NSadhoc網(wǎng)絡(luò)路由分析論文

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摘要運(yùn)用ns-2仿真，分析了adhoc網(wǎng)絡(luò)幾種協(xié)議（DSDV、AODV、MFlood）的性能，如吞吐量、丟包、時(shí)延。結(jié)果表明DSDV、AODV的性能優(yōu)于MFlood，以及今后的改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞adhoc網(wǎng)絡(luò)；ns-2；路由協(xié)議；性能

的范圍運(yùn)動(dòng)，MAC層的協(xié)議是802.11，一個(gè)包最大分組是50，測試應(yīng)用層的CBR報(bào)文的傳輸，報(bào)文大小為512bytes，CBR的速率為200kbits/sec，總共模擬時(shí)間是30sec。節(jié)點(diǎn)最大移動(dòng)速度為2m/s，平均移動(dòng)速度為1m/s，節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后不停留，節(jié)點(diǎn)0在1.4秒開始發(fā)送報(bào)文，節(jié)點(diǎn)1在5秒開始發(fā)送，節(jié)點(diǎn)2在8秒開始發(fā)送，節(jié)點(diǎn)3在10秒開始發(fā)送。

以0節(jié)點(diǎn)為研究對象。

圖表1顯示了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和時(shí)間的關(guān)系。由于MFlood是洪泛的路由方式，一開始由于不知網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，隨著時(shí)間的推進(jìn)，路由表的滯后使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量明顯下降了。DSDV剛開始時(shí)較低，到一定的時(shí)間后，吞吐量增加和AODV的吞吐量比較接近，變化也相似。AODV因?yàn)橐M(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，發(fā)送大量的包使得它的吞吐量一下上去了，直到建立好路由表，其變化也和DSDV接近了。

圖表2顯示了時(shí)間和丟包的關(guān)系。MFlood的丟包比其它三個(gè)協(xié)議的更嚴(yán)重，這是由于它采取了洪泛廣播的方式。在這里DSDV在25秒出現(xiàn)的一個(gè)高峰，這是由于節(jié)點(diǎn)迅速移動(dòng)的結(jié)果，但從總體上說，DSDV和AODV都有路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，丟包要相對少一些。圖表3顯示了時(shí)間和時(shí)延的關(guān)系。由圖可知，DSDV在25秒也就是圖表2的丟包高峰時(shí)有個(gè)對應(yīng)的高時(shí)延，這一個(gè)時(shí)延的高峰，是發(fā)送包的節(jié)點(diǎn)增加和運(yùn)動(dòng)造成的，它必須再次啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制更新路由表。MFlood的綜合時(shí)延也比DSDV和AODV要高一些，DSR和AODV在這樣網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的配置下，時(shí)延接近，幾乎為零。

從圖表2和圖表3可以看出，當(dāng)DSDV由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)出現(xiàn)鏈路斷裂，由于靠路由表的信息會(huì)出現(xiàn)這種短暫的時(shí)延；而AODV它是動(dòng)態(tài)的路由機(jī)制，在處理路由端裂，反應(yīng)比較快，所以對AODV影響不是很大。

4結(jié)論和今后發(fā)展方向

幾種路由協(xié)議的性能分析比較：①在按需路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ纸M的發(fā)送時(shí)延小，而且通過這些拓?fù)湫畔ⅲ容^容易實(shí)現(xiàn)路由的優(yōu)化及Qos路由。②在表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送分組時(shí)沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，需要啟動(dòng)相應(yīng)的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制搜尋路由，這樣會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延，不利于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的傳輸。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓兛欤雽?shí)時(shí)維護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要大量的信息，這些控制信息將會(huì)占用大量的無線信道資源，從而影響用戶數(shù)據(jù)報(bào)文的發(fā)送，降低了系統(tǒng)吞吐量。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較大的情況下，網(wǎng)絡(luò)性能下降很快。在拓?fù)渥兓l繁的adhoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，應(yīng)采用按需路由協(xié)議；在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，如果業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，應(yīng)盡量采用表驅(qū)動(dòng)方式的路由協(xié)議。③在這里我們把按需和表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議和純洪泛的協(xié)議MFlood做了比較，可以看出，對路由機(jī)制的改進(jìn)會(huì)增強(qiáng)協(xié)議的性能，更好運(yùn)用到應(yīng)用中去。

從上述的結(jié)論中我們可以看出，按需路由協(xié)議的擴(kuò)展性要比表驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議好，有著很好的改進(jìn)基礎(chǔ)，今后可以改進(jìn)的方向有：采用路由緩存技術(shù)，以加快路由發(fā)現(xiàn)過程，減少路由請求消息對信道的占用；通過使用位置信息以減少路由請求信息的洪泛；通過限制路由請求消息傳播的距離，來減少路由請求消息的洪泛。通過對現(xiàn)有協(xié)議的認(rèn)識，明白存在的問題有助于我們下一步工作的開展。

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引言

移動(dòng)自組網(wǎng)（MobileAdHocNetwork,adhoc網(wǎng)絡(luò)或MANET）是一種移動(dòng)、多跳、自律式系統(tǒng),它是一種不依賴固定基礎(chǔ)通信設(shè)施的無線移動(dòng)網(wǎng)。在結(jié)構(gòu)上adhoc網(wǎng)絡(luò)是一系列可任意移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分布，節(jié)點(diǎn)之間通過無線方式互連，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有終端和路由器的雙重功能。移動(dòng)adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要有：移動(dòng)會(huì)議；攜帶包含adhoc收法器的PDA可以通過無線方式自動(dòng)從臺式機(jī)上下載電子郵件等；家庭聯(lián)網(wǎng)；緊急服務(wù)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)；軍事無線通信；其他商業(yè)應(yīng)用。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一組具有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性的自組織系統(tǒng)，具有以下一些主要特征：動(dòng)態(tài)拓?fù)洌淳W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng)，因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能會(huì)變化；鏈路帶寬受限、容量時(shí)變，由于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的非自身作為目的地的業(yè)務(wù)量隨時(shí)間而變化，因此與有線網(wǎng)絡(luò)不同，它的鏈路容量表現(xiàn)出時(shí)變特征；動(dòng)力受限，能量受限，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征，其中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)以電池作為動(dòng)力，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)能就成為一個(gè)非常重要的指標(biāo)；物理上安全有限，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)比固定網(wǎng)絡(luò)（有線和無線）更易受到安全威脅，需要克服無線鏈路的安全弱點(diǎn)及移動(dòng)拓?fù)渌鶐淼男碌陌踩[患，因此，傳統(tǒng)的用于固定網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不適用于Adhoc網(wǎng)絡(luò)。

由于adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，廣泛一應(yīng)用于各種場合，對路由協(xié)議有了一些新的要求，如何更好地應(yīng)用這種自組織的網(wǎng)絡(luò)，滿足更多的應(yīng)用，首先應(yīng)該掌握現(xiàn)有的一些協(xié)議的特點(diǎn)。用ns-2.28這種網(wǎng)絡(luò)仿真器對adhoc網(wǎng)絡(luò)的幾種路由協(xié)議進(jìn)行研究，分析比較它們適用的場合，同時(shí)也可以指導(dǎo)今后進(jìn)一步的研究，比如考慮QOS的路由協(xié)議改進(jìn)等等。

1現(xiàn)有的幾種協(xié)議介紹

由于adhoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分為平面式和分層式，各自有不同的路由策略，在這里主要是針對平面結(jié)構(gòu)的adhoc網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中,從路由發(fā)現(xiàn)策略的角度，可分為主動(dòng)路由協(xié)議（表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議）和按需路由協(xié)議（反映式路由協(xié)議）兩種類型。

1.1DSDV

目的序列距離矢量路由協(xié)議（DSDV）[2]是一種表驅(qū)動(dòng)主動(dòng)路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一個(gè)路由表，路由表項(xiàng)的內(nèi)容包括目的節(jié)點(diǎn)、跳數(shù)和目的序號，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性與鄰節(jié)點(diǎn)交換路由信息，來更新路由表，路由發(fā)現(xiàn)只有通過路由表來進(jìn)行。主動(dòng)路由協(xié)議采用周期性的路由分組廣播來交換路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由表。主動(dòng)路由的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)去往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組時(shí)，只要路由表中存在路徑，發(fā)送分組的延時(shí)就很小，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可能使路由表的內(nèi)容無意義，只有重新交換路由信息以獲得新路由的路徑，這樣增加了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，也增加了維護(hù)路由表的難度。

1.2AODV

按需路由協(xié)議是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的需要來進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容也是按需建立的，不需有去往網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑，因此，不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；在需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，因沒有去目的節(jié)點(diǎn)的路由，要臨時(shí)啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制來尋求路由，有一定時(shí)間的延時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過程通常采用全網(wǎng)洪泛機(jī)制進(jìn)行搜索。IETF的MANET工作組提出的標(biāo)準(zhǔn)草案動(dòng)態(tài)源路由DSR（DynamicSourceRouting）協(xié)議和Adhoc按需距離矢量AODV(AdhocOnDemandDistanceVector)[3]路由協(xié)議都屬于按需路由協(xié)議。這兩種協(xié)議DSR采用源路由,每個(gè)數(shù)據(jù)分組都攜帶從源到終點(diǎn)的完整路徑,中間節(jié)點(diǎn)不需要維持路由信息,AODV采用逐跳（hop-by-hop）的方式轉(zhuǎn)發(fā)分組路由表中記錄了到目的節(jié)點(diǎn)的下一跳，不需要在報(bào)文中攜帶完整的路由消息，報(bào)文有：RREQ、RREP、RERR，HELLO。DSR協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)兩個(gè)過程，主要特點(diǎn)是使用了源路由機(jī)制進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)數(shù)據(jù)分組都攜帶了路徑信息，造成協(xié)議開銷較大，而且不適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)較大的自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性不強(qiáng)。AODV也包含了路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，采用了逐跳轉(zhuǎn)發(fā)分組方式，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)隱式保存了路由請求和回答的結(jié)果，而DSR將結(jié)果顯式保存在路由請求和路由回答分組中。在AODV中，HELLO報(bào)文獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的信息，RREQ報(bào)文發(fā)起路由請求，RREP進(jìn)行路由應(yīng)答，RERR表示鏈路出現(xiàn)問題，此路不通，不支持單向信道，因?yàn)锳ODV協(xié)議基于雙向信道的假設(shè)工作，路由應(yīng)答分組直接沿著路由請求的反方向回到源節(jié)點(diǎn)。DSR協(xié)議和AODV協(xié)議比較適合于節(jié)點(diǎn)依靠電池供電能量受限和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信任務(wù)具有突發(fā)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1.3MFlood

無線路由通訊協(xié)議（wirelessroutingprotocol,MFlood），它是一種泛洪協(xié)議，向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播，每個(gè)包只轉(zhuǎn)發(fā)一次，維護(hù)一張路由表記錄以前轉(zhuǎn)發(fā)過的包，每一條路由表項(xiàng)針對每個(gè)數(shù)據(jù)源記錄了為它轉(zhuǎn)發(fā)過的數(shù)據(jù)包情況。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)序列號SEQ，數(shù)據(jù)源每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包將SEQ增加1，并把該序列號加到數(shù)據(jù)包的報(bào)頭信息中，其他節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后依靠序列號來判斷自己是否轉(zhuǎn)發(fā)過該包。

2ns-2網(wǎng)絡(luò)模擬器

ns-2是美國DARPA支持的項(xiàng)目VINT（VirtualInterNetTestbed）開發(fā)的通用的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模擬軟件，開發(fā)的源代碼使研究者更好的進(jìn)行各種算法的實(shí)現(xiàn)和協(xié)議的改進(jìn)。

ns是一個(gè)離散事件模擬器，事件規(guī)定系統(tǒng)狀態(tài)的改變，狀態(tài)的修改僅在事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行，典型的事件有分組到達(dá)、時(shí)鐘超時(shí)等。同時(shí)，ns還具有豐富的構(gòu)件庫，對一些通用的實(shí)體進(jìn)行了建模，對象易于組合，擴(kuò)展。ns的構(gòu)件庫支持的網(wǎng)絡(luò)類型有：廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等，支持的路由方式有：層次路由、動(dòng)態(tài)路由、多播路由等，ns還提供跟蹤和監(jiān)測對象，可以把網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的狀態(tài)和事件記錄下來以便分析，如：tracefile，生成.tr文件記錄了仿真過程的數(shù)據(jù)信息，從中可以提取有用的數(shù)據(jù)信息。ns還提供動(dòng)畫模擬整個(gè)過程：nam，畫出仿真曲線：xgraph,gnuplot等，方便使用者分析得到結(jié)果。ns的構(gòu)件庫是用兩種面向?qū)ο蟮恼Z言編寫的：C++和Otcl。C++是一種程序設(shè)計(jì)語言，學(xué)程序的人多知道，Otcl是MIT開發(fā)的ObjectTCL，即Tcl的面向?qū)ο蟮臄U(kuò)展，Tcl的全稱是Toolkitcommandlanguage，它是一種靈活的、交互式腳本語言，Otcl在Tcl中加入類、實(shí)例、繼承等面向?qū)ο蟮母拍睢s的構(gòu)件通常作為一個(gè)C++類來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)有一個(gè)Otcl類與之對應(yīng)。構(gòu)件的主要功能在C++中實(shí)現(xiàn)，Otcl中的類則主要提供C++對象面向用戶的接口。用戶通過編寫Otcl腳本來對這些對象進(jìn)行配置、組合，模擬過程，最后調(diào)用ns完成模擬。

ns模擬的步驟大致如下：編寫Otcl腳本，配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確定拓?fù)鋱D，建立協(xié)議，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)事件，要傳輸?shù)奈募胣s解釋執(zhí)行腳本，分析trace文件，得出有用的數(shù)據(jù)，用工具畫出曲線圖，或用Nam工具觀看網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)行過程。

3仿真過程和性能分析

在對Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV,按需路由協(xié)議AODV（按需路由以AODV為代表）和泛洪路由協(xié)議MFlood進(jìn)行模擬，進(jìn)行性能評估時(shí)，主要考慮如下性能參數(shù)：①端到端的數(shù)據(jù)吞吐量②延時(shí)③丟包率。

在這個(gè)仿真過程中，建立網(wǎng)絡(luò)模型的相關(guān)參數(shù)有：50個(gè)節(jié)點(diǎn)在1000×1000