Ad Hoc高动态路由协议仿真与研究*1



Ad Hoc高动态路由协议仿真与研究*1

陈立1,杨瑞娟1,潘平俊2,黄美荣1

(1.空军预警学院，湖北 武汉430019； 2.中国人民解放军93534部队，天津301716)

摘要：Ad Hoc网络是一种没有固定设施的无线移动自组织网络，动态变化的拓扑结构对路由协议的性能有着重要影响。研究了DSR，AODV和OLSR 3种传统路由协议，以OPNET软件为仿真工具，设计了空中飞行平台网络拓扑结构背景的高动态仿真方案，采用随机恒定速度移动模型(RCS)，使得仿真场景更加贴近高动态移动节点动态性能。通过比较网络时延、归一化网络吞吐量、路由负载和数据传送成功率等参数，分析了它们的性能。仿真结果表明，OLSR协议的综合性能优于其他协议，更适合于节点高速移动且网络拓扑结构频繁变化的Ad Hoc网络，并为下一步研究打下基础。

关键词：空中飞行平台；Ad Hoc网络；路由协议；OPNET仿真

0引言

在空中飞行平台[1]网络中，移动Ad Hoc[2](mobile Ad Hoc networks,MANET)[3]由于不需要基础设施，各节点之间地位平等，都有参与路由选择和数据传输的功能，可以多跳实现远距离通信，网络快速展开和组织，抗毁性和自愈能力强等特点成为适合数字化战场通信组网的有利技术。美军战术互联网中，空中作战平台之间组成的通信网络称为空中网络，是战时空中通信系统的主要组成部分，是传递战场实时态势信息的重要手段，其最新的数据链TTNT(tactical targeting network technology)网络采用Internet体系结构，并采用Ad Hoc组网，使其成为战术互联网的关键技术之一。因此，研究高动态条件下Ad Hoc网络路由技术是一项非常有意义的课题。

目前，移动自组网的研究主要集中在地面慢速环境中的地-地和地-空组网，空-空组网研究相对较少，机载网络环境中对高动态和诸如态势感知等时敏信息的需求使得Ad Hoc网络特别适于空中网络通信。如何在高速动态变化的环境中，保障信息在网络中的有效传递，是网络层技术的重要职责。为获取高效的通信质量，有必要对空中网络路由策略提出更高的要求。本文对3种典型的自组网路由协议：DSR(dynamic source routing)，AODV(Ad Hoc on-demand distance vector routing)和OLSR(optimized link state routing)，通过仿真实验比较其综合性能，研究得出一种较为适合空中飞行平台的通信网络路由协议，为下一步研究提供了依据。

1Ad Hoc网络路由协议

按照路由建立方式的不同，对传统的MANET路由协议可以分为：表驱动路由协议和按需路由协议。表驱动路由协议又称作先应式路由协议[4]，这类协议中每个节点维护一个到达网络中其他所有节点的路由表，OLSR协议是其典型代表。按需路由协议又称作反应式路由协议[5]，这类协议在源节点有数据发送时才创建路由，DSR，AODV协议是其典型代表。

1.1OLSR协议

最优链路状态路由协议(OLSR)[6]作为一种表驱动的链路状态路由协议，多点中继(multipoint relay，MPR)[7]是其核心技术。OLSR协议中，节点之间周期性地交互HELLO分组，实现邻居发现和无线链路检测；再周期性的转发TC分组，执行MPR(multipoint relay)信息说明；通过分布式计算建立和更新网络拓扑图，进行路由计算。

1.2DSR协议

动态源路由协议(DSR)[8]是一种基于源路由的按需路由协议，由路由寻找和路由维护2个阶段组成。DSR协议采用源路由缓存机制，节点发送信息时，先从缓存路由中查找路由信息，若存在到目的节点的路由信息，则发送消息，否则重新进行路由发现。

1.3AODV协议

Ad Hoc按需距离矢量路径路由协议(AODV)[9]是一种基于距离矢量算法的按需路由协议，由路由建立和路由维护组成。当有数据包要发送时，源节点会广播发送一个路由请求分组，由邻近节点负责广播，但丢弃收到的重复路由请求分组，直到到达目的节点或已有最新路由的中间节点。显著特征是路由条目均被设定一个目的节点序列号，保证了中间节点只回应最新的信息和避免了路由环路的产生。

2基于高动态条件下Ad Hoc路由协议仿真方案

2.1仿真工具

本文采用OPNET(optimized network engineering tools)[10]仿真软件进行仿真。OPNET作为一个大型的网络通信仿真软件包，采用层次化结构的三层建模机制，与实际通信网络结构和协议一一对应，为模拟通信网和分布式系统提供了详细的支持，能够全面地反映网络特性。

2.2仿真场景与参数设置

使用OPNET14.5[11]网络仿真软件建立场景，业务配置为FTP(file transfer protocol)传输，Rx Group配置用来提高仿真速度，在Mobility配置中设置节点为移动型。采用随机恒定速度移动模型(random constant speed mobile model，RCS)，在该模型条件下移动节点以恒定速度向目的地运动，避免了随机路点模型运动过程中的平均移动速度逐渐下降的问题，使得其仿真结果更加贴近高动态移动节点的动态特性，更具有可行性。本文主要对2种不同的节点移动速度背景进行了仿真，第1种是节点移动速度为100 m/s的网络，第2种是节点移动速度为200 m/s的网络，目的在于比较3种路由协议对高动态网络背景的适应性。网络参数设置如表1所示。

表1　网络参数设置

2.3性能评估参数

网络时延(network delay)：从发送端到接收端的平均时延。

归一化网络吞吐量(normalized network throughput)：节点平均每秒收到包的比特数/网络总带宽。

路由负载(route load)：所有节点的更高层次的层提交到网络层的总负载，即路由开销，单位是bits/s。

数据传送成功率(delivery ratio)：接收端接收的分组数/发送端发送的分组数。

3仿真结果与分析

3.1网络时延

由图1可知，在仿真实验前200 s，AODV和OLSR路由协议的网络时延优于DSR路由协议，至仿真稳定，3种协议的网络时延保持平稳且相差不大，收敛迅速。

由图2可知，当节点移动速度增大为200 m/s时，3种协议的网络时延较图1变大。在仿真实验前200 s，AODV和OLSR路由协议的网络时延明显优于DSR路由协议；在仿真稳定后，OLSR协议相比于AODV和DSR，OLSR路由协议的时延最低，维持在0.001 s，突出了较好的时效性和收敛性。

在高速移动条件下，链路中断可能频繁发生，DSR协议在重建路由时，需要将链路状态发回源节点，由源节点重新发起路由发现过程，带来了很大的时间延迟。AODV协议利用路由表存放路径，对每个目的节点只需把下一跳地址存放在路由表中，其逐跳转发机制有效解决了时延的问题。而表驱动的OLSR路由更新机制始终进行，各节点始终在维护一个完整的路由表，不产生额外的控制传输，在时延上也占有很大的优势。当节点移动速度增大时，网络拓扑变化更加剧烈，导致时延变大。

图1　节点移动速度为100 m/s的网络时延Fig. 1　Network delay of the node movement　　　 speed to 100 m/s

图2　节点移动速度为200 m/s的网络时延Fig.2　Network delay of the node movement　　　speed to 200 m/s

3.2网络吞吐量

从图3，4可以发现，在仿真稳定后，OLSR协议的网络吞吐量最大，图4比图3的吞吐量减少。这是因为AODV协议传送的分组中不需携带完整的路由信息，在路由缓存建立后不随网络拓扑结构的变化而更新。DSR无需维持到所有节点的路由信息，不存在路由环路，能节省带宽。OLSR采用MPR，在泛洪过程中转发控制消息，提升了网络吞吐量的幅度。当节点移动速度增大时，链路中断严重，通信组网能力减弱，数据传送部分失效，导致网络的吞吐量减少。

图3　节点移动速度为100 m/s的归一化网络吞吐量Fig.3　Normalized network throughput of the node　　　movement speed to 100 m/s

图4　节点移动速度为200 m/s的归一化网络吞吐量Fig.4　Normalized network throughput of the　　　node movement speed to 200 m/s

3.3路由负载

由图5，6可以看出，随着仿真时间的推进，各路由协议的负载不断增大，当仿真稳定后，OLSR协议的路由负载最高，AODV协议其次，DSR协议路由负载最小，且图6中的网络路由负载比图5大。

这是由于OLSR协议作为表驱动路由协议，需要周期性地向全网广播TC消息带来了较大的路由开销，在高速移动状态下，网络拓扑结构迅速变化，网络开销会迅速增加。AODV的路由发现活动频繁，在高机动的条件下，频繁的网络拓扑变化使得节点的状态需要不断更新，路由维护和重传RREQ消息增多，RREQ消息占AODV协议很大的开销成分，所以负载变得很高。DSR的缓存机制使得网络中的每个节点将已知的路由信息缓存起来，允许节点监听分组，不用周期性地广播路由信息，因而路由负载最小。当节点节点移动速度增大时，网络业务开销增大，路由负载必然变大。

图5　节点移动速度为100m/s的网络路由负载Fig. 5　Network routing load of the node　　　movement speed to 100 m/s

图6　节点移动速度为200m/s的网络路由负载Fig.6　Network routing load of the node　　　movement speed to 200 m/s

3.4数据传送成功率

当仿真稳定后，从图7可知，当节点移动速度较低时，OLSR协议的数据传送成功率不到70%；图8中，当节点移动速度增大时，OLSR协议的数据传送成功率不到60%，但综合看来，该性能始终优于DSR和AODV 2种路由协议。

由于OLSR协议采用多点中继机制，有效缩减了网络中广播控制分组的数量和范围，并且周期性地交换HELLO消息和泛洪TC消息，网络拥塞程度降低，所以其数据传送成功率更高。当节点移动速度增大后，加剧了无线信道的竞争，对路由层的性能造成影响，数据传送成功率降低。

图7　节点移动速度为100 m/s的网络数据传送成功率Fig.7　Network data transfer success rate of the　　　node movement speed to 100 m/s

图8　节点移动速度为200 m/s的网络数据传送成功率Fig.8　Network data transfer success rate of the　　　node movement speed to 200 m/s

4结束语

在空中飞行平台Ad Hoc通信网络中，由于飞行节点具有高速移动，网络拓扑频繁变化等特性，传统自组织路由协议并不十分实用，其路由算法几近失效。本文适应性地分析了几种可用于空中网络的自组织路由协议，通过仿真实验，给出了性能指标比较。特别是当节点移动速度增大时，路由协议的各项性能参数都会产生下降，最后综合得出OLSR路由协议稳健性[12]较好，更适合作为高动态Ad Hoc路由技术的研究基础，其仿真数据为下一步空中网络路由技术研究的可行性提供了依据。

参考文献：

[1]吴俊晨,任文成. 高空平台无线通信系统设计[J].无线电通信技术, 2013,39(1): 16-18.

WU Jun-chen, REN Wen-cheng. High Altitude Platform Wireless Communication System Design[J]. Journal of Radio Communication Technology, 2013, 39 (1):16-18.

[2]陈星林，曾曦，曹毅.移动Ad Hoc网络[M].1版.北京：电子工业出版社，2006.

CHEN Xing-lin, ZENG Xi, CAO Yi. Mobile Ad Hoc Networks [M]. 1st ed.Beijing: Electronic Industry Press, 2006.

[3]CORSON S, MACKER J. Mobile Ad Hoc Networking [M].IETF, RFC 2501,University of Maryland,1999.

[4]SISODIA S，RAGHWANSHI S. Performance Evaluation of a Table Driven and On-Demand Routing Protocol in Energy Constraint MANETs[C]∥International Conference on Computer Communication and Informatics，2013:1-8.

[5]XIANG Xiao-jing, WANG Xin. Self-Adaptive On-Demand Geographic Routing for Mobile Ad Hoc Networks[C]∥IEEE Transactions on Mobile Computing, 2012:1572-1586.

[6]张琳娜,杨瑞娟,崔晓梦,等. 短波Ad Hoc路由协议仿真与性能分析[J].无线电工程,2013,43(4): 1-4.

ZHANG Lin-na, YANG Rui-juan, CUI Xiao-meng, et al. Short Wave Simulation and Performance Analysis of Ad Hoc Routing Protocols[J]. Journal of Radio Engineering, 2013，43(4):1-4.

[7]CHANDANA R, JAIN S, KUMAR A. A Weighted Approach for MPR Selection in OLSR Protocol[C]∥IEEE International Conference on Parallel Distributed and Grid Computing, 2012:38-43.

[8]Istikmal. Analysis and Evaluation Optimization Dynamic Source Routing (DSR) Protocol in Mobile Adhoc network Based on Ant Algorithm [C]∥International Conference of Information and Communication Technology, 2013:400-404.

[9]Ashish Bagwari, Raman Jee, Pankaj Joshi, et al. Performance of AODV Routing Protocol with Increasing the MANET Nodes and Its Effects on QoS of Mobile Ad Hoc Networks[C]∥International on Communication Systems and Network Technologies, 2012:320-324.

[10]龙华.OPNET Modeler与计算机网络仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社，2006.

LONG Hua. OPNET Modeler Simulation with Computer Network[M].Xi′an: Xidian University Press, 2006.

[11]高嵩.OPNET Modeler仿真建模大解密[M].北京:电子工业出版社，2010.

GAO Song. OPNET Modeler Simulation Modeling Large Decryption[M].Beijing: Electronic Industry Press, 2010.

[12]郭建立,刘刚. 移动自组织网路由稳定性分析[J].无线电通信技术, 2011,37(4): 1-3.

GUO Jian-li, LIU Gang. Mobile Self-Organizing Networks by Stability Analysis[J]. Journal of Radio Communication Technology, 2011, 37(4):1-3.

Performance Analysis of High Dynamic Ad Hoc Routing Protocol Agreement

CHEN Li1, YANG Rui-juan1, PAN Ping-jun2, HUANG Mei-rong1

(1.Air Force Early Warning Academy,Hubei Wuhan 430019, China；2.PLA,No.93534 Troop, Tianjin 301716, China)

Abstract:Ad Hoc Network is a kind of wireless mobile self-organized network without fixed facilities. The structure of topology in dynamic changes has considerable effect on the performances of routing protocol agreement. The three traditional routing protocols DSR (dynamic source routing) and AODV (Ad Hoc on-demand distance vector routing) and OLSR (optimized link state routing) are studied. By taking the OPNET (optimized network engineering tools) software as simulation tool，an airborne platform network topology structure with background of high-dynamic simulated scheme is designed. The simulation scenario is more close to the high dynamic mobile node dynamic performance by using random constant speed mobile model (RCS), and their performances are analyzed by comparing the parameters such as network delay, normalized network throughput, route load and delivery ratio. Simulation shows that the comprehensive performances of the OLSR agreement transcend others and that it is more suitable for Ad Hoc network whose node moves fast and the structures of the network topology change frequently.

Key words:airborne platform; Ad Hoc network; routing protocol agreement; OPNET(optimized network engineering tools) simulation

中图分类号：TP393;TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0111-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.019

通信地址：672100云南省大理州祥云县云南驿镇95445部队教导队E-mail：262758291@qq.com

作者简介：陈立(1990-)，男，湖北随州人。硕士生，研究方向为现代通信技术及应用。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61271451)

*收稿日期：2014-05-08；修回日期：2014-09-02