Ad hoc網中經典路由協議QoS性能研究

馮欣，尹方超，賀麗柏，韓永林

（長春理工大學 計算機科學技術學院，長春 130022）

移動自組網(MobileAdhocnetwork，MANET)是一種不需要基礎設施支持的無線網絡，具有移動、分布和多跳的特點。網絡中的所有節點具有終端和路由器的雙重功能。由于網絡拓撲結構動態變化、通信帶寬有限以及能量有限等原因，使得移動自組網的研究極具挑戰性。為了最大限度的節省能量消耗和提高通信帶寬，路由協議的選擇和設計就顯得非常重要，它既是信息的傳輸策略問題，也涉及到網絡的管理問題。目前自組織網的路由協議一般分為兩種：路由表協議(table driven)和源始發的按需路由協議(source-initiated on-demand driven)。路由表協議包括有：DSDV、CGSR、WRP等，源始發的按需路 由 協 議 有：DSR、AODV、LMR、TORA、ABR、SSR等。本文主要對DSR和AODV進行了分析研究，并且模擬仿真出相關的性能參數。

1 相關工作

AODV協議屬于源始發按需路由選擇（sourceinitiatedondemandrouting）協議，又被稱為反應式路由協議。與按表驅動的路由協議相反，按需驅動的路由協議不需要定期交換、更新路由信息，只有當源節點需要時才建立路由。一旦檢驗完所有可能的路由排列方式或找到新的路由后就結束路由發現過程；當新的路由建立后，由路由維護程序來維護這條路由，直到鏈路中不再需要或發生鏈路斷開為止。因此，使用按需驅動路由協議的節點往往只包含一部分網絡拓撲信息。常用的按需驅動的路由協議有DSR、AODV、TORA等。本文將主要對AODV進行性能分析與研究。

1.1 動態源路由協議（DSR）

DSR是基于源路由概念的按需自適應路由協議。移動節點需保留存儲節點所知的源路由的路由緩沖器。當新的路由被發現時，緩沖器內的條目隨之更新。

DSR主要由兩部分組成：路由發現和路由維護，具體工作流程如圖1和圖2所示。源節點A將路由請求（RREQ）消息局部廣播發送出去，如果目標節點E收到該請求包，給請求源 A回答一個RREP消息，路由請求源收到RREP消息后在本地Route Cache中緩存路由信息。

圖1 路由發現過程中的RREQFig.1 RREQ in route discovery process

圖2 路由發現過程中的RREPFig.2 RREP in route discovery process

路由維護通過路由錯誤分組（Route Error）和確認分組來實現，如圖3所示。每個節點確保使用源路由發送/轉發的數據分組被路由中的下一跳接收；如果沒有收到下一跳的確認則不斷重發（至最大重試次數）。而對于確保數據報被逐跳轉發，可以用：

（1）鏈路級的確認（IEEE802.11）；

（2）被動確認（B偵聽C向D轉發）；

（3）要求DSR軟件返回確認；

圖3 路由維護中的RRERFig.3 RRER in route maintenance

1.2 按需距離矢量路由協議(AODV）

AODV實質上就是DSR和DSDV的綜合，它借用了 DSR中路由發現和路由維護的基礎程序以及DSDV中端到端的路由選擇、序列號碼及周期性的更新信息的用法。但是和DSDV保存完整的路由表不同的是，AODV通過建立基于按需的路由來減少路由廣播的次數，這是AODV對DSDV的重要改進。與DSR相比，AODV的好處在于源路由并不需包括在每一個數據包中，這樣會使路由協議的開銷有所降低。

AODV路由協議的路由發現過程與DSR類似，包括路由建立分為反向路由的建立和前向路由的建立。而與DSR路由協議的源路由相比，AODV路由協議的路由信息分散在各個節點中。

AODV路由維護采用本地修復和源節點修復兩種方式。當某節點發現鏈路失效時，若該節點離目的節點的距離不大于MAX_REPAIR_TTL(最大修復長度)跳，則在一個局部范圍內發送RREQ，以發現該節點到達目的節點的路由。若本地修復失敗，需使用路由錯誤報文通知源節點。AODV路由表中包含一個前驅節點列表，表中記錄了所有使用該路由進行分組發送的前驅節點，該節點利用表中的信息將RERR報文發往源節點，重新發現路由。

2 實驗及結果仿真

2.1 實驗場景設置

在TCL文件中輸入場景設置程序，其中節點配置用tcl語言，在sourceinsight環境中編寫代碼，最后用NS2自帶的繪圖工具nam將網絡環境用圖形表示，如圖4所示。

圖4 模擬網絡場景Fig.4 Simulated network scenarios

在本場景中，配置30個移動節點，使其隨機的移動，在移動過程中不斷發出信息，同時各節點也會在自身傳輸信息過程中受到其他節點的干擾。場景時間設置為2000ms。用這種比較簡單的模擬工具就可以將待分析的DSR和AODV兩種協議的QoS性能指標數據取出。

2.2 性能指標分析及仿真

表示Adhoc網的性能指標有平均分組投遞率和端到端平均時延等。其表示分別如下所示：

分組投遞率 deliver反映了網絡傳輸的可靠性能。

端到端時延反映了AODV路由協議的有效性。

吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，設備能夠接受的最大速率。反映了單位時間內在該協議下分組傳輸的快慢程度。

圖5 分組投遞率隨節點數的變化Fig.5 Packet delivery rate with the change in the number of nodes

圖6 平均端到端時延Fig.6 Average desay of end to end

當將TCL文件配置好后，利用ns命令來運行，會得到tr和nam文件。tr文件中的數據格式為：s 10.000000000_0_AGT---0 cbr 512［0 0 0 0］-------［0:0 2:0 32 0］［0］0 0。其含意為：在第10s時一個ID為0的節點應用層發出了一個CBR分組，這個分組的UID為0，長度為512，源地址0：0，目標地址2:0，分組生存周期32。

用awk文件從中取出所用數據，最后用gnupolt命令繪制圖形，如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出越多節點參與數據轉發，分組投遞率就越高，表示網絡的傳輸可靠性就越高。

從圖6可以看出：在Ad hoc網中，隨著節點數的增加，平均端到端時延逐漸增大，這使得網的整體反應變慢。所以在能完成相同的任務前提下，盡量減少節點數目。

從圖7可以看出，在AODV協議中網絡吞吐量要比DSR協議中的網絡吞吐量高。

3 結束語

本文首先對Adhoc網中的經典路由協議AODV在原理做了詳細的介紹。初步對比了DSR和AODV之間存在的性能差異。以此為基礎，利用網絡仿真工具NetworkSimulator配置出符合實際的網絡環境和參數，對經典的DSR和AODV兩種協議的兩個質量服務（QoS）性能指標（分組投遞率、平均端到端時延、吞吐量）做了詳細的分析和研究。最后的實驗結果仿真表明：在相同網絡環境下，AODV的QoS性能要比DSR的更為優越。這一結論對將來設計高效的路由協議、處理網絡中自私節點工作都具有重要的指導意義。

［1］符琦，蔣碧霞，蔣瑞林.基于NS2的Ad Hoc網絡路由協議的模擬實現［J］.計算機工程與應用，2006，42（5）：149-151.

［2］花曉菲.基于NS2的Ad hoc網絡路由協議性能分析比較［J］.無線通信技術，2006，15（3）：29-33.

［3］孫祺，李騏，高振明.基于NS網絡仿真器的研究與擴展［J］.網絡與計算機技術及應用，2004，29（1）：24-26.

［4］劉洛琨，張遠，許家棟.AODV與DSDV路由協議性能仿真與比較［J］.計算機仿真學報，2006，23（2）：16-20.

［5］楊玉華，劉培寧，劉際煒，等.NS-2的仿真模擬技術分析［J］.計算機工程，2005，31（15）：110-112.

［6］趙健，孫俊鎖.基于NS2的Ad Hoc網絡路由協議仿真與分析［J］.鞍山科技大學學報，2007，30（2）：160-163.

［7］劉勃蘭，宋玲.基于NS2的移動自組網路由協議的仿真與實現［J］.計算機工程與應用，2007，43（6）：162-164.

［8］洪家軍，吳金龍.基于NS-2的Ad Hoc網路路由協議性能仿真［J］.江漢大學學報，2007，35（1）：67-69.

［9］馬崇霄，吳長奇.基于網絡仿真器NS2的Adhoc網絡路由協議仿真［J］.電子測量技術，2008，31（5）：33-35.

［10］孫學梅.Ad Hoc網絡的移動管理及其路由協議的研究［J］.天津大學學報，2004，11（18）：51-54.

［11］RoyerEM，Toh CK.AReviewofCurrentRouting ProtocolsforAd Hoc Mobile Wireless Networks［J］.IEEE Personal Communications Magazine，April 1999：46-55.

［12］David B J，David A M.Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks［J］.Mobile Computing，2006，353（5）：153-181.

［13］Senouci S M，Naimi M.New Routing for Balanced Energy Consumption in Mobile Ad Hoc Networks［A］.Proceedings of the 2nd ACM international workshop on Performance evaluation of wireless Ad hoc，sensor，and ubiquitous networks.Oct，2005（10）：238-241.

［14］GowrishankarS，Subir KS，BasavarajuG.Scenario Based Simulation Study of Adhoc Routing Protocol's Behavior in Wireless Sensor Networks［J］.Future Computer and Communication，2009：527-532.

［16］Ling-Jyh Chen Tony Sun Guang Yang，M Y Sanadidi，Mario Gerla.AdHoc Probe：end-to-end capacity probing in wireless ad hoc networks［J］.Wireless Netw，2009，15：111-126.

［17］Hanal A，Benoit T，Armand T.Fair Queuing Model for EDCA to optimize QoS in Ad-hoc Wireless Network［J］.8thInternational Conference on Networks，2009：306-311.