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Ad Hoc高動態(tài)路由協(xié)議仿真與研究*1

陳立1,楊瑞娟1,潘平俊2,黃美榮1

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢430019； 2.中國人民解放軍93534部隊，天津301716)

摘要：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種沒有固定設(shè)施的無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對路由協(xié)議的性能有著重要影響。研究了DSR，AODV和OLSR 3種傳統(tǒng)路由協(xié)議，以O(shè)PNET軟件為仿真工具，設(shè)計了空中飛行平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)背景的高動態(tài)仿真方案，采用隨機恒定速度移動模型(RCS)，使得仿真場景更加貼近高動態(tài)移動節(jié)點動態(tài)性能。通過比較網(wǎng)絡(luò)時延、歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量、路由負(fù)載和數(shù)據(jù)傳送成功率等參數(shù)，分析了它們的性能。仿真結(jié)果表明，OLSR協(xié)議的綜合性能優(yōu)于其他協(xié)議，更適合于節(jié)點高速移動且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，并為下一步研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空中飛行平臺；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；路由協(xié)議；OPNET仿真

0引言

在空中飛行平臺[1]網(wǎng)絡(luò)中，移動Ad Hoc[2](mobile Ad Hoc networks,MANET)[3]由于不需要基礎(chǔ)設(shè)施，各節(jié)點之間地位平等，都有參與路由選擇和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽梢远嗵鴮崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，網(wǎng)絡(luò)快速展開和組織，抗毀性和自愈能力強等特點成為適合數(shù)字化戰(zhàn)場通信組網(wǎng)的有利技術(shù)。美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，空中作戰(zhàn)平臺之間組成的通信網(wǎng)絡(luò)稱為空中網(wǎng)絡(luò)，是戰(zhàn)時空中通信系統(tǒng)的主要組成部分，是傳遞戰(zhàn)場實時態(tài)勢信息的重要手段，其最新的數(shù)據(jù)鏈TTNT(tactical targeting network technology)網(wǎng)絡(luò)采用Internet體系結(jié)構(gòu)，并采用Ad Hoc組網(wǎng)，使其成為戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，研究高動態(tài)條件下Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)是一項非常有意義的課題。

目前，移動自組網(wǎng)的研究主要集中在地面慢速環(huán)境中的地-地和地-空組網(wǎng)，空-空組網(wǎng)研究相對較少，機載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對高動態(tài)和諸如態(tài)勢感知等時敏信息的需求使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特別適于空中網(wǎng)絡(luò)通信。如何在高速動態(tài)變化的環(huán)境中，保障信息在網(wǎng)絡(luò)中的有效傳遞，是網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)的重要職責(zé)。為獲取高效的通信質(zhì)量，有必要對空中網(wǎng)絡(luò)路由策略提出更高的要求。本文對3種典型的自組網(wǎng)路由協(xié)議：DSR(dynamic source routing)，AODV(Ad Hoc on-demand distance vector routing)和OLSR(optimized link state routing)，通過仿真實驗比較其綜合性能，研究得出一種較為適合空中飛行平臺的通信網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，為下一步研究提供了依據(jù)。

1Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

按照路由建立方式的不同，對傳統(tǒng)的MANET路由協(xié)議可以分為：表驅(qū)動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。表驅(qū)動路由協(xié)議又稱作先應(yīng)式路由協(xié)議[4]，這類協(xié)議中每個節(jié)點維護一個到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點的路由表，OLSR協(xié)議是其典型代表。按需路由協(xié)議又稱作反應(yīng)式路由協(xié)議[5]，這類協(xié)議在源節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時才創(chuàng)建路由，DSR，AODV協(xié)議是其典型代表。

1.1OLSR協(xié)議

最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OLSR)[6]作為一種表驅(qū)動的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，多點中繼(multipoint relay，MPR)[7]是其核心技術(shù)。OLSR協(xié)議中，節(jié)點之間周期性地交互HELLO分組，實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)和無線鏈路檢測；再周期性的轉(zhuǎn)發(fā)TC分組，執(zhí)行MPR(multipoint relay)信息說明；通過分布式計算建立和更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，進(jìn)行路由計算。

1.2DSR協(xié)議

動態(tài)源路由協(xié)議(DSR)[8]是一種基于源路由的按需路由協(xié)議，由路由尋找和路由維護2個階段組成。DSR協(xié)議采用源路由緩存機制，節(jié)點發(fā)送信息時，先從緩存路由中查找路由信息，若存在到目的節(jié)點的路由信息，則發(fā)送消息，否則重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。

1.3AODV協(xié)議

Ad Hoc按需距離矢量路徑路由協(xié)議(AODV)[9]是一種基于距離矢量算法的按需路由協(xié)議，由路由建立和路由維護組成。當(dāng)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送時，源節(jié)點會廣播發(fā)送一個路由請求分組，由鄰近節(jié)點負(fù)責(zé)廣播，但丟棄收到的重復(fù)路由請求分組，直到到達(dá)目的節(jié)點或已有最新路由的中間節(jié)點。顯著特征是路由條目均被設(shè)定一個目的節(jié)點序列號，保證了中間節(jié)點只回應(yīng)最新的信息和避免了路由環(huán)路的產(chǎn)生。

2基于高動態(tài)條件下Ad Hoc路由協(xié)議仿真方案

2.1仿真工具

本文采用OPNET(optimized network engineering tools)[10]仿真軟件進(jìn)行仿真。OPNET作為一個大型的網(wǎng)絡(luò)通信仿真軟件包，采用層次化結(jié)構(gòu)的三層建模機制，與實際通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議一一對應(yīng)，為模擬通信網(wǎng)和分布式系統(tǒng)提供了詳細(xì)的支持，能夠全面地反映網(wǎng)絡(luò)特性。

2.2仿真場景與參數(shù)設(shè)置

使用OPNET14.5[11]網(wǎng)絡(luò)仿真軟件建立場景，業(yè)務(wù)配置為FTP(file transfer protocol)傳輸，Rx Group配置用來提高仿真速度，在Mobility配置中設(shè)置節(jié)點為移動型。采用隨機恒定速度移動模型(random constant speed mobile model，RCS)，在該模型條件下移動節(jié)點以恒定速度向目的地運動，避免了隨機路點模型運動過程中的平均移動速度逐漸下降的問題，使得其仿真結(jié)果更加貼近高動態(tài)移動節(jié)點的動態(tài)特性，更具有可行性。本文主要對2種不同的節(jié)點移動速度背景進(jìn)行了仿真，第1種是節(jié)點移動速度為100 m/s的網(wǎng)絡(luò)，第2種是節(jié)點移動速度為200 m/s的網(wǎng)絡(luò)，目的在于比較3種路由協(xié)議對高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)背景的適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

2.3性能評估參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)時延(network delay)：從發(fā)送端到接收端的平均時延。

歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量(normalized network throughput)：節(jié)點平均每秒收到包的比特數(shù)/網(wǎng)絡(luò)總帶寬。

路由負(fù)載(route load)：所有節(jié)點的更高層次的層提交到網(wǎng)絡(luò)層的總負(fù)載，即路由開銷，單位是bits/s。

數(shù)據(jù)傳送成功率(delivery ratio)：接收端接收的分組數(shù)/發(fā)送端發(fā)送的分組數(shù)。

3仿真結(jié)果與分析

3.1網(wǎng)絡(luò)時延

由圖1可知，在仿真實驗前200 s，AODV和OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時延優(yōu)于DSR路由協(xié)議，至仿真穩(wěn)定，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時延保持平穩(wěn)且相差不大，收斂迅速。

由圖2可知，當(dāng)節(jié)點移動速度增大為200 m/s時，3種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時延較圖1變大。在仿真實驗前200 s，AODV和OLSR路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時延明顯優(yōu)于DSR路由協(xié)議；在仿真穩(wěn)定后，OLSR協(xié)議相比于AODV和DSR，OLSR路由協(xié)議的時延最低，維持在0.001 s，突出了較好的時效性和收斂性。

在高速移動條件下，鏈路中斷可能頻繁發(fā)生，DSR協(xié)議在重建路由時，需要將鏈路狀態(tài)發(fā)回源節(jié)點，由源節(jié)點重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，帶來了很大的時間延遲。AODV協(xié)議利用路由表存放路徑，對每個目的節(jié)點只需把下一跳地址存放在路由表中，其逐跳轉(zhuǎn)發(fā)機制有效解決了時延的問題。而表驅(qū)動的OLSR路由更新機制始終進(jìn)行，各節(jié)點始終在維護一個完整的路由表，不產(chǎn)生額外的控制傳輸，在時延上也占有很大的優(yōu)勢。當(dāng)節(jié)點移動速度增大時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓觿×?，?dǎo)致時延變大。

圖1　節(jié)點移動速度為100 m/s的網(wǎng)絡(luò)時延Fig. 1　Network delay of the node movement　　　 speed to 100 m/s

圖2　節(jié)點移動速度為200 m/s的網(wǎng)絡(luò)時延Fig.2　Network delay of the node movement　　　speed to 200 m/s

3.2網(wǎng)絡(luò)吞吐量

從圖3，4可以發(fā)現(xiàn)，在仿真穩(wěn)定后，OLSR協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大，圖4比圖3的吞吐量減少。這是因為AODV協(xié)議傳送的分組中不需攜帶完整的路由信息，在路由緩存建立后不隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而更新。DSR無需維持到所有節(jié)點的路由信息，不存在路由環(huán)路，能節(jié)省帶寬。OLSR采用MPR，在泛洪過程中轉(zhuǎn)發(fā)控制消息，提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量的幅度。當(dāng)節(jié)點移動速度增大時，鏈路中斷嚴(yán)重，通信組網(wǎng)能力減弱，數(shù)據(jù)傳送部分失效，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量減少。

圖3　節(jié)點移動速度為100 m/s的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig.3　Normalized network throughput of the node　　　movement speed to 100 m/s

圖4　節(jié)點移動速度為200 m/s的歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量Fig.4　Normalized network throughput of the　　　node movement speed to 200 m/s

3.3路由負(fù)載

由圖5，6可以看出，隨著仿真時間的推進(jìn)，各路由協(xié)議的負(fù)載不斷增大，當(dāng)仿真穩(wěn)定后，OLSR協(xié)議的路由負(fù)載最高，AODV協(xié)議其次，DSR協(xié)議路由負(fù)載最小，且圖6中的網(wǎng)絡(luò)路由負(fù)載比圖5大。

這是由于OLSR協(xié)議作為表驅(qū)動路由協(xié)議，需要周期性地向全網(wǎng)廣播TC消息帶來了較大的路由開銷，在高速移動狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)迅速變化，網(wǎng)絡(luò)開銷會迅速增加。AODV的路由發(fā)現(xiàn)活動頻繁，在高機動的條件下，頻繁的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓沟霉?jié)點的狀態(tài)需要不斷更新，路由維護和重傳RREQ消息增多，RREQ消息占AODV協(xié)議很大的開銷成分，所以負(fù)載變得很高。DSR的緩存機制使得網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點將已知的路由信息緩存起來，允許節(jié)點監(jiān)聽分組，不用周期性地廣播路由信息，因而路由負(fù)載最小。當(dāng)節(jié)點節(jié)點移動速度增大時，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開銷增大，路由負(fù)載必然變大。

圖5　節(jié)點移動速度為100m/s的網(wǎng)絡(luò)路由負(fù)載Fig. 5　Network routing load of the node　　　movement speed to 100 m/s

圖6　節(jié)點移動速度為200m/s的網(wǎng)絡(luò)路由負(fù)載Fig.6　Network routing load of the node　　　movement speed to 200 m/s

3.4數(shù)據(jù)傳送成功率

當(dāng)仿真穩(wěn)定后，從圖7可知，當(dāng)節(jié)點移動速度較低時，OLSR協(xié)議的數(shù)據(jù)傳送成功率不到70%；圖8中，當(dāng)節(jié)點移動速度增大時，OLSR協(xié)議的數(shù)據(jù)傳送成功率不到60%，但綜合看來，該性能始終優(yōu)于DSR和AODV 2種路由協(xié)議。

由于OLSR協(xié)議采用多點中繼機制，有效縮減了網(wǎng)絡(luò)中廣播控制分組的數(shù)量和范圍，并且周期性地交換HELLO消息和泛洪TC消息，網(wǎng)絡(luò)擁塞程度降低，所以其數(shù)據(jù)傳送成功率更高。當(dāng)節(jié)點移動速度增大后，加劇了無線信道的競爭，對路由層的性能造成影響，數(shù)據(jù)傳送成功率降低。

圖7　節(jié)點移動速度為100 m/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送成功率Fig.7　Network data transfer success rate of the　　　node movement speed to 100 m/s

圖8　節(jié)點移動速度為200 m/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送成功率Fig.8　Network data transfer success rate of the　　　node movement speed to 200 m/s

4結(jié)束語

在空中飛行平臺Ad Hoc通信網(wǎng)絡(luò)中，由于飛行節(jié)點具有高速移動，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化等特性，傳統(tǒng)自組織路由協(xié)議并不十分實用，其路由算法幾近失效。本文適應(yīng)性地分析了幾種可用于空中網(wǎng)絡(luò)的自組織路由協(xié)議，通過仿真實驗，給出了性能指標(biāo)比較。特別是當(dāng)節(jié)點移動速度增大時，路由協(xié)議的各項性能參數(shù)都會產(chǎn)生下降，最后綜合得出OLSR路由協(xié)議穩(wěn)健性[12]較好，更適合作為高動態(tài)Ad Hoc路由技術(shù)的研究基礎(chǔ)，其仿真數(shù)據(jù)為下一步空中網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究的可行性提供了依據(jù)。

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Performance Analysis of High Dynamic Ad Hoc Routing Protocol Agreement

CHEN Li1, YANG Rui-juan1, PAN Ping-jun2, HUANG Mei-rong1

(1.Air Force Early Warning Academy,Hubei Wuhan 430019, China；2.PLA,No.93534 Troop, Tianjin 301716, China)

Abstract:Ad Hoc Network is a kind of wireless mobile self-organized network without fixed facilities. The structure of topology in dynamic changes has considerable effect on the performances of routing protocol agreement. The three traditional routing protocols DSR (dynamic source routing) and AODV (Ad Hoc on-demand distance vector routing) and OLSR (optimized link state routing) are studied. By taking the OPNET (optimized network engineering tools) software as simulation tool，an airborne platform network topology structure with background of high-dynamic simulated scheme is designed. The simulation scenario is more close to the high dynamic mobile node dynamic performance by using random constant speed mobile model (RCS), and their performances are analyzed by comparing the parameters such as network delay, normalized network throughput, route load and delivery ratio. Simulation shows that the comprehensive performances of the OLSR agreement transcend others and that it is more suitable for Ad Hoc network whose node moves fast and the structures of the network topology change frequently.

Key words:airborne platform; Ad Hoc network; routing protocol agreement; OPNET(optimized network engineering tools) simulation

中圖分類號：TP393;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0111-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.019

通信地址：672100云南省大理州祥云縣云南驛鎮(zhèn)95445部隊教導(dǎo)隊E-mail：262758291@qq.com

作者簡介：陳立(1990-)，男，湖北隨州人。碩士生，研究方向為現(xiàn)代通信技術(shù)及應(yīng)用。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(61271451)

*收稿日期：2014-05-08；修回日期：2014-09-02