劉春茂, 侯奉含

基于MANET的多路徑路由協(xié)議分析與仿真

劉春茂1, 侯奉含2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，河南南陽(yáng)，473000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，河南南陽(yáng)，473000)

移動(dòng)自組網(wǎng)MANET是由許多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的無中心的、多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由于移動(dòng)和能量耗盡可能會(huì)使得路徑失效，因此傳統(tǒng)的單路徑協(xié)議效率并不高。本文介紹了自組網(wǎng)中最常用的AODV協(xié)議，重點(diǎn)對(duì)AOMDV多路徑路由協(xié)議的路由機(jī)制和維護(hù)管理進(jìn)行了探討。最后使用NS2仿真軟件對(duì)兩種協(xié)議進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在分組投遞率和端到端延時(shí)方面，AOMDV比AODV更具優(yōu)勢(shì)。

自組網(wǎng)；AODV協(xié)議；AOMDV協(xié)議；丟包率

0 引言

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)軍事領(lǐng)域、臨時(shí)會(huì)議，自然災(zāi)害處理、緊急通信等領(lǐng)域。

是一個(gè)多跳的、無中心、臨時(shí)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有無線收發(fā)功能，并同時(shí)充當(dāng)路由器和主機(jī)的角色。目前，移動(dòng)自組網(wǎng)通常采用的是TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，包括圖像，視頻，數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的通信。技術(shù)也日趨成熟，其研究的方向涉及信道接入控制、網(wǎng)絡(luò)分層、路由協(xié)議、安全防御、能量控制等。作為一種特殊的組網(wǎng)方式，無線自組網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、帶寬有限、節(jié)點(diǎn)能量有限、傳輸距離有限、生存周期較短等特點(diǎn)，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)快速高效的路由協(xié)議成為今年來研究人員主要研究的之一。

1 移動(dòng)自組網(wǎng)中常用的路由協(xié)議

MANET網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為先驗(yàn)式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議和混合式路由協(xié)議。先驗(yàn)式路由是一種主動(dòng)路由，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一張去往其他節(jié)點(diǎn)的路由表，并周期性的進(jìn)行更新，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)直接從路由表中選擇路徑，等待時(shí)間短，常見的協(xié)議有DSDV、WRP等；反應(yīng)式路由協(xié)議又叫做按需路由協(xié)議，在這種方式中，節(jié)點(diǎn)無需維護(hù)當(dāng)前的路由信息，只有當(dāng)數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才發(fā)起路由尋找過程，建立相關(guān)路由進(jìn)行通信，常用的路由協(xié)議有DSR、AODV等。相比先驗(yàn)式路由，反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷較小，但是因?yàn)榻⒙酚尚枰獣r(shí)間，因而傳送延時(shí)較大；混合式路由協(xié)議則同時(shí)融合了上述2種路由協(xié)議的機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中相鄰的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)集合，在集合內(nèi)部采用先驗(yàn)式路由，在集合之間采用反應(yīng)式路由，這樣減少路由建立過程中的開銷，常用的混合式路由協(xié)議有ZRP。

2 AODV協(xié)議

AODV協(xié)議結(jié)合了DSR協(xié)議和DSDV協(xié)議的特點(diǎn)，它是一種距離矢量路由協(xié)議，在使用該協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸采用逐跳方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張路由表，指示下一跳節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，每條路由均使用目的序列號(hào)來防止路由環(huán)路現(xiàn)象，當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化導(dǎo)致有新的路由創(chuàng)建時(shí)，該序列號(hào)加1。AODV協(xié)議的路由表結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 AODV路由表結(jié)構(gòu)

當(dāng)有數(shù)據(jù)需要傳輸而路由表中又沒有相關(guān)路由信息時(shí)候，源節(jié)點(diǎn)便發(fā)起路由建立過程，廣播路由請(qǐng)求報(bào)文分組RREQ，RREQ分組包含以下信息字段：＜源地址，目的地址，源序列號(hào)，目的序列號(hào)，跳數(shù)，廣播ID號(hào)>。目的序列號(hào)和源序列號(hào)都是單調(diào)遞增的，目的是為了防止路由環(huán)路和過期路由。中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，如果自己是目的節(jié)點(diǎn)，則回送路由響應(yīng)報(bào)文RREP，否則根據(jù)源地址和廣播ID判斷是否收到過該路由請(qǐng)求報(bào)文，如果是重復(fù)收到該請(qǐng)求分組，則丟棄，否則記錄相關(guān)信息，同時(shí)將跳數(shù)加1，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ分組直到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，選擇目的序列號(hào)最大的路由分組作為有效RREQ，并據(jù)此回復(fù)RREP給源節(jié)點(diǎn)，其他收到的RREQ則被丟棄。在回傳RREP的過程中，沿途中間節(jié)點(diǎn)都會(huì)建立到源節(jié)點(diǎn)的反向路徑，源節(jié)點(diǎn)據(jù)此就可以建立去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑。

由于AODV協(xié)議在建立路由的過程中同時(shí)建立了反向路由，需要信道滿足雙向傳輸?shù)囊?；并且在?jié)點(diǎn)的路由表中，只有一條到的目的節(jié)點(diǎn)的路徑，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡關(guān)閉或快速移動(dòng)出網(wǎng)絡(luò)范圍時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致該條路由失效，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)不得不重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，會(huì)增加業(yè)務(wù)的延時(shí)，此外，AODV協(xié)議沒有采取任何安全機(jī)制，路由的安全性也存在一定隱患。

3 AOMDV多路徑協(xié)議

在自組網(wǎng)中，使用AODV或DSR這類單路徑協(xié)議最大的弊端就是路由失效后，節(jié)點(diǎn)必須馬上啟動(dòng)路由重建過程，從而導(dǎo)致開銷增加，延時(shí)增大。在AODV協(xié)議路由上進(jìn)行修改，使其在一次路由尋找過程中能夠獲得多條去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這種改進(jìn)的協(xié)議即為AOMDV協(xié)議，它可以提供多條冗余路徑，只有當(dāng)所有去往目的節(jié)點(diǎn)的路徑都失效后，才會(huì)進(jìn)行新的路由尋找過程，這樣可以較好地改善單路徑路由協(xié)議的缺陷，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

在AODV路由協(xié)議中，目的節(jié)點(diǎn)通常只對(duì)第一個(gè)到達(dá)的RREQ分組作出回復(fù)，通過回送RREP建立一條路由，而隨后到達(dá)的RREQ則丟棄。與AODV協(xié)議不同，在使用AOMDV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)多個(gè)到達(dá)的RREQ查詢分組都作出應(yīng)答。通常目的節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)最先到達(dá)的查詢分組進(jìn)行應(yīng)答，其建建立的路徑作為主路徑，接下來依次選擇第二個(gè)、第三個(gè)、……最后到達(dá)的查詢分組進(jìn)行應(yīng)答，建立多條路徑則為備份路徑。

由文獻(xiàn)4可知，在使用AOMDV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，兩次路由建立的時(shí)間間隔T的概率密度函數(shù)可以用公式1表示：

上式中，λ表示為某條路由的壽命。設(shè)某一對(duì)通信節(jié)點(diǎn)之間有2條路由，主路由的跳數(shù)等于3，備份路徑的跳數(shù)為4，由概率密度函數(shù)可以計(jì)算得出T的數(shù)學(xué)期望E[T]，如公式2所示。

對(duì)于一條跳數(shù)為3的單路徑而言，其數(shù)學(xué)期望為L(zhǎng)/3，明顯小于采用2條路徑的均值，即表示多路徑重新發(fā)現(xiàn)路由的時(shí)間間隔更長(zhǎng)。

4 AODV和AOMDV性能仿真比較

本節(jié)我們?cè)谀M網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)AODV和AOMDV進(jìn)行性能比較，設(shè)網(wǎng)絡(luò)大小為500m*500m，有30個(gè)無線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，10個(gè)通信對(duì)；節(jié)點(diǎn)按照設(shè)定的速度隨機(jī)移動(dòng)，數(shù)據(jù)分組類型為CBR，大小為256B。仿真時(shí)間為250秒。

選取端到端平均時(shí)延，分組投遞率性能評(píng)估指標(biāo)，真結(jié)果如圖3所示。

圖3 AODV和AOMDV的分組投遞率比較

從圖3可以看出，AOMDV協(xié)議的分組投遞率高于AODV，尤其是節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度很快速的時(shí)候更為明顯，這是因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭×易兓?，?huì)使得主路徑失效，由于AODV沒有其他路徑可以代替?zhèn)鬏敚谛侣酚山⒅?，發(fā)送的數(shù)據(jù)在路徑斷裂處會(huì)被丟棄而，而在使用AOMDV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以切換到備份路徑繼續(xù)傳輸圖4分別是兩種協(xié)議的端到端平均延時(shí)比較仿真圖?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較大時(shí)，AOMDV的延時(shí)性能明顯優(yōu)于AODV。這是因?yàn)锳ODV沒有備用路徑，當(dāng)路由失效后，會(huì)等待新路由重新建立繼續(xù)重傳（或者在定時(shí)時(shí)間到后，如果新路由沒有建立，則直接丟棄），這個(gè)等待時(shí)間使得網(wǎng)絡(luò)延時(shí)增大。而AOMDV協(xié)議在主路由失效后，可以切換到備用路徑，切換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重建路由的時(shí)間，因此延時(shí)相對(duì)更小。

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)自組網(wǎng)無中心設(shè)施，組網(wǎng)靈活，節(jié)點(diǎn)間通信通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，本文主要闡述了對(duì)MANET網(wǎng)絡(luò)所采用的單路徑協(xié)議AODV進(jìn)行了分析說明，并對(duì)多路徑協(xié)議進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型分析，指明了多路徑協(xié)議AOMDV的優(yōu)勢(shì)，最后使用仿真軟件NS2進(jìn)行了比較了兩種路由的端到端延時(shí)和分組投遞率，并分析了原因。

[1] 于宏毅等．無線移動(dòng)自組織網(wǎng)． 人民郵電出版社，2005年4月, P266~286

[2] 袁培燕;張俊娜;李臘元;;基于能量模型的自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究[J];計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用;2006年28期

[3]鄭鋒;李臘元;高曄方;連進(jìn);;自組網(wǎng)QoS路由協(xié)議綜述[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2006年02期

[4] 陳林星等,自組織分組無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(第2版),電子工業(yè)出版社,2012年1月.

[5]謝世歡;郭偉;;實(shí)現(xiàn)Ad-hoc按需路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2006年03期

Analysis and Simulation of multi path routing protocol based on MANET

Liu Chunmao1,Hou Fenghan2
(1.Teaching Affairs Office，Henan Polytechnic Institute,Nanyang,Henan,China，473000；2.Department of Computing Engineering,Henan Polytechnic Institute,Nan yang,Henan,China，47300)

Mobile ad hoc network is a multi-hop,no center,self-organizing network,it is composed of many mobile nodes,due to the mobility and energy depletion of the nodes,it will lead to the path become failure in MANET,therefore,the efficiency of traditional single path protocol is not high and not suitable for MANET.This paper introduces a commonly protocol AODV used in MANET,focus on a multi routing protocol called AOMDV which developed from AODV,the rooting mechanism and maintenance management of AOMDV are discussed. Finally we simulate and compare these two protocols with NS-2 software,the results show that AOMDV has more advantage than AODV on packet delivery ratio and end-to-end delay.

ad hoc network;AODV protocol;AOMDV protocol;packet loss rate

圖4 AODV和AOMDV的端到端延時(shí)比較

劉春茂(1979－)，男，漢族，碩士生，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)與信息采集，程序設(shè)計(jì)，算法研究。

侯奉含(1983－)，女，漢族，碩士生，講師，主要研究領(lǐng)域計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。