一种基于负载均衡的改进AODV路由协议

一种基于负载均衡的改进aodv路由协议
技术领域
1.本发明属于通讯技术领域，具体涉及一种改进aodv路由。


背景技术：

2.aodv(adhoc on-demand distance vector routing，无线自组网按需平面距离向量路由协议)是一种源驱动按需路由协议。采用aodv协议的每个节点均维护一张存储到达目的节点下一跳路由信息的路由表。每个路由表条目标注有生存时间ttl值，如果路由没有在寿命周期内使用，那么这条路由就会期满终止。而当每次路由被使用时，寿命周期ttl值就会更新以保证路由没有过早被删除。传统的aodv协议有效解决了无线自组网中节点间的路由转发问题，但其协议机制仍存在着一系列的缺陷，具体如下：
3.(1)aodv路由协议采用rreq广播分组的方式寻找路由，洪泛的方法会增加网络开销，浪费网络带宽，大大减少数据分组的传送机会，减小分组到达成功率，增加传输时延。
4.(2)路由表中仅维持一条到达目的节点的路由，如果该条链路失效，会导致正在传送的数据分组丢失。由于没有备选路由可用，源节点不得不重新发起新一轮寻路，从而大幅增加了端到端时延。
5.(3)aodv以最短跳数为选路标准，无法确保所选路由是最佳路由，不适合重负载的网络。最小跳数倾向于选择距离远的节点、跳数少的链路传输，没有考虑网络中节点的繁忙情况以及链路的质量，在大型无线网中其处于网络中心的节点会因为地理位置关系被大概率的选为路径的中间节点来转发数据包，导致这些节点长时间处于负载过大的情况，这些节点甚至会因为过载而暂时处于瘫痪的状态，rreq分组被丢弃或返回超时。而rrep分组一旦丢失，源节点会重新开始路由寻找过程，从而增大传输时延。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于负载均衡的改进aodv路由协议，对aodv路由协议重新设计负载均衡度量，引入每个节点的源节点到目的节点的路径、单个节点的cpu利用率、内存占用率以及吞吐量，并给与不同的权值，利用权重因子函数计算负载均衡度量，从而衡量网络中链路状态和节点的处理能力。本发明为网络中节点选择一条较优的路径避开负载过重的节点，保证了传输路径尽可能的不会出现拥塞。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
8.一种基于负载均衡的改进aodv路由协议，所述改进aodv路由协议是将aodv路由协议中的负载均衡度量使用修正后的负载均衡度量加权平均值替代；
9.所述修正后的负载均衡度量加权平均值计算如下：
10.步骤1：计算负载均衡度量metric；
11.load＝q2×
cpu
rate
q3×
mem
rate
q4×
throught
put
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
12.metric＝q1×
hop load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
13.式中：
14.hop表示跳数，即源节点到目的节点的跳数；
15.cpu
rate
表示源节点到目的节点的路径上各个节点的cpu的利用率；
16.mem
rate
表示源节点到目的节点的路径上各个节点内存的占用率；
17.throught
put
表示源节点到目的节点的路径上各个节点的吞吐率；
18.q1,q2,q3,q4分别代表四个参数的权重因子，且
19.load参数表示最大节点负载，即此条链路上负载最大的节点的负载值；
20.步骤2：定义负载均衡度量metric的加权平均值：
[0021][0022]
其中，n表示负载均衡度量的检测次数，metrici表示是第i次检测到的负载均衡度量值；
[0023]
步骤3：对负载均衡度量metric的加权平均值进行修正：
[0024]
metric_average_correct＝ceiling(metric_average,0.2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0025]
式中，metric_average_correct即为最终求得的修正后的负载均衡度量加权平均值。
[0026]
进一步地，所述节点内存占用率mem
rate
具体计算公式如下：
[0027]
mem
rate
＝mem
resid
/mem
initial
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0028]
式中，mem
resid
为节点内存的占用值，mem
initial
为该节点初始化内存大小。
[0029]
优选地，所述q1＝0.3,q2＝0.3,q3＝0.37,q4＝0.03。
[0030]
本发明的有益效果如下：
[0031]
本发明提出了一种新的基于负载均衡的路由度量值，并将其加入到aodv路由协议rreq消息帧格式中。从单个节点的cpu利用率、内存占用率以及吞吐量三方面作为路由度量值的考量，可以准确的评估通信链路状态的拥塞情况，选择最合适的链路进行传输，与aodv协议的跳数作为路由度量的方法相比较，该方法在通信过程中可以明显减少路由寻找次数，选择负载较轻的链路作为传输链路，从而有效地减小时延，减小链路带宽，使整个传输过程达到动态的负载均衡，有效解决局部路由节点过载或瘫痪而引起网络不稳定的情况。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例的基于负载均衡改进后aodv协议的目的节点的路径选择示意图。
[0033]
图2为本发明实施例的改进后aodv协议的rreq消息帧格式图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0035]
本发明的目的在于提出一种均衡负载的改进aodv路由协议，采集网络节点多方面参数指标，查看节点的负载情况，重新构建路由度量，引入节点的处理信息的速度、节点的内存和链路的吞吐量，为网络中节点选择一条较优的路径避开负载过重的节点，另外对传
统aodv的rreq帧格式进行改进，确保了最新及最快的路由信息的同时，保证了传输路径尽可能的不会出现拥塞。
[0036]
本实施例中，重新设计负载均衡度量，引入每个节点的源节点到目的节点的路径、单个节点的cpu利用率、内存占用率以及吞吐量，并给与不同的权值，利用权重因子函数计算，来衡量网络中链路状态和节点的处理能力。
[0037]
一种基于负载均衡的改进aodv路由协议，所述改进aodv路由协议是将aodv路由协议中的负载均衡度量使用修正后的负载均衡度量加权平均值替代；
[0038]
所述修正后的负载均衡度量加权平均值计算如下：
[0039]
步骤1：计算负载均衡度量metric；
[0040]
load＝q2×
cpu
rate
q3×
mem
rate
q4×
throught
put
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
metric＝q1×
hop load
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0042]
式中：
[0043]
hop表示跳数，即源节点到目的节点的跳数；
[0044]
cpu
rate
表示源节点到目的节点的路径上各个节点的cpu的利用率；
[0045]
mem
rate
表示源节点到目的节点的路径上各个节点内存的占用率；
[0046]
throught
put
表示源节点到目的节点的路径上各个节点的吞吐率；
[0047]
q1,q2,q3,q4分别代表四个参数的权重因子，且其数值可以根据实际网络情况，进行调整和设置；
[0048]
load参数表示最大节点负载，即此条链路上负载最大的节点的负载值；
[0049]
步骤2：负载均衡度量metric表示链路的传输能力，其第一个参数仍然保留为跳数，后面的load参数表示最大节点负载，即此条链路上负载最大的节点的负载值。如果值大则表明该链路当前的负载状态较重；如果值小则表明该链路当前的负载状态较轻。
[0050]
负载均衡度量metric所述的是整条链路状态metric值，在一定程度上整体反应了节点的负载和跳数的多少。取节点负载的加权平均值以确保准确性，实时监测到的指数赋予其的权值是最高的，而之前的监测值赋予的权值依次递减，因此才能准确测量无线mesh网络的实际运行状态。
[0051]
定义负载均衡度量metric的加权平均值：
[0052][0053]
其中，n表示负载均衡度量的检测次数，metrici表示是第i次检测到的负载均衡度量值；
[0054]
步骤3：为了更方便处理该链路的负载性能指数的加权平均值，对负载均衡度量metric的加权平均值进行修正：
[0055]
metric_average_correct＝ceiling(metric_average,0.2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
式中，metric_average_correct即为最终求得的修正后的负载均衡度量加权平均值,为本发明中路由选择的关键参数，在实现中通过rreq帧中保留字段中加以体现。根据修正后的负载性能指数的大小，来判断链路状态，并选取最小值的路径作为下一条路径的优
选。
[0057]
具体实施例：
[0058]
本发明实施例提供了一种基于负载均衡的改进aodv路由协议，在跳数的基础上，引入源节点到目的节点的路径上，单个节点的cpu利用率、内存占用率以及吞吐量，并给与不同的权值，利用权重因子函数计算，来衡量网络中链路状态和节点的处理能力。
[0059]
所述单个节点内存占用率具体计算公式如下：
[0060]
mem
rate
＝mem
resid
/mem
initial
[0061]
上式中，mem
resid
为节点内存的占用值，mem
initial
为该节点初始化内存大小。mem
rate
该节点内存占用率。本实施例中，将其分为三个不同的等级，根据等级来判断是否作为中间转发节点。
[0062]
(1)当mem
rate
≥0.8时，说明网络中该节点内存空间不足了，应该阻止该节点过多参与路由信息转发，如果继续使用将会引起较大时延。
[0063]
(2)当0.8≥mem
rate
≥0.5时，说明网络中该节点的内存并非最佳状态，但仍可以用作中间节点转发。
[0064]
(3)当mem
rate
≤0.5时，表明节点内存占用过少，能够增加路由信息传播，即将将其可以作为多条路径的中间节点。
[0065]
负载均衡度量计算公式如式(1)和式(2)：
[0066]
负载均衡度量metric表示链路的传输能力，其第一个参数仍然保留为跳数，后面的load参数表示最大节点负载，即此条链路上负载最大的节点的负载值。其数值可以根据实际网络情况，进行调整和设置，
[0067]
在实施例中，q1＝0.3,q2＝0.3,q3＝0.37,q4＝0.03。
[0068]
如果值大则表明该链路当前的负载状态较重；如果值小则表明该链路当前的负载状态较轻。所以metric值在一定程度上整体反应了节点的负载和跳数的多少。取节点负载的加权平均值以确保准确性，实时监测到的指数赋予其的权值是最高的，而之前的监测值赋予的权值依次递减，因此才能准确测量无线mesh网络的实际运行状态。定义度量的加权平均值的计算公式如式(3)：
[0069]
为了更方便处理该链路的负载性能指数的加权平均值，进行修正，修正值为：
[0070]
metric_average_correct＝ceiling(metric_average,0.2)
[0071]
当源节点广播发出的rreq分组，分别沿着不同路径向目的节点传播时，rreq分组会更新途经的每个节点的load值，最终到达目的节点时，计算该条路径的最大节点metric_average_correct值。选择目的节点序列号最新且metric_average_correct值最小的路径作为路由转发链路，如果metric_average_correct相同，选择最先到达目的节点的路径作为路由转发链路，并返回一个rrep给源节点。
[0072]
参照图1，节点source和节点destination分别表示源节点和目的节点，其他均为中间节点，当rreq分组到达目的节点时，传统的路由根据跳数最小，将选择trace5-trace3路径或trace2-trace6作为路由传输数据分组。但是这两条链路的负载均衡度量metric_average_correct值较大，如果将这两条作为传输链路，极有可能在传输中发生中断或出现较大延迟。根据路由均衡负载度量公式，计算5条路径的metric_average_correct值，如图1中的表格，选择metric_average_correct值最小的作为传输数据的链路，因此，根据改进后
的aodv协议，trace1会作为最优路由来传输数据。
[0073]
所述的重构链路状态度量load字段，其在rreq消息帧格式中的位置参考图2。在改进的aodv路由协议的rreq消息中，分组类型、保留字段、转发跳数计数器、路由请求识别码、目的节点的ip地址、目的节点序列号、源节点ip地址、源节点序列号这几项与传统的aodv的rreq帧格式保持一致，只是将传统的aodv的rreq帧格式保留字段放入重构的链路状态度量。与传统aodv路由协议不同之处在于，改进后的aodv路由协议在rreq消息到达目的节点时，不是以目的节点序列号最新且跳数最小作为更新的条件，而是新的路由度量metric_average_correct为准作为路由更新条件。