移动Ad Hoc网络路由算法仿真

移动Ad Hoc网络路由算法仿真研究
Simulation Study of Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Network
尚 杨 张凤登
（上海理工大学光学与电子信息工程学院, 上海 200093）
摘 要：移动Ad Hoc网络是由一组具有路由和转发功能的移动节点组成的临时性自组织网络，其路由算法是近年研究的热点。

在NS2仿真平台下，对两种典型协议（按需距离矢量路由AODV和动态源路由DSR）的性能进行横向间的比较分析，得出了两种协议的适用性定量结果和彼此间的差别。

关键词：Ad Hoc网络 按需距离矢量路由 动态源路由 NS2
Abstract:Ad Hoc network is a collection of mobile nodes which can be router and forwarder,and its routing protocols are popularly studied these years. The paper investigates the performance of two typical routing protocols(Ad Hoc
On-Demand Distance Vector and Dynamic Source Routing ) and aquires quantitative measurement results based the simulation platform NS2.
Keywords:Ad Hoc network AODV DSR NS2
0 引言
由于MANET(mobile ad hoc network)网络具有多跳、无固定基础结构且网络拓扑动态变化的特点[1]，传统的有线网络路由于协议不能很好地适应这种移动环境，主要原因有两点：一是通常这些协议采取周期性的消息来更新路由，从而产生大量的开销；二是由于路由建立更新过程对拓扑变化的收敛比较慢。

结合传统路由协议设计思路以及Ad Hoc网络的特点，大部分MANET路由协议按驱动形式可以分为两类：表驱动和按需驱动。

其中比较典型的如按需距离矢量路由协议AODV、动态源路由协议DSR、目的序列距离矢量路由协议DSDV和无线路由协议WRP等。

为了充分研究在MANET中各协议间的性能差异，我们在同一仿真平台下对AODV和DSR进行了比较分析。

1 协议分析
在这里我们将对AODV和DSR两种协议进行简要介绍，用以说明两种协议的不同设计思路。

1.1 AODV协议
AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector)，即Ad Hoc按需距离矢量路由协议，其显著特征是为每个路由条目使用一个目的序列号，这样可以防止环回且易于编程。

其路由发现过程是：当需要一个到达新目的节点的路由时，源节点广播一个“路由请求”RREQ消息来发现到目的节点的路由。

路由的新旧程度是通过比较与目的节点关联的序列号和包含在RREQ中的序列号来确定的。

路由的有效性通过给发出RREQ的源节点回复一个“路由回复”REP（单播方式）来实现。

节点通过随时监测下一跳处于“活动的”路由器的链路状态来维护路由并实现对移动性的支持。

如果在这类路由器中某一链路被发现断开，节点就利用一个“路由错误”RERR消息通知其它节点该链路丢失的发生。

AODV向网络发送周期性广播消息的数量少，可以大大减少带宽开销。

另
1
2 外，由于引入了目的节点序列号，路由甚至在破损链路修复阶段也可以保证是无环回的[2]。

1.2 DSR协议
DSR(Dynamic Source Routing)，即动态源路由协议，是一种基于源路由方式的按需路由协议。

它采用了源路由方式来取代逐跳分组路由形式，每个数据分组都会携带通往目的节点路径上的各节点信息。

它的优点是根据源节点的需求建立路由，中间节点不必维护路由信息，也不需要发送任何周期性的消息，同时该协议还支持单向及不对称链路[3]。

路由发现过程为源节点采用泛洪方式发出一个具有唯一请求ID 的“路由请求”消息,当该请求消息到达目的节点或者是某一具有符合条件的路由信息的节点时，节点会向源节点发送包含路径信息的“路由回复”消息。

DSR 根据对传送到邻居节点的数据分组的确认，来检测已存在路由的有效性。

当节点无法接收到确认信息时，它会给源节点发出一个“路由错误”分组，使得源节点可以重新发起另一个路由发现过程。

接收到路由错误消息的节点会利用该破损链路的所有路由条目从其路由缓存中删除掉。

2 性能分析
为比较和验证Ad hoc 网络中的路由协议性能，我们采用NS 网络仿真器实施试验。

NS 是由加利福尼亚大学伯克利分校和VNT 项目组联合开发，含有TCL(Tool command language 工具命令语言)的受事件驱动的网络仿真器。

NS 最初主要用来模拟传统有线网络上的TCP/IP 和其他协议，它并不支持多跳无线移动网络环境。

随着相关领域研究的进展，美国的卡耐基梅隆大学对NS 作了相应的扩展，目前，NS2已经可以支持一定范围内和一定条件下的多跳无线移动网络[4]。

2.1 仿真模型
设置30个节点分布于1500m ×300m 的矩形区域,最大移动速度是20m/s,仿真时间为110s ，暂停时间分别为10s 、15s 、20s 、30s 、50s 、100s 、110s 。

仿真中的业务类型选择了CBR （constant bit rate ）业务，之所以没有采用TCP 源是因为TCP 具有适应网络负载的性质，也就是说由源节点发起的每个数据分组的时间和节点的位置对两种协议而言都会不同。

根据众多参考文献中仿真所采用的MAC 层协议，我们采用IEEE802.11[5]。

针对此仿真环境，运行自编的TCL 脚本程序,系统会自动调用Nam 软件来进行动画演示。

如图1所示，显示了85s 时在此仿真环境下的网络拓扑结构。

图1 85s 时无线Ad Hoc 网络的拓扑结构
2.2 路由协议度量（Metric）
3
对于Ad hoc 网络的仿真，根据不同的要求需要不同的性能指标。

一般来说对路由协议的仿真有以下性能尺度：(1)数据报文投递率，是指接收端收到的报文总数和发送端产生的报文总数之比, 可以反映网络所能支持的最大吞吐量, 从而在一定程度上刻画了协议的完整性和正确性； (2)数据报文端到端平均延迟，是指数据报文接收的时间与数据报文发送的时间之差；(3)路由负荷，是指模拟期间传输的路由控制报文的总数，并且对一个需要经过多跳传输的分组而言，每一跳传输相当于一次分组传输。

路由负荷可以用来比较不同路由协议的可扩展性、适应网络拥塞的能力和协议的效率。

2.3 性能曲线分析
运行TCL 仿真脚本后得出相应的trace 文件，用gawk 程序对trace 文件进行统计分析后用
gnuplot 绘图软件绘出AODV 和DSR 的报文投递率比较图(图2)、端到端平均延时比较图(图3)以及路由负荷比较图(图4)。

报文投递率f /%
暂停时间t/s
平均端到端时延 D /m s
暂停时间t/s 图2 报文投递率比较图 图3 平均端到端时延比较图
路由负荷L r 暂停时间t/s
图4 路由负荷比较图
如图2所示，两种协议都能够达到比较高的报文投递率，但AODV 略高于DSR ，在节点移动由低速到高速变化的过程中，报文投递率都在73％以上，说明两种协议对网络拓扑的快速变化都有较强的收敛性。

虽然节点在移动速度变化时AODV 和DSR 的效果相差不多，但把网络节点个数
增至大于100时，DSR的分组传输率明显下降。

由图3可以看出，在平均端到端时延方面，源节点到目的节点的路由只有一条，意味着在路由建立、更新方面的时延并不大，因此，数据分组的平均端到端时延得以减小。

在不同的移动速度、节点个数方面，二者相差不大，DSR的时延略低于AODV。

AODV和DSR都是按需路由协议，它们的开销将随着节点移动性的减小而降低，随网络负载的增加而增加。

由图4可看出，DSR的路由负荷明显小于AODV，这是由于DSR使用缓存技术和混杂接收方式侦听路由请求分组，从而大大降低了路由开销。

且DSR的负荷在不同的业务报文发送速率下变化幅度不大，原因是DSR的路由信息是由源节点保持的，业务报文会在头部包含整个路由信息，中间节点并不用维护转发路由信息。

但是当网络规模超过100个节点时，经过仿真验证，虽然DSR的开销小于AODV，但它的报文投递率会下降很多，在实际应用中是不可取的。

AODV和DSR在节点移动速度方面的适应性都还可以接受综合来看，当节点个数在50以内，DSR的性能要优于AODV，而对于大规模网络，AODV则更适合。

3 结束语
本文创新点在于提出一个新的真正的无线传输信道模型，并利用NS2网络仿真器对Ad hoc 网络常用的两种路由协议进行的精确仿真，这种新的仿真环境对评估Ad hoc网络协议和其他无线网络协议的性能提供了有力的工具，对于研究各种路由协议的最佳适用条件等都有积极意义。

结果表明不同的路由协议都有各自的应用场合和优缺点，设计一种万能的路由协议是不现实的。

在此基础上提出了一种比较好的解决办法，就是尽量在减少分组时延的前提下降低路由协议的负荷。

由于Ad hoc自身复杂多变的动态特性，路由协议的设计目前仍是一个开放的热点问题。

一种新的设计思路是采用自适应路由协议，它能根据不同的网络环境来相应的改变路由算法，但这种方法的计算和维护开销大，实现比较复杂，目前正处于研究阶段。

此外，Ad hoc网络中的Qos 路由也是一个研究方向。

总之，Ad hoc网络的路由协议是一个比较复杂的问题，真正实现令人满意的路由算法和机制还需要通过长期的探索和研究。

参考文献
1 Perkins C, Royer E. Ad hoc on demand distance vector routing [A]. The 2nd IEEE Work shop on Mobile Computing Systems and Application [C ]. New Orleans, LA , Feb. 2003: 90-100.
2 Magnus Frodigh, Per Johansson. The art of networking without a network. Ericsson Review , 2001(4) : 248～262
3 The VINT Project , A Collaboration between researchers at UC Berkeley , LBL. USC/ ISI ,The ns Manual(formerly ns Notes and Documentation) http:// www. isi. edu/nsnam/ ns/ tutorial/ index. html.
4 Josh B,David AM and David BJ. A performance comparison of multihop wireless Ad hoc network routing p rotocols. MobiCom98,Dallas,U SA ,October 2002
5 A. Iwata, etal. Scalable Routing Strategies for Ad Hoc Wireless Networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,Special Issue on Ad hoc Networks,Aug 2005: 1466～1487
第一作者尚杨，女，1982年生，硕士研究生，上海理工大学光电学院，主要从事移动Ad Hoc网络、无线传感器网络研究等。

4。