戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中按需路由協(xié)議的仿真研究

摘 要:戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)是現(xiàn)代信息戰(zhàn)中產(chǎn)生的一個(gè)重要的戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中路由協(xié)議的選擇對(duì)于網(wǎng)絡(luò)能否成功構(gòu)建至關(guān)重要。在此研究了戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)按需路由協(xié)議中的AODV協(xié)議和DSR協(xié)議，對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)的分析比較，并通過(guò)OPNET仿真工具對(duì)AODV與DSR協(xié)議在不同場(chǎng)景下的路由開(kāi)銷、網(wǎng)絡(luò)延遲和丟包率進(jìn)行仿真分析，指出了兩種協(xié)議各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，為兩種路由協(xié)議在無(wú)線傳播環(huán)境下的應(yīng)用提供了有效的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng); AODV; DSR; OPNET; 仿真測(cè)試

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)08-0073-04

Simulation ofReactive Routing Protocol in Tactical Communication Networks

HAN Xiu-rong1，2， KANG Feng-ju2， ZHONG Lian-jiong1，TIAN Xiao-jing3

(1. Computer College， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China;

2. College of Marine， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;

3.Information Center， Xi’an Red Cross Hospital， Xi’an710045， China)

Abstract:Tactical communication network is an important battle-field information transfer network produced in modern communicaion war，and the choice of routing protocol is very important for the successful construction of tactical communication network. The AODV and DSR protocols in reactive routing protocols are researched， compared in detail， and simulated in routing cost，network delay and data dropped rate by OPNET. The advantages and characteristics of the two routing protocols are pointed outin order to provide an effective foundation for application of the two routing protocols under the condition of wireless propagation.

Keywords:tactical communication network; AODV; DSR; OPNET; simulation testing

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用與發(fā)展，產(chǎn)生了現(xiàn)代信息戰(zhàn)中一個(gè)重要的戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)即戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)。在軍事戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役中，誰(shuí)能高效快速掌握戰(zhàn)場(chǎng)前沿態(tài)勢(shì)，誰(shuí)將得到戰(zhàn)略的制高點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)研究的初期不可能盲目地對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須要知道相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的指標(biāo)參數(shù)。如果能把網(wǎng)絡(luò)流量、性能的實(shí)際監(jiān)測(cè)分析結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，則可為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)研究提供可靠的依據(jù)。

由于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)可以在沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施支持的情況下提供通信，具有很高的抗毀性和靈活性，因此被各軍事強(qiáng)國(guó)應(yīng)用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)綜合通信[1-2]。而Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊性也使得傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)中使用的各種協(xié)議和技術(shù)無(wú)法被直接使用，因此，需要為Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專門(mén)的路由協(xié)議和算法。目前具有代表性的路由協(xié)議主要有DSDV[3]， SSA， AODV[4]， DSR[5]， CGSR， ZRP， LAR以及GPSR等。而在戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，主要采用按需路由協(xié)議，其中比較典型的有AODV和DSR。這里對(duì)AODV和DSR路由協(xié)議的算法進(jìn)行了分析和對(duì)比，并以O(shè)PNET Modeler為仿真平臺(tái)對(duì)這兩種協(xié)議的性能進(jìn)行了仿真測(cè)試。仿真結(jié)果為戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)中對(duì)協(xié)議的選擇提供了具體詳實(shí)的依據(jù)，也為后續(xù)對(duì)協(xié)議算法進(jìn)行更廣泛深入的研究和改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 協(xié)議分析

網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議通過(guò)路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)，路由協(xié)議可以完成在源與目的設(shè)備的用戶應(yīng)用間通信所需的各種功能，不同的協(xié)議中這些功能差異很大。

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議是一種按需距離向量路由協(xié)議[6]。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要通信時(shí)，才發(fā)送路由分組信息。AODV路由協(xié)議中有三種類型的消息控制包:路由請(qǐng)求(RREQ)，路由應(yīng)答(RREP)和路由錯(cuò)誤(RERR)。首先源節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播RREQ數(shù)據(jù)包，每一次廣播時(shí)，RREQ ID會(huì)自動(dòng)加1來(lái)防止路由環(huán)路的產(chǎn)生。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)能夠提供有效路徑或者目的節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RREQ數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送RREP數(shù)據(jù)包響應(yīng)請(qǐng)求，并且沿著剛建立的逆向路徑向源節(jié)點(diǎn)返回。AODV協(xié)議中，源節(jié)點(diǎn)收到該RREP后則根據(jù)路由信息開(kāi)始向?qū)?yīng)的目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

由上述過(guò)程可以看出，AODV路由協(xié)議只支持雙向鏈路。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到一條正在傳輸數(shù)據(jù)活動(dòng)路由的下一跳鏈路斷開(kāi)，或者節(jié)點(diǎn)收到去往某個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文，而節(jié)點(diǎn)沒(méi)有到該目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)廣播路由錯(cuò)誤消息RERR，每一個(gè)收到信息的中間節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)自己緩存區(qū)中的路由信息。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到出錯(cuò)信息后，重新尋找路由。根據(jù)對(duì)AODV協(xié)議的分析，可得它的流程如圖1所示。

圖1 AODV協(xié)議流程圖

1.2 DSR路由協(xié)議

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing，DSR)也是一種按需路由協(xié)議，其允許節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)到目的節(jié)點(diǎn)的多跳路由[7]。它的特點(diǎn)是使用了源路由的路由機(jī)制，每一個(gè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包都在其頭部包含了從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所有的路由信息，因此中間節(jié)點(diǎn)并不需要實(shí)時(shí)地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。只有在節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)不知道目的節(jié)點(diǎn)完整路由的情況下，節(jié)點(diǎn)才會(huì)激活路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制尋找到達(dá)目的地的路由。

1.3 兩種路由協(xié)議的區(qū)別

(1) DSR協(xié)議中的路由信息比AODV中的多。

AODV協(xié)議中，在返回RREP時(shí)才建立正向路由，并且是單播形式;而DSR協(xié)議是源節(jié)點(diǎn)路由，并且最后的路由應(yīng)答采用的也是廣播的形式，所以DSR記錄了更多的路由信息。

(2) 使用路由的新舊不同。

AODV協(xié)議中，只要一條路由信息在一定的時(shí)間沒(méi)有使用過(guò)，那么不管這個(gè)信息是否還可以繼續(xù)使用，都將從路由表刪除，因此使用的都是最新的路由;而DSR協(xié)議只有在使用該路由信息并且傳輸出錯(cuò)時(shí)，才會(huì)刪除該信息。

(3) 鏈路出錯(cuò)時(shí)，發(fā)送出錯(cuò)信息的范圍不同。

AODV鏈路出錯(cuò)時(shí)，會(huì)通知網(wǎng)絡(luò)中所有使用該路由的節(jié)點(diǎn);而DSR只會(huì)通知源節(jié)點(diǎn)。

(4) DSR比AODV能源消耗小。

AODV在查找路由的時(shí)候，只接收第一個(gè)RREP所攜帶的路由信息，以后的路由信息全部忽略;而DSR在查找路由的時(shí)候，所有的中間節(jié)點(diǎn)都會(huì)記錄下來(lái)，并且它維護(hù)不只一條路由信息，所以會(huì)減少路由發(fā)現(xiàn)的次數(shù)，從而節(jié)省能源。

2 仿真建模及結(jié)果分析

OPNET是業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，它基于離散事件仿真，采用三層建模機(jī)制，具有圖形化輸入/輸出界面，采用面向?qū)ο蟮慕７椒ǎ梢赃\(yùn)行在多種平臺(tái)上，是美軍多個(gè)大型軍用仿真系統(tǒng)的仿真引擎。本文利用仿真工具OPNET Modeler配置多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的模擬場(chǎng)景來(lái)執(zhí)行路由協(xié)議AODV和DSR的仿真測(cè)試工作。

2.1 性能指標(biāo)

結(jié)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)特性以及目前評(píng)價(jià)一種無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能好壞的指標(biāo)[8]，具體對(duì)以下幾個(gè)方面做分析:

(1) 路由開(kāi)銷。

路由控制開(kāi)銷是指路由控制信息的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載所占信道中總的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的比例。路由控制開(kāi)銷=(控制信息的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載/信道中總的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載)×100%

(2) 延遲。

網(wǎng)絡(luò)延遲是指在計(jì)算機(jī)之間傳送一位數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間，用秒或毫秒表示。本文主要對(duì)端對(duì)端延遲和信道接入延遲進(jìn)行測(cè)試，將使用OPNET內(nèi)的兩個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量:平均網(wǎng)絡(luò)端到端延遲(單位:s)和信道接入延遲(單位:s)。

(3) 丟包率。

網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸是以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的形式傳輸?shù)模^網(wǎng)絡(luò)丟包率，是數(shù)據(jù)包丟失部分與所發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)的比值。

2.2 仿真場(chǎng)景及結(jié)果分析

假設(shè)自由傳播空間不受地形等因素干擾，使用IEEE802.11MAC協(xié)議的情況下，建立兩個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析相關(guān)性能指標(biāo)，來(lái)測(cè)試在一個(gè)較大范圍內(nèi)(2 000 m×2 000 m)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響。

場(chǎng)景一:13個(gè)固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用直線型拓?fù)洌噜弮蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間為一跳距離，最大跳數(shù)設(shè)置為7，使用信道帶寬1 000 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為100 000 b/s。

場(chǎng)景二:13個(gè)移動(dòng)(m)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用直線型拓?fù)洌噜弮蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間為一跳距離，最大跳數(shù)設(shè)置為7，使用信道帶寬1 000 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為100 000 b/s，移動(dòng)速度為4 m/s。

2.2.1 平均端到端延遲和平均信道接入延遲

如圖2和圖3所示，可以看出，移動(dòng)會(huì)使兩種協(xié)議的延遲增加。

DSR協(xié)議平均端到端延遲增幅=0.00 125-0.001=0.000 25 s

AODV協(xié)議平均端到端延遲增幅=0.000 76-0.000 75=0.000 01 s

DSR協(xié)議平均信道接入延遲增幅=0.000 75-0.000 6=0.000 15 s

AODV協(xié)議平均信道接入延遲增幅=0.000 5-0.000 4=0.000 1 s

可以看出，DSR在延遲方面的增幅要高于AODV在延遲方面的增幅。

圖2 平均端到端延遲圖

圖3 平均信道接入延遲

2.2.2 丟包率

如圖4和圖5所示，AODV的丟包數(shù)明顯高于DSR。在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài)下，AODV和DSR的丟包數(shù)都呈遞增的狀態(tài)，最終穩(wěn)定。仿真過(guò)程中發(fā)送數(shù)據(jù)總量為3 500 b/s，對(duì)比場(chǎng)景一和場(chǎng)景二的丟包數(shù)，可以得到AODV的丟包率要明顯高于DSR的丟包率:

AODV丟包率增幅=2.57%-1.43%=1.14%

DSR丟包率增幅=1.43%-0.22%=1.21%

計(jì)算結(jié)果表明移動(dòng)后丟包率的增幅AODV要比DSR的小，也就是說(shuō)在大范圍下移動(dòng)對(duì)DSR的影響要更大一些。

2.2.3 路由控制開(kāi)銷

如圖6和圖7所示，在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)固定的場(chǎng)景中，DSR的路由控制信息為9 800 b，總的負(fù)載為66 000 b。AODV的路由控制信息為9 400 b，總的負(fù)載為62 000 b。因此可以計(jì)算如下:

DSR的路由控制開(kāi)銷=(9 800/66 000)×100%=14.8%

AODV的路由控制開(kāi)銷=(9 400/6 2000)×100%=15.1%

圖4 場(chǎng)景一的丟包數(shù)

圖5 場(chǎng)景二的丟包數(shù)

圖6 場(chǎng)景一的DSR路由控制信息和負(fù)載

圖7 場(chǎng)景一的AODV路由控制信息和負(fù)載

如圖8和圖9所示，在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的場(chǎng)景中，DSR的路由控制信息為11 000 b，總的負(fù)載為70 000 b。AODV的路由控制信息為11 000 b，總的負(fù)載為69 000 b。因此可以計(jì)算如下:

DSR的路由控制開(kāi)銷=(11 000/70 000)×100%=15.7%

AODV的路由控制開(kāi)銷=(11 000/69 000)×100%=15.9%

圖8 場(chǎng)景二的DSR路由控制信息和負(fù)載

圖9 場(chǎng)景二的AODV路由控制信息和負(fù)載圖

根據(jù)上述兩個(gè)場(chǎng)景的計(jì)算結(jié)果可以看出，在比較大的通信范圍內(nèi)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)時(shí)，AODV的路由控制開(kāi)銷比DSR大;而節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)對(duì)DSR的影響要比對(duì)AODV的影響要大。

3 結(jié) 語(yǔ)

建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景對(duì)AODV和DSR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率和路由開(kāi)銷等方面的進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在一個(gè)較大的通信范圍中，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)對(duì)兩種路由協(xié)議都有一些影響，但總的說(shuō)來(lái)，DSR比AODV協(xié)議要表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)路由協(xié)議算法提供了依據(jù)，也為后續(xù)對(duì)算法的改進(jìn)提供了參考。

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