战术通信网中按需路由协议的仿真研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇战术通信网中按需路由协议的仿真研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要:战术通信网是现代信息战中产生的一个重要的战场信息传输网络,其中路由协议的选择对于网络能否成功构建至关重要。在此研究了战术通信网按需路由协议中的AODV协议和DSR协议,对两种协议进行详细的分析比较,并通过OPNET仿真工具对AODV与DSR协议在不同场景下的路由开销、网络延迟和丢包率进行仿真分析,指出了两种协议各自的优势和特点,为两种路由协议在无线传播环境下的应用提供了有效的依据。
关键词:战术通信网; AODV; DSR; OPNET; 仿真测试
中图分类号:TP393文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)08-0073-04
Simulation ofReactive Routing Protocol in Tactical Communication Networks
HAN Xiu-rong1,2, KANG Feng-ju2, ZHONG Lian-jiong1,TIAN Xiao-jing3
(1. Computer College, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China;
2. College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China;
3.Information Center, Xi’an Red Cross Hospital, Xi’an710045, China)
Abstract:Tactical communication network is an important battle-field information transfer network produced in modern communicaion war,and the choice of routing protocol is very important for the successful construction of tactical communication network. The AODV and DSR protocols in reactive routing protocols are researched, compared in detail, and simulated in routing cost,network delay and data dropped rate by OPNET. The advantages and characteristics of the two routing protocols are pointed outin order to provide an effective foundation for application of the two routing protocols under the condition of wireless propagation.
Keywords:tactical communication network; AODV; DSR; OPNET; simulation testing
0 引 言
互联网技术在战场上的应用与发展,产生了现代信息战中一个重要的战场信息传输网络即战术通信网。在军事战术战役中,谁能高效快速掌握战场前沿态势,谁将得到战略的制高点。在网络研究的初期不可能盲目地对战术通信网进行设计,必须要知道相关的网络技术的指标参数。如果能把网络流量、性能的实际监测分析结果和网络设计结合起来,则可为网络设计研究提供可靠的依据。
由于Ad-Hoc网络可以在没有基础设施支持的情况下提供通信,具有很高的抗毁性和灵活性,因此被各军事强国应用于战略和战术综合通信[1-2]。而Ad-Hoc网络的特殊性也使得传统固定网络和移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用,因此,需要为Ad-Hoc网络设计专门的路由协议和算法。目前具有代表性的路由协议主要有DSDV[3], SSA, AODV[4], DSR[5], CGSR, ZRP, LAR以及GPSR等。而在战术互联网中,主要采用按需路由协议,其中比较典型的有AODV和DSR。这里对AODV和DSR路由协议的算法进行了分析和对比,并以OPNET Modeler为仿真平台对这两种协议的性能进行了仿真测试。仿真结果为战术通信网中对协议的选择提供了具体详实的依据,也为后续对协议算法进行更广泛深入的研究和改进提供了依据。
1 协议分析
网络中的协议通过路由协议实现,路由协议可以完成在源与目的设备的用户应用间通信所需的各种功能,不同的协议中这些功能差异很大。
1.1 AODV路由协议
AODV路由协议是一种按需距离向量路由协议[6]。网络中的节点需要通信时,才发送路由分组信息。AODV路由协议中有三种类型的消息控制包:路由请求(RREQ),路由应答(RREP)和路由错误(RERR)。首先源节点向其邻居节点广播RREQ数据包,每一次广播时,RREQ ID会自动加1来防止路由环路的产生。当中间节点能够提供有效路径或者目的节点收到源节点发送的RREQ数据包时,节点会发送RREP数据包响应请求,并且沿着刚建立的逆向路径向源节点返回。AODV协议中,源节点收到该RREP后则根据路由信息开始向对应的目的节点发送数据。
由上述过程可以看出,AODV路由协议只支持双向链路。在数据传输过程中,当中间节点检测到一条正在传输数据活动路由的下一跳链路断开,或者节点收到去往某个目的节点的数据报文,而节点没有到该目的节点的有效路由时,中间节点向源节点广播路由错误消息RERR,每一个收到信息的中间节点都会维护自己缓存区中的路由信息。当源节点收到出错信息后,重新寻找路由。根据对AODV协议的分析,可得它的流程如图1所示。
图1 AODV协议流程图
1.2 DSR路由协议
动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)也是一种按需路由协议,其允许节点动态地发现到目的节点的多跳路由[7]。它的特点是使用了源路由的路由机制,每一个需要发送的数据包都在其头部包含了从源节点到目的节点所有的路由信息,因此中间节点并不需要实时地维护网络路由来转发数据包。只有在节点需要发送数据包并且当节点不知道目的节点完整路由的情况下,节点才会激活路由发现机制寻找到达目的地的路由。
1.3 两种路由协议的区别
(1) DSR协议中的路由信息比AODV中的多。
AODV协议中,在返回RREP时才建立正向路由,并且是单播形式;而DSR协议是源节点路由,并且最后的路由应答采用的也是广播的形式,所以DSR记录了更多的路由信息。
(2) 使用路由的新旧不同。
AODV协议中,只要一条路由信息在一定的时间没有使用过,那么不管这个信息是否还可以继续使用,都将从路由表删除,因此使用的都是最新的路由;而DSR协议只有在使用该路由信息并且传输出错时,才会删除该信息。
(3) 链路出错时,发送出错信息的范围不同。
AODV链路出错时,会通知网络中所有使用该路由的节点;而DSR只会通知源节点。
(4) DSR比AODV能源消耗小。
AODV在查找路由的时候,只接收第一个RREP所携带的路由信息,以后的路由信息全部忽略;而DSR在查找路由的时候,所有的中间节点都会记录下来,并且它维护不只一条路由信息,所以会减少路由发现的次数,从而节省能源。
2 仿真建模及结果分析
OPNET是业界领先的网络仿真系统,它基于离散事件仿真,采用三层建模机制,具有图形化输入/输出界面,采用面向对象的建模方法,可以运行在多种平台上,是美军多个大型军用仿真系统的仿真引擎。本文利用仿真工具OPNET Modeler配置多跳无线网络的模拟场景来执行路由协议AODV和DSR的仿真测试工作。
2.1 性能指标
结合战术通信网体系结构特性以及目前评价一种无线移动网络路由协议性能好坏的指标[8],具体对以下几个方面做分析:
(1) 路由开销。
路由控制开销是指路由控制信息的网络负载所占信道中总的网络负载的比例。路由控制开销=(控制信息的网络负载/信道中总的网络负载)×100%
(2) 延迟。
网络延迟是指在计算机之间传送一位数据所花费的时间,用秒或毫秒表示。本文主要对端对端延迟和信道接入延迟进行测试,将使用OPNET内的两个数据统计量:平均网络端到端延迟(单位:s)和信道接入延迟(单位:s)。
(3) 丢包率。
网络中数据的传输是以发送和接收数据包的形式传输的,所谓网络丢包率,是数据包丢失部分与所发送数据包总数的比值。
2.2 仿真场景及结果分析
假设自由传播空间不受地形等因素干扰,使用IEEE802.11MAC协议的情况下,建立两个场景进行仿真。将仿真结果进行对比来分析相关性能指标,来测试在一个较大范围内(2 000 m×2 000 m)节点的移动对网络性能影响。
场景一:13个固定网络节点,采用直线型拓扑,相邻两个节点之间为一跳距离,最大跳数设置为7,使用信道带宽1 000 kHz,数据传输率为100 000 b/s。
场景二:13个移动(m)网络节点,采用直线型拓扑,相邻两个节点之间为一跳距离,最大跳数设置为7,使用信道带宽1 000 kHz,数据传输率为100 000 b/s,移动速度为4 m/s。
2.2.1 平均端到端延迟和平均信道接入延迟
如图2和图3所示,可以看出,移动会使两种协议的延迟增加。
DSR协议平均端到端延迟增幅=0.00 125-0.001=0.000 25 s
AODV协议平均端到端延迟增幅=0.000 76-0.000 75=0.000 01 s
DSR协议平均信道接入延迟增幅=0.000 75-0.000 6=0.000 15 s
AODV协议平均信道接入延迟增幅=0.000 5-0.000 4=0.000 1 s
可以看出,DSR在延迟方面的增幅要高于AODV在延迟方面的增幅。
图2 平均端到端延迟图
图3 平均信道接入延迟
2.2.2 丢包率
如图4和图5所示,AODV的丢包数明显高于DSR。在节点移动状态下,AODV和DSR的丢包数都呈递增的状态,最终稳定。仿真过程中发送数据总量为3 500 b/s,对比场景一和场景二的丢包数,可以得到AODV的丢包率要明显高于DSR的丢包率:
AODV丢包率增幅=2.57%-1.43%=1.14%
DSR丢包率增幅=1.43%-0.22%=1.21%
计算结果表明移动后丢包率的增幅AODV要比DSR的小,也就是说在大范围下移动对DSR的影响要更大一些。
2.2.3 路由控制开销
如图6和图7所示,在网络中节点固定的场景中,DSR的路由控制信息为9 800 b,总的负载为66 000 b。AODV的路由控制信息为9 400 b,总的负载为62 000 b。因此可以计算如下:
DSR的路由控制开销=(9 800/66 000)×100%=14.8%
AODV的路由控制开销=(9 400/6 2000)×100%=15.1%
图4 场景一的丢包数
图5 场景二的丢包数
图6 场景一的DSR路由控制信息和负载
图7 场景一的AODV路由控制信息和负载
如图8和图9所示,在网络中节点移动的场景中,DSR的路由控制信息为11 000 b,总的负载为70 000 b。AODV的路由控制信息为11 000 b,总的负载为69 000 b。因此可以计算如下:
DSR的路由控制开销=(11 000/70 000)×100%=15.7%
AODV的路由控制开销=(11 000/69 000)×100%=15.9%
图8 场景二的DSR路由控制信息和负载
图9 场景二的AODV路由控制信息和负载图
根据上述两个场景的计算结果可以看出,在比较大的通信范围内,当节点不移动时,AODV的路由控制开销比DSR大;而节点移动时对DSR的影响要比对AODV的影响要大。
3 结 语
建立相应的网络场景对AODV和DSR协议在网络延迟、丢包率和路由开销等方面的进行仿真分析。结果表明,在一个较大的通信范围中,节点的移动对两种路由协议都有一些影响,但总的说来,DSR比AODV协议要表现得更加稳定。仿真结果数据为评价路由协议算法提供了依据,也为后续对算法的改进提供了参考。
参考文献
[1]谢希仁. 计算机网络[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.
[2]GANZ A, PHONPHOEM A. Robust superpoll with chain-ing protocol for IEEE 802. 11 wireless LANs in support of multimedia applications[J]. Wireless Networks, 2001, 7(1): 65-73.
[3]PERKINS C E, BAGWAT P. Highly dynamic destination sequenced distance vector routing (DSDV)for mobile computers[C]. Proceeding of ACM SIGCOMM 1994. New York:ACM Press,1994.
[4]PERKINS C E, ROYER E M. Ad-Hoc on-demand distance vector routing[C].Proceedings of IEEE WMCSA′99.LA : New Orleans University Press, 1999.
[5]JOHNSON D B, Maltz D A. Dynamic source routing in Ad-Hoc wireless networks[J]. Mobile Computing, 1996(5): 153-181.
[6]CHARLES E, PERKINS C E. Network working group C.perkins request for comments 3561[S].California:University of Cincinnati, 2003.
[7]JOHNSON D. Network working group request for co-mments: 4728[S].Texas:Rice University,2007.
[8]米志超, 郑少仁. 无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现[J]. 理工大学学报, 2000(6): 24-29.