無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議性能的研究與仿真

摘要：文章簡(jiǎn)要介紹自組網(wǎng)中常用的路由協(xié)議，利用網(wǎng)絡(luò )仿真軟件NS2對DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議進(jìn)行仿真，通過(guò)不同仿真場(chǎng)景計算出路由協(xié)議的第一個(gè)包收到時(shí)間、平均延時(shí)和包投遞率。結果表明DSDV路由協(xié)議適合用于節點(diǎn)靜止的網(wǎng)絡(luò )場(chǎng)景，在移動(dòng)環(huán)境下使用AODV和DSR路由協(xié)議有更好的網(wǎng)絡(luò )性能。
關(guān)鍵詞：自組網(wǎng)；DSD；DSR；AODV

0 引言
自組網(wǎng)(Ad hoc network)是由一組帶有無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)節點(diǎn)組成的自治系統。其特點(diǎn)是自組織、多跳、可以臨時(shí)性建立鏈路，在該網(wǎng)絡(luò )中，信道的環(huán)境、網(wǎng)絡(luò )的拓撲、業(yè)務(wù)的模式都是隨節點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)改變的。自組網(wǎng)為任意環(huán)境下的通信提供了較好的解決方案，在軍事領(lǐng)域和民用通信中有廣泛應用。目前自組網(wǎng)與2．5G和3G移動(dòng)通信進(jìn)行了有效的結合，大規模寬帶無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)將會(huì )成為寬帶無(wú)線(xiàn)通信或未來(lái)移動(dòng)通信的重要形式。
在自組網(wǎng)環(huán)境中，由于節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信覆蓋范圍有限，兩個(gè)無(wú)法直接通信的移動(dòng)節點(diǎn)可以通過(guò)中間節點(diǎn)進(jìn)行報文轉發(fā)以實(shí)現數據通信，因此該過(guò)程需要路由協(xié)議進(jìn)行數據包轉發(fā)決策，節點(diǎn)采取什么樣的策略轉發(fā)報文能獲得良好的通信效果顯得很重要。路由協(xié)議是近年的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，路由協(xié)議需要迅速適應拓撲變化，完成路由建立和維護工作，盡量減少控制開(kāi)銷(xiāo)以提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量。目前適用于自組網(wǎng)的新協(xié)議一般以廣播或組播方式建立網(wǎng)絡(luò )路由，普遍得到認可的代表性協(xié)議有DSDV(Destination sequenced distance vector)、DSR(Dynamic Sou rce Routing)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)。

1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議
按路由發(fā)現策略，自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為主動(dòng)路由和按需路由兩類(lèi)。主動(dòng)路由協(xié)議是節點(diǎn)通過(guò)定期地廣播路由信息數據包，路由器間交換路由信息，計算出相關(guān)路由，節點(diǎn)維護去往全網(wǎng)所有節點(diǎn)的路由，發(fā)現策略與傳統路由協(xié)議類(lèi)似。主動(dòng)路由協(xié)議主要有DSDV、GSR、WRP等協(xié)議。按需路由協(xié)議是根據需要來(lái)發(fā)起路由查找，當節點(diǎn)需要發(fā)送數據，路由表中又沒(méi)有有效的路由信息時(shí)，源節點(diǎn)才會(huì )向整網(wǎng)洪泛，尋找到達目的節點(diǎn)的路由。拓撲結構和路由表信息都是按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓撲結構信息的一部分。按需路由協(xié)議在通信過(guò)程中需維護路由，通信完畢后便不再進(jìn)行維護。按需路由協(xié)議主要有DSR、AODV、TORA等。
1．1 DSDV
DSDV協(xié)議是一種點(diǎn)到點(diǎn)距離向量路由協(xié)議，它需要每個(gè)節點(diǎn)向鄰節點(diǎn)定期廣播路由信息，每個(gè)節點(diǎn)都維護一個(gè)路由表。當網(wǎng)絡(luò )拓撲有變化以至于路由表變更時(shí)，結點(diǎn)也會(huì )主動(dòng)發(fā)送更新的路由給相鄰的節點(diǎn)。DSDV協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)上的DV協(xié)議基本相同，只是路由信息中多了目的節點(diǎn)序列號的記錄，引入目的節點(diǎn)序列號后，既能區別路由信息的新舊，又能有效避免產(chǎn)生路由環(huán)路和無(wú)限計數的問(wèn)題，適合無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)這種節點(diǎn)快速變動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )所需。當節點(diǎn)收到多個(gè)不同的矢量表數據包時(shí)，選用序列號較大的路由信息來(lái)計算，如果序列號相同則看誰(shuí)的路徑短。
1．2 DSR
DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議。在DSR協(xié)議中，當源節點(diǎn)發(fā)送報文時(shí)，在數據報頭部攜帶到達目的節點(diǎn)的路由信息，該路由信息由網(wǎng)絡(luò )中的若干節點(diǎn)地址組成，源節點(diǎn)的數據報文就通過(guò)這些節點(diǎn)的中繼轉發(fā)到目的節點(diǎn)。DSR路由協(xié)議主要包括路由發(fā)現和路由維護過(guò)程。路由發(fā)現過(guò)程主要用于幫助源節點(diǎn)獲得到達目的節點(diǎn)的路由。節點(diǎn)通過(guò)路由發(fā)現過(guò)程獲得到達網(wǎng)絡(luò )中其他節點(diǎn)的路由。在路由發(fā)現過(guò)程中源節點(diǎn)首先向鄰節點(diǎn)廣播“路由請求”數據報文。該數據報文中包括“請求ID”、“目的節點(diǎn)地址”和“路由記錄”等字段。其中“路由記錄”字段用于記錄從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)路由中的中間節點(diǎn)地址，當路由請求報文到達目的節點(diǎn)時(shí)，該字段中的所有節點(diǎn)地址即構成了從源節點(diǎn)到目的節點(diǎn)的路由。當路由中的節點(diǎn)由于關(guān)機、移動(dòng)等原因無(wú)法保證到達目的節點(diǎn)時(shí)，當前的路由就不再有效了。路由維護過(guò)程監測當前路由的可用情況，當監測到路由出現故障時(shí)，將調用新一輪路由發(fā)現過(guò)程。
1．3 AODV
AODV協(xié)議借鑒了DSR協(xié)議的按需路由機制和DSDV協(xié)議的點(diǎn)到點(diǎn)路由機制。AODV協(xié)議采用逐跳的方式轉發(fā)數據包，不需要在報文中攜帶完整的路由消息。AODV協(xié)議路由發(fā)現過(guò)程由源節點(diǎn)發(fā)起，當某節點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)數據包時(shí)，先檢查本節點(diǎn)的路由表是否存在一條到目的節點(diǎn)的有效路由。如果沒(méi)有，則需要向鄰節點(diǎn)廣播路由請求數據報文，其中記錄著(zhù)發(fā)出的源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)的地址，鄰近節點(diǎn)收到路由請求數據報文，先判斷其中的目的節點(diǎn)是否就是本節點(diǎn)，如果不是，再在路由表中查找是否有到目的節點(diǎn)的路由。每一條路由都對應著(zhù)一個(gè)序列號，路由更新時(shí)序列號也隨著(zhù)更新。AODV協(xié)議的路由維護是通過(guò)定期的廣播hello報文來(lái)實(shí)現的，發(fā)現某條鏈路斷開(kāi)時(shí)，節點(diǎn)就發(fā)送路由錯誤消息報文通知那些因鏈路斷開(kāi)而不可達的節點(diǎn)刪除相應的路由記錄。

2 仿真實(shí)驗及分析
NS2是由伯克利大學(xué)開(kāi)發(fā)的一個(gè)離散的事件驅動(dòng)的仿真軟件，支持鏈路層及其以上的以數據包為單位的仿真，支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。本實(shí)驗采用NS2作為仿真平臺，仿真實(shí)驗的目的是研究不同場(chǎng)景的情況下DSDV、DSR和AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )性能。
2．1 性能參數
(1)第一個(gè)包收到時(shí)間。第一個(gè)包收到時(shí)間可以用來(lái)反映路由表的收斂時(shí)間，越早收到，則表示收斂速度比較快，較早將第一個(gè)包從源節點(diǎn)送達目的節點(diǎn)。
(2)平均延時(shí)。平均延時(shí)統計的是一個(gè)數據包從源節點(diǎn)成功到達目的節點(diǎn)經(jīng)過(guò)的平均時(shí)間。它是反映數據包到達目的地時(shí)間長(cháng)短的性能指標。延時(shí)包含鏈路上數據傳播延時(shí)、MAC層的重傳延時(shí)、數據排隊等候延時(shí)、發(fā)現路徑緩沖延時(shí)、網(wǎng)絡(luò )中處理數據延時(shí)等。為了準確地反映網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際情況，常常用平均延時(shí)來(lái)度量網(wǎng)絡(luò )中的延時(shí)，延時(shí)越小則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )越通暢。
(3)數據包投遞率。數據包投遞率由成功到達目的節點(diǎn)的數據包數目與源節點(diǎn)產(chǎn)生的數據包傳送數目的比值，反映了網(wǎng)絡(luò )傳輸的可靠性，投遞率越高網(wǎng)絡(luò )可靠性越大。
2．2 實(shí)驗場(chǎng)景
由于需要對仿真環(huán)境進(jìn)行設置，可用cbrgen與setdest兩個(gè)NS2提供的工具進(jìn)行參數設置。本文所設計的仿真場(chǎng)景是一個(gè)300m×300m的矩形區域，在區域內隨機分布了100個(gè)節點(diǎn)，這也與現實(shí)中隨機布點(diǎn)是類(lèi)似的。仿真時(shí)間持續100s，節點(diǎn)發(fā)送功率為0．00 5 W，信道帶寬為2 MHz，MAC層使用IEEE802．11b協(xié)議，路由協(xié)議分別采用DSDV、DSR和AODV協(xié)議。CBR業(yè)務(wù)連接數為10，數據包大小為512Byte，發(fā)送速率為每秒發(fā)送10數據包，數據類(lèi)型選擇的是CBR流。在給定的仿真場(chǎng)景中每個(gè)節點(diǎn)隨機選擇運動(dòng)方向和運動(dòng)速度，最大運動(dòng)速度為10m／s。具體的場(chǎng)景設置參數如表1所示。