戰(zhàn)術通信網(wǎng)中按需路由協(xié)議的仿真研究

摘 要:戰(zhàn)術通信網(wǎng)是現(xiàn)代信息戰(zhàn)中產(chǎn)生的一個重要的戰(zhàn)場信息傳輸網(wǎng)絡，其中路由協(xié)議的選擇對于網(wǎng)絡能否成功構建至關重要。在此研究了戰(zhàn)術通信網(wǎng)按需路由協(xié)議中的AODV協(xié)議和DSR協(xié)議，對兩種協(xié)議進行詳細的分析比較，并通過OPNET仿真工具對AODV與DSR協(xié)議在不同場景下的路由開銷、網(wǎng)絡延遲和丟包率進行仿真分析，指出了兩種協(xié)議各自的優(yōu)勢和特點，為兩種路由協(xié)議在無線傳播環(huán)境下的應用提供了有效的依據(jù)。

關鍵詞:戰(zhàn)術通信網(wǎng); AODV; DSR; OPNET; 仿真測試

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)08-0073-04

Simulation ofReactive Routing Protocol in Tactical Communication Networks

HAN Xiu-rong1，2， KANG Feng-ju2， ZHONG Lian-jiong1，TIAN Xiao-jing3

(1. Computer College， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China;

2. College of Marine， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;

3.Information Center， Xi’an Red Cross Hospital， Xi’an710045， China)

Abstract:Tactical communication network is an important battle-field information transfer network produced in modern communicaion war，and the choice of routing protocol is very important for the successful construction of tactical communication network. The AODV and DSR protocols in reactive routing protocols are researched， compared in detail， and simulated in routing cost，network delay and data dropped rate by OPNET. The advantages and characteristics of the two routing protocols are pointed outin order to provide an effective foundation for application of the two routing protocols under the condition of wireless propagation.

Keywords:tactical communication network; AODV; DSR; OPNET; simulation testing

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術在戰(zhàn)場上的應用與發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代信息戰(zhàn)中一個重要的戰(zhàn)場信息傳輸網(wǎng)絡即戰(zhàn)術通信網(wǎng)。在軍事戰(zhàn)術戰(zhàn)役中，誰能高效快速掌握戰(zhàn)場前沿態(tài)勢，誰將得到戰(zhàn)略的制高點。在網(wǎng)絡研究的初期不可能盲目地對戰(zhàn)術通信網(wǎng)進行設計，必須要知道相關的網(wǎng)絡技術的指標參數(shù)。如果能把網(wǎng)絡流量、性能的實際監(jiān)測分析結(jié)果和網(wǎng)絡設計結(jié)合起來，則可為網(wǎng)絡設計研究提供可靠的依據(jù)。

由于Ad-Hoc網(wǎng)絡可以在沒有基礎設施支持的情況下提供通信，具有很高的抗毀性和靈活性，因此被各軍事強國應用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術綜合通信[1-2]。而Ad-Hoc網(wǎng)絡的特殊性也使得傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)中使用的各種協(xié)議和技術無法被直接使用，因此，需要為Ad-Hoc網(wǎng)絡設計專門的路由協(xié)議和算法。目前具有代表性的路由協(xié)議主要有DSDV[3]， SSA， AODV[4]， DSR[5]， CGSR， ZRP， LAR以及GPSR等。而在戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)中，主要采用按需路由協(xié)議，其中比較典型的有AODV和DSR。這里對AODV和DSR路由協(xié)議的算法進行了分析和對比，并以OPNET Modeler為仿真平臺對這兩種協(xié)議的性能進行了仿真測試。仿真結(jié)果為戰(zhàn)術通信網(wǎng)中對協(xié)議的選擇提供了具體詳實的依據(jù)，也為后續(xù)對協(xié)議算法進行更廣泛深入的研究和改進提供了依據(jù)。

1 協(xié)議分析

網(wǎng)絡中的協(xié)議通過路由協(xié)議實現(xiàn)，路由協(xié)議可以完成在源與目的設備的用戶應用間通信所需的各種功能，不同的協(xié)議中這些功能差異很大。

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議是一種按需距離向量路由協(xié)議[6]。網(wǎng)絡中的節(jié)點需要通信時，才發(fā)送路由分組信息。AODV路由協(xié)議中有三種類型的消息控制包:路由請求(RREQ)，路由應答(RREP)和路由錯誤(RERR)。首先源節(jié)點向其鄰居節(jié)點廣播RREQ數(shù)據(jù)包，每一次廣播時，RREQ ID會自動加1來防止路由環(huán)路的產(chǎn)生。當中間節(jié)點能夠提供有效路徑或者目的節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)送的RREQ數(shù)據(jù)包時，節(jié)點會發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包響應請求，并且沿著剛建立的逆向路徑向源節(jié)點返回。AODV協(xié)議中，源節(jié)點收到該RREP后則根據(jù)路由信息開始向?qū)哪康墓?jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

由上述過程可以看出，AODV路由協(xié)議只支持雙向鏈路。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當中間節(jié)點檢測到一條正在傳輸數(shù)據(jù)活動路由的下一跳鏈路斷開，或者節(jié)點收到去往某個目的節(jié)點的數(shù)據(jù)報文，而節(jié)點沒有到該目的節(jié)點的有效路由時，中間節(jié)點向源節(jié)點廣播路由錯誤消息RERR，每一個收到信息的中間節(jié)點都會維護自己緩存區(qū)中的路由信息。當源節(jié)點收到出錯信息后，重新尋找路由。根據(jù)對AODV協(xié)議的分析，可得它的流程如圖1所示。

圖1 AODV協(xié)議流程圖

1.2 DSR路由協(xié)議

動態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing，DSR)也是一種按需路由協(xié)議，其允許節(jié)點動態(tài)地發(fā)現(xiàn)到目的節(jié)點的多跳路由[7]。它的特點是使用了源路由的路由機制，每一個需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都在其頭部包含了從源節(jié)點到目的節(jié)點所有的路由信息，因此中間節(jié)點并不需要實時地維護網(wǎng)絡路由來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。只有在節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包并且當節(jié)點不知道目的節(jié)點完整路由的情況下，節(jié)點才會激活路由發(fā)現(xiàn)機制尋找到達目的地的路由。

1.3 兩種路由協(xié)議的區(qū)別

(1) DSR協(xié)議中的路由信息比AODV中的多。

AODV協(xié)議中，在返回RREP時才建立正向路由，并且是單播形式;而DSR協(xié)議是源節(jié)點路由，并且最后的路由應答采用的也是廣播的形式，所以DSR記錄了更多的路由信息。

(2) 使用路由的新舊不同。

AODV協(xié)議中，只要一條路由信息在一定的時間沒有使用過，那么不管這個信息是否還可以繼續(xù)使用，都將從路由表刪除，因此使用的都是最新的路由;而DSR協(xié)議只有在使用該路由信息并且傳輸出錯時，才會刪除該信息。

(3) 鏈路出錯時，發(fā)送出錯信息的范圍不同。

AODV鏈路出錯時，會通知網(wǎng)絡中所有使用該路由的節(jié)點;而DSR只會通知源節(jié)點。

(4) DSR比AODV能源消耗小。

AODV在查找路由的時候，只接收第一個RREP所攜帶的路由信息，以后的路由信息全部忽略;而DSR在查找路由的時候，所有的中間節(jié)點都會記錄下來，并且它維護不只一條路由信息，所以會減少路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)，從而節(jié)省能源。

2 仿真建模及結(jié)果分析

OPNET是業(yè)界領先的網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)，它基于離散事件仿真，采用三層建模機制，具有圖形化輸入/輸出界面，采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ梢赃\行在多種平臺上，是美軍多個大型軍用仿真系統(tǒng)的仿真引擎。本文利用仿真工具OPNET Modeler配置多跳無線網(wǎng)絡的模擬場景來執(zhí)行路由協(xié)議AODV和DSR的仿真測試工作。

2.1 性能指標

結(jié)合戰(zhàn)術通信網(wǎng)體系結(jié)構特性以及目前評價一種無線移動網(wǎng)絡路由協(xié)議性能好壞的指標[8]，具體對以下幾個方面做分析:

(1) 路由開銷。

路由控制開銷是指路由控制信息的網(wǎng)絡負載所占信道中總的網(wǎng)絡負載的比例。路由控制開銷=(控制信息的網(wǎng)絡負載/信道中總的網(wǎng)絡負載)×100%

(2) 延遲。

網(wǎng)絡延遲是指在計算機之間傳送一位數(shù)據(jù)所花費的時間，用秒或毫秒表示。本文主要對端對端延遲和信道接入延遲進行測試，將使用OPNET內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)統(tǒng)計量:平均網(wǎng)絡端到端延遲(單位:s)和信道接入延遲(單位:s)。

(3) 丟包率。

網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的傳輸是以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的形式傳輸?shù)模^網(wǎng)絡丟包率，是數(shù)據(jù)包丟失部分與所發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。

2.2 仿真場景及結(jié)果分析

假設自由傳播空間不受地形等因素干擾，使用IEEE802.11MAC協(xié)議的情況下，建立兩個場景進行仿真。將仿真結(jié)果進行對比來分析相關性能指標，來測試在一個較大范圍內(nèi)(2 000 m×2 000 m)節(jié)點的移動對網(wǎng)絡性能影響。

場景一:13個固定網(wǎng)絡節(jié)點，采用直線型拓撲，相鄰兩個節(jié)點之間為一跳距離，最大跳數(shù)設置為7，使用信道帶寬1 000 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為100 000 b/s。

場景二:13個移動(m)網(wǎng)絡節(jié)點，采用直線型拓撲，相鄰兩個節(jié)點之間為一跳距離，最大跳數(shù)設置為7，使用信道帶寬1 000 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為100 000 b/s，移動速度為4 m/s。

2.2.1 平均端到端延遲和平均信道接入延遲

如圖2和圖3所示，可以看出，移動會使兩種協(xié)議的延遲增加。

DSR協(xié)議平均端到端延遲增幅=0.00 125-0.001=0.000 25 s

AODV協(xié)議平均端到端延遲增幅=0.000 76-0.000 75=0.000 01 s

DSR協(xié)議平均信道接入延遲增幅=0.000 75-0.000 6=0.000 15 s

AODV協(xié)議平均信道接入延遲增幅=0.000 5-0.000 4=0.000 1 s

可以看出，DSR在延遲方面的增幅要高于AODV在延遲方面的增幅。

圖2 平均端到端延遲圖

圖3 平均信道接入延遲

2.2.2 丟包率

如圖4和圖5所示，AODV的丟包數(shù)明顯高于DSR。在節(jié)點移動狀態(tài)下，AODV和DSR的丟包數(shù)都呈遞增的狀態(tài)，最終穩(wěn)定。仿真過程中發(fā)送數(shù)據(jù)總量為3 500 b/s，對比場景一和場景二的丟包數(shù)，可以得到AODV的丟包率要明顯高于DSR的丟包率:

AODV丟包率增幅=2.57%-1.43%=1.14%

DSR丟包率增幅=1.43%-0.22%=1.21%

計算結(jié)果表明移動后丟包率的增幅AODV要比DSR的小，也就是說在大范圍下移動對DSR的影響要更大一些。

2.2.3 路由控制開銷

如圖6和圖7所示，在網(wǎng)絡中節(jié)點固定的場景中，DSR的路由控制信息為9 800 b，總的負載為66 000 b。AODV的路由控制信息為9 400 b，總的負載為62 000 b。因此可以計算如下:

DSR的路由控制開銷=(9 800/66 000)×100%=14.8%

AODV的路由控制開銷=(9 400/6 2000)×100%=15.1%

圖4 場景一的丟包數(shù)

圖5 場景二的丟包數(shù)

圖6 場景一的DSR路由控制信息和負載

圖7 場景一的AODV路由控制信息和負載

如圖8和圖9所示，在網(wǎng)絡中節(jié)點移動的場景中，DSR的路由控制信息為11 000 b，總的負載為70 000 b。AODV的路由控制信息為11 000 b，總的負載為69 000 b。因此可以計算如下:

DSR的路由控制開銷=(11 000/70 000)×100%=15.7%

AODV的路由控制開銷=(11 000/69 000)×100%=15.9%

圖8 場景二的DSR路由控制信息和負載

圖9 場景二的AODV路由控制信息和負載圖

根據(jù)上述兩個場景的計算結(jié)果可以看出，在比較大的通信范圍內(nèi)，當節(jié)點不移動時，AODV的路由控制開銷比DSR大;而節(jié)點移動時對DSR的影響要比對AODV的影響要大。

3 結(jié) 語

建立相應的網(wǎng)絡場景對AODV和DSR協(xié)議在網(wǎng)絡延遲、丟包率和路由開銷等方面的進行仿真分析。結(jié)果表明，在一個較大的通信范圍中，節(jié)點的移動對兩種路由協(xié)議都有一些影響，但總的說來，DSR比AODV協(xié)議要表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為評價路由協(xié)議算法提供了依據(jù)，也為后續(xù)對算法的改進提供了參考。

參考文獻

[1]謝希仁. 計算機網(wǎng)絡[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社， 2004.

[2]GANZ A， PHONPHOEM A. Robust superpoll with chain-ing protocol for IEEE 802. 11 wireless LANs in support of multimedia applications[J]. Wireless Networks， 2001， 7(1): 65-73.

[3]PERKINS C E， BAGWAT P. Highly dynamic destination sequenced distance vector routing (DSDV)for mobile computers[C]. Proceeding of ACM SIGCOMM 1994. New York:ACM Press，1994.

[4]PERKINS C E， ROYER E M. Ad-Hoc on-demand distance vector routing[C].Proceedings of IEEE WMCSA′99.LA : New Orleans University Press， 1999.

[5]JOHNSON D B， Maltz D A. Dynamic source routing in Ad-Hoc wireless networks[J]. Mobile Computing， 1996(5): 153-181.

[6]CHARLES E， PERKINS C E. Network working group C.perkins request for comments 3561[S].California:University of Cincinnati， 2003.

[7]JOHNSON D. Network working group request for co-mments: 4728[S].Texas:Rice University，2007.

[8]米志超， 鄭少仁. 無線戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)控制器通信協(xié)議的設計與實現(xiàn)[J]. 解放軍理工大學學報， 2000(6): 24-29.