Ad Hoc典型路由协议仿真实现与性能分析

刘峰

摘要摘要：对Ad Hoc中目的序列距离矢量协议（DSDV）、按需距离矢量路由协议（AODV）及动态源路由协议（DSR）进行理论分析和比较。在NS2平台上实现3种路由协议的仿真，讨论分组投递率、平均端到端时延和归一化路由开销3项性能指标。通过Tcl编程给出图示化结果，为不同应用环境下的路由选择提供思路。

关键词关键词：Ad Hoc网络；路由协议；平均端到端延时；NS2仿真

DOIDOI：10.11907/rjdk.161094

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）001014903

引言

Ad Hoc 网络[1]是一种多跳的无中心自组织网络，又被称为多跳网或自组网。整个网络没有固定的基础设施，网中的每个节点都是不定向运动的，并能够相互保持消息同步与信息交流，但是消息同步与路由需要网络协议的支持。目前，在Ad Hoc网络中，典型的路由协议主要有DSDV、AODV、DSR等3种，本文将通过在网络仿真平台上对3种协议进行实验来比较分析它们的使用场景和性能优劣[2]。

1Ad Hoc典型路由协议

者到达一个中间节点，但它要包含到目的节点的路径信息。然后该目的节点沿着这条路径的反方向反馈一个路由应答包，表明源节点发送的路由请求包已收到，这样就建立起一条从源节点到目的节点的一条路由信息。在找到路由源节点发送数据时，会存在路由过时的问题，需要通过包序列号来解决，通过辨识包序列号的大小来确认路由的有效性。一般将包序列号大的那条路径作为最新的路由，当包序列号相同时，一般选择经过节点少的那条路径作为最新路由，但也经常存在链路中断情况，这时源節点就需要重新启动路由发现过程。

1.3动态源路由协议DSR

DSR（Dynamic Source Routing）是一种基于源路由的反应式路由协议，其中主要包括路由发现和路由维护两个过程。路由发现过程主要如下：当源节点需要发送数据时，首先检查自身的路由缓存表，看是否有到目的节点尚未过期的路由信息，若存在则按该路由进行数据的传送；如没有，则需要向网络的周围广播一个路由请求包RREQ。在每个邻居节点收到该请求包时，首先会检查自身的路由表有无到该目的节点的路由信息，若有该节点则向源节点发送路由应答包RREP，其中包含从源节点到目的节点的路由信息；若没有，则依次向周围节点广播该数据包，直到目的节点收到，或直到目的节点路由的中间节点收到，至此路由发现过程完成。

正确建立路由后，源节点则按照此路由向目的节点传输数据，在数据传送中，还需要对已建立的路径进行维护和更新，当发现路由改变或中断时，需要源节点及时更新路由表或者重新寻找路由。反应式路由协议路由发现过程如图1所示。

2.1网络仿真工具NS2

NS[5] 是 Network Simulator的英文缩写，又称网络仿真器。NS2的2是指网络仿真平台的第二版，它本质上是一个离散事件驱动的模拟器，可以很好地模拟现实中的网络环境。目前已经验证FTP、Telnet、CBR等协议仿真的正确性和可靠性，整个仿真过程主要分为3个部分：改源码、Tcl脚本、分析处理结果[5]。

2.2实验环境搭建

NS2是在UNIX系统上开发的，因此可以在FreeBSD、SunOSc、UNIX和类UNIX系统上安装，在基于Windows平台的Cygwin环境中进行仿真。 Cygwin是一个在Windows平台上运行的模拟Linux环境，运行Cygwin后，会得到一个类似于Linux的Shell环境，还可以使用绝大部分Linux软件和功能，如Gcc、Make、Vim、Emacs等。实验在Windows + Cygwin + ns-allinone-2.34 环境下进行。

2.3仿真实验

通过流量模型和移动模型的仿真环境设置，本文主要选取以下场景的性能进行分析，节点的移动速度为：对50个节点进行仿真，节点随机分布在1000m x 800m 的矩形区域内，停留时间为1s，最大移动速度分别为 0m/s、5m/s、10m/s、15m/s、20m/s，仿真时间为300s，网络流量采用CBR 数据源产生，最大连接数 10，分组发送率为每秒2个数据包，采用UDP无连接协议，仿真实验参数如表1所示。

2.4结果分析

因为当节点的移动速度增大时，节点的频繁运动破坏了网络的连通性，造成节点间路由的中断，导致数据包不能被正确送达到目的地。其中，DSDV协议下的分组投递率随着节点移动速度增大下降最快，直到65%左右，这是由于DSDV是先验式的路由协议，需要主动发起路由发现过程，与网内其它节点实时交换路由信息，信息维护量较大，甚至不能及时更新路由表，导致分组被丢弃，造成DSDV的分组投递率低，所以DSDV不适合在网络拓扑快速变化的环境中使用。

从图3 可以看出，当节点移动速度增大时，3种协议的延时都有所增加，这是因为节点的频繁运动导致网络拓扑在不断变化，以致路由经常发生中断，节点需要一直广播路由更新包，增大了网络的路由开销，使分组的传输时间增大；而按需路由协议的节点需要重新发现路由，加大了分组的整体传输时间，故导致分组的平均端到端延时增加。其中，DSDV协议的平均时延在三者当中最小，这是由于DSDV协议的路由表中存在到达目的节点的路由，节省了发现路由的过程。因此， DSDV协议适用于延时要求较高的网络环境中。

从图4可以看出，3种协议的归一化路由开销有明显差别，DSR协议的路由开销最小，DSDV协议最大。DSDV协议是主动式路由协议，需要对网络链路的状态实时监测，及时维护和更新路由信息，需要大量广播路由控制消息，所以DSDV协议的网络开销最大，需要较高的维护成本。

综上所述，在分组投递率上反应式路由协议优于主动式协议，在网络环境较好的情况下甚至可达100%，在平均端到端时延上主动式路由协议DSDV有较大优势，在路由开销方面主动式的路由协议比被动式的开销要大。通过3种协议的仿真实验得出以下结论：①按需路由协议适合在网络拓扑快速变化的环境中使用；②DSDV由于具有时延较小的优势，故适合在实时业务中使用它；③在考虑到网络运行和维护的费用上，适合使用反应式的路由协议DSR和AODV。

3结语

本文主要对Ad Hoc网络中DSDV、AODV、DSR协议进行理论分析和比较，并在NS2平台上实现了3种路由的仿真，对其性能优劣作了分析，给出3种协议的适用场景。目前，尚不存在一种协议能够解决Ad Hoc 网络中遇到的所有问题。因此，应根据具体的网络环境选择最优路由解决方案，Ad Hoc网络中还存在安全、功率控制问题，这些均是后续研究的重点。

参考文献：

[1]郑少仁，王海涛，赵志峰等.Ad Hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]向明尚，陈素丽，刘延军等.NS2网络仿真平台的探讨与实现[J].大庆石油学院学报，2005，12（2）：8793.

[3]张远，郭虹，刘洛琨.DSDV 算法实现及其性能分析[J].移动通信，2004，17（800） ：1719.

[4]杨盘隆，郑少仁.Ad Hoc网络中的路由算法[J].军事通信技术，2001，22（4）：4953.

[5]徐雷鸣，庞博，赵耀.NS与网络模拟[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[6]海德伦，王克文，常永英.Gnuplot软件电力电子技术教学中的应用[J].华北水利水电学院学报，2006，27（4）：6971.