基于多路径的流量均衡智能调度算法

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3.0 牛悦 2024-11-19 11 4 2.46MB 57 页 15积分

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摘要

无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）是由大量传感器节点通

过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，通过智能传感器节点感知和

收集各种信息，对其进行分析处理，从而实现远程目标监控，是集信息采集、信

息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统。在无线传感器网络中由于节点能

量有限性或节点移动性等原因，使网络拓扑结构具有不可预测性和动态性。这就

使得网络的设计需要较好的智能算法来实现流量均衡。

在向下一代互联网络演进的过程中，多路径网络已被证明能够解决丢包、延

时、抖动等，是提高网络性能及可靠性的有效手段。在网络中，可选用的多条路

径提供了流量流向的通路，然而如何有效地均衡各条路径的流量，提高网络的性

能，是多路径网络必须解决的一个重要问题。目前支持多路径的路由协议，主要

采用等代价多路径路由(ECMP)实现流量均衡，其缺点在于均衡算法固定，无法

跟随网络的变化实现动态调节。而网络自身的特点决定其必然具有动态的属性，

因此对于网络的研究分析更适宜采用动态的方法。通过分析多路径网络的实际运

行过程可知，在很多情况下流量在一定的时间段内具有相对的稳定性，因此可利

用预测算法预测下一时间段内流量，并将该预测结果用于指导流量的分配。预测

可提前感知网络状态，降低长延时、高丢包率、低吞吐量，甚至降低路由器崩溃

等不良服务质量的概率。

因此本课题将提出一种将预测思想与优化理论相结合的动态流量均衡算法。

针对丢包率比较敏感的应用需求如 VOIP，将预测思想与优化理论相结合，研究

了在多路径网络环境下的流量均衡问题。流量均衡算法首先预测每条路径的丢包

率，并以减少所有路径丢包率之和达到最优的资源利用率为目标，将流量均衡问

题转化为最优问题。理论分析及仿真实验结果表明，该算法能有效地降低网络丢

包率，提高网络性能。

关键词：无线传感器网络流量均衡多路径网络预测算法优化理论

动态流量均衡算法丢包率

ABSTRACT

Wireless sensor network is a multi-hop's self-organizing network system, which

formed by a large number of sensor nodes through wireless communication. The

intelligent sensor nodes sense and collect all kinds of information, analysis and

process them in order to achieve long-range target monitoring. It is an intelligent

information system of processing and transmission. In wireless sensor network,

because of the limitation of node energy or mobility of node, making the network

topology structure has the unpredictability and dynamic. This makes the design of the

network needing better intelligence algorithm to realize traffic allocation.

During the migration to next generation network, multi-path network has been

proven to solve lost package, delay and dithering, which may be used for improving

network reliability and robustness. The chose multi-path in network is the paths which

supply the traffic to transfer. How to balance the traffic availability is one of the most

important problems in multi-path network to improve the performance. At present, the

routing protocol which support multi-path, mainly uses equal cost multiple path

(ECMP) realize flow equilibrium, its weakness is equalization algorithm fixed, which

can't follow the change of network to realize the dynamic adjustment. And the

characteristics of the network itself to determine its inevitably has the dynamic

properties, so for network analysis is more suitable for dynamic method. Through the

analysis of the actual operation of multi-path network process, we know, in many

cases flow in a certain periods of time with relative stability, so we can use prediction

algorithm to forecast next time flow, and the forecast results will be used to guide the

distribution of flow. Forecasting perception in advance network state, which reduce

the long time delay, high packet loss rate and low throughput, even reduce the router

to the quality of service and other bad collapse probability.

So this subject will put forward a kind of dynamic flow equilibrium algorithm

which combine with predict thought and optimization theory. To loss rate sensitive

traffic, such as VOIP (Voice over Internet Protocol), this subject provided an

algorithm to solve the problem of balancing the traffic in multi-path network by

prediction and optimization theory. The algorithm predicts the packet loss rate of each

and every path at first, then aiming at the minimum sum of the packet loss rate and

achieving the optimal utilization ratio of resources, it converts a traffic balancing

problem into optimization problem. The experimental results demonstrate that the

proposed algorithm can perform well on QoS, such as packet loss rate.

Key Words ：Wireless sensor network(WSN), Traffic allocation,

Multi-path network, Prediction algorithm, Optimization theory,

Dynamic flow equilibrium algorithm, Packet loss rate

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 课题来源及意义 ........................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ........................................... 2

§1.3 本文的主要工作 ........................................... 3

§1.4 本文各章节安排 ........................................... 3

第二章研究基础 .................................................. 5

§2.1 无线传感器网络概述 ....................................... 5

§2.1.1 WSN 的概念 ............................................5

§2.1.2 WSN 的节点结构 ........................................5

§2.2 服务质量参数 ............................................. 6

§2.3 流量控制 ................................................. 7

§2.3.1 流量控制概述 ......................................... 7

§2.3.2 网络流量的计算 ....................................... 8

§2.4 多路径路由协议概述 ...................................... 11

§2.4.1 多路径路由概念 ...................................... 12

§2.4.2 多路径路由分类 ...................................... 12

§2.4.3 多路径路由协议的优点 ................................ 14

§2.5 本课题问题的提出 ........................................ 14

第三章多路径自适应动态流量均衡分配 ............................. 16

§3.1 多路径路由在流量分配中的使用 ............................ 16

§3.1.1 流量在路径之间的分配原则 ............................ 16

§3.1.2 路径之间流量大小分配 ................................ 18

§3.2 可靠性多路径模型建立 .................................... 19

§3.3 最大可靠性多路径路由选择 ................................ 20

§3.3.1 建立虚拟多路径模型 .................................. 20

§3.3.2 多路径路由的查找 .................................... 22

§3.3.3 多路径路由路径的发现 ................................ 22

§3.4 多路径模型的建立及确定路径权重值 ........................ 23

§3.5 自适应动态分配流量路由算法 .............................. 25

§3.5.1 分配流量比例的计算 .................................. 26

§3.5.2 路由路径的选择 ...................................... 27

第四章基于多路径的流量均衡优化算法 ............................. 29

§4.1 无线自适应动态流量均衡控制的主要思想 .................... 29

§4.2 无线自适应动态流量均衡控制模型 .......................... 30

§4.3 流量均衡智能调度算法 .................................... 31

§4.3.1 符合约定 ............................................ 31

§4.3.2 预测算法 ............................................ 31

§4.3.3 流量均衡问题的描述 .................................. 32

§4.3.4 粒子群算法 .......................................... 34

第五章仿真与试验 ............................................... 38

§5.1 NS-2 仿真软件简介与工作原理 ..............................38

§5.2 仿真实验环境 ............................................ 40

§5.3 试验仿真与结果分析 ...................................... 41

§5.3.1 丢包率 .............................................. 42

§5.3.2 延时 ................................................ 42

§5.3.3 吞吐量 .............................................. 43

§5.3.4 吞吐量受链路失效的影响 .............................. 44

§5.4 本章小结 ................................................ 45

第六章总结与展望 ............................................... 47

参考文献 ........................................................ 49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 53

致谢 ........................................................... 54

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

无线传感器网络(WSN)以其安装便捷、使用灵活、不受电缆约束、可移动、

经济节约、易于扩展等优点赢得了越来越多人的青睐。随着无线节点成本的下降，

其优越性将会逐步显现，无线移动自组 NCS 有着良好的发展前景。由于其特有

的优势，把无线移动自组网络技术应用于控制系统也是必然。无线移动自组网络

控制系统在油田移动施工场所（地震、钻井和井下作业等）、智能交通、军事、

机器人、环境科学、智能化家居环境、精细农业、空间探索等领域有巨大的应用

前景。

传感器、感知对象和观察者是无线传感器网络的三个基本要素。传感器之间、

传感器与观察者之间一般采用无线的通信方式协作地感知、采集、处理、发布感

知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感

知任务是传感器网络的重要特点。无线传感器网络中的每一个节点都相当于一个

路由,它不仅具有计算能力,而且还具有一般路由的分发、存储等功能。随着网络

负荷的增加，网络会出现局部拥塞，吞吐率下降很快。网络中某些节点负荷很大，

需要转发大量数据。而节点的链路带宽和处理能力有限，当数据到达速率超过节

点处理能力时，数据阻塞在这些节点中等待传输。如这种状况持续一段时间，则

节点缓冲区很快溢出，造成数据分组丢失。源节点在规定时间内没有收到确认选

择重传将进一步加剧该路径节点的拥塞。这些节点成为整个网络效率的瓶颈。流

量均衡控制机制能够对网络带宽进行合理有效地规划与分配。因此，处理好这发

送节点的流量均衡控制，将能在很大程度上改善网络性能，提高网络服务质量。

由于多路径已被证明能够解决丢包、延时、抖动等，是提高网络服务质量及

可靠性的有效手段。而快速发展的下一代 Internet 架构都为多路径网络的部署孕

育着土壤。随着 Cisco 的IOS 的开放,灵活的多路径网络流量均衡算法的实施也

成为可能。

目前支持多路径的路由协议，主要采用等代价多路径路由(ECMP)实现流量

均衡，其缺点在于均衡算法固定，无法跟随网络的变化实现动态调节。而网络自

身的特点决定其必然具有动态的属性，因此对于网络的研究分析更适宜采用动态

的方法。通过分析多路径网络的实际运行过程可知，在很多情况下流量在一定的

时间段内具有相对的稳定性，因此可利用预测算法预测下一时间段内流量，并将

该预测结果用于指导流量的分配。预测可提前感知网络状态，降低长延时、高丢

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摘要无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetwork）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，通过智能传感器节点感知和收集各种信息，对其进行分析处理，从而实现远程目标监控，是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统。在无线传感器网络中由于节点能量有限性或节点移动性等原因，使网络拓扑结构具有不可预测性和动态性。这就使得网络的设计需要较好的智能算法来实现流量均衡。在向下一代互联网络演进的过程中，多路径网络已被证明能够解决丢包、延时、抖动等，是提高网络性能及可靠性的有效手段。在网络中，可选用的多条路径提供了流量流向的通路，然而如何有效地均衡各...

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