無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的探討

引言

自組網(wǎng)（Ad hoc network）是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成的自治系統(tǒng)。其特點是自組織、多跳、可以臨時性建立鏈路，在該網(wǎng)絡(luò)中，信道的環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?、業(yè)務(wù)的模式都是隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變的。自組網(wǎng)為任意環(huán)境下的通信提供了較好的解決方案，在軍事領(lǐng)域和民用通信中有廣泛應(yīng)用。目前自組網(wǎng)與2．5G和3G移動通信進行了有效的結(jié)合，大規(guī)模寬帶無線自組網(wǎng)將會成為寬帶無線通信或未來移動通信的重要形式。

在自組網(wǎng)環(huán)境中，由于節(jié)點的無線通信覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的移動節(jié)點可以通過中間節(jié)點進行報文轉(zhuǎn)發(fā)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，因此該過程需要路由協(xié)議進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)決策，節(jié)點采取什么樣的策略轉(zhuǎn)發(fā)報文能獲得良好的通信效果顯得很重要。路由協(xié)議是近年的研究熱點和難點，路由協(xié)議需要迅速適應(yīng)拓?fù)渥兓?，完成路由建立和維護工作，盡量減少控制開銷以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。目前適用于自組網(wǎng)的新協(xié)議一般以廣播或組播方式建立網(wǎng)絡(luò)路由，普遍得到認(rèn)可的代表性協(xié)議有DSDV（DestinaTIon sequenced distance vector）、DSR（Dynamic Sou rce RouTIng）和AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector RouTIng）。

1 無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

按路由發(fā)現(xiàn)策略，自組網(wǎng)路由協(xié)議可分為主動路由和按需路由兩類。主動路由協(xié)議是節(jié)點通過定期地廣播路由信息數(shù)據(jù)包，路由器間交換路由信息，計算出相關(guān)路由，節(jié)點維護去往全網(wǎng)所有節(jié)點的路由，發(fā)現(xiàn)策略與傳統(tǒng)路由協(xié)議類似。主動路由協(xié)議主要有DSDV、GSR、WRP等協(xié)議。按需路由協(xié)議是根據(jù)需要來發(fā)起路由查找，當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)，路由表中又沒有有效的路由信息時，源節(jié)點才會向整網(wǎng)洪泛，尋找到達目的節(jié)點的路由。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表信息都是按需建立，它可能僅僅是整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。按需路由協(xié)議在通信過程中需維護路由，通信完畢后便不再進行維護。按需路由協(xié)議主要有DSR、AODV、TORA等。

1．1 DSDV

DSDV協(xié)議是一種點到點距離向量路由協(xié)議，它需要每個節(jié)點向鄰節(jié)點定期廣播路由信息，每個節(jié)點都維護一個路由表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆凶兓灾劣诼酚杀碜兏鼤r，結(jié)點也會主動發(fā)送更新的路由給相鄰的節(jié)點。DSDV協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)上的DV協(xié)議基本相同，只是路由信息中多了目的節(jié)點序列號的記錄，引入目的節(jié)點序列號后，既能區(qū)別路由信息的新舊，又能有效避免產(chǎn)生路由環(huán)路和無限計數(shù)的問題，適合無線自組網(wǎng)這種節(jié)點快速變動的網(wǎng)絡(luò)所需。當(dāng)節(jié)點收到多個不同的矢量表數(shù)據(jù)包時，選用序列號較大的路由信息來計算，如果序列號相同則看誰的路徑短。

1．2 DSR

DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議。在DSR協(xié)議中，當(dāng)源節(jié)點發(fā)送報文時，在數(shù)據(jù)報頭部攜帶到達目的節(jié)點的路由信息，該路由信息由網(wǎng)絡(luò)中的若干節(jié)點地址組成，源節(jié)點的數(shù)據(jù)報文就通過這些節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。DSR路由協(xié)議主要包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程。路由發(fā)現(xiàn)過程主要用于幫助源節(jié)點獲得到達目的節(jié)點的路由。節(jié)點通過路由發(fā)現(xiàn)過程獲得到達網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的路由。在路由發(fā)現(xiàn)過程中源節(jié)點首先向鄰節(jié)點廣播“路由請求”數(shù)據(jù)報文。該數(shù)據(jù)報文中包括“請求ID”、“目的節(jié)點地址”和“路由記錄”等字段。其中“路由記錄”字段用于記錄從源節(jié)點到目的節(jié)點路由中的中間節(jié)點地址，當(dāng)路由請求報文到達目的節(jié)點時，該字段中的所有節(jié)點地址即構(gòu)成了從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由。當(dāng)路由中的節(jié)點由于關(guān)機、移動等原因無法保證到達目的節(jié)點時，當(dāng)前的路由就不再有效了。路由維護過程監(jiān)測當(dāng)前路由的可用情況，當(dāng)監(jiān)測到路由出現(xiàn)故障時，將調(diào)用新一輪路由發(fā)現(xiàn)過程。

1．3 AODV

AODV協(xié)議借鑒了DSR協(xié)議的按需路由機制和DSDV協(xié)議的點到點路由機制。AODV協(xié)議采用逐跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，不需要在報文中攜帶完整的路由消息。AODV協(xié)議路由發(fā)現(xiàn)過程由源節(jié)點發(fā)起，當(dāng)某節(jié)點需要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，先檢查本節(jié)點的路由表是否存在一條到目的節(jié)點的有效路由。如果沒有，則需要向鄰節(jié)點廣播路由請求數(shù)據(jù)報文，其中記錄著發(fā)出的源節(jié)點和目的節(jié)點的地址，鄰近節(jié)點收到路由請求數(shù)據(jù)報文，先判斷其中的目的節(jié)點是否就是本節(jié)點，如果不是，再在路由表中查找是否有到目的節(jié)點的路由。每一條路由都對應(yīng)著一個序列號，路由更新時序列號也隨著更新。AODV協(xié)議的路由維護是通過定期的廣播hello報文來實現(xiàn)的，發(fā)現(xiàn)某條鏈路斷開時，節(jié)點就發(fā)送路由錯誤消息報文通知那些因鏈路斷開而不可達的節(jié)點刪除相應(yīng)的路由記錄。

2 仿真實驗及分析

NS2是由伯克利大學(xué)開發(fā)的一個離散的事件驅(qū)動的仿真軟件，支持鏈路層及其以上的以數(shù)據(jù)包為單位的仿真，支持無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。本實驗采用NS2作為仿真平臺，仿真實驗的目的是研究不同場景的情況下DSDV、DSR和AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能。

2．1 性能參數(shù)

（1）第一個包收到時間。第一個包收到時間可以用來反映路由表的收斂時間，越早收到，則表示收斂速度比較快，較早將第一個包從源節(jié)點送達目的節(jié)點。

（2）平均延時。平均延時統(tǒng)計的是一個數(shù)據(jù)包從源節(jié)點成功到達目的節(jié)點經(jīng)過的平均時間。它是反映數(shù)據(jù)包到達目的地時間長短的性能指標(biāo)。延時包含鏈路上數(shù)據(jù)傳播延時、MAC層的重傳延時、數(shù)據(jù)排隊等候延時、發(fā)現(xiàn)路徑緩沖延時、網(wǎng)絡(luò)中處理數(shù)據(jù)延時等。為了準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的實際情況，常常用平均延時來度量網(wǎng)絡(luò)中的延時，延時越小則說明網(wǎng)絡(luò)越通暢。

（3）數(shù)據(jù)包投遞率。數(shù)據(jù)包投遞率由成功到達目的節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)目與源節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包傳送數(shù)目的比值，反映了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃裕哆f率越高網(wǎng)絡(luò)可靠性越大。

2．2 實驗場景

由于需要對仿真環(huán)境進行設(shè)置，可用cbrgen與setdest兩個NS2提供的工具進行參數(shù)設(shè)置。本文所設(shè)計的仿真場景是一個300m×300m的矩形區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)隨機分布了100個節(jié)點，這也與現(xiàn)實中隨機布點是類似的。仿真時間持續(xù)100s，節(jié)點發(fā)送功率為0．00 5 W，信道帶寬為2 MHz，MAC層使用IEEE802．11b協(xié)議，路由協(xié)議分別采用DSDV、DSR和AODV協(xié)議。CBR業(yè)務(wù)連接數(shù)為10，數(shù)據(jù)包大小為512Byte，發(fā)送速率為每秒發(fā)送10數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)類型選擇的是CBR流。在給定的仿真場景中每個節(jié)點隨機選擇運動方向和運動速度，最大運動速度為10m／s。具體的場景設(shè)置參數(shù)如表1所示。

2．3 仿真分析

當(dāng)節(jié)點靜止時統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)如表2所示，當(dāng)節(jié)點移動時統(tǒng)計到的數(shù)據(jù)如表3所示。從表2和表3可以看出，若節(jié)點靜止時，使用DSDV路由協(xié)議可以較早收到第一個數(shù)據(jù)包，這是因為在數(shù)據(jù)發(fā)送前，DSDV已經(jīng)有已知路徑，不需要重新尋找新的路徑，因此會較早收到第一個數(shù)據(jù)包。若節(jié)點移動時，AODV年ODSR路由協(xié)議收到第一個包時間比DSDV路由協(xié)議短得多，這是因為DSDV的路由中可能會沒有可用的路徑，等到更新路由表后，花費一段時間再找到有效的路徑，所以收到第一個數(shù)據(jù)包時間值會比較大。所以DSDV路由協(xié)議適合用于節(jié)點靜止的網(wǎng)絡(luò)場景，AODV和DSR路由協(xié)議適合用于節(jié)點快速移動的網(wǎng)絡(luò)場景。

3 結(jié)束語

自組網(wǎng)作為無線通信技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，在未來的通信技術(shù)中占據(jù)著重要的地位，已成為眾多學(xué)者研究的對象。在實際應(yīng)用中，考慮使用某個路由協(xié)議時首先需要了解該協(xié)議的性能是否符合需要，因此需在不同的參數(shù)下對協(xié)議進行仿真和性能分析。我們通過對第一個包收到時間、平均延時和包投遞率這些性能指標(biāo)的統(tǒng)計與比較，發(fā)現(xiàn)在移動環(huán)境下使用AODV租DSR路由協(xié)議比使用DSDV協(xié)議有更好的吞吐率和穩(wěn)定性。