adhoc網(wǎng)絡(luò)中aodv路由協(xié)議的研究與仿真(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 心網(wǎng)絡(luò)相比，具有很強(qiáng)的抗毀性。無(wú)中心和自組織特點(diǎn)使得 Ad Hoc可以實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)組網(wǎng)。 (2 )動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中 ， 移動(dòng)終端能夠以任意可能的速度和移動(dòng)模式移動(dòng)，并且可以隨時(shí)關(guān)閉電臺(tái)，加上無(wú)線發(fā)送裝置的天線類型多種多樣、發(fā)送功率的變化、無(wú)線信道間的互相干擾、地形和天氣等綜合因素的影響，移動(dòng)終端間通過(guò)無(wú)線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都難以預(yù)測(cè)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，這些變化主要 體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)和鏈路的數(shù)量及分布的變化。而對(duì)于傳統(tǒng)有 線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。 (3 )多跳路由 由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的限制，節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍是有限的。當(dāng)要與其覆蓋范圍之 外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，即要經(jīng)過(guò)多跳。與普通網(wǎng)絡(luò)中的多 跳不同， Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)完成的，而不是由專用的路由 設(shè)備 (如路由器 )完成的。反過(guò)來(lái)，如果可以使用多跳路由，節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可 以很低，從而達(dá)到節(jié)省電能延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的目的。 (4) 無(wú)線傳輸 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線傳輸技術(shù)，由于無(wú)線信道本身的特性，它所能 提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)于有線信道要低得多，并且無(wú)線信道的質(zhì)量較差。考慮到競(jìng)爭(zhēng)公共 無(wú)線信道產(chǎn)生的沖突、信號(hào)衰減、噪聲和信道之間干擾等因素，移動(dòng)終端獲得的 實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn) 小于理論 上 的最大帶寬，并且會(huì)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)的廣播式信道是一跳共享的，而 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率受限，廣播信道是多跳共享的 ： 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，只有其中一跳相鄰節(jié)點(diǎn)可以聽到，而此范圍之外的其他節(jié) 點(diǎn)察覺(jué)不到。這一特征一方面提高了信道的空間重用度，另一方面使得報(bào)文的沖 突與節(jié)點(diǎn)所處的地理位置相關(guān)。 此外，地形或發(fā)射功率等因素使得 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中可 能存在單向無(wú)線信道 。 例如，車載終端的發(fā)送功率大于手持終端，手持終端可以收到來(lái)自車載終端的信 號(hào)，而車載終端無(wú)法Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中 AODV 路由協(xié)議的研究與仿真 3 收到來(lái)自手持終端的信號(hào)，即存在從車載終端到手持終端的 單向信道。 (5) 移動(dòng)終端的便攜性 移動(dòng)終端具有攜帶方便、輕便靈巧等優(yōu)點(diǎn)，但也存在固有缺陷，如能源受限、 內(nèi)存較少、 CPU處理能力較低和成本較高等，從而給應(yīng)用的設(shè)計(jì)開發(fā)和推廣帶 來(lái)一定難度，同時(shí)顯示屏等外設(shè)的功能和尺寸受限，不利于開展功能較復(fù)雜的業(yè)務(wù)。考慮到成本和易于攜帶，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不能配備太多數(shù)量的發(fā)送接收器，并且節(jié) 點(diǎn)一般依靠電池供電。因此，如何高效地 使用節(jié)點(diǎn)的電能和延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間 是一個(gè)十分突出的問(wèn)題。 (6) 安全性差 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，由于采用無(wú)線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，它更加容易受到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪 “睡眠 ”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。另外，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)自身充當(dāng)路由器，不存在命名服務(wù)器和目錄服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，也不存在網(wǎng)絡(luò)邊界的概念。這就使得 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中 的安全問(wèn)題非常復(fù)雜，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多安全策略和機(jī)制將不再適用。因此，信 道加密、抗干擾、用戶認(rèn)證、密鑰管理、訪問(wèn)控制和其他安全措施都需要特別考 慮。 無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)的主要功能 無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)由互聯(lián)和配置的通信設(shè)備組成，主要用于滿足應(yīng)急通信 和軍用移動(dòng)通信需求，其主要功能如下 ： （ 1） 滿足地震、水災(zāi)或偏遠(yuǎn)地區(qū)的救援行動(dòng)通信需求 ； （ 2） 實(shí)現(xiàn)指揮控制數(shù)據(jù)的無(wú)縫交換 ； （ 3） 提供戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)的傳播 ； （ 4） 滿足部隊(duì)行動(dòng)互通的需求 ； （ 5） 可與其它通信系統(tǒng)互連而達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)至戰(zhàn)略級(jí)的完全互通 ； （ 6） 具有網(wǎng)絡(luò)初始化及管理功能。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)路由概述 在 OSI參考模型中，網(wǎng)絡(luò)層定義操作系統(tǒng)通用的協(xié)議 ，為信息確定地址，把 邏輯地址和名字翻譯成物理地址，它也確定從源節(jié)點(diǎn)沿著網(wǎng)絡(luò)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由 選擇，并處理業(yè)務(wù)流問(wèn)題，例如交換、路由和對(duì)數(shù)據(jù)分組阻塞的控制。網(wǎng)絡(luò)層也許是 OSI參考模型中最復(fù)雜的一層，部分原因在于，現(xiàn)有的各種通信子網(wǎng)事實(shí)上并不遵循 OSI網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)定義。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問(wèn)題也為網(wǎng)絡(luò)層的制定增加了很 大難度。 路由器的功能在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)。路由器可以將子網(wǎng)連接在一起，它依賴于網(wǎng)絡(luò) 層將子網(wǎng)之間的流量進(jìn)行路由。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是相鄰兩直連節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，它不能解決數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通信子網(wǎng)多個(gè)轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)的通信問(wèn)題。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)層 的主要目的就是要為數(shù)據(jù)分組，以最佳路徑通過(guò)通信子網(wǎng)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，而網(wǎng) 絡(luò)用戶不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)型與所使用的通信介質(zhì)。路由是在 IP網(wǎng)絡(luò)中用來(lái) 實(shí)現(xiàn)分組的正確轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程，把信息從源穿過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中 AODV 路由協(xié)議的研究與仿真 4 遞到目的的行為，在傳輸途中至少遇到一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。路由與橋接相比，似乎完成的是同樣的事，它們的主要 區(qū)別在于橋接發(fā)生在 OSI參考協(xié)議的第二層 (鏈路層 )，而路由發(fā)生在第三層 (網(wǎng)絡(luò)層 )。這一區(qū)別使二者在傳遞信息的過(guò)程中使用不同的信息，從而以不同的方 式來(lái)完成其任務(wù)。 基本概念 幾個(gè)常用術(shù)語(yǔ) (1)自治系 統(tǒng) 自治系統(tǒng) (AS)是由于技術(shù)、管理、行政和商業(yè)上的原因被劃分到一個(gè)組 的網(wǎng)關(guān)的集合。一般在一個(gè)自治系統(tǒng)中擁有相同的選路策略，并且是由在同一技 術(shù)管理部門下運(yùn)行的一組路由器構(gòu)成的。一個(gè)自治系統(tǒng)必須由一個(gè)管理機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一登記，并分配一定的編號(hào)。 在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部，所有的路由器使用相同的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，稱之為網(wǎng)關(guān) 路由協(xié)議(IGP， Interior Gateway Protocols)。在外部世界看來(lái)，整個(gè)自治系統(tǒng)是 一個(gè)單一的實(shí)體，在各個(gè)自治系統(tǒng)之間將使用 EGP(外部網(wǎng)關(guān)路由， Exterior Gateway protocols)或者 BGP(邊界網(wǎng)關(guān)路由， Border Gateway protocols)來(lái)交 換路由信息。 (2)路由器與路由備份 路由器是在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并且按照到達(dá)目的地址的路徑進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備。在路由器上，每條路由都具有一定的管理距離，路由器將通過(guò)路由管 理距離來(lái)決定誰(shuí)是激活的路由。 路由備份是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，路由器自動(dòng)地將它的路由切換到新的路徑上的過(guò)程。路由的備份可以通過(guò)一個(gè)路由協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，如 OSPF(OPEN Shortest Path First)、優(yōu)先開放最短路徑 )或 RIP(Routing Information Protocol，路由信 息協(xié)議 )，也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和靜態(tài)路由的相互作用，或者僅僅只是通過(guò)靜態(tài)路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 (3 )網(wǎng)關(guān) 網(wǎng)關(guān)是指被放置在網(wǎng)絡(luò)或者子網(wǎng)中的路由器。 網(wǎng)關(guān)路由 (IGP)是指在自治系統(tǒng)中的路由器之間用來(lái)交換路由信息的 協(xié)議，它可以在網(wǎng)絡(luò)中使用，也可以在網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供商 (ISP，bltel Servile Providers)使用。 外部網(wǎng)關(guān)路 由 （ EGP） 是指在自治系統(tǒng)之間的路由器用來(lái)交換路由信息 的協(xié)議。換句話說(shuō)， EGP是指在 Inter和服務(wù)供應(yīng)商之間的使 用的路 由協(xié)議。邊界網(wǎng)關(guān)路由 (BGP)是一種 EGP路由協(xié)議，正在逐漸被廣泛的使用。 路由的組成 路由包含兩個(gè)基本的動(dòng)作 :確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。在路由的過(guò) 程中，后者也稱為 (數(shù)據(jù) )交換。交換相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，而選擇路徑很復(fù)雜。 (1)路徑選擇 Metric（ 跳數(shù) ） 是路由算法用以確定目的地的最佳路徑的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，如路徑長(zhǎng)度。為了幫助選擇路徑，路由算法初始化并維護(hù)包含路徑信息的路由表，路徑 信息根據(jù)使用的路由算法不同而不同。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中 AODV 路由協(xié)議的研究與仿真 5 路由算法根據(jù)諸多信息來(lái)填充路由表。目的 /下一跳地址對(duì)告知路由器到達(dá)該目 的最佳方式是把分組發(fā)送給代表 “下一跳 ”的路由器，當(dāng)路由器收到一個(gè)分組，它就檢查其目標(biāo)地址，嘗試將此地址與其 “下一跳 ”相聯(lián)系。路由表還可以包括其他信息。路由表比較 Metric(跳數(shù) )以確定最佳路徑，這些 Metric（ 跳數(shù) ） 根據(jù)所使用的路由算法而不同。路由器彼此通信，通過(guò)交換路由信息維護(hù)其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通過(guò)分析來(lái)自其他路由器的路由 更新信息，該路由器可以建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼?xì)圖。路由器間發(fā)送的另一個(gè)信息例子是鏈路狀態(tài)廣播信息，它通知其他路由器發(fā)送者的鏈接狀態(tài)，鏈接信息用于建立完整的拓?fù)鋱D， 使路由器可以確定最佳路徑。 (2)交換 交換算法相對(duì)而言較簡(jiǎn)單，對(duì)大多數(shù)路由協(xié)議而言是相同的，多數(shù)情況下，某節(jié)點(diǎn)決定向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)某些方法獲得路由器的地址后，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送指向該路由器的物理 (MAC)地址的數(shù)據(jù)分組，其協(xié)議地址是指向目的節(jié) 點(diǎn)的。 路由器查看了數(shù)據(jù)分組的目的協(xié)議地址后，確定是否知道如何轉(zhuǎn)發(fā)該包，如 果路由器不知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，通常就將之丟棄。如果路由器知道如何轉(zhuǎn)發(fā)，就把目 的物理地址變成下一跳的物理地址并向之發(fā)送。下一跳可能就是最終的目的節(jié)點(diǎn)，如果不是，通常為另一個(gè)路由器，它將執(zhí)行同樣的步驟。 當(dāng)分組在網(wǎng)絡(luò)中流 動(dòng)時(shí)， 它 的物理地址在改變，但其協(xié)議地址始終不變 。 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議介紹 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的 路由 協(xié)議大致可以分為先驗(yàn)式（ Proactive）路由協(xié)議、反應(yīng)式 (Reactive)路由協(xié)議以及混合式路由協(xié)議 [10]。 先驗(yàn)式路由協(xié)議又稱為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，在這種路由協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張包含到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表。當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新消息，收到更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表，以維護(hù)一致的、及時(shí)的、準(zhǔn)確的路由信息，所以路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò) 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文，可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此這種路由協(xié)議的時(shí)延較小，但是路由協(xié)議的開銷較大。常用的先驗(yàn)式路由協(xié)議有 DSDV， HSR， GSR， WRP 等。 反應(yīng)式路由協(xié)議，又成為按需路由協(xié)議，是一種當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才查找路由的路由算法。在這種路由協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)不需要維護(hù)及時(shí)準(zhǔn)確的路由信息，當(dāng)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，源節(jié)點(diǎn)才在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找過(guò)程，找到相應(yīng)的路由。與先驗(yàn)式路由協(xié)議相比，反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷較小，但是數(shù)據(jù)報(bào)傳送的時(shí)延較大。常用的反應(yīng)式路由協(xié)議有 AODV，TORA， DSR 等。 在先驗(yàn)式路由協(xié)議和反應(yīng)式路由協(xié)議的基礎(chǔ)上許多學(xué)者提出了結(jié)合先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的混合式路由協(xié)議，如 ZRP 協(xié)議 。 ZRP 協(xié)議是一個(gè)先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由協(xié)議的組合，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)以自己為中心的虛擬區(qū)，區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)與設(shè)定的區(qū)半徑有關(guān)，因此區(qū)是重疊的，這是與分群路由的區(qū)別；在區(qū)內(nèi)使用先驗(yàn)式路由算法，中心節(jié)點(diǎn)使用區(qū)內(nèi)路由協(xié)議 IARP 維持一個(gè)到區(qū)內(nèi)其他成員的路由表，對(duì)區(qū)外節(jié)點(diǎn)的路由使用按需路由，利用區(qū)間路由協(xié)議 IERP 建立臨時(shí)的路由。但是，實(shí)施混合式路由也面臨著很多困Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)中 AODV 路由協(xié)議的研究與仿真 6 難，如簇的選擇和維護(hù)、先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由 協(xié)議的合理選擇以及網(wǎng)絡(luò)工作的大流量等問(wèn)題。 在實(shí)際應(yīng)用中，常見的 Ad Hoc 路由協(xié)議有以下幾種： ⑴ 目的序列距離矢量路由協(xié)議（ DSDV） DSDV 是一個(gè)基于傳統(tǒng)的 BellmanFord 算法的路由選擇算法，通過(guò)對(duì) 路由 編號(hào)等措施避免了路由環(huán)路的發(fā)生。 DSDV 的基本原理是：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)到其他節(jié)點(diǎn)的路由表表的內(nèi)容為路由的 “下一跳 ”節(jié)點(diǎn)。 DSDV 創(chuàng)新之處是為每一條路由設(shè)置一個(gè)序列號(hào)，序列號(hào)大的路由為優(yōu)選路由，序列號(hào)相同時(shí)，跳數(shù)少的路由為優(yōu)選路由。正常情況下，節(jié)點(diǎn)廣播的序列號(hào)是單調(diào)遞增的偶數(shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn) B 發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn) D 的路由（序列號(hào)為 S）中斷后，節(jié)點(diǎn)B 就廣播一個(gè)路由消息，告之該路由的序列號(hào)變?yōu)?S+1，是奇數(shù)，并且把跳數(shù)設(shè)為無(wú)窮大。這樣，任何一個(gè)通過(guò) B 發(fā)送信息的節(jié)點(diǎn) A 的路由表中就包括一個(gè)無(wú)窮大的距離，這一過(guò)程直到 A 收到一個(gè)到達(dá) D 的有效路由（路由序列號(hào)為 S+1+1）為止。 ⑵ 臨時(shí)按序路由算法（ TORA） TORA 是一個(gè)基于鏈路反轉(zhuǎn)方法的自適應(yīng)的分布式路由算法，主要用于高速動(dòng)態(tài)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。作為一個(gè)由源端發(fā)起的按需路由協(xié)議，它可以找到從源到一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的多條路由。 TORA 的主要特點(diǎn)是：當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生改變時(shí)，控制消息只在拓?fù)浒l(fā)生改 變的局部范圍傳播。因此，節(jié)點(diǎn)只需維護(hù)相鄰節(jié)點(diǎn)的路由信息。協(xié)議由 3 部分構(gòu)成：路由產(chǎn)生、路由維護(hù)和路由刪除。初始化時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)的高度（即傳播序列號(hào)）被設(shè)置為 0。然后由源端廣播一個(gè)含有目的節(jié)點(diǎn) ID 的 QRY 分組，一個(gè)高度不為 0 的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)一個(gè) UPD 分組。收到 UPD 分組的節(jié)點(diǎn)的高度將比產(chǎn)生該 UPD 分組的節(jié)點(diǎn)的高度大 1，并且具有較大高度值的節(jié)點(diǎn)被規(guī)定為上游節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這種方式能夠創(chuàng)建一個(gè)從源到目的節(jié)點(diǎn)的一個(gè)有向無(wú)環(huán)路圖（ DAG）。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，路由需要重建。在路由刪除階段， TORA 通過(guò)廣播一個(gè) CLR分組來(lái)刪除無(wú)效的路由。 TPRA 存在的一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行選路和刪除路由時(shí)會(huì)產(chǎn)生路由振蕩現(xiàn)象。 NS 中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)為所有可能的目的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行一個(gè)分離的 TORA 進(jìn)程。 TORA 運(yùn)行在 IMEP（ IMEP： Inter MANETE capsulation Protocol）之上， IMEP 主要用來(lái)提供路由消息的可靠傳送并可以向鄰居節(jié)點(diǎn)通知鏈路的改變。 ⑶ Ad Hoc 按需距離矢量路由協(xié)議（ AODV） AODV 是 DSDV 算法的