Ad Hoc網絡路由協議仿真及性能分析

摘 要：路由協議作為影響網絡的一個重要因素，是確保移動ad hoc網絡運行的關鍵。開發良好的移動ad hoc網絡路由協議是移動ad hoc網絡要解決的首要問題。移動ad hoc網絡的路由協議也是目前最主要的研究熱點和難點。本文分析對比了當前兩種種典型的Ad hoc網絡路由協議DSR、AODV，并在NS2的仿真平臺下，對路由協議DSR、AODV進行了仿真。在不同的網絡規模下，對路由協議DSR，AODV在分組投遞率給出了詳細的性能比較分析，從而得出結論。

關鍵詞：Ad hoc；網路；路由協議；仿真

Ad hoc網絡不依賴于有線基礎設施，網絡組織是靈活的，不需要針對節點移動到基站發射距離之外的情況進行越區切換，但由于節點的發射距離是有限的，節點之間的通信往往要增加移動主機來轉發[1]。移動自組網作為一種新興的計算機網絡，由于其鮮明的特點，因而具有了其他常規計算機網絡所不可替代的應用價值[2]。作為移動自組網的核心技術之一，路由協議的研究面臨著許多新的困難，而移動自組網中的路由協議是保證網絡正常高效運行的基礎，因此具有很高的研究價值。這一課題的研究將促進移動自組網投入到實際的應用領域。本論文研究的主要內容有：（1）探討了Ad Hoc網絡的體系結構，并深入研究了Ad Hoc網絡的兩個主要路由協議：AODV，DSR。（2）深入研究了NS2網絡仿真軟件，使用NS2軟件對兩個重要的路由協議（DSR，AODV）進行了仿真，并選取了幾個重要的網絡性能評價參數（平均端到端延遲、包投遞率）對仿真結果作了定量的分析和對比。

1 AODV、DSR路由協議分析

按需路由協議DSR只有在源節點在尋找一條路徑到達目的節點的時候才開始建立。一旦發生源節點在發送分組時不能直接到達目的節點路由的情況，就需要啟動相應的路由發現機制進行路由尋找，這樣將勢必會產生一定的時延，對實時業務的傳輸來說是非常不利的[3]。隨著網絡規模的不斷擴大，節點移動的速度也不斷增加，網絡的拓撲結構變化也更加頻繁，為了實時維護挽留過拓撲結構就需要頻繁地交換信息（如路由更新等），這些控制信息將會大量占用無線信道資源，也將成為影響用戶數據報文的發送、降低系統的吞吐量的主要因素；特別是在網絡中節點個數較多、網絡拓撲結構變化頻繁的情況下，還沒有等到路由算法收斂，網絡的拓撲結構就又發生了新的變化。由于大量的拓撲更新報文在無線信道中的存在，無法正常發送用戶的數據分組，會嚴重降低系統性能。因此，在這類拓撲變化相對頻繁的網絡環境中，應采用按需路由協議；而在網絡結構相對穩定、對實時業務要求比較高的網絡環境中，則應盡量采用基于表驅動方式的路由協議[4]。

AODV的路由機制作為源驅動路由協議與DSR比較類似，但是二者相比還是有很多不同的地方。在發送尋路分組的時候，AODV的分組中只包含目的節點信息，而DSR由于是源路由方式，則需要包含所有節點信息。因此，從這方面考慮，DSR的開銷要大很多。然而，在尋路分組返回時，兩者的開銷是一樣的，分組中都記錄了整條路經的信息。AODV的一個缺點是假設所有的鏈路都是對稱的（Symmetric），無法適用于不對稱的（Asymmetric）鏈路，而DSR卻不受此條件限制。AODV和DSR的另一主要區別是DSR支持多路經路由而AODV不支持，因此在中間節點發現路經中斷時，AODV只能將分組丟棄；而DSR則具備從路由緩存中尋找其他路徑以實現分組進行補救的能力，這個特點在移動Ad Hoc網絡中非常重要。

2 NS2中路由協議的仿真

為了對DSDV、AODV以及DSR網絡協議進行比較，本研究選擇了在相同的環境下對網絡協議進行仿真[5]。本文設定的仿真環境是在一個隨機方位（random Waypoint）背景下的800×600m 的矩形區域，網絡節點數根據不同的仿真場景有所不同，結點最大移動速度10m/s，暫停時間（pause times）可選0，10，20，40，100s，整個仿真運行的時間為300s。

本文主要介紹不同場景下得到的仿真結果，并且分析了在變化的節點數量和運動速度場景下，三種路由協議對網絡的包投遞率、平均端到端延遲[6]。以下四圖（圖4、圖5、圖6、圖7）分別是不同個數（10，20，30，40）的網絡結點時AODV與DSR協議的數據包文件的遞交率。

如圖4所示，在10個節點的情況下，AODV協議的包投遞率為100%，而DSR路由協議在暫停時間為10s的情況下，性能略微有些下降，包投遞率僅為76%，由此可得出結論，在節點較少的情況下，AODV路由協議的性能要優于DSR。原因在于，在路由發現的過程中，AODV路由協議建立了反向路由機制，可以快速的響應尋路路由報文。如圖5所示，在20個節點的情況下，兩協議的性能差異不大，在路由發現的過程中，由于兩協議都要建立路由發現過程，不可避免會產生無效路由，但由于AODV協議具有反向路由機制，對路由發現的響應要快于DSR路由協議，所以其的包投遞率的性能也明顯優于DSR路由協議。

在30個節點的情況下，如圖6所示，兩協議的性能很相似，初始階段，包投遞率不到70%，且在暫停時間為20s時，兩協議處于相同的水平，包投遞率還不到65%。在40個節點的情況下，如圖7所示，在暫停時間為2s到40s時，兩協議的性能幾乎相等，這是因為，由于節點較多，由于DSR路由協議具有路由緩沖策略，在網絡拓撲頻繁變化的情況下，不需要重新發起路由發現過程，而直接在緩沖路由中選擇一條替換路由。

當網絡節點個數為10時，DSR和AODV的數據包的投遞率相似。然而，當網絡節點個數為20，30，40時，AODV比DSR的包投遞率高出15%左右。總之，當網絡節點數較少時，DSR和AODV在任何網絡移動下具有相似的投遞率。而隨著網絡節點個數的增加，AODV開始表現出比DSR更優越的包投遞率。

3 結束語

作為移動計算的一種特殊形式，移動自組網具有其它網絡所不可替代的地位。對移動自組網中路由協議進行研究是確保該網絡能否運行的關鍵，但這方面的研究工作目前還開展不久。因此，對移動自組網中的路由協議的研究是計算機網絡特別是移動網絡界有前途的研究領域，具有非常高的研究價值。本文對移動自組網路由協AODV、DSR進行了比較和分析，同時進行了仿真實驗，經過分析和仿真得到結論：在不同的移動場景下，隨著節點數目的增加，兩按需路由協議的分組投遞率都有所下降，但AODV協議表現出更好的性能。

Ad hoc網絡由于組網特點面臨著許多挑戰，該課題的研究還存在著一些需要考慮的研究方面如QoS路由和安全路由等。如何將這些算法應用到實際當中去，這將是一個值得探討的話題，也將是今后進一步研究的工作。

[參考文獻]

[1]鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad Hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版署，2005.

[2]于宏毅，等.無線移動自組織網[M].北京：人民郵電出版社，2005.。

[3]沈中.無線Ad Hoc網絡拓撲管理研究[D].西安電子科技大學碩士學位論文，2005.

[4]馬曉雷.無線Ad Hoc網絡關鍵技術研究[D].北京郵電大學 2006.

[5]柯志亨，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真實驗-多媒體和無線網絡通信[M].北京：電子工業出版社，2009.

[6]J.Chung，M.Claypool.NS by Example [M].Worcester Polytechnic Institute，2005.

基金項目：常州工程職業技術學院2013年院級教育研究重點課題，課題編號：13JY006。

作者簡介：王曉宇，女，碩士，常州工程職業技術學院，講師。