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1、第 1 9巷第 7 期 2 ( 1 0 9年 7月 计 算 机 技 术 与 发 展 ( ( ) I PU丁ER TECHN( 1 I 工 Y AND DEVEI ( ) I M E NT VO 1 I 9 Nt ) 7 LI l 】 1 2 1 ) 0 9 A d h o c网络路 由协议性能仿真分析 张登银 ， 吴品 ( 南京邮电大学 计算机 学院， 江苏 南京 2 1 0 0 0 3 ) 摘要： A d h o c 移动网络是一种无任何有线基础设施的多跳、 临时性自治系统 ， 而路由协议是 A d h o c 网络体系结构中不可 缺少的组成部分， 所以路由协议的研究十分重要。文中使用 N
2、S 2仿真软件对 A d h o c 网络中 D S D V、 D S R和 A O D V三种典 型路由协议 从分组投递率 、 端到端平均时延和路由负荷三方面进行性能仿真分析。仿真对比结果表明： D S D V的平均时 延和路由负荷要小于 A O D V和 D S R， 但分组投递率性能不如 A O D V和 D S R 。根据它们的这些特点分析得出： A O D V协议 适用于网络拓扑变化频繁的情况； E I S R协议适用于节点较少、 网络变化较小且对时延要求不高的情况； 而D B D V协议更适 用于网络节点移动速度较小的情况 关键词 ： A d h o e 网络； 路由协议； N S
3、 2 仿真 ； 性能 中图分类号： T P 3 9 3 文献标识码： A 文章编号 ： 1 6 7 3 6 2 9 X ( 2 0 0 9 ) 0 7 0 0 6 6 0 3 S i mu l a t i o n a nd An a l y s i s o f Ro u t i ng Pr o t o c o l s f o r Ad h oc Ne t wo r k Z HANG De ng y i n W U Pi n ( C o l l e g e o f C o mp u t e r ， N a n j i n g Un i v e r s i t y o f P o s t s a
4、n d T e l e c o m mu n i c a t i o r m ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Adho cmo b il e n e t wo r ki s amu l t i h o p， i n t e rim s e lf g o v e r n me n t s y s t e m wi t h o u t a n y c a b l ein f r a s t ruc t u r e ， a n dt heAd h o e r o u t in g p r o t o c o l s
5、& r e i n d i s p e n s a b l e c o mp o n e nt s o f t h e n e t wo r k a r c h it e c t u r e S o i t i s v e r y imp o r t ant t O s t u dy t h e mu t i n g p rot o c o l s I n t h i s p a p e r ， t h r e e ty p i cal r o u t ing p r o t o c o l s ( DS D V， D S R and A。 D v)o f A d hoc n e t w o
6、r k we r e s i mu NN t e e l b a s e d o n N S 2 s imu l a t i o n s o f t ware Th e n i t e v a l u a t e dt h e s imu l a t i o n r e s ult swi t ht h r e e p e r f o r ma n c e p ara me t e r s ： p a c k e t d e li v e r y r a t e ， a v e r a g e e n dt oe n d d e l a y。 mu t in gba dTh e s i mu
7、la t i o n r e s ult s s ho wed t h a tt h e a v e r a g eendt oe n d d e NNyandrou t i ng lo a do fDS DV &rel e s st h a nDS R andA0DV b u t p a c k e t d e l i v e r y r a t e is wo r s e t h a n wh i c h o f DS R and AODVTh e c o n c l u s io n c a n b e d r a wn a c c or d i ng t o t h e c h a r
8、 a c t e r i s t i c s ： A0Dv a p p l i e s t o t h e s i t u a t io n wit h f r e q u en t c h a n g e s in n e t wo r k t o p o l o g y； DN R a p p l i es t o t h e s it u a t io n wi t h f e we r n o d e s and le s s d e ma n d i n g i n n e t wo r k d e l a y Bu t DSDV i s s u it a b l e f o r t
9、 h e s it u a t io n in wh i c h n o d e t r a v e l i ng s p e e d i s l o we r Ke y wo r d s： Ad h o c n e t wo r k； rou t ing p rot o c o ls； NS 2 s i mu la t i o n； r - r f o r ma n c es 0 引 言 A d h o c 移动 自组 网 l是一种 无 任何 有线 基础 设 施的多跳、 临时性 自治 系统。它 由一 组带有无 线收发 装置的移动终端组成， 每个终端节点都具有主机和路 由两种功能。A d h
10、o e网络具有临 时性 、 网络拓扑结构 动态变化 、 多跳路 由、 分布式控制等特点 。它具 有非 常 广泛的应用范围， 主要应用于军事、 紧急救灾、 多媒体 会议和传感器网络等领域。路由协议是移动 A d h o c 网络体系结构中不可缺少的重要组成部分， 主要具有 路 由发现、 路由选择 、 路由维护三种功能。按照路由策 略 的不 同， A d h o c网络路 由协议可 以分 为先 验式 、 按 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 02 8 ； 修回 日期： 2 0 0 9 0 l l 【 ) 基金项目： 国家 8 6 3汁划项 ( 2 0 0 7 AA 7 0 1 3 0 2 ， 2
11、 () ( ) 8 A A 7 O l 2 O ! ) 作者简介 ： 张登银 ( 1 9 6 4一) ， 男 ， 江苏靖 江人 ， 研究员 ， 博 士， 研究 方 向为信号与信息处理、 I P网络技 、 服务质量与信息安全。 需式 和混合 式路 由协议。D S D V ( D e s t i n a t i o nS e q u e n c e d Di s t a n c e Ve c t o r ) 、 D S R ( Dy n a mi c S o u r c e Ro u t i n g )和 A O D V ( A d h o c O n D e mand D i s t a n c
12、 e V e c t o r ) 是 A d h o c 网络的三 种典型路 由协议 ， 也是应用最 广泛 的。文中就这 三种协议 进行仿 真并分析 ， 指 出其 优缺 点和适用场合。 1 典型路由协议 1 1 DS DV D S D V 1 】 协议是一种先验式路 由协议， 其特点是 利用 目的节 点序 列号解 决 了路 由环路 和无 穷计 数 问 题。在 D S D V中， 每个节点保存一张路由表， 路由表维 护本节点到网络内部所有可达的目的节点的路由。路 由条 目中 目的节点的序列 号( S e q u e n c e N u m b e r ) ， 是 用 以区分新 旧路 由。节点 周
13、期性地 广播路 由更新分 组 ， 收到路由更新分组后 ， 节点比较其中的目的节点序列 第 7 期 张登银等 ： A d h o c 网络路 由协议性能仿真 分析 6 7 号和 自己保存的同一 目的节点的序列号 ， 如果前 者大 ， 就更新 自己的路 由； 如果路由序列号相 同， 则选择具有 较少跳数 的路 由。路 由更新 分组要 延迟 一段时 间发 送 ， 以防止路由表 的波动。在一般情况 下 ， D S D V协议 的性能很好 ， 但在 网络拓扑变化频繁的情况下 ， 路 由表 的容量、 开销和带宽也会相应增 多。 1 2 DS R D S R C 1 J 协 议是 一种 基于源 路 由的按需
14、 式 路 由协 议 。D S R使用源路 由算法 ， 每一个 给定路 线的数据分 组都在报头带有完整、 有序的此分组必经的节点列表 使用源路 由可 以保 证无环路 ， 转发或 者侦听分组 的节 点可以缓存分组中的路由信息以备后用， 而且由于要 传输的数据分组已含有必要 的路 由信息 ， 中间节点 不 必保存路 由信息。 D S R协议可以保证路 由无环 路 ， 支持 到 目的节 点 的多条路径 。但是每个数据分组 的头部都需要携带路 由信息 ， 额外开销较 大。 1 3 AODV A O D V 1 J 协议也是一种按需式路由协议， 它是 D S D V协议和 D S R协议的结合。它使用 D
15、 S D V协议 中的“ 目的节点序列号” 防止缓存的路由信息过期以及 环路的产生 ， 路由建立是基于 D S R协议 中所采用 的方 法 ， 不同点在于 A O D V是逐跳路由而不是源路 由。 当网络中的通信节点较少时 ， A O D V协议的路 由 开销比较小， 对链路中断的响应更迅速 ， 且具有一定的 扩展性 。但是它的时延要 比先验式的大。 2 仿真 实验与结果分析 2 1 仿真环境 与配置 N S 2 是一种针对 网络技术 的源代码公 开免 费 的 软件模拟平台， 可以模拟执行各种网络协议 ， 它是一个 离散时间驱动的网络模拟器。N S是由 C+构造仿 真部件 ， 由 O T C
16、L 脚本驱动 ， 如图 l 所示 。 件 ： 图 l N S的仿真流程 ( 1 ) 生成场景和数据流文件 。 使用 s e t d e s t 生成节点的随机运动场景文 &e t d s e t n 5 0 一P 0 r v L O t 1 0 0 x 1 2 0 0 y l 2 0 0 S C e l l e一5 0 nOp一5 0s l 0 0 t I 2 0 0 1 2 0 0 其 中， 节点个数 7 1 设 为 5 0个 ， 节 点运 动到一 f 目 的节点后的停留时间 P设 为 0 s ( 不停 留) ， 此场景 的持 续时间 t 为 1 0 0 s ， 节点随机运动的场景 大小设
17、为 1 2 0 0 1 2 0 0 ， 节点最大移动速度 M 分别设 为 O m s 、 1 0 m s 、 2 0 m s 、 3 0 m s 、 4 0 m s 、 5 0 m s 。 s c e n e一5 0n一0 p一5 0s l O O t 一1 2 0 0 1 2 0 0为节点运动 的场景文件名。 使用 c b r g e n 3 - 5 生成节点的业务数据流文件 ： n s c b r g e n t c lt y p e c b r n n 5 0 一s e e d 1 一F I I C 3 0 一r a t e 1 0 c br 一5 0 n一3 0 cl p 其中， 一t
18、 y p e 参数指定产生的是 C B R流， 包长固 定为 5 1 2 B y t e ， 无线传输速率为 2 Mb s 。 节点个数 设 为 5 0 个 ， 这些节点 中最大连 接数 me 为 3 O ， 随机 数种 子 s e e d为 1 ， r a t e 为 每个连 接间 流每秒 发送 1 个数据 包。c b r 一5 0 n 一 3 0 c l p 为数据流文件名。 ( 2 ) 编写 “ l - e l 仿真脚本。包括定义节点参数 、 无线 节点配置 、 定义网络拓扑结构 、 引用运 动场景文件和业 务数据流文件、 打开 N a m、 定义仿真时间等。 ( 3 ) 运行 T c
19、l 脚本开始仿真， 产生 t r a c e文件和 N a m文件， 用 Na n 查看节点情况。 ( 4 ) 编写 a w k 脚本， 用 G a w k分析 t r a c e 文件； 编写 p l o t 脚本 ， 使用 G n u p l o t 绘图。 2 2 仿真结果与分析 ( 1 ) 分组投递率。 分组投递率l 6 - 8 J 即目标节点接收到的分组数 目与 源节点产生分组数目的比值。该指标表明路由协议的 有效性和适应 网络 变化 的能力。按照上 述场景配置 ， 得到的三种路由协议 C B R分组投递率 ， 如图 2所示。 图 2 不同最大移动速度 下的分组投递率 从图 2中 可
20、 以 看 出， 按 需 式 路 由 协 【义( A O D V、 D S R ) 的分组投递率要好于先验式路由协议( D S D V) 6 8 计算机技术与发展 第 l 9卷 这主要是 因为 S I ) V为 目的节 点 只维护 一个 路 由表 项 ， 而路 由表项一旦失效 ， 在短时间内无法建立有效路 由， 以至产生分组丢失 ， 大大降低了分组投递率 。 其中 A O D V 的分组 投递 率 稍好 于 D S R， 是 因为 A O D V使用 目的节点序列号机制保证了路由信息及时 性， 不产生循环路 由传送问题， 具有较好的分组投递 率 。 另外 ， 随 着节 点运 动 速 度 的增 加
21、 ， D S D V 和 D S R 的分组投递率都有明显的下降， 而 A O D V变化不是很 大 ， 因此 A O D V更适合于网络拓扑频繁变化的场合。 而 D S D V只能用于网络拓扑变化不大的场合 。 ( 2 ) 端到端平均时延 。 端到端时延 6 - 8 1 包含发送 的所有 时延 ， 如 发送缓 冲器等待时间、 接 口队列 排队时 间、 MA C层重 传时 间 等。这里， 采用端到端平均时延 ， 定义如下： 端到端平均时延 =( 目的节点分组接收时间一 源节点分组发送时间) 傲 据包的个数。 按照上述场景配置， 得到的三种路由协议 的端到 端平均时延 ， 如图 3所示。 图 3
22、 不 同最大移 动速度 下的端到端平均 时延 从图 3中可以看出， 先验式路由协议( D S D V ) 的平 均时延要小于按需式路 由协议( A O D V、 D S R ) ， 且随着 节点运动速度的增加时延变化不大， 这主要是因为先 验式路由协议在每个节点都保存了到其它所有节点的 路由信息 ， 发送数据时， 可以通过查找路由表直接获取 路由， 减少了时延。而按需式路由协议需要在发送数 据时查找路 由， 时延较 大。 其中A O D V的时延小于 D S R， 是因为A O D V可获 知邻近节点链路状态， 查找路由时可减小时延。而且 节点移动 速度越 大 ， 两 者在 时延 上 的差距
23、越 大 ， 可 几尢 1 ) S R适用于网络拓扑较小的场合 。 ( 3 ) 路 由负荷。 路 由负荷E o - 8 即每个到达 目的节点的数据分组所 需传输的路由分组的总数。它用于衡量协议的效率和 可扩展性 。按 照上述 场景配置 ， 得 到的三 种路 由协议 的路 由负荷 ， 如图 4 所示 。 图 4不同最 大移动速度下 的路 由 负荷 从图4中可以看出， 先验式路由协议( D S DV ) 的路 由负荷要小于按需式路由( A O D V、 D S R ) ， 主要是因为 在先验式路由协议中， 节点周期性地交换路由信息， 路 由开销基本与节点移动无关 ， 无论环境怎么变化， 可以 一 直
24、保持较小的开销。所以， 当网络拓扑变化较大时， D S D V在路由负荷方面优于 A O D V和 D s R 。 其中 A O D V 的路 由负 荷要小 于 D S R， 是 因为 A O D V中每个包仅携带目的节点的地址 ， 而 D S R中携 带完整的路由信息， 包括源节点的地址、 目的节点地址 等， 这样就增加了路由负荷。并且随着节点运动速度 的增加 ， D S R协议 的路 由负荷增长较快 。 3 结束语 从仿真实验和分析可以看出， 由于各协议的实现 机制不同 ， 在不 同的性能参 数方面表 现 出相应 的优点 和缺点： 先验式路由协议( D S D V) 的平均时延和路由 负荷
25、要小于按需式路由 ( A O D V、 D S R ) ， 但分组投递率 性能不如按需式路由。另外， 在节点移动速度增加、 节 点停 留时间增加或 者节 点连接数 增加等 情况 下 ， 三种 路由协议的性能都有不同程度的下降。 综合来讲 ， A O D V协议具有较强地适应能力 ， 适用 于 网络拓扑变化频繁的情况 ； I ) S R协议具有较 大的时 ( 下转第 7 2页) 7 2 计算机技术与发展 第 l 9卷 ( a )原图 b )增强后的图像 ( c 1原图的直方图 ( d )变换曲线 图 3 混合算法处理 实例 2 l J j I E E E t r a n s a c t i o
26、n s O D s y s t c n m， ma nan d c y b e rne t i c s 1 9 9 9， 4： 8 9 9 9 0 4 曾建潮 ， 介婧， 崔志华 微粒群算 法 M 北京 ： 科学出版社， 2 0 0 4 S h i Y， Lu Y H Hy b ri d e v o l u t i o n a r y a lg o r i t h m b a s e d o n I S 0 a nd GA E v o l u t i o n a r y C o m p u t a t i o n ， 2 0 0 3 ， 4 ： 2 3 9 32 3 9 9 张芳 ， 张亚鸣
27、基于 G A的 P u N F I S 在 自适应噪声 消除中的应用 J 计算机技术 与发 展， 2 0 0 7 ， 1 7 ( 5 ) ： 5 2 5 4 董元 ， 王勇， 易克初 粒子群优 化算法发展综述 J 商洛学院学 报 ， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 5 ) ： 2 8 3 3 封磊， 蔡创， 齐春 ， 等 P S 0 和 G A的对 比及其混合算法的研 究进 展 J 控 制 工 程， 2 0 0 5 ， 5 ( 1 2 ) ： 8 99 2 周激流 ， 吕 航 一种基于新型遗 传算法的图像 自适应增强算法的 研究 J 计算机学报， 2 0 0 1 ， 2 4 ( 9 ) ： 9
28、 5 99 6 4 参考文献 ： 8 卢丽银， 周海银 一种基于遗传算法的图像增强方法 J 1 S a i t 0 h F I m a g e c o n t r a s t e n h a n m e n t u s i n g g e n e t i c a l g o ri t h m s 数学理论与应用 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 8 2 8 8 +- + ( 上接第 6 8页) 延和路由负荷， 适用于节点较少、 网络变化较小且对时 延要求不高 的情 况 ； D S D V在 节点移 动速度增 加 的情 况下。 虽然路由负荷和时延的变化小于按需式路 由协 议， 但分
29、组投递率急剧下降， 所以D S D V协议更适用于 网络节点移动速度较小的情况。 由于移动 A d h o c自组网应用环境的多样性， 导致 了不同的环境下追求不同的性能， 所以应结合具体的 网络应用环境寻找最 优的路 由协 议。另外 ， 通过 大量 仿真实验分析各协议的缺点和不足， 可以便于今后研 究其可行的改进策略。 4 5 【 7 参考文献： 1 于宏毅 无线移动自组织网 M 北京： 人民邮电出版社， 2 0 0 5 2 于斌 孙斌 ， 温暖 N S 2 与网络模拟 M 北京： 人民 L 8 J 邮电出版社 ， 2 0 0 7 3 翁睿 任祥颖 ， 钱松荣 基于 N S 2 的 A d
30、H o c 网络路 由协 议性能比较分析 j 计算机应用与软件， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 2 4 2 7 何昆鹏， 李腊元 A d H o c 网络中按需路由协议的仿真与性 能分析 J 计算机技术与发展 ， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 3 ) ： 1 8 2 1 李金鹏 ， 吕光宏 ， 王立平 移动A dh o c 网络安全路由协议研 究 J 计算机技术与发展， 2 0 0 8 ， 1 8 ( 7 ) ： 3 0 3 3 Amb a i i K S， R a g h a v e n d r a R G Mo b i l i t y mo d e l p e r s p e c
31、t i v e s f o r s c a l a b i li t y a n dmu t i n g p r o t o c o l p e r f o r m a n c e si nwi r e l e s s a d h o c n e t w o r k C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E me r g i n g T r e n d s i n E n g i n e e ri n g and T e c h n o l o g y ， I C 唧 s 1 ： 【 S n ， 2 0 0 8 ： 1 7 6
32、1 8 1 Ga o F a n g ， L u Yu a n， Z h a n g Qi n g s h u n S i mu l a t io n and a n a l y s i s f o rt h e p e ff o mmn o e o f t h emo b i l e a dh o e n e t wo r k r o u t i n g p r o t o col s C I n t e rna t i o n a l C o nfe r e n ce o n E l e c t r o n i c Me a s u r e - n 圳a n d I v s t r u r
33、 ll e n t s ， I C E MI s I ： s l n ， 2 0 0 7 ： 2 5 7 1 2 5 7 5 B o u k h a l k h a l A， Ya g o u b i M B， D i o u d i M S i mu l a t i o n o f mo b i l e a d h o e r o u t i n g s t r a t e g i e s C I n t e rna t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n n o v a t i o n s i n I n f o r m a t i o n T ech n o l o g y ，l i T S 1 ： s n ， 2 0 【 ) 8： 1 2 81 3 2 c