基于NS2的AODV路由協議分析及仿真研究

張家鋼 王海松 胡洛林

摘? 要：在現代戰爭中地面通信指揮體系發揮了重要作用，通過學習分析其網系建設，一方面可以取長補短，另一方面可以分析其弱點和漏洞。該文首先指出戰術互聯網采用的典型路由協議的分類，分析了按需驅動路由協議在戰場上的適用性;其次描述了AODV路由協議執行過程，指出該協議的特性及固有缺陷，為進行針對性的攻擊研究提出方向;最后基于網絡仿真軟件NS2對移動Ad Hoc網絡的AODV路由協議進行了仿真，通過仿真實驗得出AODV路由協議存在TCP擁塞問題。

關鍵詞：Ad Hoc;AODV;NS2;路由協議仿真

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0052-03

Abstract：Ground communication command system plays an important role in modern war. By learning and analyzing its network construction，on the one hand，we can learn from each others strengths and make up for their weaknesses and loopholes. Firstly，this paper points out the classification of typical routing protocols used in tactical internet，analyzes the applicability of on-demand driven routing protocol in the battlefield;secondly，it describes the implementation process of AODV routing protocol，points out the characteristics and inherent defects of the protocol，and puts forward the direction for targeted attack research;finally，based on the network simulation software NS2，the AODV routing protocol of mobile Ad Hoc network is simulated. The simulation results show that there is TCP congestion in AODV routing protocol.

Keywords：Ad Hoc;AODV;NS2;routing protocol simulation

0? 引? 言

通過21世紀以來的幾場局部戰爭可以看出，現代戰爭已經進入到數字化、網絡化時代。以美國為代表的戰爭一方不斷采用新的戰爭手段，為各國上演一場又一場的現代戰爭示范課。任何時代，戰場上信息的重要性都不言而喻，現代戰爭更是如此。

移動Ad Hoc網絡，即MANET，又稱移動多跳網或移動對等網，可不借助任何中間網絡設備，在有限范圍內實現多個移動終端的臨時互聯互通。MANET作為一種網絡互聯技術，在戰場上作用巨大。作戰人員之間、裝備之間、人員與裝備之間需要在動態變化的狀態下保持通聯，以保障指揮暢通，其中應用最廣泛之一的就是戰術互聯網。

1? MANET中路由協議的使用

由于戰場環境中各任務分隊的移動性導致網絡拓撲動態變化，因此需要針對戰場環境研究針對性解決方法。MANET涉及MAC層規范、網絡層路由協議、QoS要求、功率控制、通信安全等技術。路由協議作為其中一個重要方面，研究成果較多，提出了一系列路由協議如AODV、DSDV、WRP、DSR、TORA和ZRP等。

路由協議有多種分類方法，按網絡結構分為扁平、分層和基于地理信息的路由協議。扁平路由協議根據設計原理進一步分為先驗式（表驅動）路由協議和反應式（按需分配）路由協議。先驗式路由協議由于其先驗性，每個節點都必須維護路由表，而通常網絡中只有少數節點承擔著數據分組的轉發任務，因此浪費了寶貴的無線帶寬資源。反應式路由協議只在需要通信時才發送路由請求分組，只需參與轉發的節點維護部分網絡拓撲信息，減少了內存的占用，節省了部分帶寬。但在啟動尋找路由的過程中，需把路由發現請求洪泛至整個網絡，從而導致數據分組的傳輸產生一定的延時，因而按需驅動的路由協議不利于數據的實時傳輸。

一個健壯的路由協議應具備分散性、自組織、自修復等特點，并對無線頻譜帶寬限制有適應性，能利用多跳屬性實現負載均衡。在中等網絡規模下，反應式路由協議要比先驗式路由協議在綜合性能上有較大優勢，其中AODV協議性能相對較高，比較適合在惡劣或災難條件下使用。

2? AODV路由協議

AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector，AODV）協議是一種扁平式、反應式、距離矢量路由協議，只在需要傳遞信息時才發送路由請求，路由開銷小，適應于快速變化的網絡環境。

2.1? AODV協議機制

AODV路由協議工作過程包含路由發現和路由維護。路由發現：當源節點需要與某個目標節點通信時，先查詢路由表，若沒有所需路由，就廣播路由請求（RREQ）報文。當一個節點收到該報文后，若它就是目標節點，或存在到達目標節點的路由，且其中的RREQ ID大于RREQ報文中的RREQ ID號，就向源節點單播返回一個路由應答（RREP）報文。若該節點沒有目標路由，則洪泛該RREQ報文。路由維護包含三個方面的內容：通過Hello消息維護鄰居關系;當路由中斷時，嘗試本地修復;若修復失敗則通過RERR報文通知其他節點某個目標節點不可達。

2.2? AODV協議的特征

AODV協議的一個顯著特點是它采用了DSDV協議中使用的序列號機制。該機制解決了距離矢量路由協議中存在的路由環路問題，RREP報文中的跳步數則可以準確地表示從原發方到目標節點的跳步數。

AODV路由協議被設計用于擁有數十個到上百個移動節點的Ad Hoc網絡，可適應低速、中等速度，以及相對高速的移動速度的場景。當由于節點的移動或斷開導致網絡拓撲變化，該協議可以快速做出反應，達到新的穩定狀態。通過仿真，AODV協議可以實現較高的吞吐量、分組遞交率和信道帶寬。

2.3? AODV協議的固有缺陷

從AODV協議中三類報文的詳細規范看出，包括MANET中使用的其他協議，均是滿足于正常尋址、建立路由、進行通信，安全方面的規范較少。這也正是該協議的脆弱性所在，即可以從各協議層面對其進行攻擊，如篡改、冒充、偽造、黑洞、灰洞攻擊等。

3? 基于NS2的AODV協議仿真

3.1? NS2仿真軟件簡介

Network Simulator version 2（NS2）是源代碼公開、免費的權威網絡技術仿真平臺。NS2由事件驅動，支持4種調度器：鏈表、堆、時間隊列和實時。它可以仿真各種不同的IP網，目前可以仿真網絡傳輸協議，如TCP和UDP;業務源流量產生器，如FTP、Telnet、Web CBR和VBR;路由協議，如AODV、DSDV、DSR等無線路由協議等。

3.2? 仿真設置及結果分析

編寫OTcl腳本，包含各類參數設置，如信道類型、無線傳播模型、MAC類型、接口隊列接收的最大包數量、節點個數、路由協議、場景尺寸、實例化Simulator對象、設置nam和trace文件、初始化場景尺寸、設定節點的運動范圍、實例化信道、配置節點node-config文件、實例化節點并初始化節點位置。其中仿真數據流配置：采用兩條FTP/TCP流傳輸數據，源節點分別為8和4，目標節點分別為2和1，其中8→2的數據流從0.02 s開始，4→1的數據流從0.25 s開始，均在3.00 s重點仿真分析8→2的數據流過程。

仿真過程：仿真開始時（0 s），節點間未交換路由信息，尚未建立路由表。0.02 s時，開啟路由請求，節點8向節點2發送RREQ，如圖1（c）和圖2所示，由于是第一次進行路由請求，所有節點均沒有到達節點2的路由，所以在0.09 s左右節點8收到來自目標節點2本身返回的RREQ。至此，路由建立，并開始發送數據。整個過程如圖1（a）-（e）所示。各節點在路由請求的正向和逆向過程中所獲取的各節點的路由均自行保存，直到有路由中斷通告。圖1（f）所示，在0.25 s，節點10阻塞，導致前后節點傳輸的數據流會出現丟包現象，也反映出需要解決實際傳輸中TCP的擁塞控制問題。

（a）發送RREQ

（b）泛洪RREQ

（c）返回RREP

（d）原路徑返回RREP

（e）發送FTP數據

（f）產生擁塞

4? 結? 論

本文重點對MANET中采用的AODV路由協議進行了闡述，指出其特性及固有缺陷。同時對AODV協議進行了軟件仿真，通過對仿真數據分析，反映出其在實際傳輸中TCP的擁塞控制問題。本文對通信場景進行了理想化設定，而在實際環境中存在無線頻譜和信道容量有限使MANET帶寬資源緊張、介質共享使網絡存在沖突和競爭、路由協議如何保證傳輸有效性和安全性并降低路由信息代價等問題，這些問題還需進一步研究。

參考文獻：

[1] 何綿祿，褚偉，劉輝舟.AODV路由協議的研究和改進 [J].計算機工程，2015，41（1）：110-114+120.

[2] 楊妮妮.基于NS2的AODV協議研究與改進 [D].西安：西安電子科技大學，2014.

[3] 張家鋼，王海松，劉一利.基于NS2的針對AODV協議的Greyhole Attack仿真研究[J].現代信息科技，2019，3（5）：63-64+67.