陳強(qiáng)偉 趙建華 楊雪芹

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）（2.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安 710121）

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分析及改進(jìn)?

陳強(qiáng)偉1趙建華1楊雪芹2

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）（2.西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安 710121）

由于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心、自組織、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)，所以何種路由協(xié)議的使用，尤為關(guān)鍵。使用Qual?Net軟件對(duì)自組網(wǎng)按需距離矢量路由（AODV）和目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量路由（DSDV）進(jìn)行了仿真，并提出了MCCR是以AODV為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)的分布式路由算法。從平均端到端延時(shí)、抖動(dòng)率、吞吐量以及丟包率四個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，對(duì)路由協(xié)議進(jìn)行了性能分析，并且設(shè)置了不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度以及節(jié)點(diǎn)的包停留時(shí)間參數(shù)，分析比較了這些參數(shù)對(duì)路由協(xié)議性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在AODV路由協(xié)議優(yōu)于DSDV路由協(xié)議，由AODV改進(jìn)的MCCR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)最佳。

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；QualNet；丟包率；MCCR

1 引言

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組無(wú)線接收裝置和無(wú)線發(fā)送裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)［1，3］，它沒(méi)有依靠預(yù)先設(shè)置的基礎(chǔ)的通信設(shè)施，而是短暫快速地自行建立組成通信網(wǎng)絡(luò)。在通信網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)利用各自的無(wú)線收發(fā)裝置進(jìn)行交換信息，這樣，就會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都可以分享和享用信息。如果在兩個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信范圍過(guò)大，不足以建立通信，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行一跳、兩跳甚至多跳的建立網(wǎng)絡(luò)通信，因此，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心、自組織、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信等固定通信基站的中心控制設(shè)備相比，在一些特殊的通信環(huán)境條件下，如地震、山體滑坡等災(zāi)害，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)這種沒(méi)有中心控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)提供臨時(shí)快速的通信服務(wù)。

Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的組成部分是路由協(xié)議，理想的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議必須具備以下功能：1）維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞逆溄樱?）快速地了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；3）良好的自適應(yīng)能力。

根據(jù)路由的驅(qū)動(dòng)方式，可以把Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分成路由表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議（table drive routing protocol）和源節(jié)點(diǎn)觸發(fā)的按需路由協(xié)議［1～5］（source initiated on demand routing protocol）。而其中，AODV是屬于源節(jié)點(diǎn)觸發(fā)的按需路由協(xié)議的一種協(xié)議，而DSDV是屬于路由表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的經(jīng)典協(xié)議的一種協(xié)議。

而在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中選用何種路由協(xié)議，必須先要明白不同協(xié)議的作用，在不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)的性能如何變化。本文的路由協(xié)議是在QualNet的網(wǎng)絡(luò)軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的，對(duì)端到端延遲，丟包率，抖動(dòng)率以及吞吐量四個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析比較。

2 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議綜述

2.1 DSDV路由協(xié)議綜述

在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中，目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量路由（DSDV）是對(duì)路由信息協(xié)議（RIP）的改進(jìn)，DSDV［4，6］為 RIP 的每個(gè)路由表添加了一個(gè)新屬性的序列號(hào)。新添加的序列號(hào)，即可以防止形成路由環(huán)路的情形，又可以區(qū)分新的路由信息。DSDV路由協(xié)議維持了從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的路由信息，即使路由表。路由表的內(nèi)容包括了，從該目的節(jié)點(diǎn)接收到的序列號(hào)、到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)以及路由的“下一跳”節(jié)點(diǎn)的地址。

DSDV路由協(xié)議更新路由表的方式：1）時(shí)間驅(qū)動(dòng)的更新方式：這種更新方式是周期性的，是全部拓?fù)湫畔⒏?，它不僅可以讓新加入的節(jié)點(diǎn)及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓男畔?，還可以對(duì)更新的內(nèi)容，做出相應(yīng)的改變。這種方式適用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化快的情況。2）事件驅(qū)動(dòng)的更新方式（逐步更新），只有當(dāng)路由發(fā)生變化時(shí)，才進(jìn)行更新，這種更新方式及時(shí)反映出網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓@種更新方式，適合在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓徛那闆r下使用。

2.2 AODV路由協(xié)議綜述

在對(duì) DSDV 協(xié)議的了解后，AODV［3～5，13］不僅有DSDV協(xié)議的長(zhǎng)處還有自己發(fā)展出來(lái)的優(yōu)勢(shì)，所以，AODV協(xié)議是DSDV協(xié)議為基礎(chǔ)的，并接受了DSR協(xié)議的思想進(jìn)行綜合改進(jìn)后得到的。在2003年7月，AODV協(xié)議正式被IETF MANET工作組納入到自組網(wǎng)路由協(xié)議的RFc標(biāo)準(zhǔn)中。

AODV路由協(xié)議過(guò)程：首先，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)想與其他節(jié)點(diǎn)通信，而它的路由表中，又沒(méi)有相應(yīng)的路由連接信息時(shí)，源節(jié)點(diǎn)通過(guò)向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ（Route Requests）分組，來(lái)發(fā)起一次路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。其次，正向路由的建立過(guò)程，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所建立的路由信息。而RREQ的內(nèi)容有兩個(gè)，一個(gè)是源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)：保持到源節(jié)點(diǎn)的反向路由的特性；另一個(gè)是目的序列號(hào)：說(shuō)明到目的節(jié)點(diǎn)的最新路由情況。再次，反向路由的建立過(guò)程，源節(jié)點(diǎn)以廣播的方式將RREQ中轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，在經(jīng)過(guò)每個(gè)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，都會(huì)自動(dòng)建立與源節(jié)點(diǎn)的反向路由。還有，路由表的管理過(guò)程，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表中即源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，又儲(chǔ)存了其他必要的信息。最后，路由的維護(hù)過(guò)程，路由維護(hù)，顧名思義是維持保護(hù)修改的路由信息，依據(jù)RREQ中的信息內(nèi)容的變化，得到一條最有效最優(yōu)越的路由。

2.3MCCR路由協(xié)議綜述

MCCR［11～12］是由 AODV 協(xié)議為基礎(chǔ)改進(jìn)而來(lái)，其路由協(xié)議的過(guò)程主要有兩部分，和AODV協(xié)議一樣，包括路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程和路由維護(hù)過(guò)程。路由協(xié)議的主要開(kāi)銷來(lái)自于路由請(qǐng)求，其開(kāi)銷的形式有：RREQ信息包，RREP信息包，RERR信息包三中類型。MCCR中用MCCM來(lái)替代AODV中以跳數(shù)作為路由判斷依據(jù)，以MCCR為路由判據(jù)的路由選擇描述，從而達(dá)到改進(jìn)路由協(xié)議的目的。

3 QualNet仿真環(huán)境

為了分析這三種路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的影響，本文采用控制變量法來(lái)進(jìn)行研究，通過(guò)改變參數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，設(shè)置了是三個(gè)控制參數(shù)［1，3～4，8］：網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度以及節(jié)點(diǎn)包停留時(shí)間。QualNet軟件仿真中使用的參數(shù)如表1網(wǎng)絡(luò)流量參數(shù)表、表2節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)表、表3 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)參數(shù)屬性所示。

在本次實(shí)驗(yàn)仿真中，為了清晰地反映兩種協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將用到四個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，分別是網(wǎng)絡(luò)的平均端到端的延時(shí)、丟包率、抖動(dòng)率以及吞吐量［6］。

表1 網(wǎng)絡(luò)流量參數(shù)

表2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

表3 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)屬性

1）平均端到端延時(shí)（average end-to-end de?lay-time）：端到端延時(shí)包括壓縮包組和解壓包組的延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的排隊(duì)時(shí)延、傳播時(shí)延以及傳輸延時(shí)［7］，這里主要討論的時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)。如圖1所示的端到端傳播示意圖。

其中，i的范圍是0—總發(fā)送的信息包數(shù)

2）丟包率（packet loss rate或drop packet rate）：在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量占總的發(fā)送數(shù)據(jù)包的比率。

3）抖動(dòng)率（jitter rate）：抖動(dòng)率是網(wǎng)絡(luò)延遲的變化量，它是由同一應(yīng)用的任意兩個(gè)相鄰數(shù)據(jù)包在傳輸路由中經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)延遲而產(chǎn)生；

其中 DP(j)是數(shù)據(jù)包P（j）的延時(shí)，DP(i)是數(shù)據(jù)包P（i）的延時(shí)。

4）吞吐量（throughput）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量，常用單位b/s。

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

正如前文分析的，理想的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，不僅要求平均端到端延時(shí)要小，還要求在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程較小的丟包率和抖動(dòng)范圍小的抖動(dòng)率以及較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

由于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的偶然性和隨機(jī)性，因此，對(duì)于每組參數(shù)中的每個(gè)性能指標(biāo)都做了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，最后取各自的平均值作為描述每個(gè)性能指標(biāo)的結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)數(shù)據(jù)，是以節(jié)點(diǎn)2為源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為目的節(jié)點(diǎn)為對(duì)象。對(duì)與每組參數(shù)的仿真結(jié)果，進(jìn)行處理保存，得到了平均端到端延時(shí)、丟包率、抖動(dòng)率以及吞吐量四個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)。通過(guò)制圖制表工具，繪制出了每組參數(shù)中的每個(gè)性能指標(biāo)的結(jié)果數(shù)據(jù)圖，并對(duì)數(shù)據(jù)圖像結(jié)果進(jìn)行分析。

1）網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)-端到端的時(shí)延

如圖2（a）所示，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，DS?DV路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的端到端延時(shí)都是高低起伏的，而AODV和MCCR路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的端到端延時(shí)處于平穩(wěn)，低于DSDV的作用，且MCCR的影響要比AODV協(xié)議影響要小。如圖2（b）所示，隨著節(jié)點(diǎn)包停留時(shí)間增加，AODV和MC?CR的端到端時(shí)延曲線呈穩(wěn)定增大趨勢(shì)，而DSDV呈緩慢增加轉(zhuǎn)至突然增大的趨勢(shì)。如圖2（c）所示，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，AODV和MCCR的端到端時(shí)延基本保持不變，且MCCR的影響作用小于AODV作用，而DSDV出現(xiàn)了先增大后減小的動(dòng)蕩趨勢(shì)。這是因?yàn)锳ODV和MCCR的報(bào)文開(kāi)銷量小，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目少的或流量負(fù)載高的情況下，端到端的時(shí)延較??；因?yàn)镈SDV不能快速地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，在不同的移?dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓焖伲远说蕉藭r(shí)延起伏很大。

2）網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)-丟包率

如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示，不論是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，還是節(jié)點(diǎn)包停留時(shí)間的增加以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，AODV和MCCR路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響的丟包率均低于DSDV對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響的丟包率，而且MCCR的對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包率的影響小于AODV的影響作用。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)浞€(wěn)定的時(shí)候，AODV和MCCR的丟包率接近于0，即AODV和MCCR的網(wǎng)絡(luò)成功分組投遞率接近100%。而對(duì)于不能快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓穆酚蓞f(xié)議DSDV來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)丟包率就會(huì)增加，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)成功分組投遞率就降低了。

3）網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)-抖動(dòng)率

在這里主要比較了DSDV和AODV協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)率影響的測(cè)量與分析。

如圖4（a）所示，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于50的時(shí)候，AODV的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性明顯優(yōu)于DSDV的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性；在大于50時(shí)，兩者的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性都出現(xiàn)明顯波動(dòng)。如圖4（b）所示，在節(jié)點(diǎn)包停留時(shí)間小于4是，AODV的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性與DS?DV的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性比較平穩(wěn)，而大于4后，出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。如圖4（c）所示，在節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度為10m/s和大于50m/s時(shí)，DSDV的抖動(dòng)率出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。而隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，AODV的抖動(dòng)率的平穩(wěn)性保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平上。

4）網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)-吞吐量

如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）所示，在隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)包停留時(shí)間或節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度的增加是，AODV和MCCR對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響的節(jié)點(diǎn)吞吐量均大于DSDV的吞吐量，而且MCCR對(duì)網(wǎng)絡(luò)作用的吞吐量大于AODV作用的影響。如圖5（a）所示，三者吞吐量是減小趨勢(shì)，這是隨著網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋸?fù)雜化，進(jìn)而引起了吞吐量的下降。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理和分析可以得出，在不同參數(shù)條件下，對(duì)四種網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的分析，可以看出，在本次設(shè)置的仿真場(chǎng)景中，AODV路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)于DSDV路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)性能，而且對(duì)于改進(jìn)的MCCR路由協(xié)議也進(jìn)行了相關(guān)的比較，結(jié)果表明：MCCR路由協(xié)議對(duì)Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)起到更加優(yōu)越的作用。

但是，隨著Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及人們對(duì)更高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的需求，就會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓友杆?，?jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議就不能滿足要求，所以，在接下來(lái)的工作中將進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索，不同協(xié)議的混合或探索出一種新型的協(xié)議來(lái)滿足當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，以便Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議更加高效地應(yīng)用于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中。

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Analysis and Improvement of Ad-Hoc Network Routing Protocol

CHEN Qiangwei1ZHAO Jianhua1YANG Xueqin2
（1.School of Electronics Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）（2.School of Communications and Information Engineering，Xi'an University of Posts&Telecommunications，Xi'an 710121）

The Ad-Hoc network is a non-central，self-organizing，dynamic-topology network，so which kind of routing proto?col use is particularly critical.QualNet software is used to simulate the on-demand distance vector routing（AODV）and the destina?tion node sequence distance vector routing（DSDV），and MCCR is proposed to improve the distributed routing algorithm based on AODV.From the average end-to-end delay-time，jitter-rate，throughput and packet loss rate of the four network performance indi?cators，to analyze to the routing protocol performance ，and set a different number of nodes，node movement speed and node packet retention time parameters.The effect of these parameters on the performance of the protocols is analyzed and compared.The experi?mental results show that the AODV routing protocol is superior to the DSDV routing protocol，and the performance of the MCCR pro?tocol improved by AODV is the best.

Ad-Hoc network，routing protocol，qualnet，packet loss rate，MCCR

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.017

Class Number TP393

2017年5月17日，

2017年6月25日

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號(hào)：2015GY019）資助。

陳強(qiáng)偉，男，碩士研究生，研究方向：車載自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，路由協(xié)議的研究。趙建華，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：信號(hào)處理與通信技術(shù)，電子技術(shù)應(yīng)用。楊雪芹，女，講師，研究方向：AD-Hoc網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)信息安全。