同構及異構移動自組網中AODV路由協議的性能分析

付闖闖+蔣華龍

摘 要：文中通過計算機仿真的方法研究了AODV路由協議在同構自組網和異構自組網中的性能特征。研究結果表明，自組網中節點的移動速度對于無線網絡環境中的吞吐量和分組投遞率有很大影響，移動速度的增加會導致吞吐量及分組投遞率下降。此外，研究還表明，AODV協議在同構網絡中表現出的性能優于在異構網絡中的性能。

關鍵詞：移動自組網；AODV；路由協議；仿真；

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

移動自組網是由一系列移動節點組成的自組織網絡，它不依賴任何已有的網絡基礎設施或集中的管理控制中心，網絡中節點動態變化且任意分布，節點間通過無線方式互連，節點既充當通信的主體又充當路由器的角色，因此，其在軍事通信、野外通信、應急通信等領域有著廣闊的應用前景[1]。在移動自組網的研究和開發過程中，涉及路由協議、MAC層、QoS、功率控制、數據安全等關鍵技術，其中路由協議是人們研究的重點，由此提出了一系列路由協議，如 DSR、 DSDV、AODV等。

按照路由發現策略的不同，自組網的路由協議可以分為主動路由協議和被動路由協議[2]。由于移動自組網存在著動態多變的特性，主動路由協議對于Ad Hoc網絡來說有著明顯的缺陷，因此實際中經常使用被動路由協議。在被動路由協議中應用最廣泛的是AODV路由協議。AODV路由協議是在主動路由協議DSDV的基礎上，結合了早期按需路由協議DSR中的按需路由機制提出的，比較適合網絡呈拓撲結構變化的Ad Hoc網絡數據傳輸要求，不必維護到達所有節點的路由，僅在沒有到達目的節點路由時才按需進行路由獲取，從而有效地節省了網絡資源[3]。

從網絡的組成形式上來分，移動自組網可分為開放式和封閉式兩種，開放式自組網是一種異構網絡，而封閉式的則是同構網絡[4]。相對來講，開放式移動自組網在滿足用戶需求方面比封閉式更有優勢，因為在很多場合，用戶很難找到一個封閉的移動自組網，如網絡銀行、在線訂票、電子購物等互聯網應用并非在自組網中運行，而開放式的自組網可以借助已有網絡環境組建異構網絡。因此開放式自組網能夠為解決現實問題提供更多的幫助。

移動自組網中節點的移動速度、網絡流量和節點的分布密度是影響路由協議性能的主要因素[5]。在一個具體的自組網場景中，若節點的移動速度不同，那么網絡性能的結果也將不同。本文將通過仿真的方法分別分析同構及異構自組網中移動速度對AODV路由協議性能產生的影響。

1 仿真設計

為了能夠獲取分析AODV性能所需數據，本文設計了三個移動自組網場景，場景1的節點均在同一個自組網中通信；場景2的節點可以在一個自組網和一個無線網之間通信；場景3的節點可以在自組網、無線網和有線網之間互相通信。場景一代表了同構網絡，場景2和場景3代表了異構網絡。場景1中設置了5個自組網節點，場景2中設置了5個自組網節點和2個無線局域網節點，場景3中設置了5個自組網節點、2個無線局域網節點和一個有線局域網節點。利用OPNET軟件建立了這三個仿真場景，分別如圖1、圖2、圖3所示。節點的發射功率、傳輸速率等相應的仿真參數見表1所列，每個場景中均以不同的節點移動速度進行多次仿真，移動速度等相關參數見表2所列。

2 仿真結果與分析

仿真實驗的主要目的是分析討論移動自組網中節點移動速度在同構和異構網絡中對AODV路由協議的影響問題。按照上述設計進行仿真，獲取所需的統計數據，并在此基礎上依據合適的性能指標對仿真結果進行分析討論。

2.1 性能指標

性能指標是指用來評估一個網絡整體性能的重要參數，在具體背景下選擇一個恰當的指標有助于提高網絡的有效性、效率以及性能。通常衡量一個網絡的主要性能指標包括吞吐量（throughput）、端到端時延、時延抖動、分組投遞率（PDR）等。基于本文的研究目的，在此選擇吞吐量和包投遞率作為衡量性能的主要指標。

吞吐量是反應網絡性能的一個重要參數，反映了網絡中一條信道在數據傳輸時所使用部分占總容量的比率，包含了數據分組是否被成功傳輸的信息[6]。對于移動自組網來講，吞吐量越大對自組網上的應用運行越有利[7]。吞吐量被定義為在單位時間內通過某個網絡（或信道，接口）的成功傳輸的平均數據量，比如通過物理鏈路、邏輯鏈路甚至某個網絡節點的數據量[8]。吞吐量可以通過測量在某條信道目的節點接收到的數據總量來獲得，單位為bit/s。吞吐量受網絡帶寬或網絡額定速率的限制[9]。例如，對于一個100 Mb/s的以太網，其額定速率為100 Mb/s，那么該數值也是該以太網吞吐量的絕對上限值。因此，對100 Mb/s的以太網，其典型的吞吐量可能只有70 Mb/s。

分組投遞率（Packet Delivery Ratio，PDR）是評估一個路由協議是否可靠的重要指標，指目的節點成功接收的數據包的數量與源節點發送數據包的總數之比，計算公式如式（1）：

其中，r為目的節點成功收到的數據包個數，n為源節點發送的數據包總數。

2.2 仿真結果

吞吐量是仿真實驗獲得的一個重要性能參數，可以用它來衡量路由協議的有效性。圖4顯示的是在三個仿真場景中節點移動速度對于網絡吞吐量的影響情況。由圖4可知，綜合不同移動速度的情況，場景1的吞吐量比場景2大約高21%，比場景3大約高38%，說明同構自組網比異構自組網的吞吐量更大。從仿真結果還可以發現，場景1、場景2和場景3的吞吐量隨著節點移動速度的增加均呈現下降趨勢，是因為在移動速度較高的情況下，會產生較高的丟包率。丟包的原因在于節點移動速度和方向的變化而造成的高路由開銷，而移動速度的增加會導致路由開銷隨之增大。

圖5顯示了在三個仿真場景中節點移動速度對分組投遞率PDR的影響。綜合5種不同移動速度（1 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s）下的表現，場景1的分組投遞率分別比場景2和場景3高出5%和46%。說明了同構移動自組網比異構自組網有更高的分組投遞率。由圖5可知，場景1和場景2的分組投遞率明顯比場景3高，場景2和場景3雖然均為異構網絡，但場景2在拓撲結構上比場景3簡單，相比場景1來說，場景2不包含有線局域網，這使得其分組投遞更容易成功。同時，還可由圖5發現，對于任何一個單獨的場景來說，隨著節點移動速度的增加，分組投遞率均呈現下降趨勢。因為節點的高速移動會影響節點的數據傳輸。不僅僅是移動速度，節點數量也會影響數據的有效傳輸，都會使得數據分組在傳輸時更容易發生碰撞。比如場景3的節點數量更多，其投遞率就更低，而這也是從圖5中看，場景3比場景1和場景2的投遞率更低的原因。endprint

3 結 語

AODV是一種適用于移動自組網的典型按需路由協議，本文通過仿真方法研究了AODV協議在同構和異構自組網的性能表現。研究結果表明，自組網中節點的移動速度對于無線網絡環境中的吞吐量和分組投遞率有很大影響，移動速度的增加會導致吞吐量及分組投遞率的下降。此外，研究還表明，AODV協議在同構網絡中表現出來的性能要優于在異構網絡中的性能，意味著當前的AODV協議在異構網絡中的自適應性還有所欠缺。本文的研究結果將有助于尋找提高AODV協議在自組網中性能、突破現存局限性的途徑。

參考文獻

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