无线自组织网络按需路由协议研究

卢山，宋志群，周凌宇，刘倩楠

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军 96275 部队，河南 洛阳 471003）

无线自组织网络按需路由协议研究

卢山1，宋志群1，周凌宇2，刘倩楠1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军 96275 部队，河南 洛阳 471003）

路由协议是无线自组织网络的基础和关键环节，无线自组织网络拓扑结构变化繁杂且不同路由协议有各自的优缺点，因此，网络路由协议选择一直都是研究的热点和难点。利用NS2软件对按需距离矢量（AODV）路由协议和动态源（DSR）路由协议在节点数目和移动速度变化的条件下，对传输层平均时延、路由收敛时间、接收包数量、路由开销和包投递率等性能进行了评估。仿真结果表明，在节点数不大于20且节点移动速度不大于100 km／h的环境下，AODV路由协议的综合性能优于DSR路由协议。

无线自组织网络；NS2；按需距离矢量路由协议；动态源路由协议

0 引言

无线自组织网络灵活性强、覆盖范围大、系统容量高且有着高效自组织能力［1，2］，可以适应军事通信面临的复杂无线电环境，满足即使没有固定基础设施也能保证通信性能的要求，因此无线自组织网络具有诱人的潜在应用前景。无线自组织网络的核心为路由算法，现存的路由协议都有各自的优缺点，如何针对特定的环境选择合适的路由协议是值得研究的问题［3］。

现有的无线自组织网络路由协议可以分为2类：表驱动路由协议，又称主动路由协议和源发起按需驱动路由协议，又称按需路由协议［4］。目前，无线自组织网络常采用按需路由协议［5］，它是只在有通信需求时才开始进行路由的建立。典型的按需路由协议有按需距离矢量（Ad Hoc On-demand Vector Routing，AODV）路由协议［6］和动态源（Dynamic Source Routing，DSR）路由协议［7］，本文主要针对这2种路由协议的选择问题进行了分析。

1 无线自组织网络源发起路由协议

1.1 AODV路由协议

AODV路由协议基本过程包含路由请求过程、路由应答过程和路由维护过程，其显著特点是在路由条目中引入了节点序列号［8，9］。

路由的请求过程通过路由请求RREQ分组进行。RREQ分组包含了源节点序列号和目的节点序列号，到达源节点的反向路由通过源节点序列号进行维护，到达目的节点的最新路由可以通过目的节点序列号显示出来。RREQ分组最终将到达目的节点，或者到达具有目的节点的路由的中间节点。若这个中间节点的路由表中有到达目的节点的路由项，则通过比较RREQ分组中的目的节点序列号和路由表项里的目的节点序列号的大小来判断RREQ分组中的路由是不是比较新的。

如果该节点具有到达目的节点的最新路径，且该路由请求分组还没有被处理，那么该节点将会沿着已经建立好的反向路径返回路由应答分组。在路由应答分组转发至源节点的过程当中，每一个在这条路径上的节点都将会创建到达目的节点的正向路径，也就是要记录下转发该路由应答分组的那个邻居节点地址，然后更新已经记录下RREP分组中的目的节点的最新序列号和有关源路由与目的路由的定时器信息。

当链路中断时，若断路节点到目的节点的距离小于最大修复距离，则启动本地修复过程，否则便重新向目的节点发起路由发现过程。

1.2 DSR路由协议

DSR路由协议是一个特别为多跳无线自组织网络中的移动节点所设计的简单而有效的路由协议。在该协议中，网络中每个节点都需要维护一个路由列表，每当发现新的路由时便更新这个列表。在数据传输的过程中，每一个数据包的包头都含有从源节点到目的节点路由所经过的中间节点序列信息。此协议主要由路由发现和路由维护2种机制组成［10，11］。

当源节点准备向目的节点发送一个消息包时，源节点会在该消息包的包头中存储一条源路由，源路由记录了消息包从源节点转发到目的节点所需经过的节点序列。通常情况下，源节点可以在路由缓存器中搜索到源路由。当路由缓存器中没有可用的源路由时，源节点将会执行路由发现过程来动态地查找一条到达目的节点的新路由。

当目的节点需要向路由发现的源节点返回路由响应消息时，目的节点就开始搜索自己的路由缓存器，查找一条可到达源节点的路由。如果路由缓存器中有可用的路由，目的节点就使用该路由，否则，目的节点就将路由信息表中的路由反转使用。

当一个节点发送或是转发一个消息包到目的节点时，路由维护将会检测路由是否因为网络拓扑发生变化而失效。这样一来，当一个节点准备利用源路由发送一个消息包时，每个转发该消息包的节点都必须检查消息包是否按照源路由转发到了下一跳节点，只有在收到下一跳的确认帧后，转发该消息的节点才将消息包转发给下一跳，否则就返回一条路由出错消息给发送消息包的源节点。当源节点收到该消息后会将这条失效的链路从路由缓存器中删除，如果源节点的路由缓存器中还有可用的另一条路由则使用新的路由来转发消息包，如果没有则进行路由发现过程。

2 仿真与分析

2.1 仿真环境

本文的仿真场景如表1所示。

仿真主要考虑的影响因素为节点数目和节点移动速度［12］，主要性能指标为传输层平均时延、路由收敛时间、接收包数量、路由开销和包投递率［13］，其中传输层平均时延反映了数据从源节点到目的节点所需的时间；路由收敛时间反映了在路由发现过程中所消耗的时间；接收包数量为目的节点接收的数据包的总数；路由开销为路由信息的字节数与有效信息的字节数的比值，反映了路由开销的大小；包投递率反映了成功投送的概率。在仿真过程中节点运动为随机的，因此对每种影响因素计算了50个样本，最后取平均值作为性能指标。

2.2 节点数目对性能的影响

本节对不同节点移动速度情况下节点数目对路由层协议性能的影响进行了仿真，此时节点移动速度分别取60 km／h和80 km／h，节点数目取值以2为间隔，从4增至20。

传输层平均时延与节点数目的关系如图1所示。由图1可知，在2种不同的节点移动速度情况下，AODV路由协议的传输层时延均小于对应的DSR路由协议的传输层时延，但随着节点的增多，差距逐渐变小。

图1 传输层平均时延与节点数目关系

路由收敛时间与节点数目的关系如图2所示。由图2可知，在2种不同的节点移动速度情况下，AODV路由协议的路由收敛时间均小于对应的DSR路由协议的路由收敛时间，且2种路由协议收敛时间随着节点数目的增加而减小，这是因为节点的增加为路由的建立提供了更多的机会，从而使得路由建立时间变短。

图2 路由收敛时间与节点数目关系

接收包数量与节点数目的关系如图3所示。由图3可知，在2种不同的节点移动速度情况下，AODV路由协议的接收包数量均大于对应的DSR路由协议的接收包数量，且2种路由协议接收包数量随着节点数目的增加而变大，这是因为节点的增加使得发送的数据变多，从而使得接收包数量变大。

图3 接收包数量与节点数目关系

路由开销与节点数目的关系如图4所示。由图4可知，在2种不同的节点移动速度情况下，AODV路由协议的路由开销均大于对应的DSR路由协议的路由开销，但差距不大。2种路由协议路由开销随着节点数目的增加而变大，这是因为节点的增加使得路由可选择的路径增多，从而使得路由开销变大。

图4 路由开销与节点数目关系

包投递率与节点数目的关系如图5所示。由图5可知，在节点数目较少时，AODV路由协议和DSR路由协议没有很大的区别，随着节点的增多，在2种不同的节点移动速度情况下，AODV路由协议的包投递率均大于对应的DSR路由协议的包投递率。

图5 包投递率与节点数目关系

2.3 节点移动速度对性能的影响

本节对不同节点数目情况下节点移动速度对路由层协议性能的影响进行了仿真，此时节点数目分别取16和20，节点速度取值以5 km／h为间隔，从5 km／h增至100 km／h。

传输层平均时延与节点移动速度的关系如图6所示。由图6可知，在2种不同的节点数目情况下，AODV路由协议的传输层时延均小于对应的DSR路由协议的传输层时延。

图6 传输层平均时延与节点移动速度关系

路由收敛时间与节点移动速度的关系如图7所示。由图7可知，在2种不同的节点数目情况下，AODV路由协议的路由收敛时间和DSR路由协议的路由收敛时间随着节点移动速度的变化没有明显的趋势，表明了路由收敛时间受节点移动速度影响较小。

图7 路由收敛时间与节点移动速度关系

接收包数量与节点移动速度的关系如图8所示。由图8可知，在2种不同的节点数目情况下，AODV路由协议的接收包数量均大于对应的DSR路由协议的接收包数量，且2种路由协议接收包数量随着节点移动速度的增加而减小，这是因为节点移动速度的增加使得网络拓扑变化较快，路由的发现过程变多，从而使得接收包数量变少。

图8 接收包数量与节点移动速度关系

路由开销与节点移动速度的关系如图9所示。由图9可知，在2种不同的节点数目情况下，AODV路由协议的路由开销均大于对应的DSR路由协议的路由开销，且随着节点移动速度的增加，路由的开销逐渐变大，这是因为节点移动速度的增加使得网络拓扑变化较快，路由的发现过程变多，从而导致了路由开销的增大。

图9 路由开销与节点移动速度关系

包投递率与节点移动速度的关系如图10所示。由图10可知，在节点移动速度较低时，AODV路由协议和DSR路由协议没有很大的区别，随着节点移动速度的增加，在2种不同的节点数目情况下，AODV路由协议的包投递率均大于对应的DSR路由协议的包投递率，且2种路由协议包投递率随着节点移动速度的增加而减小，这是因为节点移动速度的增加使得网络拓扑变化较快，从而使得网络更加不稳定，投递率减低。

图10 包投递率与节点移动速度关系

2.4 仿真结果分析

从上述仿真结果可以看出，AODV路由协议在传输层平均时延、路由收敛时间、接收包数量和包投递率等性能上均优于DSR路由协议。虽然AODV路由协议的路由开销稍大于DSR路由协议的路由开销，但相对有效信息，路由开销只占很少的一部分，因此得出了在节点数目不大于20，节点移动速度不大于100 km／h时，AODV路由协议要优于DSR路由协议的结论。

3 结束语

无线自组织网络的路由协议有着各自的优缺点，如何针对具体的环境选择合适的路由协议是值得研究的问题。本文对2种典型的按需路由协议利用NS2进行了仿真，得出了在文中环境下AODV路由协议优于DSR路由协议的结论，为在类似环境下无线自组织网络的路由协议选择提供了参考。

［1］任 智.移动Ad Hoc网络路由算法及协议研究［D］.成都：电子科技大学，2005.

［2］马明辉.无线自组织网络路由协议研究［D］.北京：北京邮电大学，2007.

［3］崔 宇.无线Mesh网络路由协议研究［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［4］曹英烈.移动Ad hoc网络路由算法研究［D］.广州：华南理工大学，2006.

［5］苏 静.移动Ad Hoc网中多信道AODV路由协议研究［D］.成都：电子科技大学，2005.

［6］RFC3561.Ad Hoc On-Demand Distance Vector（AODV）Routing［S］，2003.

［7］RFC4728.The Dynamic Source Routing Protocol（DSR）for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4［S］，2007.

［8］颜利平.Ad-hoc网络中改进AODV路由协议的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

［9］肖克江.Ad Hoc网络中AODV路由算法及相关问题的研究［D］.重庆：重庆大学，2011.

［10］吴 荣.Ad Hoc网络中DSR协议的仿真研究与性能改进［D］.成都：电子科技大学，2006.

［11］黄 林.基于无线Ad Hoc网络的动态源路由协议的研究与实现［D］.武汉：华中科技大学，2010.

［12］姬文江.无线Mesh网络路由协议体系研究［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［13］王忠恒.移动Ad Hoc网络中路由的研究［D］.无锡：江南大学，2011.

Research on On-demand Routing of Wireless Ad Hoc Networks

LU Shan1，SONG Zhi-qun1，ZHOU Ling-yu2，LIU Qian-nan1
（1．The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Unit 96275，PLA，Luoyang He’nan 471003，China）

Routing protocols are the foundation and key link of wireless ad hoc networks.Because the wireless ad hoc networks has complicated topology changes and different routing protocols have their advantages and disadvantages，the selection of wireless ad hoc networks routing protocol has always been one of the most written topics.This article simulates AODV and DSR routing protocols with NS2 under different conditions including different number of nodes and node mobility speed in order to evaluate the delay of transport layer，the route convergence time，the number of

packets，the routing cost and the ratio of packets received etc.Simulation results show that if the number of nodes is not more than 20 and the speed of nodes is not more than 100 km／h，the overall performance of AODV routing protocol is better than DSR routing protocol.

wireless ad hoc networks；NS2；AODV；DSR

TN911

A

1003－3106（2015）11－0005－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.11.02

卢 山，宋志群，周凌宇，等.无线自组织网络按需路由协议研究［J］.无线电工程，2015，45（11）：5－8，20.

卢 山男，（1989—），在读研究生。主要研究方向：无线通信路由协议。

2015-08-11

国家自然科学基金项目（61371068）。

宋志群男，（1963—），研究员。主要研究方向：无线通信。