基于OPNET仿真平台的MANET路由协议性能分析

摘要：MANET的特殊性决定了其路由协议的重要性。为了提高MANET路由协议性能，通过比较现有的两种典型MANET路由协议AODV协议和DSR协议，采用图形化界面的OPNET作为仿真工具，通过仿真结果的比较、分析，获得了与理论分析基本相一致的结果，即AODV协议的性能总体上优于DSR协议，并且AODV协议更适合于规模较大的MANET网络。仿真结果为后续提出优化路由协议和对现有协议改进工作提供了有效的仿真依据。
关键词：路由协议；MANET；OPNET仿真平台；DSR

0 引言
    随着无线通信技术的不断发展，一种新型的无线网络即移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network，MANET)成为了研究热点。移动Ad Hoc网络是由一组移动节点形成的一个多跳的、临时性的自治系统。由于Ad Hoc网络具有分布性、动态性、自治性、易构性和移动性，使得无线移动Ad Hoc网络可以广泛应用于军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、紧急通信等领域。然而，Ad Hoc网络有其特殊的局限性，如有限的带宽、高动态的网络拓扑结构、链路干扰、链路的有限范围以及广播等特性。使得建立可靠快速高效的路由协议成了当前研究的热点之一。

1 MANET的路由协议
    MANET的路由协议大致分反应式(Reactive)路由协议和先验式(Proactive)路由协议。
1．1 反应式路由协议
    反应式路由协议又称为按需路由协议，是一种当需要发送数据才查找路由的路由算法。在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。
    目前应用较广的反应式路由协议有DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad Hoc On Demand Distance Vector)。DSR协议使用源路由，主要包括路由发现和路由维护两部分。节点发送数据时，首先检查缓存中是否存在未过期的到达目的节点的路由，存在就可直接使用，否则采用洪泛发实现路由发现过程。
    AODV是基于距离矢量的算法，与DSR不同之处在于：AODV只保持需要的路由。它使用目的端顺序号来避免产生无效路径，而不使用周期更新的办法。当某个节点有路由需求时，该节点产生一个REEQ，并向临时节点广播，一直到目的节点接收到为止，然后目的节点回送RREP信号，直到源节点为止。在维护过程中通过周期广播HELLOW信号来表明某节点的存在。
    除此以外，反应式的路由协议还有很多，诸如：临时按序路由协议(TORA)、逐段路由协议(SSR)等。
1．2 先验式路由协议
    先验式路由协议又称为表驱动路由协议，在这些协议中，每个节点维护一张包含到其他节点路由信息的路由表，当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息，收到更新消息的节点更新自己的路由表。源节点一旦要发送报文，可以建立立即获取到达目的节点的路由。目前主流的表驱动路由协议有DSDV(Destimation Sequenced Distance Vector)和WRP(Wireless Routing Protocol)。DSDV是对Bellman Ford路由算法的改进，加入了避免路由环路机制，每个节点都保存一张路由表，路由表中包含所有节点及其距离信息，通过广播来维持网络节点的连通性，同时使用目的节点序列号来区别新旧路由。而WRP路由算法同样是对路径发现算法PFA的改进，它利用去往节点的路径长度和相应路径到达倒数第二跳节点信息加速路由协议的收敛速度，从而实现改进路由环路问题。

2 OPNET仿真平台
    目前众多的专用网络仿真软件中有软件公司开发的商用软件，也有各大学和研究所自行开发的科研用软件。
     OPNET是一种优秀的网络仿真和建模工具，支持面向对象的建模方式，并提供图形化的编辑界面，便于用户使用。它强大的功能和全面性几乎可以模拟任何网络设备，支持各种网络技术，除了能够模拟固定通信模型外，OPNET的无线建模器还可用于建立分组无线网和卫星通信网的模型。此外，功能完善的结果分析器为网络性能的分析提供了有效又直观的工具。OPNET的Molder是专门用于可视化原型设计的软件，它的使用既方便了网络模型的建立，又减少了编程的工作量。Molder中提供多种编辑器帮助用户完成网络建模和仿真运行，它包括网络编辑器(Network Editor)、节点编辑器(Node Editor)、进程编辑器(Process Editor)。

3 网络仿真
    在此，对MANET网络中的经典路由协议AODV协议和DSR协议进行建模、仿真和分析。
3．1 网络模型
3．1．1 协议性能测评指标
    (1)路由发现时间(Routing Find Time)：路由变化的收敛速度是衡量常规路由协议的关键因素，但是对于Ad Hoe网络来说路由协议是不收敛的，因此将路由发现时间作为一性能测试指标。
    (2)端到端平均时延(Delay)：该参数是指源节点发送数据到目的节点之间的时间，包括路由发现、队列排队、数据发送和传播等。它反映网络是否畅通，延时越小网络越畅通，其单位为s。
    (3)分组投递率(Packet Delivery Fraction)：该参数统计投递到目的节点的分组与源节点产生CBR分组的比率，单位为％。
3．1．2 网络模型建立过程
    移动Ad Hoc网络模型分别由10个移动节点，依次为0，1，2，…，10，随机分布在1 000 m×1 000 m区域内的校园网环境中，物理上的无线通信OPNET通过管道(Pipeline)来模拟，它包括14个管道阶段：
    (1)接收机组；
    (2)传输延时；
    (3)链路闭锁；
    (4)信道匹配；
    (5)发射机天线增益；
    (6)传播延时；
    (7)接收机天线增益；
    (8)接收机功率；
    (9)背景噪声；
    (10)干扰噪声；
    (11)信噪比；
    (12)误比特率；
    (13)错误分布；
    (14)纠错。
    节点的移动通过轨迹项定义，这里选择每段运动时间为5 m／s，属于中速运动。其中：源节点业务流为CBR(Continuous Bit-Rate)；分组间隔为4 packet／s；分组大小为512 B；仿真开始时间为5 s；仿真时间为500 s；节点发送功率为0．005 W；信道带宽为为2 000 kHz。
3．2 仿真结果
3．2．1 路由发现时间
    图1和图2是节点数分别为13和30时两种协议的路由发现时间的比较。图中横坐标为时间轴，表示仿真时间；纵坐标表示路由发现时间。可以看出，当节点数为13时，AODV协议的路由发现时间(黑线)小于DSR协议(灰线)的路由发现时间，即网络规模较小时，AODV协议能够在更短的时间内找到可用的路由，AODV协议的路由寻找速度更为迅速。当节点数增大到30时，最初AODV协议的路由发现时间大于DSR，但随着仿真时间的进行，AODV协议的路由发现时间急剧减少，并很快低于DSR协议，而DSR协议的路由寻找时间随着仿真时间的进行是不断增长的。说明对于节点数较多的网络来说，AODV协议因为以洪泛的方式寻找路由，需要一段稳定时间，但总体性能优于DSR协议。由此可知，AODV协议更适用于节点数较多，网络运行时间较长的网络。

3．2．2 分组投递率
    图3、图4中横坐标为仿真时间，纵坐标为发送的RREQ分组数，单位为个。图中仍然是灰线表示DSR协议的性能，黑线表示AODV协议的性能。由上述可知，DSR为源路由方式，AODV为逐跳转发分组方式。由以上两幅图可以知道，两种场景下AODV协议发送的RREQ数均大于DSR协议，即逐跳转发分组方式的路由开销大于源路由方式。

    因此，尽管AODV协议更适用于节点数较多的网络，但在AODV以洪泛方式寻找路由的过程中，所发送的路由请求分组随着节点数的增加以几何方式增长。随着节点数由13增加到30，也可以看出，AODV协议发送的RREQ分组数迅速增加。因此，AODV洪泛的方式导致的开销过大是有待解决的问题。
3．2．3 端到端的平均时延
    图5、图6横坐标为时间轴，表示仿真时间；纵坐标表示端到端时延。其中，黑线为AODV端到端时延，灰线为DSR端到端时延，可以看出当节点数为13时，DSR的延迟比AODV稍大，但差别不大。当节点数增大到30时，AODV的延迟稍大于DSR的延迟，差别同样不大。即除了仿真开始的最初一段时间以外，两种协议的端到端时延没有特别大的差别。同样，对比图1、图2可知，延迟主要集中在仿真开始的一段时间内(图中主要集中在2 min内)。随后的时间可以看出，在不超出网络负载的情况下，系统的平均端到端时延保持在一个较为稳定的数值。说明DSR协议和AODV协议的性能均比较稳定。

4 结语
    通过对比两种不同节点数的场景可以知道，当节点数较少时，AODV协议的性能明显优于DSR协议，但AODV协议的开销比DSR协议要大。当节点数增加，DSR协议和AODV协议的路由发现时间均减少，即随着节点数的增加，以上两种协议的路由寻找速度均有下降，但AODV协议收敛更快，更适用于节点数较多，运行时间较长的网络。因此，AODV协议是更适用于AdHoc网络的路由协议。但同时，节点数的增加也会使AODV协议的路由寻找时间增加，开销迅速增长，从而导致网络的负载加重，因此，如何减少AODV协议的路由开销，降低协议的路由寻找时间将是AODV协议的重要方向。