無線自組織網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議研究

盧山，宋志群，周凌宇，劉倩楠

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍 96275 部隊(duì)，河南 洛陽 471003）

無線自組織網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議研究

盧山1，宋志群1，周凌宇2，劉倩楠1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍 96275 部隊(duì)，河南 洛陽 471003）

路由協(xié)議是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化繁雜且不同路由協(xié)議有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇一直都是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。利用NS2軟件對(duì)按需距離矢量（AODV）路由協(xié)議和動(dòng)態(tài)源（DSR）路由協(xié)議在節(jié)點(diǎn)數(shù)目和移動(dòng)速度變化的條件下，對(duì)傳輸層平均時(shí)延、路由收斂時(shí)間、接收包數(shù)量、路由開銷和包投遞率等性能進(jìn)行了評(píng)估。仿真結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)數(shù)不大于20且節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不大于100 km／h的環(huán)境下，AODV路由協(xié)議的綜合性能優(yōu)于DSR路由協(xié)議。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)；NS2；按需距離矢量路由協(xié)議；動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議

0 引言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)靈活性強(qiáng)、覆蓋范圍大、系統(tǒng)容量高且有著高效自組織能力［1，2］，可以適應(yīng)軍事通信面臨的復(fù)雜無線電環(huán)境，滿足即使沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施也能保證通信性能的要求，因此無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有誘人的潛在應(yīng)用前景。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的核心為路由算法，現(xiàn)存的路由協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如何針對(duì)特定的環(huán)境選擇合適的路由協(xié)議是值得研究的問題［3］。

現(xiàn)有的無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為2類：表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，又稱主動(dòng)路由協(xié)議和源發(fā)起按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，又稱按需路由協(xié)議［4］。目前，無線自組織網(wǎng)絡(luò)常采用按需路由協(xié)議［5］，它是只在有通信需求時(shí)才開始進(jìn)行路由的建立。典型的按需路由協(xié)議有按需距離矢量（Ad Hoc On-demand Vector Routing，AODV）路由協(xié)議［6］和動(dòng)態(tài)源（Dynamic Source Routing，DSR）路由協(xié)議［7］，本文主要針對(duì)這2種路由協(xié)議的選擇問題進(jìn)行了分析。

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)源發(fā)起路由協(xié)議

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議基本過程包含路由請(qǐng)求過程、路由應(yīng)答過程和路由維護(hù)過程，其顯著特點(diǎn)是在路由條目中引入了節(jié)點(diǎn)序列號(hào)［8，9］。

路由的請(qǐng)求過程通過路由請(qǐng)求RREQ分組進(jìn)行。RREQ分組包含了源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)和目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)，到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的反向路由通過源節(jié)點(diǎn)序列號(hào)進(jìn)行維護(hù)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最新路由可以通過目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)顯示出來。RREQ分組最終將到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，或者到達(dá)具有目的節(jié)點(diǎn)的路由的中間節(jié)點(diǎn)。若這個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的路由表中有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由項(xiàng)，則通過比較RREQ分組中的目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)和路由表項(xiàng)里的目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)的大小來判斷RREQ分組中的路由是不是比較新的。

如果該節(jié)點(diǎn)具有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最新路徑，且該路由請(qǐng)求分組還沒有被處理，那么該節(jié)點(diǎn)將會(huì)沿著已經(jīng)建立好的反向路徑返回路由應(yīng)答分組。在路由應(yīng)答分組轉(zhuǎn)發(fā)至源節(jié)點(diǎn)的過程當(dāng)中，每一個(gè)在這條路徑上的節(jié)點(diǎn)都將會(huì)創(chuàng)建到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的正向路徑，也就是要記錄下轉(zhuǎn)發(fā)該路由應(yīng)答分組的那個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)地址，然后更新已經(jīng)記錄下RREP分組中的目的節(jié)點(diǎn)的最新序列號(hào)和有關(guān)源路由與目的路由的定時(shí)器信息。

當(dāng)鏈路中斷時(shí)，若斷路節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離小于最大修復(fù)距離，則啟動(dòng)本地修復(fù)過程，否則便重新向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。

1.2 DSR路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議是一個(gè)特別為多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單而有效的路由協(xié)議。在該協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)路由列表，每當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的路由時(shí)便更新這個(gè)列表。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每一個(gè)數(shù)據(jù)包的包頭都含有從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)路由所經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)序列信息。此協(xié)議主要由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)2種機(jī)制組成［10，11］。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)消息包時(shí)，源節(jié)點(diǎn)會(huì)在該消息包的包頭中存儲(chǔ)一條源路由，源路由記錄了消息包從源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)所需經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)序列。通常情況下，源節(jié)點(diǎn)可以在路由緩存器中搜索到源路由。當(dāng)路由緩存器中沒有可用的源路由時(shí)，源節(jié)點(diǎn)將會(huì)執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過程來動(dòng)態(tài)地查找一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的新路由。

當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)需要向路由發(fā)現(xiàn)的源節(jié)點(diǎn)返回路由響應(yīng)消息時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)就開始搜索自己的路由緩存器，查找一條可到達(dá)源節(jié)點(diǎn)的路由。如果路由緩存器中有可用的路由，目的節(jié)點(diǎn)就使用該路由，否則，目的節(jié)點(diǎn)就將路由信息表中的路由反轉(zhuǎn)使用。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或是轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)消息包到目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，路由維護(hù)將會(huì)檢測(cè)路由是否因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化而失效。這樣一來，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備利用源路由發(fā)送一個(gè)消息包時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)該消息包的節(jié)點(diǎn)都必須檢查消息包是否按照源路由轉(zhuǎn)發(fā)到了下一跳節(jié)點(diǎn)，只有在收到下一跳的確認(rèn)幀后，轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點(diǎn)才將消息包轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳，否則就返回一條路由出錯(cuò)消息給發(fā)送消息包的源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)收到該消息后會(huì)將這條失效的鏈路從路由緩存器中刪除，如果源節(jié)點(diǎn)的路由緩存器中還有可用的另一條路由則使用新的路由來轉(zhuǎn)發(fā)消息包，如果沒有則進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程。

2 仿真與分析

2.1 仿真環(huán)境

本文的仿真場(chǎng)景如表1所示。

仿真主要考慮的影響因素為節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度［12］，主要性能指標(biāo)為傳輸層平均時(shí)延、路由收斂時(shí)間、接收包數(shù)量、路由開銷和包投遞率［13］，其中傳輸層平均時(shí)延反映了數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間；路由收斂時(shí)間反映了在路由發(fā)現(xiàn)過程中所消耗的時(shí)間；接收包數(shù)量為目的節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包的總數(shù)；路由開銷為路由信息的字節(jié)數(shù)與有效信息的字節(jié)數(shù)的比值，反映了路由開銷的大??；包投遞率反映了成功投送的概率。在仿真過程中節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)的，因此對(duì)每種影響因素計(jì)算了50個(gè)樣本，最后取平均值作為性能指標(biāo)。

2.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)性能的影響

本節(jié)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)路由層協(xié)議性能的影響進(jìn)行了仿真，此時(shí)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度分別取60 km／h和80 km／h，節(jié)點(diǎn)數(shù)目取值以2為間隔，從4增至20。

傳輸層平均時(shí)延與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下，AODV路由協(xié)議的傳輸層時(shí)延均小于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的傳輸層時(shí)延，但隨著節(jié)點(diǎn)的增多，差距逐漸變小。

圖1 傳輸層平均時(shí)延與節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系

路由收斂時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下，AODV路由協(xié)議的路由收斂時(shí)間均小于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由收斂時(shí)間，且2種路由協(xié)議收斂時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而減小，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的增加為路由的建立提供了更多的機(jī)會(huì)，從而使得路由建立時(shí)間變短。

圖2 路由收斂時(shí)間與節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系

接收包數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下，AODV路由協(xié)議的接收包數(shù)量均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的接收包數(shù)量，且2種路由協(xié)議接收包數(shù)量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而變大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的增加使得發(fā)送的數(shù)據(jù)變多，從而使得接收包數(shù)量變大。

圖3 接收包數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系

路由開銷與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下，AODV路由協(xié)議的路由開銷均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由開銷，但差距不大。2種路由協(xié)議路由開銷隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而變大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的增加使得路由可選擇的路徑增多，從而使得路由開銷變大。

圖4 路由開銷與節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系

包投遞率與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，在節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少時(shí)，AODV路由協(xié)議和DSR路由協(xié)議沒有很大的區(qū)別，隨著節(jié)點(diǎn)的增多，在2種不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度情況下，AODV路由協(xié)議的包投遞率均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的包投遞率。

圖5 包投遞率與節(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系

2.3 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)性能的影響

本節(jié)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)路由層協(xié)議性能的影響進(jìn)行了仿真，此時(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別取16和20，節(jié)點(diǎn)速度取值以5 km／h為間隔，從5 km／h增至100 km／h。

傳輸層平均時(shí)延與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的傳輸層時(shí)延均小于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的傳輸層時(shí)延。

圖6 傳輸層平均時(shí)延與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度關(guān)系

路由收斂時(shí)間與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的路由收斂時(shí)間和DSR路由協(xié)議的路由收斂時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的變化沒有明顯的趨勢(shì)，表明了路由收斂時(shí)間受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度影響較小。

圖7 路由收斂時(shí)間與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度關(guān)系

接收包數(shù)量與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的接收包數(shù)量均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的接收包數(shù)量，且2種路由協(xié)議接收包數(shù)量隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加而減小，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快，路由的發(fā)現(xiàn)過程變多，從而使得接收包數(shù)量變少。

圖8 接收包數(shù)量與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度關(guān)系

路由開銷與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，在2種不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的路由開銷均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由開銷，且隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，路由的開銷逐漸變大，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快，路由的發(fā)現(xiàn)過程變多，從而導(dǎo)致了路由開銷的增大。

圖9 路由開銷與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度關(guān)系

包投遞率與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較低時(shí)，AODV路由協(xié)議和DSR路由協(xié)議沒有很大的區(qū)別，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，在2種不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的包投遞率均大于對(duì)應(yīng)的DSR路由協(xié)議的包投遞率，且2種路由協(xié)議包投遞率隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加而減小，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快，從而使得網(wǎng)絡(luò)更加不穩(wěn)定，投遞率減低。

圖10 包投遞率與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度關(guān)系

2.4 仿真結(jié)果分析

從上述仿真結(jié)果可以看出，AODV路由協(xié)議在傳輸層平均時(shí)延、路由收斂時(shí)間、接收包數(shù)量和包投遞率等性能上均優(yōu)于DSR路由協(xié)議。雖然AODV路由協(xié)議的路由開銷稍大于DSR路由協(xié)議的路由開銷，但相對(duì)有效信息，路由開銷只占很少的一部分，因此得出了在節(jié)點(diǎn)數(shù)目不大于20，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度不大于100 km／h時(shí)，AODV路由協(xié)議要優(yōu)于DSR路由協(xié)議的結(jié)論。

3 結(jié)束語

無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如何針對(duì)具體的環(huán)境選擇合適的路由協(xié)議是值得研究的問題。本文對(duì)2種典型的按需路由協(xié)議利用NS2進(jìn)行了仿真，得出了在文中環(huán)境下AODV路由協(xié)議優(yōu)于DSR路由協(xié)議的結(jié)論，為在類似環(huán)境下無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議選擇提供了參考。

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［10］吳 榮.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中DSR協(xié)議的仿真研究與性能改進(jìn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2006.

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Research on On-demand Routing of Wireless Ad Hoc Networks

LU Shan1，SONG Zhi-qun1，ZHOU Ling-yu2，LIU Qian-nan1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Unit 96275，PLA，Luoyang He’nan 471003，China）

Routing protocols are the foundation and key link of wireless ad hoc networks.Because the wireless ad hoc networks has complicated topology changes and different routing protocols have their advantages and disadvantages，the selection of wireless ad hoc networks routing protocol has always been one of the most written topics.This article simulates AODV and DSR routing protocols with NS2 under different conditions including different number of nodes and node mobility speed in order to evaluate the delay of transport layer，the route convergence time，the number of

packets，the routing cost and the ratio of packets received etc.Simulation results show that if the number of nodes is not more than 20 and the speed of nodes is not more than 100 km／h，the overall performance of AODV routing protocol is better than DSR routing protocol.

wireless ad hoc networks；NS2；AODV；DSR

TN911

A

1003－3106（2015）11－0005－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.02

盧 山，宋志群，周凌宇，等.無線自組織網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議研究［J］.無線電工程，2015，45（11）：5－8，20.

盧 山男，（1989—），在讀研究生。主要研究方向：無線通信路由協(xié)議。

2015-08-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61371068）。

宋志群男，（1963—），研究員。主要研究方向：無線通信。