无线网络路由协议性能的研究与仿真

摘要：文章简要介绍自组网中常用的路由协议，利用网络仿真软件NS2对DSDV、DSR和AODV路由协议进行仿真，通过不同仿真场景计算出路由协议的第一个包收到时间、平均延时和包投递率。结果表明DSDV路由协议适合用于节点静止的网络场景，在移动环境下使用AODV和DSR路由协议有更好的网络性能。
关键词：自组网；DSD；DSR；AODV

0 引言
    自组网(Ad hoc network)是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的自治系统。其特点是自组织、多跳、可以临时性建立链路，在该网络中，信道的环境、网络的拓扑、业务的模式都是随节点的移动而动态改变的。自组网为任意环境下的通信提供了较好的解决方案，在军事领域和民用通信中有广泛应用。目前自组网与2．5G和3G移动通信进行了有效的结合，大规模宽带无线自组网将会成为宽带无线通信或未来移动通信的重要形式。
    在自组网环境中，由于节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的移动节点可以通过中间节点进行报文转发以实现数据通信，因此该过程需要路由协议进行数据包转发决策，节点采取什么样的策略转发报文能获得良好的通信效果显得很重要。路由协议是近年的研究热点和难点，路由协议需要迅速适应拓扑变化，完成路由建立和维护工作，尽量减少控制开销以提高网络吞吐量。目前适用于自组网的新协议一般以广播或组播方式建立网络路由，普遍得到认可的代表性协议有DSDV(Destination sequenced distance vector)、DSR(Dynamic Sou rce Routing)和AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)。

1 无线网络路由协议
    按路由发现策略，自组网路由协议可分为主动路由和按需路由两类。主动路由协议是节点通过定期地广播路由信息数据包，路由器间交换路由信息，计算出相关路由，节点维护去往全网所有节点的路由，发现策略与传统路由协议类似。主动路由协议主要有DSDV、GSR、WRP等协议。按需路由协议是根据需要来发起路由查找，当节点需要发送数据，路由表中又没有有效的路由信息时，源节点才会向整网洪泛，寻找到达目的节点的路由。拓扑结构和路由表信息都是按需建立，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。按需路由协议在通信过程中需维护路由，通信完毕后便不再进行维护。按需路由协议主要有DSR、AODV、TORA等。
1．1 DSDV
    DSDV协议是一种点到点距离向量路由协议，它需要每个节点向邻节点定期广播路由信息，每个节点都维护一个路由表。当网络拓扑有变化以至于路由表变更时，结点也会主动发送更新的路由给相邻的节点。DSDV协议和互联网上的DV协议基本相同，只是路由信息中多了目的节点序列号的记录，引入目的节点序列号后，既能区别路由信息的新旧，又能有效避免产生路由环路和无限计数的问题，适合无线自组网这种节点快速变动的网络所需。当节点收到多个不同的矢量表数据包时，选用序列号较大的路由信息来计算，如果序列号相同则看谁的路径短。
1．2 DSR
    DSR协议是一种基于源路由方式的按需路由协议。在DSR协议中，当源节点发送报文时，在数据报头部携带到达目的节点的路由信息，该路由信息由网络中的若干节点地址组成，源节点的数据报文就通过这些节点的中继转发到目的节点。DSR路由协议主要包括路由发现和路由维护过程。路由发现过程主要用于帮助源节点获得到达目的节点的路由。节点通过路由发现过程获得到达网络中其他节点的路由。在路由发现过程中源节点首先向邻节点广播"路由请求"数据报文。该数据报文中包括"请求ID"、"目的节点地址"和"路由记录"等字段。其中"路由记录"字段用于记录从源节点到目的节点路由中的中间节点地址，当路由请求报文到达目的节点时，该字段中的所有节点地址即构成了从源节点到目的节点的路由。当路由中的节点由于关机、移动等原因无法保证到达目的节点时，当前的路由就不再有效了。路由维护过程监测当前路由的可用情况，当监测到路由出现故障时，将调用新一轮路由发现过程。
1．3 AODV
    AODV协议借鉴了DSR协议的按需路由机制和DSDV协议的点到点路由机制。AODV协议采用逐跳的方式转发数据包，不需要在报文中携带完整的路由消息。AODV协议路由发现过程由源节点发起，当某节点需要发送一个数据包时，先检查本节点的路由表是否存在一条到目的节点的有效路由。如果没有，则需要向邻节点广播路由请求数据报文，其中记录着发出的源节点和目的节点的地址，邻近节点收到路由请求数据报文，先判断其中的目的节点是否就是本节点，如果不是，再在路由表中查找是否有到目的节点的路由。每一条路由都对应着一个序列号，路由更新时序列号也随着更新。AODV协议的路由维护是通过定期的广播hello报文来实现的，发现某条链路断开时，节点就发送路由错误消息报文通知那些因链路断开而不可达的节点删除相应的路由记录。

2 仿真实验及分析
    NS2是由伯克利大学开发的一个离散的事件驱动的仿真软件，支持链路层及其以上的以数据包为单位的仿真，支持无线网络和有线网络。本实验采用NS2作为仿真平台，仿真实验的目的是研究不同场景的情况下DSDV、DSR和AODV协议的网络性能。
2．1 性能参数
    (1)第一个包收到时间。第一个包收到时间可以用来反映路由表的收敛时间，越早收到，则表示收敛速度比较快，较早将第一个包从源节点送达目的节点。
    (2)平均延时。平均延时统计的是一个数据包从源节点成功到达目的节点经过的平均时间。它是反映数据包到达目的地时间长短的性能指标。延时包含链路上数据传播延时、MAC层的重传延时、数据排队等候延时、发现路径缓冲延时、网络中处理数据延时等。为了准确地反映网络的实际情况，常常用平均延时来度量网络中的延时，延时越小则说明网络越通畅。
    (3)数据包投递率。数据包投递率由成功到达目的节点的数据包数目与源节点产生的数据包传送数目的比值，反映了网络传输的可靠性，投递率越高网络可靠性越大。
2．2 实验场景
    由于需要对仿真环境进行设置，可用cbrgen与setdest两个NS2提供的工具进行参数设置。本文所设计的仿真场景是一个300m×300m的矩形区域，在区域内随机分布了100个节点，这也与现实中随机布点是类似的。仿真时间持续100s，节点发送功率为0．00 5 W，信道带宽为2 MHz，MAC层使用IEEE802．11b协议，路由协议分别采用DSDV、DSR和AODV协议。CBR业务连接数为10，数据包大小为512Byte，发送速率为每秒发送10数据包，数据类型选择的是CBR流。在给定的仿真场景中每个节点随机选择运动方向和运动速度，最大运动速度为10m／s。具体的场景设置参数如表1所示。

2．3 仿真分析
    当节点静止时统计到的数据如表2所示，当节点移动时统计到的数据如表3所示。从表2和表3可以看出，若节点静止时，使用DSDV路由协议可以较早收到第一个数据包，这是因为在数据发送前，DSDV已经有已知路径，不需要重新寻找新的路径，因此会较早收到第一个数据包。若节点移动时，AODV年ODSR路由协议收到第一个包时间比DSDV路由协议短得多，这是因为DSDV的路由中可能会没有可用的路径，等到更新路由表后，花费一段时间再找到有效的路径，所以收到第一个数据包时间值会比较大。所以DSDV路由协议适合用于节点静止的网络场景，AODV和DSR路由协议适合用于节点快速移动的网络场景。

3 结束语
    自组网作为无线通信技术的一个重要发展方向，在未来的通信技术中占据着重要的地位，已成为众多学者研究的对象。在实际应用中，考虑使用某个路由协议时首先需要了解该协议的性能是否符合需要，因此需在不同的参数下对协议进行仿真和性能分析。我们通过对第一个包收到时间、平均延时和包投递率这些性能指标的统计与比较，发现在移动环境下使用AODV租DSR路由协议比使用DSDV协议有更好的吞吐率和稳定性。