支持网络编码无线Mesh网络路由协议浅谈 |
| 2012-06-21 11:00 作者：杨宇行 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：支持网络编码无线Mesh网络的路由协议能够提高网络的吞吐量，在路由的发现过程中，其具有很好的特性，使得网络编码的机会有所增加，实现网络吞吐量的提高。
关键词：网络编码；无线Mesh网络；路由协议
中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0510
【《硅谷》杂志2012年5月刊文】作为新型的无线网络结构，无线Mesh网络可以利用多种通信手段，如WiMax和IEEE802.11等技术，是解决无线接入瓶颈问题的一种新方案，就无线Mesh网络而言，无线设备的节点作为路由器和接入点，其每个节点都能够接收和发送数据信息，并能够进行多个节点的直接通信。为网络编码的应用提供平网络的广播所具有的特性非常良好。网络编码于2000年被提出来，作为通信领域的重大突破，它结合了路由和编码两种概念，其节点能够对不同链路的信息数据分组进行一系列的编码组合，网络性能也就能够达到最大传输。理论上，网络编码能够提高无线网络的吞吐量，但是目前，无线网络编码的研究还处于探索阶段。所谓的无线网络COPE方案，是通过协议，来研究网络编码，解决在无线网络中遇到的一些具体的问题，相对于COPE来说，每个节点进行编码之后后，进行机会的路由，而传统的无线Mesh网络路由协议和机会的路由协议都未曾对增加网络编码机会的这一因素进行考虑，使网络编码在现存的路由协议中不能得到很好地支持。
本文讨论的无线Mesh路由协议能够支持网络编码，并且对网络编码的路由判断作了简单的定义。依据这一判断，网络节点可以做出良好的路径选择，使网络编码的机会有所增加，并很大程度上对网络资源的消耗进行降低处理，提高网络编码的效率.
1无线网络编码和路由选择
COPE中，传输媒体被每个节点所侦听，以此取得临近点的数据信息，在缓存内进行编码。在COPE中，进行编码和怎样进行编码都是由每个节点的本地数据所决定的，编码有一定的判断规则，如作为节点Vi的发送队列，多个数据分组P1、P2、P3、……、Pn要同时进行编码，就要使每个编码的数据组的下一个跳节点都能取得其它数据的分组。
在无线网络编码中，影响网络资源运用率和吞吐量的主要因素是编码机会。在信息传送的路径上，若节点上没有编码机会，网络吞吐量的提升就会受到制约。为此，关键的问题就是路由的选择。下图是无线网络拓扑示意图。由图可知，V3→V2→V1是无线网络中存在的数据流，节点V1按照自己的路径将数据分组发送给V8，其虽然有多种路径可以选择，但最佳的路径为V1→V2→V3→V8。在这些多种路径中，还存在一条反方向的数据流，当节点V2出现编码机会，并与V3→V2→V1进行媒介的共享，所接收的信息就会被进行编码，从而起到了节省网络资源的作用。若链接e23的路由消耗可以最低，就会最大可能的选择P：V1→V2→V3→V8这一路径。e23的消耗节点和节点V2的上一跳节点有很大的关联，通过节点V5，数据分组到达节点V2，同时出现编码机会，但链路消耗C（e23∣e52）高于C（e23∣e12）。数据分组能够应用V3→V2→V1进行传输，但此时就不能达成V3→V2→V1与V5→V2→V3的传输媒介的共享。当不同的上一跳节点的信息分组被节点V2接收后，就会出现大小不同的编码机会，由此也会有不同的链路消耗。如果节点V2有越来越多的编码机会，链路的路由消耗也就会越来越少，网络编码被采用后，就能够以很少的次数去传送为数更多的信息数据，网络资源的消耗也就被降低下来。
2路由协议OCR
2.1编码判断。在OCR的路由过程之前，要判断出节点信息数据发送队列中的数据包，进行同时编码，也就是以何种方式发现节点的编码机会。可行的编码的充要条件为当每一个参与编码的数据包的下一跳节点都能获得编码的其它数据包，才能满足发送队列中的数据包的共同编码。假设v所转发的数据包被wp与v同时获取，那么就只有一种情况出现：p的上一跳节点是wp，up作为p的上一个跳节点被wp所侦听。本文采用四元组的编码结构（up，v，wp，sp）表示局部拓扑的队列发送状态：v由p途径节点up进行发送，再将v转发至wp，p得到某一个被解码的数据包可以表示sp，其值为d，反之则为c。
2.2路由发现。1）请求阶段。如果节点vsrc向节点vdest发送数据包而没有相对的路由途径时，就会出路由的请求。当vsrc向广播发送RREQ包，RREQ包时需要被初始化。RREQ包的路径经过将被全部清空，其路径上的编码机会的数目和路径跳数就会设置为0。Path所包含的RREQ包会被每一个中间节点丢弃，路由环路的出现就会被制止。此后，RREQ包将会被v更新信息。此时，路径跳数就被设置为1。根据局部拓扑信息，v会依据编码判断规则来检测自己的编码机会。并且利用其判断结果进行更新的通知，若v拥有编码机会，annal项就要被选取为下一跳的路径。路径的优劣评价是v依据路径消耗函数来进行的，并以此结果做出判断，达到RREQ包的良性转发，网络传送拥塞现象就不会出现。若v的请求包在RREQ包首次达到的情况下，该包的路径就会被存为当前的最佳路径。2）路由的回复。目的节点会选择最佳的路由途径，在收到第一个请求包时，会延迟一段时间，收取更多的请求包，然后选择其中最佳的路径进行传输。当v生成路由回复包时，就会沿着相反的方向将其发送至源节点。依据QQEP包中的信息，中间节点v会更新路由表，以此建立正向路由到达目的节点。最后，数据发送过程会在源节点收到RREP包之后进行启动。
2.3对路径的评价。选择路径的关键是节点上的路径评价函数，在对各种路径的信息进行整合之后，开始进行判断。以最小的跳数作为约束条件的路径选择是路由协议AODV的标准提案，但是COPE在需求中，还需要考虑到编码机会和跳数才能进行路径的评价。
2.4路由的维护。AODV协议与OCR协议所采用的路由维护机制是相同的。节点定期向自己的邻居广播HELLO包，然后对数据传输路径的状态进行查看。但不同的是，OCR协议的HELLO包并非只是用来对路由行维护的，它还能够进行两个节点信息的相互交换。这样，每个节点就会独立利用相邻节点的HELLO包，进行其它节点的信息判断，来向编码的探测提供有的数据信息。
3仿真分析
1）网络性能的仿真评估有三种配置方案：①AODV的传统路由协议。②依据网络编码的路由协议。③引用ERC的路由协议。进行无线路由协议的性能可以通过吞吐量、平均时延等来进行评价。在单位时间内，数据分组通过的数目是网络的吞吐量；源节点发送数据到目的点接收到数据的这一段时间为平均时延。
2）从3种方案的吞吐量和平均量来看，方案2、3的吞吐量和平均流吞吐量都比1方案高。数据发送的速率如果越来越高，其编码的机会也就越来越多。当数据流有所增长时，平均流的吞吐量就会减少。100kbit/s之后，网络的负荷就有所加重，会出现拥塞现象，这时，编码机会就会减少，出现严重的丢包现象。
3）在不同速率下，COPE+AODV和COPE+OCR的解码错误量和编码数量如下图。COPE+OCR的解码错误量和编码数量在发送率增加的情况下要大于COPE+AODV。总的来看，2种方式的丢包数量和解码数量分别占各自编码包数量的2.3%和3.5%.相对来说，在实际应用中，此种范围还是可以被接受的。
4结束语
无线网络编码在传统的无线路由协议中是不被支持的，因此提出了无线mesh网的路由协议ＯOＣR。OCR对路径跳数和编码收益都会进行综合的考虑，依据消耗函数来进行评价，路径的传输性能是否良好。路由发现过程中，OCR协议会采用探测算法，然后寻找出能够拥有编码机会的节点，并基于消耗函数，寻求“先到者优先”、“最少消耗优先”和“最短路径优先”的中间量来进行最佳传输路径的选择。依据仿真实验分析，OCR能与传统的路由协议对比，其能够充分发现编码机会和编码节点，并且很好的配合COPE的应用，有效地进行网络拥塞的缓解，以此来提升网络的吞吐量。
参考文献：
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作者简介：
杨宇行（1979-），男，汉族，湖北南漳人，华中师范大学硕士，实验师，研究方向：网络应用和实践教学。（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载）
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