基于OPNET仿真平臺(tái)的MANET路由協(xié)議性能分析

摘要：MANET的特殊性決定了其路由協(xié)議的重要性。為了提高M(jìn)ANET路由協(xié)議性能，通過比較現(xiàn)有的兩種典型MANET路由協(xié)議AODV協(xié)議和DSR協(xié)議，采用圖形化界面的OPNET作為仿真工具，通過仿真結(jié)果的比較、分析，獲得了與理論分析基本相一致的結(jié)果，即AODV協(xié)議的性能總體上優(yōu)于DSR協(xié)議，并且AODV協(xié)議更適合于規(guī)模較大的MANET網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果為后續(xù)提出優(yōu)化路由協(xié)議和對(duì)現(xiàn)有協(xié)議改進(jìn)工作提供了有效的仿真依據(jù)。
關(guān)鍵詞：路由協(xié)議；MANET；OPNET仿真平臺(tái)；DSR

0 引言
    隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)即移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network，MANET)成為了研究熱點(diǎn)。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)形成的一個(gè)多跳的、臨時(shí)性的自治系統(tǒng)。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有分布性、動(dòng)態(tài)性、自治性、易構(gòu)性和移動(dòng)性，使得無線移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域、自然災(zāi)害應(yīng)急處理、科學(xué)考察、探險(xiǎn)、緊急通信等領(lǐng)域。然而，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有其特殊的局限性，如有限的帶寬、高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路干擾、鏈路的有限范圍以及廣播等特性。使得建立可靠快速高效的路由協(xié)議成了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

1 MANET的路由協(xié)議
    MANET的路由協(xié)議大致分反應(yīng)式(Reactive)路由協(xié)議和先驗(yàn)式(Proactive)路由協(xié)議。
1．1 反應(yīng)式路由協(xié)議
    反應(yīng)式路由協(xié)議又稱為按需路由協(xié)議，是一種當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過程，找到相應(yīng)的路由。
    目前應(yīng)用較廣的反應(yīng)式路由協(xié)議有DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad Hoc On Demand Distance Vector)。DSR協(xié)議使用源路由，主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩部分。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查緩存中是否存在未過期的到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，存在就可直接使用，否則采用洪泛發(fā)實(shí)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)過程。
    AODV是基于距離矢量的算法，與DSR不同之處在于：AODV只保持需要的路由。它使用目的端順序號(hào)來避免產(chǎn)生無效路徑，而不使用周期更新的辦法。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)有路由需求時(shí)，該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)REEQ，并向臨時(shí)節(jié)點(diǎn)廣播，一直到目的節(jié)點(diǎn)接收到為止，然后目的節(jié)點(diǎn)回送RREP信號(hào)，直到源節(jié)點(diǎn)為止。在維護(hù)過程中通過周期廣播HELLOW信號(hào)來表明某節(jié)點(diǎn)的存在。
    除此以外，反應(yīng)式的路由協(xié)議還有很多，諸如：臨時(shí)按序路由協(xié)議(TORA)、逐段路由協(xié)議(SSR)等。
1．2 先驗(yàn)式路由協(xié)議
    先驗(yàn)式路由協(xié)議又稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，在這些協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到其他節(jié)點(diǎn)路由信息的路由表，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點(diǎn)更新自己的路由表。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文，可以建立立即獲取到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。目前主流的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議有DSDV(Destimation Sequenced Distance Vector)和WRP(Wireless Routing Protocol)。DSDV是對(duì)Bellman Ford路由算法的改進(jìn)，加入了避免路由環(huán)路機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存一張路由表，路由表中包含所有節(jié)點(diǎn)及其距離信息，通過廣播來維持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連通性，同時(shí)使用目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)來區(qū)別新舊路由。而WRP路由算法同樣是對(duì)路徑發(fā)現(xiàn)算法PFA的改進(jìn)，它利用去往節(jié)點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度和相應(yīng)路徑到達(dá)倒數(shù)第二跳節(jié)點(diǎn)信息加速路由協(xié)議的收斂速度，從而實(shí)現(xiàn)改進(jìn)路由環(huán)路問題。

2 OPNET仿真平臺(tái)
    目前眾多的專用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中有軟件公司開發(fā)的商用軟件，也有各大學(xué)和研究所自行開發(fā)的科研用軟件。
     OPNET是一種優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真和建模工具，支持面向?qū)ο蟮慕７绞?，并提供圖形化的編輯界面，便于用戶使用。它強(qiáng)大的功能和全面性幾乎可以模擬任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，支持各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，除了能夠模擬固定通信模型外，OPNET的無線建模器還可用于建立分組無線網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的模型。此外，功能完善的結(jié)果分析器為網(wǎng)絡(luò)性能的分析提供了有效又直觀的工具。OPNET的Molder是專門用于可視化原型設(shè)計(jì)的軟件，它的使用既方便了網(wǎng)絡(luò)模型的建立，又減少了編程的工作量。Molder中提供多種編輯器幫助用戶完成網(wǎng)絡(luò)建模和仿真運(yùn)行，它包括網(wǎng)絡(luò)編輯器(Network Editor)、節(jié)點(diǎn)編輯器(Node Editor)、進(jìn)程編輯器(Process Editor)。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真
    在此，對(duì)MANET網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典路由協(xié)議AODV協(xié)議和DSR協(xié)議進(jìn)行建模、仿真和分析。
3．1 網(wǎng)絡(luò)模型
3．1．1 協(xié)議性能測(cè)評(píng)指標(biāo)
    (1)路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間(Routing Find Time)：路由變化的收斂速度是衡量常規(guī)路由協(xié)議的關(guān)鍵因素，但是對(duì)于Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)來說路由協(xié)議是不收斂的，因此將路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間作為一性能測(cè)試指標(biāo)。
    (2)端到端平均時(shí)延(Delay)：該參數(shù)是指源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間，包括路由發(fā)現(xiàn)、隊(duì)列排隊(duì)、數(shù)據(jù)發(fā)送和傳播等。它反映網(wǎng)絡(luò)是否暢通，延時(shí)越小網(wǎng)絡(luò)越暢通，其單位為s。
    (3)分組投遞率(Packet Delivery Fraction)：該參數(shù)統(tǒng)計(jì)投遞到目的節(jié)點(diǎn)的分組與源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生CBR分組的比率，單位為％。
3．1．2 網(wǎng)絡(luò)模型建立過程
    移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)模型分別由10個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，依次為0，1，2，…，10，隨機(jī)分布在1 000 m×1 000 m區(qū)域內(nèi)的校園網(wǎng)環(huán)境中，物理上的無線通信OPNET通過管道(Pipeline)來模擬，它包括14個(gè)管道階段：
    (1)接收機(jī)組；
    (2)傳輸延時(shí)；
    (3)鏈路閉鎖；
    (4)信道匹配；
    (5)發(fā)射機(jī)天線增益；
    (6)傳播延時(shí)；
    (7)接收機(jī)天線增益；
    (8)接收機(jī)功率；
    (9)背景噪聲；
    (10)干擾噪聲；
    (11)信噪比；
    (12)誤比特率；
    (13)錯(cuò)誤分布；
    (14)糾錯(cuò)。
    節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)通過軌跡項(xiàng)定義，這里選擇每段運(yùn)動(dòng)時(shí)間為5 m／s，屬于中速運(yùn)動(dòng)。其中：源節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流為CBR(Continuous Bit-Rate)；分組間隔為4 packet／s；分組大小為512 B；仿真開始時(shí)間為5 s；仿真時(shí)間為500 s；節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率為0．005 W；信道帶寬為為2 000 kHz。
3．2 仿真結(jié)果
3．2．1 路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間
    圖1和圖2是節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為13和30時(shí)兩種協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間的比較。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，表示仿真時(shí)間；縱坐標(biāo)表示路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間?？梢钥闯觯?dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為13時(shí)，AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間(黑線)小于DSR協(xié)議(灰線)的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間，即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，AODV協(xié)議能夠在更短的時(shí)間內(nèi)找到可用的路由，AODV協(xié)議的路由尋找速度更為迅速。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增大到30時(shí)，最初AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間大于DSR，但隨著仿真時(shí)間的進(jìn)行，AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間急劇減少，并很快低于DSR協(xié)議，而DSR協(xié)議的路由尋找時(shí)間隨著仿真時(shí)間的進(jìn)行是不斷增長(zhǎng)的。說明對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)來說，AODV協(xié)議因?yàn)橐院榉旱姆绞綄ふ衣酚?，需要一段穩(wěn)定時(shí)間，但總體性能優(yōu)于DSR協(xié)議。由此可知，AODV協(xié)議更適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)。

3．2．2 分組投遞率
    圖3、圖4中橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，縱坐標(biāo)為發(fā)送的RREQ分組數(shù)，單位為個(gè)。圖中仍然是灰線表示DSR協(xié)議的性能，黑線表示AODV協(xié)議的性能。由上述可知，DSR為源路由方式，AODV為逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組方式。由以上兩幅圖可以知道，兩種場(chǎng)景下AODV協(xié)議發(fā)送的RREQ數(shù)均大于DSR協(xié)議，即逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組方式的路由開銷大于源路由方式。

    因此，盡管AODV協(xié)議更適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的網(wǎng)絡(luò)，但在AODV以洪泛方式尋找路由的過程中，所發(fā)送的路由請(qǐng)求分組隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加以幾何方式增長(zhǎng)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)由13增加到30，也可以看出，AODV協(xié)議發(fā)送的RREQ分組數(shù)迅速增加。因此，AODV洪泛的方式導(dǎo)致的開銷過大是有待解決的問題。
3．2．3 端到端的平均時(shí)延
    圖5、圖6橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，表示仿真時(shí)間；縱坐標(biāo)表示端到端時(shí)延。其中，黑線為AODV端到端時(shí)延，灰線為DSR端到端時(shí)延，可以看出當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為13時(shí)，DSR的延遲比AODV稍大，但差別不大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增大到30時(shí)，AODV的延遲稍大于DSR的延遲，差別同樣不大。即除了仿真開始的最初一段時(shí)間以外，兩種協(xié)議的端到端時(shí)延沒有特別大的差別。同樣，對(duì)比圖1、圖2可知，延遲主要集中在仿真開始的一段時(shí)間內(nèi)(圖中主要集中在2 min內(nèi))。隨后的時(shí)間可以看出，在不超出網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的情況下，系統(tǒng)的平均端到端時(shí)延保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值。說明DSR協(xié)議和AODV協(xié)議的性能均比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語
    通過對(duì)比兩種不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的場(chǎng)景可以知道，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，AODV協(xié)議的性能明顯優(yōu)于DSR協(xié)議，但AODV協(xié)議的開銷比DSR協(xié)議要大。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，DSR協(xié)議和AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間均減少，即隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，以上兩種協(xié)議的路由尋找速度均有下降，但AODV協(xié)議收斂更快，更適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)。因此，AODV協(xié)議是更適用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。但同時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加也會(huì)使AODV協(xié)議的路由尋找時(shí)間增加，開銷迅速增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載加重，因此，如何減少AODV協(xié)議的路由開銷，降低協(xié)議的路由尋找時(shí)間將是AODV協(xié)議的重要方向。