基于QualNet平台的MANET路由协议性能分析*

牛　钊

(电子工程学院705室　合肥　230037)



基于QualNet平台的MANET路由协议性能分析*

牛钊

(电子工程学院705室合肥230037)

摘要在分析应用于MANET的DSR、AODV、LAR和FSR路由协议的基础上利用QualNet工具对四种路由协议进行了仿真实验。通过将平均端到端时延、时延抖动、吞吐量以及分组投递率作为性能参数对实验数据进行了分析,结果表明反应式路由协议比先验式路由协议能更好的应对网络拓扑的快速变化。

关键词MANET; QualNet; 路由协议; 仿真分析

Analysis of the Performance about MANET’s Routing Protocols Based on QualNet

NIU Zhao

(705 Office, Electronic Engineering Institute, Hefei230037)

AbstractBased on the analysis of MANET’s routing protocols of DSR, AODV, LAR and FSR, a simulated test is taken on the QualNet. The experimental data through selecting average end to end delay, jitter, throughput and packet delivery ratio as the performance parameters are analyzed. The results show that reactive routing protocols is better than proactive routing protocols on coping with the rapid changes of network topology.

Key WordsMANET, QualNet, routing protocol, simulation analysis

Class NumberTN915

1引言

MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一种由许多节点组成的无中心、多跳的自组织网络,起源于PERNET,融合了多种组网思想,网络中节点之间地位平等,无需设置中心控制点,因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,MANET在包括商业、农业、气象、军事等诸多方面应用广泛。其典型结构如图1所示。

在MANET中,每个移动节点兼有路由器和主机两种功能。作为主机,移动节点需要运行面向用户的应用程序;作为路由器,它需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表进行数据分组转发和路由维护[1]。对于MANET而言,路由协议是网络能够正常运行的关键,本文针对MANET中使用较为广泛的四种路由协议(DSR、AODV、LAR、FSR)以节点移动速度作为变量进行了仿真实验并针对相关性能指标对实验数据进行了分析比较。

图1　MANET的典型结构

2MANET的路由协议

MANET的路由协议大致分为反应式路由协议和先验式路由协议两种[2]。反应式路由协议,又称为按需路由协议(Demand-Driven Routing Protocol,DDRP),只有需要与目的节点进行通信且找不到路径时路由的查找过程才开始,典型的协议包括DSR、AODV和LAR。先验式路由协议,又称为表驱动路由协议(Table-Driven Routing Protocol,TDRP),采用先验式路由协议的节点都需要周期性的维护到达其它节点的路由表,当进行通信时直接根据路由表中的信息进行路由,只要路径存在就能对数据分组直接进行发送,具有实时性,FSR属于这种协议。

下面对MANET的几种典型路由协议进行介绍:

1) DSR协议

动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)是一种基于源路由方式的路由协议,数据分组中包含该分组的传输源路由,能够对所有路由进行动态维护[3]。DSR协议由两个主要机制组成:路由寻找(Route Discovery)与路由维护(Route Maintenance)。源节点进行路由寻找时首先对请求报文进行广播,如果收到报文的节点是目的节点,那么接收节点会向源节点发送一个响应报文,否则对报文进行转发。响应报文中保存了源节点到目的节点的完整路由信息。路由寻找机制只有在需要向目的节点发送数据分组且源节点不知道如何到达目的节点的情况下才会启动。当源节点发现网络拓扑结构发生改变或因为故障而导致已有的路由路径不可达时,路由维护过程开始执行,检测到的失效节点会向源节点发送路由错误报文,源节点接收到该报文后重新进行路由寻找。DSR协议开销低,能够提供快速反应式服务。

2) AODV协议

无线自组网按需平面距离向量路由协议(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing,AODV)是一种反应式协议,主要过程包括路由寻找、路由维护以及路由表管理[4],提供对动态链路状况的快速反应,处理开销和存储开销低,但网络利用率也较低。AODV协议在进行路由寻找时同样需要广播请求报文,与DSR协议的不同点在于AODV给每个路由条目使用一个目的节点序列号,目的节点序列号由目的节点产生,根据节点序列号可以实现对请求报文新旧的判断从而有效避免路由环路和冗余的产生。收到请求报文的节点会在路由表中设置反向路径表项指向源节点。当路由请求到达目的移动节点后,目的节点产生响应报文,响应报文按请求报文到达的路径跳变的到达源节点,每个中间节点只维护下一跳的路径信息而不是维护全部的源路由信息。节点间通过周期性的交换路由信息来不断更新自身的路由表,以便能够及时的反映网络拓扑结构及其变化,维护路由信息一致性、准确性。

3) LAR协议

LAR(Location Aided Routing)协议是一种基于DSR协议的反应式路由协议[5],特点在于利用节点的位置信息减少转发路由请求的节点数目,减少网络资源的消耗。LAR利用源节点和目的节点的位置坐标以及速度大小确定期望区域和请求区域。期望区域是一段时间后目的节点可能的位置范围,请求区域用于限制转发节点的数目[6]。当源节点发送请求报文时会将关于请求区域的相关信息附在请求报文中。只有位于请求区域内的中间节点才被允许进行请求报文的转发,这样使得路由寻找报文的转发是单向的,在一定程度上减少了请求报文的影响范围而且不会形成环路[7]。如果没有获得目的节点的响应报文,源节点将对请求范围进行扩大,重新发送请求报文。LAR具有很好的健壮性,单个节点失效不会影响全局。

4) FSR协议

FSR(Fisheye State Routing)协议为表驱动协议,采用“鱼眼”技术。“鱼眼”技术由Kleinrock和Stevens提出,可以用来减少表示图形图像的数据。FSR协议中,“鱼眼”技术用来维护距离和路由信息,每一个采用FSR协议的节点都能获取网络全局的拓扑信息。在不同鱼眼域中的节点以不同的频率(频率与节点间距紧密相关)只向邻居节点广播链路更新信息,可以大大降低开销,减少相关网络资源的消耗。当链路出现崩溃的情况时,FSR不会发送控制信息,只是简单地删除邻居列表和拓扑结构表中的相关信息,正是基于这一特点FSR适用于拓扑高度变化的网络环境[8]。

3QualNet仿真平台

QualNet是美国Scalable Networks Technologies公司的产品,前身是GloMoSim,根源于美国国防部高级研究计划署(DARPA)全球移动通信计划,基于PARSEC并行仿真内核,每个节点都可以独立进行运算,可以为有线、无线以及混合网络的设计、评估提供良好的操作平台,具有较高的仿真精度[9]。

目前,针对无线网络进行相关仿真,大多数用户选择使用OPNET,与OPNET相比,QualNet具有以下优势:

1) 操作更为简便

在仿真实验中,常常需要对某个特定参数进行多次赋值,从而得知网络性能对该参数的变化是否敏感或者多次改变所使用的协议用于寻找能使网络性能达到最优的协议。对于上述情况OPNET均需要手动做大量的工作,而QualNet采用菜单式的选择就可实现,操作更为简便。

2) 扩展性更强

QualNet的协议更加模块化,对某些协议模块进行屏蔽、增加或者删除操作十分简便,同时还提供了更多的接口用于和其他软件(STK、MatLab等)实现联合仿真,扩展性更强。

3) 仿真速度更快

对于复杂程度基本相同的小规模网络进行仿真,QualNet的仿真速度是OPNET的几倍,对于大规模网络,QualNet仿真速度可以达到OPNET的上百倍。

4) 协议代码通用性更强

OPNET协议有限状态机编译后的C代码包含一些额外的OPNET标识代码,这些对于用户而言基本是无用的信息,还在一定程度上破坏了代码的通用性。而QualNet协议有限状态机编译后的C代码为标准C代码。

正是基于QualNet具有的多重优势,本文采用QualNet进行仿真环境的搭建。

4仿真实验及结果分析

MANET的一个重要特点在于节点的移动性,路由协议在节点移动速度变化情况下的表现具有重要意义,所以仿真实验把速度作为主要变量进行实验[10]。

MANET网络中节点的数量分类[11]如表1所示。

表1　MANET网络分类表

为了让本次仿真得到的数据更具合理性,在QualNet5.2的仿真平台上构建中等规模的网络,选取40个移动节点均匀分布在1000×1000m2的区域内,将所有节点组成20个源节点一目的节点对,仿真时间300s,报文的大小设定为512字节。

为了有效衡量移动环境下路由协议的性能,采用了Random-way point的移动模型,该模型主要有三个参数:驻留时间、最小移动速率、最大移动速率。仿真开始后,移动节点会随机选取一个目的地,然后在最大速率与最小速率之间随机选取一个移动速率,到达目的地后停留一个驻留时间,然后再重复上述的移动过程。仿真中设定驻留时间为3s,移动节点的平均移动速率从0m/s～25m/s变化。

构建网络的主要参数配置如表2所示。

表2　各层主要参数

在对协议分析的过程中,主要以下列性能指标进行对比评估:

1) 平均端到端时延。端到端时延包括路由寻找期间缓存时延、接口队列排队时延、MAC层重传时延、分组空中传播时延等所有可能的时延之和。平均端到端时延反映了路由协议的有效性,与此相关的指标为时延抖动。

(1)

2) 分组投递率。定义为交付到目的节点的数据分组数量与CBR源节点产生的数据分组数量的比值。投递率越大,说明丢失的分组越少,路由协议性能越好,另一个与此相关的指标是目的节点的吞吐量。

(2)

其中Pdr表示分组投递率,Pr表示目的节点接收到的分组数量,Ps表示源节点产生的分组数量。

通过C#编程利用StreamReader函数、正则表达式实现对生成的.stat文件(包含实验数据)中重要数值的提取,计算之后通过Matlab绘制图像如下。

如图2所示,对比几种协议,DSR协议的平均端到端的时延在84.6ms,AODV协议的平均端到端的时延在73.2ms左右,LAR协议的平均端到端的时延在173ms左右,FSR协议的平均端到端的时延在98.6ms左右。随着速度的变大,平均端到端的时延都在逐渐增大。通过对比可以明显看出,在平均端到端的时延方面LAR的性能最差。

图2　平均端到端时延

图3　平均抖动

抖动是指分组延迟的变化程度。如图3所示,DSR协议的平均抖动时间大概在167.6ms,AODV协议的平均抖动时间在72.2ms左右,LAR协议的平均抖动时间在247ms左右,FSR协议的平均抖动时间约为65ms。平均抖动数值越小表明协议收敛速度越快,协议的稳定性(即应对网络结构突然发生变化的能力)就越好。当链路层反馈机制判定某个链路断裂时,该链路就会被认为已经不能继续进行数据传输,通过该条链路传输的数据分组很有可能因为超时机制而被丢弃,当链路的断裂速度不断加大时,时延抖动也会随之明显增大,相对于其他协议LAR在平均抖动方面变化幅度要大得多。

图4　吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量[12]。从图中可以看到在0m/s～20m/s的区间内,DSR的吞吐量较大,并能够保持总体平稳,没有出现突然变化。随着速度的不断变大,FSR的吞吐量变化最快,迅速减少。

图5　分组投递率

从图5可以看到,当节点处于静止状态下,四种协议的分组投递率都在95%以上,其中DSR达到了最高,随着移动速度的不断加大,所有协议的分组投递率都开始明显下降,其中LAR和FSR总体下降较快,LAR下降快的原因在于要通过预测位置来维护转发范围,更新路由信息,速度太快很多信息来不及更新,导致数据分组不能顺利到达目的节点;FSR下降迅速是因为FSR是表驱动路由协议,需要采用更新路由表的方式进行路由维护,节点移动速度变快,使得节点间交换路由信息过于频繁,同样存在更新不及时的情况,在很大程度上影响了数据分组的投递。从结果中可以看到移动条件下,按需路由协议分组投递率要高于表驱动的路由协议。在相同条件下基于DSR的分组投递率要比基于LAR高。

5结语

从仿真试验结果可以看出各个协议在不同的移动速度的情况下,性能方面也存在一定差异。在相同条件下,AODV在平均端到端时延方面性能较优;抖动方面,FSR的性能较为稳定,但在吞吐量方面性能较差;在移动速度很高的情况下DSR也能工作的很好,较为可靠;LAR协议虽然能够较好地控制报文转发范围,但是对于拓扑的变化适应程度低,适合工作在节点以中低速度移动的网络。总体来说,先验式路由协议在数据传输速率上较快,但是不能对网络拓扑的变化作出快速反应,节点需要进行周期性的路由分组广播来维护路由表,开销较大;反应式路由协议开销低而且能够提供快速反应式服务,但是有时进行数据分组传输时相对于先验式路由协议时延较长,实时性存在不足。两种类型的路由协议都有自己的优点,同时又都存在不足,所以需要在混合协议上进行更为深入的研究。

参 考 文 献

[1] MAGNUS Frodigh, PER Johansson. Wireless Ad hoc networking——the art of networking without a net—work1[J]. EriCSSon Review,2000(4):248-262.

[2] 覃科,李志远.基于OPNET仿真平台的MANET路由协议性能研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报,2007(2):27-29.

[3] Istikmal. Analysis And Evaluation Optimization Dynamic Source Routing(DSR) Protocol in Mobile Adhoc Network Based on Ant Algorithm[J]. IEEE(ICoICT),2013:400-404.

[4] RFC 3561: Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing[S].

[5] 张鹏明,李洪烈,祝祥.一种改进的LAR(Location-Aided Routing)协议[J].电视技术,2013,37(11):132-135.

[6] 张棋飞,刘威,杨宗凯,等.基于位置信息的自适应Ad Hoc路由协议[J].计算机科学,2007(5):20-23.

[7] 常慧君,单洪.AdHoc路由协议LAR的性能分析与研究[J].微计算机应用,2009,30(3):20-24.

[8] 郭静.基于OPNET的AdHoc网络FSR路由协议的研究[J].现代导航,2013(3):216-220.

[9] http://www.qualnet.com.cn/publication.htm/userGuide.pdf[EB/OL].

[10] 潘小清,王晓喃.按需路由协议AODV与DSR的对比分析[J].常熟理工学院学报,2014,28(4):83-86.

[11] J. P. Macker, S. Corson. MANET: Routing Technology for Dynamic, Wireless Networking[C]//S. Basagni, eds. Proc. Mobile Ad hoc networking. New York: IEEE Press,2003:306-309.

[12] 谢希仁.计算机网络[M].第5版.北京:电子工业出版社,2008:105-108.

中图分类号TN915

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.024

作者简介:牛钊,男,硕士研究生,研究方向:无线通信。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月29日