基于NS2的AODV路由協(xié)議分析及仿真研究

張家鋼 王海松 胡洛林

摘? 要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中地面通信指揮體系發(fā)揮了重要作用，通過學習分析其網(wǎng)系建設(shè)，一方面可以取長補短，另一方面可以分析其弱點和漏洞。該文首先指出戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)采用的典型路由協(xié)議的分類，分析了按需驅(qū)動路由協(xié)議在戰(zhàn)場上的適用性;其次描述了AODV路由協(xié)議執(zhí)行過程，指出該協(xié)議的特性及固有缺陷，為進行針對性的攻擊研究提出方向;最后基于網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2對移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的AODV路由協(xié)議進行了仿真，通過仿真實驗得出AODV路由協(xié)議存在TCP擁塞問題。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc;AODV;NS2;路由協(xié)議仿真

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）03-0052-03

Abstract：Ground communication command system plays an important role in modern war. By learning and analyzing its network construction，on the one hand，we can learn from each others strengths and make up for their weaknesses and loopholes. Firstly，this paper points out the classification of typical routing protocols used in tactical internet，analyzes the applicability of on-demand driven routing protocol in the battlefield;secondly，it describes the implementation process of AODV routing protocol，points out the characteristics and inherent defects of the protocol，and puts forward the direction for targeted attack research;finally，based on the network simulation software NS2，the AODV routing protocol of mobile Ad Hoc network is simulated. The simulation results show that there is TCP congestion in AODV routing protocol.

Keywords：Ad Hoc;AODV;NS2;routing protocol simulation

0? 引? 言

通過21世紀以來的幾場局部戰(zhàn)爭可以看出，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)進入到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時代。以美國為代表的戰(zhàn)爭一方不斷采用新的戰(zhàn)爭手段，為各國上演一場又一場的現(xiàn)代戰(zhàn)爭示范課。任何時代，戰(zhàn)場上信息的重要性都不言而喻，現(xiàn)代戰(zhàn)爭更是如此。

移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，即MANET，又稱移動多跳網(wǎng)或移動對等網(wǎng)，可不借助任何中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在有限范圍內(nèi)實現(xiàn)多個移動終端的臨時互聯(lián)互通。MANET作為一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，在戰(zhàn)場上作用巨大。作戰(zhàn)人員之間、裝備之間、人員與裝備之間需要在動態(tài)變化的狀態(tài)下保持通聯(lián)，以保障指揮暢通，其中應用最廣泛之一的就是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。

1? MANET中路由協(xié)議的使用

由于戰(zhàn)場環(huán)境中各任務(wù)分隊的移動性導致網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化，因此需要針對戰(zhàn)場環(huán)境研究針對性解決方法。MANET涉及MAC層規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議、QoS要求、功率控制、通信安全等技術(shù)。路由協(xié)議作為其中一個重要方面，研究成果較多，提出了一系列路由協(xié)議如AODV、DSDV、WRP、DSR、TORA和ZRP等。

路由協(xié)議有多種分類方法，按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為扁平、分層和基于地理信息的路由協(xié)議。扁平路由協(xié)議根據(jù)設(shè)計原理進一步分為先驗式（表驅(qū)動）路由協(xié)議和反應式（按需分配）路由協(xié)議。先驗式路由協(xié)議由于其先驗性，每個節(jié)點都必須維護路由表，而通常網(wǎng)絡(luò)中只有少數(shù)節(jié)點承擔著數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，因此浪費了寶貴的無線帶寬資源。反應式路由協(xié)議只在需要通信時才發(fā)送路由請求分組，只需參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點維護部分網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，減少了內(nèi)存的占用，節(jié)省了部分帶寬。但在啟動尋找路由的過程中，需把路由發(fā)現(xiàn)請求洪泛至整個網(wǎng)絡(luò)，從而導致數(shù)據(jù)分組的傳輸產(chǎn)生一定的延時，因而按需驅(qū)動的路由協(xié)議不利于數(shù)據(jù)的實時傳輸。

一個健壯的路由協(xié)議應具備分散性、自組織、自修復等特點，并對無線頻譜帶寬限制有適應性，能利用多跳屬性實現(xiàn)負載均衡。在中等網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，反應式路由協(xié)議要比先驗式路由協(xié)議在綜合性能上有較大優(yōu)勢，其中AODV協(xié)議性能相對較高，比較適合在惡劣或災難條件下使用。

2? AODV路由協(xié)議

AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector，AODV）協(xié)議是一種扁平式、反應式、距離矢量路由協(xié)議，只在需要傳遞信息時才發(fā)送路由請求，路由開銷小，適應于快速變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.1? AODV協(xié)議機制

AODV路由協(xié)議工作過程包含路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。路由發(fā)現(xiàn)：當源節(jié)點需要與某個目標節(jié)點通信時，先查詢路由表，若沒有所需路由，就廣播路由請求（RREQ）報文。當一個節(jié)點收到該報文后，若它就是目標節(jié)點，或存在到達目標節(jié)點的路由，且其中的RREQ ID大于RREQ報文中的RREQ ID號，就向源節(jié)點單播返回一個路由應答（RREP）報文。若該節(jié)點沒有目標路由，則洪泛該RREQ報文。路由維護包含三個方面的內(nèi)容：通過Hello消息維護鄰居關(guān)系;當路由中斷時，嘗試本地修復;若修復失敗則通過RERR報文通知其他節(jié)點某個目標節(jié)點不可達。

2.2? AODV協(xié)議的特征

AODV協(xié)議的一個顯著特點是它采用了DSDV協(xié)議中使用的序列號機制。該機制解決了距離矢量路由協(xié)議中存在的路由環(huán)路問題，RREP報文中的跳步數(shù)則可以準確地表示從原發(fā)方到目標節(jié)點的跳步數(shù)。

AODV路由協(xié)議被設(shè)計用于擁有數(shù)十個到上百個移動節(jié)點的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，可適應低速、中等速度，以及相對高速的移動速度的場景。當由于節(jié)點的移動或斷開導致網(wǎng)絡(luò)拓撲變化，該協(xié)議可以快速做出反應，達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。通過仿真，AODV協(xié)議可以實現(xiàn)較高的吞吐量、分組遞交率和信道帶寬。

2.3? AODV協(xié)議的固有缺陷

從AODV協(xié)議中三類報文的詳細規(guī)范看出，包括MANET中使用的其他協(xié)議，均是滿足于正常尋址、建立路由、進行通信，安全方面的規(guī)范較少。這也正是該協(xié)議的脆弱性所在，即可以從各協(xié)議層面對其進行攻擊，如篡改、冒充、偽造、黑洞、灰洞攻擊等。

3? 基于NS2的AODV協(xié)議仿真

3.1? NS2仿真軟件簡介

Network Simulator version 2（NS2）是源代碼公開、免費的權(quán)威網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仿真平臺。NS2由事件驅(qū)動，支持4種調(diào)度器：鏈表、堆、時間隊列和實時。它可以仿真各種不同的IP網(wǎng)，目前可以仿真網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，如TCP和UDP;業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器，如FTP、Telnet、Web CBR和VBR;路由協(xié)議，如AODV、DSDV、DSR等無線路由協(xié)議等。

3.2? 仿真設(shè)置及結(jié)果分析

編寫OTcl腳本，包含各類參數(shù)設(shè)置，如信道類型、無線傳播模型、MAC類型、接口隊列接收的最大包數(shù)量、節(jié)點個數(shù)、路由協(xié)議、場景尺寸、實例化Simulator對象、設(shè)置nam和trace文件、初始化場景尺寸、設(shè)定節(jié)點的運動范圍、實例化信道、配置節(jié)點node-config文件、實例化節(jié)點并初始化節(jié)點位置。其中仿真數(shù)據(jù)流配置：采用兩條FTP/TCP流傳輸數(shù)據(jù)，源節(jié)點分別為8和4，目標節(jié)點分別為2和1，其中8→2的數(shù)據(jù)流從0.02 s開始，4→1的數(shù)據(jù)流從0.25 s開始，均在3.00 s重點仿真分析8→2的數(shù)據(jù)流過程。

仿真過程：仿真開始時（0 s），節(jié)點間未交換路由信息，尚未建立路由表。0.02 s時，開啟路由請求，節(jié)點8向節(jié)點2發(fā)送RREQ，如圖1（c）和圖2所示，由于是第一次進行路由請求，所有節(jié)點均沒有到達節(jié)點2的路由，所以在0.09 s左右節(jié)點8收到來自目標節(jié)點2本身返回的RREQ。至此，路由建立，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)。整個過程如圖1（a）-（e）所示。各節(jié)點在路由請求的正向和逆向過程中所獲取的各節(jié)點的路由均自行保存，直到有路由中斷通告。圖1（f）所示，在0.25 s，節(jié)點10阻塞，導致前后節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，也反映出需要解決實際傳輸中TCP的擁塞控制問題。

（a）發(fā)送RREQ

（b）泛洪RREQ

（c）返回RREP

（d）原路徑返回RREP

（e）發(fā)送FTP數(shù)據(jù)

（f）產(chǎn)生擁塞

4? 結(jié)? 論

本文重點對MANET中采用的AODV路由協(xié)議進行了闡述，指出其特性及固有缺陷。同時對AODV協(xié)議進行了軟件仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)分析，反映出其在實際傳輸中TCP的擁塞控制問題。本文對通信場景進行了理想化設(shè)定，而在實際環(huán)境中存在無線頻譜和信道容量有限使MANET帶寬資源緊張、介質(zhì)共享使網(wǎng)絡(luò)存在沖突和競爭、路由協(xié)議如何保證傳輸有效性和安全性并降低路由信息代價等問題，這些問題還需進一步研究。

參考文獻：

[1] 何綿祿，褚偉，劉輝舟.AODV路由協(xié)議的研究和改進 [J].計算機工程，2015，41（1）：110-114+120.

[2] 楊妮妮.基于NS2的AODV協(xié)議研究與改進 [D].西安：西安電子科技大學，2014.

[3] 張家鋼，王海松，劉一利.基于NS2的針對AODV協(xié)議的Greyhole Attack仿真研究[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（5）：63-64+67.