2011年1月 西安邮电学院学报 JarL 2011 第16卷第1期 JOURNAL OF XI’AN UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS Vo1.16 No.1
自组织网络按需路由协议的性能研究 张继荣,赵颜 (西安邮电学院通信与信息工程学院,陕西西安710121)
摘要:对按需路由协议AODV(Ad hoc on-demand distance vector)和DSR(Dynamic source routing)进行对比研究。 利用Opnet仿真平台对两种协议在不同场景下的性能进行仿真,结果表明,节点数较多时,AODV具有较低的丢包 率和时延,但路由开销比DSR要大。因此,AODV协议更适用于节点数较多的自组织网络。 关键词:自组织网 ;Opnet仿真;按需路由协议;源路由协议 中图分类号:TN914.4 文献标识码:A 文章编号:1007—3264{2011)01—0021—05
自组网(Ad hoc network)是由一组带有无线收 发装置的移动节点组成的一个临时多跳的自治系 统[1]。在该网络中,网络的拓扑、信道的环境、业务 的模式都是随节点的移动而动态改变的。由于无线 Ad hoc网络的出现为任意环境下的自由通信提供 了有效的解决方案,不但在军事领域得到了充分的 发展,而且在民用通信中也应用广泛。自组织网络 从产生至今一直得到了广泛的重视。目前自组织网 络已经与2.5G和3G移动通信进行了有效的结合, 而大规模宽带无线自适应自组织网络将会成为宽带 无线通信或未来移动通信的重要形式[2]。 在Ad hoc环境中,由于节点的无线通信覆盖范 围有限,两个无法直接通信的移动节点需要借助中 间节点进行分组转发以实现数据通信,因此该过程 需要路由协议进行分组转发决策[3]。但是由于Ad hoe网络节点的任意移动性,使常规路由在拓扑结 构变化时需要花很大的代价重新发现路由,而且协 议状态将始终处于不收敛状态,致使信息的传输无 法实现。所以开发良好的路由协议是建立Ad hoc 网络的首要问题,同时也是主要的研究热点和难 点。目前适用于Ad hoc网络的新协议一般以广播 或组播方式建立网络路由,核心是减少广播风暴,普 遍得到认可的代表性成果有DSclV、wRP、AODV、 DSR、TORA和ZRP等协议[3]。源头性的创新性研 究主要集中在2001年以前,后续的成果多为这些协 议的改进,不过,从实现的难度来看,这些协议离实 用性还有一定的距离。因此,文中对目前的研究热 点——按需路由协议AODV和DSR路由协议进行 了性能分析,使用Opnet仿真从多个角度分析比较 了两者性能之间的差异,从而得出两协议各自的适 用场景及作者对于AODV协议的下一步改进方向。
1 AODV和DSR协议的基本原理 按路由发现策略,自组网路由协议可分为主动 路由和按需路由两种类型[4]。主动路由的发现策略 与传统路由协议类似,节点通过周期性地广播路由 信息分组,交换路由信息,主动发现路由,同时,节点 维护去往全网所有节点的路由,主动路由主要有 GSR,DSDV,WRP等协议。按需路由协议是专门 针对移动Ad hoc环境提出来的。按需路由根据需 要来发起路由查找,当需要发送数据,路由表中又没 有有效的路由信息时,源节点才会向整网洪泛,寻找 目的节点。此时,拓扑结构和路由表内容是按需建 立的,它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分[5]。 按需路由协议在通信过程中维护路由,通信完毕后 便不再进行维护。这类协议包括AODV,DSR,TO— RA等。在此主要讨论不同网络节点数的场景中按 需路由协议DSR和AODV协议性能的优劣。
收稿日期:2010—11—3O 作者简介:张继荣(1963一),女,教授,博士,研究方向:宽带通信网,E-mail:comnet@xupL edtL cn;赵颜(1986一),女,硕士研究 生,研究方向:宽带通信网。 ・ 22・ 西安邮电 学院学报 2011年1月 1.1 DSR协议 DSR(Dynamic source routing)协议是最早采 用按需路由思想的路由协议[6]。它包括路由发现和 维护两个过程。当节点S向节点D发送数据时,它 首先检查缓存中是否存在到目的节点D的有效路 由。如果存在,则直接使用,否则启动路由建立过 程。具体过程如下:源节点S将使用洪泛法发送路 由请求分组RREQ,分组中包含源节点地址、目的 节点地址、唯一的标志号以及中间节点列表;中间节 点转发RREQ,并附上自己的节点标识;当RREQ 消息到达目的节点D或任何一个缓存有到目的节 点路由的中间节点时,节点D或该中间节点将向S 发送路由消息RREP,该消息中将包含节点S到D 的路由信息,同时反转节点S到D的路由供RREP 消息使用;节点S收到RREP后,路由建立过程结 束,通信可以开始。以上为路由发现过程。当网络 拓扑结构发生变化时,通过路由维护过程删除失效 路由,重新发起路由请求过程。路由维护通常依靠 底层提供的链路失效检测机制进行触发。 DSR协议的特点是中间节点不用维护去往全 网所有节点的路由信息,而且可以避免出现路由 环路 。 l_2 A0DV协议 AODV(Ad hoc on-demand distance vector)协 议是在DSDV(Destination-sequenced distance vec— tor)协议基础上结合类似DSR中的按需路由机制 进行改进后提出的,它采用了DSDV中的序列号概 念和DSR中的路由发现及路由维护过程[7]。不同 之处在于AODV采用了逐跳转发分组方式,而 DSR是源路由方式L8]。 AODV路由发现过程由节点发起,即当一个节 点需要给网络中另外一个节点传送信息时,首先以 广播的形式发出路由请求分组RREQ,其中记录着 发出的源节点和目的节点的地址,邻近节点收到 RREQ,首先判断其中的目的节点是否就是自己,如 果不是再在记录中查找是否有到目的节点的路由。 如果满足上边的任何一条就发出RREP给源节点。 如果不能满足就继续以广播的形式转发RREQ继 续查找[9]。对于每一条路由都对应着一个序列号, 当路由更新时,序列号也随着更新。AODV协议的 路由维护是通过定期的广播hello报文来实现的。 一旦发现某一个连接断开,节点就发送路由错误消 息RRER报文通知那些因连接断开而不可达的节 点删除相应的路由记录[1 。即如果某发起路由请 求的源节点移动了,它能够再次发起一个路由发现 过程,以找到到达目的节点的新路由。如果沿着路 由的某个节点移动了,在移动节点的“上游”邻节点 A注意到此节点的移动,A节点会传播一个链路断 开信息给A节点的每一个有效的“上游”节点,通知 他们删除路由表中的对应无效路由。这些邻节点依 次传播这个链路断开信息给“上游”节点,一直达到 源节点。源节点会再次发起路由发现过程。
2 Ad hoc路由协议仿真及分析 采用Opnet作为仿真平台,仿真实验的目的是 研究相同规模节点数不同的情况下DSR和A0DV 协议的性能。实验中搭建了两个规模为1000m× 1000m的校园网络,节点数分别为5和3O来进行测 试,节点是移动的,移动速度是5m/s。节点发送功 率为0.005W,信道带宽为2MHz,使用中等通信 量,MAC层使用IEEE802.11b协议,假设自由传播 空间不受地形因素的干扰。 性能指标:主要从路由发现时间、路由分组数、 平均端到端时延及成功接受的分组数四个角度出发 来分析两者的性能。 2.1路由发现时间分析 路由变化的收敛速度是衡量常规路由协议的关 键因素[1¨,但是对于Ad hoc网络来说路由协议是 不收敛的,因此选择路由发现时间作为衡量Ad hoe 路由协议的一个重要因素。 图1、2横坐标为时间轴,单位为min,表示仿真 时间;纵坐标单位为S,表示路由发现时间。如图1 所示,当节点数为5时,仿真开始,A0DV协议的发 现时间迅速下降,并在随后的时间内均低于DSR协 议。原因是仿真初期,AODV协议的中间节点没有 保存路由信息,因而路由发现时间较长,随着仿真的 进行,AODV路由发现时间低于DSR协议。由图2 可知,节点数增大到3O时,AODV协议和DSR协 议的路由发现时间均有增加,AODV协议的路由发 现时间大于DSR协议。但随着仿真时间的进行, AODV协议的路由发现时间急剧减少,并很快低于 DSR协议,而DSR协议的路由寻找时间随着仿真 时间的进行是不断增长的。说明对于节点数较多的 网络来说,AODV协议因为以洪泛的方式寻找路 由,需要一段稳定时间,但总体性能优于DSR协议。 对比图1可知,图2的路由发现时间普遍高于 图1,即随着节点数的增加,Ad hoe网络的路由寻找 需要更长的时间,因此当节点数增加到一定规模时, 第1期 张继荣,等:自组织网络按需路由协议的性能研究 ・23・ Ad hoe网络的路由发现时间将会增加到不能接受 的程度。仿真表明,节点数增加到100时,网络的路 由发现增加到了2s左右,对于实际的Ad hoc网络 来说,该路由发现时间导致的时延将使网络不能接 受,因此节点数较多的Ad hoe网络的该方面性能需 要改进。 图2 30个节点时的路由发现时间 2.2发送的路由分组数分析 DSR和AODV的路由寻找过程需要发送大量 的路由分组[1 ,其中包括路由请求分组RREQ,路 由应答分组RREP,路由中断分组RERR及AODV 协议路由维护阶段定期发送的hello分组等。在网 络通信量相同的情况下,路由分组的数目越多,说明 路由开销越大[1引。路由分组数目的大小,直接反映 路由协议开销的大小。因此,仿真中对路由分组数 进行了分析。 图3、4中纵坐标为发送的路由分组数,单位为 个。如图3,节点数为5时,AODV协议的路由请求 分组数低于DSR协议,原因是当节点数较少时,节 点之间一跳可以到达,AODV洪泛的方式能够更快 的找到目的节点,发送的分组也较少。由图4可知, 节点数为3O时,AODV和DSR协议的路由分组数 均急剧增加,其中AODV协议大于DSR协议。原 因是AODV协议以洪泛的方式转发路由分组,同时 AODV协议路由维护阶段定期发送的hello分组也 极大的增加了AODV协议的路由分组数。对比图 3、4可以看出,随着节点数的增加,AODV协议的路 由分组数呈几何方式增长,因此,AODV洪泛的方 式导致的开销过大是亟需解决的问题。
图4 3O节点时发送的路由分组数 2.3平均端到端时延分析 时延是可以定量衡量的重要网络特性之一[11]。 网络时延是指在计算机之间传送一位数据所花费的 时间。一个分组在网络中时延越小,说明网络的性