大規(guī)模MANET路由協(xié)議SPDSR的仿真研究

郭一辰，陳 靖，羅 樵，陳桂茸

（空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安710077）

0 引 言

移動 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（mobile Ad hoc network，MANET）由一組無線移動節(jié)點組成，是一種沒有任何基礎(chǔ)設(shè)施、自組織、自愈的網(wǎng)絡(luò)［2］。及至目前，人們已經(jīng)提出了多達(dá)10～20種Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，經(jīng)典的路由協(xié)議有DSDV（destination－sequenced distance－vector routing）， AODV（Ad hoc on demand distance vector），DSR（dynamic source routing）等［3－4］。通過前期對這3種協(xié)議進(jìn)行的大量仿真實驗及對結(jié)果進(jìn)行的觀察分析可以看到，在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，DSR的綜合性能要優(yōu)于另外兩種協(xié)議，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大即網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)增加時，3種協(xié)議的性能均有明顯下降，其中以AODV和DSDV性能變化最為明顯。因此需要一種對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)具有良好支持的新型Ad Hoc路由協(xié)議。

本文所討論的一種新協(xié)議——SPDSR，是在 MANET路由協(xié)議領(lǐng)域，選擇主流反應(yīng)式路由協(xié)議之一的DSR作為研究對象建立起來的。這種新的路由模型在MANET物理拓?fù)浠A(chǔ)上構(gòu)建一層結(jié)構(gòu)化P2P覆蓋層網(wǎng)絡(luò)，將運行在邏輯命名空間的P2P覆蓋層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能與運行在物理命名空間的MANET路由協(xié)議無縫地結(jié)合起來，其目的是利用P2P計算模式對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)具有良好支持這一優(yōu)點，將其有效地應(yīng)用到無限自組織網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)中，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。本文設(shè)計實現(xiàn)了這一算法，并通過仿真實驗驗證了該算法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)越性能。

1 DSR協(xié)議和P2P技術(shù)

1.1 DSR協(xié)議

DSR協(xié)議是最早采用按需路由思想的路由協(xié)議［5］。其實現(xiàn)方式是中間節(jié)點不用維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點的路由信息。當(dāng)有分組需要發(fā)送并且本地路由表中沒有到目的節(jié)點的路由時，協(xié)議將啟動路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)算法，從而實現(xiàn)源節(jié)點和目的節(jié)點之間路徑的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。

DSR的優(yōu)點是中間節(jié)點不用維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點的路由信息，而且可以避免出現(xiàn)路由環(huán)路。它的缺點是每個數(shù)據(jù)分組都攜帶了路徑信息，造成協(xié)議開銷較大。而且也不適合網(wǎng)絡(luò)直徑大的自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性不強(qiáng)［6］。

1.2 P2P技術(shù)和Chord算法

目前三代主流P2P路由模型為集中目錄式P2P網(wǎng)絡(luò)路由模型（第一代P2P路由模型），非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由模型（第二代P2P路由模型）以及結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由模型（第三代P2P路由模型），其中研究最多應(yīng)用最廣的是結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由模型［7］。其模型中的每個節(jié)點通過存儲少量路由信息，實現(xiàn)源節(jié)點到目的節(jié)點間的消息路由功能。該模型取締了泛洪算法，有效減少節(jié)點消息發(fā)送數(shù)量，使P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性得到了增強(qiáng)。

Chord是最為典型的非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由模型［8］。在Chord模型中，系統(tǒng)通過哈希算法給網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點和資源分別賦予一個標(biāo)識符，這些標(biāo)識符按照一定的規(guī)則排列形成一個環(huán)（如圖1所示），環(huán)中每個節(jié)點具有其自己的路由表（在Chord中被稱為Finger table），并通過查詢該路由表進(jìn)行消息的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 Chord路由表結(jié)構(gòu)及消息轉(zhuǎn)發(fā)過程

1.3 結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)和 MANET路由技術(shù)的交叉研究

結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)與無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)具有相似之處，見表1。

通過觀察研究兩種網(wǎng)絡(luò)的相似性特征可以預(yù)測，根據(jù)P2P技術(shù)與MANET技術(shù)的切合點從而產(chǎn)生新的MANET路由協(xié)議是可行的研究方向。因此在兩個技術(shù)領(lǐng)域分別選擇Chord模型和DSR協(xié)議作為研究對象，為下文對新算法的研究實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

表1 結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)與無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)相似性比較

2 基于P2P計算模式的MANET路由協(xié)議：SPDSR

本節(jié)介紹一種基于P2P計算模式的新型MANET路由模型，在主流反應(yīng)式MANET路由協(xié)議DSR的基礎(chǔ)上，通過引入基于DHT的分布式命名機(jī)制、新型路由表以及一系列優(yōu)化策略，有效地建立起一個基于MANET架構(gòu)的完全分布式自組網(wǎng)路由協(xié)議——SPDSR。新路由模型實現(xiàn)了DSR和Chord算法的結(jié)合，并繼承了DSR所有動態(tài)特征和優(yōu)點。

2.1 SPDSR模型基本設(shè)計

與DSR一樣，SPDSR也是一個基于MANET的網(wǎng)絡(luò)層路由算法，消息的源節(jié)點及目的節(jié)點采用IP地址。不同的是，SPDSR為每個節(jié)點分配了唯一的節(jié)點身份標(biāo)識（Node Identifier，NID），這些NID都屬于同一個連續(xù)的哈希環(huán)域空間，通過在這個空間上運行P2P網(wǎng)絡(luò)路由算法，SPDSR有效實現(xiàn)了移動節(jié)點間的信息共享和消息通信。圖2描述了SPDSR的節(jié)點命名機(jī)制，其中圖2（a）描述了無線自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，圖2（b）顯示了圖2（a）中無線自組織網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)邏輯命名空間的哈希環(huán)域空間結(jié)構(gòu)。

2.2 SPDSR路由算法

2.2.1 SPDSR路由發(fā)現(xiàn)算法

SPDSR路由發(fā)現(xiàn)算法通過按需機(jī)制查找通往指定目標(biāo)節(jié)點的源路由，路由發(fā)現(xiàn)過程一般均由移動節(jié)點啟動的路由更新過程調(diào)用。不同于DSR的是［9］，SPDSR路由發(fā)現(xiàn)算法僅查詢每個移動節(jié)點指定路由表項對應(yīng)下一跳節(jié)點的源路由，并采用多跳路由的方式將路由消息經(jīng)過多個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點。SPDSR路由表（PRT，SPDSR Routing Table）的結(jié)構(gòu)如表2所示。

圖2 SPDSR節(jié)點命名機(jī)制

表2 SPDSR路由表結(jié)構(gòu)

在SPDSR路由算法中，每個路由表項負(fù)責(zé)所有NID屬于該路由表項對應(yīng)環(huán)域空間范圍（NRI）內(nèi)目標(biāo)節(jié)點的路由，無需像DSR一樣針對每個不同目標(biāo)節(jié)點的路由查詢消息進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，因此SPDSR下廣播機(jī)制造成的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)擔(dān)將大大減少。

2.2.2 SPDSR路由表查詢算法

SPDSR的路由表查詢算法是基于P2P計算模式的結(jié)構(gòu)化覆蓋層網(wǎng)絡(luò)路由查詢算法，其采用的路由表查詢機(jī)制與Chord算法的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制原理類似。在SPDSR中，每個節(jié)點的IP地址通過哈希雜湊運算獲得對應(yīng)的NID和KID，這兩個識別碼具有嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，因此只要目標(biāo)節(jié)點存在于網(wǎng)絡(luò)中，SPDSR就能通過消息在節(jié)點間的多跳轉(zhuǎn)發(fā)定位目標(biāo)節(jié)點。而這一多跳過程是通過每個節(jié)點的無線收發(fā)機(jī)在其信號傳輸范圍內(nèi)，與其它節(jié)點建立連接完成的。

2.2.3 SPDSR路由維護(hù)算法

（1）移動節(jié)點的加入（mobile node join）

在移動節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，SPDSR不對移動節(jié)點的路由表進(jìn)行初始化，而僅當(dāng)有某種消息路由需求時，才按需啟動路由表項發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實時構(gòu)建相應(yīng)路由表項。

（2）移動節(jié)點的退出（mobile node departure）

在SPDSR中，節(jié)點的退出可分為正常退出和異常退出。對于移動節(jié)點異常退出，系統(tǒng)將不采取任何動作；對于移動節(jié)點正常退出，系統(tǒng)將進(jìn)行以下動作：移動節(jié)點B首先向其后繼節(jié)點C和前繼節(jié)點A發(fā)送一個退出請求消息（QREQ），C和A接收到該消息后，將分別更新自己的前繼和后繼節(jié)點，從而使哈希環(huán)的完整性得到了保證。

2.3 SPDSR路由算法優(yōu)化策略

2.3.1 偵聽技術(shù)

DSR中一個重要的優(yōu)化策略是偵聽技術(shù)，即偵聽通過本節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組和路由響應(yīng)分組，從而獲取通往網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的路由信息。SPDSR繼承了這一優(yōu)化策略，但不同于DSR的是，SPDSR中的節(jié)點僅偵聽并提取通往本節(jié)點路由表項所對應(yīng)的下一跳節(jié)點的源路由信息，有效降低了路由更新和維護(hù)開銷［10］。

2.3.2 源路由檢測機(jī)制與phello協(xié)議

源路由檢測機(jī)制和phello協(xié)議是為了解決SPDSR中的繞路問題而引入的兩種優(yōu)化機(jī)制。源路由檢測機(jī)制的基本思想就是每個移動節(jié)點在發(fā)起一次路由查詢請求或轉(zhuǎn)發(fā)某個路由查詢消息時，應(yīng)首先通過判斷目標(biāo)節(jié)點是否存在于路由表項中某條源路由的中間節(jié)點之中，如果是，則從該源路由中提取通往目的節(jié)點的路由信息，并直接返回給路由查詢發(fā)起節(jié)點。

phello協(xié)議采用按需發(fā)送機(jī)制，僅當(dāng)某節(jié)點需要發(fā)起一次路由查詢請求或者轉(zhuǎn)發(fā)某個路由查詢消息時，才向其無線信號范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點發(fā)送hello消息以獲得相鄰節(jié)點的列表信息，其目的是降低phello協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)造成的路由開銷。

總之，通過一系列算法優(yōu)化策略的引入，進(jìn)一步提高了模型的路由性能，有效地建立起一個基于MANET架構(gòu)的完全分布式自組網(wǎng)路由協(xié)議。

3 基于NS－2的SPDSR的仿真

3.1 SPDSR協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)

SPDSR協(xié)議是在DSR協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合P2P計算模式建立起來的。其目的是通過Chord算法與DSR的結(jié)合，將P2P網(wǎng)絡(luò)路由算法的優(yōu)點有效移植到新型MANET路由協(xié)議之中。因此SPDSR在DSR中已有類的基礎(chǔ)上，添加了新的類，如圖3所示。

（1）用于存放運行時用到的常量的MyConst類；

（2）用于連續(xù)hash函數(shù)構(gòu)造的哈希構(gòu)造類Hash；

（3）用于維護(hù)全局Chord環(huán)節(jié)點的Chord環(huán)類Chord－Cycle；

（4）用于存放節(jié)點類信息的Chord環(huán)節(jié)點類Chord－Node；

圖3 SPDSR中添加的類及類之間的關(guān)系

（5）用于節(jié)點路由表維護(hù)和管理的節(jié)點管理類NIDManager；

（6）算法路由表PRTTable；

（7）存儲路由信息的路由表項類PRTEntry。

哈希構(gòu)造類Hash將節(jié)點的地址通過哈希運算映射成一個哈希環(huán)域空間結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)了移動節(jié)點間的信息共享和消息通信；類ChordNode用于存儲節(jié)點Id值和下一節(jié)點指針的信息，通過Chord環(huán)類ChordCycle對其信息的調(diào)用，實現(xiàn)了在Chord環(huán)中節(jié)點查詢，插入，刪除的功能，維護(hù)了全環(huán)節(jié)點的秩序；類NIDManager的功能是標(biāo)識節(jié)點NID和定位目標(biāo)節(jié)點NID，從而實現(xiàn)對節(jié)點路由表的維護(hù)和管理。

路由表項類PRTEntry包含NHID，路由表路徑的實際長度等信息，用于查看NHSR中是否包含到destId的節(jié)點路徑。一個節(jié)點的所有路由表項構(gòu)成這個節(jié)點的算法路由表PRTTable，加入這個類可以實現(xiàn)初始化PRTEntry，更新PRTEntry中的路由表路徑等功能。

3.2 NS－2分裂對象模型擴(kuò)展［11－12］

NS－2支持有線和無線網(wǎng)絡(luò)中的有關(guān)TCP、路由、多播等協(xié)議的模擬，且只支持4種主要自組網(wǎng)路由協(xié)議（DSDV、DSR、TORA和 AODV）。為了在NS－2中添加新協(xié)議，需要擴(kuò)展NS－2分裂對象模型，其步驟為：添加tcl的新協(xié)議類；添加新協(xié)議支持；新協(xié)議初始化。

對新協(xié)議做仿真實驗時，需要在仿真程序中添加對新協(xié)議支持。即在仿真程序中添加以下代碼：

3.2.1 添加tcl的新協(xié)議類

針對新算法SPDSR，需要添加tcl類SPDSRNode，并初始化參數(shù)。在類SPDSRNode中主要是對SPDSRAgent類功能的tcl封裝，具體包括：配置模擬環(huán)境參數(shù)、新算法的初始化方法、添加接口參數(shù)的設(shè)置、參數(shù)重置方法和初始化參數(shù)等過程。

3.2.2 ns－lib.tcl中添加新協(xié)議支持

ns－lib.tcl中定義的模擬器類Simulator在創(chuàng)建無線節(jié)點時調(diào)用了函數(shù)create－wireless－node，為了增加對新路由協(xié)議SPDSR的支持，需要增加SPDSR啟動入口（MYMself at 0.0"MYMnode start－spdsr"）、對SPDSR節(jié)點參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和綁定SPDSR節(jié)點代理類。

3.2.3 新協(xié)議初始化

在tcl/lib/ns－default.tcl中 添 加 對 SPDSR 初 始 值 的 設(shè)置，代碼如下：

4 實驗結(jié)果及分析

本實驗?zāi)M在1000＊1000m，節(jié)點移動速度1m/s，數(shù)據(jù)流類型為cbr的單兵場景中，節(jié)點規(guī)模變化（節(jié)點個數(shù)分別為50，70，100，200，300，400，500個）對分組投遞率，平均端到端延時，路由開銷，吞吐量這4個性能指標(biāo)的影響。通過對DSR和SPDSR這兩種路由協(xié)議性能的比較，論證SPDSR在大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢。

4.1 分組投遞率（packet delieve ratio，PDR）

如圖4所示，兩種協(xié)議的分組投遞率在中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中性能差別不大；當(dāng)節(jié)點個數(shù)增加即網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時，性能均有所下降。其中DSR在節(jié)點個數(shù)超過200個之后，其分組投遞率下降速度陡然加快，而SPDSR雖然也有下降趨勢，但下降速度比較緩慢。在200個節(jié)點以后隨著節(jié)點個數(shù)的繼續(xù)增加，SPDSR對DSR的優(yōu)勢更加明顯。因此在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，SPDSR在分組投遞率方面具有更為良好的表現(xiàn)。

圖4 分組投遞率性能比較

4.2 平均端到端延時（average end－to－end delay，AED）

圖5顯示隨著節(jié)點個數(shù)的增加，端到端延時整體呈上升趨勢。其中在中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，兩種協(xié)議的端到端延時較低且差別不大。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時，DSR的端到端延時陡然增加，而SPDSR的這一性能未發(fā)生很大波動，并且有下降的趨勢。這是由于新算法引入了源路由檢測機(jī)制、PHello協(xié)議以及鄰居節(jié)點表，解決了結(jié)構(gòu)化P2P覆蓋層網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)應(yīng)用到無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)過程中帶來的繞路問題，消息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)大大減少，從而降低了端到端延時［13］。

圖5 端到端延時性能比較

4.3 路由開銷（routload）

圖6顯示的是協(xié)議在路由開銷方面的表現(xiàn)。從圖中可以觀察到，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時，SPDSR的路由開銷明顯低于DSR，這是由于新協(xié)議將每個移動節(jié)點必須保存和維護(hù)的路由表項數(shù)控制為O（log（N））（N為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)），使它的路由存儲開銷，路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)開銷大大低于其他協(xié)議［14］。

圖6 路由開銷性能比較

4.4 吞吐量（thoughout）

從圖7中我們可以看到和前幾幅圖類似的情況，即在中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，SPDSR的吞吐量與DSR協(xié)議差別不大，而隨著節(jié)點個數(shù)增加，DSR的吞吐量明顯低于SPDSR，這充分體現(xiàn)了SPDSR在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中良好的通信性能。

5 結(jié)束語

圖7 吞吐量性能比較

本文介紹了一種基于P2P計算模式的新型MANET路由協(xié)議——SPDSR，并實現(xiàn)了其在NS2上的設(shè)計與仿真。通過觀察DSDV，AODV，DSR這3種協(xié)議在分組投遞率，端到端延時，第一個封包到達(dá)時間，路由開銷，吞吐量這5個指標(biāo)的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)DSR的整體性能要優(yōu)于另外兩種協(xié)議［15］，這充分說明選擇DSR作為研究對象并建立新的協(xié)議是具有實驗依據(jù)的，是在考慮了多種因素的前提下作出的正確選擇。通過大量實驗我們可以得出結(jié)論，即SPDSR在大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)中的幾個主要性能指標(biāo)要明顯優(yōu)于另外3種協(xié)議，這與SPDSR的原理相一致。新協(xié)議的這一特點增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，提升了網(wǎng)絡(luò)的實用性能?？傊?，SPDSR是一種極具開發(fā)潛力的新的路由協(xié)議，相信在今后不斷深入研究和實際應(yīng)用中將得到更好的發(fā)展和完善。

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