基于MANET的多路徑路由協議分析與仿真

劉春茂, 侯奉含

基于MANET的多路徑路由協議分析與仿真

劉春茂1, 侯奉含2

(1.河南工業職業技術學院教務處，河南南陽，473000；2.河南工業職業技術學院計算機工程系，河南南陽，473000)

移動自組網MANET是由許多移動節點組成的無中心的、多跳的自組織網絡，網絡中的節點由于移動和能量耗盡可能會使得路徑失效，因此傳統的單路徑協議效率并不高。本文介紹了自組網中最常用的AODV協議，重點對AOMDV多路徑路由協議的路由機制和維護管理進行了探討。最后使用NS2仿真軟件對兩種協議進行了比較，結果表明，在分組投遞率和端到端延時方面，AOMDV比AODV更具優勢。

自組網；AODV協議；AOMDV協議；丟包率

0 引言

移動自組織網絡軍事領域、臨時會議，自然災害處理、緊急通信等領域。

是一個多跳的、無中心、臨時的網絡，網絡中的節點具有無線收發功能，并同時充當路由器和主機的角色。目前，移動自組網通常采用的是TCP/IP標準協議棧，應用領域也逐漸擴大，包括圖像，視頻，數據等業務的通信。技術也日趨成熟，其研究的方向涉及信道接入控制、網絡分層、路由協議、安全防御、能量控制等。作為一種特殊的組網方式，無線自組網具有拓撲結構動態變化、帶寬有限、節點能量有限、傳輸距離有限、生存周期較短等特點，因此如何設計一個快速高效的路由協議成為今年來研究人員主要研究的之一。

1 移動自組網中常用的路由協議

MANET網絡的路由協議可分為先驗式路由協議、反應式路由協議和混合式路由協議。先驗式路由是一種主動路由，網絡中的節點都維護著一張去往其他節點的路由表，并周期性的進行更新，節點發送數據時直接從路由表中選擇路徑，等待時間短，常見的協議有DSDV、WRP等；反應式路由協議又叫做按需路由協議，在這種方式中，節點無需維護當前的路由信息，只有當數據需要傳輸時，源節點才發起路由尋找過程，建立相關路由進行通信，常用的路由協議有DSR、AODV等。相比先驗式路由，反應式路由協議的開銷較小，但是因為建立路由需要時間，因而傳送延時較大；混合式路由協議則同時融合了上述2種路由協議的機制，網絡中相鄰的節點形成一個集合，在集合內部采用先驗式路由，在集合之間采用反應式路由，這樣減少路由建立過程中的開銷，常用的混合式路由協議有ZRP。

2 AODV協議

AODV協議結合了DSR協議和DSDV協議的特點，它是一種距離矢量路由協議，在使用該協議的網絡中，源節點到目的節點之間的信息傳輸采用逐跳方式，每個節點都維護一張路由表，指示下一跳節點的相關信息，每條路由均使用目的序列號來防止路由環路現象，當拓撲發生變化導致有新的路由創建時，該序列號加1。AODV協議的路由表結構如圖1所示：

圖1 AODV路由表結構

當有數據需要傳輸而路由表中又沒有相關路由信息時候，源節點便發起路由建立過程，廣播路由請求報文分組RREQ，RREQ分組包含以下信息字段：＜源地址，目的地址，源序列號，目的序列號，跳數，廣播ID號>。目的序列號和源序列號都是單調遞增的，目的是為了防止路由環路和過期路由。中間節點收到RREQ后，如果自己是目的節點，則回送路由響應報文RREP，否則根據源地址和廣播ID判斷是否收到過該路由請求報文，如果是重復收到該請求分組，則丟棄，否則記錄相關信息，同時將跳數加1，繼續轉發該RREQ分組直到目的節點，目的節點收到RREQ后，選擇目的序列號最大的路由分組作為有效RREQ，并據此回復RREP給源節點，其他收到的RREQ則被丟棄。在回傳RREP的過程中，沿途中間節點都會建立到源節點的反向路徑，源節點據此就可以建立去往目的節點的路徑。

由于AODV協議在建立路由的過程中同時建立了反向路由，需要信道滿足雙向傳輸的要求；并且在節點的路由表中，只有一條到的目的節點的路徑，當中間節點由于能量耗盡關閉或快速移動出網絡范圍時，可能會導致該條路由失效，此時源節點不得不重新發起路由發現過程，會增加業務的延時，此外，AODV協議沒有采取任何安全機制，路由的安全性也存在一定隱患。

3 AOMDV多路徑協議

在自組網中，使用AODV或DSR這類單路徑協議最大的弊端就是路由失效后，節點必須馬上啟動路由重建過程，從而導致開銷增加，延時增大。在AODV協議路由上進行修改，使其在一次路由尋找過程中能夠獲得多條去往目的節點的路徑，這種改進的協議即為AOMDV協議，它可以提供多條冗余路徑，只有當所有去往目的節點的路徑都失效后，才會進行新的路由尋找過程，這樣可以較好地改善單路徑路由協議的缺陷，提高網絡的整體性能。

在AODV路由協議中，目的節點通常只對第一個到達的RREQ分組作出回復，通過回送RREP建立一條路由，而隨后到達的RREQ則丟棄。與AODV協議不同，在使用AOMDV協議的網絡中，目的節點會對多個到達的RREQ查詢分組都作出應答。通常目的節點會對最先到達的查詢分組進行應答，其建建立的路徑作為主路徑，接下來依次選擇第二個、第三個、……最后到達的查詢分組進行應答，建立多條路徑則為備份路徑。

由文獻4可知，在使用AOMDV協議的網絡中，兩次路由建立的時間間隔T的概率密度函數可以用公式1表示：

上式中，λ表示為某條路由的壽命。設某一對通信節點之間有2條路由，主路由的跳數等于3，備份路徑的跳數為4，由概率密度函數可以計算得出T的數學期望E[T]，如公式2所示。

對于一條跳數為3的單路徑而言，其數學期望為L/3，明顯小于采用2條路徑的均值，即表示多路徑重新發現路由的時間間隔更長。

4 AODV和AOMDV性能仿真比較

本節我們在模擬網絡環境下，對AODV和AOMDV進行性能比較，設網絡大小為500m*500m，有30個無線移動節點，10個通信對；節點按照設定的速度隨機移動，數據分組類型為CBR，大小為256B。仿真時間為250秒。

選取端到端平均時延，分組投遞率性能評估指標，真結果如圖3所示。

圖3 AODV和AOMDV的分組投遞率比較

從圖3可以看出，AOMDV協議的分組投遞率高于AODV，尤其是節點移動速度很快速的時候更為明顯，這是因為當網絡拓撲劇烈變化，會使得主路徑失效，由于AODV沒有其他路徑可以代替傳輸，在新路由建立之前，發送的數據在路徑斷裂處會被丟棄而，而在使用AOMDV協議的網絡中，節點可以切換到備份路徑繼續傳輸圖4分別是兩種協議的端到端平均延時比較仿真圖。可以看出，當網絡中的節點運動較大時，AOMDV的延時性能明顯優于AODV。這是因為AODV沒有備用路徑，當路由失效后，會等待新路由重新建立繼續重傳（或者在定時時間到后，如果新路由沒有建立，則直接丟棄），這個等待時間使得網絡延時增大。而AOMDV協議在主路由失效后，可以切換到備用路徑，切換時間遠遠小于重建路由的時間，因此延時相對更小。

5 結束語

移動自組網無中心設施，組網靈活，節點間通信通過中間節點轉發，本文主要闡述了對MANET網絡所采用的單路徑協議AODV進行了分析說明，并對多路徑協議進行了數學模型分析，指明了多路徑協議AOMDV的優勢，最后使用仿真軟件NS2進行了比較了兩種路由的端到端延時和分組投遞率，并分析了原因。

[1] 于宏毅等．無線移動自組織網． 人民郵電出版社，2005年4月, P266~286

[2] 袁培燕;張俊娜;李臘元;;基于能量模型的自組織網絡路由協議的研究[J];計算機工程與應用;2006年28期

[3]鄭鋒;李臘元;高曄方;連進;;自組網QoS路由協議綜述[J];計算機應用;2006年02期

[4] 陳林星等,自組織分組無線網絡技術(第2版),電子工業出版社,2012年1月.

[5]謝世歡;郭偉;;實現Ad-hoc按需路由協議的關鍵技術[J];計算機應用;2006年03期

Analysis and Simulation of multi path routing protocol based on MANET

Liu Chunmao1,Hou Fenghan2
(1.Teaching Affairs Office，Henan Polytechnic Institute,Nanyang,Henan,China，473000；2.Department of Computing Engineering,Henan Polytechnic Institute,Nan yang,Henan,China，47300)

Mobile ad hoc network is a multi-hop,no center,self-organizing network,it is composed of many mobile nodes,due to the mobility and energy depletion of the nodes,it will lead to the path become failure in MANET,therefore,the efficiency of traditional single path protocol is not high and not suitable for MANET.This paper introduces a commonly protocol AODV used in MANET,focus on a multi routing protocol called AOMDV which developed from AODV,the rooting mechanism and maintenance management of AOMDV are discussed. Finally we simulate and compare these two protocols with NS-2 software,the results show that AOMDV has more advantage than AODV on packet delivery ratio and end-to-end delay.

ad hoc network;AODV protocol;AOMDV protocol;packet loss rate

圖4 AODV和AOMDV的端到端延時比較

劉春茂(1979－)，男，漢族，碩士生，講師，主要研究領域為數據庫與信息采集，程序設計，算法研究。

侯奉含(1983－)，女，漢族，碩士生，講師，主要研究領域計算機網絡技術。