經(jīng)典路由協(xié)議在戰(zhàn)場環(huán)境下的仿真與評測

張麗蓉++史貴林++張穩(wěn)

摘要： 為了研究自組網(wǎng)在戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)中的應用，該文設計了一種戰(zhàn)場環(huán)境下移動自組網(wǎng)的應用場景。根據(jù)設定好的具體參數(shù)配置，將幾種比較常見的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議進行了比較詳細地仿真和評估，分析了節(jié)點的移動速度、路由跳數(shù)、天線覆蓋范圍以及網(wǎng)絡帶寬等因素對網(wǎng)絡性能的影響，提出了適用于戰(zhàn)場環(huán)境的移動自組網(wǎng)路由協(xié)議。

關鍵詞：移動自組網(wǎng)；路由協(xié)議；跳數(shù)；覆蓋范圍；網(wǎng)絡帶寬

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0058-03

The Simulation and Evaluation of Classical Routing Protocols in Battlefield Environment

ZHANG Li-rong， SHI Gui-lin， ZHANG Wen

（North Automatic Control Technique Reserch Institute， Taiyuan 030006， China）

Abstract ： To study ad-hoc network in the application of tactical internet， this paper designs a application scene used in battlefield environment for Mobile Ad-hoc Network（MANET）. According to the set specific parameter configuration， this paper detailedly simulates and evaluates several common MANET routing protocols. Some factors that influence the performance of MANET such as node speed， route hop， coverage area and bandwidth are analyzed and summarized. At last， a MANET protocol that is suitable for battle environment is presented.

Key words ： MANET； routing protocols； route hop； coverage area； bandwidth

關于移動自組網(wǎng)的各種協(xié)議性能分析，人們進行了大量的研究工作[1]，但是仍然有很多亟待解決的問題，尤其是在戰(zhàn)場環(huán)境下的移動自組網(wǎng)。由于在傳統(tǒng)的無線電臺中存在著帶寬窄的問題，導致了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸率很低，而且無法保證視頻和圖像的正常傳輸。因此根據(jù)不同移動速度和帶寬等戰(zhàn)場環(huán)境因素，對路由選取顯得至關重要，從而有利于提高戰(zhàn)場環(huán)境中自組網(wǎng)通信性能。

1 平面結構的路由協(xié)議分類

1.1 表驅動路由協(xié)議

表驅動路由也稱做先驗式或主動式路由，其路由發(fā)現(xiàn)的策略：通過節(jié)點周期性地廣播 HELLO 分組來交換路由信息，主動發(fā)現(xiàn)路由并且在本地維護一個全網(wǎng)路由表。常見的表驅動路由協(xié)議由DSDV[2]協(xié)議和FSR[3]協(xié)議。

1）DSDV協(xié)議

DSDV路由協(xié)議[4]是一個基于經(jīng)典分布式的Bellman-Ford路由選擇機制的主動路由協(xié)議，他在傳統(tǒng)的距離矢量（Distance Vector， DV）算法的基礎上引進了序列號機制，通過給每個路由設定序列號來區(qū)分新舊路由，從而避免了傳統(tǒng)DV算法可能產(chǎn)生的環(huán)路問題。DSDV路由協(xié)議采用時間和事件驅動技術控制路由信息的傳輸，每個節(jié)點都在本地維護一張路由表，表中包括所有有效目的節(jié)點的地址、到達目的節(jié)點的度量值和目的節(jié)點路由序列號等信息。

2）FSR協(xié)議

FSR協(xié)議[5]是一個針對移動自組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的簡單、有效的鏈路狀態(tài)（Link State，LS）類型的主動路由協(xié)議。FSR協(xié)議對LS算法進行了改進，它不是將LS消息廣播到整個網(wǎng)絡中，而僅在鄰居節(jié)點間交換LS消息。此外，F(xiàn)SR協(xié)議將“魚眼”技術引入到傳統(tǒng)的LS路由協(xié)議中，對于路由表中不同的記錄采用不同的時間間隔交換LS消息，即對于較近的節(jié)點用較短的間隔交換LS消息，對于較遠的節(jié)點用較長的間隔交換LS消息，這就降低了路由控制消息的傳輸頻率，同時減少了路由控制消息的流量。

1.2 按需路由協(xié)議

按需路由協(xié)議也稱為反應式路由協(xié)議，它不需要維護實時準確的全網(wǎng)路由消息，只需要在源節(jié)點有通信需求時，根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)并利用事先設定的算法搜尋路由即可。目前常見的按需路由協(xié)議有： DSR[6]協(xié)議和AODV協(xié)議[7]。

1）DSR協(xié)議

DSR協(xié)議是一個基于源路由概念的典型的按需自適應協(xié)議，當源節(jié)點要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，首先通過路由發(fā)現(xiàn)找到一條合適的路由，然后發(fā)送數(shù)據(jù)分組。所謂源路由，是指在每個數(shù)據(jù)分組的頭部都攜帶有在到達目的節(jié)點之前必須經(jīng)過的節(jié)點序列的列表，即每個數(shù)據(jù)分組的頭部都包含由到達目的節(jié)點的整條路由信息。

2）AODV協(xié)議

AODV是一種專門針對移動自組網(wǎng)設計的典型按需路由協(xié)議，它建立在DSDV算法之上。實質上，AODV時DSR和DSDV的綜合，它借用了DSR協(xié)議的基于按需路由發(fā)現(xiàn)和按需路由維護機制的基礎程序，以及DSDV的逐跳（hop-by-hop）路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制。

2 戰(zhàn)術移動自組網(wǎng)通信特點

戰(zhàn)術移動自組網(wǎng)除了普通移動自組網(wǎng)共有的網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化和無線傳輸帶寬受限特點外，還具有以下自身的特點：

1）一般戰(zhàn)場環(huán)境下，通信范圍變化都比較大，通信鏈路距離往往較長，旅營級的通信覆蓋范圍在幾十公里，而班排級的通信覆蓋范圍可能只有幾十到幾百米。

2）在戰(zhàn)場環(huán)境下的移動自組網(wǎng)的網(wǎng)絡帶寬比較小，數(shù)據(jù)傳輸率較低。并且在新一代超短波電臺的信道帶寬也不超過幾百kbps。

3 戰(zhàn)場環(huán)境下的網(wǎng)絡參數(shù)

在表1中，設置了戰(zhàn)術移動自組網(wǎng)的基本通信網(wǎng)絡參數(shù)，并在此基礎上，根據(jù)應用的具體需求，同時對網(wǎng)絡節(jié)點相關參數(shù)進行了適當?shù)呐渲?，通過詳細的仿真評估與驗證，發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)傳輸能力的相關影響因素。

4 典型路由協(xié)議的仿真結果

4.1 節(jié)點天線覆蓋范圍5km 的仿真結果

1）帶寬 32kbps

4.3 仿真分析

由上面仿真結果可以看出，當天線覆蓋范圍是5km 時，信道帶寬為32kbps，各類協(xié)議的端到端延時很大，數(shù)據(jù)的分組遞交率都比較小，各方面性能表現(xiàn)都比較差；而當信道帶寬有所增加時，表驅動路由協(xié)議性能有明顯提高，而按需路由AODV協(xié)議總體性能表現(xiàn)都比較好，有適應不同帶寬條件的優(yōu)勢。另外，在不同節(jié)點移動速度情況下，各協(xié)議性能變化不是很大。

當天線覆蓋范圍是10km時，在帶寬為32kbps比較小的情況下，各類協(xié)議的通信性能狀況都比較差；隨著帶寬增加到128kbps之后，網(wǎng)絡端到端時延得到顯現(xiàn)改善，可以下降到毫秒級，分組遞交率整體都有所提高。并且，節(jié)點移動速度的改變對各方面性能影響不大。

由上述仿真結果分析可知，在戰(zhàn)場環(huán)境下移動自組網(wǎng)的場景中，節(jié)點選擇不同的移動速度時，對于各類協(xié)議產(chǎn)生的影響不是很大；而當天線覆蓋范圍有所增大時，意味著路由跳數(shù)相應的減少，各類協(xié)議的性能表現(xiàn)改善狀況比較明顯。由此說明在戰(zhàn)場環(huán)境中，天線覆蓋范圍（即路由跳數(shù)）的影響要超過節(jié)點移動速度的影響。

由仿真對比可知，表驅動路由協(xié)議DSDV協(xié)議性能要比FSR要有優(yōu)勢；而按需路由協(xié)議中AODV協(xié)議整體性能要比DSR協(xié)議要好?？傮w來看， AODV協(xié)議在所有協(xié)議中的性能相對表現(xiàn)最好，對于不同網(wǎng)絡狀況的適應性比較強。但是，當有比較大的帶寬和天線覆蓋范圍的條件下，表驅動路由協(xié)議的性能提升非常明顯，端到端時延和分組遞交率均有所提高，有時可達到甚至超過按需路由協(xié)議的表現(xiàn)，可以說明，足夠寬的信道資源和較大的天線覆蓋范圍可以激發(fā)出表驅動路由協(xié)議的性能優(yōu)點。

5 結論

表驅動式路由協(xié)議節(jié)省了時間，而按需路由協(xié)議可彌補表驅動路由不夠全面、可能過時的缺點。所以，戰(zhàn)場環(huán)境下的自組織網(wǎng)絡采用表驅動路由和按需路由相結合的方式。這種方式具有靈活多變性，并且在減小網(wǎng)絡延時的同時提高了網(wǎng)絡對各種帶寬條件的適應性，滿足了戰(zhàn)場環(huán)境的復雜多變性及其對信息實時性的要求。

參考文獻：

[1] 孟利民， 宋文波. 移動自組網(wǎng)路由協(xié)議研究[M]. 人民郵電出版社， 2012.

[2] PERKINS C E， BHAGWAT P. Highly dynamic destination sequenced distance vector routing （DSDV） for mobile computers[C]. The ACM SIGCOMM Conf. on Communications Architectures[C]. London， 1994.

[3] 鄭相全. 無線自組網(wǎng)技術實用教程[M]. 北京：清華大學出版社， 2004.

[4] 王婷. Ad hoc 路由協(xié)議性能評價[J]. 微電子學與計算機， 2008，25（4）： 112-115.

[5] G. Pei， M. Gerla and T.-W.Chen. Fisheye State Routing： A Routing Scheme for Ad Hoc Wireless Networks[C]. Proceedings of ICC 2000， New Orleans， Jun 2000.

[6] BROCH J， JOHNSON D B， MALTZ D A. The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[S]. Internet Draft （work in progress）， Carnegie Mellon University， 1999.draft-itef-manet-dsr-02. txt.

[7] PERKINS C， ROYER E M， DAS S R. Ad hoc on-demand distance vector （AODV） routing [EB/OL]. http：// www. ietf. Org/rfc/rfc3561.txt.