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，通過比較現(xiàn)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，通過仿真結(jié)果的比較、分析，獲得了與理論分析基本相一致的結(jié)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(guī)模較大的MANET網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果為后續(xù)提出優(yōu)化路由協(xié)議和對現(xiàn)有協(xié)議改進工作提供了有效的仿真依據(jù)。
關(guān)鍵詞：路由協(xié)議；MANET；OPNET仿真平臺；DSR

0 引言
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)即移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)成為了研究熱點。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組移動節(jié)點形成的一個多跳的、臨時性的自治系統(tǒng)。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有分布性、動態(tài)性、自治性、易構(gòu)性和移動性，使得無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、自然災(zāi)害應(yīng)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、高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、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(dāng)前研究的熱點之一。

1 MANET的路由協(xié)議
MANET的路由協(xié)議大致分反應(yīng)式(Reactive)路由協(xié)議和先驗式(Proactive)路由協(xié)議。
1．1 反應(yīng)式路由協(xié)議
反應(yīng)式路由協(xié)議又稱為按需路由協(xié)議，是一種當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點不需要維護及時準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點發(fā)送報文時，源節(jié)點才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。
目前應(yīng)用較廣的反應(yīng)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(xiàn)和路由維護兩部分。節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查緩存中是否存在未過期的到達目的節(jié)點的路由，存在就可直接使用，否則采用洪泛發(fā)實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)過程。
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避免產(chǎn)生無效路徑，而不使用周期更新的辦法。當(dāng)某個節(jié)點有路由需求時，該節(jié)點產(chǎn)生一個REEQ，并向臨時節(jié)點廣播，一直到目的節(jié)點接收到為止，然后目的節(jié)點回送RREP信號，直到源節(jié)點為止。在維護過程中通過周期廣播HELLOW信號來表明某節(jié)點的存在。
除此以外，反應(yīng)式的路由協(xié)議還有很多，諸如：臨時按序路由協(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)議又稱為表驅(qū)動路由協(xié)議，在這些協(xié)議中，每個節(jié)點維護一張包含到其他節(jié)點路由信息的路由表，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點更新自己的路由表。源節(jié)點一旦要發(fā)送報文，可以建立立即獲取到達目的節(jié)點的路由。目前主流的表驅(qū)動路由協(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，加入了避免路由環(huán)路機制，每個節(jié)點都保存一張路由表，路由表中包含所有節(jié)點及其距離信息，通過廣播來維持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連通性，同時使用目的節(jié)點序列號來區(qū)別新舊路由。而WRP路由算法同樣是對路徑發(fā)現(xiàn)算法PFA的改進，它利用去往節(jié)點的路徑長度和相應(yīng)路徑到達倒數(shù)第二跳節(jié)點信息加速路由協(xié)議的收斂速度，從而實現(xiàn)改進路由環(huán)路問題。

2 OPNET仿真平臺
目前眾多的專用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中有軟件公司開發(fā)的商用軟件，也有各大學(xué)和研究所自行開發(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?qū)ο蟮慕７绞剑⑻峁﹫D形化的編輯界面，便于用戶使用。它強大的功能和全面性幾乎可以模擬任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)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的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型。此外，功能完善的結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了有效又直觀的工具。OPNET的Molder是專門用于可視化原型設(shè)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(jié)點編輯器(Node Editor)、進程編輯器(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(biāo)
(1)路由發(fā)現(xiàn)時間(Routing Find Time)：路由變化的收斂速度是衡量常規(guī)路由協(xié)議的關(guān)鍵因素，但是對于Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)來說路由協(xié)議是不收斂的，因此將路由發(fā)現(xiàn)時間作為一性能測試指標(biāo)。
(2)端到端平均時延(Delay)：該參數(shù)是指源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點之間的時間，包括路由發(fā)現(xiàn)、隊列排隊、數(shù)據(jù)發(fā)送和傳播等。它反映網(wǎng)絡(luò)是否暢通，延時越小網(wǎng)絡(luò)越暢通，其單位為s。
(3)分組投遞率(Packet Delivery Fraction)：該參數(shù)統(tǒng)計投遞到目的節(jié)點的分組與源節(jié)點產(chǎn)生CBR分組的比率，單位為％。
3．1．2 網(wǎng)絡(luò)模型建立過程
移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型分別由10個移動節(jié)點，依次為0，1，2，…，10，隨機分布在1 000 m×1 000 m區(qū)域內(nèi)的校園網(wǎng)環(huán)境中，物理上的無線通信OPNET通過管道(Pipeline)來模擬，它包括14個管道階段：
(1)接收機組；
(2)傳輸延時；
(3)鏈路閉鎖；
(4)信道匹配；
(5)發(fā)射機天線增益；
(6)傳播延時；
(7)接收機天線增益；
(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(jié)點的移動通過軌跡項定義，這里選擇每段運動時間為5 m／s，屬于中速運動。其中：源節(jié)點業(yè)務(wù)流為CBR(Continuous Bit-Rate)；分組間隔為4 packet／s；分組大小為512 B；仿真開始時間為5 s；仿真時間為500 s；節(jié)點發(fā)送功率為0．005 W；信道帶寬為為2 000 kHz。