無線網絡路由協議性能的研究與仿真

摘要：文章簡要介紹自組網中常用的路由協議，利用網絡仿真軟件NS2對DSDV、DSR和AODV路由協議進行仿真，通過不同仿真場景計算出路由協議的第一個包收到時間、平均延時和包投遞率。結果表明DSDV路由協議適合用于節點靜止的網絡場景，在移動環境下使用AODV和DSR路由協議有更好的網絡性能。
關鍵詞：自組網；DSD；DSR；AODV

0 引言
自組網(Ad hoc network)是由一組帶有無線收發裝置的移動節點組成的自治系統。其特點是自組織、多跳、可以臨時性建立鏈路，在該網絡中，信道的環境、網絡的拓撲、業務的模式都是隨節點的移動而動態改變的。自組網為任意環境下的通信提供了較好的解決方案，在軍事領域和民用通信中有廣泛應用。目前自組網與2．5G和3G移動通信進行了有效的結合，大規模寬帶無線自組網將會成為寬帶無線通信或未來移動通信的重要形式。
在自組網環境中，由于節點的無線通信覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的移動節點可以通過中間節點進行報文轉發以實現數據通信，因此該過程需要路由協議進行數據包轉發決策，節點采取什么樣的策略轉發報文能獲得良好的通信效果顯得很重要。路由協議是近年的研究熱點和難點，路由協議需要迅速適應拓撲變化，完成路由建立和維護工作，盡量減少控制開銷以提高網絡吞吐量。目前適用于自組網的新協議一般以廣播或組播方式建立網絡路由，普遍得到認可的代表性協議有DSDV(Destination sequenced distance vector)、DSR(Dynamic Sou rce Routing)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)。

1 無線網絡路由協議
按路由發現策略，自組網路由協議可分為主動路由和按需路由兩類。主動路由協議是節點通過定期地廣播路由信息數據包，路由器間交換路由信息，計算出相關路由，節點維護去往全網所有節點的路由，發現策略與傳統路由協議類似。主動路由協議主要有DSDV、GSR、WRP等協議。按需路由協議是根據需要來發起路由查找，當節點需要發送數據，路由表中又沒有有效的路由信息時，源節點才會向整網洪泛，尋找到達目的節點的路由。拓撲結構和路由表信息都是按需建立，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分。按需路由協議在通信過程中需維護路由，通信完畢后便不再進行維護。按需路由協議主要有DSR、AODV、TORA等。
1．1 DSDV
DSDV協議是一種點到點距離向量路由協議，它需要每個節點向鄰節點定期廣播路由信息，每個節點都維護一個路由表。當網絡拓撲有變化以至于路由表變更時，結點也會主動發送更新的路由給相鄰的節點。DSDV協議和互聯網上的DV協議基本相同，只是路由信息中多了目的節點序列號的記錄，引入目的節點序列號后，既能區別路由信息的新舊，又能有效避免產生路由環路和無限計數的問題，適合無線自組網這種節點快速變動的網絡所需。當節點收到多個不同的矢量表數據包時，選用序列號較大的路由信息來計算，如果序列號相同則看誰的路徑短。
1．2 DSR
DSR協議是一種基于源路由方式的按需路由協議。在DSR協議中，當源節點發送報文時，在數據報頭部攜帶到達目的節點的路由信息，該路由信息由網絡中的若干節點地址組成，源節點的數據報文就通過這些節點的中繼轉發到目的節點。DSR路由協議主要包括路由發現和路由維護過程。路由發現過程主要用于幫助源節點獲得到達目的節點的路由。節點通過路由發現過程獲得到達網絡中其他節點的路由。在路由發現過程中源節點首先向鄰節點廣播“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到目的節點路由中的中間節點地址，當路由請求報文到達目的節點時，該字段中的所有節點地址即構成了從源節點到目的節點的路由。當路由中的節點由于關機、移動等原因無法保證到達目的節點時，當前的路由就不再有效了。路由維護過程監測當前路由的可用情況，當監測到路由出現故障時，將調用新一輪路由發現過程。
1．3 AODV
AODV協議借鑒了DSR協議的按需路由機制和DSDV協議的點到點路由機制。AODV協議采用逐跳的方式轉發數據包，不需要在報文中攜帶完整的路由消息。AODV協議路由發現過程由源節點發起，當某節點需要發送一個數據包時，先檢查本節點的路由表是否存在一條到目的節點的有效路由。如果沒有，則需要向鄰節點廣播路由請求數據報文，其中記錄著發出的源節點和目的節點的地址，鄰近節點收到路由請求數據報文，先判斷其中的目的節點是否就是本節點，如果不是，再在路由表中查找是否有到目的節點的路由。每一條路由都對應著一個序列號，路由更新時序列號也隨著更新。AODV協議的路由維護是通過定期的廣播hello報文來實現的，發現某條鏈路斷開時，節點就發送路由錯誤消息報文通知那些因鏈路斷開而不可達的節點刪除相應的路由記錄。

2 仿真實驗及分析
NS2是由伯克利大學開發的一個離散的事件驅動的仿真軟件，支持鏈路層及其以上的以數據包為單位的仿真，支持無線網絡和有線網絡。本實驗采用NS2作為仿真平臺，仿真實驗的目的是研究不同場景的情況下DSDV、DSR和AODV協議的網絡性能。
2．1 性能參數
(1)第一個包收到時間。第一個包收到時間可以用來反映路由表的收斂時間，越早收到，則表示收斂速度比較快，較早將第一個包從源節點送達目的節點。
(2)平均延時。平均延時統計的是一個數據包從源節點成功到達目的節點經過的平均時間。它是反映數據包到達目的地時間長短的性能指標。延時包含鏈路上數據傳播延時、MAC層的重傳延時、數據排隊等候延時、發現路徑緩沖延時、網絡中處理數據延時等。為了準確地反映網絡的實際情況，常常用平均延時來度量網絡中的延時，延時越小則說明網絡越通暢。
(3)數據包投遞率。數據包投遞率由成功到達目的節點的數據包數目與源節點產生的數據包傳送數目的比值，反映了網絡傳輸的可靠性，投遞率越高網絡可靠性越大。
2．2 實驗場景
由于需要對仿真環境進行設置，可用cbrgen與setdest兩個NS2提供的工具進行參數設置。本文所設計的仿真場景是一個300m×300m的矩形區域，在區域內隨機分布了100個節點，這也與現實中隨機布點是類似的。仿真時間持續100s，節點發送功率為0．00 5 W，信道帶寬為2 MHz，MAC層使用IEEE802．11b協議，路由協議分別采用DSDV、DSR和AODV協議。CBR業務連接數為10，數據包大小為512Byte，發送速率為每秒發送10數據包，數據類型選擇的是CBR流。在給定的仿真場景中每個節點隨機選擇運動方向和運動速度，最大運動速度為10m／s。具體的場景設置參數如表1所示。