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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.空軍預警學院，湖北 武漢430019； 2.中國人民解放軍93534部隊，天津301716)

摘要：Ad Hoc網絡是一種沒有固定設施的無線移動自組織網絡，動態(tài)變化的拓撲結構對路由協(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OPNET軟件為仿真工具，設計了空中飛行平臺網絡拓撲結構背景的高動態(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。通過比較網絡時延、歸一化網絡吞吐量、路由負載和數據傳送成功率等參數，分析了它們的性能。仿真結果表明，OLSR協(xié)議的綜合性能優(yōu)于其他協(xié)議，更適合于節(jié)點高速移動且網絡拓撲結構頻繁變化的Ad Hoc網絡，并為下一步研究打下基礎。

關鍵詞：空中飛行平臺；Ad Hoc網絡；路由協(xié)議；OPNET仿真

0引言

在空中飛行平臺[1]網絡中，移動Ad Hoc[2](mobile Ad Hoc networks,MANET)[3]由于不需要基礎設施，各節(jié)點之間地位平等，都有參與路由選擇和數據傳輸的功能，可以多跳實現遠距離通信，網絡快速展開和組織，抗毀性和自愈能力強等特點成為適合數字化戰(zhàn)場通信組網的有利技術。美軍戰(zhàn)術互聯(lián)網中，空中作戰(zhàn)平臺之間組成的通信網絡稱為空中網絡，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，其最新的數據鏈TTNT(tactical targeting network technology)網絡采用Internet體系結構，并采用Ad Hoc組網，使其成為戰(zhàn)術互聯(lián)網的關鍵技術之一。因此，研究高動態(tài)條件下Ad Hoc網絡路由技術是一項非常有意義的課題。

目前，移動自組網的研究主要集中在地面慢速環(huán)境中的地-地和地-空組網，空-空組網研究相對較少，機載網絡環(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網絡特別適于空中網絡通信。如何在高速動態(tài)變化的環(huán)境中，保障信息在網絡中的有效傳遞，是網絡層技術的重要職責。為獲取高效的通信質量，有必要對空中網絡路由策略提出更高的要求。本文對3種典型的自組網路由協(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絡路由協(xié)議，為下一步研究提供了依據。

1Ad Hoc網絡路由協(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：表驅動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。表驅動路由協(xié)議又稱作先應式路由協(xié)議[4]，這類協(xié)議中每個節(jié)點維護一個到達網絡中其他所有節(jié)點的路由表，OLSR協(xié)議是其典型代表。按需路由協(xié)議又稱作反應式路由協(xié)議[5]，這類協(xié)議在源節(jié)點有數據發(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。OLSR協(xié)議中，節(jié)點之間周期性地交互HELLO分組，實現鄰居發(fā)現和無線鏈路檢測；再周期性的轉發(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絡拓撲圖，進行路由計算。

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，否則重新進行路由發(fā)現。

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。當有數據包要發(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)點負責廣播，但丟棄收到的重復路由請求分組，直到到達目的節(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定一個目的節(jié)點序列號，保證了中間節(jié)點只回應最新的信息和避免了路由環(huán)路的產生。

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]仿真軟件進行仿真。OPNET作為一個大型的網絡通信仿真軟件包，采用層次化結構的三層建模機制，與實際通信網絡結構和協(xié)議一一對應，為模擬通信網和分布式系統(tǒng)提供了詳細的支持，能夠全面地反映網絡特性。

2.2仿真場景與參數設置

使用OPNET14.5[11]網絡仿真軟件建立場景，業(yè)務配置為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)點移動速度背景進行了仿真，第1種是節(jié)點移動速度為100 m/s的網絡，第2種是節(jié)點移動速度為200 m/s的網絡，目的在于比較3種路由協(xié)議對高動態(tài)網絡背景的適應性。網絡參數設置如表1所示。

表1　網絡參數設置

2.3性能評估參數

網絡時延(network delay)：從發(fā)送端到接收端的平均時延。

歸一化網絡吞吐量(normalized network throughput)：節(jié)點平均每秒收到包的比特數/網絡總帶寬。

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

數據傳送成功率(delivery ratio)：接收端接收的分組數/發(fā)送端發(fā)送的分組數。

3仿真結果與分析

3.1網絡時延

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

由圖2可知，當節(jié)點移動速度增大為200 m/s時，3種協(xié)議的網絡時延較圖1變大。在仿真實驗前200 s，AODV和OLSR路由協(xié)議的網絡時延明顯優(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，其逐跳轉發(fā)機制有效解決了時延的問題。而表驅動的OLSR路由更新機制始終進行，各節(jié)點始終在維護一個完整的路由表，不產生額外的控制傳輸，在時延上也占有很大的優(yōu)勢。當節(jié)點移動速度增大時，網絡拓撲變化更加劇烈，導致時延變大。

圖1　節(jié)點移動速度為100 m/s的網絡時延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的網絡時延Fig.2　Network delay of the node movement　　　speed to 200 m/s

3.2網絡吞吐量

從圖3，4可以發(fā)現，在仿真穩(wěn)定后，OLSR協(xié)議的網絡吞吐量最大，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絡拓撲結構的變化而更新。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，在泛洪過程中轉發(fā)控制消息，提升了網絡吞吐量的幅度。當節(jié)點移動速度增大時，鏈路中斷嚴重，通信組網能力減弱，數據傳送部分失效，導致網絡的吞吐量減少。

圖3　節(jié)點移動速度為100 m/s的歸一化網絡吞吐量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的歸一化網絡吞吐量Fig.4　Normalized network throughput of the　　　node movement speed to 200 m/s

3.3路由負載

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

這是由于OLSR協(xié)議作為表驅動路由協(xié)議，需要周期性地向全網廣播TC消息帶來了較大的路由開銷，在高速移動狀態(tài)下，網絡拓撲結構迅速變化，網絡開銷會迅速增加。AODV的路由發(fā)現活動頻繁，在高機動的條件下，頻繁的網絡拓撲變化使得節(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，所以負載變得很高。DSR的緩存機制使得網絡中的每個節(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，因而路由負載最小。當節(jié)點節(jié)點移動速度增大時，網絡業(yè)務開銷增大，路由負載必然變大。

圖5　節(jié)點移動速度為100m/s的網絡路由負載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的網絡路由負載Fig.6　Network routing load of the node　　　movement speed to 200 m/s

3.4數據傳送成功率

當仿真穩(wěn)定后，從圖7可知，當節(jié)點移動速度較低時，OLSR協(xié)議的數據傳送成功率不到70%；圖8中，當節(jié)點移動速度增大時，OLSR協(xié)議的數據傳送成功率不到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，有效縮減了網絡中廣播控制分組的數量和范圍，并且周期性地交換HELLO消息和泛洪TC消息，網絡擁塞程度降低，所以其數據傳送成功率更高。當節(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，數據傳送成功率降低。

圖7　節(jié)點移動速度為100 m/s的網絡數據傳送成功率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的網絡數據傳送成功率Fig.8　Network data transfer success rate of the　　　node movement speed to 200 m/s

4結束語

在空中飛行平臺Ad Hoc通信網絡中，由于飛行節(jié)點具有高速移動，網絡拓撲頻繁變化等特性，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。本文適應性地分析了幾種可用于空中網絡的自組織路由協(xié)議，通過仿真實驗，給出了性能指標比較。特別是當節(jié)點移動速度增大時，路由協(xié)議的各項性能參數都會產生下降，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路由技術的研究基礎，其仿真數據為下一步空中網絡路由技術研究的可行性提供了依據。

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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

文獻標志碼：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，研究方向為現代通信技術及應用。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61271451)

*收稿日期：2014-05-08；修回日期：2014-09-02