Ad-Hoc網絡路由協議分析及改進?

陳強偉 趙建華 楊雪芹

（1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021）（2.西安郵電大學通信與信息工程學院 西安 710121）

Ad-Hoc網絡路由協議分析及改進?

陳強偉1趙建華1楊雪芹2

（1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021）（2.西安郵電大學通信與信息工程學院 西安 710121）

由于Ad-Hoc網絡是一種無中心、自組織、動態拓撲的網絡，所以何種路由協議的使用，尤為關鍵。使用Qual?Net軟件對自組網按需距離矢量路由（AODV）和目的節點序列距離矢量路由（DSDV）進行了仿真，并提出了MCCR是以AODV為基礎進行改進的分布式路由算法。從平均端到端延時、抖動率、吞吐量以及丟包率四個網絡性能指標，對路由協議進行了性能分析，并且設置了不同的節點數目、節點移動速度以及節點的包停留時間參數，分析比較了這些參數對路由協議性能的影響。實驗結果表明在AODV路由協議優于DSDV路由協議，由AODV改進的MCCR協議的網絡性能表現最佳。

Ad-Hoc網絡；路由協議；QualNet；丟包率；MCCR

1 引言

Ad-Hoc網絡是由一組無線接收裝置和無線發送裝置的移動節點組成的無線通信網絡［1，3］，它沒有依靠預先設置的基礎的通信設施，而是短暫快速地自行建立組成通信網絡。在通信網絡中，各個移動的節點利用各自的無線收發裝置進行交換信息，這樣，就會使得網絡中的每個移動節點都可以分享和享用信息。如果在兩個移動節點的通信范圍過大，不足以建立通信，可以通過網絡中的其他移動節點的轉發，進行一跳、兩跳甚至多跳的建立網絡通信，因此，Ad-Hoc網絡是一種無中心、自組織、復雜的網絡拓撲結構的動態網絡。與傳統的蜂窩移動通信等固定通信基站的中心控制設備相比，在一些特殊的通信環境條件下，如地震、山體滑坡等災害，Ad-Hoc網絡這種沒有中心控制設備網絡，就會提供臨時快速的通信服務。

Ad-Hoc網絡的一個重要的組成部分是路由協議，理想的Ad-Hoc網絡的路由協議必須具備以下功能：1）維護網絡拓撲的鏈接；2）快速地了解網絡拓撲結構的變化；3）良好的自適應能力。

根據路由的驅動方式，可以把Ad-Hoc網絡路由協議分成路由表驅動的路由協議（table drive routing protocol）和源節點觸發的按需路由協議［1～5］（source initiated on demand routing protocol）。而其中，AODV是屬于源節點觸發的按需路由協議的一種協議，而DSDV是屬于路由表驅動路由協議的經典協議的一種協議。

而在Ad-Hoc網絡中選用何種路由協議，必須先要明白不同協議的作用，在不同的網絡設置參數下，網絡的性能如何變化。本文的路由協議是在QualNet的網絡軟件基礎上進行實驗仿真的，對端到端延遲，丟包率，抖動率以及吞吐量四個網絡性能指標進行綜合分析比較。

2 Ad-Hoc網絡協議綜述

2.1 DSDV路由協議綜述

在Ad-Hoc網絡中，目的節點序列距離矢量路由（DSDV）是對路由信息協議（RIP）的改進，DSDV［4，6］為 RIP 的每個路由表添加了一個新屬性的序列號。新添加的序列號，即可以防止形成路由環路的情形，又可以區分新的路由信息。DSDV路由協議維持了從一個節點到其他節點的路由信息，即使路由表。路由表的內容包括了，從該目的節點接收到的序列號、到達目的節點的跳數以及路由的“下一跳”節點的地址。

DSDV路由協議更新路由表的方式：1）時間驅動的更新方式：這種更新方式是周期性的，是全部拓撲信息更新，它不僅可以讓新加入的節點及時了解網絡拓撲變化的信息，還可以對更新的內容，做出相應的改變。這種方式適用網絡結構變化快的情況。2）事件驅動的更新方式（逐步更新），只有當路由發生變化時，才進行更新，這種更新方式及時反映出網絡的拓撲變化，這種更新方式，適合在網絡拓撲變化緩慢的情況下使用。

2.2 AODV路由協議綜述

在對 DSDV 協議的了解后，AODV［3～5，13］不僅有DSDV協議的長處還有自己發展出來的優勢，所以，AODV協議是DSDV協議為基礎的，并接受了DSR協議的思想進行綜合改進后得到的。在2003年7月，AODV協議正式被IETF MANET工作組納入到自組網路由協議的RFc標準中。

AODV路由協議過程：首先，路由發現過程，當源節點想與其他節點通信，而它的路由表中，又沒有相應的路由連接信息時，源節點通過向自己的鄰居節點廣播RREQ（Route Requests）分組，來發起一次路由發現過程。其次，正向路由的建立過程，由源節點發出的RREQ到達目的節點所建立的路由信息。而RREQ的內容有兩個，一個是源節點序列號：保持到源節點的反向路由的特性；另一個是目的序列號：說明到目的節點的最新路由情況。再次，反向路由的建立過程，源節點以廣播的方式將RREQ中轉和轉發到目的節點時，在經過每個中轉節點時，都會自動建立與源節點的反向路由。還有，路由表的管理過程，每個節點的路由表中即源節點和目的節點的路由信息，又儲存了其他必要的信息。最后，路由的維護過程，路由維護，顧名思義是維持保護修改的路由信息，依據RREQ中的信息內容的變化，得到一條最有效最優越的路由。

2.3MCCR路由協議綜述

MCCR［11～12］是由 AODV 協議為基礎改進而來，其路由協議的過程主要有兩部分，和AODV協議一樣，包括路由發現過程和路由維護過程。路由協議的主要開銷來自于路由請求，其開銷的形式有：RREQ信息包，RREP信息包，RERR信息包三中類型。MCCR中用MCCM來替代AODV中以跳數作為路由判斷依據，以MCCR為路由判據的路由選擇描述，從而達到改進路由協議的目的。

3 QualNet仿真環境

為了分析這三種路由協議對Ad-Hoc網絡的影響，本文采用控制變量法來進行研究，通過改變參數來進行實驗仿真，設置了是三個控制參數［1，3～4，8］：網絡源節點數目、節點移動速度以及節點包停留時間。QualNet軟件仿真中使用的參數如表1網絡流量參數表、表2節點運動參數表、表3 Ad-Hoc網絡參數屬性所示。

在本次實驗仿真中，為了清晰地反映兩種協議對Ad-Hoc網絡性能的影響，將用到四個網絡性能指標，分別是網絡的平均端到端的延時、丟包率、抖動率以及吞吐量［6］。

表1 網絡流量參數

表2 節點運動參數

表3 Ad-Hoc網絡的參數屬性

1）平均端到端延時（average end-to-end de?lay-time）：端到端延時包括壓縮包組和解壓包組的延時，網絡的排隊時延、傳播時延以及傳輸延時［7］，這里主要討論的時網絡傳輸延時。如圖1所示的端到端傳播示意圖。

其中，i的范圍是0—總發送的信息包數

2）丟包率（packet loss rate或drop packet rate）：在網絡的數據傳輸的過程中，丟失的數據包的數量占總的發送數據包的比率。

3）抖動率（jitter rate）：抖動率是網絡延遲的變化量，它是由同一應用的任意兩個相鄰數據包在傳輸路由中經過網絡延遲而產生；

其中 DP(j)是數據包P（j）的延時，DP(i)是數據包P（i）的延時。

4）吞吐量（throughput）：單位時間內，節點發送和接收的數據量，常用單位b/s。

4 實驗仿真結果

正如前文分析的，理想的Ad-Hoc網絡路由協議，不僅要求平均端到端延時要小，還要求在數據傳輸過程較小的丟包率和抖動范圍小的抖動率以及較高的網絡吞吐量。

由于Ad-Hoc網絡具有很強的偶然性和隨機性，因此，對于每組參數中的每個性能指標都做了反復的實驗，最后取各自的平均值作為描述每個性能指標的結果。

本次實驗仿真結數據，是以節點2為源節點，節點1為目的節點為對象。對與每組參數的仿真結果，進行處理保存，得到了平均端到端延時、丟包率、抖動率以及吞吐量四個網絡性能指標的數據。通過制圖制表工具，繪制出了每組參數中的每個性能指標的結果數據圖，并對數據圖像結果進行分析。

1）網絡性能指標-端到端的時延

如圖2（a）所示，隨著移動節點數目的增加，DS?DV路由協議對Ad-Hoc網絡的端到端延時都是高低起伏的，而AODV和MCCR路由協議對Ad-Hoc網絡的端到端延時處于平穩，低于DSDV的作用，且MCCR的影響要比AODV協議影響要小。如圖2（b）所示，隨著節點包停留時間增加，AODV和MC?CR的端到端時延曲線呈穩定增大趨勢，而DSDV呈緩慢增加轉至突然增大的趨勢。如圖2（c）所示，隨著節點移動速度的增加，AODV和MCCR的端到端時延基本保持不變，且MCCR的影響作用小于AODV作用，而DSDV出現了先增大后減小的動蕩趨勢。這是因為AODV和MCCR的報文開銷量小，在移動節點數目少的或流量負載高的情況下，端到端的時延較小；因為DSDV不能快速地適應網絡拓撲的變化，在不同的移動節點數目、節點移動速度下，網絡拓撲變化快速，所以端到端時延起伏很大。

2）網絡性能指標-丟包率

如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示，不論是移動節點數目的增加，還是節點包停留時間的增加以及節點移動速度的增加，AODV和MCCR路由協議對網絡影響的丟包率均低于DSDV對網絡影響的丟包率，而且MCCR的對網絡丟包率的影響小于AODV的影響作用。在網絡結構拓撲穩定的時候，AODV和MCCR的丟包率接近于0，即AODV和MCCR的網絡成功分組投遞率接近100%。而對于不能快速適應網絡拓撲變化的路由協議DSDV來說，網絡丟包率就會增加，相應的網絡成功分組投遞率就降低了。

3）網絡性能指標-抖動率

在這里主要比較了DSDV和AODV協議對Ad-Hoc網絡的抖動率影響的測量與分析。

如圖4（a）所示，在移動節點數目小于50的時候，AODV的抖動率的平穩性明顯優于DSDV的抖動率的平穩性；在大于50時，兩者的抖動率的平穩性都出現明顯波動。如圖4（b）所示，在節點包停留時間小于4是，AODV的抖動率的平穩性與DS?DV的抖動率的平穩性比較平穩，而大于4后，出現明顯的波動。如圖4（c）所示，在節點的移動速度為10m/s和大于50m/s時，DSDV的抖動率出現劇烈波動。而隨著節點移動速度的增加，AODV的抖動率的平穩性保持在相對穩定的水平上。

4）網絡性能指標-吞吐量

如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）所示，在隨著移動節點、節點包停留時間或節點的移動速度的增加是，AODV和MCCR對網絡影響的節點吞吐量均大于DSDV的吞吐量，而且MCCR對網絡作用的吞吐量大于AODV作用的影響。如圖5（a）所示，三者吞吐量是減小趨勢，這是隨著網絡中移動節點數目的增加，導致了網絡結構拓撲復雜化，進而引起了吞吐量的下降。

5 結語

通過對大量數據的處理和分析可以得出，在不同參數條件下，對四種網絡性能指標的分析，可以看出，在本次設置的仿真場景中，AODV路由協議對Ad-Hoc網絡性能優于DSDV路由協議對Ad-Hoc網絡性能，而且對于改進的MCCR路由協議也進行了相關的比較，結果表明：MCCR路由協議對Ad-Hoc網絡起到更加優越的作用。

但是，隨著Ad-Hoc網絡的快速發展以及人們對更高質量網絡的需求，就會導致網絡拓撲結構更加復雜，網絡拓撲的變化更加迅速，簡單的一種網絡路由協議就不能滿足要求，所以，在接下來的工作中將進行進一步的研究和探索，不同協議的混合或探索出一種新型的協議來滿足當前網絡的拓撲變化，以便Ad-Hoc網絡路由協議更加高效地應用于實時網絡業務中。

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Analysis and Improvement of Ad-Hoc Network Routing Protocol

CHEN Qiangwei1ZHAO Jianhua1YANG Xueqin2
（1.School of Electronics Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）（2.School of Communications and Information Engineering，Xi'an University of Posts&Telecommunications，Xi'an 710121）

The Ad-Hoc network is a non-central，self-organizing，dynamic-topology network，so which kind of routing proto?col use is particularly critical.QualNet software is used to simulate the on-demand distance vector routing（AODV）and the destina?tion node sequence distance vector routing（DSDV），and MCCR is proposed to improve the distributed routing algorithm based on AODV.From the average end-to-end delay-time，jitter-rate，throughput and packet loss rate of the four network performance indi?cators，to analyze to the routing protocol performance ，and set a different number of nodes，node movement speed and node packet retention time parameters.The effect of these parameters on the performance of the protocols is analyzed and compared.The experi?mental results show that the AODV routing protocol is superior to the DSDV routing protocol，and the performance of the MCCR pro?tocol improved by AODV is the best.

Ad-Hoc network，routing protocol，qualnet，packet loss rate，MCCR

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.017

Class Number TP393

2017年5月17日，

2017年6月25日

陜西省工業科技攻關項目（編號：2015GY019）資助。

陳強偉，男，碩士研究生，研究方向：車載自組織網絡系統，路由協議的研究。趙建華，男，副教授，碩士生導師，研究方向：信號處理與通信技術，電子技術應用。楊雪芹，女，講師，研究方向：AD-Hoc網絡，網絡信息安全。