同構(gòu)及異構(gòu)移動(dòng)自組網(wǎng)中AODV路由協(xié)議的性能分析

引 言

移動(dòng)自組網(wǎng)是由一系列移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，它不依賴任何已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施或集中的管理控制中心，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化且任意分布，節(jié)點(diǎn)間通過無線方式互連，節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)通信的主體又充當(dāng)路由器的角色，因此，其在軍事通信、野外通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景 [1]。在移動(dòng)自組網(wǎng)的研究和開發(fā)過程中，涉及路由協(xié)議、MAC 層、QoS、功率控制、數(shù)據(jù)安全等關(guān)鍵技術(shù)，其中路由協(xié)議是人們研究的重點(diǎn)，由此提出了一系列路由協(xié)議，如 DSR、DSDV、AODV 等。

按照路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，自組網(wǎng)的路由協(xié)議可以分為主動(dòng)路由協(xié)議和被動(dòng)路由協(xié)議 [2]。由于移動(dòng)自組網(wǎng)存在著動(dòng)態(tài)多變的特性，主動(dòng)路由協(xié)議對于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)來說有著明顯的缺陷，因此實(shí)際中經(jīng)常使用被動(dòng)路由協(xié)議。在被動(dòng)路由協(xié)議中應(yīng)用最廣泛的是AODV 路由協(xié)議。AODV 路由協(xié)議是在主動(dòng)路由協(xié)議DSDV 的基礎(chǔ)上，結(jié)合了早期按需路由協(xié)議DSR 中的按需路由機(jī)制提出的，比較適合網(wǎng)絡(luò)呈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸要求，不必維護(hù)到達(dá)所有節(jié)點(diǎn)的路由，僅在沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由時(shí)才按需進(jìn)行路由獲取，從而有效地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源[3]。

從網(wǎng)絡(luò)的組成形式上來分，移動(dòng)自組網(wǎng)可分為開放式和封閉式兩種，開放式自組網(wǎng)是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而封閉式的則是同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[4]。相對來講，開放式移動(dòng)自組網(wǎng)在滿足用戶需求方面比封閉式更有優(yōu)勢，因?yàn)樵诤芏鄨龊?，用戶很難找到一個(gè)封閉的移動(dòng)自組網(wǎng)，如網(wǎng)絡(luò)銀行、在線訂票、電子購物等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并非在自組網(wǎng)中運(yùn)行，而開放式的自組網(wǎng)可以借助已有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境組建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。因此開放式自組網(wǎng)能夠?yàn)榻鉀Q現(xiàn)實(shí)問題提供更多的幫助。

移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度、網(wǎng)絡(luò)流量和節(jié)點(diǎn)的分布密度是影響路由協(xié)議性能的主要因素 [5]。在一個(gè)具體的自組網(wǎng)場景中，若節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度不同，那么網(wǎng)絡(luò)性能的結(jié)果也將不同。本文將通過仿真的方法分別分析同構(gòu)及異構(gòu)自組網(wǎng)中移動(dòng)速度對AODV路由協(xié)議性能產(chǎn)生的影響。

1 仿真設(shè)計(jì)

為了能夠獲取分析AODV性能所需數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了三個(gè)移動(dòng)自組網(wǎng)場景，場景 1的節(jié)點(diǎn)均在同一個(gè)自組網(wǎng)中通信； 場景 2的節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)自組網(wǎng)和一個(gè)無線網(wǎng)之間通信；場景3的節(jié)點(diǎn)可以在自組網(wǎng)、無線網(wǎng)和有線網(wǎng)之間互相通信。場景一代表了同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，場景 2 和場景 3代表了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。場景 1中設(shè)置了5個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，場景 2中設(shè)置了5個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和2 個(gè)無線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，場景 3 中設(shè)置了 5 個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、2 個(gè)無線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)有線局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。利用OPNET 軟件建立了這三個(gè)仿真場景，分別如圖 1、圖 2、圖 3 所示。節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率、傳輸速率等相應(yīng)的仿真參數(shù)見表 1 所列，每個(gè)場景中均以不同的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度進(jìn)行多次仿真，移動(dòng)速度等相關(guān)參數(shù)見表 2 所列。

圖 27個(gè)節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真場景

圖 38個(gè)節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真場景

2 仿真結(jié)果與分析

仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是分析討論移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度在同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中對AODV 路由協(xié)議的影響問題。按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，獲取所需的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上依據(jù)合適的性能指標(biāo)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析討論。

2.1 性能指標(biāo)

性能指標(biāo)是指用來評估一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體性能的重要參數(shù)， 在具體背景下選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)有助于提高網(wǎng)絡(luò)的有效性、效率以及性能。通常衡量一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)包括吞吐量（throughput）、端到端時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、分組投遞率（PDR）等?；诒疚牡难芯磕康?，在此選擇吞吐量和包投遞率作為衡量性能的主要指標(biāo)。

吞吐量是反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，反映了網(wǎng)絡(luò)中一條信道在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所使用部分占總?cè)萘康谋嚷?，包含了?shù)據(jù)分組是否被成功傳輸?shù)男畔6]。對于移動(dòng)自組網(wǎng)來講，吞吐量越大對自組網(wǎng)上的應(yīng)用運(yùn)行越有利[7]。吞吐量被定義為在單位時(shí)間內(nèi)通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)（或信道，接口）的成功傳輸?shù)钠骄鶖?shù)據(jù)量，比如通過物理鏈路、邏輯鏈路甚至某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量[8]。吞吐量可以通過測量在某條信道目的節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)總量來獲得，單位為bit/s。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)帶寬或網(wǎng)絡(luò)額定速率的限制[9]。例如，對于一個(gè) 100 Mb/s 的以太網(wǎng)， 其額定速率為 100 Mb/s，那么該數(shù)值也是該以太網(wǎng)吞吐量的絕對上限值。因此，對 100 Mb/s 的以太網(wǎng)，其典型的吞吐量可能只有 70 Mb/s。

分組投遞率（Packet Delivery Ratio，PDR）是評估一個(gè)路由協(xié)議是否可靠的重要指標(biāo)，指目的節(jié)點(diǎn)成功接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的總數(shù)之比，計(jì)算公式如式（1）：

PDR=（r/n）100%（1） 其中，r為目的節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，n為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。

2.2 仿真結(jié)果

吞吐量是仿真實(shí)驗(yàn)獲得的一個(gè)重要性能參數(shù)，可以用它來衡量路由協(xié)議的有效性。圖 4顯示的是在三個(gè)仿真場景中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對于網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響情況。由圖 4可知，綜合不同移動(dòng)速度的情況，場景 1 的吞吐量比場景 2 大約高 21%， 比場景 3 大約高 38%，說明同構(gòu)自組網(wǎng)比異構(gòu)自組網(wǎng)的吞吐量更大。從仿真結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，場景 1、場景 2 和場景 3 的吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加均呈現(xiàn)下降趨勢，是因?yàn)樵谝苿?dòng)速度較高的情況下，會(huì)產(chǎn)生較高的丟包率。丟包的原因在于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度和方向的變化而造成的高路由開銷，而移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致路由開銷隨之增大。

圖 5顯示了在三個(gè)仿真場景中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度對分組投遞率 PDR的影響。綜合 5種不同移動(dòng)速度（1m/s、5m/s、10 m/s、15m/s、20m/s）下的表現(xiàn)，場景 1的分組投遞率分別比場景 2和場景 3高出 5% 和 46%。說明了同構(gòu)移動(dòng)自組網(wǎng)比異構(gòu)自組網(wǎng)有更高的分組投遞率。由圖 5 可知，場景 1和場景 2的分組投遞率明顯比場景 3高，場景 2和場景 3雖然均為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但場景 2在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上比場景 3簡單，相比場景 1來說，場景 2 不包含有線局域網(wǎng)，這使得其分組投遞更容易成功。同時(shí)，還可由圖 5 發(fā)現(xiàn)，對于任何一個(gè)單獨(dú)的場景來說，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的增加，分組投遞率均呈現(xiàn)下降趨勢。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。不僅僅是移動(dòng)速度，節(jié)點(diǎn)數(shù)量也會(huì)影響數(shù)據(jù)的有效傳輸，都會(huì)使得數(shù)據(jù)分組在傳輸時(shí)更容易發(fā)生碰撞。比如場景 3 的節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多，其投遞率就更低，而這也是從圖 5 中看，場景 3 比場景 1 和場景 2 的投遞率更低的原因。

圖 4 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度與吞吐量的關(guān)系

圖 5 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度與分組投遞率的關(guān)系

3 結(jié) 語

AODV 是一種適用于移動(dòng)自組網(wǎng)的典型按需路由協(xié)議，

本文通過仿真方法研究了AODV 協(xié)議在同構(gòu)和異構(gòu)自組網(wǎng)的性能表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度對于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的吞吐量和分組投遞率有很大影響，移動(dòng)速度的增加會(huì)導(dǎo)致吞吐量及分組投遞率的下降。此外，研究還表明， AODV協(xié)議在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出來的性能要優(yōu)于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的性能，意味著當(dāng)前的AODV 協(xié)議在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的自適應(yīng)性還有所欠缺。本文的研究結(jié)果將有助于尋找提高AODV 協(xié)議在自組網(wǎng)中性能、突破現(xiàn)存局限性的途徑。