無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的研究與仿真

摘要：文章簡要介紹自組網(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，通過不同仿真場景計(jì)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(jié)果表明DSDV路由協(xié)議適合用于節(jié)點(diǎn)靜止的網(wǎng)絡(luò)場景，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)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自治系統(tǒng)。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?fù)?、業(yè)務(wù)的模式都是隨節(jié)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(yīng)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(jié)合，大規(guī)模寬帶無線自組網(wǎng)將會(huì)成為寬帶無線通信或未來移動(dòng)通信的重要形式。
在自組網(wǎng)環(huán)境中，由于節(jié)點(diǎn)的無線通信覆蓋范圍有限，兩個(gè)無法直接通信的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，因此該過程需要路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)決策，節(jié)點(diǎn)采取什么樣的策略轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)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(yīng)拓?fù)渥兓?，完成路由建立和維護(hù)工作，盡量減少控制開銷以提高網(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(rèn)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 無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
按路由發(fā)現(xiàn)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。主動(dòng)路由協(xié)議是節(jié)點(diǎn)通過定期地廣播路由信息數(shù)據(jù)包，路由器間交換路由信息，計(jì)算出相關(guān)路由，節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由，發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似。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(jù)需要來發(fā)起路由查找，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，路由表中又沒有有效的路由信息時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才會(huì)向整網(wǎng)洪泛，尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表信息都是按需建立，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按需路由協(xié)議在通信過程中需維護(hù)路由，通信完畢后便不再進(jìn)行維護(hù)。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(jié)點(diǎn)向鄰節(jié)點(diǎn)定期廣播路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)路由表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆凶兓灾劣诼酚杀碜兏鼤r(shí)，結(jié)點(diǎn)也會(huì)主動(dòng)發(fā)送更新的路由給相鄰的節(jié)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(jié)點(diǎn)序列號(hào)的記錄，引入目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)后，既能區(qū)別路由信息的新舊，又能有效避免產(chǎn)生路由環(huán)路和無限計(jì)數(shù)的問題，適合無線自組網(wǎng)這種節(jié)點(diǎn)快速變動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)所需。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)不同的矢量表數(shù)據(jù)包時(shí)，選用序列號(hào)較大的路由信息來計(jì)算，如果序列號(hào)相同則看誰的路徑短。
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(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，在數(shù)據(jù)報(bào)頭部攜帶到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，該路由信息由網(wǎng)絡(luò)中的若干節(jié)點(diǎn)地址組成，源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文就通過這些節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。DSR路由協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)過程。路由發(fā)現(xiàn)過程主要用于幫助源節(jié)點(diǎn)獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。節(jié)點(diǎn)通過路由發(fā)現(xiàn)過程獲得到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的路由。在路由發(fā)現(xiàn)過程中源節(jié)點(diǎn)首先向鄰節(jié)點(diǎn)廣播“路由請求”數(shù)據(jù)報(bào)文。該數(shù)據(jù)報(bào)文中包括“請求ID”、“目的節(jié)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(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路由中的中間節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)路由請求報(bào)文到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該字段中的所有節(jié)點(diǎn)地址即構(gòu)成了從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。當(dāng)路由中的節(jié)點(diǎn)由于關(guān)機(jī)、移動(dòng)等原因無法保證到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，當(dāng)前的路由就不再有效了。路由維護(hù)過程監(jiān)測當(dāng)前路由的可用情況，當(dāng)監(jiān)測到路由出現(xiàn)故障時(shí)，將調(diào)用新一輪路由發(fā)現(xiàn)過程。
1．3 AODV
AODV協(xié)議借鑒了DSR協(xié)議的按需路由機(jī)制和DSDV協(xié)議的點(diǎn)到點(diǎn)路由機(jī)制。AODV協(xié)議采用逐跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，不需要在報(bào)文中攜帶完整的路由消息。AODV協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，先檢查本節(jié)點(diǎn)的路由表是否存在一條到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。如果沒有，則需要向鄰節(jié)點(diǎn)廣播路由請求數(shù)據(jù)報(bào)文，其中記錄著發(fā)出的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址，鄰近節(jié)點(diǎn)收到路由請求數(shù)據(jù)報(bào)文，先判斷其中的目的節(jié)點(diǎn)是否就是本節(jié)點(diǎn)，如果不是，再在路由表中查找是否有到目的節(jié)點(diǎn)的路由。每一條路由都對應(yīng)著一個(gè)序列號(hào)，路由更新時(shí)序列號(hào)也隨著更新。AODV協(xié)議的路由維護(hù)是通過定期的廣播hello報(bào)文來實(shí)現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)某條鏈路斷開時(shí)，節(jié)點(diǎn)就發(fā)送路由錯(cuò)誤消息報(bào)文通知那些因鏈路斷開而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的路由記錄。

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析
NS2是由伯克利大學(xué)開發(fā)的一個(gè)離散的事件驅(qū)動(dòng)的仿真軟件，支持鏈路層及其以上的以數(shù)據(jù)包為單位的仿真，支持無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。本實(shí)驗(yàn)采用NS2作為仿真平臺(tái)，仿真實(shí)驗(yàn)的目的是研究不同場景的情況下DSDV、DSR和AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能。
2．1 性能參數(shù)
(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(jié)點(diǎn)送達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。
(2)平均延時(shí)。平均延時(shí)統(tǒng)計(jì)的是一個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的平均時(shí)間。它是反映數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地時(shí)間長短的性能指標(biāo)。延時(shí)包含鏈路上數(shù)據(jù)傳播延時(shí)、MAC層的重傳延時(shí)、數(shù)據(jù)排隊(duì)等候延時(shí)、發(fā)現(xiàn)路徑緩沖延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)中處理數(shù)據(jù)延時(shí)等。為了準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，常常用平均延時(shí)來度量網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)，延時(shí)越小則說明網(wǎng)絡(luò)越通暢。
(3)數(shù)據(jù)包投遞率。數(shù)據(jù)包投遞率由成功到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)目與源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包傳送數(shù)目的比值，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，投遞率越高網(wǎng)絡(luò)可靠性越大。
2．2 實(shí)驗(yàn)場景
由于需要對仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，可用cbrgen與setdest兩個(gè)NS2提供的工具進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。本文所設(shè)計(jì)的仿真場景是一個(gè)300m×300m的矩形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布了100個(gè)節(jié)點(diǎn)，這也與現(xiàn)實(shí)中隨機(jī)布點(diǎn)是類似的。仿真時(shí)間持續(xù)100s，節(jié)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(shù)為10，數(shù)據(jù)包大小為512Byte，發(fā)送速率為每秒發(fā)送10數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)類型選擇的是CBR流。在給定的仿真場景中每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，最大運(yùn)動(dòng)速度為10m／s。具體的場景設(shè)置參數(shù)如表1所示。