金丽静 JIN Li-jing
（义乌工商职业技术学院，义乌 322000）
（Yiwu Industrial & Commercial College，Yiwu 322000，China）
摘要： 本文首先对MANET网络中三种典型的路由协议DSDV、DSR和AOVD进行简单介绍，然后利用网络仿真工具NS2对MANET网络中这三种路由协议在RPGM群组移动模型下和不同移动节点数下的平均吞吐量、平均端到端时延、分组投递率和路由开销的仿真结果进行分析。
Abstract： This paper introduces three kinds of typical routing protocols in MANET, DSDV, DSR and AOVD, and then analyzes the simulation results of the average throughput, average end-to-end delay, packet delivery fraction and normalized routing load under the RPGM group mobile model and different number of the mobile node of these three kinds of typical routing protocols in MANET by NS2 network simulation tool.
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关键词 ： MANET路由协议；NS2；群组移动模型；性能评估
Key words： MANET routing protocols；NS2；group mobile model；performance evaluation
中图分类号：TN929.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0213-03
作者简介：金丽静（1984-），女，浙江义乌人，助教，硕士学位，主要研究方向为网络与通信、电子商务。
0 引言
MANET（Mobile Ad-hoc Network）即移动自组网（self-configurable network）它是一种无需基础设施、分布式自组管理与控制、多跳的网络，其中的移动节点可以像路由器（router）一样接收和回复数据包[5]，因此，近年来被广泛应用于军事、自然灾害临时通信应急处理、野外科考等领域。MANET组网由于灵活快捷、基础设施投资少和高度动态拓扑结构的特点，其路由协议的开发和研究逐渐成为热点，协议性能的评估也日渐重要。但目前还没有足够的移动自组网设备，对于MANET的研究仍处于仿真阶段，所以越来越多的计算机网络模拟环境被广泛应用于路由协议性能测试与评估，例如NS2、OPNET等，这些网络仿真器既可以反映移动实体的环境，又实现了低成本、操控灵活方便的优点。
另一方面，在MANET网络仿真研究中，提出了多种节点移动模型，主要包括个体移动模型（如RWP模型）和群组移动模型（如RPGM模型）[2]。不同的节点移动模型对路由协议的性能评价具有不同的影响，因此，在分析MANET路由协议性能时，需要选择合适的移动模型。参考点群组移动模型（Reference Point Group Mobility, 简称RPGM）既反映了节点随机移动运动的特征，同时又描述了群组节点整体移动的特征，采用基于群组密度的方法来控制群组节点覆盖区域的大小[6]，适用于军事、救援和搜索行动中的群组节点模拟。本文针对RPGM模型展开对MANET路由协议行性能的分析。
1 MANET网络中三种典型的路由协议
路由协议是MANET网络的重要组成部分，也是影响网络整体性能最重要的因素之一。目前MANET网络的路由协议主要可以分为以下三种[4]：①先应式路由协议（Proactive），主要有DSDV、OLSR等协议。这种路由协议的特点是能够较快提供准确的路由信息，但是由于每个节点在本地必须周期性的广播最新变化的路由表，导致网络开销较大，适用于小规模的网络。②反应式路由协议（Reactive），主要有AODV、DSR和SSR等协议。与先应式路由协议相比，这种协议不需要周期的广播路由，从而有效节约了网络资源。但是路由查找目的节点过程有较大的延时。③混合式路由协议（Hybird），主要有ZRP、TORA等协议。它结合了前两种协议的优点，当目的节点较近时，采用先应式路由协议；当目的节点较远时，采用反应先路由协议。本文针对MANET网络中三种典型的路由协议DSDV、AOVD、DSR进行性能的评估与分析。
1.1 DSDV DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector）目的序号距离矢量路由协议它是由BFRA协议改进得到的，与传统的距离矢量路由协议相比，它通过在路由接口附加序列号的方法解决了网络中路由环路和无穷计数（counting to infinity）的问题。在DSDV路由协议中，每个节点都有一个路由表，其中保存了网络内部所有可能到达的目的节点路由、序列号、跳数和距离等信息，并且每个节点都会周期性地广播路由更新来确保网络的连通。
1.2 DSR DSR（Dynamic Source Routing）动态源路由协议是指在每一个数据分组的报头都带有完整的达到目的节点前的所有必经节点路径的列表。DSR是一种按需路由协议，这种协议不需要周期性的广播路由，所有状态都是按需建立的。当一个节点向另一个节点发送分组时,首先查询节点路由缓存中是否存在达到目的节点的有效路由。如果存在, 则使用这条路由, 否则就启动路由建立过程，这样就可以有效减少网络带宽的开销。
1.3 AOVD AODV（Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing）按需驱动距离矢量路由协议也是一种按需路由协议，它实现了单播和多播路由。从实质来说，它是DSDV和DSR的综合，以DSDV为基础，使用了DSDV的逐跳（hop-by-hop）路由、目的节点序列号和路由周期性更新机制，结合了DSR中路由发现（route discovery）和路由维护（route maintenance）的思想并加以改进。与DSDV相比，AODV使用基于按需路由来减少路由广播的次数；与DSR相比，AODV的源路由不用包括在每一个数据分组中，这样就可以使节点快速获得通向所需目的的路由，同时又不用维护当前没有使用的路由信息，从而使路由协议的开销大大降低。但AODV路由协议的缺点在于它不能处理非对称性链路，依赖于对称性的链路网络[7]。
2 性能评估指标
①为了评估不同种路由协议的性能高低，需要通过一些定量和定性的评估指标来判断和衡量。本文参照国内外文献给出四个评估性能的指标：
平均吞吐量（Average Throughput）是指从源节点到目的节点在单位时间内成功传送数据包的最大比特数，这指标常用于衡量通信流量高低的性能。
②平均端到端时延（Average End-to-End Delay）它反映了从源节点到目的节点间的所有可能的时延，包括传播和接收的时延、在路由发现期间数据包缓存的时延和接口队列排队的时延等。该指标用于衡量查找路由时间的快慢性和传送数据时延的长短性。本文采用Gorantala[4]提出的方程式来衡量端到端的时延，如图1所示。
③分组投递率（Packet delivery Fraction）它是成功接收分组总数和发送端产生的分组总数之比，其结果可以反映使用路由协议时支持的最大吞吐量[6]，分组投递率越高，说明分组丢失率少，路由的性能也越好。
④路由开销（Normalized Routing Load）是指在仿真过程中每发送一个数据分组，路由都需要控制数据分组的总数，控制信息越少，表明路由开销低，带宽和能耗也相应降低，则可以判断此协议执行效率高。本文采用Bojkovi[2]提出的方程式来衡量路由开销，如图2所示。
3 仿真环境及结果分析
3.1 仿真流程 NS2是一款面向对象的网络仿真器，它为有线和无线网络上的路由、TCP和多播等协议提供了较好的仿真环境。在使用NS2对协议进行仿真时，首先判断NS库里是否已经存在需要评估的协议，如果存在，就可以直接编写OTcl脚本语言调用协议对它进行仿真；如果不存在，就需要向NS库里添加协议。本文中所有评估的三个协议DSDV、DSR和AODV都在NS库中，所以可以直接调用协议。此外，本文针对RPGM模型进行路由协议性能评估，需要BonnMotion来产生群组移动场景模型，在NS2脚本语言中调用BonnMotion产生的场景文件后就可以直接进入仿真阶段，仿真结束后可直接对得到的数据进行分析。所得到的仿真结果（trace file）需要AWK程序进行数据的提取和处理，然后使用Gnuplot绘图工具将提取出来的数据绘制成更为直观的二或三维的图形。
3.2 仿真参数设置 本文所设定的仿真场景在一个1000 m×1000 m的区域内，仿真时间持续进行300秒。NS2中的CBR数据流产生模型将作为产生流量的工具，为了得到不同的网络负载量，实验中将分成20, 40, 60, 80 和 100个节点这5个场景进行模拟，暂停时间和最大移动速度将设成固定值。仿真实验采用RPGM移动模型，每个数据包从随机的位置以0-20m/s的速度移动到下一个节点，当数据包到达目标节点后，将在暂停一段时间后随机移动到下一个节点。具体参数值如表1所示。
3.3 仿真结果
3.3.1 平均吞吐量 图3中反映的是整个仿真过程中平均吞吐量,我们可以看到在RPGM模型中，当移动节点小于60的时候，按需路由DSR和AODV协议的吞吐量高于DSDV协议。但是，当移动节点大于60的时候， DSDV协议吞吐量反而高于DSR和AODV协议。从结果可以看出先应式路由协议DSDV表现出较强的稳定性，吞吐量随着节点的增多而无明显变化。
3.3.2 平均端到端时延 图4给出了三个路由协议平均端到端时延的仿真结果，当移动节点小于60时，AODV和DSR协议平均端到端时延无明显变化；当移动节点大于60时，AODV协议平均端到端时延有明显上升，于AODV相比，DSR协议平均端到端时延上升趋势较小。DSDV协议当节点大于60的时候出现小幅的上升。
3.3.3 分组投递率 图5是三个路由协议分组投递率的比较，从这个图上我们可以看出，在RPGM模型中，当移动节点数大于60时，DSDV协议的分组投递率要优于DSR和AODV协议，DSDV协议的丢包率较低。
3.3.4 路由开销 图6指出了三种路由协议开销的关系，从图片上我们可以看出，三种路由协议的开销有明显的差别，DSDV协议开销最小。当移动节点数在40到80区间时，DSR协议的路由开销最小。当移动节点数目大于60时，AODV协议的路由开销明显增大。
4 结论
本文使用NS2仿真工具对MANET网络中三种典型的路由协议DSDV、DSR和AODV进行仿真，比较分析这三种协议在不同移动节点数目下的平均吞吐量、平均端到端时延、分组投递率和路由开销的结果。其结果表明，在RPGM群组移动模型下，当移动节点数较少时，DSR和AODV协议的平均吞吐量和分组投递率要优于DSDV；当移动节点数较多时，DSDV协议的平均端到端时延和路由开销要优于DSR和AODV。但总体上来说，先应式路由协议的执行效率要高于反应式路由协议。因此，我们应当根据不同情况来选择合适的路由协议。
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参考文献：
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[4]Gupta S. K. & Saket. R. K.. Performance metric comparison of AODV and DSDV routing protocols in MANETs using NS2 [J].IJRAS Journal， 2011.
[5]Sharma A. k. & Bhatia N.. Behavioral Study of MANET Routing Protocols by using NS-2[J]. International Journal of Computational Engineering and Management, 2011(12).
[6]彭辉，沈林成，等.一种Ad Hoc网络群组移动模型[J].软件学报，2008（11）.
[7]孙晓红，李建东，等.Ad Hoc中的常用路由算法分析[J].现代电子技术，2003（13）.