【前沿】基于OPNET的移动自组网路由协议性能仿真分析

自组网中的网络节点功能地位对等，每个节点都同时具备路由器和主机功能，节点间相互协助，经过多跳传递信息。当网络中的节点具备移动能力时则演变为移动自组网（MANET），因此为适应网络拓扑的快速变化和有限的无线信道带宽，选择合适的路由协议在MANET中至关重要，自组织及自修复能力是MANET路由协议必须具备的。目前使用较多的协议有AODV、DSR、OLSR、TORA、GRP、GPSR等。文献[1]中将现有自组网协议分为基于拓扑结构、基于地理位置、分层和群智能等几大类。本文主要研究分析基于拓扑结构的几种路由协议性能。其中分为主动式（OLSR、DSV）、反应式（DSR、AODV）和混合式（ZRP、TORA）三种。

主动式路由协议又被称为表驱动路由协议或先验式路由协议。其原理是使用主动式路由协议的网络中，所有节点都主动创建并维护路由表，这张表中包括全网中所有可到达节点的路由信息。当网络中的节点产生发送数据需求时，可以通过查询本地节点路由表获得目的节点的路由信息。使用此类路由协议时，网络中的节点在网络拓扑发生变化时首先更新本地路由表信息，然后将自身节点路由变化信息向整个网络传递。在主动式自组网路由协议中,链路状态路由协议(OptimizedLink State Routing,OLSR)[2]比较典型的。

OLSR协议中网络节点在分析路由信息变化时，会采用一种多点中继（Multi-PointRelay,MPR）的方式来控制链路状态信息泛洪的范围，以减少整个网络路由信息流量。文献[3]在OLSR协议基础上提出了一种增强的邻居发现协议，能够有效地避免在无线环境中由影响网络性能的单向链路。文献[4]提出了一种基于链路稳定性的MPR算法，延长了MPR节点集有效时间，降低网络拓扑变化对数据传输的影响。

反应式自组网路由协议又被称为按需型路由协议。是专门为了适应MANET的生存和运用环境及降低主动式路由协议带宽消耗二提出的。其原理与主动式路由协议截然不同，反应式路由协议并不主动生成及维护路由，只是在源节点有数据发送需求时才去发现及维护本节点至目的节点的路由信息。因此网络节点中的路由信息是根据本地节点传输需求而建立的。此种网络中单个节点维护的路由信息只是整个网络拓扑结构的一部分。Ad-hoc按需距离矢量路由(AODV)AODV、动态源路由(DSR)[3]等都是目前常用的反应式路由协议。文献[5]中将AODV协议和DSR协议进行了性能比较,其仿真结果分析研究表明,在包传输率、端到端时延和平均数据吞吐量3个网络性能指标上,AODV协议的表现均优于DSR协议。

混合式路由是通过在限定的网络规模和范围内，将上述两种路由协议结合使用。在网络局部小范围内，自组网节点使用主动式路由，该节点维护网络局部范围内其他节点的准确路由信息，小范围内能够快速查询路由信息，减小路由表维护开销并缩小路由发现消息的传播范围。此时节点主动维护其局部网络内的路由信息，该区域内的拓扑更新引起节点路由信息更新。而当目的节点较远或网络规模相对较大时，通过反应式路由进行路由发现。目前常用的混合式路由协议主要有ZRP、TORA等。

OPTNET起源于麻省理工学院，该公司于1987年发布了第一个网络性能仿真软件，它向广大网络研究及工程人员提供了一个重要的网络性能优化仿真工具，使得对网络性能的预测性管理和仿真研究成为可能。该软件包是世界上几大著名网络仿真平台之一，可以准确的分析预测复杂网络的性能和行为。其中Modeler能够应用在端到端结构、系统级仿真、协议开发和优化及网络和业务层配合等各种网络研究应用领域。其主要特点如下：

（1）层次化网络建模机制。如图1所示，采取网络（network）、进程（process）、节点（node）三层结构进行网络建模，其中进程为最小建模单元，模拟单个模块的行为，多个模块组成设备，建模中实例化为节点，各节点互联组成网络。

图1 OPNET三层结构

（2）有限状态机（FSM）编程。在进程层次中，使用有限状态机的状态和C/C++语言对进程的行为和协议功能进行编写和模拟，用户可以灵活的修改、定制模块功能。

（3）灵活多样的数据统计手段。现有网络模型中已经预定义了大量的常用统计量，除此之外使用者还可以根据实际需求，在仿真网络的任意位置插入标准的或用户预定义的数据统计探头来采集数据，并以此进行统计分析。可以通过图形化或数字的方式显示通过预制或用户自定义探头得到的仿真数据输出，更加便于使用者观察。

（4）全面支持协议编程。OPNET提供了众多的网络协议模型，因此对于大部分已经成熟应用的网络协议无需进行额外编程。软件支持400多个库函数，更加便于开发人员在现有协议基础上进行自定义模型开发及现有协议的改进。

本文场景为理想环境，地形平坦开阔且没有突出障碍物，区域覆盖范围为1000mx1000m的矩形，网络由16个自组网设备组成，将其中14个设置为移动节点，采用随机路径点移动模型，运动速度分别为1m/s，2m/s，4m/s，10m/s[2]，在两个固定节点间配置1条数据传输链路，速率为2Mbps。网络拓扑结构如图2所示。节点通信最大范围为30０ｍ，网络传输模式选用802.11ｇ技术标准，传输层采用UDP协议。

图2 网络拓扑

本文选择反应式的AODV协议与主动式的OLSR协议为研究对象，主要目的：一是通过设置节点故障，比较两种协议在拓扑变化时引起的数据传输时延及路由负载开销；二是通过比较协议在不同移动速度下，对网络拓扑快速变化的适应能力。重点对比路由跳数、路由发现时间和网络延迟。

仿真参数详情见表1。

表1仿真参数设置

首先将移动节点的运动速度设置为0m/s，在仿真时间300s时，将节点mobile_node_9设置为故障，故障时间持续到仿真结束。仿真开始后，AODV和OLSR两种协议都按照最小跳数的原则将路由选择为：node_0->mobile_node_9->mobile_node_6->node_1。由于节点故障，如图3所示，在仿真时间300s时路由变化为：node_0->mobile_node_8->mobile_node_5->

mobile_node_2->node_1。如图4所示，AODV协议不维护全局路由表，只是按需发起路由，所以在节点发生故障时，源节点重新建立新路由的过程会引起数据传输延时增加，而OLSR协议只需在全局路由表中选择备选路由，所以并未引起数据传输延时的增加。

从图5也可以得出反应式的AODV协议只有在发起路由时路由开销才会增加，而主动式的OLSR需要周期性的维护全局路由，其路由开销不会发生变化，而且明显高于AODV协议。

图3 路由变化

图4 节点故障下的传输时延

图5 节点故障下的路由开销

保持其他参数不变，依次设置节点运动速度为1m/s、2m/s、4m/s、10m/s,对AODV、OLSR两种协议的传输时延、平均时延抖动和路由开销进行比较分析。从图6和图7中可以看出，网络在使用AODV协议时，其时延和抖动都明显高于OLSR协议，并且随着节点速度增加，使用AODV协议的网络时延和抖动上升更加明显。

在路由开销方面，由于AODV协议是反应式路由协议，因此只有在网络节点进行路由发现的过程中才会产生路由开销，如图8所示，其路由开销明显小于OLSR协议。同时，随着节点移动速度的提高，网络拓扑结构变化更加剧烈，AODV协议的路由开销也伴随上升，而由于OLSR协议属于主动式路由协议，其特点就是网络内节点周期性主动维护路由表，其路由开销并未随由节点移动速度而明显上升。

图6 传输时延

图7 平均延时抖动

图8 路由开销

本文主要对比研究AODV、OLSR两种自组网协议的时延、抖动和路由开销三个技术指标。首先在静止节点场景下通过设置故障节点，进一步验证了反应式路由与主动式路由的不同工作机制所引起的性能差异。然后对比研究了两种协议在不同速度下的性能表现。从仿真结果分析得出结论，OLSR协议的传输时延和抖动明显优于AODV协议，适用于时延要求高和节点运动速度快的自组网，虽然AODV协议路由开销随着节点运动速度提高有所提升，但是在静止或低速时明显优于OLSR协议，适用节点静止或低速运动的，时延要求低、网络流量受限的自组网。