Ad Hoc典型路由協(xié)議仿真實(shí)現(xiàn)與性能分析

劉峰

摘要摘要：對(duì)Ad Hoc中目的序列距離矢量協(xié)議（DSDV）、按需距離矢量路由協(xié)議（AODV）及動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DSR）進(jìn)行理論分析和比較。在NS2平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)3種路由協(xié)議的仿真，討論分組投遞率、平均端到端時(shí)延和歸一化路由開銷3項(xiàng)性能指標(biāo)。通過Tcl編程給出圖示化結(jié)果，為不同應(yīng)用環(huán)境下的路由選擇提供思路。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；平均端到端延時(shí)；NS2仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.161094

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）001014903

引言

Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)[1]是一種多跳的無中心自組織網(wǎng)絡(luò)，又被稱為多跳網(wǎng)或自組網(wǎng)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是不定向運(yùn)動(dòng)的，并能夠相互保持消息同步與信息交流，但是消息同步與路由需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持。目前，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，典型的路由協(xié)議主要有DSDV、AODV、DSR等3種，本文將通過在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上對(duì)3種協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來比較分析它們的使用場景和性能優(yōu)劣[2]。

1Ad Hoc典型路由協(xié)議

者到達(dá)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，但它要包含到目的節(jié)點(diǎn)的路徑信息。然后該目的節(jié)點(diǎn)沿著這條路徑的反方向反饋一個(gè)路由應(yīng)答包，表明源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由請(qǐng)求包已收到，這樣就建立起一條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的一條路由信息。在找到路由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)存在路由過時(shí)的問題，需要通過包序列號(hào)來解決，通過辨識(shí)包序列號(hào)的大小來確認(rèn)路由的有效性。一般將包序列號(hào)大的那條路徑作為最新的路由，當(dāng)包序列號(hào)相同時(shí)，一般選擇經(jīng)過節(jié)點(diǎn)少的那條路徑作為最新路由，但也經(jīng)常存在鏈路中斷情況，這時(shí)源節(jié)點(diǎn)就需要重新啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。

1.3動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR

DSR（Dynamic Source Routing）是一種基于源路由的反應(yīng)式路由協(xié)議，其中主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)過程。路由發(fā)現(xiàn)過程主要如下：當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查自身的路由緩存表，看是否有到目的節(jié)點(diǎn)尚未過期的路由信息，若存在則按該路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送；如沒有，則需要向網(wǎng)絡(luò)的周圍廣播一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ。在每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)收到該請(qǐng)求包時(shí)，首先會(huì)檢查自身的路由表有無到該目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，若有該節(jié)點(diǎn)則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答包RREP，其中包含從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由信息；若沒有，則依次向周圍節(jié)點(diǎn)廣播該數(shù)據(jù)包，直到目的節(jié)點(diǎn)收到，或直到目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)收到，至此路由發(fā)現(xiàn)過程完成。

正確建立路由后，源節(jié)點(diǎn)則按照此路由向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳送中，還需要對(duì)已建立的路徑進(jìn)行維護(hù)和更新，當(dāng)發(fā)現(xiàn)路由改變或中斷時(shí)，需要源節(jié)點(diǎn)及時(shí)更新路由表或者重新尋找路由。反應(yīng)式路由協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示。

2.1網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2

NS[5] 是 Network Simulator的英文縮寫，又稱網(wǎng)絡(luò)仿真器。NS2的2是指網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的第二版，它本質(zhì)上是一個(gè)離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬器，可以很好地模擬現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。目前已經(jīng)驗(yàn)證FTP、Telnet、CBR等協(xié)議仿真的正確性和可靠性，整個(gè)仿真過程主要分為3個(gè)部分：改源碼、Tcl腳本、分析處理結(jié)果[5]。

2.2實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

NS2是在UNIX系統(tǒng)上開發(fā)的，因此可以在FreeBSD、SunOSc、UNIX和類UNIX系統(tǒng)上安裝，在基于Windows平臺(tái)的Cygwin環(huán)境中進(jìn)行仿真。 Cygwin是一個(gè)在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的模擬Linux環(huán)境，運(yùn)行Cygwin后，會(huì)得到一個(gè)類似于Linux的Shell環(huán)境，還可以使用絕大部分Linux軟件和功能，如Gcc、Make、Vim、Emacs等。實(shí)驗(yàn)在Windows + Cygwin + ns-allinone-2.34 環(huán)境下進(jìn)行。

2.3仿真實(shí)驗(yàn)

通過流量模型和移動(dòng)模型的仿真環(huán)境設(shè)置，本文主要選取以下場景的性能進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為：對(duì)50個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1000m x 800m 的矩形區(qū)域內(nèi)，停留時(shí)間為1s，最大移動(dòng)速度分別為 0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s，仿真時(shí)間為300s，網(wǎng)絡(luò)流量采用CBR 數(shù)據(jù)源產(chǎn)生，最大連接數(shù) 10，分組發(fā)送率為每秒2個(gè)數(shù)據(jù)包，采用UDP無連接協(xié)議，仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

2.4結(jié)果分析

因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的頻繁運(yùn)動(dòng)破壞了網(wǎng)絡(luò)的連通性，造成節(jié)點(diǎn)間路由的中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包不能被正確送達(dá)到目的地。其中，DSDV協(xié)議下的分組投遞率隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增大下降最快，直到65%左右，這是由于DSDV是先驗(yàn)式的路由協(xié)議，需要主動(dòng)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，與網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)交換路由信息，信息維護(hù)量較大，甚至不能及時(shí)更新路由表，導(dǎo)致分組被丟棄，造成DSDV的分組投遞率低，所以DSDV不適合在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓沫h(huán)境中使用。

從圖3 可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增大時(shí)，3種協(xié)議的延時(shí)都有所增加，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的頻繁運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓诓粩嘧兓?，以致路由?jīng)常發(fā)生中斷，節(jié)點(diǎn)需要一直廣播路由更新包，增大了網(wǎng)絡(luò)的路由開銷，使分組的傳輸時(shí)間增大；而按需路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)需要重新發(fā)現(xiàn)路由，加大了分組的整體傳輸時(shí)間，故導(dǎo)致分組的平均端到端延時(shí)增加。其中，DSDV協(xié)議的平均時(shí)延在三者當(dāng)中最小，這是由于DSDV協(xié)議的路由表中存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，節(jié)省了發(fā)現(xiàn)路由的過程。因此， DSDV協(xié)議適用于延時(shí)要求較高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

從圖4可以看出，3種協(xié)議的歸一化路由開銷有明顯差別，DSR協(xié)議的路由開銷最小，DSDV協(xié)議最大。DSDV協(xié)議是主動(dòng)式路由協(xié)議，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)維護(hù)和更新路由信息，需要大量廣播路由控制消息，所以DSDV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)開銷最大，需要較高的維護(hù)成本。

綜上所述，在分組投遞率上反應(yīng)式路由協(xié)議優(yōu)于主動(dòng)式協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較好的情況下甚至可達(dá)100%，在平均端到端時(shí)延上主動(dòng)式路由協(xié)議DSDV有較大優(yōu)勢，在路由開銷方面主動(dòng)式的路由協(xié)議比被動(dòng)式的開銷要大。通過3種協(xié)議的仿真實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①按需路由協(xié)議適合在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓沫h(huán)境中使用；②DSDV由于具有時(shí)延較小的優(yōu)勢，故適合在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中使用它；③在考慮到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用上，適合使用反應(yīng)式的路由協(xié)議DSR和AODV。

3結(jié)語

本文主要對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中DSDV、AODV、DSR協(xié)議進(jìn)行理論分析和比較，并在NS2平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了3種路由的仿真，對(duì)其性能優(yōu)劣作了分析，給出3種協(xié)議的適用場景。目前，尚不存在一種協(xié)議能夠解決Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中遇到的所有問題。因此，應(yīng)根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇最優(yōu)路由解決方案，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中還存在安全、功率控制問題，這些均是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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