基于OPNET仿真平臺的MANET路由協議性能分析

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

0 引言
隨著無線通信技術的不斷發展，一種新型的無線網絡即移動Ad Hoc網絡(Mobile Ad Hoc Network，MANET)成為了研究熱點。移動Ad Hoc網絡是由一組移動節點形成的一個多跳的、臨時性的自治系統。由于Ad Hoc網絡具有分布性、動態性、自治性、易構性和移動性，使得無線移動Ad Hoc網絡可以廣泛應用于軍事領域、自然災害應急處理、科學考察、探險、緊急通信等領域。然而，Ad Hoc網絡有其特殊的局限性，如有限的帶寬、高動態的網絡拓撲結構、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議成了當前研究的熱點之一。

1 MANET的路由協議
MANET的路由協議大致分反應式(Reactive)路由協議和先驗式(Proactive)路由協議。
1．1 反應式路由協議
反應式路由協議又稱為按需路由協議，是一種當需要發送數據才查找路由的路由算法。在這種路由協議中，節點不需要維護及時準確的路由信息，當向目的節點發送報文時，源節點才在網絡中發起路由查找過程，找到相應的路由。
目前應用較廣的反應式路由協議有DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad Hoc On Demand Distance Vector)。DSR協議使用源路由，主要包括路由發現和路由維護兩部分。節點發送數據時，首先檢查緩存中是否存在未過期的到達目的節點的路由，存在就可直接使用，否則采用洪泛發實現路由發現過程。
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生無效路徑，而不使用周期更新的辦法。當某個節點有路由需求時，該節點產生一個REEQ，并向臨時節點廣播，一直到目的節點接收到為止，然后目的節點回送RREP信號，直到源節點為止。在維護過程中通過周期廣播HELLOW信號來表明某節點的存在。
除此以外，反應式的路由協議還有很多，諸如：臨時按序路由協議(TORA)、逐段路由協議(SSR)等。
1．2 先驗式路由協議
先驗式路由協議又稱為表驅動路由協議，在這些協議中，每個節點維護一張包含到其他節點路由信息的路由表，當檢測到網絡拓撲結構發生變化時，節點在網絡中發送更新消息，收到更新消息的節點更新自己的路由表。源節點一旦要發送報文，可以建立立即獲取到達目的節點的路由。目前主流的表驅動路由協議有DSDV(Destimation Sequenced Distance Vector)和WRP(Wireless Routing Protocol)。DSDV是對Bellman Ford路由算法的改進，加入了避免路由環路機制，每個節點都保存一張路由表，路由表中包含所有節點及其距離信息，通過廣播來維持網絡節點的連通性，同時使用目的節點序列號來區別新舊路由。而WRP路由算法同樣是對路徑發現算法PFA的改進，它利用去往節點的路徑長度和相應路徑到達倒數第二跳節點信息加速路由協議的收斂速度，從而實現改進路由環路問題。

2 OPNET仿真平臺
目前眾多的專用網絡仿真軟件中有軟件公司開發的商用軟件，也有各大學和研究所自行開發的科研用軟件。
OPNET是一種優秀的網絡仿真和建模工具，支持面向對象的建模方式，并提供圖形化的編輯界面，便于用戶使用。它強大的功能和全面性幾乎可以模擬任何網絡設備，支持各種網絡技術，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和衛星通信網的模型。此外，功能完善的結果分析器為網絡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計的軟件，它的使用既方便了網絡模型的建立，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絡建模和仿真運行，它包括網絡編輯器(Network Editor)、節點編輯器(Node Editor)、進程編輯器(Process Editor)。

3 網絡仿真
在此，對MANET網絡中的經典路由協議AODV協議和DSR協議進行建模、仿真和分析。
3．1 網絡模型
3．1．1 協議性能測評指標
(1)路由發現時間(Routing Find Time)：路由變化的收斂速度是衡量常規路由協議的關鍵因素，但是對于Ad Hoe網絡來說路由協議是不收斂的，因此將路由發現時間作為一性能測試指標。
(2)端到端平均時延(Delay)：該參數是指源節點發送數據到目的節點之間的時間，包括路由發現、隊列排隊、數據發送和傳播等。它反映網絡是否暢通，延時越小網絡越暢通，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的分組與源節點產生CBR分組的比率，單位為％。
3．1．2 網絡模型建立過程
移動Ad Hoc網絡模型分別由10個移動節點，依次為0，1，2，…，10，隨機分布在1 000 m×1 000 m區域內的校園網環境中，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：源節點業務流為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；節點發送功率為0．005 W；信道帶寬為為2 000 kHz。