一种基于OLSR协议的分布式多跳自组网技术研究.pdf

2024年4月第2 期现代导航141:一种基于OLSR协议的分布式多跳自组网技术研究张杰（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安7 10 0 6 8）摘要：AdHoc网络是一种移动无线网络，具有网络结构组织灵活等特点。优化链路状态路由（OLSR）协议是专为适应无线自组织网络需求并对纯链路状态算法进行优化而形成的一种标准化先验式路由协议。针对组网终端在系统运行中网络拓扑临机改变导致网络中存在多跳寻址的需求，设计采用一种基于OLSR协议的分布式多跳自组网技术。该技术通过分布式网络感知综合考虑网内成员连通性及转发意愿，并根据多点中继节点（MPR）集选择算法分布式自适应选取网络内中继节点，为用户提供多跳寻址能力。通过OMNET+仿真平台验证了其可行性。关键词：优化链路状态路由协议；多点中继节点集；网络仿真中图分类号：TN953文献标志码：A文章编号：16 7 4-7 9 7 6-(2 0 2 4)-0 2-141-0 5Research on Distributed Multi-Hop Ad Hoc Network TechnologyBased on OLSR ProtocolZHANG JieAbstract:As a mobile wireless network,Ad Hoc network has the characteristic of flexible network structure.Optimized LinkState Routing(OLSR)protocalis a standard apriori routing protocol designed to meet the requirements of wireless Ad Hoc networkand optimize pure link-state algorithms.A distributed multi-hop Ad Hoc networking technology based on OLSR protocol is designedto solve the need of multi-hop addressing due to the change of network topology.The technology takes into account the connectivityand forwarding intention of the network members through distributed network perception,as well as selects the relay nodes in thenetwork according to the distributed adaptive Multi-Point Relay(MPR)set selection algorithm,which provides the multi-hopaddressing capability for users.The feasibility of the technology is verified by the OMNET+simulation platform.Key words:Optimized Link State Routing Protocal;Multi-Point Relay Set;Network Simulation的每个节点都在无规则移动，网络拓扑图也经常变0引言移动Ad Hoc网络（Mobile Ad Hoc Network,MANET）是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网或自组织网，其特点是网络中收稿日期：2 0 2 4-0 3-11。张杰（19 9 2.12 一），陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为通信与信息系统。化。MANET网内终端用户设备都处于对等的地位，网络通过分布式控制，任何终端向外发送本节点信息的同时也参与整个无线网络的维护工作 2 。优化链路状态路由（Optimized LinkState Routing，OLSR）协议是AdHoc网络中一个经典的先验式路由协议 3。OLSR 的基础是最短路径算法，通过跳数进行路由计算，链路状态信息由协议中多点中继广播机制完成信息广播，并在邻居节点中选择合理142的节点作为本节点的多点中继节点（Multi-PointRelay,MPR)。在水面平台多节点组网的实际应用场景下，各组网平台需要在视距范围内完成网络信息维护和业务信息交换。此外，各组网平台容易受到地球曲率的影响，当节点间无法满足视距通信要求时，会导致通信链路质量下降直至断路的现象发生。本文根据OLSR协议原理，设计了一种基于MPR协议的分布式多跳自组织网络技术，该技术采用无中心自组织网络架构，通过网络感知和MPR集选择算法实现自适应多点中继功能。同时利用OMNET+(Objective Modular Network Testbed in C+）仿真平台构建了分布式数据链网络系统，将该网络方案应用于数据链组网设备的网络仿真设计当中，对典型场景进行了仿真测试，验证其在数据链网络设计中的可行性。1 OLSR协议OLSR协议，又称优化的链路状态路由协议，是对传统链路状态协议的优化，专为移动自组网而设计，在2 0 0 3年由国际互联网工程任务组（InternetEngineering Task Force，IE T F）提出。OLSR 协议具有链路状态算法的稳定性，路由在需要时可实现立即可用。OLSR仅使用选定的MPR重新传输控制消息，从而最大限度地减少了控制流量泛洪带来的开销。此技术显著减少了将消息泛洪到网络中所有节点所需的重新传输次数。OLSR采用分布式的方式工作，网络中无中心节点。OLSR使用多点中继的思想，控制消息由部分被选为MPR的节点进行周期性广播。多点中继设计通过降低非必要的网络状态信息重传，降低泛洪开销，从而达到节省网络资源的效果。控制信息中将传递把本节点选为MPR的节点信息，称为MPR selector。O LSR 还利用 MPR有效地广播控制信息，非MPR不需要转发泛洪控制信息 4。OLSR主要采用两种控制分组，问候（HELLO）分组和TC（T o p o l o g y C o n t r o l）分组 5。HELLO 用于建立一个节点的邻居表，其中包括邻居节点的地址以及本节点到邻居节点的延迟或开销，OLSR采用周期性地广播HELLO分组来侦听邻居节点的状态，节点之间无线链路的状态包括：非对称链路、对称链现代导航路和连接MPR的链路 0 。OLSR节点通过邻居节点发送的HELLO消息获得邻居表和两跳邻居表，通过TC消息计算完整的网络拓扑，因此每个节点可以建立并维护一张路由表，通过它所提供的信息可以获得到达目的节点的路径。OLSR 协议使用基于最小跳数的Dijkstra 算法来计算路径 7 ：先将自己的一跳邻居节点写入路由表，再将自已的两跳邻居节点添加进路由表，后面依次循环将跳数大于两跳的节点写入路由表。2 基于OLSR的分布式多跳自组织网络方案设计本文设计的网络方案采用Ad Hoc 自组织网络架构，通过分布式网络感知自适应协调网络资源对网络进行组织与管理，支持任意用户随时加入和离开网络，具备网络抗毁性。采用基于OLSR协议的MPR集选择算法，各节点分布式更新本地网络拓扑并在网内按照一定周期传输控制网络状态消息和控制消息，实现中继转发功能。2.1无中心自组织网络架构该网络方案采用无中心自组织复合网络架构，如图1所示。主网络子网1子网2子网3图1复合网络架构示意图网络支持任意用户随时加入和离开网络。当网络中重要角色遇到战损或通信异常等情况时，网络能够自适应状态改变，维持网络稳定运行，为整个系统提供无中心和自组织抗毁的网络服务。同时完成分布式网络感知，感知和交互周围节点收发状态、局部拓扑信息、路由信息、任务管理信息和节点的状态信息，为链路层的消息调度控制以及网络拓扑连通性、连通质量等提供必要的信息。分布式网络感知设计包含一整套的消息和协议，包括HELLO2024年主网管子网管节点子网功能子网第2 期消息、TC消息等，通过这些消息的交互实现分布式网络感知功能。每个节点周期单跳广播本节点的HELLO消息，网络内每个节点根据HELLO消息和TC 消息判断网内时间基准存在状态，周期检查时间基准状态元组更新时间。2.2基于网络感知的自适应多点中继技术针对实际应用中网络拓扑临机改变导致网络中存在多跳寻址的需求，本网络设计基于OLSR协议中MPR集选择算法的自适应多点中继技术。该技术通过分布式网络感知综合考虑网内成员连通性及转发意愿，分布式自适应选取网络内中继节点，优化无线信道资源使用，为网络中设备提供多跳寻址能力。通过TC消息交互，网络中节点实时维护局部的邻居表或局部连通矩阵，以及二跳范围内的路由计算。网内每个节点周期发送自己的邻居信息，同时根据接收到的邻居信息，实时维护本地的邻居节点表。节点接收到一跳范围内节点发送的邻居信息，实时与本地维护的邻居表合并处理，按照获取的信息，节点获得邻居节点的邻居表信息后，便得知了网络的局部二跳网络拓扑结构。网络中的每个节点在其对称的一跳邻居中选择一组节点，即MPR集，选择该组节点时应使其涵盖（就无线电范围而言）所有对称严格二跳节点。假设S(n)是节点n的一跳邻居集合，S,(n)是节点n的二跳邻居集合，节点n的MPR集是S(n)的一个子集，MPR集越小，路由协议产生的控制流量开销就越小。通过MPR集，节点n可以到达S,(n)中的所有节点。具体算法描述如下：1）初始化节点n的MPR集Ms为集合S（n)，并分别求Ms中的每个节点在节点n的2 个邻居节点集合S,(n)中所能覆盖的节点个数；2）M s 中节点已被其他节点选取为MPR的节点，优先将其加入到本节点的MPR集中，即该节点在Ms中标记为已选定，遍历各节点之后跳转至步骤4);3）测试将Ms中节点标记为未选定且覆盖数最小的节点，退出Ms的情况下，若Ms中的节点不能完全覆盖S,(n)中的所有节点，则将该节点标记为已选定（该节点不能退出Ms）；否则，Ms中删除该节点；4)将Ms中未选定节点进行遍历并转至步骤3)；5）算法结束条件：Ms中所有节点均已选定。张杰：一种基于OLSR协议的分布式多跳自组网技术研究S集合ABBAC、DCB、D、EDB、C、EED、C经算法选代后选出MPR集合节点（中继转发节点）：（B、C)每个节点根据Si集合计算一跳路由，根据S2集合计算二条路由，根据TC计算三跳以上路由。计算路由后可以完成网络内点到点寻址。3仿真测试验证OMNET+是一款面向对象的离散事件网络仿真器8，它是开源的、基于组件的、模块化的开放网络仿真平台 9 。OMNET+具备强大完善的图形界面接口和可嵌入式仿真内核，常用于通信网络和分布式系统仿真0。本文的分布式数据链网络仿真场景为模拟的典型作战场景，模拟全部节点入网完成后，节点进行直线运动，当网络从全连通网络变为一跳网络时，查看网络中是否有节点被选为中继节点，实现一跳数据通信。具体仿真场景为：网内5个节点：nodeonode4，分布在10 0 kmX100km的覆盖范围内，所有节点设置通信距离为40km，仿真流程与节点运动过程如图3所示。1）初始时，中心节点node2放置于（40 km，40km）处，其余4个节点与node2相距1km；所有节点入网成功后，设置node1node4于30 s开始直线移动，node3以北偏东45，node1以北偏西45，nodeo以南偏西45，node4以南偏东45，各节点以50 km/h直线运动至距离3号点的143:节点连接关系示意如图2 所示，MPR集合节点如表 1 所示。B图2 节点连接关系示意图表1MPR集合节点网络节点S集合MPR集合CDBECABACACE拓扑连接14440 km 处。2）在运行到距node240km处时，观察仿真网络是否生成一跳网络。3）在一跳网络中，设置所有节点于第50 s开340km40km1kimkn21kra）全连通拓扑现代导航始，每s产生10 0 包长度为12 8 字节的业务数据帧，每个节点各产生30 0 包，统计各个节点接收到所有数据顿的传输时延，计算业务数据帧平均传输时延。仿真时间共计6 0 s。更新更新本更新邻地TC消Selector表Q40km40kmb)node3以北偏东45%，node1以北偏西45,node0以南偏西45，node4以南偏东45;2024年3更新路更新拓居表息表更新MPR表收到HELLO消息123445c）仿真流程状态转移表乐恩收到TC消息邻居发生变化拓扑发生变化MPRSelector表项过期邻居表表项过期路由表表项过期拓扑表表项过期扑表6图3仿真流程与节点运动过程示意图如图4 图6 所示，仿真开始时5个节点呈全连通状态，nodeO自举为时间基准（上标“NTR-1表示”），形成一跳网络，30 s后除node2外其余节点开始直线移动，在节点运行到距node240km处时，形成一跳网络，node2被选为中继节点。证明当分布式数据链网络拓扑改变后，网络能够自动适应拓扑改变，自主选取中继（路由）节点，实现网络多跳寻址。nodeo!node1NTR-1node2node0node4图4节点全连通分布图图5节点运动中间状态node3图6 自动形成一跳网络各节点接收到业务数据帧传输时延如图7 所示。S/node01050100Su/1000S/100010500各个节点接收业务数据帧的平均时延如表2 所示，其中 node2为一跳状态下的中继节点，与所200200200200200图7节点接收数据帧的传输时延400400400400400600node1l600node2600node3600node4600接收包数80080080080080010001 0001000100010001200120012001 2001200第2 期有节点一跳可达，故时延最短，其余节点的端到端时延因为存在中继节点，除中继节点外的其他节点的端到端时延均有所增大，但均维持在较低的时延水平。表2 网络传输时延仿真结果节点序号平均传输时延/msnodeo7.51node17.49node24.82node37.46node47.534结语本文根据OLSR协议的基本性能特点，结合典型应用场景，设计了一种基于OLSR协议MPR集选择算法的分布式多跳自组织网络，通过分布式网络感知自适应协调网络资源对网络进行组织与管理，支持任意用户随意入网和退网，支持自动网络重组，实现任一节点销毁不影响整个网络的正常运维以及实现超视距传输和干扰规避能力，使网络具备抗毁性。同时利用OMNET+仿真软件设计了分布式数据链网络分层模型和OLSR路由模型，并构建了具备OLSR路由协议功能的分布式数据链网络张杰：一种基于OLSR协议的分布式多跳自组网技术研究145仿真环境。通过OMNET+仿真软件对典型作战场景下多节点的中继路由功能进行仿真验证，测试验证了仿真系统的正确性与可行性。参考文献：1郑少仁，王海涛，等.Ad Hoc网络技术 M.北京：国防工业出版社，2 0 0 5：30-37.2张海涛.无线Ad hoc网络路由协议研究及其实现 D.西安：西安电子科技大学，2 0 0 9.3张抗无线自组网自适应OLSR路由算法的设计与实现D.武汉：华中科技大学，2 0 16.4于宏毅.无线移动自组网 M.北京：人民邮电出版社，2005.5郑相全.无线自组网技术使用教程 M北京：清华大学出版社，2 0 0 4.6毛坤。移动Adhoc网络OLSR路由协议扩展研究 D.成都：电子科技大学，2 0 16.7】陈继彤.多跳无线自组网OLSR路由协议的设计与实现方案 D.成都：电子科技大学，2 0 16.8王俊义，魏延恒，仇洪冰，等.OMNeT+网络仿真 M.西安：西安电子科技大学出版社，2 0 14.9】杨艺网络仿真模拟平台的可扩展性与真实性研究 D.南京：南京邮电大学，2 0 13.10朱晓OMNeT+仿真工具的研究与应用 .大连工业大学学报，2 0 10，2 9（1)：6 2-6 5.