盧山，宋志群，周凌宇，劉倩楠

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍 96275 部隊，河南 洛陽 471003）

無線自組織網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議研究

盧山1，宋志群1，周凌宇2，劉倩楠1

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍 96275 部隊，河南 洛陽 471003）

路由協(xié)議是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化繁雜且不同路由協(xié)議有各自的優(yōu)缺點，因此，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇一直都是研究的熱點和難點。利用NS2軟件對按需距離矢量（AODV）路由協(xié)議和動態(tài)源（DSR）路由協(xié)議在節(jié)點數(shù)目和移動速度變化的條件下，對傳輸層平均時延、路由收斂時間、接收包數(shù)量、路由開銷和包投遞率等性能進行了評估。仿真結(jié)果表明，在節(jié)點數(shù)不大于20且節(jié)點移動速度不大于100 km／h的環(huán)境下，AODV路由協(xié)議的綜合性能優(yōu)于DSR路由協(xié)議。

無線自組織網(wǎng)絡(luò)；NS2；按需距離矢量路由協(xié)議；動態(tài)源路由協(xié)議

0 引言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)靈活性強、覆蓋范圍大、系統(tǒng)容量高且有著高效自組織能力［1，2］，可以適應(yīng)軍事通信面臨的復(fù)雜無線電環(huán)境，滿足即使沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施也能保證通信性能的要求，因此無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有誘人的潛在應(yīng)用前景。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的核心為路由算法，現(xiàn)存的路由協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點，如何針對特定的環(huán)境選擇合適的路由協(xié)議是值得研究的問題［3］。

現(xiàn)有的無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以分為2類：表驅(qū)動路由協(xié)議，又稱主動路由協(xié)議和源發(fā)起按需驅(qū)動路由協(xié)議，又稱按需路由協(xié)議［4］。目前，無線自組織網(wǎng)絡(luò)常采用按需路由協(xié)議［5］，它是只在有通信需求時才開始進行路由的建立。典型的按需路由協(xié)議有按需距離矢量（Ad Hoc On-demand Vector Routing，AODV）路由協(xié)議［6］和動態(tài)源（Dynamic Source Routing，DSR）路由協(xié)議［7］，本文主要針對這2種路由協(xié)議的選擇問題進行了分析。

1 無線自組織網(wǎng)絡(luò)源發(fā)起路由協(xié)議

1.1 AODV路由協(xié)議

AODV路由協(xié)議基本過程包含路由請求過程、路由應(yīng)答過程和路由維護過程，其顯著特點是在路由條目中引入了節(jié)點序列號［8，9］。

路由的請求過程通過路由請求RREQ分組進行。RREQ分組包含了源節(jié)點序列號和目的節(jié)點序列號，到達源節(jié)點的反向路由通過源節(jié)點序列號進行維護，到達目的節(jié)點的最新路由可以通過目的節(jié)點序列號顯示出來。RREQ分組最終將到達目的節(jié)點，或者到達具有目的節(jié)點的路由的中間節(jié)點。若這個中間節(jié)點的路由表中有到達目的節(jié)點的路由項，則通過比較RREQ分組中的目的節(jié)點序列號和路由表項里的目的節(jié)點序列號的大小來判斷RREQ分組中的路由是不是比較新的。

如果該節(jié)點具有到達目的節(jié)點的最新路徑，且該路由請求分組還沒有被處理，那么該節(jié)點將會沿著已經(jīng)建立好的反向路徑返回路由應(yīng)答分組。在路由應(yīng)答分組轉(zhuǎn)發(fā)至源節(jié)點的過程當中，每一個在這條路徑上的節(jié)點都將會創(chuàng)建到達目的節(jié)點的正向路徑，也就是要記錄下轉(zhuǎn)發(fā)該路由應(yīng)答分組的那個鄰居節(jié)點地址，然后更新已經(jīng)記錄下RREP分組中的目的節(jié)點的最新序列號和有關(guān)源路由與目的路由的定時器信息。

當鏈路中斷時，若斷路節(jié)點到目的節(jié)點的距離小于最大修復(fù)距離，則啟動本地修復(fù)過程，否則便重新向目的節(jié)點發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。

1.2 DSR路由協(xié)議

DSR路由協(xié)議是一個特別為多跳無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點所設(shè)計的簡單而有效的路由協(xié)議。在該協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都需要維護一個路由列表，每當發(fā)現(xiàn)新的路由時便更新這個列表。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每一個數(shù)據(jù)包的包頭都含有從源節(jié)點到目的節(jié)點路由所經(jīng)過的中間節(jié)點序列信息。此協(xié)議主要由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護2種機制組成［10，11］。

當源節(jié)點準備向目的節(jié)點發(fā)送一個消息包時，源節(jié)點會在該消息包的包頭中存儲一條源路由，源路由記錄了消息包從源節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點所需經(jīng)過的節(jié)點序列。通常情況下，源節(jié)點可以在路由緩存器中搜索到源路由。當路由緩存器中沒有可用的源路由時，源節(jié)點將會執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過程來動態(tài)地查找一條到達目的節(jié)點的新路由。

當目的節(jié)點需要向路由發(fā)現(xiàn)的源節(jié)點返回路由響應(yīng)消息時，目的節(jié)點就開始搜索自己的路由緩存器，查找一條可到達源節(jié)點的路由。如果路由緩存器中有可用的路由，目的節(jié)點就使用該路由，否則，目的節(jié)點就將路由信息表中的路由反轉(zhuǎn)使用。

當一個節(jié)點發(fā)送或是轉(zhuǎn)發(fā)一個消息包到目的節(jié)點時，路由維護將會檢測路由是否因為網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化而失效。這樣一來，當一個節(jié)點準備利用源路由發(fā)送一個消息包時，每個轉(zhuǎn)發(fā)該消息包的節(jié)點都必須檢查消息包是否按照源路由轉(zhuǎn)發(fā)到了下一跳節(jié)點，只有在收到下一跳的確認幀后，轉(zhuǎn)發(fā)該消息的節(jié)點才將消息包轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳，否則就返回一條路由出錯消息給發(fā)送消息包的源節(jié)點。當源節(jié)點收到該消息后會將這條失效的鏈路從路由緩存器中刪除，如果源節(jié)點的路由緩存器中還有可用的另一條路由則使用新的路由來轉(zhuǎn)發(fā)消息包，如果沒有則進行路由發(fā)現(xiàn)過程。

2 仿真與分析

2.1 仿真環(huán)境

本文的仿真場景如表1所示。

仿真主要考慮的影響因素為節(jié)點數(shù)目和節(jié)點移動速度［12］，主要性能指標為傳輸層平均時延、路由收斂時間、接收包數(shù)量、路由開銷和包投遞率［13］，其中傳輸層平均時延反映了數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點所需的時間；路由收斂時間反映了在路由發(fā)現(xiàn)過程中所消耗的時間；接收包數(shù)量為目的節(jié)點接收的數(shù)據(jù)包的總數(shù)；路由開銷為路由信息的字節(jié)數(shù)與有效信息的字節(jié)數(shù)的比值，反映了路由開銷的大??；包投遞率反映了成功投送的概率。在仿真過程中節(jié)點運動為隨機的，因此對每種影響因素計算了50個樣本，最后取平均值作為性能指標。

2.2 節(jié)點數(shù)目對性能的影響

本節(jié)對不同節(jié)點移動速度情況下節(jié)點數(shù)目對路由層協(xié)議性能的影響進行了仿真，此時節(jié)點移動速度分別取60 km／h和80 km／h，節(jié)點數(shù)目取值以2為間隔，從4增至20。

傳輸層平均時延與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，在2種不同的節(jié)點移動速度情況下，AODV路由協(xié)議的傳輸層時延均小于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的傳輸層時延，但隨著節(jié)點的增多，差距逐漸變小。

圖1 傳輸層平均時延與節(jié)點數(shù)目關(guān)系

路由收斂時間與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，在2種不同的節(jié)點移動速度情況下，AODV路由協(xié)議的路由收斂時間均小于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由收斂時間，且2種路由協(xié)議收斂時間隨著節(jié)點數(shù)目的增加而減小，這是因為節(jié)點的增加為路由的建立提供了更多的機會，從而使得路由建立時間變短。

圖2 路由收斂時間與節(jié)點數(shù)目關(guān)系

接收包數(shù)量與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在2種不同的節(jié)點移動速度情況下，AODV路由協(xié)議的接收包數(shù)量均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的接收包數(shù)量，且2種路由協(xié)議接收包數(shù)量隨著節(jié)點數(shù)目的增加而變大，這是因為節(jié)點的增加使得發(fā)送的數(shù)據(jù)變多，從而使得接收包數(shù)量變大。

圖3 接收包數(shù)量與節(jié)點數(shù)目關(guān)系

路由開銷與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，在2種不同的節(jié)點移動速度情況下，AODV路由協(xié)議的路由開銷均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由開銷，但差距不大。2種路由協(xié)議路由開銷隨著節(jié)點數(shù)目的增加而變大，這是因為節(jié)點的增加使得路由可選擇的路徑增多，從而使得路由開銷變大。

圖4 路由開銷與節(jié)點數(shù)目關(guān)系

包投遞率與節(jié)點數(shù)目的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，在節(jié)點數(shù)目較少時，AODV路由協(xié)議和DSR路由協(xié)議沒有很大的區(qū)別，隨著節(jié)點的增多，在2種不同的節(jié)點移動速度情況下，AODV路由協(xié)議的包投遞率均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的包投遞率。

圖5 包投遞率與節(jié)點數(shù)目關(guān)系

2.3 節(jié)點移動速度對性能的影響

本節(jié)對不同節(jié)點數(shù)目情況下節(jié)點移動速度對路由層協(xié)議性能的影響進行了仿真，此時節(jié)點數(shù)目分別取16和20，節(jié)點速度取值以5 km／h為間隔，從5 km／h增至100 km／h。

傳輸層平均時延與節(jié)點移動速度的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，在2種不同的節(jié)點數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的傳輸層時延均小于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的傳輸層時延。

圖6 傳輸層平均時延與節(jié)點移動速度關(guān)系

路由收斂時間與節(jié)點移動速度的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，在2種不同的節(jié)點數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的路由收斂時間和DSR路由協(xié)議的路由收斂時間隨著節(jié)點移動速度的變化沒有明顯的趨勢，表明了路由收斂時間受節(jié)點移動速度影響較小。

圖7 路由收斂時間與節(jié)點移動速度關(guān)系

接收包數(shù)量與節(jié)點移動速度的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，在2種不同的節(jié)點數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的接收包數(shù)量均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的接收包數(shù)量，且2種路由協(xié)議接收包數(shù)量隨著節(jié)點移動速度的增加而減小，這是因為節(jié)點移動速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較快，路由的發(fā)現(xiàn)過程變多，從而使得接收包數(shù)量變少。

圖8 接收包數(shù)量與節(jié)點移動速度關(guān)系

路由開銷與節(jié)點移動速度的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，在2種不同的節(jié)點數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的路由開銷均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的路由開銷，且隨著節(jié)點移動速度的增加，路由的開銷逐漸變大，這是因為節(jié)點移動速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較快，路由的發(fā)現(xiàn)過程變多，從而導(dǎo)致了路由開銷的增大。

圖9 路由開銷與節(jié)點移動速度關(guān)系

包投遞率與節(jié)點移動速度的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，在節(jié)點移動速度較低時，AODV路由協(xié)議和DSR路由協(xié)議沒有很大的區(qū)別，隨著節(jié)點移動速度的增加，在2種不同的節(jié)點數(shù)目情況下，AODV路由協(xié)議的包投遞率均大于對應(yīng)的DSR路由協(xié)議的包投遞率，且2種路由協(xié)議包投遞率隨著節(jié)點移動速度的增加而減小，這是因為節(jié)點移動速度的增加使得網(wǎng)絡(luò)拓撲變化較快，從而使得網(wǎng)絡(luò)更加不穩(wěn)定，投遞率減低。

圖10 包投遞率與節(jié)點移動速度關(guān)系

2.4 仿真結(jié)果分析

從上述仿真結(jié)果可以看出，AODV路由協(xié)議在傳輸層平均時延、路由收斂時間、接收包數(shù)量和包投遞率等性能上均優(yōu)于DSR路由協(xié)議。雖然AODV路由協(xié)議的路由開銷稍大于DSR路由協(xié)議的路由開銷，但相對有效信息，路由開銷只占很少的一部分，因此得出了在節(jié)點數(shù)目不大于20，節(jié)點移動速度不大于100 km／h時，AODV路由協(xié)議要優(yōu)于DSR路由協(xié)議的結(jié)論。

3 結(jié)束語

無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有著各自的優(yōu)缺點，如何針對具體的環(huán)境選擇合適的路由協(xié)議是值得研究的問題。本文對2種典型的按需路由協(xié)議利用NS2進行了仿真，得出了在文中環(huán)境下AODV路由協(xié)議優(yōu)于DSR路由協(xié)議的結(jié)論，為在類似環(huán)境下無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議選擇提供了參考。

［1］任 智.移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法及協(xié)議研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2005.

［2］馬明輝.無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2007.

［3］崔 宇.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

［4］曹英烈.移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2006.

［5］蘇 靜.移動Ad Hoc網(wǎng)中多信道AODV路由協(xié)議研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2005.

［6］RFC3561.Ad Hoc On-Demand Distance Vector（AODV）Routing［S］，2003.

［7］RFC4728.The Dynamic Source Routing Protocol（DSR）for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4［S］，2007.

［8］顏利平.Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中改進AODV路由協(xié)議的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［9］肖克江.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中AODV路由算法及相關(guān)問題的研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2011.

［10］吳 榮.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中DSR協(xié)議的仿真研究與性能改進［D］.成都：電子科技大學(xué)，2006.

［11］黃 林.基于無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)源路由協(xié)議的研究與實現(xiàn)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2010.

［12］姬文江.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議體系研究［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［13］王忠恒.移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中路由的研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2011.

Research on On-demand Routing of Wireless Ad Hoc Networks

LU Shan1，SONG Zhi-qun1，ZHOU Ling-yu2，LIU Qian-nan1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Unit 96275，PLA，Luoyang He’nan 471003，China）

Routing protocols are the foundation and key link of wireless ad hoc networks.Because the wireless ad hoc networks has complicated topology changes and different routing protocols have their advantages and disadvantages，the selection of wireless ad hoc networks routing protocol has always been one of the most written topics.This article simulates AODV and DSR routing protocols with NS2 under different conditions including different number of nodes and node mobility speed in order to evaluate the delay of transport layer，the route convergence time，the number of

packets，the routing cost and the ratio of packets received etc.Simulation results show that if the number of nodes is not more than 20 and the speed of nodes is not more than 100 km／h，the overall performance of AODV routing protocol is better than DSR routing protocol.

wireless ad hoc networks；NS2；AODV；DSR

TN911

A

1003－3106（2015）11－0005－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.02

盧 山，宋志群，周凌宇，等.無線自組織網(wǎng)絡(luò)按需路由協(xié)議研究［J］.無線電工程，2015，45（11）：5－8，20.

盧 山男，（1989—），在讀研究生。主要研究方向：無線通信路由協(xié)議。

2015-08-11

國家自然科學(xué)基金項目（61371068）。

宋志群男，（1963—），研究員。主要研究方向：無線通信。