無(wú)線自組網(wǎng)主動(dòng)路由協(xié)議研究與分析.pdf

1、無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，由一組帶有無(wú)線收發(fā)功能的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成。
　　近年來(lái)，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已涉及到軍事通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域，主要應(yīng)用場(chǎng)景有:
　　(1)軍用及警用領(lǐng)域
　　軍事與警用領(lǐng)域至今仍是無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的戰(zhàn)場(chǎng)上，由于沒有基站等基礎(chǔ)設(shè)施，裝備了移動(dòng)通信裝置的軍事人員、軍事車輛以及各種軍事設(shè)備之間可以借助無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，以保持密切聯(lián)系、

2、協(xié)作完成作戰(zhàn)任務(wù)。裝備音頻傳感器和攝像頭的軍事車輛和設(shè)備也能夠組成無(wú)線AdHoc網(wǎng)絡(luò)，在目標(biāo)區(qū)域收集重要的位置和環(huán)境信息傳送到處理節(jié)點(diǎn)。
　　(2)緊急和突發(fā)場(chǎng)合
　　在自然災(zāi)害或其他各種原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障或無(wú)法使用時(shí)，快速地恢復(fù)通信是非常重要的。借助無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議，可以快速地建立臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，延伸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而為營(yíng)救贏得時(shí)間，減少災(zāi)難所帶來(lái)的危害。
　　(3)移動(dòng)會(huì)議
　　目前，越來(lái)越

3、多的參會(huì)人員攜帶電腦等便攜式設(shè)備參加會(huì)議，如果與會(huì)者不用借助路由器、集線器或基站就能將各種移動(dòng)終端快速地組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從而完成提問(wèn)、交流以及資料的分發(fā)，這無(wú)疑具有重要的意義。此外，借助無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還可以實(shí)現(xiàn)分布式會(huì)議。
　　(4)車載無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)
　　車載無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，在一定的通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數(shù)據(jù)，并自動(dòng)地連接建立起一個(gè)移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)的單

4、跳通信范圍只有幾百到一千米，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)是收發(fā)器和路由器，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)傳給更遠(yuǎn)的車輛。目前，車載無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在交通中已有十分廣泛的應(yīng)用，提高了駕駛的安全性和路況的實(shí)時(shí)性。
　　與集中式單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（如2G、3G、LTE等）相比，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有如下鮮明的特點(diǎn):
　　(1)動(dòng)態(tài)拓?fù)?。無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的任意移動(dòng)會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)變化。相比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備引起的小區(qū)切換，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓

5、撲變化無(wú)疑是更加隨機(jī)、更加迅速、更加顛覆性的。
　　(2)自組織、自愈合。無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種集中式（具有分布式多中心點(diǎn)）/分布式/混合式網(wǎng)絡(luò)，不需要預(yù)先架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)鄰居感知自組織建立維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的加入和退出都不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的功能。這種特性使得無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有更高的靈活性和健壯性。
　　(3)多跳傳輸。在傳統(tǒng)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，僅支持一跳或兩跳（Relay和CoMP）組網(wǎng)。在無(wú)線Ad Hoc

6、網(wǎng)絡(luò)中，任何普通節(jié)點(diǎn)都可以成為多跳傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)。這種靈活的多跳轉(zhuǎn)發(fā)功能也恰恰體現(xiàn)了無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)協(xié)作功能。
　　(4)帶寬有限。由于無(wú)線信道衰減大、噪聲和干擾較強(qiáng)等原因，無(wú)線鏈路的容量要明顯低于有線鏈路。并且在多跳傳輸中，相比傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每一跳都是通過(guò)無(wú)線信道傳輸?shù)?，這就造成了信道容量的損耗是隨跳數(shù)增加而不斷增大的（注:采用資源復(fù)用和多信道機(jī)制可部分解決）。
　　(5)能量受限。在無(wú)

7、線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以是多種多樣的。大到衛(wèi)星、軍艦、汽車等，小到PC機(jī)、手持型設(shè)備、智能可穿戴設(shè)備、傳感器節(jié)點(diǎn)等都可以成為網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)或者中繼節(jié)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的基站等基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)往往是能量有限的。所以在網(wǎng)絡(luò)部署和協(xié)議設(shè)計(jì)中，節(jié)能也是一個(gè)需要考慮的因素。
　　(6)低安全性。由于多跳的無(wú)線傳輸信道以及分布式的控制機(jī)制，相對(duì)傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更容易受到被動(dòng)竊聽、主

8、動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。安全問(wèn)題是自組網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)中另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
　　隨著無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求逐漸增多，人們對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量的要求也隨之越來(lái)越高，不僅考慮業(yè)務(wù)可達(dá)性，對(duì)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?、時(shí)延等指標(biāo)也提出了更高的要求。針對(duì)這類問(wèn)題，無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有許多研究方向，如能源消耗，安全問(wèn)題，QoS等。而路由協(xié)議決定業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅埽涓倪M(jìn)和優(yōu)化是無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。目前無(wú)線Ad

9、 Hoc網(wǎng)絡(luò)中主要的路由協(xié)議有:DSDV，AODV，DSR和ZRP路由協(xié)議等。其中AODV屬于按需路由協(xié)議，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)傳送信息時(shí)，如果沒有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則必須先以廣播的形式發(fā)出RREQ（路由請(qǐng)求）消息進(jìn)行尋路。RREQ消息中記錄著業(yè)務(wù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的IP地址，鄰近節(jié)點(diǎn)收到RREQ，首先判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP（路由回復(fù)）;如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，

10、如果有，則向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，否則繼續(xù)廣播RREQ進(jìn)行查找。按需路由發(fā)送業(yè)務(wù)前需要進(jìn)行尋路，因此業(yè)務(wù)時(shí)延較大。ZRP協(xié)議為區(qū)域路由協(xié)議屬于混合路由協(xié)議的一種，混合路由協(xié)議是綜合按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議與表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議的協(xié)議，是近年來(lái)迅被提出并發(fā)展的一種新型路由協(xié)議。ZRP路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)劃分為各個(gè)區(qū)域，對(duì)于域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，在業(yè)務(wù)到達(dá)之前進(jìn)行路由交互，通過(guò)周期性向鄰居發(fā)送本地路由表本區(qū)域內(nèi)到達(dá)所有節(jié)點(diǎn)的路由，因此域內(nèi)不需要進(jìn)行尋路。當(dāng)目的結(jié)點(diǎn)不在源節(jié)

11、點(diǎn)的主動(dòng)路由域內(nèi)，則需要按照按需路由協(xié)議進(jìn)行路由查找。該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于，與單純的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議相比可以減少通信開銷，而與按需路由協(xié)議相比又可以相對(duì)減少域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的尋路時(shí)延。主動(dòng)路由協(xié)議又稱為先驗(yàn)式路由協(xié)議，該協(xié)議的特點(diǎn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要維護(hù)一張可達(dá)節(jié)點(diǎn)的路由表，并包含相關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在全網(wǎng)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)找尋所有可達(dá)節(jié)點(diǎn)，并確保所有節(jié)點(diǎn)有相同路由表。典型的無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)路由協(xié)議有DSDV與DSR協(xié)議。由于主動(dòng)路由協(xié)議具有低時(shí)延

12、的特點(diǎn)，因此本文主要對(duì)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛的主動(dòng)路由協(xié)議目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量(DSDV)協(xié)議進(jìn)行研究。
　　DSDV協(xié)議采用最短路徑法則，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到達(dá)節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表，并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播路由更新消息來(lái)更新路由的變化。協(xié)議中使用目的端序列號(hào)，避免因使用過(guò)時(shí)的路由信息而產(chǎn)生無(wú)效（包括路由環(huán)路）的路徑。每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的路由記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)，這個(gè)序列號(hào)由目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。當(dāng)節(jié)點(diǎn)從鄰節(jié)點(diǎn)的消息中得到某一目

13、標(biāo)節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)路由記錄時(shí)，若新記錄的順序號(hào)比已有的記錄大，則節(jié)點(diǎn)使用新的路由記錄。若兩個(gè)路由記錄的順序號(hào)相同，則節(jié)點(diǎn)使用路徑長(zhǎng)度更短的記錄;否則，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的記錄不變。
　　衡量路由性能的主要指標(biāo)為時(shí)延、開銷。時(shí)延是指一個(gè)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間。它包括了發(fā)送時(shí)延，傳播時(shí)延，處理時(shí)延，排隊(duì)時(shí)延等。在不考慮業(yè)務(wù)擁塞的情況下，由路由引起的時(shí)延主要來(lái)自于尋路。而對(duì)主動(dòng)路由協(xié)議來(lái)說(shuō)，尋路的過(guò)程為網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)浒l(fā)生變化到全網(wǎng)都獲得

14、新拓?fù)涞臅r(shí)間。由于主動(dòng)路由需要通過(guò)廣播路由更新消息告知全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)路由（拓?fù)洌┑淖兓?，因此?huì)帶來(lái)較大的路由開銷。而路由開銷越大，路由所造成的網(wǎng)絡(luò)壓力就越大，占用資源量越多。
　　綜上，本文針對(duì)主動(dòng)路由存在的更新周期過(guò)長(zhǎng)鏈路不準(zhǔn)確、更新周期過(guò)短開銷大的缺陷，首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)DSDV路由協(xié)議的研究目的和意義及其發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了本文的內(nèi)容安排和工作。其次，介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究背景，并對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中多種路由協(xié)議進(jìn)行比

15、較，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。然后對(duì)DSDV的原理進(jìn)行介紹，對(duì)DSDV路由協(xié)議流程進(jìn)行重點(diǎn)分析，提出了DSDV目前存在的問(wèn)題與文章的主要研究工作，對(duì)協(xié)議性能進(jìn)行分析，并詳細(xì)介紹性能仿真的過(guò)程。然后，根據(jù)DSDV路由協(xié)議的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析與仿真，并闡述未來(lái)工作。本文根據(jù)設(shè)定不同更新周期，結(jié)合NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)模擬了DSDV路由協(xié)議在不同更新周期的情況下的性能，為后續(xù)DSDV的研究提供參考。將更新周期設(shè)定為本文得出的最優(yōu)化更新周期，并與同