初探基于跨層機制的無線路由協(xié)議(AODV)的分析與仿真參考模板

1、初探基于跨層機制的無線路由協(xié)議的分析與仿真摘要： Ad Hoc無線網絡具備無需基礎設施、臨時組網、動態(tài)網絡拓撲和自組織的特點，在國內外得到了顯著的重視。也正是由于無線網絡的這些特點，存在很多問題，成為推廣無線網絡的瓶頸，亟需提高Ad Hoc無線自組網的性能。為此，我們提出并研究了結合跨層設計和基于AODV 路由協(xié)議的改進維護路由的算法的技術方案，并基于NS2進行模擬和仿真，提出高效合理的改進方案。關鍵詞：Ad Hoc網絡 AODV協(xié)議 跨層 改進 仿真1前言隨著Internet、無線通信技術的發(fā)展，Ad hoc無線網絡技術越來越受到人們的重視。Ad hoc無線網絡是由眾多的無線移動節(jié)點組成，這

2、些節(jié)點不需要無線網絡基礎設施的支持，自發(fā)地以多跳的方式快速地建立通信聯系，組織成為一個臨時的網絡。為了與現有的網絡互聯互通，Ad hoc無線網絡采用了TCP/IP體系結構，然而，Ad hoc無線網絡自身的特性如無中心控制節(jié)點、節(jié)點的移動導致串路和網絡拓撲快速變化、節(jié)點資源和網絡帶寬受限等問題嚴重影響了Ad hoc無線網絡的性能，決定了Ad hoc無線網絡不能完全照搬使用現有網絡的協(xié)議棧，在多種提高Ad Hoc無線網絡性能的方法中，跨層設計是非常行之有效的一種。另外，由于無線鏈路的不穩(wěn)定性和鄰居節(jié)點的移動性，各個節(jié)點對其鄰居信息的掌握和管理變得困難，整個網絡拓撲呈現高度的動態(tài)特征。這樣就需要適合

3、Ad Hoc無線網絡這種特殊環(huán)境的路由協(xié)議和路由算法。我們研究了一種基于AODV 路由協(xié)議（Ad hoc On-demand Distant Vector，按需距離矢量路由算法）的改進，主要在于改進維護路由的算法。并且，通過仿真軟件NS2進行模擬和仿真，研究出高效合理的改進方案。2 Ad Hoc網絡及其路由協(xié)議2.1 Ad Hoc網絡的概況Ad Hoc網絡是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳的臨時性自治系統(tǒng)。網絡中的移動終端具有路由和報文轉發(fā)功能，可以通過無線連線構成任意的網絡拓撲。這種網絡可以獨立工作，也可以接入Internet或蜂窩無線網絡。Ad Hoc網絡中所有節(jié)點的地位平等

4、，無需設置任何中心控制節(jié)點，具有很強的抗毀性。網絡中的節(jié)點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發(fā)能力，既可以運行面向用戶的應用程序又可以根據路由策略和路由表參與分組轉發(fā)和路由維護工作。由于終端的無線傳輸距離有限，Ad Hoc網絡中節(jié)點間的路由通常由多跳（Hop）組成。當通信的源節(jié)點和目的節(jié)點不在直接通信的范圍之內時，它們可以通過中間節(jié)點轉發(fā)報文進行通信。所以，它又被稱為多跳無線網、自組織網、無固定設施的網絡或對等網絡。Ad Hoc網絡同時具備移動通信網絡和計算機網絡的特點，可以看作是一種特殊的移動計算機網絡。圖1是一種典型的Ad Hoc網絡的邏輯結構，圖中終端A和C無法直接通信，但A

5、和C可以通過路徑A-B-C或者A-G-E-C進行通信。2 / 12ABFIGDCHE單向信道雙向信道圖1 典型的Ad Hoc網絡邏輯結構與傳統(tǒng)的通信網絡相比，Ad Hoc網絡具有以下顯著特點：獨立組網、無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲、特殊的無線信道特征、移動終端的局限、安全性差。根據Ad Hoc網絡的特征，參照OSI的經典7層協(xié)議棧模型和TCP/IP的體系結構，可以將Ad Hoc網絡的協(xié)議棧分為5層。2.2 Ad Hoc網絡路由協(xié)議概述目前常見的移動通信系統(tǒng)有兩類：蜂窩移動通信系統(tǒng)和無線局域網。在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，移動節(jié)點間呼叫的路由選擇及建立主要是通過固定網絡設備，如交換機，VLR/H

6、LR等完成。而Ad Hoc網絡中，不存在這樣的固定設備，節(jié)點間路由選擇完全由移動節(jié)點完成。同時，蜂窩移動通信系統(tǒng)網絡結構比較穩(wěn)定，Ad Hoc網絡拓撲結構經常變化，影響路由選擇。在無線局域網中，移動節(jié)點配有無線網卡，通過無線接入點連接到固定網絡，因此，無線局域網可以看成是一個單跳網絡，分組處理不同通過網絡層；而Ad Hoc網絡則是一個多跳網絡，終端主機一方面作為主機，另一方面作為路由器運行路由協(xié)議，參與分組轉發(fā)和路由維護。Ad Hoc網絡研究的一個主要內容是以路由協(xié)議為核心的網絡層設計。Ad Hoc網絡路由協(xié)議的主要分類如圖2：Ad Hoc網絡路由協(xié)議表驅動路由協(xié)議按需路由協(xié)議混合路由協(xié)議DA

7、DVWRPAODVCGSRDSRZRPTORA圖2 路由協(xié)議分類3 AODV路由協(xié)議3.1 AODV路由協(xié)議的概況 AODV路由協(xié)議是運用在Ad hoc網絡上的一種按需路由系統(tǒng)的路由協(xié)議，并被IETF MANET工作組于2003年7月正式公布為自組網路由協(xié)議的RFc標準。雖然如此，但是它依然存在一些問題，對AODV協(xié)議的改進方法研究依然沒有停止。雖然目前已經存在一些研究成果，但有一部分的成果僅僅是為了理論研究而提出，沒有在實際中應用，甚至有些研究成果的正確性并沒有得到驗證，當然有不少成果是經過仿真驗證的，但是對于AODV協(xié)議依然還有很多值得改進的地方。3.2 AODV協(xié)議的改進3.2.1 跨層

8、設計的改進AODV協(xié)議在選擇路由路徑是基于最小路數的，但這樣的路徑往往是不是最佳的路徑，如路徑有可能存在嚴重的擁塞情況。因此一種尋找較優(yōu)路徑的方法亟待提出。原擁塞問題的預防是在網絡傳輸層實現的，現在AODV路由請求報文RREQ中增加節(jié)點擁塞情況字段，在找到目標路徑后返回的路由應答報文RREP中，返回整個路徑的擁塞情況，使得發(fā)送方可以提前預防擁塞，選擇路徑狀態(tài)較優(yōu)的路徑進行發(fā)送，并不用通過傳輸層，只需要在網絡層便可以實現。1）在RREQ報文尾部增加一個4字節(jié)的字段，把節(jié)點的擁塞情況量化為節(jié)點隊列長度。 實現方法：“aodv_rqueue.h”中的成員屬性int len_賦值給在“aodv.cc”

9、中的新成員que_len;這個是反映最小路數的衡量值，通過返回的平均值來做出路由的最佳選擇。這是算法改進的重要參數。關于“aodv_queue.cc”和“aodv_rtable.cc”都要增加相應的屬性， 因為在“aodv.cc”中RREQ中會封裝以下信息作為RREP的報文， sendReply（）中包括rq->rq_src目的IP地址，Hop Count跳數，seqno包序列，MY_ROUTE_TIMEOUT生存時間等，就在這里加que_len信息，作為返回值。2）RREQ經過第一個節(jié)點時，把節(jié)點的隊列長度寫入字段中，接下來，每經過一個節(jié)點，把節(jié)點的隊列長度累加進字段中，目標節(jié)點不累加

10、。 實現方法：源結點與相鄰的結點交換路由信息，相鄰節(jié)點在調用“aodv.cc”中的recvRequest(Packet *p)時，就記錄 que_len，并且每調用一次 que_len+；3）到達目的節(jié)點后，目的節(jié)點把字段對路數減1取商，得到路徑隊列長度的平均值，并把這個值封裝進RREP報文中，返回源節(jié)點以供源節(jié)點參考，選擇狀態(tài)較優(yōu)路徑。 實現方法：當檢查被報文首部信息，發(fā)現到達目的結點時，在調用“aodv.cc”中的recvReply(Packet *p)時，把que_len的平均值，que_len=(que_len-1)/n，n就是節(jié)點數。封裝在報文里面，返回相鄰節(jié)點，沿著原來的路徑返回源

11、節(jié)點。源節(jié)點就保存這個路由信息，以后需要進行通信時就不需要再遞歸調用RREQ,RREP。節(jié)省時間，提高效率，更重要是避免大量尋找路由的報文信息導致網絡擁塞。由于在AODV報文信息中增加了4個字節(jié)，來存儲路由長度信息，所以在源節(jié)點調用“aodv.cc”中的sendRequest(nsaddr_t dst)，目的結點調用“aodv.cc”中的sendReply(nsaddr_t ipdst, u_int32_t hop_count, nsaddr_t rpdst, u_int32_t rpseq, u_int32_t lifetime, double timestamp)都需要增加這個信息。3.2

12、.2 路由維護程序的改進：1）由于無線自組織網絡的不穩(wěn)定、不可靠性遠高于傳統(tǒng)的有線網絡，無效、錯誤的數據報數量較多，其中就包含有大量的生存時間為0的無效數據報。實現方法：準備在“aodv.cc”中的recvError(Packet *p)， sendError(Packet *p, bool jitter)， recvHello(Packet *p)和 sendHello()里面增加判斷TTL值的功能，主要是在調用“aodv.cc”中的RREQ,RREP次數太多的時候，就進行判斷。因為經過的結點數越多，導致網絡擁塞的概率就會越大，所以及時作出檢測信息，防止洪泛。2）在鏈路層差錯檢驗時，連同IP

13、報頭的生存時間字段一起檢驗，如果發(fā)現生存時間為零則立即丟棄，而不用等到剝去鏈路層頭部再上傳到IP層才發(fā)現數據報無效。實現方法：由于在代碼中涉及數據鏈路層的處理比較少，但是可以調出AODV的報文信息，分析比特流得到IP層中的生存時間是否為O。4 基于仿真軟件NS2的模擬和仿真4.1 仿真軟件NS2的概況NS2是一個免費的網絡協(xié)議模擬與仿真軟件，在目前是通信和計算機網絡領域的協(xié)議研究的主流平臺之一。它采用開放體系結構，有大量的協(xié)議庫支持，廣泛應用于局域網、廣域網、蜂窩網和衛(wèi)星網絡模擬。NS2基于OTcl和C+兩種語言，其中C+是用于編寫和實現的，OTcl作為一個解釋器，來執(zhí)行用戶的命令腳本?；贜

14、S2 網絡仿真的一般步驟: 首先判斷NS2中是否包含需要仿真算法對應的功能模塊, 如果有, 則只需根據仿真需要編寫Tcl 測試腳本執(zhí)行, 然后分析實驗所記錄的數據, 得出結論; 如果不包含該功能模塊, 則必須對NS2 進行功能擴展, 構成新的NS2 仿真系統(tǒng), 再進行前述的工作。具體過程如下圖所示。圖3基于NS2 網絡仿真的一般步驟4.2 基于NS2的模擬和仿真4.2.1 模擬場景設置三個場景共同點1、 物理信道類型：WirelessChannel2、 無線傳輸模型：TwoRayGround（考慮到了地面反射路徑）3、 網絡接口類型：WirelessPhy4、 天線模型：OmniAntenna

15、5、 場景大?。?000m*1000m6、 節(jié)點停留時間：020s隨機選取7、 節(jié)點運動速度：0.5m/s10 m/s隨機選取8、 場景模擬時間：200s9、 數據流類型：CBR場景一：10個節(jié)點，最大允許同時生成6個CBR連接（節(jié)點數的五分之三）；場景二：50個節(jié)點，最大允許同時生成30個CBR連接（節(jié)點數的五分之三）；場景三：100個節(jié)點，最大允許同時生成60個CBR連接（節(jié)點數的五分之三）；10個節(jié)點50個節(jié)點100個節(jié)點4.2.2 仿真與結果分析過程協(xié)議修改前后采用同樣的隨機種子，使模擬場景相同，控制變量進行數據分析。目前對協(xié)議修改前后進行了如下性能分析：數據丟包率吞吐量端到端時延結果

16、：對于小規(guī)模（10個節(jié)點）的場景，以上性能幾乎沒有影響，而50和100個節(jié)點的場景分析現場演示。各運行時間信道吞吐量數據圖：圖10個節(jié)點圖50個節(jié)點圖100個節(jié)點分析：圖中紅色線條表示使用改進后的AODV進行模擬的結果，綠色線條則表示改進前。其中X坐標為模擬時間，Y坐標為信道吞吐量。信道的吞吐量，在節(jié)點數為10個節(jié)點時，信道的吞吐量協(xié)議修改前后的變化不大，主要是因為10個節(jié)點的時候，場景太大，節(jié)點之間距離過遠，無效節(jié)點較多，不管協(xié)議有否修改，對信道影響都不大，因此在10個節(jié)點時信道的吞吐量沒有很大差別。當節(jié)點數增加到50個節(jié)點時，修改后的AODV協(xié)議的信道吞吐量比原來的AODV協(xié)議有所增加，主

17、要表現：在信道過載后，吞吐量呈現下降的過程中，修改后的AODV協(xié)議的吞吐量都比原來的要高。當節(jié)點達到100個節(jié)點時，修改后的AODV協(xié)議比原來的協(xié)議有更大的吞吐量上限，這是因為修改后的協(xié)議有考慮報文對信道的影響，因此能夠達到更大的吞吐量上限。各運行時間時延數據圖：圖10個節(jié)點圖50個節(jié)點圖100個節(jié)點分析：圖中紅色線條表示使用改進后的AODV進行模擬的結果，綠色線條則表示改進前。其中X坐標為模擬時間，Y坐標為時延。由于加長了報文的長度，時延必然會略為加大。1）丟包率的比較：Number of nodesnumber of packets sentnumber of packets lostTh

18、e loss rate of packets10 (old)121280866.6667%10 (new)121280966.7492%50 (old)22326163407.3188%50 (new)23375170207.2813%100 (old)1136891376312.1058%100 (new)1102941377212.4866%分析：在協(xié)議改進過程中，沒有對報文轉發(fā)過程進行修改，不同節(jié)點數的丟包率在改進前后都沒有太大變化。2）路由開銷率比較：Number of nodesThe number of control_packerThe rate of control_packer10 (old)24724.6963583%10 (new)25922.3938236%50