蔣華龍　陳怡冰　賈文超

摘 要：為了研究AODV，DSR和DSDV三種路由協(xié)議在MANET中運行恒定比特率FTP業(yè)務(wù)條件下的性能表現(xiàn)，使用NS仿真軟件通過計算機仿真方法建立仿真模型，配置網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，運輸層分別使用TCP協(xié)議和UDP協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)運行時的分組投遞率和端到端時延等性能指標(biāo)進行仿真分析。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，UDP通信時，DSR具有更高的分組投遞率和更小的端到端時延;對于TCP傳輸而言，AODV比DSR和DSDV在分組投遞率和端到端時延方面更有優(yōu)勢。所得結(jié)果對特定場合下MANET選擇合適的路由協(xié)議具有指導(dǎo)意義，為進一步改進路由協(xié)議提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MANET;路由協(xié)議;AODV;DSR;DSDV;仿真

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

移動自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是無需任何集中物理基礎(chǔ)設(shè)施的自組織網(wǎng)絡(luò)，組成網(wǎng)絡(luò)的多個節(jié)點之間可以互相通信[1]。近些年，由于無線設(shè)備的大量使用，人們對MANET的興趣也迅速增長。MANET組建容易，且其無基礎(chǔ)設(shè)施特性對于現(xiàn)代多媒體系統(tǒng)通信具有極大的吸

引力[2]。

移動自組網(wǎng)需要自主可靠的協(xié)議才能順利運行，由于它們集中的配置，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化[3]。移動自組網(wǎng)絡(luò)中必不可少的是路由協(xié)議，路由協(xié)議的主要目的是為數(shù)據(jù)傳輸確定路徑。高效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是保證自組網(wǎng)性能的關(guān)鍵。自組網(wǎng)的自組織特征使得它們更適合于按需網(wǎng)絡(luò)連接，例如發(fā)生自然災(zāi)害的搶險救災(zāi)場合、野外地區(qū)。

路由協(xié)議的作用是為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸選擇合適的路徑，由于移動自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，所以路由協(xié)議對于其性能的影響較大[4]。

本文的目的是在移動自組網(wǎng)運行恒定比特率的FTP業(yè)務(wù)條件之下，評估分析AODV，DSR和DSDV三種路由協(xié)議的性能，探討MANET節(jié)點的駐留時間變化時，網(wǎng)絡(luò)運行TCP和UDP業(yè)務(wù)的性能表現(xiàn)。

1 MANET典型路由協(xié)議

MANET的路由協(xié)議按照驅(qū)動模式的不同可以分為表驅(qū)動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議[5]。

表驅(qū)動類路由協(xié)議又被稱為先驗式路由協(xié)議，每個節(jié)點事先計算好路由并儲存在路由信息表中，對路由表按固定周期進行更新。

按需路由協(xié)議無需一直保存路由信息，只有當(dāng)節(jié)點有通信需求時才會按照需要建立路由[5]。

1.1 DSR協(xié)議

DSR協(xié)議是一種基于源路由方式的按需路由協(xié)議。源節(jié)點掌握從它到目標(biāo)節(jié)點完整的逐跳路由信息。路由信息儲存在節(jié)點的路由緩存中，發(fā)送數(shù)據(jù)時每個數(shù)據(jù)包的包頭中都包含完整的路由信息。所經(jīng)路徑的逐跳節(jié)點僅對數(shù)據(jù)包進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，無需實時維護網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔6]。當(dāng)MANET中的源節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送路由請求（RREQ）數(shù)據(jù)包，一旦節(jié)點收到后會將其轉(zhuǎn)發(fā)到鄰居節(jié)點，直到找到目的節(jié)點。當(dāng)目的節(jié)點最終接收到此RREQ數(shù)據(jù)包時，會返回一個RREP數(shù)據(jù)包到源節(jié)點進行確認(rèn)。如遇到路由中斷，則源節(jié)點將收到警報路由錯誤（RERR）數(shù)據(jù)包。

1.2 DSDV協(xié)議

DSDV是逐跳距離矢量路由協(xié)議，它是基于傳統(tǒng)Bellman-Ford路由選擇機制的先驗式路由算法，需要每個節(jié)點周期廣播路由更新。它相對傳統(tǒng)距離矢量協(xié)議的優(yōu)越性在于可保證網(wǎng)絡(luò)中無環(huán)路，在網(wǎng)絡(luò)中保存路由表。路由表中含有所有目的節(jié)點及到節(jié)點的距離信息，通過網(wǎng)絡(luò)周期性廣播來維持網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連通性[7]。

1.3 AODV協(xié)議

AODV是一種按需驅(qū)動路由協(xié)議，它借鑒了DSDV和DSR的優(yōu)點，采用DSDV逐跳路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制與DSR協(xié)議類似的廣播式路由發(fā)現(xiàn)機制。AODV只在需要時廣播路由信息，保持需要的路由，無需維護通信過程中未激活的節(jié)點路由，從而減少廣播量[8]。

2 仿真設(shè)置

2.1 仿真環(huán)境與參數(shù)

利用仿真軟件NS建立仿真環(huán)境，主要參數(shù)見表1所列。在仿真環(huán)境中運行恒定比特率的FTP文件傳輸業(yè)務(wù)，場景面積、節(jié)點數(shù)量和移動速度固定不變，通過調(diào)整節(jié)點移動期間的駐留時間來觀測其對AODV，DSDV和DSR這三種路由器協(xié)議性能的影響。

2.2 評價指標(biāo)

（1）分組投遞率

分組投遞率（Packet Delivery Fraction，PDF）即目的節(jié)點收到分組數(shù)目與源節(jié)點產(chǎn)生分組數(shù)目的比值[9]。該指標(biāo)表明了路由協(xié)議的有效性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的能力，反映了協(xié)議的完整性和正確性[10]。分組投遞率的計算見式（1）：

（1）

式中：r為目的節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包個數(shù);n為源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。

（2）端到端時延

端到端時延（End-to-End Delay，E2ED）表示分組從源節(jié)點發(fā)出到目的節(jié)點接收所經(jīng)歷的時間平均值，包括分組發(fā)送時延、路由查找時延、數(shù)據(jù)分組的排隊時延、分組處理時延、傳播時延等所有時延之和，它反映了路由協(xié)議的有效性。端到端時延的計算見式（2）：

（2）

式中：Tr表示目的節(jié)點分組接收時間;Ts表示源節(jié)點分組發(fā)送時間。

3 仿真結(jié)果

圖1所示為移動自組織網(wǎng)絡(luò)在使用AODV路由協(xié)議的情況下，其分組投遞率與駐留時間的關(guān)系。由圖1可知，相比于TCP通信，采用UDP通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M投遞率較高。原因在于UDP無流量控制且在傳輸數(shù)據(jù)過程中無需對方確認(rèn)。同時，由于UDP傳輸?shù)摹皢蜗蛱匦浴?，即使駐留時間增加也不會影響分組投遞率。但是TCP通信的分組投遞率會隨著駐留時間的增加而略微提高。仿真表明，在AODV路由協(xié)議下，UDP方式的分組投遞率約為99%，而TCP約為96%。

圖2所示為移動自組織網(wǎng)絡(luò)在使用DSR路由協(xié)議的情況下，其分組投遞率與駐留時間的關(guān)系。圖2顯示，使用UDP方式進行數(shù)據(jù)傳輸時，DSR路由協(xié)議可以為網(wǎng)絡(luò)提供較高的分組投遞率，相對來講，TCP方式傳輸?shù)姆纸M投遞率低得多。這是由于TCP協(xié)議使用了流量控制和擁塞控制造成的。駐留時間的增加并不會影響到DSR方式的UDP通信量，原因在于DSR自身具備緩存數(shù)據(jù)包的特性，可以把路由發(fā)現(xiàn)階段丟棄的包暫存起來。但在使用TCP方式傳輸時，駐留時間的增加會使得分組投遞率顯著下降。這種情況可能是由于TCP的擁塞控制機制作用的結(jié)果，因為駐留時間的增加造成了某些特定時間會有一些節(jié)點聚集，從而產(chǎn)生擁塞。待擁塞控制機制激活后，將采取措施降低分組投遞的數(shù)量。對于使用DSR協(xié)議的自組網(wǎng)而言，UDP方式的分組投遞率幾乎為100%，而TCP為60%～70%。

DSDV分組投遞率與駐留時間的關(guān)系如圖3所示。DSDV作為一種主動路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議，可以保證路由在需要的時刻總是有效。當(dāng)駐留時間臨近150 s時，分組投遞率逐漸增高，原因在于DSDV不會在路由發(fā)現(xiàn)階段丟棄數(shù)據(jù)包。而采用TCP通信的分組投遞率在駐留時間增加時幾乎無變化。自組網(wǎng)采用DSDV作為路由協(xié)議時，TCP通信的分組投遞率大約為95.5%，UDP通信的分組投遞率隨著駐留時間的改變先降低后升高，由97%降為95%，隨后升高至100%，平均約為96%。

圖4顯示自組網(wǎng)使用AODV協(xié)議的情況下，UDP的端到端時延比TCP低很多，因為數(shù)據(jù)傳輸過程中UDP數(shù)據(jù)無需等待確認(rèn)，而TCP需要確認(rèn)后才能繼續(xù)發(fā)送，駐留時間增加使得延時升高。圖5顯示自組網(wǎng)使用DSR協(xié)議時，UDP的端到端時延比TCP低，原因和前述情況一樣，且UDP的端到端延時未受駐留時間的影響。相反，TCP通信的延時隨著駐留時間的增加有明顯的起伏波動。圖6顯示自組網(wǎng)使用DSDV協(xié)議時，UDP通信在端到端時延上的表現(xiàn)明顯比TCP更好且更穩(wěn)定。隨著駐留時間的增長，TCP通信的時延平均來看是增長的，原因在于從發(fā)送端到接收端的路由距離會比較頻繁地發(fā)生變動。

綜合比較上述三種路由協(xié)議的仿真數(shù)據(jù)，多數(shù)情況下，DSR協(xié)議的TCP通信延時最短，這主要得益于DSR是一種源路由協(xié)議，目的節(jié)點在返回確認(rèn)信息時，無需重新計算反向路由，從而節(jié)約了時間。其余兩種路由協(xié)議，DSDV的延時略高于AODV延時，原因在于TCP協(xié)議的擁塞控制和流量控制措施會在DSDV的控制信息過載時限制源節(jié)點繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

DSDV協(xié)議的UDP通信時延小且穩(wěn)定，是因為DSDV是主動式路由協(xié)議，主機發(fā)送數(shù)據(jù)時所需的路由已被事先計算好。相較而言，AODV和DSR協(xié)議的UDP業(yè)務(wù)時延比DSDV高，因為它們屬于反應(yīng)式路由協(xié)議，路由發(fā)現(xiàn)階段要耗費一定的時間;而在這兩種路由協(xié)議中，DSR因為具有路由緩存特性，所以它比AODV的時延小一些。

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了不同駐留時間對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)利用UDP通信時，DSR具有更高的分組投遞率和更小的端到端時延。而對于TCP傳輸而言，AODV比DSR和DSDV在分組投遞率和端到端時延上表現(xiàn)更優(yōu)越。所得結(jié)果對特定場合下MANET選擇合適的路由協(xié)議具有指導(dǎo)意義，為進一步改進路由協(xié)議提供了參考。

參考文獻

[1]朱金華，于寧寧.無線自組織網(wǎng)絡(luò)AODV路由協(xié)議研究[J].微計算機信息，2007，23（18）：122-124.

[2] ARYA S，NIPUR N，ARYA C.Performance analysis of AODV，DSR and DYMO protocols using random waypoint mobility model in MANET [J]. International journal of computer applications，2013，67（19）：13-17.

[3]喬涵，劉哲，康齡泰.無線自組網(wǎng)在應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用

[J].自動化與儀器儀表，2018（4）：189-191.

[4]楊錦亞，郭虹，胡捍英.自組網(wǎng)路由協(xié)議性能比較[J].微計算機信息，2006（24）：196-198.

[5]齊衛(wèi)寧，于宏毅，欒玉潔.自組網(wǎng)路由協(xié)議綜述[J].計算機應(yīng)用，2005（3）：511-514.

[6]應(yīng)俊，吳哲夫，樂孜純.基于OPNET的DSR路由協(xié)議的性能分析[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2006，5（10）：67-70.

[7]國潤竹.面向無線MESH網(wǎng)絡(luò)的DSDV路由協(xié)議算法研究[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2016.

[8]吳晗星，付宇卓.無線自組網(wǎng)AODV路由協(xié)議的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2007（12）：149-150.

[9]卜飛飛，鄔春學(xué).一種針對AODV協(xié)議黑洞攻擊的檢測策略[J].計算機應(yīng)用與軟件，2015，32（5）：273-277.

[10] LIU S，YANG Y，WANG W. Research of AODV routing protocol for ad hoc networks [C]// ELSEVIER，and AASRI Conference on Parallel and Distributed Computing and Systems，2013.

作者簡介：蔣華龍（1979—），男，河南南陽人，碩士，主要研究方向為無線通信網(wǎng)絡(luò)。