基于QualNet平臺(tái)的MANET路由協(xié)議性能分析*

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(電子工程學(xué)院705室　合肥　230037)

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基于QualNet平臺(tái)的MANET路由協(xié)議性能分析*

牛釗

(電子工程學(xué)院705室合肥230037)

摘要在分析應(yīng)用于MANET的DSR、AODV、LAR和FSR路由協(xié)議的基礎(chǔ)上利用QualNet工具對(duì)四種路由協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)將平均端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、吞吐量以及分組投遞率作為性能參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明反應(yīng)式路由協(xié)議比先驗(yàn)式路由協(xié)議能更好的應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓?/p>

關(guān)鍵詞MANET; QualNet; 路由協(xié)議; 仿真分析

Analysis of the Performance about MANET’s Routing Protocols Based on QualNet

NIU Zhao

(705 Office, Electronic Engineering Institute, Hefei230037)

AbstractBased on the analysis of MANET’s routing protocols of DSR, AODV, LAR and FSR, a simulated test is taken on the QualNet. The experimental data through selecting average end to end delay, jitter, throughput and packet delivery ratio as the performance parameters are analyzed. The results show that reactive routing protocols is better than proactive routing protocols on coping with the rapid changes of network topology.

Key WordsMANET, QualNet, routing protocol, simulation analysis

Class NumberTN915

1引言

MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一種由許多節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)中心、多跳的自組織網(wǎng)絡(luò),起源于PERNET,融合了多種組網(wǎng)思想,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間地位平等,無(wú)需設(shè)置中心控制點(diǎn),因其特有的無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn),MANET在包括商業(yè)、農(nóng)業(yè)、氣象、軍事等諸多方面應(yīng)用廣泛。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在MANET中,每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)兼有路由器和主機(jī)兩種功能。作為主機(jī),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序;作為路由器,它需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議,根據(jù)路由策略和路由表進(jìn)行數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)[1]。對(duì)于MANET而言,路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵,本文針對(duì)MANET中使用較為廣泛的四種路由協(xié)議(DSR、AODV、LAR、FSR)以節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度作為變量進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)并針對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較。

圖1　MANET的典型結(jié)構(gòu)

2MANET的路由協(xié)議

MANET的路由協(xié)議大致分為反應(yīng)式路由協(xié)議和先驗(yàn)式路由協(xié)議兩種[2]。反應(yīng)式路由協(xié)議,又稱為按需路由協(xié)議(Demand-Driven Routing Protocol,DDRP),只有需要與目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信且找不到路徑時(shí)路由的查找過(guò)程才開(kāi)始,典型的協(xié)議包括DSR、AODV和LAR。先驗(yàn)式路由協(xié)議,又稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議(Table-Driven Routing Protocol,TDRP),采用先驗(yàn)式路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)都需要周期性的維護(hù)到達(dá)其它節(jié)點(diǎn)的路由表,當(dāng)進(jìn)行通信時(shí)直接根據(jù)路由表中的信息進(jìn)行路由,只要路徑存在就能對(duì)數(shù)據(jù)分組直接進(jìn)行發(fā)送,具有實(shí)時(shí)性,FSR屬于這種協(xié)議。

下面對(duì)MANET的幾種典型路由協(xié)議進(jìn)行介紹:

1) DSR協(xié)議

動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(Dynamic Source Routing,DSR)是一種基于源路由方式的路由協(xié)議,數(shù)據(jù)分組中包含該分組的傳輸源路由,能夠?qū)λ新酚蛇M(jìn)行動(dòng)態(tài)維護(hù)[3]。DSR協(xié)議由兩個(gè)主要機(jī)制組成:路由尋找(Route Discovery)與路由維護(hù)(Route Maintenance)。源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由尋找時(shí)首先對(duì)請(qǐng)求報(bào)文進(jìn)行廣播,如果收到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn),那么接收節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)報(bào)文,否則對(duì)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。響應(yīng)報(bào)文中保存了源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的完整路由信息。路由尋找機(jī)制只有在需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組且源節(jié)點(diǎn)不知道如何到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的情況下才會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變或因?yàn)楣收隙鴮?dǎo)致已有的路由路徑不可達(dá)時(shí),路由維護(hù)過(guò)程開(kāi)始執(zhí)行,檢測(cè)到的失效節(jié)點(diǎn)會(huì)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤報(bào)文,源節(jié)點(diǎn)接收到該報(bào)文后重新進(jìn)行路由尋找。DSR協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)低,能夠提供快速反應(yīng)式服務(wù)。

2) AODV協(xié)議

無(wú)線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing,AODV)是一種反應(yīng)式協(xié)議,主要過(guò)程包括路由尋找、路由維護(hù)以及路由表管理[4],提供對(duì)動(dòng)態(tài)鏈路狀況的快速反應(yīng),處理開(kāi)銷(xiāo)和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)低,但網(wǎng)絡(luò)利用率也較低。AODV協(xié)議在進(jìn)行路由尋找時(shí)同樣需要廣播請(qǐng)求報(bào)文,與DSR協(xié)議的不同點(diǎn)在于AODV給每個(gè)路由條目使用一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào),目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)由目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生,根據(jù)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)請(qǐng)求報(bào)文新舊的判斷從而有效避免路由環(huán)路和冗余的產(chǎn)生。收到請(qǐng)求報(bào)文的節(jié)點(diǎn)會(huì)在路由表中設(shè)置反向路徑表項(xiàng)指向源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)路由請(qǐng)求到達(dá)目的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)后,目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)報(bào)文,響應(yīng)報(bào)文按請(qǐng)求報(bào)文到達(dá)的路徑跳變的到達(dá)源節(jié)點(diǎn),每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)只維護(hù)下一跳的路徑信息而不是維護(hù)全部的源路由信息。節(jié)點(diǎn)間通過(guò)周期性的交換路由信息來(lái)不斷更新自身的路由表,以便能夠及時(shí)的反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其變化,維護(hù)路由信息一致性、準(zhǔn)確性。

3) LAR協(xié)議

LAR(Location Aided Routing)協(xié)議是一種基于DSR協(xié)議的反應(yīng)式路由協(xié)議[5],特點(diǎn)在于利用節(jié)點(diǎn)的位置信息減少轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)數(shù)目,減少網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。LAR利用源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)以及速度大小確定期望區(qū)域和請(qǐng)求區(qū)域。期望區(qū)域是一段時(shí)間后目的節(jié)點(diǎn)可能的位置范圍,請(qǐng)求區(qū)域用于限制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目[6]。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文時(shí)會(huì)將關(guān)于請(qǐng)求區(qū)域的相關(guān)信息附在請(qǐng)求報(bào)文中。只有位于請(qǐng)求區(qū)域內(nèi)的中間節(jié)點(diǎn)才被允許進(jìn)行請(qǐng)求報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā),這樣使得路由尋找報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)是單向的,在一定程度上減少了請(qǐng)求報(bào)文的影響范圍而且不會(huì)形成環(huán)路[7]。如果沒(méi)有獲得目的節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)報(bào)文,源節(jié)點(diǎn)將對(duì)請(qǐng)求范圍進(jìn)行擴(kuò)大,重新發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文。LAR具有很好的健壯性,單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效不會(huì)影響全局。

4) FSR協(xié)議

FSR(Fisheye State Routing)協(xié)議為表驅(qū)動(dòng)協(xié)議,采用“魚(yú)眼”技術(shù)?！棒~(yú)眼”技術(shù)由Kleinrock和Stevens提出,可以用來(lái)減少表示圖形圖像的數(shù)據(jù)。FSR協(xié)議中,“魚(yú)眼”技術(shù)用來(lái)維護(hù)距離和路由信息,每一個(gè)采用FSR協(xié)議的節(jié)點(diǎn)都能獲取網(wǎng)絡(luò)全局的拓?fù)湫畔?。在不同魚(yú)眼域中的節(jié)點(diǎn)以不同的頻率(頻率與節(jié)點(diǎn)間距緊密相關(guān))只向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播鏈路更新信息,可以大大降低開(kāi)銷(xiāo),減少相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。當(dāng)鏈路出現(xiàn)崩潰的情況時(shí),FSR不會(huì)發(fā)送控制信息,只是簡(jiǎn)單地刪除鄰居列表和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表中的相關(guān)信息,正是基于這一特點(diǎn)FSR適用于拓?fù)涓叨茸兓木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境[8]。

3QualNet仿真平臺(tái)

QualNet是美國(guó)Scalable Networks Technologies公司的產(chǎn)品,前身是GloMoSim,根源于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)全球移動(dòng)通信計(jì)劃,基于PARSEC并行仿真內(nèi)核,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算,可以為有線、無(wú)線以及混合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、評(píng)估提供良好的操作平臺(tái),具有較高的仿真精度[9]。

目前,針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)仿真,大多數(shù)用戶選擇使用OPNET,與OPNET相比,QualNet具有以下優(yōu)勢(shì):

1) 操作更為簡(jiǎn)便

在仿真實(shí)驗(yàn)中,常常需要對(duì)某個(gè)特定參數(shù)進(jìn)行多次賦值,從而得知網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)該參數(shù)的變化是否敏感或者多次改變所使用的協(xié)議用于尋找能使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)的協(xié)議。對(duì)于上述情況OPNET均需要手動(dòng)做大量的工作,而QualNet采用菜單式的選擇就可實(shí)現(xiàn),操作更為簡(jiǎn)便。

2) 擴(kuò)展性更強(qiáng)

QualNet的協(xié)議更加模塊化,對(duì)某些協(xié)議模塊進(jìn)行屏蔽、增加或者刪除操作十分簡(jiǎn)便,同時(shí)還提供了更多的接口用于和其他軟件(STK、MatLab等)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真,擴(kuò)展性更強(qiáng)。

3) 仿真速度更快

對(duì)于復(fù)雜程度基本相同的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,QualNet的仿真速度是OPNET的幾倍,對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),QualNet仿真速度可以達(dá)到OPNET的上百倍。

4) 協(xié)議代碼通用性更強(qiáng)

OPNET協(xié)議有限狀態(tài)機(jī)編譯后的C代碼包含一些額外的OPNET標(biāo)識(shí)代碼,這些對(duì)于用戶而言基本是無(wú)用的信息,還在一定程度上破壞了代碼的通用性。而QualNet協(xié)議有限狀態(tài)機(jī)編譯后的C代碼為標(biāo)準(zhǔn)C代碼。

正是基于QualNet具有的多重優(yōu)勢(shì),本文采用QualNet進(jìn)行仿真環(huán)境的搭建。

4仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

MANET的一個(gè)重要特點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,路由協(xié)議在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化情況下的表現(xiàn)具有重要意義,所以仿真實(shí)驗(yàn)把速度作為主要變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[10]。

MANET網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量分類[11]如表1所示。

表1　MANET網(wǎng)絡(luò)分類表

為了讓本次仿真得到的數(shù)據(jù)更具合理性,在QualNet5.2的仿真平臺(tái)上構(gòu)建中等規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),選取40個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均勻分布在1000×1000m2的區(qū)域內(nèi),將所有節(jié)點(diǎn)組成20個(gè)源節(jié)點(diǎn)一目的節(jié)點(diǎn)對(duì),仿真時(shí)間300s,報(bào)文的大小設(shè)定為512字節(jié)。

為了有效衡量移動(dòng)環(huán)境下路由協(xié)議的性能,采用了Random-way point的移動(dòng)模型,該模型主要有三個(gè)參數(shù):駐留時(shí)間、最小移動(dòng)速率、最大移動(dòng)速率。仿真開(kāi)始后,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)選取一個(gè)目的地,然后在最大速率與最小速率之間隨機(jī)選取一個(gè)移動(dòng)速率,到達(dá)目的地后停留一個(gè)駐留時(shí)間,然后再重復(fù)上述的移動(dòng)過(guò)程。仿真中設(shè)定駐留時(shí)間為3s,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均移動(dòng)速率從0m/s～25m/s變化。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的主要參數(shù)配置如表2所示。

表2　各層主要參數(shù)

在對(duì)協(xié)議分析的過(guò)程中,主要以下列性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估:

1) 平均端到端時(shí)延。端到端時(shí)延包括路由尋找期間緩存時(shí)延、接口隊(duì)列排隊(duì)時(shí)延、MAC層重傳時(shí)延、分組空中傳播時(shí)延等所有可能的時(shí)延之和。平均端到端時(shí)延反映了路由協(xié)議的有效性,與此相關(guān)的指標(biāo)為時(shí)延抖動(dòng)。

(1)

2) 分組投遞率。定義為交付到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組數(shù)量與CBR源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分組數(shù)量的比值。投遞率越大,說(shuō)明丟失的分組越少,路由協(xié)議性能越好,另一個(gè)與此相關(guān)的指標(biāo)是目的節(jié)點(diǎn)的吞吐量。

(2)

其中Pdr表示分組投遞率,Pr表示目的節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)量,Ps表示源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的分組數(shù)量。

通過(guò)C#編程利用StreamReader函數(shù)、正則表達(dá)式實(shí)現(xiàn)對(duì)生成的.stat文件(包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))中重要數(shù)值的提取,計(jì)算之后通過(guò)Matlab繪制圖像如下。

如圖2所示,對(duì)比幾種協(xié)議,DSR協(xié)議的平均端到端的時(shí)延在84.6ms,AODV協(xié)議的平均端到端的時(shí)延在73.2ms左右,LAR協(xié)議的平均端到端的時(shí)延在173ms左右,FSR協(xié)議的平均端到端的時(shí)延在98.6ms左右。隨著速度的變大,平均端到端的時(shí)延都在逐漸增大。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出,在平均端到端的時(shí)延方面LAR的性能最差。

圖2　平均端到端時(shí)延

圖3　平均抖動(dòng)

抖動(dòng)是指分組延遲的變化程度。如圖3所示,DSR協(xié)議的平均抖動(dòng)時(shí)間大概在167.6ms,AODV協(xié)議的平均抖動(dòng)時(shí)間在72.2ms左右,LAR協(xié)議的平均抖動(dòng)時(shí)間在247ms左右,FSR協(xié)議的平均抖動(dòng)時(shí)間約為65ms。平均抖動(dòng)數(shù)值越小表明協(xié)議收斂速度越快,協(xié)議的穩(wěn)定性(即應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)突然發(fā)生變化的能力)就越好。當(dāng)鏈路層反饋機(jī)制判定某個(gè)鏈路斷裂時(shí),該鏈路就會(huì)被認(rèn)為已經(jīng)不能繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)該條鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組很有可能因?yàn)槌瑫r(shí)機(jī)制而被丟棄,當(dāng)鏈路的斷裂速度不斷加大時(shí),時(shí)延抖動(dòng)也會(huì)隨之明顯增大,相對(duì)于其他協(xié)議LAR在平均抖動(dòng)方面變化幅度要大得多。

圖4　吞吐量

吞吐量表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)(或信道、接口)的數(shù)據(jù)量[12]。從圖中可以看到在0m/s～20m/s的區(qū)間內(nèi),DSR的吞吐量較大,并能夠保持總體平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)突然變化。隨著速度的不斷變大,FSR的吞吐量變化最快,迅速減少。

圖5　分組投遞率

從圖5可以看到,當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)下,四種協(xié)議的分組投遞率都在95%以上,其中DSR達(dá)到了最高,隨著移動(dòng)速度的不斷加大,所有協(xié)議的分組投遞率都開(kāi)始明顯下降,其中LAR和FSR總體下降較快,LAR下降快的原因在于要通過(guò)預(yù)測(cè)位置來(lái)維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)范圍,更新路由信息,速度太快很多信息來(lái)不及更新,導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組不能順利到達(dá)目的節(jié)點(diǎn);FSR下降迅速是因?yàn)镕SR是表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議,需要采用更新路由表的方式進(jìn)行路由維護(hù),節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變快,使得節(jié)點(diǎn)間交換路由信息過(guò)于頻繁,同樣存在更新不及時(shí)的情況,在很大程度上影響了數(shù)據(jù)分組的投遞。從結(jié)果中可以看到移動(dòng)條件下,按需路由協(xié)議分組投遞率要高于表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議。在相同條件下基于DSR的分組投遞率要比基于LAR高。

5結(jié)語(yǔ)

從仿真試驗(yàn)結(jié)果可以看出各個(gè)協(xié)議在不同的移動(dòng)速度的情況下,性能方面也存在一定差異。在相同條件下,AODV在平均端到端時(shí)延方面性能較優(yōu);抖動(dòng)方面,FSR的性能較為穩(wěn)定,但在吞吐量方面性能較差;在移動(dòng)速度很高的情況下DSR也能工作的很好,較為可靠;LAR協(xié)議雖然能夠較好地控制報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)范圍,但是對(duì)于拓?fù)涞淖兓m應(yīng)程度低,適合工作在節(jié)點(diǎn)以中低速度移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)?？傮w來(lái)說(shuō),先驗(yàn)式路由協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸速率上較快,但是不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓鞒隹焖俜磻?yīng),節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行周期性的路由分組廣播來(lái)維護(hù)路由表,開(kāi)銷(xiāo)較大;反應(yīng)式路由協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)低而且能夠提供快速反應(yīng)式服務(wù),但是有時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)相對(duì)于先驗(yàn)式路由協(xié)議時(shí)延較長(zhǎng),實(shí)時(shí)性存在不足。兩種類型的路由協(xié)議都有自己的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又都存在不足,所以需要在混合協(xié)議上進(jìn)行更為深入的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN915

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.024

作者簡(jiǎn)介:牛釗,男,碩士研究生,研究方向:無(wú)線通信。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月29日