Ad Hoc典型路由協議仿真實現與性能分析

劉峰

摘要摘要：對Ad Hoc中目的序列距離矢量協議（DSDV）、按需距離矢量路由協議（AODV）及動態源路由協議（DSR）進行理論分析和比較。在NS2平臺上實現3種路由協議的仿真，討論分組投遞率、平均端到端時延和歸一化路由開銷3項性能指標。通過Tcl編程給出圖示化結果，為不同應用環境下的路由選擇提供思路。

關鍵詞關鍵詞：Ad Hoc網絡；路由協議；平均端到端延時；NS2仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.161094

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001014903

引言

Ad Hoc 網絡[1]是一種多跳的無中心自組織網絡，又被稱為多跳網或自組網。整個網絡沒有固定的基礎設施，網中的每個節點都是不定向運動的，并能夠相互保持消息同步與信息交流，但是消息同步與路由需要網絡協議的支持。目前，在Ad Hoc網絡中，典型的路由協議主要有DSDV、AODV、DSR等3種，本文將通過在網絡仿真平臺上對3種協議進行實驗來比較分析它們的使用場景和性能優劣[2]。

1Ad Hoc典型路由協議

者到達一個中間節點，但它要包含到目的節點的路徑信息。然后該目的節點沿著這條路徑的反方向反饋一個路由應答包，表明源節點發送的路由請求包已收到，這樣就建立起一條從源節點到目的節點的一條路由信息。在找到路由源節點發送數據時，會存在路由過時的問題，需要通過包序列號來解決，通過辨識包序列號的大小來確認路由的有效性。一般將包序列號大的那條路徑作為最新的路由，當包序列號相同時，一般選擇經過節點少的那條路徑作為最新路由，但也經常存在鏈路中斷情況，這時源節點就需要重新啟動路由發現過程。

1.3動態源路由協議DSR

DSR（Dynamic Source Routing）是一種基于源路由的反應式路由協議，其中主要包括路由發現和路由維護兩個過程。路由發現過程主要如下：當源節點需要發送數據時，首先檢查自身的路由緩存表，看是否有到目的節點尚未過期的路由信息，若存在則按該路由進行數據的傳送；如沒有，則需要向網絡的周圍廣播一個路由請求包RREQ。在每個鄰居節點收到該請求包時，首先會檢查自身的路由表有無到該目的節點的路由信息，若有該節點則向源節點發送路由應答包RREP，其中包含從源節點到目的節點的路由信息；若沒有，則依次向周圍節點廣播該數據包，直到目的節點收到，或直到目的節點路由的中間節點收到，至此路由發現過程完成。

正確建立路由后，源節點則按照此路由向目的節點傳輸數據，在數據傳送中，還需要對已建立的路徑進行維護和更新，當發現路由改變或中斷時，需要源節點及時更新路由表或者重新尋找路由。反應式路由協議路由發現過程如圖1所示。

2.1網絡仿真工具NS2

NS[5] 是 Network Simulator的英文縮寫，又稱網絡仿真器。NS2的2是指網絡仿真平臺的第二版，它本質上是一個離散事件驅動的模擬器，可以很好地模擬現實中的網絡環境。目前已經驗證FTP、Telnet、CBR等協議仿真的正確性和可靠性，整個仿真過程主要分為3個部分：改源碼、Tcl腳本、分析處理結果[5]。

2.2實驗環境搭建

NS2是在UNIX系統上開發的，因此可以在FreeBSD、SunOSc、UNIX和類UNIX系統上安裝，在基于Windows平臺的Cygwin環境中進行仿真。 Cygwin是一個在Windows平臺上運行的模擬Linux環境，運行Cygwin后，會得到一個類似于Linux的Shell環境，還可以使用絕大部分Linux軟件和功能，如Gcc、Make、Vim、Emacs等。實驗在Windows + Cygwin + ns-allinone-2.34 環境下進行。

2.3仿真實驗

通過流量模型和移動模型的仿真環境設置，本文主要選取以下場景的性能進行分析，節點的移動速度為：對50個節點進行仿真，節點隨機分布在1000m x 800m 的矩形區域內，停留時間為1s，最大移動速度分別為 0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s，仿真時間為300s，網絡流量采用CBR 數據源產生，最大連接數 10，分組發送率為每秒2個數據包，采用UDP無連接協議，仿真實驗參數如表1所示。

2.4結果分析

因為當節點的移動速度增大時，節點的頻繁運動破壞了網絡的連通性，造成節點間路由的中斷，導致數據包不能被正確送達到目的地。其中，DSDV協議下的分組投遞率隨著節點移動速度增大下降最快，直到65%左右，這是由于DSDV是先驗式的路由協議，需要主動發起路由發現過程，與網內其它節點實時交換路由信息，信息維護量較大，甚至不能及時更新路由表，導致分組被丟棄，造成DSDV的分組投遞率低，所以DSDV不適合在網絡拓撲快速變化的環境中使用。

從圖3 可以看出，當節點移動速度增大時，3種協議的延時都有所增加，這是因為節點的頻繁運動導致網絡拓撲在不斷變化，以致路由經常發生中斷，節點需要一直廣播路由更新包，增大了網絡的路由開銷，使分組的傳輸時間增大；而按需路由協議的節點需要重新發現路由，加大了分組的整體傳輸時間，故導致分組的平均端到端延時增加。其中，DSDV協議的平均時延在三者當中最小，這是由于DSDV協議的路由表中存在到達目的節點的路由，節省了發現路由的過程。因此， DSDV協議適用于延時要求較高的網絡環境中。

從圖4可以看出，3種協議的歸一化路由開銷有明顯差別，DSR協議的路由開銷最小，DSDV協議最大。DSDV協議是主動式路由協議，需要對網絡鏈路的狀態實時監測，及時維護和更新路由信息，需要大量廣播路由控制消息，所以DSDV協議的網絡開銷最大，需要較高的維護成本。

綜上所述，在分組投遞率上反應式路由協議優于主動式協議，在網絡環境較好的情況下甚至可達100%，在平均端到端時延上主動式路由協議DSDV有較大優勢，在路由開銷方面主動式的路由協議比被動式的開銷要大。通過3種協議的仿真實驗得出以下結論：①按需路由協議適合在網絡拓撲快速變化的環境中使用；②DSDV由于具有時延較小的優勢，故適合在實時業務中使用它；③在考慮到網絡運行和維護的費用上，適合使用反應式的路由協議DSR和AODV。

3結語

本文主要對Ad Hoc網絡中DSDV、AODV、DSR協議進行理論分析和比較，并在NS2平臺上實現了3種路由的仿真，對其性能優劣作了分析，給出3種協議的適用場景。目前，尚不存在一種協議能夠解決Ad Hoc 網絡中遇到的所有問題。因此，應根據具體的網絡環境選擇最優路由解決方案，Ad Hoc網絡中還存在安全、功率控制問題，這些均是后續研究的重點。

參考文獻：

[1]鄭少仁，王海濤，趙志峰等.Ad Hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]向明尚，陳素麗，劉延軍等.NS2網絡仿真平臺的探討與實現[J].大慶石油學院學報，2005，12（2）：8793.

[3]張遠，郭虹，劉洛琨.DSDV 算法實現及其性能分析[J].移動通信，2004，17（800） ：1719.

[4]楊盤隆，鄭少仁.Ad Hoc網絡中的路由算法[J].軍事通信技術，2001，22（4）：4953.

[5]徐雷鳴，龐博，趙耀.NS與網絡模擬[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[6]海德倫，王克文，常永英.Gnuplot軟件電力電子技術教學中的應用[J].華北水利水電學院學報，2006，27（4）：6971.