经典路由协议在战场环境下的仿真与评测

张丽蓉++史贵林++张稳

摘要： 为了研究自组网在战术互联网中的应用，该文设计了一种战场环境下移动自组网的应用场景。根据设定好的具体参数配置，将几种比较常见的移动自组网路由协议进行了比较详细地仿真和评估，分析了节点的移动速度、路由跳数、天线覆盖范围以及网络带宽等因素对网络性能的影响，提出了适用于战场环境的移动自组网路由协议。

关键词：移动自组网；路由协议；跳数；覆盖范围；网络带宽

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0058-03

The Simulation and Evaluation of Classical Routing Protocols in Battlefield Environment

ZHANG Li-rong， SHI Gui-lin， ZHANG Wen

（North Automatic Control Technique Reserch Institute， Taiyuan 030006， China）

Abstract ： To study ad-hoc network in the application of tactical internet， this paper designs a application scene used in battlefield environment for Mobile Ad-hoc Network（MANET）. According to the set specific parameter configuration， this paper detailedly simulates and evaluates several common MANET routing protocols. Some factors that influence the performance of MANET such as node speed， route hop， coverage area and bandwidth are analyzed and summarized. At last， a MANET protocol that is suitable for battle environment is presented.

Key words ： MANET； routing protocols； route hop； coverage area； bandwidth

关于移动自组网的各种协议性能分析，人们进行了大量的研究工作[1]，但是仍然有很多亟待解决的问题，尤其是在战场环境下的移动自组网。由于在传统的无线电台中存在着带宽窄的问题，导致了网络数据传输率很低，而且无法保证视频和图像的正常传输。因此根据不同移动速度和带宽等战场环境因素，对路由选取显得至关重要，从而有利于提高战场环境中自组网通信性能。

1 平面结构的路由协议分类

1.1 表驱动路由协议

表驱动路由也称做先验式或主动式路由，其路由发现的策略：通过节点周期性地广播 HELLO 分组来交换路由信息，主动发现路由并且在本地维护一个全网路由表。常见的表驱动路由协议由DSDV[2]协议和FSR[3]协议。

1）DSDV协议

DSDV路由协议[4]是一个基于经典分布式的Bellman-Ford路由选择机制的主动路由协议，他在传统的距离矢量（Distance Vector， DV）算法的基础上引进了序列号机制，通过给每个路由设定序列号来区分新旧路由，从而避免了传统DV算法可能产生的环路问题。DSDV路由协议采用时间和事件驱动技术控制路由信息的传输，每个节点都在本地维护一张路由表，表中包括所有有效目的节点的地址、到达目的节点的度量值和目的节点路由序列号等信息。

2）FSR协议

FSR协议[5]是一个针对移动自组网环境开发的简单、有效的链路状态（Link State，LS）类型的主动路由协议。FSR协议对LS算法进行了改进，它不是将LS消息广播到整个网络中，而仅在邻居节点间交换LS消息。此外，FSR协议将“鱼眼”技术引入到传统的LS路由协议中，对于路由表中不同的记录采用不同的时间间隔交换LS消息，即对于较近的节点用较短的间隔交换LS消息，对于较远的节点用较长的间隔交换LS消息，这就降低了路由控制消息的传输频率，同时减少了路由控制消息的流量。

1.2 按需路由协议

按需路由协议也称为反应式路由协议，它不需要维护实时准确的全网路由消息，只需要在源节点有通信需求时，根据网络状态并利用事先设定的算法搜寻路由即可。目前常见的按需路由协议有： DSR[6]协议和AODV协议[7]。

1）DSR协议

DSR协议是一个基于源路由概念的典型的按需自适应协议，当源节点要向目的节点发送数据分组时，首先通过路由发现找到一条合适的路由，然后发送数据分组。所谓源路由，是指在每个数据分组的头部都携带有在到达目的节点之前必须经过的节点序列的列表，即每个数据分组的头部都包含由到达目的节点的整条路由信息。

2）AODV协议

AODV是一种专门针对移动自组网设计的典型按需路由协议，它建立在DSDV算法之上。实质上，AODV时DSR和DSDV的综合，它借用了DSR协议的基于按需路由发现和按需路由维护机制的基础程序，以及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。

2 战术移动自组网通信特点

战术移动自组网除了普通移动自组网共有的网络拓扑动态变化和无线传输带宽受限特点外，还具有以下自身的特点：

1）一般战场环境下，通信范围变化都比较大，通信链路距离往往较长，旅营级的通信覆盖范围在几十公里，而班排级的通信覆盖范围可能只有几十到几百米。

2）在战场环境下的移动自组网的网络带宽比较小，数据传输率较低。并且在新一代超短波电台的信道带宽也不超过几百kbps。

3 战场环境下的网络参数

在表1中，设置了战术移动自组网的基本通信网络参数，并在此基础上，根据应用的具体需求，同时对网络节点相关参数进行了适当的配置，通过详细的仿真评估与验证，发现提高系统传输能力的相关影响因素。

4 典型路由协议的仿真结果

4.1 节点天线覆盖范围5km 的仿真结果

1）带宽 32kbps

4.3 仿真分析

由上面仿真结果可以看出，当天线覆盖范围是5km 时，信道带宽为32kbps，各类协议的端到端延时很大，数据的分组递交率都比较小，各方面性能表现都比较差；而当信道带宽有所增加时，表驱动路由协议性能有明显提高，而按需路由AODV协议总体性能表现都比较好，有适应不同带宽条件的优势。另外，在不同节点移动速度情况下，各协议性能变化不是很大。

当天线覆盖范围是10km时，在带宽为32kbps比较小的情况下，各类协议的通信性能状况都比较差；随着带宽增加到128kbps之后，网络端到端时延得到显现改善，可以下降到毫秒级，分组递交率整体都有所提高。并且，节点移动速度的改变对各方面性能影响不大。

由上述仿真结果分析可知，在战场环境下移动自组网的场景中，节点选择不同的移动速度时，对于各类协议产生的影响不是很大；而当天线覆盖范围有所增大时，意味着路由跳数相应的减少，各类协议的性能表现改善状况比较明显。由此说明在战场环境中，天线覆盖范围（即路由跳数）的影响要超过节点移动速度的影响。

由仿真对比可知，表驱动路由协议DSDV协议性能要比FSR要有优势；而按需路由协议中AODV协议整体性能要比DSR协议要好。总体来看， AODV协议在所有协议中的性能相对表现最好，对于不同网络状况的适应性比较强。但是，当有比较大的带宽和天线覆盖范围的条件下，表驱动路由协议的性能提升非常明显，端到端时延和分组递交率均有所提高，有时可达到甚至超过按需路由协议的表现，可以说明，足够宽的信道资源和较大的天线覆盖范围可以激发出表驱动路由协议的性能优点。

5 结论

表驱动式路由协议节省了时间，而按需路由协议可弥补表驱动路由不够全面、可能过时的缺点。所以，战场环境下的自组织网络采用表驱动路由和按需路由相结合的方式。这种方式具有灵活多变性，并且在减小网络延时的同时提高了网络对各种带宽条件的适应性，满足了战场环境的复杂多变性及其对信息实时性的要求。

参考文献：

[1] 孟利民， 宋文波. 移动自组网路由协议研究[M]. 人民邮电出版社， 2012.

[2] PERKINS C E， BHAGWAT P. Highly dynamic destination sequenced distance vector routing （DSDV） for mobile computers[C]. The ACM SIGCOMM Conf. on Communications Architectures[C]. London， 1994.

[3] 郑相全. 无线自组网技术实用教程[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.

[4] 王婷. Ad hoc 路由协议性能评价[J]. 微电子学与计算机， 2008，25（4）： 112-115.

[5] G. Pei， M. Gerla and T.-W.Chen. Fisheye State Routing： A Routing Scheme for Ad Hoc Wireless Networks[C]. Proceedings of ICC 2000， New Orleans， Jun 2000.

[6] BROCH J， JOHNSON D B， MALTZ D A. The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[S]. Internet Draft （work in progress）， Carnegie Mellon University， 1999.draft-itef-manet-dsr-02. txt.

[7] PERKINS C， ROYER E M， DAS S R. Ad hoc on-demand distance vector （AODV） routing [EB/OL]. http：// www. ietf. Org/rfc/rfc3561.txt.