Ad-Hoc网络路由协议分析及改进∗

陈强伟 赵建华 杨雪芹

（1.西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）（2.西安邮电大学通信与信息工程学院 西安 710121）

Ad-Hoc网络路由协议分析及改进∗

陈强伟1赵建华1杨雪芹2

（1.西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）（2.西安邮电大学通信与信息工程学院 西安 710121）

由于Ad-Hoc网络是一种无中心、自组织、动态拓扑的网络，所以何种路由协议的使用，尤为关键。使用Qual⁃Net软件对自组网按需距离矢量路由（AODV）和目的节点序列距离矢量路由（DSDV）进行了仿真，并提出了MCCR是以AODV为基础进行改进的分布式路由算法。从平均端到端延时、抖动率、吞吐量以及丢包率四个网络性能指标，对路由协议进行了性能分析，并且设置了不同的节点数目、节点移动速度以及节点的包停留时间参数，分析比较了这些参数对路由协议性能的影响。实验结果表明在AODV路由协议优于DSDV路由协议，由AODV改进的MCCR协议的网络性能表现最佳。

Ad-Hoc网络；路由协议；QualNet；丢包率；MCCR

1 引言

Ad-Hoc网络是由一组无线接收装置和无线发送装置的移动节点组成的无线通信网络［1，3］，它没有依靠预先设置的基础的通信设施，而是短暂快速地自行建立组成通信网络。在通信网络中，各个移动的节点利用各自的无线收发装置进行交换信息，这样，就会使得网络中的每个移动节点都可以分享和享用信息。如果在两个移动节点的通信范围过大，不足以建立通信，可以通过网络中的其他移动节点的转发，进行一跳、两跳甚至多跳的建立网络通信，因此，Ad-Hoc网络是一种无中心、自组织、复杂的网络拓扑结构的动态网络。与传统的蜂窝移动通信等固定通信基站的中心控制设备相比，在一些特殊的通信环境条件下，如地震、山体滑坡等灾害，Ad-Hoc网络这种没有中心控制设备网络，就会提供临时快速的通信服务。

Ad-Hoc网络的一个重要的组成部分是路由协议，理想的Ad-Hoc网络的路由协议必须具备以下功能：1）维护网络拓扑的链接；2）快速地了解网络拓扑结构的变化；3）良好的自适应能力。

根据路由的驱动方式，可以把Ad-Hoc网络路由协议分成路由表驱动的路由协议（table drive routing protocol）和源节点触发的按需路由协议［1～5］（source initiated on demand routing protocol）。而其中，AODV是属于源节点触发的按需路由协议的一种协议，而DSDV是属于路由表驱动路由协议的经典协议的一种协议。

而在Ad-Hoc网络中选用何种路由协议，必须先要明白不同协议的作用，在不同的网络设置参数下，网络的性能如何变化。本文的路由协议是在QualNet的网络软件基础上进行实验仿真的，对端到端延迟，丢包率，抖动率以及吞吐量四个网络性能指标进行综合分析比较。

2 Ad-Hoc网络协议综述

2.1 DSDV路由协议综述

在Ad-Hoc网络中，目的节点序列距离矢量路由（DSDV）是对路由信息协议（RIP）的改进，DSDV［4，6］为 RIP 的每个路由表添加了一个新属性的序列号。新添加的序列号，即可以防止形成路由环路的情形，又可以区分新的路由信息。DSDV路由协议维持了从一个节点到其他节点的路由信息，即使路由表。路由表的内容包括了，从该目的节点接收到的序列号、到达目的节点的跳数以及路由的“下一跳”节点的地址。

DSDV路由协议更新路由表的方式：1）时间驱动的更新方式：这种更新方式是周期性的，是全部拓扑信息更新，它不仅可以让新加入的节点及时了解网络拓扑变化的信息，还可以对更新的内容，做出相应的改变。这种方式适用网络结构变化快的情况。2）事件驱动的更新方式（逐步更新），只有当路由发生变化时，才进行更新，这种更新方式及时反映出网络的拓扑变化，这种更新方式，适合在网络拓扑变化缓慢的情况下使用。

2.2 AODV路由协议综述

在对 DSDV 协议的了解后，AODV［3～5，13］不仅有DSDV协议的长处还有自己发展出来的优势，所以，AODV协议是DSDV协议为基础的，并接受了DSR协议的思想进行综合改进后得到的。在2003年7月，AODV协议正式被IETF MANET工作组纳入到自组网路由协议的RFc标准中。

AODV路由协议过程：首先，路由发现过程，当源节点想与其他节点通信，而它的路由表中，又没有相应的路由连接信息时，源节点通过向自己的邻居节点广播RREQ（Route Requests）分组，来发起一次路由发现过程。其次，正向路由的建立过程，由源节点发出的RREQ到达目的节点所建立的路由信息。而RREQ的内容有两个，一个是源节点序列号：保持到源节点的反向路由的特性；另一个是目的序列号：说明到目的节点的最新路由情况。再次，反向路由的建立过程，源节点以广播的方式将RREQ中转和转发到目的节点时，在经过每个中转节点时，都会自动建立与源节点的反向路由。还有，路由表的管理过程，每个节点的路由表中即源节点和目的节点的路由信息，又储存了其他必要的信息。最后，路由的维护过程，路由维护，顾名思义是维持保护修改的路由信息，依据RREQ中的信息内容的变化，得到一条最有效最优越的路由。

2.3MCCR路由协议综述

MCCR［11～12］是由 AODV 协议为基础改进而来，其路由协议的过程主要有两部分，和AODV协议一样，包括路由发现过程和路由维护过程。路由协议的主要开销来自于路由请求，其开销的形式有：RREQ信息包，RREP信息包，RERR信息包三中类型。MCCR中用MCCM来替代AODV中以跳数作为路由判断依据，以MCCR为路由判据的路由选择描述，从而达到改进路由协议的目的。

3 QualNet仿真环境

为了分析这三种路由协议对Ad-Hoc网络的影响，本文采用控制变量法来进行研究，通过改变参数来进行实验仿真，设置了是三个控制参数［1，3～4，8］：网络源节点数目、节点移动速度以及节点包停留时间。QualNet软件仿真中使用的参数如表1网络流量参数表、表2节点运动参数表、表3 Ad-Hoc网络参数属性所示。

在本次实验仿真中，为了清晰地反映两种协议对Ad-Hoc网络性能的影响，将用到四个网络性能指标，分别是网络的平均端到端的延时、丢包率、抖动率以及吞吐量［6］。

表1 网络流量参数

表2 节点运动参数

表3 Ad-Hoc网络的参数属性

1）平均端到端延时（average end-to-end de⁃lay-time）：端到端延时包括压缩包组和解压包组的延时，网络的排队时延、传播时延以及传输延时［7］，这里主要讨论的时网络传输延时。如图1所示的端到端传播示意图。

其中，i的范围是0—总发送的信息包数

2）丢包率（packet loss rate或drop packet rate）：在网络的数据传输的过程中，丢失的数据包的数量占总的发送数据包的比率。

3）抖动率（jitter rate）：抖动率是网络延迟的变化量，它是由同一应用的任意两个相邻数据包在传输路由中经过网络延迟而产生；

其中 DP(j)是数据包P（j）的延时，DP(i)是数据包P（i）的延时。

4）吞吐量（throughput）：单位时间内，节点发送和接收的数据量，常用单位b/s。

4 实验仿真结果

正如前文分析的，理想的Ad-Hoc网络路由协议，不仅要求平均端到端延时要小，还要求在数据传输过程较小的丢包率和抖动范围小的抖动率以及较高的网络吞吐量。

由于Ad-Hoc网络具有很强的偶然性和随机性，因此，对于每组参数中的每个性能指标都做了反复的实验，最后取各自的平均值作为描述每个性能指标的结果。

本次实验仿真结数据，是以节点2为源节点，节点1为目的节点为对象。对与每组参数的仿真结果，进行处理保存，得到了平均端到端延时、丢包率、抖动率以及吞吐量四个网络性能指标的数据。通过制图制表工具，绘制出了每组参数中的每个性能指标的结果数据图，并对数据图像结果进行分析。

1）网络性能指标-端到端的时延

如图2（a）所示，随着移动节点数目的增加，DS⁃DV路由协议对Ad-Hoc网络的端到端延时都是高低起伏的，而AODV和MCCR路由协议对Ad-Hoc网络的端到端延时处于平稳，低于DSDV的作用，且MCCR的影响要比AODV协议影响要小。如图2（b）所示，随着节点包停留时间增加，AODV和MC⁃CR的端到端时延曲线呈稳定增大趋势，而DSDV呈缓慢增加转至突然增大的趋势。如图2（c）所示，随着节点移动速度的增加，AODV和MCCR的端到端时延基本保持不变，且MCCR的影响作用小于AODV作用，而DSDV出现了先增大后减小的动荡趋势。这是因为AODV和MCCR的报文开销量小，在移动节点数目少的或流量负载高的情况下，端到端的时延较小；因为DSDV不能快速地适应网络拓扑的变化，在不同的移动节点数目、节点移动速度下，网络拓扑变化快速，所以端到端时延起伏很大。

2）网络性能指标-丢包率

如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示，不论是移动节点数目的增加，还是节点包停留时间的增加以及节点移动速度的增加，AODV和MCCR路由协议对网络影响的丢包率均低于DSDV对网络影响的丢包率，而且MCCR的对网络丢包率的影响小于AODV的影响作用。在网络结构拓扑稳定的时候，AODV和MCCR的丢包率接近于0，即AODV和MCCR的网络成功分组投递率接近100%。而对于不能快速适应网络拓扑变化的路由协议DSDV来说，网络丢包率就会增加，相应的网络成功分组投递率就降低了。

3）网络性能指标-抖动率

在这里主要比较了DSDV和AODV协议对Ad-Hoc网络的抖动率影响的测量与分析。

如图4（a）所示，在移动节点数目小于50的时候，AODV的抖动率的平稳性明显优于DSDV的抖动率的平稳性；在大于50时，两者的抖动率的平稳性都出现明显波动。如图4（b）所示，在节点包停留时间小于4是，AODV的抖动率的平稳性与DS⁃DV的抖动率的平稳性比较平稳，而大于4后，出现明显的波动。如图4（c）所示，在节点的移动速度为10m/s和大于50m/s时，DSDV的抖动率出现剧烈波动。而随着节点移动速度的增加，AODV的抖动率的平稳性保持在相对稳定的水平上。

4）网络性能指标-吞吐量

如图5（a）、图5（b）、图5（c）所示，在随着移动节点、节点包停留时间或节点的移动速度的增加是，AODV和MCCR对网络影响的节点吞吐量均大于DSDV的吞吐量，而且MCCR对网络作用的吞吐量大于AODV作用的影响。如图5（a）所示，三者吞吐量是减小趋势，这是随着网络中移动节点数目的增加，导致了网络结构拓扑复杂化，进而引起了吞吐量的下降。

5 结语

通过对大量数据的处理和分析可以得出，在不同参数条件下，对四种网络性能指标的分析，可以看出，在本次设置的仿真场景中，AODV路由协议对Ad-Hoc网络性能优于DSDV路由协议对Ad-Hoc网络性能，而且对于改进的MCCR路由协议也进行了相关的比较，结果表明：MCCR路由协议对Ad-Hoc网络起到更加优越的作用。

但是，随着Ad-Hoc网络的快速发展以及人们对更高质量网络的需求，就会导致网络拓扑结构更加复杂，网络拓扑的变化更加迅速，简单的一种网络路由协议就不能满足要求，所以，在接下来的工作中将进行进一步的研究和探索，不同协议的混合或探索出一种新型的协议来满足当前网络的拓扑变化，以便Ad-Hoc网络路由协议更加高效地应用于实时网络业务中。

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Analysis and Improvement of Ad-Hoc Network Routing Protocol

CHEN Qiangwei1ZHAO Jianhua1YANG Xueqin2
（1.School of Electronics Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）（2.School of Communications and Information Engineering，Xi'an University of Posts&Telecommunications，Xi'an 710121）

The Ad-Hoc network is a non-central，self-organizing，dynamic-topology network，so which kind of routing proto⁃col use is particularly critical.QualNet software is used to simulate the on-demand distance vector routing（AODV）and the destina⁃tion node sequence distance vector routing（DSDV），and MCCR is proposed to improve the distributed routing algorithm based on AODV.From the average end-to-end delay-time，jitter-rate，throughput and packet loss rate of the four network performance indi⁃cators，to analyze to the routing protocol performance ，and set a different number of nodes，node movement speed and node packet retention time parameters.The effect of these parameters on the performance of the protocols is analyzed and compared.The experi⁃mental results show that the AODV routing protocol is superior to the DSDV routing protocol，and the performance of the MCCR pro⁃tocol improved by AODV is the best.

Ad-Hoc network，routing protocol，qualnet，packet loss rate，MCCR

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.017

Class Number TP393

2017年5月17日，

2017年6月25日

陕西省工业科技攻关项目（编号：2015GY019）资助。

陈强伟，男，硕士研究生，研究方向：车载自组织网络系统，路由协议的研究。赵建华，男，副教授，硕士生导师，研究方向：信号处理与通信技术，电子技术应用。杨雪芹，女，讲师，研究方向：AD-Hoc网络，网络信息安全。