MANET中节点驻留时间对路由协议性能的影响

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　　摘 要：为了研究AODV，DSR和DSDV三种路由协议在MANET中运行恒定比特率FTP业务条件下的性能表现，使用NS仿真软件通过计算机仿真方法建立仿真模型，配置网络业务，运输层分别使用TCP协议和UDP协议对网络运行时的分组投递率和端到端时延等性能指标进行仿真分析。通过仿真分析发现，UDP通信时，DSR具有更高的分组投递率和更小的端到端时延;对于TCP传输而言，AODV比DSR和DSDV在分组投递率和端到端时延方面更有优势。所得结果对特定场合下MANET选择合适的路由协议具有指导意义，为进一步改进路由协议提供了参考依据。
　　关键词：MANET;路由协议;AODV;DSR;DSDV;仿真
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-03
　　0 引 言
　　移动自组网（Mobile Ad Hoc Network，MANET）是无需任何集中物理基础设施的自组织网络，组成网络的多个节点之间可以互相通信[1]。近些年，由于无线设备的大量使用，人们对MANET的兴趣也迅速增长。MANET组建容易，且其无基础设施特性对于现代多媒体系统通信具有极大的吸
　　引力[2]。
　　移动自组网需要自主可靠的协议才能顺利运行，由于它们集中的配置，网络结构经常发生变化[3]。移动自组网络中必不可少的是路由协议，路由协议的主要目的是为数据传输确定路径。高效的数据传输协议是保证自组网性能的关键。自组网的自组织特征使得它们更适合于按需网络连接，例如发生自然灾害的抢险救灾场合、野外地区。
　　路由协议的作用是为网络数据传输选择合适的路径，由于移动自组织网络的拓扑结构动态变化，所以路由协议对于其性能的影响较大[4]。
　　本文的目的是在移动自组网运行恒定比特率的FTP业务条件之下，评估分析AODV，DSR和DSDV三种路由协议的性能，探讨MANET节点的驻留时间变化时，网络运行TCP和UDP业务的性能表现。
　　1 MANET典型路由协议
　　MANET的路由协议按照驱动模式的不同可以分为表驱动路由协议、按需路由协议[5]。
　　表驱动类路由协议又被称为先验式路由协议，每个节点事先计算好路由并储存在路由信息表中，对路由表按固定周期进行更新。
　　按需路由协议无需一直保存路由信息，只有当节点有通信需求时才会按照需要建立路由[5]。
　　1.1 DSR协议
　　DSR协议是一种基于源路由方式的按需路由协议。源节点掌握从它到目标节点完整的逐跳路由信息。路由信息储存在节点的路由缓存中，发送数据时每个数据包的包头中都包含完整的路由信息。所经路径的逐跳节点仅对数据包进行中继转发，无需实时维护网络拓扑信息[6]。当MANET中的源节点需要发送数据时，首先发送路由请求（RREQ）数据包，一旦节点收到后会将其转发到邻居节点，直到找到目的节点。当目的节点最终接收到此RREQ数据包时，会返回一个RREP数据包到源节点进行确认。如遇到路由中断，则源节点将收到警报路由错误（RERR）数据包。
　　1.2 DSDV协议
　　DSDV是逐跳距离矢量路由协议，它是基于传统Bellman-Ford路由选择机制的先验式路由算法，需要每个节点周期广播路由更新。它相对传统距离矢量协议的优越性在于可保证网络中无环路，在网络中保存路由表。路由表中含有所有目的节点及到节点的距离信息，通过网络周期性广播来维持网络中节点的连通性[7]。
　　1.3 AODV协议
　　AODV是一种按需驱动路由协议，它借鉴了DSDV和DSR的优点，采用DSDV逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制与DSR协议类似的广播式路由发现机制。AODV只在需要時广播路由信息，保持需要的路由，无需维护通信过程中未激活的节点路由，从而减少广播量[8]。
　　2 仿真设置
　　2.1 仿真环境与参数
　　利用仿真软件NS建立仿真环境，主要参数见表1所列。在仿真环境中运行恒定比特率的FTP文件传输业务，场景面积、节点数量和移动速度固定不变，通过调整节点移动期间的驻留时间来观测其对AODV，DSDV和DSR这三种路由器协议性能的影响。
　　2.2 评价指标
　　（1）分组投递率
　　分组投递率（Packet Delivery Fraction，PDF）即目的节点收到分组数目与源节点产生分组数目的比值[9]。该指标表明了路由协议的有效性和适应网络变化的能力，反映了协议的完整性和正确性[10]。分组投递率的计算见式（1）：
　　（1）
　　式中：r为目的节点成功收到的数据包个数;n为源节点发送的数据包总数。
　　（2）端到端时延
　　端到端时延（End-to-End Delay，E2ED）表示分组从源节点发出到目的节点接收所经历的时间平均值，包括分组发送时延、路由查找时延、数据分组的排队时延、分组处理时延、传播时延等所有时延之和，它反映了路由协议的有效性。端到端时延的计算见式（2）：
　　（2）
　　式中：Tr表示目的节点分组接收时间;Ts表示源节点分组发送时间。
　　3 仿真结果
　　图1所示为移动自组织网络在使用AODV路由协议的情况下，其分组投递率与驻留时间的关系。由图1可知，相比于TCP通信，采用UDP通信方式进行数据传输的分组投递率较高。原因在于UDP无流量控制且在传输数据过程中无需对方确认。同时，由于UDP传输的“单向特性”，即使驻留时间增加也不会影响分组投递率。但是TCP通信的分组投递率会随着驻留时间的增加而略微提高。仿真表明，在AODV路由协议下，UDP方式的分组投递率约为99%，而TCP约为96%。 　　图2所示为移动自组织网络在使用DSR路由協议的情况下，其分组投递率与驻留时间的关系。图2显示，使用UDP方式进行数据传输时，DSR路由协议可以为网络提供较高的分组投递率，相对来讲，TCP方式传输的分组投递率低得多。这是由于TCP协议使用了流量控制和拥塞控制造成的。驻留时间的增加并不会影响到DSR方式的UDP通信量，原因在于DSR自身具备缓存数据包的特性，可以把路由发现阶段丢弃的包暂存起来。但在使用TCP方式传输时，驻留时间的增加会使得分组投递率显著下降。这种情况可能是由于TCP的拥塞控制机制作用的结果，因为驻留时间的增加造成了某些特定时间会有一些节点聚集，从而产生拥塞。待拥塞控制机制激活后，将采取措施降低分组投递的数量。对于使用DSR协议的自组网而言，UDP方式的分组投递率几乎为100%，而TCP为60%～70%。
　　DSDV分组投递率与驻留时间的关系如图3所示。DSDV作为一种主动路由发现协议，可以保证路由在需要的时刻总是有效。当驻留时间临近150 s时，分组投递率逐渐增高，原因在于DSDV不会在路由发现阶段丢弃数据包。而采用TCP通信的分组投递率在驻留时间增加时几乎无变化。自组网采用DSDV作为路由协议时，TCP通信的分组投递率大约为95.5%，UDP通信的分组投递率随着驻留时间的改变先降低后升高，由97%降为95%，随后升高至100%，平均约为96%。
　　图4显示自组网使用AODV协议的情况下，UDP的端到端时延比TCP低很多，因为数据传输过程中UDP数据无需等待确认，而TCP需要确认后才能继续发送，驻留时间增加使得延时升高。图5显示自组网使用DSR协议时，UDP的端到端时延比TCP低，原因和前述情况一样，且UDP的端到端延时未受驻留时间的影响。相反，TCP通信的延时随着驻留时间的增加有明显的起伏波动。图6显示自组网使用DSDV协议时，UDP通信在端到端时延上的表现明显比TCP更好且更稳定。随着驻留时间的增长，TCP通信的时延平均来看是增长的，原因在于从发送端到接收端的路由距离会比较频繁地发生变动。
　　综合比较上述三种路由协议的仿真数据，多数情况下，DSR协议的TCP通信延时最短，这主要得益于DSR是一种源路由协议，目的节点在返回确认信息时，无需重新计算反向路由，从而节约了时间。其余两种路由协议，DSDV的延时略高于AODV延时，原因在于TCP协议的拥塞控制和流量控制措施会在DSDV的控制信息过载时限制源节点继续向网络发送数据包。
　　DSDV协议的UDP通信时延小且稳定，是因为DSDV是主动式路由协议，主机发送数据时所需的路由已被事先计算好。相较而言，AODV和DSR协议的UDP业务时延比DSDV高，因为它们属于反应式路由协议，路由发现阶段要耗费一定的时间;而在这两种路由协议中，DSR因为具有路由缓存特性，所以它比AODV的时延小一些。
　　4 结 语
　　本文详细分析了不同驻留时间对数据传输的影响，发现利用UDP通信时，DSR具有更高的分组投递率和更小的端到端时延。而对于TCP传输而言，AODV比DSR和DSDV在分组投递率和端到端时延上表现更优越。所得结果对特定场合下MANET选择合适的路由协议具有指导意义，为进一步改进路由协议提供了参考。
　　参考文献
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　　作者简介：蒋华龙（1979—），男，河南南阳人，硕士，主要研究方向为无线通信网络。
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