關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)定向/全向路由性能的研究

朱智勝

摘要：AdHoc網(wǎng)絡(luò)目前的發(fā)展速度很快，應(yīng)用前景廣泛，該文從組網(wǎng)模式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理策略等方面對(duì)該網(wǎng)絡(luò)展開研究，定性分析了AdHoc網(wǎng)絡(luò)的全向和定向路由性能，并在此基礎(chǔ)上利用Matlab仿真路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，對(duì)這兩種不同的路由機(jī)制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)結(jié)果的對(duì)比分析，討論了這兩種路由的性能差異，以期對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的發(fā)展起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：AdHoc網(wǎng)絡(luò)；路由性能；AODV

1概述

隨著無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展與不斷融合，誕生了許多新型的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，其中Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)就是具有代表性的一款靈活性高、組網(wǎng)快捷、可維護(hù)性好的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。其具有以下特點(diǎn)：

（1）快捷的接人方式。Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)非常靈活快捷的接入操作，甚至不需要考慮任何的先驗(yàn)信息；即使為了兼顧網(wǎng)絡(luò)的整體安全性，對(duì)節(jié)點(diǎn)的審核工作也僅僅局限在少量的規(guī)劃信息方面，并不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)接人造成明顯的影響。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。由于Ad Hoe內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)，并可隨時(shí)接人褪出網(wǎng)絡(luò)，因此造成了該類型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l率高、變化幅度大的額特點(diǎn)。對(duì)于這種動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，一般可采取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)管理策略來(lái)對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)的維護(hù)與調(diào)整。

（3）動(dòng)態(tài)多跳路由。在移動(dòng)Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)中并不存在具有主導(dǎo)地位的核心節(jié)點(diǎn)，而是將所有節(jié)點(diǎn)平等對(duì)待，各個(gè)節(jié)點(diǎn)既作為通信的發(fā)送或接收方，也作為中轉(zhuǎn)站點(diǎn)，起到路由器的功能。且由于信號(hào)功率相對(duì)較低，覆蓋范圍有限，因此數(shù)據(jù)的傳輸可能穿越多個(gè)節(jié)點(diǎn)方能完成，由此而導(dǎo)致了多跳路由這一特點(diǎn)。

由以上特點(diǎn)可以看出，移動(dòng)Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)靈活、多跳、自治的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但也正是由于這種特點(diǎn)，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性能易受到威脅這一弱點(diǎn)，必須通過(guò)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)交互網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉拍鼙Ｕ贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。而若采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中路由信息的交換方式則會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的數(shù)據(jù)通信量，無(wú)論從節(jié)約能耗的角度，還是保障有效吞吐量的角度來(lái)看都是不可行的，因此必須根據(jù)Ad Hoe的通信特征，以及該網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)制定合身的路由協(xié)議，提高網(wǎng)絡(luò)效能。

2Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類研究

截至目前，針對(duì)移動(dòng)Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)的分類方法已有多種，分類依據(jù)也各不相同，本文按照使用天線為準(zhǔn)則，將其劃分為全向路由和定向路由兩大類病分別進(jìn)行性能分析。

2.1全向路由協(xié)議

全向路由采用全向天線，其信號(hào)增益不會(huì)因?yàn)榉轿唤堑牟煌嬖诓町?，因此在?fù)雜環(huán)境中，該種通信方式可以獲得較好的通信效果，同時(shí)顯著地簡(jiǎn)化了路由檢測(cè)和維護(hù)工作。全向路由協(xié)議通常有以下兩種模式：

（1）主動(dòng)式路由協(xié)議（表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議），該協(xié)議要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生了拓?fù)渥兓瘯r(shí)向全網(wǎng)廣播具體變化的信息，而若超過(guò)其更新時(shí)間，也必須定期廣播其掌握的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒓跋嚓P(guān)的鏈路度量。這種主動(dòng)更新的方式可以較好的保持網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的同步性，并且收斂性能好，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變化可以做出較快的反應(yīng)。該模式的代表性協(xié)議是目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量協(xié)議。

（2）被動(dòng)式路由協(xié)議（按需路由協(xié)議）。與上一種協(xié)議相比，主動(dòng)式路由協(xié)議最大的不同之處就在于不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的變化進(jìn)行隨時(shí)更新，各個(gè)節(jié)點(diǎn)也不必要定期的交換大量的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，而是僅在通信發(fā)生時(shí)，由源節(jié)點(diǎn)觸發(fā)路由創(chuàng)建事件，從而查尋可到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，在此過(guò)程中，源節(jié)點(diǎn)采用洪泛方式將路由請(qǐng)求包發(fā)送到其鄰居節(jié)點(diǎn)，再由鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求包，直到獲得可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。在該條路由被確立之后，所包含的各個(gè)節(jié)點(diǎn)就需要對(duì)此路由進(jìn)行維護(hù)，以保障其在通信過(guò)程中的可靠性。在通信完成后，源節(jié)點(diǎn)釋放該調(diào)路由，各個(gè)節(jié)點(diǎn)就可將相關(guān)信息從緩存中清除。該模式在通信頻率較小，但單次通信量較大的應(yīng)用場(chǎng)合表現(xiàn)良好，有效提高了信道的有效利用率，大幅度減少了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量。其代表性的協(xié)議有動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議和按需距離矢量路由協(xié)議。

2.2定向路由協(xié)議

全向路由雖然在路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)方面具有優(yōu)勢(shì)，但同樣也存在傳輸容量較小、網(wǎng)絡(luò)安全性較低、抗干擾性較差的特點(diǎn)，因此近年來(lái)逐漸被定向路由所取代。定向路由采用定向天線，在大幅度提高了傳輸?shù)闹赶蛐缘耐瑫r(shí)，也有效控制了通信信號(hào)被檢測(cè)和干擾的概率，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和隱蔽性，另一方面，通過(guò)定向天線主辦變窄所帶來(lái)的信號(hào)增益，也有效提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。定向路由模式需要解決的首要問(wèn)題就是定向天線的控制與瞄準(zhǔn)，從而提高節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)路由的可能性，避免出現(xiàn)“隱藏”終端和“暴露”終端的現(xiàn)象。定向路由協(xié)議包括多種具體的應(yīng)用協(xié)議，其中較為常用的有以下兩種：

（1）動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（DDSR）.該路由協(xié)議結(jié)合了源路由協(xié)議的一些優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，并不會(huì)直接搜索可達(dá)目的地的路由，而是在自身維持的一張緩存表中查看以往的記錄信息，若發(fā)現(xiàn)保存有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由信息，則按照該路由的指引發(fā)起定向路由請(qǐng)求分組，后續(xù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均執(zhí)行類似的操作，最終到達(dá)目的地；若在緩存中無(wú)法找到相關(guān)信息，則啟用DMAC中的全網(wǎng)掃描搜索機(jī)制，去查找并確立到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，并將其記錄在緩存中，以備下次通信時(shí)使用。

（2）位置信息輔助按需距離矢量路由協(xié)議（DLAODV）。該路由協(xié)議利用定向天線的高傳輸能力以及位置信息所提供的穩(wěn)健信息建立定向路由。在建立通信的階段，若需要對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行搜索時(shí)，則采用AODV的按需路由發(fā)現(xiàn)方式來(lái)進(jìn)行全局掃描，并找到一條可用的路由，完成路由發(fā)現(xiàn)工作。而在經(jīng)過(guò)每一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，都充分利用定向天線高傳輸能力，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)操作，以保障下一跳節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)性，最大程度的縮短路由跳數(shù)，從而提高單位時(shí)間內(nèi)的通信效率。

3定向與全向路由協(xié)議性能比較

對(duì)工作于復(fù)雜多變環(huán)境下的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，雖然定向路由與全向路由所采用的原理與手段不盡相同，但均是為確保源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的互通、互聯(lián)，保障端到端消息可靠傳輸。對(duì)路由優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有多種，且根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而有所差異，但一般情況下最常用的指標(biāo)有路由獲取時(shí)延、路由開銷、功耗、平均跳數(shù)、吞吐量這五種。本文采用這五種指標(biāo)對(duì)全向路由與定向路由兩種協(xié)議進(jìn)行陸能方面的對(duì)比分析，結(jié)果如表1所示。

觀察表1可以發(fā)現(xiàn)，在路由獲取時(shí)延方面，表驅(qū)動(dòng)路由DSDV性能最佳，耗時(shí)最短，但這種路由方式的開銷較大，占用網(wǎng)絡(luò)資源較多，其余的全向路由與定向路由性能相當(dāng)；在路由開銷方面，除DSDV外，定向路由的開銷稍高于全向路由，但在平均條數(shù)方面，由于定向路由啟用了路由壓縮策略，因此其路由跳數(shù)普遍低于全向路由；在功耗方面，定向路由較為穩(wěn)定，而全向路由則隨著路由開銷的變化呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)；最后在吞吐量方面，定向路由由于得到了主辦變窄帶來(lái)的增益效果，因此網(wǎng)絡(luò)容量得到明顯提升，在單位時(shí)間內(nèi)傳輸完成的數(shù)據(jù)規(guī)模顯著高于全向路由，優(yōu)勢(shì)明顯。因此可以得出結(jié)論，當(dāng)全向天線與定向天線結(jié)合使用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)借助全向天線良好的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，將更加適用于復(fù)雜多變的應(yīng)用環(huán)境，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4定向與全向路由仿真分析

選用全向AODV路由協(xié)議以及結(jié)合貪婪轉(zhuǎn)發(fā)策略的AODV定向路由協(xié)議，借助于仿真工具分析定向路由與全向路由的不同，進(jìn)一步直觀印證定向路由的優(yōu)勢(shì)。

4.1仿真環(huán)境

本文在Intel Celeron CPU G540雙核（2.5GHz和2.49GHZ）、內(nèi)存2 GB的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境下，以MatlabR2009a為軟件環(huán)境，模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變換下全向與定向的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，形成全向和定向路由，進(jìn)行定性分析和比較。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置如表2所示。

4.2仿真結(jié)果與分析

選擇節(jié)點(diǎn)在初始狀態(tài)時(shí)呈正態(tài)分布，區(qū)域面積為600kmx600km，分別以16、32、50節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，路由發(fā)現(xiàn)結(jié)果如圖1中的（a）、（b）、（c）所示，圖中灰節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，黑節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)，虛線為全向路由，黑粗線為定向路由。

對(duì)以上三圖進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，由于借助了全向天線的路由發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，以及定向天線的功效增幅優(yōu)勢(shì)，使得該協(xié)議下的路由跳數(shù)得到了有效的縮減。由此可以得出結(jié)論，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，定向路由的平均跳數(shù)不超過(guò)全向路由的平均跳數(shù)，而結(jié)合全向淀向天線的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在路由選擇方面具有很大的靈活性。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)全向路由和定向路由的通信機(jī)制、協(xié)議特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這兩種協(xié)議各自的優(yōu)勢(shì)。并提出在實(shí)際組網(wǎng)工作中，可以嘗試將兩種模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果，充分發(fā)揮出Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的卓越性能，更好地為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及國(guó)防事業(yè)服務(wù)。