车联网中路由协议的可扩展性研究
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【摘 要】主要针对VANETs网络中的三个典型路由协议AODV、DSDV、DSR进行了仿真分析，通过改变节点数，对数据分组的平均端到端时延、归一化路由开销和分组递交率这三个重要性能指标做了对比，分析了三种协议适用的网络环境，了解它们的可扩展性，仿真的结果表明DSDV协议可扩展性差，ADOV协议和DSR协议有一定的可扩展性。
[Abstract] Three typical routing protocols of AODV， DSDV and DSR in VANETs were simulated and analyzed. By adjusting the number of nodes， three indicators of average end-to-end delay， normalized routing overhead and delivery ratio of packets were compared for these routing protocols. Network environments suitable for these three protocols were analyzed. Their scalabilities were addressed. Simulation results show that DSDV protocol has worse scalability， while AODV and DSR protocols have better scalabilities.
[Key words]VANETS routing protocol AODV DSDV DSR
1 引言
VANETs（Vehicular Ad hoc Networks，车载自组织网络）作为移动自组网中的一种主流技术，具有无需基础电信设施、动态拓扑、有限带宽的特性，同时也具有能量不受限、移动速度快、移动轨迹可预测的特点[1]。驾驶者依靠车联网，可以实现相互间点对点式的通信，能随时掌握其他车辆部分信息和路况信息，并预先采取适当的措施，减少和避免交通事故的发生[2]。
2 VANETs中的协议类型
当前，VANETs中的消息传播机制可分为三类[3]：基于拓扑（Topology based）、基于地理位置（Position based）、基于广播（Broadcast based）。
文章主要研究基于拓扑的消息传播机制，对其中的典型路由协议的可扩展性进行研究，即通过网络中的节点数增加时协议性能指标的变化情况来了解不同网络协议的可扩展性。
基于拓扑的消息传播机制主要是利用链路信息来选择从源节点至目的节点的消息传播路径，依据它们的驱动方式，可划分为先应式（Proactive）[4]和反应式（Reactive）[5]两类，二者也分别称为表驱动路由和按需路由。
表驱动路由的工作机理为：网络中每个节点都事先建立其到网络内其他各节点的路由表，并且实时对路由表进行维护。当有数据传送请求时，只需查询事先建立的路由表来确定发送路由，从而降低数据传递时延，如DSDV（Destination Sequenced Distance Vector，目的序列距离矢量路由协议）[6]。
按需式路由协议无需预先建立路由表，只有当节点需要数据传输时，才启动路由发现工作，而且节点只需建立到其他部分节点的路由表，如AODV（Ad-hoc Ondemand Distance Vector，按需距离向量路由协议）[7]、DSR（Dynamic Source Routing，动态源路由）[8]。
可扩展性是指网络在一定的条件下可以扩展到的规模。可扩展性受很多因素的影响，网络中节点的移动速度与网络负载的改变都会在很大程度上影响网络的可扩展性。因此需要一种较为公平的仿真方案，使得可扩展性尽量与网络的规模相关，而尽量与节点移动速度和网络负载无关。
3 仿真环境及参数
移动模型采用Random Waypoint（随机路点移动模型），针对三种常用的Ad Hoc网络路由协议DSDV、DSR和AODV，在预先设定网络基础场景之上，把节点数从50扩展到100、150、200，假设50个结点分布在一个d×d的区域内，则结点数为N的网络范围为，其中n为节点数。设d=1000m，则平均每个节点所占有的面积为2×104m2，保持该比例不变，在四种不同的网络规模下相应的面积可用表1来表示。然后设定仿真环境（以50个节点为例），50个网络节点，暂停时间（pause times）为0s、10s、20s、40s、100s，节点最大运行速度（maximum speed）为20m/s，网络拓扑的范围为1000×l000m，移动模型为随机点模型，通信源模型为连续比特速率，分组发送速率为2packet/s，无线网传输速率为1Mbps以及仿真时间为100s。
4 仿真结果及分析
4.1 分组平均递交率
分组平均递交率示意图如图1所示，该性能参数能反映网络所能支持的最大吞吐量，它可以直观地反映路由协议适应网络变化的能力以及路由协议的正确性和完整性。
如图1所示，三种路由协议在平均递交率方面随着网络节点数量的增加，都呈现出加速下降的趋势，这是由于表驱动型路由协议DSDV需要周期性地广播路由信息，占用了部分链路带宽，同时随着节点数量的增加，开销也快速增加，所以当节点数为50时，其平均递交率指标就出现明显下降。并且由于DSDV协议是先验式的路由协议，节点在高速的移动，链路很容易失效，一旦链路失效，无法快速地恢复链路建立，这就会导致分组的丢失。而两种反应式路由协议在50个节点时，仍能较好地运行，分组平均递交率接收率仍大于99%，这是由于按需路由只有在需要查找路由的时候才发送路由信息，避免了多余的路由信息。因此在相同场景中按需路由协议的分组传送率优于表驱动路由协议，而当网络中节点数达到100时，DSDV的递交率下降到了74%，两种按需路由虽有下降，但递交率仍然保持在94%～98%。当进一步增加网络中的节点数量，使之达到200个时，AODV的分组接收率指标比其它两种协议要优异，这是由于AODV协议采用广播方式进行路由回复，而DSR协议采用单播的路由回复方式，从而使AODV协议中的MAC层耗费低于DSR协议，所以AODV协议较DSR协议有更高的报文接收率。
4.2 路由开销
在网络负载方面，由于网络规模是递增的，所以不宜用路由负载来衡量，故用传送每个数据报文所需要的控制报文数量来衡量路由开销。这个性能参数是用来衡量协议效率以及可扩张性在低带宽情况以及拥塞时的性能和能耗效率。
每个节点传送的数据报文由节点本身作为源节点产生的数据报文和转发别的节点的数据报文两部分组成。如图2所示，DSDV的路由开销比AODV、DSR要小。这是由于DSDV是表驱动，网络中的所有节点都要实时的维护一张路由表，并周期性地更新它，以保持路由的及时性和有效性，所以有较小的路由开销。两种按需路由协议在网络中节点数量小于100时性能相近，而当网络节点数量达到200时，AODV的路由开销大于DSR，这是由于DSR的控制报文是记录源路由，而AODV记录的是逐跳路由，当链路失效时，AODV产生的RERR（Route Error，路由错误）要远远多于DSR造成的。
4.3 端到端平均时延
在时延方面，三种路由协议的性能和分组递交率类似，如图3所示，当网络中节点数量小于100时，端到端平均时延小于0.1s，在正常范围之内。而当网络中的节点数量增大到200后，三种协议的相应时延均有很大程度的增加，已经到达了秒级，尤其是DSDV，其时延增大到6s级别。虽然AODV相比较时延最小，但也达到了1s级别，这是因为MAC层的负载会随着网络规模的扩展而增加，当MAC层的负载增加到一定程度时就会影响数据包的正常发送。DSR协议由于采用单播包使得其平均端到端时延大于AODV协议。从仿真数据来看，在网络规模较大时，DSDV不适宜实时性要求高的业务。
5 结束语
对VANETs网络性能的影响是多方面的，路由协议只是诸多因素中的一种。本文对几种路由协议的性能做了分析比较：（1）AODV协议的可扩展性优于DSR及DSDV协议，因此在拓扑变化频繁的VANETs网络环境中，应采用AODV路由协议。（2）分析仿真结果后发现，现有的AODV协议同样也不适合大规模网络，在节点数达到200时，其性能表现较差。（3）AODV适于城市中的VANETs，当在高速公路上时，网络中各节点的高速运动所产生的动态拓扑会延缓AODV的收敛速度，产生大量不可靠的路由，继而导致大量开销。（4）基于AODV的改进有很多，如文献[9]提出的PGB（首选广播组，Preferred Group Broadcasting），它通过降低转发数量来提高路由的稳定性，降低因路由发现所产生的开销。文献[10]将DSR协议的路径收集机制引入AODV协议，可在一次路由发现过程中建立更多的路由，从而提高网络的性能指标。文献[11]中通过修改AODV中的一些报头，使其能支持延时约束，并对延时进行预测，有效提高了网络性能。当然，还有很多试图提高协议性能的相关研究，相信随着研究的不断深入，适于车联网应用的协议会不断出现。
参考文献：
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