AODV和AOMDV路由协议性能仿真与分析
2007年9月
September 2007
—143—
计 算 机 工 程Computer Engineering 第33 第17期
Vol 卷.33 No.17 ·网络与通信·
文章编号：1000—3428(2007)17—0143—03
文献标识码：A
中图分类号：TP393
AODV 和AOMDV 路由协议性能仿真与分析
屈文杰，吴长奇
(燕山大学信息工程学院，秦皇岛 066004)
摘 要：使用NS-2仿真软件，选取分组投递率、端到端的平均时延、归一化的路由开销和路由发现频率4个指标对AODV 和AOMDV 路由协议进行了性能仿真，通过改变业务源连接数目、节点的暂停时间分析比较这些参数对2个协议性能的影响，研究结果表明了AOMDV 多径协议的优越性。并提出了对AOMDV 协议的改进。 关键词：Ad Hoc 网络；AODV ；AOMDV ；NS-2
Simulation and Analysis of Performance of AODV and AOMDV
Routing Protocols
QU Wen-jie, WU Chang-qi
(College of Information Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004)
【Abstract 】This paper uses the simulation soft tool NS-2 and chooses the packet delivery fraction, average end-to-end delay, normalized routing overhead, route discovery frequency to evaluate the performance of the Ad Hoc on-demand distance vector(AODV) and Ad Hoc on-demand multipath distance vector routing(AOMDV). The effects of these parameters on the performance are analyzed and compared by changing the CBR connection numbers and the pause time of the nodes. The research indicates that the AOMDV mulitipath protocol has better performance. The improvement on AOMDV is also proposed.
【Key words 】Ad Hoc network; Ad Hoc on-demand distance vector(AODV); Ad Hoc on-demand multipath distance vector routing(AOMDV);NS-2
1 概述
Ad Hoc 网络是一种具有多跳特性，无须任何基站支撑的无线自组织移动网络。在Ad Hoc 网络的研究中，一个非常重要的研究领域是路由问题，因为每个节点兼具路由器的功能，所以需要适合Ad Hoc 这种特殊环境的路由协议。
目前已经提出了十几种Ad Hoc 网络单径路由协议，大致可以分为2类：先验式路由协议和反应式路由协议。研究表明，在节点移动的情况下，反应式路由协议具有较低的路由开销，其性能优于先验式路由协议；在反应式路由协议中，AODV(Ad Hoc on-demand distance vector)[1]协议具有适度的路由开销和快速收敛性，优势较明显，是Ad Hoc 网络中有前途的路由协议之一并已成为多径协议的扩展基础。
由于多径路由具有减少路由开销、降低网络延迟、增强网络的可靠性等优点，因此近年来按需路由协议的多径扩展成为Ad Hoc 网络研究的热点和难点，但是对多径路由的性能评价工作进行得不充分。在基于AODV 扩展的多径协议中，AOMDV(Ad Hoc on-demand multipath distance vector routing)[2]是一种比较成熟的多径协议，它通过获取多条无环和链路不相交的路径来实现多路径。
在实际工作中实现自组网的路由协议时，必须先了解协议的性能如何，在不同的参数下性能有何改变，尤其需要获得分组递交率、端到端的平均时延、归一化的路由开销、路由发现频率等指标。因此，本文利用NS-2仿真软件对AODV 和AOMDV 这2种路由协议的性能进行了仿真和分析，改进
了原有AOMDV 协议，
使其更好地适应Ad Hoc 网络的特点。 2 协议简介
2.1 AODV
AODV 综合使用了DSDV(destination-sequenced distance- vector)中目标序列号和DSR(dynamic source routing)中按需路由发现技术，提供了一种按需单径距离矢量无环路由。该协议分为路由发现和路由维护2部分。
(1)路由发现：当源节点需要与其他节点通信但没有到该目的节点的路由时，它就广播路由请求RREQ ，当其他节点收到这个RREQ 时，首先判断是否收到过具有相同源节点和目的节点的RREQ ，如果是，则丢弃，如果不是，就利用RREQ 中的信息建立反向路由。如果中间节点含有到目的节点的路由，就发送路由应答RREP 给源节点，否则广播该RREQ 。当RREQ 的目的节点收到RREQ 时，同样建立反向路由，然后向RREQ 的源节点发送RREP 。
(2)路由维护：结点通过MAC 层周期性广播hello 消息来判断链路状态，如果该结点连续3次未收到hello 响应消息，就认为链路已经断开，删除包含该链路的路由信息，并发起路由错误，通知相邻结点和相应的上游结点删除因链路断开而导致目的结点不可达的路由信息。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50237020)
作者简介：屈文杰(1982－)，女，硕士研究生，主研方向：Ad Hoc 网络的多径路由协议，逆变电源间的网络通信；吴长奇，教授、 硕士
收稿日期：2006-11-01 E-mail ：quwenjie@https://www.360docs.net/doc/543718411.html,
2.2 AOMDV
AOMDV是一种在AODV基础上扩展的按需多径路由协议，该协议通过获取多条无环和链路不相交的路径来实现多路径协议。AOMDV主要有2部分与AODV不同：(1)建立和维护无环路径更新的机制；(2)获取多条链路不相交路径分布式协议的方法。
(1)路由发现：AOMDV路由发现阶段与AODV类似，为了确保路径无环，仍使用目的序列号来表明路由更新情况，并在内部数据结构增加广播跳数代替原来的跳数，以表明到达目的结点的最大跳数，和
(2)路由维护：AOMDV的维护阶段跟AODV非常相似，不同的只是当路由表中的所有下跳地址的路径都失效时，才重新作路由发现。
3 AODV与AOMDV性能仿真与比较
3.1 性能评估指标
不论网络状态如何，CBR都保持稳定的速率发送数据包，因此，分组投递率最能说明CBR业务的传输效率。端到端的平均时延也是网络数据传输服务优劣的评价指标之一。对多径协议AOMDV而言，开销问题也很重要，路由发现频率同样影响着路由开销。因此，从分组投递率、端到端的平均时延、归一化的路由开销和路由发现频率4个方面来比较AODV和AOMDV协议的性能。
(1)分组投递率：应用层信宿接收的分组数与信源发送的分组数之比，反映了网络传输的可靠性，投递率越高，可靠性越大。
Packet Delivery Fraction=目的节点接收到的数据包个数源节点发送的数据包个数
(2)端到端的平均时延：指一个数据分组从源节点的IP 层到目的节点的IP层所需要的平均时间。包括路由发现时延、数据包在接口队列中的等待时延、传输时延及MAC层的重传时延，反映了路由有效性。
Average End-End Delay=∑(接收到数据包的时间－发送数据包的时间）
发送数据包的个数
(3)归一化的路由开销：每发送一个数据分组所需要的路由控制分组数。使用归一化路由开销比单纯使用路由开销即路由控制分组数更能说明协议的开销情况。它反映了网络的拥塞程度和节点电源的效率，开销大的协议拥塞的概率大，且会延迟接口队列数据包的发送。
Normalized rooting load 用于路由发现和路由维护控制包个数接收到的数据包个数
＝
(4)路由发现频率：每秒中发起的路由发现次数。
Route discovery frequency=路由发现次数仿真时间
3.2 仿真参数的选择
试验使用的操作系统为Red hat Linux9.0，仿真软件为2.26版的NS-2，它是面向对象的离散事件驱动的网络仿真器，能够仿真多种IP网络，并能实现运输层协议如TCP、UDP等；业务源如FTP、CBR等。NS-2仿真的基本步骤：(1)创建网络；(2)建立节点间的连接；(3)创建流量；(4)创建事件调度器，即规定节点何时采取什么动作（包括发送数据包、移动等）；(5)跟踪仿真过程，提取重要数据作为仿真结果输出到trace文件中保存，仿真结果是进行参数分析的基础。
本文采用的仿真场景是在1500m×300m的空间中随机配置50个移动节点，仿真时间为300s。节点的运动符合random waypoint模型，每个节点将会在移动范围内随机选择一个目的地，以给定的速度移动至该目的地，然后停留于原地一段时间，再随机选取下一个目的地进行下一次移动。最大移动速度是20m/s，它是通常机动交通工具如汽车的基本运动速度。详细的模拟参数记录于表1。
表1 仿真参数列表
参数类型参数值
simulation terrain/m21500*300
number of nodes 50
mobility model Random waypoint
Mobility/(m/s) 0~20
radio frequency/GHz 2.4
channel bandwidth /(Mb/s) 2
Mac protocol 802.11
transmission range/ m 250
仿真选择CBR源产生UDP业务，每个CBR源每秒发送2个CBR数据包，每个数据包512B。所有的通信模式都是点对点(peer-to-peer)的。对于50个节点的Ad Hoc网络而言，10个及更少的CBR业务源是轻度负载，20个CBR业务源是中度负载，30个及更多的业务源是重度负载。本文选择了轻载和中载2种情况进行仿真实验，即对应于10个和20个CBR 业务源。
3.3 仿真结果分析和比较
仿真共使用了5种不同的暂停时间：0s，50s，100s，250s 和300s，它反映了网络拓扑变化的频繁程度，暂停时间越长，节点的移动性越差。每个数据点都是同样业务流模型、不同移动模型的5轮仿真结果的平均值。AODV和AOMDV在10CBR和20CBR下的分组投递率、端到端的平均时延、归一化的路由开销和路由发现频率如图1~图4所示。下面分别从这4方面对仿真结果进行性能分析和比较。
3.3.1 分组投递率
(1)相同点：由图1可以看出在暂停时间越长，2种路由协议的分组投递率越高。IEEE 802.11 DCF使用的载波侦测(CS)和RTS/CTS虚拟载波侦测在大部分的情形下可以解决其他工作站造成的干扰问题，但由于中断接收封包所需的能量远小于成功接收封包所需的能量，因此隐藏工作站有可能在CTS的传输范围之外干扰接收端的封包接收过程，造成由RTS/CTS握手的虚拟载波侦测无法免除所有的干扰。所以即使停留时间为300s（节点完全没有移动）时，2种路由协议的分组投递率都无法达到100%。节点移动速度慢时，二者的分组递交率比较稳定，节点移动速度加快时，波动幅度变大。
(2)多径改进：由图1可以看出AOMDV协议提高了AODV的分组投递率。分组投递率的对比反映了吞吐量的对比情况。同单径协议相比，多径协议能更充分地利用网络资源，当暂停时间较短（0s），即节点移动较频繁时，AOMDV 很好地改进了AODV的性能，而当停顿时间较长(300s)时，相当于静止场景，AOMDV与AODV的分组投递率相近。因为这时单径的AODV性能已经很好，所以留给AODV的改
—144—
进空间不大。在发生信号干扰或路径断裂时，AODV 马上将数据包丢掉，重新进行路由发现。AOMDV 具有备份路由继续数据的传送，可以传送更多的数据包到达目的地，从而提暂停时间/s
100959085
8075
0 50 100 150 200 250 300
AODV, 10sources AOMDV, 10sources AODV, 20sources AOMDV, 20sources
图1 分组投递率仿真结果
3.3.2 端到端的平均时延
由图2可以看出，当节点运动速度降低时，2种协议端到端的平均时延都会随之降低，个别尖峰值的出现是由于该轮中场景随机分布不理想。随着移动的减少，节点链路断开的几率下降，源-目的节点对之间的路由失效次数随之减少，时延也随之降低。相对于AODV ，AOMDV 协议有效地降低了端到端的平均时延。这是因为使用AODV 单径协议时，需要耗费更多的时间进行重新路由，导致时延的提高。而AOMDV 多径协议具有备份路由，降低了路由发现频率，从而降低了时延。
0.120.10
0.080.060.040.020
0 50 100 150 200 250 300
AODV, 10sources AOMDV, 10sources AODV, 20sources AOMDV, 20sources
图2 端到端的平均时延仿真结果
3.3.3 归一化的路由开销
图3 归一化的路由开销仿真结果
由图3可以看出，暂停时间越长，节点的行动力越差，需要付出的路由开销也越低。AOMDV 相对于AODV 降低了路由开销，而且随着移动性增强降低越快。这是因为AOMDV 在一次路由发现过程可以找到多条链路独立路径，从而大大降低了路由发现次数，降低了控制包数目。从10CBR 和
20CBR 的对比看出，路由开销还受到业务源发包率的影响，业务源发包率增加，路由开销增大。
3.3.4 路由发现频率
由图4可以看出，AOMDV 大大降低了路由发现频率。这是由于AODV 使用单路径，在网络移动性提高即暂停时间减少的情况下，路由往往过时、失效，源节点需要耗费时间重新路由。而AOMDV 在一次路由发现过程可以找到多条链6543210
0 50 100 150 200 250 300
AODV, 10sources AOMDV, 10sources AODV, 20sources AOMDV, 20sources
图4 路由发现频率仿真结果
从图1~图4的10CBR 和20CBR 对比可以看出，随着CBR 连接数的增加，2种路由协议的4个性能指标都会下降。这是因为更多的CBR 连接数造成了更多的碰撞、拥塞，这些指标都因为CBR 连接数的增加而降低了效率。而且CBR 连接数高时，AOMDV 协议的性能优越性表现得更加明显。
4 AOMDV 协议的改进
通过对AOMDV 协议的分析，可以从以下2方面进行改进，使其更好地使用Ad Hoc 网络的特点。
(1)AOMDV 协议在数据传输过程中只是使用一条路由，其他路由作为备用而放入缓存。而多路径同时传输可以带来延迟性能的提高。数据发送的延迟主要是各个路由器之间的队列缓冲造成的，而多路径同时传输数据可以减少这样的队列缓冲，从而在很大程度上减少数据发送延迟。
(2)基于已有的按需路由协议的分析表明，对于已经被采用的路径而言，它的路由有效期越长，对应源节点重新启动路由发现的间隔就越长。可以把路由可靠性作为AOMDV 协议选择备份路由的度量标准，找到更可靠的备份路由，从而降低路由发现频率，提高网络性能。
5 结束语
Ad Hoc 网络是有着很高实用价值的一个新兴研究领域，路由协议是自组网的核心技术之一，而多径的路由协议又是热门的研究对象。本文通过对AODV 和AOMDV 协议仿真结果的分析，说明了AOMDV 协议性能的优越性，对AOMDV 进行改进是笔者今后研究的方向。
参考文献
1 Perkins C E, Royer E M, Das S R. Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV)[EB/OL]. (2003-05). https://www.360docs.net/doc/543718411.html,/
internet-drafts/draft-ietf-manet-aodv-13.txt.
2 Marina M K, Das S R. On-demand Multipath Distance Vector Routing for Ad Hoc Networks[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Network Protocols. 2001-11.
3 Perkins C E, Royer E M. Performance Comparison of Two On-demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks[J]. IEEE Personal Communications, 2001, 8(1): 16-28.
4 徐雷鸣, 庞 博, 赵 耀. NS 与网络模拟[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2003.
—145—