自组织网络按需路由协议的性能研究

２０１１年１月　西安邮电学院学报　ＪａｒＬ　２０１１　第１６卷第１期　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ’ＡＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＰＯＳＴＳ　ＡＮＤ　ＴＥＬＥＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖｏ１．１６　Ｎｏ．１　

自组织网络按需路由协议的性能研究　张继荣，赵颜　（西安邮电学院通信与信息工程学院，陕西西安７１０１２１）　

摘要：对按需路由协议ＡＯＤＶ（Ａｄ　ｈｏｃ　ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ）和ＤＳＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ）进行对比研究。　利用Ｏｐｎｅｔ仿真平台对两种协议在不同场景下的性能进行仿真，结果表明，节点数较多时，ＡＯＤＶ具有较低的丢包　率和时延，但路由开销比ＤＳＲ要大。因此，ＡＯＤＶ协议更适用于节点数较多的自组织网络。　关键词：自组织网　；Ｏｐｎｅｔ仿真；按需路由协议；源路由协议　中图分类号：ＴＮ９１４．４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—３２６４｛２０１１）０１—００２１—０５　

自组网（Ａｄ　ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋ）是由一组带有无线收　发装置的移动节点组成的一个临时多跳的自治系　统［１］。在该网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务　的模式都是随节点的移动而动态改变的。由于无线　Ａｄ　ｈｏｃ网络的出现为任意环境下的自由通信提供　了有效的解决方案，不但在军事领域得到了充分的　发展，而且在民用通信中也应用广泛。自组织网络　从产生至今一直得到了广泛的重视。目前自组织网　络已经与２．５Ｇ和３Ｇ移动通信进行了有效的结合，　而大规模宽带无线自适应自组织网络将会成为宽带　无线通信或未来移动通信的重要形式［２］。　在Ａｄ　ｈｏｃ环境中，由于节点的无线通信覆盖范　围有限，两个无法直接通信的移动节点需要借助中　间节点进行分组转发以实现数据通信，因此该过程　需要路由协议进行分组转发决策［３］。但是由于Ａｄ　ｈｏｅ网络节点的任意移动性，使常规路由在拓扑结　构变化时需要花很大的代价重新发现路由，而且协　议状态将始终处于不收敛状态，致使信息的传输无　法实现。所以开发良好的路由协议是建立Ａｄ　ｈｏｃ　网络的首要问题，同时也是主要的研究热点和难　点。目前适用于Ａｄ　ｈｏｃ网络的新协议一般以广播　或组播方式建立网络路由，核心是减少广播风暴，普　遍得到认可的代表性成果有ＤＳｃｌＶ、ｗＲＰ、ＡＯＤＶ、　ＤＳＲ、ＴＯＲＡ和ＺＲＰ等协议［３］。源头性的创新性研　究主要集中在２００１年以前，后续的成果多为这些协　议的改进，不过，从实现的难度来看，这些协议离实　用性还有一定的距离。因此，文中对目前的研究热　点——按需路由协议ＡＯＤＶ和ＤＳＲ路由协议进行　了性能分析，使用Ｏｐｎｅｔ仿真从多个角度分析比较　了两者性能之间的差异，从而得出两协议各自的适　用场景及作者对于ＡＯＤＶ协议的下一步改进方向。　

１　ＡＯＤＶ和ＤＳＲ协议的基本原理　按路由发现策略，自组网路由协议可分为主动　路由和按需路由两种类型［４］。主动路由的发现策略　与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由　信息分组，交换路由信息，主动发现路由，同时，节点　维护去往全网所有节点的路由，主动路由主要有　ＧＳＲ，ＤＳＤＶ，ＷＲＰ等协议。按需路由协议是专门　针对移动Ａｄ　ｈｏｃ环境提出来的。按需路由根据需　要来发起路由查找，当需要发送数据，路由表中又没　有有效的路由信息时，源节点才会向整网洪泛，寻找　目的节点。此时，拓扑结构和路由表内容是按需建　立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分［５］。　按需路由协议在通信过程中维护路由，通信完毕后　便不再进行维护。这类协议包括ＡＯＤＶ，ＤＳＲ，ＴＯ—　ＲＡ等。在此主要讨论不同网络节点数的场景中按　需路由协议ＤＳＲ和ＡＯＤＶ协议性能的优劣。　

收稿日期：２０１０—１１—３Ｏ　作者简介：张继荣（１９６３一），女，教授，博士，研究方向：宽带通信网，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｏｍｎｅｔ＠ｘｕｐＬ　ｅｄｔＬ　ｃｎ；赵颜（１９８６一），女，硕士研究　生，研究方向：宽带通信网。　・　２２・　西安邮电　学院学报　２０１１年１月　１．１　ＤＳＲ协议　ＤＳＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏｕｒｃｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ）协议是最早采　用按需路由思想的路由协议［６］。它包括路由发现和　维护两个过程。当节点Ｓ向节点Ｄ发送数据时，它　首先检查缓存中是否存在到目的节点Ｄ的有效路　由。如果存在，则直接使用，否则启动路由建立过　程。具体过程如下：源节点Ｓ将使用洪泛法发送路　由请求分组ＲＲＥＱ，分组中包含源节点地址、目的　节点地址、唯一的标志号以及中间节点列表；中间节　点转发ＲＲＥＱ，并附上自己的节点标识；当ＲＲＥＱ　消息到达目的节点Ｄ或任何一个缓存有到目的节　点路由的中间节点时，节点Ｄ或该中间节点将向Ｓ　发送路由消息ＲＲＥＰ，该消息中将包含节点Ｓ到Ｄ　的路由信息，同时反转节点Ｓ到Ｄ的路由供ＲＲＥＰ　消息使用；节点Ｓ收到ＲＲＥＰ后，路由建立过程结　束，通信可以开始。以上为路由发现过程。当网络　拓扑结构发生变化时，通过路由维护过程删除失效　路由，重新发起路由请求过程。路由维护通常依靠　底层提供的链路失效检测机制进行触发。　ＤＳＲ协议的特点是中间节点不用维护去往全　网所有节点的路由信息，而且可以避免出现路由　环路　。　ｌ＿２　Ａ０ＤＶ协议　ＡＯＤＶ（Ａｄ　ｈｏｃ　ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ）协　议是在ＤＳＤＶ（Ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｄ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｖｅｃ—　ｔｏｒ）协议基础上结合类似ＤＳＲ中的按需路由机制　进行改进后提出的，它采用了ＤＳＤＶ中的序列号概　念和ＤＳＲ中的路由发现及路由维护过程［７］。不同　之处在于ＡＯＤＶ采用了逐跳转发分组方式，而　ＤＳＲ是源路由方式Ｌ８］。　ＡＯＤＶ路由发现过程由节点发起，即当一个节　点需要给网络中另外一个节点传送信息时，首先以　广播的形式发出路由请求分组ＲＲＥＱ，其中记录着　发出的源节点和目的节点的地址，邻近节点收到　ＲＲＥＱ，首先判断其中的目的节点是否就是自己，如　果不是再在记录中查找是否有到目的节点的路由。　如果满足上边的任何一条就发出ＲＲＥＰ给源节点。　如果不能满足就继续以广播的形式转发ＲＲＥＱ继　续查找［９］。对于每一条路由都对应着一个序列号，　当路由更新时，序列号也随着更新。ＡＯＤＶ协议的　路由维护是通过定期的广播ｈｅｌｌｏ报文来实现的。　一旦发现某一个连接断开，节点就发送路由错误消　息ＲＲＥＲ报文通知那些因连接断开而不可达的节　点删除相应的路由记录［１　。即如果某发起路由请　求的源节点移动了，它能够再次发起一个路由发现　过程，以找到到达目的节点的新路由。如果沿着路　由的某个节点移动了，在移动节点的“上游”邻节点　Ａ注意到此节点的移动，Ａ节点会传播一个链路断　开信息给Ａ节点的每一个有效的“上游”节点，通知　他们删除路由表中的对应无效路由。这些邻节点依　次传播这个链路断开信息给“上游”节点，一直达到　源节点。源节点会再次发起路由发现过程。　

２　Ａｄ　ｈｏｃ路由协议仿真及分析　采用Ｏｐｎｅｔ作为仿真平台，仿真实验的目的是　研究相同规模节点数不同的情况下ＤＳＲ和Ａ０ＤＶ　协议的性能。实验中搭建了两个规模为１０００ｍ×　１０００ｍ的校园网络，节点数分别为５和３Ｏ来进行测　试，节点是移动的，移动速度是５ｍ／ｓ。节点发送功　率为０．００５Ｗ，信道带宽为２ＭＨｚ，使用中等通信　量，ＭＡＣ层使用ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ协议，假设自由传播　空间不受地形因素的干扰。　性能指标：主要从路由发现时间、路由分组数、　平均端到端时延及成功接受的分组数四个角度出发　来分析两者的性能。　２．１路由发现时间分析　路由变化的收敛速度是衡量常规路由协议的关　键因素［１¨，但是对于Ａｄ　ｈｏｃ网络来说路由协议是　不收敛的，因此选择路由发现时间作为衡量Ａｄ　ｈｏｅ　路由协议的一个重要因素。　图１、２横坐标为时间轴，单位为ｍｉｎ，表示仿真　时间；纵坐标单位为Ｓ，表示路由发现时间。如图１　所示，当节点数为５时，仿真开始，Ａ０ＤＶ协议的发　现时间迅速下降，并在随后的时间内均低于ＤＳＲ协　议。原因是仿真初期，ＡＯＤＶ协议的中间节点没有　保存路由信息，因而路由发现时间较长，随着仿真的　进行，ＡＯＤＶ路由发现时间低于ＤＳＲ协议。由图２　可知，节点数增大到３Ｏ时，ＡＯＤＶ协议和ＤＳＲ协　议的路由发现时间均有增加，ＡＯＤＶ协议的路由发　现时间大于ＤＳＲ协议。但随着仿真时间的进行，　ＡＯＤＶ协议的路由发现时间急剧减少，并很快低于　ＤＳＲ协议，而ＤＳＲ协议的路由寻找时间随着仿真　时间的进行是不断增长的。说明对于节点数较多的　网络来说，ＡＯＤＶ协议因为以洪泛的方式寻找路　由，需要一段稳定时间，但总体性能优于ＤＳＲ协议。　对比图１可知，图２的路由发现时间普遍高于　图１，即随着节点数的增加，Ａｄ　ｈｏｅ网络的路由寻找　需要更长的时间，因此当节点数增加到一定规模时，　第１期　张继荣，等：自组织网络按需路由协议的性能研究　・２３・　Ａｄ　ｈｏｅ网络的路由发现时间将会增加到不能接受　的程度。仿真表明，节点数增加到１００时，网络的路　由发现增加到了２ｓ左右，对于实际的Ａｄ　ｈｏｃ网络　来说，该路由发现时间导致的时延将使网络不能接　受，因此节点数较多的Ａｄ　ｈｏｅ网络的该方面性能需　要改进。　图２　３０个节点时的路由发现时间　２．２发送的路由分组数分析　ＤＳＲ和ＡＯＤＶ的路由寻找过程需要发送大量　的路由分组［１　，其中包括路由请求分组ＲＲＥＱ，路　由应答分组ＲＲＥＰ，路由中断分组ＲＥＲＲ及ＡＯＤＶ　协议路由维护阶段定期发送的ｈｅｌｌｏ分组等。在网　络通信量相同的情况下，路由分组的数目越多，说明　路由开销越大［１引。路由分组数目的大小，直接反映　路由协议开销的大小。因此，仿真中对路由分组数　进行了分析。　图３、４中纵坐标为发送的路由分组数，单位为　个。如图３，节点数为５时，ＡＯＤＶ协议的路由请求　分组数低于ＤＳＲ协议，原因是当节点数较少时，节　点之间一跳可以到达，ＡＯＤＶ洪泛的方式能够更快　的找到目的节点，发送的分组也较少。由图４可知，　节点数为３Ｏ时，ＡＯＤＶ和ＤＳＲ协议的路由分组数　均急剧增加，其中ＡＯＤＶ协议大于ＤＳＲ协议。原　因是ＡＯＤＶ协议以洪泛的方式转发路由分组，同时　ＡＯＤＶ协议路由维护阶段定期发送的ｈｅｌｌｏ分组也　极大的增加了ＡＯＤＶ协议的路由分组数。对比图　３、４可以看出，随着节点数的增加，ＡＯＤＶ协议的路　由分组数呈几何方式增长，因此，ＡＯＤＶ洪泛的方　式导致的开销过大是亟需解决的问题。　

图４　３Ｏ节点时发送的路由分组数　２．３平均端到端时延分析　时延是可以定量衡量的重要网络特性之一［１１］。　网络时延是指在计算机之间传送一位数据所花费的　时间。一个分组在网络中时延越小，说明网络的性