無線自組織網絡中動態源路由協議的移動性分析

摘要：針對移動性對無線網的影響，相關研究工作都需要定性、定量地對路由協議進行分析。由于動態源路由(DSR)協議在Ad hoc網絡中應用廣泛，對其進行實驗分析就顯得非常有意義。在實驗的數據結果上，給出了無線網絡吞吐量、平均端到端時延以及丟包率的性能對比，并且對協議改進進行了展望。

關鍵詞：無線自組織網絡；動態源路由協議；移動性

中圖分類號：TP393.04 文獻標志碼：A 文章編號：1001—3695(2007)09—0212—02

隨著目前Ad hoc網絡的發展速度越來越快，在網絡中節點的移動性、潛在的大量隱藏節點和有限的網絡資源的影響下，使得其路由協議設計極具挑戰性。因此，研究一種考慮在移動變化條件下的路由協議將具有很廣泛的應用前景與實際意義。目前在反應式路由協議中，動態源路由(DSR)協議是一種應用比較廣泛的無線自主網絡協議，但是其針對移動性方面的相關研究卻比較少，使得其在移動條件變化的情況下，性能不穩定。本文將針對DSR路由協議進行比較分析，在各個數據指標的對比下得出移動性對DSR路由協議的影響。根據實驗結果，將定量地得到移動變化條件下的協議參數變化情況，并且能針對協議需要改進的地方提出部分改進方案。

1 DSR路由協議簡介及移動性相關研究

Ad hoc網絡的路由協議大致可以分為先驗式(proactive)路由協議、反應式(reactive)路由協議和混合式路由協議。

DSR是一種基于源路由的按需路由協議，屬于反應式協議的一種。在此協議運行過程中，包括非常重要的兩個方面，即路由發現和路由維護。

1．1 路由發現

當有數據包要發送時，源節點先檢查緩存中是否有到達信宿的路由信息。若有一個非過期的路由，則可直接采用；否則就廣播一個路由請求分組，如圖1中的虛線表示廣播信息，進行路由初始化。路由請求分組中含有源/目的地址和一個惟一的標志符，如圖1中[S，E，F，J]就表示從源端所有經過的中間節點標志符。中間節點收到后，判斷其是否有到目的節點的路由，若沒有，則將其地址附加到分組的路由記錄中，再轉發給鄰近點。當目的節點進行應答時，它將路由記錄信息從路由請求分組中復制到應答分組中。在返回應答過程中，先檢查路由緩存中是否有到源節點的路由，若網絡鏈路是對稱的，則可采用反向解析獲得；否則，節點必須發起新的路由發現過程去獲得到信源的路由。

1．2 路由維護

在路由維護機制中，DSR協議采用路由錯誤分組和確認分組進行路由維護。當節點在數據鏈路層遇到傳輸錯誤時，向源端發送路由錯誤分組。收到路由錯誤分組的節點后，從路由緩存中刪除錯誤的路由。同時。確認分組用于證實路由的正確運行。另外，節點也可以通過檢測到沿路由的下一跳節點轉發分組來被動地獲得確認。

1．3 移動性帶來的問題

a)DSR有著如下不足，它比一般的先驗式路由協議(如AODV)的開銷(overheM)要大。因為每個DSR分組必須攜帶完整的路由信息，而先驗式協議分組只需包含目的地址。DSR的內存開銷也稍微大一些，因為需要記錄全部路由。根據DSR存在的問題，可知移動性的問題主要就是帶來了網絡拓撲結構的動態變化。通常，在Ad hoe網絡中需要考慮的移動性有源節點的移動性(當源節點移動時必須把這種變化通知路由上游的節點)、目的節點的移動性(當目的節點移動時必須通知路由下游節點這種變化)和中轉節點的移動性(對于路由中的這種變化，采用不同協議處理的方式也不同)。由于Ad hoe網絡中拓撲結構的不斷變化，路由協議設計主要的挑戰之一就是伴隨著鏈路斷鏈后的尋路問題。由于尋路等實時分布信息很容易使網絡進入飽和狀態，這樣達到的信息就會導致網絡陷于不穩定狀態中。

b)節點間是通過無線信道連接形成一個任意的網狀拓撲結構，節點之間的連接由于節點的離開和新節點的到達，也可能導致網絡拓撲結構發生劇烈動態變化。這種變化是不可預測的。某一移動節點可能游離到網絡中的其他節點之外，整個網絡也可能臨時地切分成幾個小的子網絡。

目前的相關研究中都是考慮在外部設備的幫助下解決移動帶來的開銷增加，如利用DPS定位系統，或利用固定的中轉設置來保證轉發過程的中間節點穩定性。這樣其優點可以大大降低移動性對網絡拓撲結構的影響，以及在影響產生時，能根據多重信息來調整網絡結構；但其缺點也是很明顯的，如DPS系統的引入并不能大范圍的推廣，同時，中轉設備的加入導致網絡構造的成本加大，并不適合與一些輕量移動變化的需求。所以。針對DSR路由協議的改進，將是從軟件上來提高整體網絡性能，其成本需求是很小的，而且擴展也相對容易得多。

2 DSR移動性仿真實驗以及分析

評價協議性能好壞的指標很多，最重要的有：平均端到端時延。端到端吞吐量、丟包率。為了比較和驗證Ad hoe網絡中的DSR路由協議在移動條件下的性能，本文采用VS2網絡仿真器進行試驗。仿真參數如表I所示。

根據實驗仿真結果，對實驗數據進行統計分析，得到圖2～5的分析結果。

從圖2中可以看出，隨著帶點移動性的增加，節點數據流之間的接收包與發送包之間的比率會產生波動性的向上遞增趨勢，在5n/s的低移動狀態下，吞吐率能達到90％左右，但到了60m/s速率時吞吐率急劇下降到30％～40％。這說明隨著移動性的增加，收發包的成功率會產生很大影響。從圖中也可以看出這個過程是一種波動遞增的，原因是隨機場景的選取在相對應的移動條件下，會對包的收發產生一種適應性的結果。

圖3、4顯示的是中間節點轉發包和傳輸過程中間的丟包數量的變化，兩者都隨節點移動速率變大而增加。這是由于在移動性增加的條件下，轉發包的過程進行路由重發現將大為增加，導致轉發的數據包很可能不能真正轉發到下一跳節點，從而不得不被中間節點所丟棄。

圖5是平均端到端時延，在源節點和目的節點成功地發送和收取數據包的情況下，平均端到端時延也是波動增長的。由于路由的開銷是隨著重發現路由過程增加而導致的，如何降低重發現過程的開銷將是端到端延時降低的關鍵。

從上面的實驗結果可以看出，節點移動性越大，分組平均的端到端時延就會越大。這是由于網絡拓撲變化越大，路由會發生變化或重新發現過程，從而使分組的轉發時間變長；同時，隨著節點移動性的增加，端到端吞吐量下降，原因是由于節點的頻繁移動導致網絡需用更多時間來尋找路由、競爭信道。因此，在DSR路由協議的改進思考中，必須考慮如何降低其路由重發現過程，以及在必需的路由重發現過程中，如何減少發現開銷，以及保證優良路由的持續高效使用。

3 結束語

本文針對無線網絡中節點移動性對網絡拓撲結構帶來的問題進行分析研究，利用NS2實驗平臺對小規模節點移動進行仿真實驗，對吞吐量、平均端到端時延、丟包率等性能指標進行定量分析。進一步分析實驗結果，會發現吞吐率下降以及時延增加所產生的原因是由于節點的移動導致路由失效，而失效就會帶來DSR協議中路由維護過程中的開銷增大。因此，對于DSR協議進行改進的目標就是要降低其發現路由過程的開銷。改進后，將使其性能得到30％～50％的提高，使得DSR路由協議能適用于在輕量移動條件下的應用中，有助于在低成本、易擴展的條件下實現網絡協議質量的提高。下一步的工作將集中在DSR路由協議改進的實現上，利用相同的實驗場景與實驗環境，對DSR協議中關于路由重發現機制進行修改。