adhoc网络中aodv路由协议的研究与仿真

adhoc网络中aodv路由协议的研究与仿真内容摘要：

心网络相比，具有很强的抗毁性。 无中心和自组织特点使得 Ad Hoc可以实现快速自动组网。 (2 )动态变化的网络拓扑 Ad Hoc网络中 ， 移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。 在网络拓扑图中，这些变化主要 体现在节点和链路的数量及分布的变化。 而对于传统有 线网络，网络的拓扑结构较为稳定。 (3 )多跳路由 由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的。 当要与其覆盖范围之 外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。 与普通网络中的多 跳不同， Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通节点完成的，而不是由专用的路由 设备 (如路由器 )完成的。 反过来，如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可 以很低，从而达到节省电能延长电池工作时间的目的。 (4) 无线传输 Ad Hoc网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能 提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。 考虑到竞争公共 无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等因素，移动终端获得的 实际带宽远远 小于理论 上 的最大带宽，并且会随时间动态变化。 传统的广播式信道是一跳共享的，而 Ad Hoc网络中节点的发送功率受限，广播信道是多跳共享的 ： 一个节点的发送，只有其中一跳相邻节点可以听到，而此范围之外的其他节 点察觉不到。 这一特征一方面提高了信道的空间重用度，另一方面使得报文的冲 突与节点所处的地理位置相关。 此外，地形或发射功率等因素使得 Ad Hoc网络中可 能存在单向无线信道。 例如，车载终端的发送功率大于手持终端，手持终端可以收到来自车载终端的信 号，而车载终端无法Ad Hoc 网络中 AODV 路由协议的研究与仿真 3 收到来自手持终端的信号，即存在从车载终端到手持终端的 单向信道。 (5) 移动终端的便携性 移动终端具有携带方便、轻便灵巧等优点，但也存在固有缺陷，如能源受限、 内存较少、 CPU处理能力较低和成本较高等，从而给应用的设计开发和推广带 来一定难度，同时显示屏等外设的功能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务。 考虑到成本和易于携带，移动节点不能配备太多数量的发送接收器，并且节 点一般依靠电池供电。 因此，如何高效地 使用节点的电能和延长节点的工作时间 是一个十分突出的问题。 (6) 安全性差 Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺 “睡眠 ”等网络攻击。 另外，Ad Hoc网络由节点自身充当路由器，不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在网络边界的概念。 这就使得 Ad Hoc网络中 的安全问题非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机制将不再适用。 因此，信 道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制和其他安全措施都需要特别考 虑。 无线移动自组织网的主要功能 无线移动自组织网由互联和配置的通信设备组成，主要用于满足应急通信 和军用移动通信需求，其主要功能如下 ： （ 1） 满足地震、水灾或偏远地区的救援行动通信需求 ； （ 2） 实现指挥控制数据的无缝交换 ； （ 3） 提供战场态势感知数据的传播 ； （ 4） 满足部队行动互通的需求 ； （ 5） 可与其它通信系统互连而达到战术级至战略级的完全互通 ； （ 6） 具有网络初始化及管理功能。 Ad Hoc 网络路由协议 Ad Hoc 网络路由概述 在 OSI参考模型中，网络层定义操作系统通用的协议 ，为信息确定地址，把 逻辑地址和名字翻译成物理地址，它也确定从源节点沿着网络到目标节点的路由 选择，并处理业务流问题，例如交换、路由和对数据分组阻塞的控制。 网络层也许是 OSI参考模型中最复杂的一层，部分原因在于，现有的各种通信子网事实上并不遵循 OSI网络层服务定义。 同时，网络互联问题也为网络层的制定增加了很 大难度。 路由器的功能在网络层实现。 路由器可以将子网连接在一起，它依赖于网络 层将子网之间的流量进行路由。 数据链路层协议是相邻两直连节点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网多个转接节点的通信问题。 设置网络层 的主要目的就是要为数据分组，以最佳路径通过通信子网到达目的节点提供服务，而网 络用户不必关心网络的拓扑构型与所使用的通信介质。 路由是在 IP网络中用来 实现分组的正确转发进程，把信息从源穿过网络传Ad Hoc 网络中 AODV 路由协议的研究与仿真 4 递到目的的行为，在传输途中至少遇到一个中间节点。 路由与桥接相比，似乎完成的是同样的事，它们的主要 区别在于桥接发生在 OSI参考协议的第二层 (链路层 )，而路由发生在第三层 (网络层 )。 这一区别使二者在传递信息的过程中使用不同的信息，从而以不同的方 式来完成其任务。 基本概念 几个常用术语 (1)自治系 统 自治系统 (AS)是由于技术、管理、行政和商业上的原因被划分到一个组 的网关的集合。 一般在一个自治系统中拥有相同的选路策略，并且是由在同一技 术管理部门下运行的一组路由器构成的。 一个自治系统必须由一个管理机构来进行统一登记，并分配一定的编号。 在一个自治系统内部，所有的路由器使用相同的动态路由协议，称之为网关 路由协议(IGP， Interior Gateway Protocols)。 在外部世界看来，整个自治系统是 一个单一的实体，在各个自治系统之间将使用 EGP(外部网关路由， Exterior Gateway protocols)或者 BGP(边界网关路由， Border Gateway protocols)来交 换路由信息。 (2)路由器与路由备份 路由器是在网络层进行协议转换，并且按照到达目的地址的路径进行分组转发的设备。 在路由器上，每条路由都具有一定的管理距离，路由器将通过路由管 理距离来决定谁是激活的路由。 路由备份是指当网络出现故障时，路由器自动地将它的路由切换到新的路径上的过程。 路由的备份可以通过一个路由协议来实现，如 OSPF(OPEN Shortest Path First)、优先开放最短路径 )或 RIP(Routing Information Protocol，路由信 息协议 )，也可以通过动态路由和静态路由的相互作用，或者仅仅只是通过静态路由来实现的。 (3 )网关 网关是指被放置在网络或者子网中的路由器。 网关路由 (IGP)是指在自治系统中的路由器之间用来交换路由信息的 协议，它可以在网络中使用，也可以在网络和服务提供商 (ISP，bltel Servile Providers)使用。 外部网关路 由 （ EGP） 是指在自治系统之间的路由器用来交换路由信息 的协议。 换句话说， EGP是指在 Inter和服务供应商之间的使 用的路 由协议。 边界网关路由 (BGP)是一种 EGP路由协议，正在逐渐被广泛的使用。 路由的组成 路由包含两个基本的动作 :确定最佳路径和通过网络传输信息。 在路由的过 程中，后者也称为 (数据 )交换。 交换相对来说比较简单，而选择路径很复杂。 (1)路径选择 Metric（ 跳数 ） 是路由算法用以确定目的地的最佳路径的计量标准，如路径长度。 为了帮助选择路径，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表，路径 信息根据使用的路由算法不同而不同。 Ad Hoc 网络中 AODV 路由协议的研究与仿真 5 路由算法根据诸多信息来填充路由表。 目的 /下一跳地址对告知路由器到达该目 的最佳方式是把分组发送给代表 “下一跳 ”的路由器，当路由器收到一个分组，它就检查其目标地址，尝试将此地址与其 “下一跳 ”相联系。 路由表还可以包括其他信息。 路由表比较 Metric(跳数 )以确定最佳路径，这些 Metric（ 跳数 ） 根据所使用的路由算法而不同。 路由器彼此通信，通过交换路由信息维护其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通过分析来自其他路由器的路由 更新信息，该路由器可以建立网络拓扑细图。 路由器间发送的另一个信息例子是链路状态广播信息，它通知其他路由器发送者的链接状态，链接信息用于建立完整的拓扑图， 使路由器可以确定最佳路径。 (2)交换 交换算法相对而言较简单，对大多数路由协议而言是相同的，多数情况下，某节点决定向另一个节点发送数据，通过某些方法获得路由器的地址后，源节点发送指向该路由器的物理 (MAC)地址的数据分组，其协议地址是指向目的节 点的。 路由器查看了数据分组的目的协议地址后，确定是否知道如何转发该包，如 果路由器不知道如何转发，通常就将之丢弃。 如果路由器知道如何转发，就把目 的物理地址变成下一跳的物理地址并向之发送。 下一跳可能就是最终的目的节点，如果不是，通常为另一个路由器，它将执行同样的步骤。 当分组在网络中流 动时， 它 的物理地址在改变，但其协议地址始终不变。 Ad Hoc 网络协议介绍 Ad Hoc 网络的 路由 协议大致可以分为先验式（ Proactive）路由协议、反应式 (Reactive)路由协议以及混合式路由协议 [10]。 先验式路由协议又称为表驱动路由协议，在这种路由协议中，每个节点维护一张包含到达其他节点的路由信息的路由表。 当检测到网络拓扑结构发生变化时，节点在网络中发送更新消息，收到更新消息的节点将更新自己的路由表，以维护一致的、及时的、准确的路由信息，所以路由表可以准确地反映网络 的拓扑结构。 源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。 因此这种路由协议的时延较小，但是路由协议的开销较大。 常用的先验式路由协议有 DSDV， HSR， GSR， WRP 等。 反应式路由协议，又成为按需路由协议，是一种当需要发送数据时才查找路由的路由算法。 在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。 与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销较小，但是数据报传送的时延较大。 常用的反应式路由协议有 AODV，TORA， DSR 等。 在先验式路由协议和反应式路由协议的基础上许多学者提出了结合先验式和反应式路由协议优点的混合式路由协议，如 ZRP 协议。 ZRP 协议是一个先验式和反应式路由协议的组合，网络内的所有节点都有一个以自己为中心的虚拟区，区内的节点数与设定的区半径有关，因此区是重叠的，这是与分群路由的区别；在区内使用先验式路由算法，中心节点使用区内路由协议 IARP 维持一个到区内其他成员的路由表，对区外节点的路由使用按需路由，利用区间路由协议 IERP 建立临时的路由。 但是，实施混合式路由也面临着很多困Ad Hoc 网络中 AODV 路由协议的研究与仿真 6 难，如簇的选择和维护、先验式和反应式路由 协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。 在实际应用中，常见的 Ad Hoc 路由协议有以下几种： ⑴ 目的序列距离矢量路由协议（ DSDV） DSDV 是一个基于传统的 BellmanFord 算法的路由选择算法，通过对 路由 编号等措施避免了路由环路的发生。 DSDV 的基本原理是：每一个节点维持一个到其他节点的路由表表的内容为路由的 “下一跳 ”节点。 DSDV 创新之处是为每一条路由设置一个序列号，序列号大的路由为优选路由，序列号相同时，跳数少的路由为优选路由。 正常情况下，节点广播的序列号是单调递增的偶数，当节点 B 发现节点 D 的路由（序列号为 S）中断后，节点B 就广播一个路由消息，告之该路由的序列号变为 S+1，是奇数，并且把跳数设为无穷大。 这样，任何一个通过 B 发送信息的节点 A 的路由表中就包括一个无穷大的距离，这一过程直到 A 收到一个到达 D 的有效路由（路由序列号为 S+1+1）为止。 ⑵ 临时按序路由算法（ TORA） TORA 是一个基于链路反转方法的自适应的分布式路由算法，主要用于高速动态的多跳无线网络。 作为一个由源端发起的按需路由协议，它可以找到从源到一个目的节点的多条路由。 TORA 的主要特点是：当拓扑发生改变时，控制消息只在拓扑发生改 变的局部范围传播。 因此，节点只需维护相邻节点的路由信息。 协议由 3 部分构成：路由产生、路由维护和路由删除。 初始化时，目的节点的高度（即传播序列号）被设置为 0。 然后由源端广播一个含有目的节点 ID 的 QRY 分组，一个高度不为 0 的节点响应一个 UPD 分组。 收到 UPD 分组的节点的高度将比产生该 UPD 分组的节点的高度大 1，并且具有较大高度值的节点被规定为上游节点。 通过这种方式能够创建一个从源到目的节点的一个有向无环路图（ DAG）。 当节点移动时，路由需要重建。 在路由删除阶段， TORA 通过广播一个 CLR分组来删除无效的路由。 TPRA 存在的一个问题是当多个节点同时运行选路和删除路由时会产生路由振荡现象。 NS 中，每个节点为所有可能的目的节点运行一个分离的 TORA 进程。 TORA 运行在 IMEP（ IMEP： Inter MANETE capsulation Protocol）之上， IMEP 主要用来提供路由消息的可靠传送并可以向邻居节点通知链路的改变。 ⑶ Ad Hoc 按需距离矢量路由协议（ AODV） AODV 是 DSDV 算法的。