MANET中節點駐留時間對路由協議性能的影響

蔣華龍　陳怡冰　賈文超

摘 要：為了研究AODV，DSR和DSDV三種路由協議在MANET中運行恒定比特率FTP業務條件下的性能表現，使用NS仿真軟件通過計算機仿真方法建立仿真模型，配置網絡業務，運輸層分別使用TCP協議和UDP協議對網絡運行時的分組投遞率和端到端時延等性能指標進行仿真分析。通過仿真分析發現，UDP通信時，DSR具有更高的分組投遞率和更小的端到端時延;對于TCP傳輸而言，AODV比DSR和DSDV在分組投遞率和端到端時延方面更有優勢。所得結果對特定場合下MANET選擇合適的路由協議具有指導意義，為進一步改進路由協議提供了參考依據。

關鍵詞：MANET;路由協議;AODV;DSR;DSDV;仿真

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

移動自組網（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是無需任何集中物理基礎設施的自組織網絡，組成網絡的多個節點之間可以互相通信[1]。近些年，由于無線設備的大量使用，人們對MANET的興趣也迅速增長。MANET組建容易，且其無基礎設施特性對于現代多媒體系統通信具有極大的吸

引力[2]。

移動自組網需要自主可靠的協議才能順利運行，由于它們集中的配置，網絡結構經常發生變化[3]。移動自組網絡中必不可少的是路由協議，路由協議的主要目的是為數據傳輸確定路徑。高效的數據傳輸協議是保證自組網性能的關鍵。自組網的自組織特征使得它們更適合于按需網絡連接，例如發生自然災害的搶險救災場合、野外地區。

路由協議的作用是為網絡數據傳輸選擇合適的路徑，由于移動自組織網絡的拓撲結構動態變化，所以路由協議對于其性能的影響較大[4]。

本文的目的是在移動自組網運行恒定比特率的FTP業務條件之下，評估分析AODV，DSR和DSDV三種路由協議的性能，探討MANET節點的駐留時間變化時，網絡運行TCP和UDP業務的性能表現。

1 MANET典型路由協議

MANET的路由協議按照驅動模式的不同可以分為表驅動路由協議、按需路由協議[5]。

表驅動類路由協議又被稱為先驗式路由協議，每個節點事先計算好路由并儲存在路由信息表中，對路由表按固定周期進行更新。

按需路由協議無需一直保存路由信息，只有當節點有通信需求時才會按照需要建立路由[5]。

1.1 DSR協議

DSR協議是一種基于源路由方式的按需路由協議。源節點掌握從它到目標節點完整的逐跳路由信息。路由信息儲存在節點的路由緩存中，發送數據時每個數據包的包頭中都包含完整的路由信息。所經路徑的逐跳節點僅對數據包進行中繼轉發，無需實時維護網絡拓撲信息[6]。當MANET中的源節點需要發送數據時，首先發送路由請求（RREQ）數據包，一旦節點收到后會將其轉發到鄰居節點，直到找到目的節點。當目的節點最終接收到此RREQ數據包時，會返回一個RREP數據包到源節點進行確認。如遇到路由中斷，則源節點將收到警報路由錯誤（RERR）數據包。

1.2 DSDV協議

DSDV是逐跳距離矢量路由協議，它是基于傳統Bellman-Ford路由選擇機制的先驗式路由算法，需要每個節點周期廣播路由更新。它相對傳統距離矢量協議的優越性在于可保證網絡中無環路，在網絡中保存路由表。路由表中含有所有目的節點及到節點的距離信息，通過網絡周期性廣播來維持網絡中節點的連通性[7]。

1.3 AODV協議

AODV是一種按需驅動路由協議，它借鑒了DSDV和DSR的優點，采用DSDV逐跳路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制與DSR協議類似的廣播式路由發現機制。AODV只在需要時廣播路由信息，保持需要的路由，無需維護通信過程中未激活的節點路由，從而減少廣播量[8]。

2 仿真設置

2.1 仿真環境與參數

利用仿真軟件NS建立仿真環境，主要參數見表1所列。在仿真環境中運行恒定比特率的FTP文件傳輸業務，場景面積、節點數量和移動速度固定不變，通過調整節點移動期間的駐留時間來觀測其對AODV，DSDV和DSR這三種路由器協議性能的影響。

2.2 評價指標

（1）分組投遞率

分組投遞率（Packet Delivery Fraction，PDF）即目的節點收到分組數目與源節點產生分組數目的比值[9]。該指標表明了路由協議的有效性和適應網絡變化的能力，反映了協議的完整性和正確性[10]。分組投遞率的計算見式（1）：

（1）

式中：r為目的節點成功收到的數據包個數;n為源節點發送的數據包總數。

（2）端到端時延

端到端時延（End-to-End Delay，E2ED）表示分組從源節點發出到目的節點接收所經歷的時間平均值，包括分組發送時延、路由查找時延、數據分組的排隊時延、分組處理時延、傳播時延等所有時延之和，它反映了路由協議的有效性。端到端時延的計算見式（2）：

（2）

式中：Tr表示目的節點分組接收時間;Ts表示源節點分組發送時間。

3 仿真結果

圖1所示為移動自組織網絡在使用AODV路由協議的情況下，其分組投遞率與駐留時間的關系。由圖1可知，相比于TCP通信，采用UDP通信方式進行數據傳輸的分組投遞率較高。原因在于UDP無流量控制且在傳輸數據過程中無需對方確認。同時，由于UDP傳輸的“單向特性”，即使駐留時間增加也不會影響分組投遞率。但是TCP通信的分組投遞率會隨著駐留時間的增加而略微提高。仿真表明，在AODV路由協議下，UDP方式的分組投遞率約為99%，而TCP約為96%。

圖2所示為移動自組織網絡在使用DSR路由協議的情況下，其分組投遞率與駐留時間的關系。圖2顯示，使用UDP方式進行數據傳輸時，DSR路由協議可以為網絡提供較高的分組投遞率，相對來講，TCP方式傳輸的分組投遞率低得多。這是由于TCP協議使用了流量控制和擁塞控制造成的。駐留時間的增加并不會影響到DSR方式的UDP通信量，原因在于DSR自身具備緩存數據包的特性，可以把路由發現階段丟棄的包暫存起來。但在使用TCP方式傳輸時，駐留時間的增加會使得分組投遞率顯著下降。這種情況可能是由于TCP的擁塞控制機制作用的結果，因為駐留時間的增加造成了某些特定時間會有一些節點聚集，從而產生擁塞。待擁塞控制機制激活后，將采取措施降低分組投遞的數量。對于使用DSR協議的自組網而言，UDP方式的分組投遞率幾乎為100%，而TCP為60%～70%。

DSDV分組投遞率與駐留時間的關系如圖3所示。DSDV作為一種主動路由發現協議，可以保證路由在需要的時刻總是有效。當駐留時間臨近150 s時，分組投遞率逐漸增高，原因在于DSDV不會在路由發現階段丟棄數據包。而采用TCP通信的分組投遞率在駐留時間增加時幾乎無變化。自組網采用DSDV作為路由協議時，TCP通信的分組投遞率大約為95.5%，UDP通信的分組投遞率隨著駐留時間的改變先降低后升高，由97%降為95%，隨后升高至100%，平均約為96%。

圖4顯示自組網使用AODV協議的情況下，UDP的端到端時延比TCP低很多，因為數據傳輸過程中UDP數據無需等待確認，而TCP需要確認后才能繼續發送，駐留時間增加使得延時升高。圖5顯示自組網使用DSR協議時，UDP的端到端時延比TCP低，原因和前述情況一樣，且UDP的端到端延時未受駐留時間的影響。相反，TCP通信的延時隨著駐留時間的增加有明顯的起伏波動。圖6顯示自組網使用DSDV協議時，UDP通信在端到端時延上的表現明顯比TCP更好且更穩定。隨著駐留時間的增長，TCP通信的時延平均來看是增長的，原因在于從發送端到接收端的路由距離會比較頻繁地發生變動。

綜合比較上述三種路由協議的仿真數據，多數情況下，DSR協議的TCP通信延時最短，這主要得益于DSR是一種源路由協議，目的節點在返回確認信息時，無需重新計算反向路由，從而節約了時間。其余兩種路由協議，DSDV的延時略高于AODV延時，原因在于TCP協議的擁塞控制和流量控制措施會在DSDV的控制信息過載時限制源節點繼續向網絡發送數據包。

DSDV協議的UDP通信時延小且穩定，是因為DSDV是主動式路由協議，主機發送數據時所需的路由已被事先計算好。相較而言，AODV和DSR協議的UDP業務時延比DSDV高，因為它們屬于反應式路由協議，路由發現階段要耗費一定的時間;而在這兩種路由協議中，DSR因為具有路由緩存特性，所以它比AODV的時延小一些。

4 結 語

本文詳細分析了不同駐留時間對數據傳輸的影響，發現利用UDP通信時，DSR具有更高的分組投遞率和更小的端到端時延。而對于TCP傳輸而言，AODV比DSR和DSDV在分組投遞率和端到端時延上表現更優越。所得結果對特定場合下MANET選擇合適的路由協議具有指導意義，為進一步改進路由協議提供了參考。

參考文獻

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[10] LIU S，YANG Y，WANG W. Research of AODV routing protocol for ad hoc networks [C]// ELSEVIER，and AASRI Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems，2013.

作者簡介：蔣華龍（1979—），男，河南南陽人，碩士，主要研究方向為無線通信網絡。