基于ＮＳ－２的ＭＡＮＥＴ路由協議仿真及性能評估

摘要：簡單介紹MANET(Mobile Ad hoc Network) 路由協議后，提出定量評估MANET路由協議性能的六個基本指標。基于網絡仿真器NS2闡述了評估和測試路由協議性能的仿真模型及數據結果的分析方法，并給出仿真實例及其分析。結果表明，模型仿真結果接近理論分析和實際情況，該性能評估方法有較強的實用性和通用性。

關鍵詞：移動Ad hoc網絡（MANET）；網絡仿真器NS－2；性能評估；仿真模型

中圖法分類號：TP391．9文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2006)09－0240－03

1引言

移動Adhoc網絡即移動自組網（MobileAdhocNetwork，MANET），是由攜帶無線收發設備的移動節點組成的臨時性網絡，它具有自創造、自組織和自管理的特點。MANET組網靈活快捷、設施投資少，并且不受固定拓撲限制，其路由協議的開發和研究逐漸成為熱點，協議性能評估的重要性也日益凸現。而通過模擬網絡環境對協議性能進行測試和評估實現代價低，控制靈活方便，因此被廣泛采用。當前技術比較成熟的網絡仿真器有OPNET，NS2等，它們均支持多種網絡協議。

Adhoc網絡路由協議的目標是快速、準確、高效、可擴展性好［1］。結合Adhoc網絡多使用可耗盡性能源供電和無線通信帶寬受限等特性，為了全面評估MANET路由協議，除使用分組傳遞率、路由開銷等一般性能指標外，還應該考慮到路徑優化性、功耗以及端到端吞吐量等指標。文獻［2~4］分別仿真和比較了幾種按需路由協議，但是所采用的性能指標并沒有完全體現上述路由協議目標的實現情況。本文給出六個性能指標，并基于網絡仿真器NS2提出一種MANET路由協議的仿真和評估模型，能夠滿足合理而全面地評估MANET路由協議性能的要求。

2MANET路由協議

按照路由發現策略的不同，MANET路由協議分為三種：

(1)表驅動式路由協議，又稱先應式。它維護不同數目的表格，用以存儲到達其他節點的路由信息。當節點檢測到網絡拓撲發生變化時，發送路由更新消息并更新自己的記錄。這種路由協議的特點是能夠快速提供準確的路由信息，但是網絡開銷大、可擴展性差，適合于小規模網絡。主要有DSDV（DestinationSequenceDistanceVector），WRP（WirelessRoutingProtocol）等協議。

(2)按需路由協議，又稱反應式。它一般包括路由發現和路由維護兩個階段。當源節點沒有到達目的節點的相應路由信息時，才按需啟用路由發現機制。它不需要周期性地廣播路由，只維護部分拓撲信息。其特點是節省網絡資源、開銷小、可擴展性強，但是路由查找過程會引入較大時延。主要有AODV（AdhocOndemandDistanceVector），DSR（DynamicSourceRouting），TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)等協議。

當源節點需要獲得到目的節點的路由，而路由表中無相應記錄時，啟用路由發現過程。路由請求分組以廣播的方式，向整個網絡傳播。當有路由請求報文到達目的節點時，目的節點將向源節點返回應答報文。最終在源與目的節點之間建立起活動路徑。

通過周期性地廣播Hello報文或應答方式來監視鏈路狀態進行路由維護。當活動路徑上的某段鏈路發生中斷使該路由失效時，將發送路由出錯分組通知其他節點修改相應路由信息。

(3)混合式路由協議，在局部范圍內使用表驅動式路由，目的節點較遠時，采用按需式路由。綜合前兩者的優缺點，改善了時延特性，擴展性也有所改進。例如ZRP（ZoneRoutingProtocol）是典型的混合式路由協議。

3路由協議性能評估指標

為了判斷和衡量某種路由協議的性能高低，需要通過定性和定量的評估指標來度量。而且這些指標應該獨立于欲測評的協議類型，同時對所有路由協議均適用。參照InternetRFC2501［5］本模型提出六種定量指標：

(1)平均端到端吞吐量（AverageEndtoEndThroughput），指通信中單位時間內網絡成功發送數據包的最大比特數。通過終端用戶應用層接收的數據流量來描述，因此體現了網絡的通信性能。

(2)平均端到端時延（AverageEndtoEndDelay），包括所有可能的時延，如路由發現過程中的延遲、接口隊列處的排隊時間、MAC層傳輸時延和傳播與接收時間等。該指標對路由算法執行效率的測度和統計非常重要。針對移動Adhoc這種多跳無線網絡，它影響到源節點與目的節點間的總通信時間，反映了網絡的互通性。

(3)平均功耗（AveragePowerConsumption），指每個節點通信中平均消耗的功率。無線移動網絡節點多使用電池等可耗盡能源供電，因此在需要延長節點壽命的應用環境中需要選擇功耗低的路由協議。這一指標反映路由協議的能耗特性，在帶寬和功率受限的MANET環境中顯得尤為重要。

(4)分組傳遞率（PacketDeliveryFraction），指接收端成功接收到的分組總數和發送端產生的分組總數之比。描述通過應用層觀察到的分組丟失率，在一定程度上反映了協議的完整性和可靠性。

(5)路由開銷（RoutingOverhead），指仿真期間傳輸的路由控制分組總數。路由的控制信息少，開銷則低，從而協議的運行效率提高，帶寬和能源消耗相應降低。另外，路由開銷也是代表協議擴展性的指標，可用來比較適應網絡擁塞的能力。

(6)路徑優化（PathOptimality），指網絡實際選擇路由的跳數與理論上最短路徑的跳數之差。它表示路由協議使用網絡資源的效率，差值越小意味著實際使用路由越短，路徑優化性能越好。

綜上所述，六個指標比較全面地反映了MANET路由協議的不同特性：

(1)尋找路由的時間和傳送時延的長短，即快速性；

(2)功耗特性、路由控制信息量與路由開銷的多少和路徑優化程度，即高效性；

(3)對網絡規模變化的適應性，即可擴展性。

實際上，當考慮無線移動網絡的路由協議性能評估指標時，還要注意其應用環境，即網絡規模、鏈路容量、通信流量模式及節點移動速率等因素。

4仿真模型及數據分析

NS2是離散事件驅動的網絡仿真器［6］，由美國伯克利大學開發，為多種網絡和路由協議提供免費的開放性仿真平臺。使用C++和OTcl（OrientedObjectToolCommandLanguage）兩種面向對象的設計語言，分別完成具體協議的模擬實現和網絡環境參數設置或改變的任務。

4．1仿真環境

仿真環境［3，6］包括移動模型和通信流量模型，不同的設置提供了變化的網絡環境和載荷，將直接影響到最終生成的跟蹤文件中的數據結果。用戶從跟蹤文件中提取和分析相關信息并計算出不同環境下路由協議的性能指標值。

移動模型設置移動區域面積、節點數目、節點移動速度等參數。仿真器內部機制計算出路由的最優跳數值，并附于分組信息中。移動區域為X（m）×Y（m）隨機分布N個節點的矩形區。節點采用RandomWaypoint運動模型［7］，先設定一個靜止時間（PauseTime），每個節點在靜止時間結束后，以在最小速度與最大速度［Minimumspeed，Maximumspeed］范圍內隨機選擇的恒定速度向隨機選定的目的節點移動，并將此運動看作瞬時完成，在到達新目的點靜止后重復上述過程。如果設定靜止時間趨近于零則這一離散模型逼近連續運動；反之，若靜止時間值等于總仿真時間，網絡內節點接近靜止，故仿真結果具有一般性。

網絡通信流量由流量生成器產生，對于無線網絡的流量及網絡連接模式可以通過NS2自帶的流量生成器腳本文件完成設定，有CBR（常比特速率）流量連接和TCP流量連接兩種選擇。其中需要定義節點數目、生成器隨機種子、最大通信鏈接數目以及分組的發生率等參數。

4．2節點模型

無線網絡單播節點包括路由代理（RoutingAgent）等對象。路由代理自動被賦予唯一的端口號（默認是255），屬于傳輸層實體，它掌握了分組大小、業務類型、目的地址等信息，負責將分組轉發給合適的相連節點。目前NS2可以實現的無線網絡仿真模型中，路由代理有DSDV，DSR，AODV及TORA四種類型。利用C++語言，用戶也可以設計自己的路由協議，編譯通過嵌入NS2后，即可在OTcl腳本文件中對其調用。

4．3網絡棧組件

為實現移動Adhoc網絡的路由協議仿真，仿真模塊中每個移動節點均配置了網絡棧組件，包括物理層、MAC層、接口隊列及鏈路層等組件，最后均與物理信道相連。完整的仿真模型構件如圖1所示。

4．4跟蹤文件分析

激活不同的跟蹤層，相應節點和業務流的分組信息將被記錄在跟蹤文件(TraceFile)中。分析和提取文件中的數據信息為路由協議的性能評估奠定基礎，是必須進行的環節之一。MANET協議仿真至少需要激活路由層(RTR)與代理層(AGT)，以便獲取相關跟蹤記錄。不同網絡仿真層次的跟蹤文件對應特定的格式，如對應代理層的部分內容為

針對各性能指標需要提取其對應標志的數據，幾個必要的標志含義如表1所示。由表1可知，計算跟蹤代理層的收發分組數目、分組大小是獲取端到端吞吐量和分組傳遞率的前提；而能量等級數則與節點功耗相關；分組轉發次數與最優轉發次數的差值則反映路由優化的情況。

表1跟蹤文件部分標志含義縮寫含義標志含義s:發送r:接收d:丟棄f:轉發t時間Ni節點IDNe能量等級Nl跟蹤層Is源地址.端口號Id目的地址.端口號It分組類型Il分組大小Ii唯一ID標志Pn分組類型Pi序列號Pf該分組轉發次數Po最優轉發次數

5仿真實例及結果分析

5．1仿真參數配置

實例設置50個相同節點，地位平等隨機分布于1000m×500m的矩形區域中。運動模型的靜止時間取0s，20s，80s，120s和200s，即改變網絡中節點的移動性設置五種仿真環境。為了更直觀地評估路由協議性能，網絡流量由CBR數據源產生，最大連接數20，分組發送率4Kbps。采用UDP無連接協議。同時激活能量仿真模型測試功耗特性。每個節點具有足夠的初始能量，不會出現因能源不足而停滯的情形。

5．2路由代理

按需路由協議是Adhoc網絡特有的協議類型，本文以AODV（按需距離矢量路由）協議和DSR（動態源路由）協議分別作為代理模型進行路由機制的仿真建模。

AODV作為DSDV和DSR兩種路由協議的結合體，繼承了DSDV的逐跳(HopbyHop)路由、序列號機制，路由維持機制采用周期性廣播Hello報文的形式；DSR使用源路由機制，通過應答方式監視鏈路狀態，在主機發送數據失敗時，傳送路由出錯信息從而通知其他節點。

目前最新版本NS2.26仿真器中實現了AODV第9版草案［8］以及DSR對第5版草案［9］改進后［3］的建模。本文通過嵌入瑞典烏普薩拉大學開發的AODVUU［10］后臺程序完成對第13版草案［11］的仿真測試，實現了其中AODV的改進性能，不僅支持Hello報文機制，同時還可利用802.11協議鏈路層的反饋信息監視鏈路狀態。缺省配置采用的是后者方案，在一定程度上減少了AODV周期廣播Hello報文的路由開銷。

5．3性能仿真結果

5．3．1平均端到端吞吐量

如圖2所示，網絡業務流量適中，節點移動性逐漸下降，則拓撲結構變化緩慢，路由控制信息量呈減少趨勢，隨之平均端到端吞吐量逐漸升高。而此時DSR網絡的分組傳輸率略高，其吞吐量也高于AODV網絡，說明仿真結果屬實。

5．3．2平均端到端延遲

如圖3所示，在業務流量適中的環境下，隨著節點移動速率的減慢，網絡拓撲結構趨于穩定，因此兩種協議的端到端延遲逐漸下降符合實際情況。又因為AODV實時監控鏈路狀態機制的優越性不足以表現，而DSR的路由信息緩存功能則使其端到端通信延遲低于前者。

5．3．3平均功耗

如圖4所示，節點移動速率降低，路由控制信息分組減少，故節點的平均功耗逐漸下降。雖然DSR網絡在路由維護過程中不需要發送答復報文，但由于分組需攜帶完整的路由信息，若同時再選用混雜模式會消耗更多能源。因此從節能的角度看，該協議稍差于AODV。

5．3．4分組傳遞率

結果如圖5所示，由于網絡流量和節點數目適中，兩種路由協議的路由機制均可以充分發揮優勢。故分組傳遞率高于95％。當節點的靜止時間等于仿真時間極限時，網絡近似于無移動性，分組傳遞率達到100％。

5．3．5路由開銷

以路由控制信息分組個數為單位，兩種協議路由開銷的特性曲線如圖6所示。盡管采用了AODVUU路由機制，其路由開銷仍然超過DSR。這是因為DSR路由協議充分利用了路由緩存，并支持混雜模式，可獲取較多路由信息，而不必頻繁地啟用路由發現；再者AODV在路由發現過程中以廣播方式向所有節點發送請求分組，也增加了路由開銷。

5．3．6路徑優化

針對節點靜止時間為120s的仿真模型，兩種路由協議實際選擇路由的跳數與最短路由跳數的差別比較結果如圖7所示。由于DSR支持混雜模式，可監聽并選取更短路由，路徑優化性能自然高于AODV。

6結束語

根據仿真實例配置的參數，所建模型中的性能指標評估結果與理論分析和實際情況一致。當網絡流量和節點數目適中時，DSR路由協議可以快速地建立路由發送數據，其準確性優于AODV。考慮路由開銷和能耗時，AODV與DSR在高效性方面各有所長：AODV分組傳遞率較低，端到端吞吐量較少，所以擴展性次于DSR，因此應用于規模較小的網絡中；而DSR的綜合性能高于AODV。

基于NS2對MANET路由協議仿真和性能評估模型還能夠實現新路由協議的嵌入及調用，具有良好的實用性和較強的通用性。

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作者簡介：

牛秋娜(1977)，女，助教，碩士研究生，主要研究方向為網絡通信及安全性；王美琴(1974)，女，博士研究生，主要研究方向為網絡安全與網絡測試；王英龍(1965)，男，研究員，博士研究生，主要研究方向為網絡及信息安全；徐永道(1978)，男，碩士研究生，主要研究方向為網絡通信及安全技術。