刘春茂, 侯奉含

基于MANET的多路径路由协议分析与仿真

刘春茂1, 侯奉含2

(1.河南工业职业技术学院教务处，河南南阳，473000；2.河南工业职业技术学院计算机工程系，河南南阳，473000)

移动自组网MANET是由许多移动节点组成的无中心的、多跳的自组织网络，网络中的节点由于移动和能量耗尽可能会使得路径失效，因此传统的单路径协议效率并不高。本文介绍了自组网中最常用的AODV协议，重点对AOMDV多路径路由协议的路由机制和维护管理进行了探讨。最后使用NS2仿真软件对两种协议进行了比较，结果表明，在分组投递率和端到端延时方面，AOMDV比AODV更具优势。

自组网；AODV协议；AOMDV协议；丢包率

0 引言

移动自组织网络军事领域、临时会议，自然灾害处理、紧急通信等领域。

是一个多跳的、无中心、临时的网络，网络中的节点具有无线收发功能，并同时充当路由器和主机的角色。目前，移动自组网通常采用的是TCP/IP标准协议栈，应用领域也逐渐扩大，包括图像，视频，数据等业务的通信。技术也日趋成熟，其研究的方向涉及信道接入控制、网络分层、路由协议、安全防御、能量控制等。作为一种特殊的组网方式，无线自组网具有拓扑结构动态变化、带宽有限、节点能量有限、传输距离有限、生存周期较短等特点，因此如何设计一个快速高效的路由协议成为今年来研究人员主要研究的之一。

1 移动自组网中常用的路由协议

MANET网络的路由协议可分为先验式路由协议、反应式路由协议和混合式路由协议。先验式路由是一种主动路由，网络中的节点都维护着一张去往其他节点的路由表，并周期性的进行更新，节点发送数据时直接从路由表中选择路径，等待时间短，常见的协议有DSDV、WRP等；反应式路由协议又叫做按需路由协议，在这种方式中，节点无需维护当前的路由信息，只有当数据需要传输时，源节点才发起路由寻找过程，建立相关路由进行通信，常用的路由协议有DSR、AODV等。相比先验式路由，反应式路由协议的开销较小，但是因为建立路由需要时间，因而传送延时较大；混合式路由协议则同时融合了上述2种路由协议的机制，网络中相邻的节点形成一个集合，在集合内部采用先验式路由，在集合之间采用反应式路由，这样减少路由建立过程中的开销，常用的混合式路由协议有ZRP。

2 AODV协议

AODV协议结合了DSR协议和DSDV协议的特点，它是一种距离矢量路由协议，在使用该协议的网络中，源节点到目的节点之间的信息传输采用逐跳方式，每个节点都维护一张路由表，指示下一跳节点的相关信息，每条路由均使用目的序列号来防止路由环路现象，当拓扑发生变化导致有新的路由创建时，该序列号加1。AODV协议的路由表结构如图1所示：

图1 AODV路由表结构

当有数据需要传输而路由表中又没有相关路由信息时候，源节点便发起路由建立过程，广播路由请求报文分组RREQ，RREQ分组包含以下信息字段：＜源地址，目的地址，源序列号，目的序列号，跳数，广播ID号>。目的序列号和源序列号都是单调递增的，目的是为了防止路由环路和过期路由。中间节点收到RREQ后，如果自己是目的节点，则回送路由响应报文RREP，否则根据源地址和广播ID判断是否收到过该路由请求报文，如果是重复收到该请求分组，则丢弃，否则记录相关信息，同时将跳数加1，继续转发该RREQ分组直到目的节点，目的节点收到RREQ后，选择目的序列号最大的路由分组作为有效RREQ，并据此回复RREP给源节点，其他收到的RREQ则被丢弃。在回传RREP的过程中，沿途中间节点都会建立到源节点的反向路径，源节点据此就可以建立去往目的节点的路径。

由于AODV协议在建立路由的过程中同时建立了反向路由，需要信道满足双向传输的要求；并且在节点的路由表中，只有一条到的目的节点的路径，当中间节点由于能量耗尽关闭或快速移动出网络范围时，可能会导致该条路由失效，此时源节点不得不重新发起路由发现过程，会增加业务的延时，此外，AODV协议没有采取任何安全机制，路由的安全性也存在一定隐患。

3 AOMDV多路径协议

在自组网中，使用AODV或DSR这类单路径协议最大的弊端就是路由失效后，节点必须马上启动路由重建过程，从而导致开销增加，延时增大。在AODV协议路由上进行修改，使其在一次路由寻找过程中能够获得多条去往目的节点的路径，这种改进的协议即为AOMDV协议，它可以提供多条冗余路径，只有当所有去往目的节点的路径都失效后，才会进行新的路由寻找过程，这样可以较好地改善单路径路由协议的缺陷，提高网络的整体性能。

在AODV路由协议中，目的节点通常只对第一个到达的RREQ分组作出回复，通过回送RREP建立一条路由，而随后到达的RREQ则丢弃。与AODV协议不同，在使用AOMDV协议的网络中，目的节点会对多个到达的RREQ查询分组都作出应答。通常目的节点会对最先到达的查询分组进行应答，其建建立的路径作为主路径，接下来依次选择第二个、第三个、……最后到达的查询分组进行应答，建立多条路径则为备份路径。

由文献4可知，在使用AOMDV协议的网络中，两次路由建立的时间间隔T的概率密度函数可以用公式1表示：

上式中，λ表示为某条路由的寿命。设某一对通信节点之间有2条路由，主路由的跳数等于3，备份路径的跳数为4，由概率密度函数可以计算得出T的数学期望E[T]，如公式2所示。

对于一条跳数为3的单路径而言，其数学期望为L/3，明显小于采用2条路径的均值，即表示多路径重新发现路由的时间间隔更长。

4 AODV和AOMDV性能仿真比较

本节我们在模拟网络环境下，对AODV和AOMDV进行性能比较，设网络大小为500m*500m，有30个无线移动节点，10个通信对；节点按照设定的速度随机移动，数据分组类型为CBR，大小为256B。仿真时间为250秒。

选取端到端平均时延，分组投递率性能评估指标，真结果如图3所示。

图3 AODV和AOMDV的分组投递率比较

从图3可以看出，AOMDV协议的分组投递率高于AODV，尤其是节点移动速度很快速的时候更为明显，这是因为当网络拓扑剧烈变化，会使得主路径失效，由于AODV没有其他路径可以代替传输，在新路由建立之前，发送的数据在路径断裂处会被丢弃而，而在使用AOMDV协议的网络中，节点可以切换到备份路径继续传输图4分别是两种协议的端到端平均延时比较仿真图。可以看出，当网络中的节点运动较大时，AOMDV的延时性能明显优于AODV。这是因为AODV没有备用路径，当路由失效后，会等待新路由重新建立继续重传（或者在定时时间到后，如果新路由没有建立，则直接丢弃），这个等待时间使得网络延时增大。而AOMDV协议在主路由失效后，可以切换到备用路径，切换时间远远小于重建路由的时间，因此延时相对更小。

5 结束语

移动自组网无中心设施，组网灵活，节点间通信通过中间节点转发，本文主要阐述了对MANET网络所采用的单路径协议AODV进行了分析说明，并对多路径协议进行了数学模型分析，指明了多路径协议AOMDV的优势，最后使用仿真软件NS2进行了比较了两种路由的端到端延时和分组投递率，并分析了原因。

[1] 于宏毅等．无线移动自组织网． 人民邮电出版社，2005年4月, P266~286

[2] 袁培燕;张俊娜;李腊元;;基于能量模型的自组织网络路由协议的研究[J];计算机工程与应用;2006年28期

[3]郑锋;李腊元;高晔方;连进;;自组网QoS路由协议综述[J];计算机应用;2006年02期

[4] 陈林星等,自组织分组无线网络技术(第2版),电子工业出版社,2012年1月.

[5]谢世欢;郭伟;;实现Ad-hoc按需路由协议的关键技术[J];计算机应用;2006年03期

Analysis and Simulation of multi path routing protocol based on MANET

Liu Chunmao1,Hou Fenghan2
(1.Teaching Affairs Office，Henan Polytechnic Institute,Nanyang,Henan,China，473000；2.Department of Computing Engineering,Henan Polytechnic Institute,Nan yang,Henan,China，47300)

Mobile ad hoc network is a multi-hop,no center,self-organizing network,it is composed of many mobile nodes,due to the mobility and energy depletion of the nodes,it will lead to the path become failure in MANET,therefore,the efficiency of traditional single path protocol is not high and not suitable for MANET.This paper introduces a commonly protocol AODV used in MANET,focus on a multi routing protocol called AOMDV which developed from AODV,the rooting mechanism and maintenance management of AOMDV are discussed. Finally we simulate and compare these two protocols with NS-2 software,the results show that AOMDV has more advantage than AODV on packet delivery ratio and end-to-end delay.

ad hoc network;AODV protocol;AOMDV protocol;packet loss rate

图4 AODV和AOMDV的端到端延时比较

刘春茂(1979－)，男，汉族，硕士生，讲师，主要研究领域为数据库与信息采集，程序设计，算法研究。

侯奉含(1983－)，女，汉族，硕士生，讲师，主要研究领域计算机网络技术。