移动Ad hoc网络ZRP路由协议的仿真分析﹡

沈亮光， 汪学明

（贵州大学 计算机科学与信息学院，贵州 贵阳550025）

0 引言

移动Ad Hoc网络由带有无线收发装置的移动节点组成，网络不设定固定中心且不依赖于固定基础设施；每个节点地位相等，可以自由移动；拓扑结构动态变化，具有多跳传输、自由流动、临时自治以及动态自组织等特点。每个节点不仅要具备终端主机操作的功能，运行各种应用程序以满足用户的需求；同时还需具有良好的路由功能，设定相关路由协议、传递数据包，完成路由转发和路由维护。Ad Hoc网络多跳传输特性以及拓扑动态性使得网络结构具有极高的移动变化性[1]。因此，对Ad Hoc网络路由协议的研究具有十分重要的意义。

目前，Ad hoc 路由协议主要可分为先验式路由协议、反应式路由协议以及可扩展的混合式路由协议。文中主要对区域路由协议ZRP进行研究，通过网络仿真工具NS2对该协议的分组投递率、路由开销及端对端时延进行仿真，并与Ad hoc典型路由协议DSDV和AODV协议进行比较分析。

1 典型的Ad hoc路由协议

1.1 表路由协议

表路由协议又称先验式路由协议，此类协议中每个节点都时刻维护着网络路由表，实时更新网络拓扑变化和路径信息。源节点发送数据时可立即查找到目的节点信息。它的优点是发送延迟小，对网络的拓扑变化能快速响应；缺点是需要时刻维护路由表，开销较大。文中选择此类协议中应用最广泛的DSDV路由协议作为比较对象。

主动路由协议DSDV(目的节点序列距离矢量协议)是较早应用于Ad hoc网络且被广泛应用的典型路由协议。优点是采用目的节点相关的序列号编码来区分路由的新旧，确定实际的有效路由，有效地减少无效路由和路由环路的发生，提高了路由协议的效率。缺点是路由响应缓慢，不适应快速变化的自组织网络，不支持单向链路信道。

DSDV主要设计思想:每个节点维护一个路由表，每个路由表项包括：目的地址、到达目的节点的度量值（如最小跳数）、目的节点相关的序列号等，该序列号用以识别路由的新旧，作为路由更新和分组转发的依据。

1.2 按需式路由协议

按需式路由协议即反应式路由协议，路由寻找过程只当源节点需要与目的节点通信，而路由表中没有到达目的节点的信息时才启动。此协议的节点不需要时刻维护路由表，不需要周期性的广播信息来更新路由，节省了网络和节点的有限资源；优点是路由开销较小，缺点是数据发送接收的时间延迟较大[2]。文中选择此类协议中最具代表性的 AODV协议作为比较研究对象。

AODV是一种按需距离矢量路由协议，将DSDV的目的节点序列号机制和DSR按需路由的优点结合到了一起，它根据需求发起路由查找、建立和维护，不需要时刻维持着路由。AODV协议提供动态链路快速自适应机制，采用逐跳路由方式，在网络结构发生变化时，能够快速启动自动修复，具有协议开销小和带宽占用小等特点，被Ad Hoc工作组确定为第一个RFC 标准的Ad Hoc路由协议。

AODV路由协议的优点可总结为以下3点：①支持中间节点响应机制，源节点可以快速得到响应，避免繁多的广播报文分组；②报文分组不需要携带路由信息，减少了占用的链路，提高了带宽利用率；③不必实时维护路由表，需要时才利用路由信息。

AODV协议有简洁精悍的有点，同时也存在一些问题：①不具备安全性能，需要改进设计原有协议来增强安全性；②需周期性地广播 HELLO分组来维护路由，带来了一些控制开销；③使用洪泛式广播RREQ，开销较大；④不支持单向信道，RREP分组沿RREQ的反方向传输。

2 混合式路由协议ZRP

只使用单一路由协议不能完全满足路由需要，所以出现了混合式路由协议。将两种或更多路由协议通过合理参数设置结合到一起，混合成一种新型的可扩展混合式路由协议，极大的提高了 Ad Hoc网络的扩展性和动态适应性，根据路由的不同需求，可选择合适的路由协议进行合理混合，突破了传统路由协议的瓶颈，对Ad Hoc网络路由协议的研究具有革命性的意义。文中选择此类协议中最具前沿性的ZRP路由协议作为研究对象[3]。

区域路由协议ZRP综合了先验式和按需式两种路由协议的技术优点，将按需路由协议和主动路由协议通过区域半径划分混合到一起。节点通过设置跳数来确定区域范围，在区域内通信采用主动路由(区域内路由协议IARP)，减少了无效路由和路由环路的发生。在区域间通信采用按需路由(区域间路由协议IERP)，不需实时维护路由表，减少了路由开销，提高了带宽利用率。当目标节点不在区域内时，采用边界广播协议方式(BRP)。此外，ZRP路由协议还包括邻居节点发现和维护协议(NDP)[4]。ZRP路由协议结构见图1。

图1 ZRP路由协议结构

ZRP协议虽然结合了两种典型Ad Hoc路由协议的优点,，但仍然存在许多值得改进的地方：①路由转发效率不高，存在冗余路由；②节点区域划分不够细致，存在重复或者空白区域；③算法设置过于简单，逻辑性有待提高；④参数设置较为固定，动态适应性不强；⑤大多数混合式路由协议尚未考虑协议的安全性和节能因素。

3 网络仿真分析

使用NS2网络仿真工具分别对ZRP、DSDV和AODV协议进行仿真,并从分组投递率、路由开销和平均端到端时延三个方面进行分析比较。仿真模型的参数设置如下：仿真时间500 s，仿真时的数据传输流量类型为cbr，节点相互连接的最大连接数为100，分组的大小为512 Byte，节点每秒发送的分组数为4，仿真环境的随机种子数为1，节点数为50，仿真范围为1000 m×1000 m，节点停留时间范围为10 s，节点最大移动速度的范围为3～15 m/s[5]。

3.1 分组投递率

分组投递率是指有效时间内接收端成功接收的数据包个数与发送端发送的数据包总数之比。分组投递率越高，数据传输的效率和质量就越高，网络的最大吞吐量就越大[6]。

从图2可以看出，三者的分组投递率都随着节点移动速度的增大而阶段性减小，而节点移动速度相对稳定在同一水平时，AODV的分组发射成功率最高，DSDV最低，而混合式路由协议ZRP介于两者之间。

图2 分组投递率

3.2 路由开销

路由开销，即各节点发送的路由信息的总控制开销，数值大小与发送次数同步，是衡量网络效率和吞吐量的重要指标。

从图3可以看出，三者的路由开销都随节点移动速度的增大而阶段性增大，而节点移动速度相对稳定在同一水平时，ZRP的路由开销最小；DSDV次之；AODV的路由开销最大，并且和前两者的差距巨大。

图3 路由开销

3.3 端对端时延

端对端时延，发送端发送数据分组到接收端成功接收所需要的时间，通常取此时间的平均值作为衡量标准，即平均端对端时延，它包括电(或光)信号在物理介质中的传播时延和数据在节点中的处理时延，也即网络中数据传输所用的时间。处理时延包括发送到缓冲区的等待时间、接口队列排队时间、MAC层重传时间等，反映路由协议的效率和时间特性。

从图4可以看出，三者的端对端时延都随节点移动速度的增大而阶段性增大，而节点移动速度相对稳定在同一水平时，AODV的端对端时延最大，ZRP和AODV交叉相近，而ZRP略微占优。

图4 端对端时延

4 结语

文中分析研究了ZRP、DSDV和AODV三种移动Ad hoc网络路由协议，并从分组投递率、路由开销、端对端时延三个方面对他们进行了仿真和比较，分析得出 ZRP 路由协议结合了 Ad hoc网络AODV和DSDV协议的优点，在提高分组投递率的同时，路由开销得到了有效的控制，并且在一定程度上缩短了端对端时延，对Ad hoc 路由协议的研究具有重要的意义。下一步的工作将继续研究ZRP混合式路由协议，并从动态自适应调节区域半径，安全性和节能性等几个方面进行深入地研究[7]。

[1] 郑少仁,王海涛,赵志峰.Ad Hoc网络技术[M]. 北京:人民邮电出版社,2005:2-17.

[2] 刘培超,杨浩,周熙.一种移动Ad Hoc网络的DSR路由安全认证[J].通信技术,2009,42(06):110-111.

[3] 胡中栋,黄小岭,史海平.基于节点移动性的 ZRP 路由协议的性能分析[J].软件导刊,2008,7(03):63-64.

[4] 王俊人,李大双.解决路由消息循环的一种新方法[J].通信技术,2011,44(05):56-57.

[5] 徐雷鸣,庞博,赵耀.NS 与网络模拟[M].北京:人民邮电出版社,2003:1-192.

[6] 王婷婷,李兴德,周山泉.移动Ad Hoc网络的安全路由协议研究[J].信息安全与通信保密,2007(08):182-184.

[7] 陈尚义.移动互联网安全技术研究[J].信息安全与通信保密,2010(08):34-37.