无线Mesh网路由协议仿真及性能分析

2010年第10期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.10,2010 总第226期 Communications Technology No.226,Totally
无线Mesh网路由协议仿真及性能分析
莫金旺①， 蒋文芳②， 赵 利②
(①桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林 541004；②桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)
【摘 要】当前对无线网格网络（Mesh网络）主要研究之一是无线路由技术，即针对无线Mesh网络自身的特点进行路由设计。

在熟悉基于Linux平台的网络仿真器（NS2）针对Mesh网络路由协议的仿真过程的基础上, 利用NS2网络仿真软件分别从端到端平均时延、分组递交率、归一化路由开销三个方面比较了目前三种典型的路由协议——按需平面距离矢量路由（AODV）、动态源路由（DSR）和目的序列距离矢量路由（DSDV）的性能,并详细介绍了整个仿真过程的步骤。

最后，通过分析AODV协议的吞吐量，得出网络最佳容纳的节点数，研究成果对协议的实现具有重要的应用价值。

【关键词】无线网络；路由协议；仿真；吞吐量
【中图分类号】TP393 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)10-0065-03
Simulation and Performance Analysis of Routing Protocols
based on Wireless Mesh Network
MO Jin-wang①， JIANG Wen-fang②， ZHAO Li②
(①School of Information Technology, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China;
②School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China)
【Abstract】At present, one of the main studies on wireless grid networks(mesh networks) is wireless routing technology. A routing protocol based on characteristic of wireless mesh network is designed. In familiarity with the simulation process of wireless mesh networks routing protocol by network simulator(NS2) based on Linux platform, the performance of the typical routing protocols –Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing(AODV), Dynamic Source Routing(DSR) and Destination Sequenced Distance Vector(DSDV) is compared from the three aspects of average end-to-end delay, packet submission rate, and normalized routing overhead, and the details of simulation process are given. Finally, by analyzing the throughput of AODV protocol, the best accommodation of node number by the network is obtained. And the research result is of important application value for the protocols implementations.
【Key words】wireless network; routing protocol; simulation; throughput
0 引言
无线网状网(WMN)本质上属于移动自组织网络(Ad hoc 网络)，它与后者的最大区别在于前者的用户终端相对来说移动性较低，WMN一般不是作为一个独立的网络形态存在，而是因特网核心网的无线延伸。

通常，会有一个或多个网关节点与因特网高速相连，家庭或办公室等用户通过自身的无线接入点与网关节点相连。

对于网关节点信号覆盖之外的区域，用户节点负责来往业务的中继或转发，从而实现大范围的廉价和快速信号覆盖。

显然，这种方式的组网省去了网络建设初期昂贵的基础设施建设投资，比传统的点到多点方式的无线接入有很多无可比拟的优点[1]。

自组网路由协议是目前无线网络研究的热点之一，互联网工程任务组(IETF)特别成立了移动自组织网络工作组（MANET工作组）来研究无线自组网中的路由协议。

路由协议是自组网体系结构中不可或缺的重要组成部分，其主要作用是发现和维护路由。

近年来人们对自组网技术持续增长的兴趣导致了许多路由协议方案的提出[2]。

现对目前几种典型的路由协议的性能进行了仿真比较，并通过对按需平面距离矢量路由协议（AODV）吞吐量的分析，得出网络最佳容
收稿日期：2010-01-12。

基金项目：广西教育厅科研项目基金（NO.200808XL128）；2009年广西
区教育厅研究生创新项目（NO.2009105950810M14）。

作者简介：莫金旺（1960-），男，硕士，副教授，主要研究方向为移动
通信；蒋文芳（1984-），女，硕士研究生，主要研究方向
为移动通信与个人通信；赵 利（1965-），男，博士，教
授，主要研究方向为移动通信与信号处理。

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纳的节点数，具有重要的应用价值。

1 AODV路由协议工作原理
AODV 实质上就是动态源路由协议（DSR ）和目的序列距离矢量路由协议（DSDV ）的综合，它借用了DSR 中路由发现和路由维护的基础程序，及DSDV 的逐跳（Hop-by-Hop ）路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制，以DSDV 为基础，结合DSR 中的按需路由思想并加以改进。

AODV 有别于其他协议的最显著的特点是路由表中每个项都使用了目的序列号，使用目的序列号可以避免环路的发送，并且很容易用编程实现。

AODV 当有源节点需要和目的节点通信时，如果路由表中已经存在了对应的路由时，AODV 就不会进行任何操作。

当源节点需要和新的目的通信时，它就会发起路由发现过
程，通过广播路由请求（RREQ ）信息来查找相应路由[3]。

AODV 路由建立过程如图1所示。

当源节点S 1需要到目的节点S 5的路由时，如果没有到目的节点的有效路由，便在节点间建立路由。

源节点S 1将广播一条RREQ 消息，节点S 2、S 6收到RREQ 分组后，首先建立一条到源节点S 1的反向路由，若节点S 2、S 6有到目的节点的有效路由，则向源节点S 1回发路由回复路由确认（RREP ）分组，否则继续广播RREQ 分组，直到RREQ 分组传送到目的节点S 5。

目的节点S 5收到RREQ 分组后，将沿着之前建立的反向路由的路径向源节点S 1回发路由回复RREP 分组，RREP 沿最先到达的路径传回源节点，即沿S 5-S 7-S 6-S 1的路径传回源节点S 1。

当源节点S 1收到该RREP 分组后，从S 1到S 5的路由便建立了，正向路由路径为S
-S -S - S。

图1 AODV 路由建立过程
2 NS2模拟的基本流程
使用网络仿真器（NS2）进行网络模拟的基本操作流程如图2所示，用户首先要进行问题定义，考虑自己要模拟什么内容，大概的拓扑结构应该怎样，是否需要对源代码进行修改或添加等。

如果需要添加或修改代码，如图中右边方框中所示，有一个对NS2源码进行修改、重新编译和调试的过程；如果不需要修改代码，即采用NS2已有构件即可完成模拟工作，那么用户的主要任务就是编写工具命令语言/具有面向对象特性的工具命令语言（Tcl/OTcl ）模拟代码，生成.tcl 脚本文件，并在NS2环境下执行该脚本进行模拟，模拟程序结束后会生成相应的跟踪文件（Trace 文件），即模拟结果文件，用户使用不同的工具对该脚本中的内容进行分析得到想要的结果图表[4]。

如果结果是所预期的，那么整个模拟过程
即可顺利结束，否则，应该分析问题所在，并重新考虑问题定义、源码及工具命令语言（Tcl ）脚本的修改。

图2 NS2进行网络模拟的基本流程
整个模拟过程主要有三个部分的工作量：①修改源代码；②编写Tcl 模拟脚本；③分析结果。

下面对这三个步骤中需要注意的问题做进一步的描述。

源码修改：这一步只有在模拟需要修改源代码时才进行考虑，修改源代码是一项比较具有挑战性的工作，这需要一定的编程和调试水平。

特别需要注意的是，由于NS2是采用C++和具有面向对象特性的工具命令语言（OTcl ）两种语言编写的，因此在修改源代码时，需要记着修改相应的OTcl 代码。

Tcl/OTcl 模拟代码编写：这是NS2模拟中最重要和必不可少的一环，大部分NS2的模拟工作实际就是编写Tcl 代码来描述网络结构、网络构件属性和控制调度网络模拟事件的启停过程。

因此，这需要对NS2中的网路构件非常熟悉。

模拟结果分析：结果分析是真正体现模拟工作成效的重要一环，模拟结果分析要求熟悉NS2的Trace 文件的结构，并且能够使用一些小工具对该结果文件进行分析以及根据分析结果数据绘制一些汇总图表等。

3 路由协议仿真及性能比较
由于AODV 、DSR 和DSDV 是NS2组件库里的自带协议,故仿真过程直接从编写脚本文件开始。

这里使用NS2.31版本对路由协议AODV 、DSR 和DSDV 进行了仿真比较。

50个节点随机分布在500 m×500 m 的矩形区域,仿真时间为100 s ，传送固定码率（CBR ）业务, 最大移动速度为20 m/s ，令节点停留时间分别为0 s ，20 s ，40 s ，60 s ，80 s ，100 s 进行测试。

利用NS 工具cbrgen.tcl 生成业务场景文件, 利用NS 工具setdest 生成移动场景文件
[5]。

在NS 目录下执行命令:ns
wireless.tcl ，执行完后在脚本文件同一目录下会出现
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wireless.tr 和wireless.nam 2个文件。

仿真数据结果保存在wireless.tr 中,用自编的gawk 程序对trace 文件进行统计分析,得出相应的数据,并用matlab 绘出AODV 、DSR 和DSDV 的端到端的平均时延比较图如图3所示，分组投递率比较图如图4
所示。

t /s
图3 端到端的平均时延比较
t /s
图4 分组投递率比较
节点移动速度大小反应了网络拓扑变化快慢。

从图3可看出，对于端到端的延时，AODV 和DSR 的端到端平均延时高于DSDV 的端到端平均延时,DSDV 随着节点停留时间的变化波动较大。

从图4可看出，AODV 和DSR 的分组投递率明显优于DSDV 的分组投递率，AODV 的分组投递率整体上高于DSR 的分组投递率。

可以看到，AODV 路由协议具有扩展性好，增加节点，扩大场景来说相对简单，而且分组投递率高等综合性能较好的优点。

通过综合比较，结合课题的具体应用环境，决定采用AODV 路由协议。

4 AODV协议吞吐量分析
网络的吞吐量是网络性能的一个重要参数，是指在不丢包的情况下单位时间内通过的数据包数量，单位是字节每秒或比特每秒。

在仿真的过程中，使用不同的参数来进行测试。

网络的拓扑范围设为1000 m *400 m ，传输带宽为54 Mb ,仿真时间为300 s ,传送传输控制协议（TCP ）业务。

在同一仿真场景中，令节点的个数分别为2,3,4,5,6,测得网络吞吐量如图5所示。

把网络的节点数量设为5个，节点号从0开始，
测得节点号1，2，3，4的吞吐量如图6所示。

节点个数
图5 各节点个数对应的网络吞吐量
节点号
图6 各节点对应的网络吞吐量
从图5可看出，随着节点个数的增加，网络吞吐量依次在减小，当节点个数为6时，网络吞吐量急剧减小，即网络最佳容纳的节点个数为5个。

从图6可看出，节点号1，2，3，4的吞吐量在依次减小，节点号4的吞吐量已接近0。

5 结语
采用面向对象的网络仿真工具NS2,对无线Mesh 网络中AODV 、DSR 和DSDV 三种协议的性能进行了比较分析。

当网络拓扑变化不频繁，网络负载轻时，三个协议均表现出较好性能；当网络拓扑变化加剧时，DSDV 性能明显变差，AODV 与DSR 性能仍保持良好，相较而言，AODV 性能要更好些。

最后，通过对AODV 路由协议吞吐量性能的分析，得出AODV 协议正确性测试时所需要的最佳节点个数，研究成果对无线Mesh 网络的设计和开发具有重要的应用价值。

参考文献
[1] AKYILDIZ I F, WANG X D.A Survey on Wireless Mesh Network[J].
IEEE Communications Magazine,2005,43(09):23-30.
[2] 秦裕斌,陈建华,黄晓.无线Mesh网络技术及其应用[J].通信技术,
2009,42(12):152-154.
[3] 谢世欢,郭伟.实现Ad-hoc按需路由协议的关键技术[J].计算机应用,
2006,26(03):11-13.
[4] 黎方正.基于NS2的航空自组网节点移动模型仿真研究[J].通信技术,
2009,42(01):186-188.
[5] 刘勃兰,宋玲.基于NS2的移动自组网路由协议的仿真与实现[J].计
算机工程与应用,2007,43(06):162-164.
平均时延/s
分组投递率/(%)
网络吞吐量/(b /s )
网络吞吐量/(b /s )
无线Mesh网路由协议仿真及性能分析
作者：莫金旺， 蒋文芳， 赵利， MO Jin-wang， JIANG Wen-fang， ZHAO Li
作者单位：莫金旺,MO Jin-wang(桂林电子科技大学,信息科技学院,广西,桂林,541004)， 蒋文芳,赵利,JIANG Wen-fang,ZHAO Li(桂林电子科技大学,信息与通信学院,广西,桂林,541004)
刊名：
通信技术
英文刊名：COMMUNICATIONS TECHNOLOGY
年，卷(期)：2010,43(10)
1.AKYILDIZ I F.WANG X D A Survey on Wireless Mesh Network 2005(9)
2.秦裕斌.陈建华.黄晓无线Mesh网络技术及其应用 2009(12)
3.谢世欢.郭伟实现Ad-hoc按需路由协议的关键技术 2006(3)
4.黎方正基于NS2的航空自组网节点移动模型仿真研究 2009(1)
5.刘勃兰.宋玲基于NS2的移动自组网路由协议的仿真与实现 2007(6)
本文链接：/Periodical_txjs201010022.aspx。