基于NS2的AODV路由协议分析及仿真研究

张家钢 王海松 胡洛林

摘  要：在现代战争中地面通信指挥体系发挥了重要作用，通过学习分析其网系建设，一方面可以取长补短，另一方面可以分析其弱点和漏洞。该文首先指出战术互联网采用的典型路由协议的分类，分析了按需驱动路由协议在战场上的适用性;其次描述了AODV路由协议执行过程，指出该协议的特性及固有缺陷，为进行针对性的攻击研究提出方向;最后基于网络仿真软件NS2对移动Ad Hoc网络的AODV路由协议进行了仿真，通过仿真实验得出AODV路由协议存在TCP拥塞问题。

关键词：Ad Hoc;AODV;NS2;路由协议仿真

中图分类号：TP393       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）03-0052-03

Abstract：Ground communication command system plays an important role in modern war. By learning and analyzing its network construction，on the one hand，we can learn from each others strengths and make up for their weaknesses and loopholes. Firstly，this paper points out the classification of typical routing protocols used in tactical internet，analyzes the applicability of on-demand driven routing protocol in the battlefield;secondly，it describes the implementation process of AODV routing protocol，points out the characteristics and inherent defects of the protocol，and puts forward the direction for targeted attack research;finally，based on the network simulation software NS2，the AODV routing protocol of mobile Ad Hoc network is simulated. The simulation results show that there is TCP congestion in AODV routing protocol.

Keywords：Ad Hoc;AODV;NS2;routing protocol simulation

0  引  言

通过21世纪以来的几场局部战争可以看出，现代战争已经进入到数字化、网络化时代。以美国为代表的战争一方不断采用新的战争手段，为各国上演一场又一场的现代战争示范课。任何时代，战场上信息的重要性都不言而喻，现代战争更是如此。

移动Ad Hoc网络，即MANET，又称移动多跳网或移动对等网，可不借助任何中间网络设备，在有限范围内实现多个移动终端的临时互联互通。MANET作为一种网络互联技术，在战场上作用巨大。作战人员之间、装备之间、人员与装备之间需要在动态变化的状态下保持通联，以保障指挥畅通，其中应用最广泛之一的就是战术互联网。

1  MANET中路由协议的使用

由于战场环境中各任务分队的移动性导致网络拓扑动态变化，因此需要针对战场环境研究针对性解决方法。MANET涉及MAC层规范、网络层路由协议、QoS要求、功率控制、通信安全等技术。路由协议作为其中一个重要方面，研究成果较多，提出了一系列路由协议如AODV、DSDV、WRP、DSR、TORA和ZRP等。

路由协议有多种分类方法，按网络结构分为扁平、分层和基于地理信息的路由协议。扁平路由协议根据设计原理进一步分为先验式（表驱动）路由协议和反应式（按需分配）路由协议。先验式路由协议由于其先验性，每个节点都必须维护路由表，而通常网络中只有少数节点承担着数据分组的转发任务，因此浪费了宝贵的无线带宽资源。反应式路由协议只在需要通信时才发送路由请求分组，只需参与转发的节点维护部分网络拓扑信息，减少了内存的占用，节省了部分带宽。但在启动寻找路由的过程中，需把路由发现请求洪泛至整个网络，从而导致数据分组的传输产生一定的延时，因而按需驱动的路由协议不利于数据的实时传输。

一个健壮的路由协议应具备分散性、自组织、自修复等特点，并对无线频谱带宽限制有适应性，能利用多跳属性实现负载均衡。在中等网络规模下，反应式路由协议要比先验式路由协议在综合性能上有较大优势，其中AODV协议性能相对较高，比较适合在恶劣或灾难条件下使用。

2  AODV路由协议

AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector，AODV）协议是一种扁平式、反应式、距离矢量路由协议，只在需要传递信息时才发送路由请求，路由开销小，适应于快速变化的网络环境。

2.1  AODV协议机制

AODV路由协议工作过程包含路由发现和路由维护。路由发现：当源节点需要与某个目标节点通信时，先查询路由表，若没有所需路由，就广播路由请求（RREQ）报文。当一个节点收到该报文后，若它就是目标节点，或存在到达目标节点的路由，且其中的RREQ ID大于RREQ报文中的RREQ ID号，就向源节点单播返回一个路由应答（RREP）报文。若该节点没有目标路由，则洪泛该RREQ报文。路由维护包含三个方面的内容：通过Hello消息维护邻居关系;当路由中断时，尝试本地修复;若修复失败则通过RERR报文通知其他节点某個目标节点不可达。

2.2  AODV协议的特征

AODV协议的一个显著特点是它采用了DSDV协议中使用的序列号机制。该机制解决了距离矢量路由协议中存在的路由环路问题，RREP报文中的跳步数则可以准确地表示从原发方到目标节点的跳步数。

AODV路由协议被设计用于拥有数十个到上百个移动节点的Ad Hoc网络，可适应低速、中等速度，以及相对高速的移动速度的场景。当由于节点的移动或断开导致网络拓扑变化，该协议可以快速做出反应，达到新的稳定状态。通过仿真，AODV协议可以实现较高的吞吐量、分组递交率和信道带宽。

2.3  AODV协议的固有缺陷

从AODV协议中三类报文的详细规范看出，包括MANET中使用的其他协议，均是满足于正常尋址、建立路由、进行通信，安全方面的规范较少。这也正是该协议的脆弱性所在，即可以从各协议层面对其进行攻击，如篡改、冒充、伪造、黑洞、灰洞攻击等。

3  基于NS2的AODV协议仿真

3.1  NS2仿真软件简介

Network Simulator version 2（NS2）是源代码公开、免费的权威网络技术仿真平台。NS2由事件驱动，支持4种调度器：链表、堆、时间队列和实时。它可以仿真各种不同的IP网，目前可以仿真网络传输协议，如TCP和UDP;业务源流量产生器，如FTP、Telnet、Web CBR和VBR;路由协议，如AODV、DSDV、DSR等无线路由协议等。

3.2  仿真设置及结果分析

编写OTcl脚本，包含各类参数设置，如信道类型、无线传播模型、MAC类型、接口队列接收的最大包数量、节点个数、路由协议、场景尺寸、实例化Simulator对象、设置nam和trace文件、初始化场景尺寸、设定节点的运动范围、实例化信道、配置节点node-config文件、实例化节点并初始化节点位置。其中仿真数据流配置：采用两条FTP/TCP流传输数据，源节点分别为8和4，目标节点分别为2和1，其中8→2的数据流从0.02 s开始，4→1的数据流从0.25 s开始，均在3.00 s重点仿真分析8→2的数据流过程。

仿真过程：仿真开始时（0 s），节点间未交换路由信息，尚未建立路由表。0.02 s时，开启路由请求，节点8向节点2发送RREQ，如图1（c）和图2所示，由于是第一次进行路由请求，所有节点均没有到达节点2的路由，所以在0.09 s左右节点8收到来自目标节点2本身返回的RREQ。至此，路由建立，并开始发送数据。整个过程如图1（a）-（e）所示。各节点在路由请求的正向和逆向过程中所获取的各节点的路由均自行保存，直到有路由中断通告。图1（f）所示，在0.25 s，节点10阻塞，导致前后节点传输的数据流会出现丢包现象，也反映出需要解决实际传输中TCP的拥塞控制问题。

（a）发送RREQ

（b）泛洪RREQ

（c）返回RREP

（d）原路径返回RREP

（e）发送FTP数据

（f）产生拥塞

4  结  论

本文重点对MANET中采用的AODV路由协议进行了阐述，指出其特性及固有缺陷。同时对AODV协议进行了软件仿真，通过对仿真数据分析，反映出其在实际传输中TCP的拥塞控制问题。本文对通信场景进行了理想化设定，而在实际环境中存在无线频谱和信道容量有限使MANET带宽资源紧张、介质共享使网络存在冲突和竞争、路由协议如何保证传输有效性和安全性并降低路由信息代价等问题，这些问题还需进一步研究。

参考文献：

[1] 何绵禄，褚伟，刘辉舟.AODV路由协议的研究和改进 [J].计算机工程，2015，41（1）：110-114+120.

[2] 杨妮妮.基于NS2的AODV协议研究与改进 [D].西安：西安电子科技大学，2014.

[3] 张家钢，王海松，刘一利.基于NS2的针对AODV协议的Greyhole Attack仿真研究[J].现代信息科技，2019，3（5）：63-64+67.