MANET中節(jié)點(diǎn)駐留時(shí)間對(duì)路由協(xié)議性能的影響

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(yùn)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(guò)計(jì)算機(jī)仿真方法建立仿真模型，配置網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，運(yùn)輸層分別使用TCP協(xié)議和UDP協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的分組投遞率和端到端時(shí)延等性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，UDP通信時(shí)，DSR具有更高的分組投遞率和更小的端到端時(shí)延;對(duì)于TCP傳輸而言，AODV比DSR和DSDV在分組投遞率和端到端時(shí)延方面更有優(yōu)勢(shì)。所得結(jié)果對(duì)特定場(chǎng)合下MANET選擇合適的路由協(xié)議具有指導(dǎo)意義，為進(jìn)一步改進(jìn)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(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信[1]。近些年，由于無(wú)線設(shè)備的大量使用，人們對(duì)MANET的興趣也迅速增長(zhǎng)。MANET組建容易，且其無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施特性對(duì)于現(xiàn)代多媒體系統(tǒng)通信具有極大的吸

引力[2]。

移動(dòng)自組網(wǎng)需要自主可靠的協(xié)議才能順利運(yùn)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(dòng)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(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)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(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化，所以路由協(xié)議對(duì)于其性能的影響較大[4]。

本文的目的是在移動(dòng)自組網(wǎng)運(yùn)行恒定比特率的FTP業(yè)務(wù)條件之下，評(píng)估分析AODV，DSR和DSDV三種路由協(xié)議的性能，探討MANET節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(dòng)模式的不同可以分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議[5]。

表驅(qū)動(dòng)類路由協(xié)議又被稱為先驗(yàn)式路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)事先計(jì)算好路由并儲(chǔ)存在路由信息表中，對(duì)路由表按固定周期進(jìn)行更新。

按需路由協(xié)議無(wú)需一直保存路由信息，只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)有通信需求時(shí)才會(huì)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(diǎn)掌握從它到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)完整的逐跳路由信息。路由信息儲(chǔ)存在節(jié)點(diǎn)的路由緩存中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)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(diǎn)僅對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)需實(shí)時(shí)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔6]。當(dāng)MANET中的源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送路由請(qǐng)求（RREQ）數(shù)據(jù)包，一旦節(jié)點(diǎn)收到后會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)到鄰居節(jié)點(diǎn)，直到找到目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)最終接收到此RREQ數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)返回一個(gè)RREP數(shù)據(jù)包到源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。如遇到路由中斷，則源節(jié)點(diǎn)將收到警報(bào)路由錯(cuò)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(jī)制的先驗(yàn)式路由算法，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期廣播路由更新。它相對(duì)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(wú)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(diǎn)及到節(jié)點(diǎn)的距離信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)周期性廣播來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的連通性[7]。

1.3 AODV協(xié)議

AODV是一種按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，它借鑒了DSDV和DSR的優(yōu)點(diǎn)，采用DSDV逐跳路由、順序編號(hào)和路由維護(hù)階段的周期更新機(jī)制與DSR協(xié)議類似的廣播式路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制。AODV只在需要時(shí)廣播路由信息，保持需要的路由，無(wú)需維護(hù)通信過(guò)程中未激活的節(jié)點(diǎn)路由，從而減少?gòu)V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(jiàn)表1所列。在仿真環(huán)境中運(yùn)行恒定比特率的FTP文件傳輸業(yè)務(wù)，場(chǎng)景面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和移動(dòng)速度固定不變，通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)移動(dòng)期間的駐留時(shí)間來(lái)觀測(cè)其對(duì)AODV，DSDV和DSR這三種路由器協(xié)議性能的影響。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）分組投遞率

分組投遞率（Packet Delivery Fraction，PDF）即目的節(jié)點(diǎn)收到分組數(shù)目與源節(jié)點(diǎn)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(jì)算見(jiàn)式（1）：

（1）

式中：r為目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù);n為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。

（2）端到端時(shí)延

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

（2）

式中：Tr表示目的節(jié)點(diǎn)分組接收時(shí)間;Ts表示源節(jié)點(diǎn)分組發(fā)送時(shí)間。

3 仿真結(jié)果

圖1所示為移動(dòng)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(shí)間的關(guān)系。由圖1可知，相比于TCP通信，采用UDP通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M投遞率較高。原因在于UDP無(wú)流量控制且在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中無(wú)需對(duì)方確認(rèn)。同時(shí)，由于UDP傳輸?shù)摹皢蜗蛱匦浴保词柜v留時(shí)間增加也不會(huì)影響分組投遞率。但是TCP通信的分組投遞率會(huì)隨著駐留時(shí)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(dòng)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(shí)間的關(guān)系。圖2顯示，使用UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(duì)來(lái)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(shí)間的增加并不會(huì)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(lái)。但在使用TCP方式傳輸時(shí)，駐留時(shí)間的增加會(huì)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(jī)制作用的結(jié)果，因?yàn)轳v留時(shí)間的增加造成了某些特定時(shí)間會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)聚集，從而產(chǎn)生擁塞。待擁塞控制機(jī)制激活后，將采取措施降低分組投遞的數(shù)量。對(duì)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(shí)間的關(guān)系如圖3所示。DSDV作為一種主動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議，可以保證路由在需要的時(shí)刻總是有效。當(dāng)駐留時(shí)間臨近150 s時(shí)，分組投遞率逐漸增高，原因在于DSDV不會(huì)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(shí)間增加時(shí)幾乎無(wú)變化。自組網(wǎng)采用DSDV作為路由協(xié)議時(shí)，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(shí)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(shí)延比TCP低很多，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中UDP數(shù)據(jù)無(wú)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(shí)間增加使得延時(shí)升高。圖5顯示自組網(wǎng)使用DSR協(xié)議時(shí)，UDP的端到端時(shí)延比TCP低，原因和前述情況一樣，且UDP的端到端延時(shí)未受駐留時(shí)間的影響。相反，TCP通信的延時(shí)隨著駐留時(shí)間的增加有明顯的起伏波動(dòng)。圖6顯示自組網(wǎng)使用DSDV協(xié)議時(shí)，UDP通信在端到端時(shí)延上的表現(xiàn)明顯比TCP更好且更穩(wěn)定。隨著駐留時(shí)間的增長(zhǎng)，TCP通信的時(shí)延平均來(lái)看是增長(zhǎng)的，原因在于從發(fā)送端到接收端的路由距離會(huì)比較頻繁地發(fā)生變動(dòng)。

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(shí)最短，這主要得益于DSR是一種源路由協(xié)議，目的節(jié)點(diǎn)在返回確認(rèn)信息時(shí)，無(wú)需重新計(jì)算反向路由，從而節(jié)約了時(shí)間。其余兩種路由協(xié)議，DSDV的延時(shí)略高于AODV延時(shí)，原因在于TCP協(xié)議的擁塞控制和流量控制措施會(huì)在DSDV的控制信息過(guò)載時(shí)限制源節(jié)點(diǎn)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(shí)延小且穩(wěn)定，是因?yàn)镈SDV是主動(dòng)式路由協(xié)議，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所需的路由已被事先計(jì)算好。相較而言，AODV和DSR協(xié)議的UDP業(yè)務(wù)時(shí)延比DSDV高，因?yàn)樗鼈儗儆诜磻?yīng)式路由協(xié)議，路由發(fā)現(xiàn)階段要耗費(fèi)一定的時(shí)間;而在這兩種路由協(xié)議中，DSR因?yàn)榫哂新酚删彺嫣匦裕运華ODV的時(shí)延小一些。

4 結(jié) 語(yǔ)

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

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作者簡(jiǎn)介：蔣華龍（1979—），男，河南南陽(yáng)人，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。