移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)ZRP路由協(xié)議的仿真分析﹡

沈亮光， 汪學(xué)明

（貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025）

0 引言

移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)不設(shè)定固定中心且不依賴于固定基礎(chǔ)設(shè)施；每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位相等，可以自由移動(dòng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，具有多跳傳輸、自由流動(dòng)、臨時(shí)自治以及動(dòng)態(tài)自組織等特點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅要具備終端主機(jī)操作的功能，運(yùn)行各種應(yīng)用程序以滿足用戶的需求；同時(shí)還需具有良好的路由功能，設(shè)定相關(guān)路由協(xié)議、傳遞數(shù)據(jù)包，完成路由轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸特性以及拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有極高的移動(dòng)變化性[1]。因此，對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究具有十分重要的意義。

目前，Ad hoc 路由協(xié)議主要可分為先驗(yàn)式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議以及可擴(kuò)展的混合式路由協(xié)議。文中主要對(duì)區(qū)域路由協(xié)議ZRP進(jìn)行研究，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2對(duì)該協(xié)議的分組投遞率、路由開銷及端對(duì)端時(shí)延進(jìn)行仿真，并與Ad hoc典型路由協(xié)議DSDV和AODV協(xié)議進(jìn)行比較分析。

1 典型的Ad hoc路由協(xié)議

1.1 表路由協(xié)議

表路由協(xié)議又稱先驗(yàn)式路由協(xié)議，此類協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都時(shí)刻維護(hù)著網(wǎng)絡(luò)路由表，實(shí)時(shí)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓吐窂叫畔?。源?jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可立即查找到目的節(jié)點(diǎn)信息。它的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送延遲小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓芸焖夙憫?yīng)；缺點(diǎn)是需要時(shí)刻維護(hù)路由表，開銷較大。文中選擇此類協(xié)議中應(yīng)用最廣泛的DSDV路由協(xié)議作為比較對(duì)象。

主動(dòng)路由協(xié)議DSDV(目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量協(xié)議)是較早應(yīng)用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)且被廣泛應(yīng)用的典型路由協(xié)議。優(yōu)點(diǎn)是采用目的節(jié)點(diǎn)相關(guān)的序列號(hào)編碼來(lái)區(qū)分路由的新舊，確定實(shí)際的有效路由，有效地減少無(wú)效路由和路由環(huán)路的發(fā)生，提高了路由協(xié)議的效率。缺點(diǎn)是路由響應(yīng)緩慢，不適應(yīng)快速變化的自組織網(wǎng)絡(luò)，不支持單向鏈路信道。

DSDV主要設(shè)計(jì)思想:每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，每個(gè)路由表項(xiàng)包括：目的地址、到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的度量值（如最小跳數(shù)）、目的節(jié)點(diǎn)相關(guān)的序列號(hào)等，該序列號(hào)用以識(shí)別路由的新舊，作為路由更新和分組轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)。

1.2 按需式路由協(xié)議

按需式路由協(xié)議即反應(yīng)式路由協(xié)議，路由尋找過(guò)程只當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要與目的節(jié)點(diǎn)通信，而路由表中沒(méi)有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)才啟動(dòng)。此協(xié)議的節(jié)點(diǎn)不需要時(shí)刻維護(hù)路由表，不需要周期性的廣播信息來(lái)更新路由，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的有限資源；優(yōu)點(diǎn)是路由開銷較小，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送接收的時(shí)間延遲較大[2]。文中選擇此類協(xié)議中最具代表性的 AODV協(xié)議作為比較研究對(duì)象。

AODV是一種按需距離矢量路由協(xié)議，將DSDV的目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)機(jī)制和DSR按需路由的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到了一起，它根據(jù)需求發(fā)起路由查找、建立和維護(hù)，不需要時(shí)刻維持著路由。AODV協(xié)議提供動(dòng)態(tài)鏈路快速自適應(yīng)機(jī)制，采用逐跳路由方式，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，能夠快速啟動(dòng)自動(dòng)修復(fù)，具有協(xié)議開銷小和帶寬占用小等特點(diǎn)，被Ad Hoc工作組確定為第一個(gè)RFC 標(biāo)準(zhǔn)的Ad Hoc路由協(xié)議。

AODV路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)為以下3點(diǎn)：①支持中間節(jié)點(diǎn)響應(yīng)機(jī)制，源節(jié)點(diǎn)可以快速得到響應(yīng)，避免繁多的廣播報(bào)文分組；②報(bào)文分組不需要攜帶路由信息，減少了占用的鏈路，提高了帶寬利用率；③不必實(shí)時(shí)維護(hù)路由表，需要時(shí)才利用路由信息。

AODV協(xié)議有簡(jiǎn)潔精悍的有點(diǎn)，同時(shí)也存在一些問(wèn)題：①不具備安全性能，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)原有協(xié)議來(lái)增強(qiáng)安全性；②需周期性地廣播 HELLO分組來(lái)維護(hù)路由，帶來(lái)了一些控制開銷；③使用洪泛式廣播RREQ，開銷較大；④不支持單向信道，RREP分組沿RREQ的反方向傳輸。

2 混合式路由協(xié)議ZRP

只使用單一路由協(xié)議不能完全滿足路由需要，所以出現(xiàn)了混合式路由協(xié)議。將兩種或更多路由協(xié)議通過(guò)合理參數(shù)設(shè)置結(jié)合到一起，混合成一種新型的可擴(kuò)展混合式路由協(xié)議，極大的提高了 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，根據(jù)路由的不同需求，可選擇合適的路由協(xié)議進(jìn)行合理混合，突破了傳統(tǒng)路由協(xié)議的瓶頸，對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究具有革命性的意義。文中選擇此類協(xié)議中最具前沿性的ZRP路由協(xié)議作為研究對(duì)象[3]。

區(qū)域路由協(xié)議ZRP綜合了先驗(yàn)式和按需式兩種路由協(xié)議的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，將按需路由協(xié)議和主動(dòng)路由協(xié)議通過(guò)區(qū)域半徑劃分混合到一起。節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置跳數(shù)來(lái)確定區(qū)域范圍，在區(qū)域內(nèi)通信采用主動(dòng)路由(區(qū)域內(nèi)路由協(xié)議IARP)，減少了無(wú)效路由和路由環(huán)路的發(fā)生。在區(qū)域間通信采用按需路由(區(qū)域間路由協(xié)議IERP)，不需實(shí)時(shí)維護(hù)路由表，減少了路由開銷，提高了帶寬利用率。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不在區(qū)域內(nèi)時(shí)，采用邊界廣播協(xié)議方式(BRP)。此外，ZRP路由協(xié)議還包括鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)協(xié)議(NDP)[4]。ZRP路由協(xié)議結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ZRP路由協(xié)議結(jié)構(gòu)

ZRP協(xié)議雖然結(jié)合了兩種典型Ad Hoc路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn),，但仍然存在許多值得改進(jìn)的地方：①路由轉(zhuǎn)發(fā)效率不高，存在冗余路由；②節(jié)點(diǎn)區(qū)域劃分不夠細(xì)致，存在重復(fù)或者空白區(qū)域；③算法設(shè)置過(guò)于簡(jiǎn)單，邏輯性有待提高；④參數(shù)設(shè)置較為固定，動(dòng)態(tài)適應(yīng)性不強(qiáng)；⑤大多數(shù)混合式路由協(xié)議尚未考慮協(xié)議的安全性和節(jié)能因素。

3 網(wǎng)絡(luò)仿真分析

使用NS2網(wǎng)絡(luò)仿真工具分別對(duì)ZRP、DSDV和AODV協(xié)議進(jìn)行仿真,并從分組投遞率、路由開銷和平均端到端時(shí)延三個(gè)方面進(jìn)行分析比較。仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下：仿真時(shí)間500 s，仿真時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸流量類型為cbr，節(jié)點(diǎn)相互連接的最大連接數(shù)為100，分組的大小為512 Byte，節(jié)點(diǎn)每秒發(fā)送的分組數(shù)為4，仿真環(huán)境的隨機(jī)種子數(shù)為1，節(jié)點(diǎn)數(shù)為50，仿真范圍為1000 m×1000 m，節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間范圍為10 s，節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度的范圍為3～15 m/s[5]。

3.1 分組投遞率

分組投遞率是指有效時(shí)間內(nèi)接收端成功接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)與發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比。分組投遞率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量就越高，網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐量就越大[6]。

從圖2可以看出，三者的分組投遞率都隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大而階段性減小，而節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定在同一水平時(shí)，AODV的分組發(fā)射成功率最高，DSDV最低，而混合式路由協(xié)議ZRP介于兩者之間。

圖2 分組投遞率

3.2 路由開銷

路由開銷，即各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由信息的總控制開銷，數(shù)值大小與發(fā)送次數(shù)同步，是衡量網(wǎng)絡(luò)效率和吞吐量的重要指標(biāo)。

從圖3可以看出，三者的路由開銷都隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大而階段性增大，而節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定在同一水平時(shí)，ZRP的路由開銷最??；DSDV次之；AODV的路由開銷最大，并且和前兩者的差距巨大。

圖3 路由開銷

3.3 端對(duì)端時(shí)延

端對(duì)端時(shí)延，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)分組到接收端成功接收所需要的時(shí)間，通常取此時(shí)間的平均值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，即平均端對(duì)端時(shí)延，它包括電(或光)信號(hào)在物理介質(zhì)中的傳播時(shí)延和數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的處理時(shí)延，也即網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所用的時(shí)間。處理時(shí)延包括發(fā)送到緩沖區(qū)的等待時(shí)間、接口隊(duì)列排隊(duì)時(shí)間、MAC層重傳時(shí)間等，反映路由協(xié)議的效率和時(shí)間特性。

從圖4可以看出，三者的端對(duì)端時(shí)延都隨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增大而階段性增大，而節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定在同一水平時(shí)，AODV的端對(duì)端時(shí)延最大，ZRP和AODV交叉相近，而ZRP略微占優(yōu)。

圖4 端對(duì)端時(shí)延

4 結(jié)語(yǔ)

文中分析研究了ZRP、DSDV和AODV三種移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并從分組投遞率、路由開銷、端對(duì)端時(shí)延三個(gè)方面對(duì)他們進(jìn)行了仿真和比較，分析得出 ZRP 路由協(xié)議結(jié)合了 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)AODV和DSDV協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，在提高分組投遞率的同時(shí)，路由開銷得到了有效的控制，并且在一定程度上縮短了端對(duì)端時(shí)延，對(duì)Ad hoc 路由協(xié)議的研究具有重要的意義。下一步的工作將繼續(xù)研究ZRP混合式路由協(xié)議，并從動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)區(qū)域半徑，安全性和節(jié)能性等幾個(gè)方面進(jìn)行深入地研究[7]。

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