同構(gòu)及異構(gòu)移動(dòng)自組網(wǎng)中AODV路由協(xié)議的性能分析

付闖闖+蔣華龍

摘 要：文中通過計(jì)算機(jī)仿真的方法研究了AODV路由協(xié)議在同構(gòu)自組網(wǎng)和異構(gòu)自組網(wǎng)中的性能特征。研究結(jié)果表明，自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的吞吐量和分組投遞率有很大影響，移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致吞吐量及分組投遞率下降。此外，研究還表明，AODV協(xié)議在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出的性能優(yōu)于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的性能。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組網(wǎng)；AODV；路由協(xié)議；仿真；

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

移動(dòng)自組網(wǎng)是由一系列移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，它不依賴任何已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或集中的管理控制中心，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化且任意分布，節(jié)點(diǎn)間通過無線方式互連，節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)通信的主體又充當(dāng)路由器的角色，因此，其在軍事通信、野外通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。在移動(dòng)自組網(wǎng)的研究和開發(fā)過程中，涉及路由協(xié)議、MAC層、QoS、功率控制、數(shù)據(jù)安全等關(guān)鍵技術(shù)，其中路由協(xié)議是人們研究的重點(diǎn)，由此提出了一系列路由協(xié)議，如 DSR、 DSDV、AODV等。

按照路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，自組網(wǎng)的路由協(xié)議可以分為主動(dòng)路由協(xié)議和被動(dòng)路由協(xié)議[2]。由于移動(dòng)自組網(wǎng)存在著動(dòng)態(tài)多變的特性，主動(dòng)路由協(xié)議對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)來說有著明顯的缺陷，因此實(shí)際中經(jīng)常使用被動(dòng)路由協(xié)議。在被動(dòng)路由協(xié)議中應(yīng)用最廣泛的是AODV路由協(xié)議。AODV路由協(xié)議是在主動(dòng)路由協(xié)議DSDV的基礎(chǔ)上，結(jié)合了早期按需路由協(xié)議DSR中的按需路由機(jī)制提出的，比較適合網(wǎng)絡(luò)呈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求，不必維護(hù)到達(dá)所有節(jié)點(diǎn)的路由，僅在沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由時(shí)才按需進(jìn)行路由獲取，從而有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源[3]。

從網(wǎng)絡(luò)的組成形式上來分，移動(dòng)自組網(wǎng)可分為開放式和封閉式兩種，開放式自組網(wǎng)是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而封閉式的則是同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[4]。相對(duì)來講，開放式移動(dòng)自組網(wǎng)在滿足用戶需求方面比封閉式更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诤芏鄨?chǎng)合，用戶很難找到一個(gè)封閉的移動(dòng)自組網(wǎng)，如網(wǎng)絡(luò)銀行、在線訂票、電子購物等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并非在自組網(wǎng)中運(yùn)行，而開放式的自組網(wǎng)可以借助已有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境組建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。因此開放式自組網(wǎng)能夠?yàn)榻鉀Q現(xiàn)實(shí)問題提供更多的幫助。

移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度、網(wǎng)絡(luò)流量和節(jié)點(diǎn)的分布密度是影響路由協(xié)議性能的主要因素[5]。在一個(gè)具體的自組網(wǎng)場(chǎng)景中，若節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度不同，那么網(wǎng)絡(luò)性能的結(jié)果也將不同。本文將通過仿真的方法分別分析同構(gòu)及異構(gòu)自組網(wǎng)中移動(dòng)速度對(duì)AODV路由協(xié)議性能產(chǎn)生的影響。

1 仿真設(shè)計(jì)

為了能夠獲取分析AODV性能所需數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了三個(gè)移動(dòng)自組網(wǎng)場(chǎng)景，場(chǎng)景1的節(jié)點(diǎn)均在同一個(gè)自組網(wǎng)中通信；場(chǎng)景2的節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)自組網(wǎng)和一個(gè)無線網(wǎng)之間通信；場(chǎng)景3的節(jié)點(diǎn)可以在自組網(wǎng)、無線網(wǎng)和有線網(wǎng)之間互相通信。場(chǎng)景一代表了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3代表了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。場(chǎng)景1中設(shè)置了5個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)景2中設(shè)置了5個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)無線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，場(chǎng)景3中設(shè)置了5個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、2個(gè)無線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)有線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。利用OPNET軟件建立了這三個(gè)仿真場(chǎng)景，分別如圖1、圖2、圖3所示。節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率、傳輸速率等相應(yīng)的仿真參數(shù)見表1所列，每個(gè)場(chǎng)景中均以不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度進(jìn)行多次仿真，移動(dòng)速度等相關(guān)參數(shù)見表2所列。

2 仿真結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是分析討論移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度在同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)AODV路由協(xié)議的影響問題。按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，獲取所需的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)合適的性能指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析討論。

2.1 性能指標(biāo)

性能指標(biāo)是指用來評(píng)估一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體性能的重要參數(shù)，在具體背景下選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)有助于提高網(wǎng)絡(luò)的有效性、效率以及性能。通常衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)包括吞吐量（throughput）、端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、分組投遞率（PDR）等?；诒疚牡难芯磕康模诖诉x擇吞吐量和包投遞率作為衡量性能的主要指標(biāo)。

吞吐量是反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，反映了網(wǎng)絡(luò)中一條信道在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所使用部分占總?cè)萘康谋嚷?，包含了?shù)據(jù)分組是否被成功傳輸?shù)男畔6]。對(duì)于移動(dòng)自組網(wǎng)來講，吞吐量越大對(duì)自組網(wǎng)上的應(yīng)用運(yùn)行越有利[7]。吞吐量被定義為在單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道，接口）的成功傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量，比如通過物理鏈路、邏輯鏈路甚至某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量[8]。吞吐量可以通過測(cè)量在某條信道目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)總量來獲得，單位為bit/s。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)帶寬或網(wǎng)絡(luò)額定速率的限制[9]。例如，對(duì)于一個(gè)100 Mb/s的以太網(wǎng)，其額定速率為100 Mb/s，那么該數(shù)值也是該以太網(wǎng)吞吐量的絕對(duì)上限值。因此，對(duì)100 Mb/s的以太網(wǎng)，其典型的吞吐量可能只有70 Mb/s。

分組投遞率（Packet Delivery Ratio，PDR）是評(píng)估一個(gè)路由協(xié)議是否可靠的重要指標(biāo)，指目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)之比，計(jì)算公式如式（1）：

其中，r為目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，n為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。

2.2 仿真結(jié)果

吞吐量是仿真實(shí)驗(yàn)獲得的一個(gè)重要性能參數(shù)，可以用它來衡量路由協(xié)議的有效性。圖4顯示的是在三個(gè)仿真場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響情況。由圖4可知，綜合不同移動(dòng)速度的情況，場(chǎng)景1的吞吐量比場(chǎng)景2大約高21%，比場(chǎng)景3大約高38%，說明同構(gòu)自組網(wǎng)比異構(gòu)自組網(wǎng)的吞吐量更大。從仿真結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景1、場(chǎng)景2和場(chǎng)景3的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，是因?yàn)樵谝苿?dòng)速度較高的情況下，會(huì)產(chǎn)生較高的丟包率。丟包的原因在于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度和方向的變化而造成的高路由開銷，而移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致路由開銷隨之增大。

圖5顯示了在三個(gè)仿真場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對(duì)分組投遞率PDR的影響。綜合5種不同移動(dòng)速度（1 m/s、5 m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s）下的表現(xiàn)，場(chǎng)景1的分組投遞率分別比場(chǎng)景2和場(chǎng)景3高出5%和46%。說明了同構(gòu)移動(dòng)自組網(wǎng)比異構(gòu)自組網(wǎng)有更高的分組投遞率。由圖5可知，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的分組投遞率明顯比場(chǎng)景3高，場(chǎng)景2和場(chǎng)景3雖然均為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但場(chǎng)景2在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上比場(chǎng)景3簡(jiǎn)單，相比場(chǎng)景1來說，場(chǎng)景2不包含有線局域網(wǎng)，這使得其分組投遞更容易成功。同時(shí)，還可由圖5發(fā)現(xiàn)，對(duì)于任何一個(gè)單獨(dú)的場(chǎng)景來說，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，分組投遞率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。不僅僅是移動(dòng)速度，節(jié)點(diǎn)數(shù)量也會(huì)影響數(shù)據(jù)的有效傳輸，都會(huì)使得數(shù)據(jù)分組在傳輸時(shí)更容易發(fā)生碰撞。比如場(chǎng)景3的節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多，其投遞率就更低，而這也是從圖5中看，場(chǎng)景3比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2的投遞率更低的原因。endprint

3 結(jié) 語

AODV是一種適用于移動(dòng)自組網(wǎng)的典型按需路由協(xié)議，本文通過仿真方法研究了AODV協(xié)議在同構(gòu)和異構(gòu)自組網(wǎng)的性能表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的吞吐量和分組投遞率有很大影響，移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致吞吐量及分組投遞率的下降。此外，研究還表明，AODV協(xié)議在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出來的性能要優(yōu)于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的性能，意味著當(dāng)前的AODV協(xié)議在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)性還有所欠缺。本文的研究結(jié)果將有助于尋找提高AODV協(xié)議在自組網(wǎng)中性能、突破現(xiàn)存局限性的途徑。

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