【正文】 的獨立、模塊化特點，可以方便的屏蔽、增加和刪除某些協(xié)議。Qualnet支持TCP/IP協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)層間接口，同時支持跨層交互（Cross Layer Interaction）來設(shè)計非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧。同時，Qualnet中集成了GUI模型設(shè)置、場景設(shè)置、應(yīng)用模型、移動模型等功能非常齊全的模塊，給用戶的設(shè)計使用提供了極大的方便。從中看到，HSRP的路由主要由緩存管理、拓撲維護、反應(yīng)式路由信令處理等子模塊組成，下面分別介紹各模塊的功能和工作過程。拓撲維護模塊。該模塊負責(zé)維護路由信息。其通過標(biāo)準(zhǔn)接口與IP數(shù)據(jù)處理模塊交互路由查詢和響應(yīng)信息，通過內(nèi)部自定義接口與緩存管理模塊交互緩存路由查詢和響應(yīng)信息，通過內(nèi)部自定義接口與反應(yīng)式路由信令處理模塊交互路由請求和響應(yīng)信息。當(dāng)上層數(shù)據(jù)到來時，Qualnet標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議棧將調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)路由查詢接口向HSRP拓撲維護模塊請求路由信息。拓撲維護模塊首先通過內(nèi)部接口查詢緩存路由，若命中則按照緩存路由封裝HRP源路由數(shù)據(jù)包，并調(diào)用與MAC層接口將其發(fā)送到MAC層。若拓撲維護模塊無法命中緩存路由，則通知反應(yīng)式路由模塊向全網(wǎng)發(fā)起路由請求。緩存管理模塊。緩存管理模塊負責(zé)維護近距離路由表(2跳以內(nèi))、反應(yīng)式緩存路由表、發(fā)送數(shù)據(jù)緩存、主動RREP數(shù)據(jù)包緩存等數(shù)據(jù)，并且提供一系列的緩存操作接口，例如插入、刪除以及查詢等。反應(yīng)式信令處理模塊負責(zé)封裝、發(fā)送、接收以及響應(yīng)各種控制分組，并利用內(nèi)部接口通過路由維護模塊查詢節(jié)點當(dāng)前的相關(guān)信息，或者將處理結(jié)果傳遞給路由維護模塊和緩存管理模塊。根據(jù)艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景，設(shè)置仿真中的參數(shù)如下表： 仿真參數(shù)設(shè)置節(jié)點數(shù)32分布區(qū)域54000*54000一跳通信距離19000米物理信道帶寬256Kbps仿真時間20000s應(yīng)用層CBR+ Trafficgen路由協(xié)議HSRP、DSR、ZRPMAC協(xié)議HTDMA下邊分別對仿真中的移動模型、流量模型和MAC協(xié)議設(shè)置加以介紹。HSRP協(xié)議是針對艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計的，而艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的編隊一般在已知的幾種隊形之間轉(zhuǎn)換。為真實模擬艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點移動情形，仿真中預(yù)置編隊的隊形為單橫隊隊形、雙橫隊隊形、單縱隊隊形、雙縱隊隊形、人字隊形和環(huán)形隊形，并設(shè)置三種編隊隊形的變化，分別為：隊形變化一：人字單縱人字隊形變化二：雙縱環(huán)形雙縱隊形變化三：雙橫人字雙橫利用這三個隊形變化考察HSRP在拓撲規(guī)律變化時的性能。艦船編隊網(wǎng)絡(luò)中，旗艦要經(jīng)常發(fā)送指揮控制信息到僚艦，而僚艦也要周期性向旗艦報告一些信息，針對流量的這些特點，仿真中的流量設(shè)置如下：１、用CBR模擬周期性上報的數(shù)據(jù)。CBR流一直持續(xù)到仿真結(jié)束，CBR分組的大小隨機選擇；２、旗艦下達的指揮命令信息擬采用兩套參數(shù)的TRAFFICGEN流。TRAFFICGEN流的源或目的結(jié)點、起止時間采用負指數(shù)分布的隨機數(shù)。旗艦下達的指揮數(shù)據(jù)流格式如下所示：Trafficgen Src Dest DET StartTime DET EndTime RND EXP 512 EXP 1S NOLB；Trafficgen: 代表trafficgen 流量模型；Src：源節(jié)點，為旗艦；Dest：目的節(jié)點，為僚艦；StartTime：流的開始時間；EndTime：流的結(jié)束時間；RND： 代表該流的數(shù)據(jù)隨機產(chǎn)生；EXP 512：代表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)長度平均為512字節(jié)的一個指數(shù)分布；EXP 1S：代表數(shù)據(jù)到達間隔為平均1秒的指數(shù)分布；：代表以100%的概率發(fā)送分組；NOLB：代表無漏桶策略；基于應(yīng)用的需要，艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制協(xié)議采用混合式TDMA協(xié)議，簡稱為HTDMA協(xié)議。HTDMA協(xié)議支持兩種接入方式：（1）基于預(yù)先分配時隙的接入方式，該方式預(yù)先為每個節(jié)點分配固定的時隙占用權(quán)，利用自組織網(wǎng)絡(luò)的空分特性實現(xiàn)固定時隙的共享使用，同時節(jié)點可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求預(yù)約一定的時隙。（2）競爭共享信道的接入方式（ALOHA），節(jié)點可以在此時隙實現(xiàn)對信道的競爭使用。MAC層通過設(shè)定發(fā)送概率來保證競爭的優(yōu)先級，使得一跳范圍內(nèi)各鄰居節(jié)點相互競爭獲取時隙資源。MAC協(xié)議的時隙結(jié)構(gòu)由兩級組成，時間上重復(fù)時間單位為時幀，每個時幀包含64個時隙，每個時隙為32ms，即1時隙 ＝ 32 ms1時幀 ＝ 64時隙 ＝ s時隙結(jié)構(gòu)如圖所示。 MAC協(xié)議時幀圖目前的路由協(xié)議研究中，協(xié)議性能評估主要從分組丟失率、分組平均端到端時延以及協(xié)議附加開銷等方面進行[25]。各性能指標(biāo)定義分別如下：(1)分組丟失率(Losing Packet Fraction)： 式()(2)平均端到端時延(Average EndtoEnd Delay)： 式()(3)路由開銷(Routing Overhead)： 式()(4)每包平均源路由跳數(shù)(Average Source Routing Hop)： 式()同時，定義網(wǎng)絡(luò)的歸一化負荷如下： 式()一般來講，路由協(xié)議很重要的一個評價指標(biāo)就是路由收斂時間，但是由于HSRP是混合式的路由，所以不太容易計算路由的收斂時間。但是其反應(yīng)式路由策略類似于DSR協(xié)議，并在其基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，可以預(yù)見其路由收斂時間應(yīng)該優(yōu)于DSR協(xié)議。本節(jié)對HSRP協(xié)議進行仿真分析，并通過與路由協(xié)議DSR和ZRP在幾個性能指標(biāo)上的比較來驗證HSRP的性能。隊形一：人字—單縱—人字 路由開銷 路由平均跳數(shù)，其中橫坐標(biāo)是歸一化網(wǎng)絡(luò)負荷，縱坐標(biāo)是路由開銷。從仿真圖中可以看到，ZRP的開銷明顯高于DSR和HSRP，主要原因是ZRP中的先應(yīng)式路由需要交互路由信息，占用了較多的路由開銷；而HSRP中的先應(yīng)式無須單獨維護，可以從MAC層跨層共享得到，所以開銷較ZRP大大減少。DSR和HSRP兩種協(xié)議開銷相差比較大，但是HSRP顯著低于DSR。這一方面是由于在HSRP中引入了拓撲變化感知，在網(wǎng)絡(luò)的拓撲穩(wěn)定階段無需尋路，減少了開銷；另一方面，HSRP中類似于OLSR的MPR策略限制了路由請求包的洪范，也減少了路由開銷。HSRP的開銷比ZRP減少了95%以上，比DSR減少了50%以上，最大時則達到了85%?？梢?，HSRP在路由開銷控制上具有明顯的優(yōu)勢。，圖中橫坐標(biāo)是歸一化的網(wǎng)絡(luò)負荷，縱坐標(biāo)是路由平均跳數(shù)。從圖中可以看到，HSRP的路由跳數(shù)一直較穩(wěn)定在較低值，而DSR的平均源路由跳數(shù)在輕載時較大，而隨著負載的增加源路由跳數(shù)降低，但是始終高于HSRP。HSRP跳數(shù)一直比較穩(wěn)定，主要是由于其反應(yīng)式尋由過程中采用了MRP策略，降低了尋由請求洪泛的碰撞率，從而路由質(zhì)量高于DSR。DSR平均跳數(shù)隨負載增加而降低，這是其路由監(jiān)聽并緩存策略的貢獻。因為隨著全網(wǎng)通信量的增加，節(jié)點監(jiān)聽到的路由信息更加豐富，而監(jiān)聽到的路由信息往往是路由請求中的路徑，所以其源路由跳數(shù)會隨著全網(wǎng)通信量的增加而減少。但是從圖中DSR跳數(shù)減少的趨勢看，即使再增大負載也不可能繼續(xù)降低其源路由跳數(shù)，而HSRP的變化較為平穩(wěn)，穩(wěn)定性高于DSR協(xié)議。 丟包率，圖中橫坐標(biāo)是歸一化網(wǎng)絡(luò)負荷，縱坐標(biāo)是分組丟失率。從分組丟失率圖可以看到，三個協(xié)議的分組丟失率相差不大，HSRP略低于ZRP和DSR，一方面是由于MRP尋路策略使HSRP協(xié)議能夠得到相對較優(yōu)的路由，且其路由在拓撲穩(wěn)定階段能夠保持相對較長的時間，相對穩(wěn)定的路由也降低了由于重新尋路帶來的分組丟失；另一方面由于HSRP的路由開銷較低，占用的網(wǎng)絡(luò)資源更少。隨著負載的逐漸加大，HSRP和DSR的分組丟失率相差無幾，但是都低于ZRP。 時延，圖中橫坐標(biāo)為歸一化網(wǎng)絡(luò)負荷，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)的平均端到端時延。，HSRP的時延顯著低于ZRP和DSR，HSRP在部分區(qū)域內(nèi)的先應(yīng)式策略無需進行路由查找，很大程度上降低了時延；另外，HSRP的路由保持策略使有效路由緩存了更長的時間，避免了重新尋路帶來的時延。ZRP協(xié)議在部分區(qū)域內(nèi)的先應(yīng)式策略使其時延低于DSR協(xié)議，DSR協(xié)議的時延最大。隊形二：雙縱環(huán)形雙縱 路由開銷 丟包率 時延隊形三：雙橫人字雙橫 路由開銷 平均跳數(shù) 丟包率 時延、平均跳數(shù)、丟包率及時延的仿真結(jié)果。從圖中可以看到，隊形二和隊形三得到與隊形一基本一致的仿真結(jié)果，說明HSRP的路由性能相對穩(wěn)定，對于拓撲的變化不敏感，具有較好的適應(yīng)性?？傮w看來，HSRP協(xié)議在花費較少路由開銷的情況下，能夠獲得相對較優(yōu)的路由，在分組時延、分組丟失率等方面均優(yōu)于DSR和ZRP協(xié)議。HSRP協(xié)議的路由開銷比DSR和ZRP小50%以上，丟包率比其它兩個協(xié)議平均小5%左右，而時延則比DSR小25%左右，比ZRP小10%左右。所以，HSRP協(xié)議能夠較好的適應(yīng)艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的特點，滿足艦船編隊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。本章首先對艦船編隊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的特點進行了歸納，然后針對這些特點設(shè)計了適用于艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的HSRP路由協(xié)議。在描述了HSRP協(xié)議的設(shè)計思想和實現(xiàn)細節(jié)之后，論文在模擬艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景中對協(xié)議進行了較為詳細的仿真分析。仿真顯示HSRP在多個性能指標(biāo)上均優(yōu)于DSR和ZRP，能夠較好的適應(yīng)艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的場景，滿足應(yīng)用的需要。HSRP協(xié)議在設(shè)計的過程中并沒有針對負載均衡問題進行設(shè)計，論文將在第四章對負載均衡問題做深入廣泛的研究，并針對艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的負載均衡提出解決方案。第四章 負載均衡路由協(xié)議研究艦船編隊網(wǎng)絡(luò)中存在顯著的負載分布不均衡問題。仿真時發(fā)現(xiàn)，旗艦周圍的流量明顯大于網(wǎng)絡(luò)中其它區(qū)域，并可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擁塞，使網(wǎng)絡(luò)時延增大，在網(wǎng)絡(luò)負荷較重時甚至出現(xiàn)分組丟失。事實上負載均衡問題不光存在于艦船編隊網(wǎng)絡(luò)中，在大多數(shù)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中都存在著負載均衡問題。鑒于艦船編隊網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要和問題存在的普遍性，本章對負載均衡問題進行研究。本章第二節(jié)介紹負載均衡問題的提出，第三節(jié)介紹負載均衡的關(guān)鍵技術(shù)，第四節(jié)提出并設(shè)計基于信道負荷的負載感知方法和基于歷史信息概率路由準(zhǔn)入的負載調(diào)度算法及CLBamp。HIBHSRP協(xié)議，第五節(jié)給出算法和協(xié)議的仿真分析，最后對本章進行小結(jié)?，F(xiàn)有大多數(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在路由選擇和維護過程中都沒有考慮節(jié)點的負載和網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，協(xié)議運行的結(jié)果是眾多路由經(jīng)過部分處于網(wǎng)絡(luò)中心的節(jié)點，而大量數(shù)據(jù)通過少量節(jié)點傳輸必然導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，使分組排隊時延和分組丟失率增加。隨著業(yè)務(wù)流負載強度的增大，擁塞導(dǎo)致路由信息的丟失將很快觸發(fā)更多路由控制分組的產(chǎn)生，從而進一步加重網(wǎng)絡(luò)擁塞，如典型的按需路由協(xié)議AODV和DSR的分組傳輸時延隨著節(jié)點移動性的降低反而呈上升趨勢[26]。此外，被過度使用的節(jié)點的能量消耗過快，縮短了網(wǎng)絡(luò)的總體生存時間。因此，有必要在路由選擇過程中考慮節(jié)點的負載情況，對網(wǎng)絡(luò)進行負載均衡。負載均衡在本質(zhì)上就是利用分組傳輸可能存在的多條路徑構(gòu)建分組路由，通過有足夠剩余容量的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，使網(wǎng)絡(luò)保持連續(xù)、高效、穩(wěn)定的運行，以減輕現(xiàn)存的和潛在的網(wǎng)絡(luò)擁塞，為上層業(yè)務(wù)提供更好的服務(wù)質(zhì)量。隨著對負載均衡問題認識的深入，學(xué)者已經(jīng)對路由中的負載均衡問題做了大量的研究，這些研究主要集中在兩個方面：一是負載感知，二是負載調(diào)度。前者告訴我們網(wǎng)絡(luò)的負載狀態(tài)，后者關(guān)注如何調(diào)度負載把其均勻分布到網(wǎng)絡(luò)中。在設(shè)計無線自組網(wǎng)負載均衡路由協(xié)議的時候，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡，首先就要獲得網(wǎng)絡(luò)的負載分布情況，然后才能根據(jù)負載的分布情況對負載進行調(diào)度。在沒有中心節(jié)點的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)負載的分布情況通常是各節(jié)點進行分布式的探測，然后再根據(jù)預(yù)設(shè)的負載均衡算法進行均衡。因此，研究負載探測方法的目的是為了向負載調(diào)度算法提供準(zhǔn)確的負載信息，從而保證負載調(diào)度算法能夠正確及時的進行負載均衡。負載感知方法總結(jié)起來有以下幾種：基于緩沖區(qū)隊列長度的負載感知方法：基于緩沖區(qū)隊列長度的負載感知方法中，節(jié)點用緩沖區(qū)中等待發(fā)送數(shù)據(jù)隊列的長度來表征負載的狀態(tài)。當(dāng)一個新的數(shù)據(jù)包從上層到達網(wǎng)絡(luò)層時，其要先進入緩沖區(qū)隊列等待，后進入隊列的數(shù)據(jù)要等待前邊的數(shù)據(jù)包發(fā)送完之后才能進入信道被發(fā)送。當(dāng)緩沖區(qū)隊列較長時，節(jié)點在隊列中等待的時間就較長，那么數(shù)據(jù)的時延將會變大，而且當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送速度小于數(shù)據(jù)的接納速度時，其緩沖區(qū)隊列不斷變長，最后將導(dǎo)致緩沖區(qū)溢出，后續(xù)的數(shù)據(jù)將會被丟棄。所以節(jié)點緩沖區(qū)隊列的長度在很大程度上反應(yīng)了節(jié)點負載的輕重，節(jié)點緩沖區(qū)隊列長度越小，節(jié)點的負載就越輕，反之則越重?；诼窂綍r延的負載感知方法：基于路徑延時的負載感知方法是把數(shù)據(jù)的時延作為節(jié)點負載輕重的度量。路徑時延是指數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點所走路徑的總時延，路徑時延由各節(jié)點處理時延累積形成。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的通信距離受限，多數(shù)情況下數(shù)據(jù)需要多跳轉(zhuǎn)發(fā)才能到達目的節(jié)點，而數(shù)據(jù)經(jīng)過每個節(jié)點的處理都需要一段時間(包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)排隊調(diào)度、數(shù)據(jù)發(fā)送)，所以數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑時延就是整條路由上所有節(jié)點處理時延的總和。時延是一個綜合表征量，如果不考慮數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送時間，那么時延主要產(chǎn)生于節(jié)點的排隊等待。一方面，當(dāng)一個節(jié)點的緩沖區(qū)隊列較長時，后續(xù)到來的數(shù)據(jù)就要經(jīng)過排隊，等隊列中比它先來的數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢之后該數(shù)據(jù)包才能被發(fā)送；另一方面，因為節(jié)點要于其鄰居節(jié)點共享無線廣播信道，由于鄰居節(jié)點對信道的占用使該節(jié)點獲得信道的機會減少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)隊列中等待產(chǎn)生時延。所以，時延能夠在一定程度上反應(yīng)路徑上的負載情況，時延越小則路徑上的負載越輕，反之則越重?；谛诺览寐实呢撦d感知方法：在基于信道利用率的負載感知方法中，節(jié)點通過監(jiān)測信道的使用情況來感知負載的輕重。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，物理信道是共享式無