【前沿】基于OPNET的移動(dòng)自組網(wǎng)路由協(xié)議性能仿真分析

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自組網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能地位對(duì)等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都同時(shí)具備路由器和主機(jī)功能，節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)助，經(jīng)過(guò)多跳傳遞信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具備移動(dòng)能力時(shí)則演變?yōu)橐苿?dòng)自組網(wǎng)（MANET），因此為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓陀邢薜臒o(wú)線信道帶寬，選擇合適的路由協(xié)議在MANET中至關(guān)重要，自組織及自修復(fù)能力是MANET路由協(xié)議必須具備的。目前使用較多的協(xié)議有AODV、DSR、OLSR、TORA、GRP、GPSR等。文獻(xiàn)[1]中將現(xiàn)有自組網(wǎng)協(xié)議分為基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基于地理位置、分層和群智能等幾大類。本文主要研究分析基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的幾種路由協(xié)議性能。其中分為主動(dòng)式（OLSR、DSV）、反應(yīng)式（DSR、AODV）和混合式（ZRP、TORA）三種。

主動(dòng)式路由協(xié)議又被稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議或先驗(yàn)式路由協(xié)議。其原理是使用主動(dòng)式路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都主動(dòng)創(chuàng)建并維護(hù)路由表，這張表中包括全網(wǎng)中所有可到達(dá)節(jié)點(diǎn)的路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)需求時(shí)，可以通過(guò)查詢本地節(jié)點(diǎn)路由表獲得目的節(jié)點(diǎn)的路由信息。使用此類路由協(xié)議時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)首先更新本地路由表信息，然后將自身節(jié)點(diǎn)路由變化信息向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳遞。在主動(dòng)式自組網(wǎng)路由協(xié)議中,鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OptimizedLink State Routing,OLSR)[2]比較典型的。

OLSR協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在分析路由信息變化時(shí)，會(huì)采用一種多點(diǎn)中繼（Multi-PointRelay,MPR）的方式來(lái)控制鏈路狀態(tài)信息泛洪的范圍，以減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由信息流量。文獻(xiàn)[3]在OLSR協(xié)議基礎(chǔ)上提出了一種增強(qiáng)的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，能夠有效地避免在無(wú)線環(huán)境中由影響網(wǎng)絡(luò)性能的單向鏈路。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于鏈路穩(wěn)定性的MPR算法，延長(zhǎng)了MPR節(jié)點(diǎn)集有效時(shí)間，降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/span>

反應(yīng)式自組網(wǎng)路由協(xié)議又被稱為按需型路由協(xié)議。是專門為了適應(yīng)MANET的生存和運(yùn)用環(huán)境及降低主動(dòng)式路由協(xié)議帶寬消耗二提出的。其原理與主動(dòng)式路由協(xié)議截然不同，反應(yīng)式路由協(xié)議并不主動(dòng)生成及維護(hù)路由，只是在源節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送需求時(shí)才去發(fā)現(xiàn)及維護(hù)本節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的路由信息。因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的路由信息是根據(jù)本地節(jié)點(diǎn)傳輸需求而建立的。此種網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的路由信息只是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一部分。Ad-hoc按需距離矢量路由(AODV)AODV、動(dòng)態(tài)源路由(DSR)[3]等都是目前常用的反應(yīng)式路由協(xié)議。文獻(xiàn)[5]中將AODV協(xié)議和DSR協(xié)議進(jìn)行了性能比較,其仿真結(jié)果分析研究表明,在包傳輸率、端到端時(shí)延和平均數(shù)據(jù)吞吐量3個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)上,AODV協(xié)議的表現(xiàn)均優(yōu)于DSR協(xié)議。

混合式路由是通過(guò)在限定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和范圍內(nèi)，將上述兩種路由協(xié)議結(jié)合使用。在網(wǎng)絡(luò)局部小范圍內(nèi)，自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用主動(dòng)式路由，該節(jié)點(diǎn)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確路由信息，小范圍內(nèi)能夠快速查詢路由信息，減小路由表維護(hù)開銷并縮小路由發(fā)現(xiàn)消息的傳播范圍。此時(shí)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)維護(hù)其局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的路由信息，該區(qū)域內(nèi)的拓?fù)涓乱鸸?jié)點(diǎn)路由信息更新。而當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)或網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)較大時(shí)，通過(guò)反應(yīng)式路由進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。目前常用的混合式路由協(xié)議主要有ZRP、TORA等。

OPTNET起源于麻省理工學(xué)院，該公司于1987年發(fā)布了第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能仿真軟件，它向廣大網(wǎng)絡(luò)研究及工程人員提供了一個(gè)重要的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化仿真工具，使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的預(yù)測(cè)性管理和仿真研究成為可能。該軟件包是世界上幾大著名網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)之一，可以準(zhǔn)確的分析預(yù)測(cè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。其中Modeler能夠應(yīng)用在端到端結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)級(jí)仿真、協(xié)議開發(fā)和優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)層配合等各種網(wǎng)絡(luò)研究應(yīng)用領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)如下：

（1）層次化網(wǎng)絡(luò)建模機(jī)制。如圖1所示，采取網(wǎng)絡(luò)（network）、進(jìn)程（process）、節(jié)點(diǎn)（node）三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，其中進(jìn)程為最小建模單元，模擬單個(gè)模塊的行為，多個(gè)模塊組成設(shè)備，建模中實(shí)例化為節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)互聯(lián)組成網(wǎng)絡(luò)。

圖1 OPNET三層結(jié)構(gòu)

（2）有限狀態(tài)機(jī)（FSM）編程。在進(jìn)程層次中，使用有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和C/C++語(yǔ)言對(duì)進(jìn)程的行為和協(xié)議功能進(jìn)行編寫和模擬，用戶可以靈活的修改、定制模塊功能。

（3）靈活多樣的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)手段。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型中已經(jīng)預(yù)定義了大量的常用統(tǒng)計(jì)量，除此之外使用者還可以根據(jù)實(shí)際需求，在仿真網(wǎng)絡(luò)的任意位置插入標(biāo)準(zhǔn)的或用戶預(yù)定義的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)探頭來(lái)采集數(shù)據(jù)，并以此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析?？梢酝ㄟ^(guò)圖形化或數(shù)字的方式顯示通過(guò)預(yù)制或用戶自定義探頭得到的仿真數(shù)據(jù)輸出，更加便于使用者觀察。

（4）全面支持協(xié)議編程。OPNET提供了眾多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，因此對(duì)于大部分已經(jīng)成熟應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無(wú)需進(jìn)行額外編程。軟件支持400多個(gè)庫(kù)函數(shù)，更加便于開發(fā)人員在現(xiàn)有協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行自定義模型開發(fā)及現(xiàn)有協(xié)議的改進(jìn)。

本文場(chǎng)景為理想環(huán)境，地形平坦開闊且沒有突出障礙物，區(qū)域覆蓋范圍為1000mx1000m的矩形，網(wǎng)絡(luò)由16個(gè)自組網(wǎng)設(shè)備組成，將其中14個(gè)設(shè)置為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，采用隨機(jī)路徑點(diǎn)移動(dòng)模型，運(yùn)動(dòng)速度分別為1m/s，2m/s，4m/s，10m/s[2]，在兩個(gè)固定節(jié)點(diǎn)間配置1條數(shù)據(jù)傳輸鏈路，速率為2Mbps。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)通信最大范圍為30０ｍ，網(wǎng)絡(luò)傳輸模式選用802.11ｇ技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，傳輸層采用UDP協(xié)議。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>

本文選擇反應(yīng)式的AODV協(xié)議與主動(dòng)式的OLSR協(xié)議為研究對(duì)象，主要目的：一是通過(guò)設(shè)置節(jié)點(diǎn)故障，比較兩種協(xié)議在拓?fù)渥兓瘯r(shí)引起的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延及路由負(fù)載開銷；二是通過(guò)比較協(xié)議在不同移動(dòng)速度下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓倪m應(yīng)能力。重點(diǎn)對(duì)比路由跳數(shù)、路由發(fā)現(xiàn)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)延遲。

仿真參數(shù)詳情見表1。

表1仿真參數(shù)設(shè)置

首先將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為0m/s，在仿真時(shí)間300s時(shí)，將節(jié)點(diǎn)mobile_node_9設(shè)置為故障，故障時(shí)間持續(xù)到仿真結(jié)束。仿真開始后，AODV和OLSR兩種協(xié)議都按照最小跳數(shù)的原則將路由選擇為：node_0->mobile_node_9->mobile_node_6->node_1。由于節(jié)點(diǎn)故障，如圖3所示，在仿真時(shí)間300s時(shí)路由變化為：node_0->mobile_node_8->mobile_node_5->

mobile_node_2->node_1。如圖4所示，AODV協(xié)議不維護(hù)全局路由表，只是按需發(fā)起路由，所以在節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，源節(jié)點(diǎn)重新建立新路由的過(guò)程會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)增加，而OLSR協(xié)議只需在全局路由表中選擇備選路由，所以并未引起數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的增加。

從圖5也可以得出反應(yīng)式的AODV協(xié)議只有在發(fā)起路由時(shí)路由開銷才會(huì)增加，而主動(dòng)式的OLSR需要周期性的維護(hù)全局路由，其路由開銷不會(huì)發(fā)生變化，而且明顯高于AODV協(xié)議。

圖3 路由變化

圖4 節(jié)點(diǎn)故障下的傳輸時(shí)延

圖5 節(jié)點(diǎn)故障下的路由開銷

保持其他參數(shù)不變，依次設(shè)置節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為1m/s、2m/s、4m/s、10m/s,對(duì)AODV、OLSR兩種協(xié)議的傳輸時(shí)延、平均時(shí)延抖動(dòng)和路由開銷進(jìn)行比較分析。從圖6和圖7中可以看出，網(wǎng)絡(luò)在使用AODV協(xié)議時(shí)，其時(shí)延和抖動(dòng)都明顯高于OLSR協(xié)議，并且隨著節(jié)點(diǎn)速度增加，使用AODV協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)上升更加明顯。

在路由開銷方面，由于AODV協(xié)議是反應(yīng)式路由協(xié)議，因此只有在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中才會(huì)產(chǎn)生路由開銷，如圖8所示，其路由開銷明顯小于OLSR協(xié)議。同時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度的提高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化更加劇烈，AODV協(xié)議的路由開銷也伴隨上升，而由于OLSR協(xié)議屬于主動(dòng)式路由協(xié)議，其特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期性主動(dòng)維護(hù)路由表，其路由開銷并未隨由節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度而明顯上升。

圖6 傳輸時(shí)延

圖7 平均延時(shí)抖動(dòng)

圖8 路由開銷

本文主要對(duì)比研究AODV、OLSR兩種自組網(wǎng)協(xié)議的時(shí)延、抖動(dòng)和路由開銷三個(gè)技術(shù)指標(biāo)。首先在靜止節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下通過(guò)設(shè)置故障節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了反應(yīng)式路由與主動(dòng)式路由的不同工作機(jī)制所引起的性能差異。然后對(duì)比研究了兩種協(xié)議在不同速度下的性能表現(xiàn)。從仿真結(jié)果分析得出結(jié)論，OLSR協(xié)議的傳輸時(shí)延和抖動(dòng)明顯優(yōu)于AODV協(xié)議，適用于時(shí)延要求高和節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度快的自組網(wǎng)，雖然AODV協(xié)議路由開銷隨著節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度提高有所提升，但是在靜止或低速時(shí)明顯優(yōu)于OLSR協(xié)議，適用節(jié)點(diǎn)靜止或低速運(yùn)動(dòng)的，時(shí)延要求低、網(wǎng)絡(luò)流量受限的自組網(wǎng)。