基于OPNET仿真平臺的MANET路由協(xié)議性能分析

摘要：MANET的特殊性決定了其路由協(xié)議的重要性。為了提高MANET路由協(xié)議性能，通過(guò)比較現有的兩種典型MANET路由協(xié)議AODV協(xié)議和DSR協(xié)議，采用圖形化界面的OPNET作為仿真工具，通過(guò)仿真結果的比較、分析，獲得了與理論分析基本相一致的結果，即AODV協(xié)議的性能總體上優(yōu)于DSR協(xié)議，并且AODV協(xié)議更適合于規模較大的MANET網(wǎng)絡(luò )。仿真結果為后續提出優(yōu)化路由協(xié)議和對現有協(xié)議改進(jìn)工作提供了有效的仿真依據。
關(guān)鍵詞：路由協(xié)議；MANET；OPNET仿真平臺；DSR

0 引言
隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )即移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )(Mobile Ad Hoc Network，MANET)成為了研究熱點(diǎn)。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )是由一組移動(dòng)節點(diǎn)形成的一個(gè)多跳的、臨時(shí)性的自治系統。由于A(yíng)d Hoc網(wǎng)絡(luò )具有分布性、動(dòng)態(tài)性、自治性、易構性和移動(dòng)性，使得無(wú)線(xiàn)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )可以廣泛應用于軍事領(lǐng)域、自然災害應急處理、科學(xué)考察、探險、緊急通信等領(lǐng)域。然而，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )有其特殊的局限性，如有限的帶寬、高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、鏈路干擾、鏈路的有限范圍以及廣播等特性。使得建立可靠快速高效的路由協(xié)議成了當前研究的熱點(diǎn)之一。

1 MANET的路由協(xié)議
MANET的路由協(xié)議大致分反應式(Reactive)路由協(xié)議和先驗式(Proactive)路由協(xié)議。
1．1 反應式路由協(xié)議
反應式路由協(xié)議又稱(chēng)為按需路由協(xié)議，是一種當需要發(fā)送數據才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節點(diǎn)不需要維護及時(shí)準確的路由信息，當向目的節點(diǎn)發(fā)送報文時(shí)，源節點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)起路由查找過(guò)程，找到相應的路由。
目前應用較廣的反應式路由協(xié)議有DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad Hoc On Demand Distance Vector)。DSR協(xié)議使用源路由，主要包括路由發(fā)現和路由維護兩部分。節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，首先檢查緩存中是否存在未過(guò)期的到達目的節點(diǎn)的路由，存在就可直接使用，否則采用洪泛發(fā)實(shí)現路由發(fā)現過(guò)程。
AODV是基于距離矢量的算法，與DSR不同之處在于：AODV只保持需要的路由。它使用目的端順序號來(lái)避免產(chǎn)生無(wú)效路徑，而不使用周期更新的辦法。當某個(gè)節點(diǎn)有路由需求時(shí)，該節點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)REEQ，并向臨時(shí)節點(diǎn)廣播，一直到目的節點(diǎn)接收到為止，然后目的節點(diǎn)回送RREP信號，直到源節點(diǎn)為止。在維護過(guò)程中通過(guò)周期廣播HELLOW信號來(lái)表明某節點(diǎn)的存在。
除此以外，反應式的路由協(xié)議還有很多，諸如：臨時(shí)按序路由協(xié)議(TORA)、逐段路由協(xié)議(SSR)等。
1．2 先驗式路由協(xié)議
先驗式路由協(xié)議又稱(chēng)為表驅動(dòng)路由協(xié)議，在這些協(xié)議中，每個(gè)節點(diǎn)維護一張包含到其他節點(diǎn)路由信息的路由表，當檢測到網(wǎng)絡(luò )拓撲結構發(fā)生變化時(shí)，節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節點(diǎn)更新自己的路由表。源節點(diǎn)一旦要發(fā)送報文，可以建立立即獲取到達目的節點(diǎn)的路由。目前主流的表驅動(dòng)路由協(xié)議有DSDV(Destimation Sequenced Distance Vector)和WRP(Wireless Routing Protocol)。DSDV是對Bellman Ford路由算法的改進(jìn)，加入了避免路由環(huán)路機制，每個(gè)節點(diǎn)都保存一張路由表，路由表中包含所有節點(diǎn)及其距離信息，通過(guò)廣播來(lái)維持網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的連通性，同時(shí)使用目的節點(diǎn)序列號來(lái)區別新舊路由。而WRP路由算法同樣是對路徑發(fā)現算法PFA的改進(jìn)，它利用去往節點(diǎn)的路徑長(cháng)度和相應路徑到達倒數第二跳節點(diǎn)信息加速路由協(xié)議的收斂速度，從而實(shí)現改進(jìn)路由環(huán)路問(wèn)題。

2 OPNET仿真平臺
目前眾多的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )仿真軟件中有軟件公司開(kāi)發(fā)的商用軟件，也有各大學(xué)和研究所自行開(kāi)發(fā)的科研用軟件。
OPNET是一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò )仿真和建模工具，支持面向對象的建模方式，并提供圖形化的編輯界面，便于用戶(hù)使用。它強大的功能和全面性幾乎可以模擬任何網(wǎng)絡(luò )設備，支持各種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，除了能夠模擬固定通信模型外，OPNET的無(wú)線(xiàn)建模器還可用于建立分組無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和衛星通信網(wǎng)的模型。此外，功能完善的結果分析器為網(wǎng)絡(luò )性能的分析提供了有效又直觀(guān)的工具。OPNET的Molder是專(zhuān)門(mén)用于可視化原型設計的軟件，它的使用既方便了網(wǎng)絡(luò )模型的建立，又減少了編程的工作量。Molder中提供多種編輯器幫助用戶(hù)完成網(wǎng)絡(luò )建模和仿真運行，它包括網(wǎng)絡(luò )編輯器(Network Editor)、節點(diǎn)編輯器(Node Editor)、進(jìn)程編輯器(Process Editor)。

3 網(wǎng)絡(luò )仿真
在此，對MANET網(wǎng)絡(luò )中的經(jīng)典路由協(xié)議AODV協(xié)議和DSR協(xié)議進(jìn)行建模、仿真和分析。
3．1 網(wǎng)絡(luò )模型
3．1．1 協(xié)議性能測評指標
(1)路由發(fā)現時(shí)間(Routing Find Time)：路由變化的收斂速度是衡量常規路由協(xié)議的關(guān)鍵因素，但是對于A(yíng)d Hoe網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)路由協(xié)議是不收斂的，因此將路由發(fā)現時(shí)間作為一性能測試指標。
(2)端到端平均時(shí)延(Delay)：該參數是指源節點(diǎn)發(fā)送數據到目的節點(diǎn)之間的時(shí)間，包括路由發(fā)現、隊列排隊、數據發(fā)送和傳播等。它反映網(wǎng)絡(luò )是否暢通，延時(shí)越小網(wǎng)絡(luò )越暢通，其單位為s。
(3)分組投遞率(Packet Delivery Fraction)：該參數統計投遞到目的節點(diǎn)的分組與源節點(diǎn)產(chǎn)生CBR分組的比率，單位為％。
3．1．2 網(wǎng)絡(luò )模型建立過(guò)程
移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )模型分別由10個(gè)移動(dòng)節點(diǎn)，依次為0，1，2，…，10，隨機分布在1 000 m×1 000 m區域內的校園網(wǎng)環(huán)境中，物理上的無(wú)線(xiàn)通信OPNET通過(guò)管道(Pipeline)來(lái)模擬，它包括14個(gè)管道階段：
(1)接收機組；
(2)傳輸延時(shí)；
(3)鏈路閉鎖；
(4)信道匹配；
(5)發(fā)射機天線(xiàn)增益；
(6)傳播延時(shí)；
(7)接收機天線(xiàn)增益；
(8)接收機功率；
(9)背景噪聲；
(10)干擾噪聲；
(11)信噪比；
(12)誤比特率；
(13)錯誤分布；
(14)糾錯。
節點(diǎn)的移動(dòng)通過(guò)軌跡項定義，這里選擇每段運動(dòng)時(shí)間為5 m／s，屬于中速運動(dòng)。其中：源節點(diǎn)業(yè)務(wù)流為CBR(Continuous Bit-Rate)；分組間隔為4 packet／s；分組大小為512 B；仿真開(kāi)始時(shí)間為5 s；仿真時(shí)間為500 s；節點(diǎn)發(fā)送功率為0．005 W；信道帶寬為為2 000 kHz。