HughesHD,enB,“Fatrsaffetingtheperfranefadhnetrks,uniatins,2002.I2002,IEEEInternatinalnferene,2002,4,pp.2048-20526ZhngXiafeng,angYuzheng,iShunliang,etal,“AnExperientalPerfraneStudyfirelessadhSysteUtilizing802.11aStandardBasendifferentRutingPrtls,AsiaPaifiptialandirelessuniatins,tber20027PPha,SPerreau,“ulti-pathrutingprtlithladbalaningpliyinbileadhnetr