移动ADHOC网络高效路由研究路由优化Word格式.docx
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3.3NS-2仿真步骤29
第4章经典AD-HOC路由协议的改进技术分析30
4.1未改进前DSR协议分析30
4.1.1DSR路由协议的缺陷分析30
4.1.2DSR路由协议的改进方法31
4.2仿真实现31
4.2.1性能参数的选择31
4.2.2生成仿真对象32
4.2.3生成运动对象33
4.2.4仿真结果处理及分析35
4.2.5仿真结果格式36
4.3DSR协议改进后分析37
4.4小结40
总结41
参考文献42
致谢43
内容摘要
近年来，移动AD-HOC网络作为新兴的无线通信网络，逐渐引起了业界的广泛关注，成为研究的热点。
AD-HOC网络能够在没有基础设施支持的情况下进行灵活方便的通信，节点开机就可以快速自动组网，节点可以任意移动，可以随时加入或离开网络。
AD-HOC网还具有组网速度快、抗毁自愈能力强等优点，随着技术的不断发展，AD-HOC网在军事和民用领域也得到越来越广泛的应用。
由于移动AD-HOC网络采用无线信道，节点的自由性，网络的结构性等各方面技术特点，使得AD-HOC网必须具备良好的适应性和很高的生存能力。
建立成熟的AD-HOC网络，研究其路由优化方面意义重大。
本文就AD-HOC基本概念及常见路由的进行了分析阐述，并根据DSR动态源路由协议的特点，通过网络仿真，从优化DSR协议性能方面着手，对DSR协议的部分参数作了修改，并通过仿真分析验证了不同参数对DSR协议性能的影响。
关键词
AD-HOC；
网络；
路由；
DSR；
NS-2
ABSTRACT
Inrecentyears,themobileADHOCnetworksasemerging-wirelesscommunicationnetwork,graduallycausedextensiveconcernoftheindustry,becomethefocusofresearch.ADHOCnetworksinno-infrastructureinsupportofthesituationisflexibleandconvenientcommunications,nodecanbeonanymobilenetworking,nodecanatanytime,canaddorleavethenetwork.ADHOCnetwork-hasnettedspeed,invulnerabilityself-healingcapabilityetc,withthedevelopmentoftechnology,ADHOCnetwork-inmilitaryandcivilianareasalsogetmoreandmorewidely.DuetothemobileADHOCnetworkusingwirelesschannel-andthefreedomofthenetworknodes,structuralcharacteristics,technicalaspectsthatADHOCnetwork-mustpossessgoodadaptabilityandhighabilitytosurvive.TheADHOCestablishedmaturenetwork,researchontheroutingoptimizationisofgreatsignificance.
ThisAD-HOCbasicconceptsandcommonroutingisanalyzed,andthedynamicsourceDSRaccordingtothecharacteristicsofroutingprotocols,throughthenetworksimulation,optimizationDSRagreementfromtheaspectsofperformanceoftheagreement,andsomeparametersDSRhasbeenmodifiedandverifiedbysimulationanalysisofdifferentparametersontheeffectofDSRagreement.
KEYWORDS
ADHOC;
Networks;
Routing;
DSR;
NS-2
移动AD-HOC网络高效路由研究——路由优化
第1章绪论
本章介绍移动AD-HOC的相关概念以及发展，无线自组网国内外研究现状和发展趋势，同时介绍了移动AD-HOC在现实中的一些应用。
1.1移动AD-HOC网络概述
从概念上讲，移动AD-HOC网络是由一系列移动节点组成的一种多跳自组织的网络，它不依赖于任何已有的网络基础设施。
网络中的节点动态且任意分布，节点之间通过无线方式互联，当拓扑发生变化时，具有自恢复连接的能力。
严格意义上说，移动AD-HOC网络是一系列装备无线通信装置、具有联网能力的设备的集合。
这些通信设备无论在其无线通信信号覆盖范围之内（单跳），还是在其信号覆盖范围之外（多跳）均可以互相通信。
对于前者，设备之间直接通信，对于后者，必须要借助中间设备来中继或转发从源设备到目的设备的分组，因而必须采用多跳路由技术。
与具有基础设施的传统网络不同，由于移动AD-HOC网络缺乏中心控制部件，所以必须采用分布式协议来保障网络的运行。
如图1.1所示，通过最后一跳与固定基础设施的无线连接，移动AD-HOC网络对现有的因特网实现了延伸和扩展。
图1.1移动AdHoc网络与因特网的相连
移动AD-HOC网络具有的自组织和自适应特性，意味着未来可以随时组成和解体，而不需要任何系统管理设备。
单词“AD-HOC”隐含着“能够呈现任何形式的”，以及“可以是移动的、联网的或待机的”意思。
网络中的设备或节点必须能够检测到其他设备或节点的存在，并执行必要的握手操作，才能实现数据通信和信息共享等。
移动AD-HOC网络可以呈现不同的拓扑形态，最简单的就是几个异构型移动便携式设备的互联，可能中间不涉及数据的转发。
如图1.2所示为一种单跳网络结构，蓝牙微微网就是属于这种结构类型。
如图1.3所示为同构型移动设备组成的移动AD-HOC网络。
在实际应用中，通常移动设备的种类五花八门，无论是计算能力、存储能力、无线信号覆盖范围、功耗等均可能有很大差异，因此，构筑异构型网络比同构型网络的难度要大得多。
图1.2异构型移动AdHoc网络
图1.3同构型移动AdHoc网络
1.2AD-HOC网络的发展简述
移动AD-HOC网络这一术语相对较新，但是其基本思想并不是新鲜事物。
一般认为，没有基础设施的网络出现在20世界70年代，在最初开发分组交换技术不久，美国国防部高级研究规划署（DARPA）就赞助了一项特别的研究—分组无线网络（PRNET,PacketRadioNetwork），即让分组交换技术在不受固定或有线基础设施闲置的环境下运行。
这项技术实际上就是分组交换技术（演化自点到点通信技术）广播式无线网络的扩展和延伸。
该项目研究的目标其中就有在移动环境下实现多个移动终端的相互通信。
显然，移动AD-HOC网络研究的最初动机就是满足战场通信网络生存的军事需求。
在战场这样恶劣的环境下，通信设备是不可能依赖已有的通信设施的，一方面这些设施可能根本不存在，另一方面，这些设施可能会随时遭到破坏。
因此，能快速装备自组织的移动基础设施时这种网络区别于其他通信网络的基本要素。
与人们对PRNET知之甚少相反，同一个时期美国夏威夷大学开展的另一个项目——ALOHA却广为人知，该项目展示了单跳无线网络中收发分组的广播机制，奠定了PRNET的共享宽带技术的一部分基础，也导致了后来多跳多址接入分组无线网络的研究与开发。
下面简要介绍下PRNET项目当时的研究背景：
1972年，DARPA的PRNET项目开始启动，分组交换技术刚刚展露作为一种共享带宽资源的有效工具的优势，其中采用了存储——转发路由技术来提供可靠的计算机通信。
起初，PRNRET协议采用集中式的控制站技术，但其核心概念很快就演化为分布式结构，这是一种集中化过程很低的广播无限电网络，采用多跳存储—转发器技术，以建立完全端到端的用户连接。
实际上，当时PRENT在技术上面临着下列的一些难题：
（1）在无线多跳通信路由中实现流控制；
（2）无线链路的错误控制；
（3）网络拓扑信息的获取和维护；
（4）路由信息的获取；
（5）处理路由器移动问题的机制；
（6）多用户共享信道接入的机制；
（7）终端的处理能力；
（8）功率需求及规模等。
很显然，在当时的技术条件下，以上问题不可能立即得到完全解决。
不过，DRAPA和PRNET还是展示了移动AD-HOC网络的多种技术，探索了早期分组交换技术与先进的无线电硬件与软件、网络管理算法等技术的结合。
PRNET项目开创了移动AD-HOC网络研究的先河，但PRNET并不是孤立的。
从20世界70年代开始，美国DRAPA、陆军研究局（ARO）、海军研究局（ONR）和空军研究局实验室还赞助了其他一些相关研究项目，其中包括，“可生存自适应网络（SURAN）”、“低成本分组无线电（LCR）”、“可生存通信网络（SCN）”和“战术因特网和近期无线电（NTDR）”等项目。
分组无线网络的研究不仅限于美国，在20世纪80年代英国皇家的信号与雷达建立（RSRE）项目也开发了一种基于窄带网络技术的分组无线网络。
不过，这些研究内容在当时并没有完全公开，20世纪90年代中期，随着一些技术的公开，移动AD-HOC网络开始引起人们的关注，成为移动通信领域的一个研究热点。
1但目前移动AD-HOC网络尚未达到完全实用阶段，大部分工作仍处在仿真和实验阶段，仿真规模在数百数千节点，实验规模在几十个节点左右。
1.3AD-HOC网络的特点
移动AD-HOC网络的主要特征有以下几个方面：
●最小化的基础设施支持。
●自组织和自管理。
既然网络基础结构是不具可用性的，这些节点必须通过自己组织和维护网络（要求有自主的分布式控制）。
节点能侦测到其它节点的存在，并和它们一起加入网络。
●大部分甚至所有节点都在移动，导致网络拓扑动态变化。
当节点移动时，网络拓扑变化，新的节点加入，一些节点离开，或者是一些路由中断。
经常出现频繁的、临时的、突发性的网络连接损失。
●无线链路。
既然大多数节点是移动的，那就意味着只能是无线通信方式。
●节点既是一个主机，又是一个路由器。
一个节点可能想连接到超出单跳距离外的另一个节点，那么对每一个节点而言，路由功能是必需的，因为网络没有下部结构支持，节点不必是同一类型（可以是电话、PDA、膝上型电脑、传感器等）。
●多跳性。
既然每一个节点能为其它节点发送通信量，多跳性是可能的。
在AD-HOC网络里多跳是所希望的能力，因为在单跳AD-HOC网络里空间不会按比例增大，也就限制了节点之间的通信。
●能量受限。
既然节点能移动，它们就不能依靠线路供能，而只能靠电池提供动力。
●异质性。
每个节点可以有不同的性能。
为了能连接基于下部结构的网络（形成一个混合网络），一些节点能和不止一种类型的网络通信。
●有限的安全性。
AD-HOC网络由于采用的是无线传播方式，因而会比有线网络更易受到敌方的干扰、窃听和攻击。
1.4AD-HOC网络的基本构成及其类型
按照我们所关注网络的结构、能力、移动性特征、服务特征等，移动AD-HOC网络具有多种不同的类型。
通常情况下，移动AD-HOC网络有以下类型：
（1）全对称环境网络：
所有的结点具有相同的能力和职责；
（2）非对称能力网络：
各个节点在信号传输距离、电池寿命、信息处理能力，移动速度方面等均可能不同；
（3）非对称职责网络：
网络中只有一部分节点有能力对分组信息进行路由选择，另一些则不能；
对于采用簇结构形式的网络，一部分节点要充当一些相邻节点的“领导”（簇头）；
（4）不同服务特征网络：
不同的网络在比特率、定时限制、可靠性需求、播送属性（单播/多播（geocast））不同、编址方法不同（基于主机的编址、基于内容的编址、基于能力的编址等）；
（5）移动模式不同的网络：
移动节点可能是在机场候机的旅客、出租车、玩耍的小孩、武装行进中的军事车辆和军人、个人域网络的移动终端等；
（6）移动特性不同的网络：
移动节点的移动速度、方向、匀速或非匀速等特性等不同。
1.5移动AD-HOC网络的应用
移动AD-HOC网络潜在的应用很多，大致可以分为以下几类：
（1）移动会议：
在室外一个临时环境中，一个工作团体的所有成员可以通过AD-HOC方式组成一个临时网络来完成一项大的任务，或协同完成某个计算任务。
在室内办公环境中，办公人员携带的包含AD-HOC收发器的PDA可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件，更新工作日程表等。
（2）家庭联网：
在未来，我们可以通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭，必要时可以在家庭办公。
或者，当我们从室外回家时，我们随身携带的个人无线AD-HOC设备可以在家庭办公。
（3）紧急服务：
当由于停电或其他灾害出现、网络基础设施遭到破坏时，组件一个移动AD-HOC网络可以帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。
例如，警察和消防人员可以保持密切联系，协调指挥抢险。
（4）传感器网络：
最近，人们开始关注大量分布的传感器协调工作的问题。
传感器可以工作在危险的环境，通过在传感器上装备位置指示器、AD-HOC收发器等，可以将传感器所在的现场信息传送到危险现场以外，这样就可以避免让救援人员进入现场，收集和辨别事故信息。
（5）个人域网络：
可以通过移动AD-HOC网络把个人通信、娱乐、办公等设备联网，这些设备可以或不需要与因特网相连，但他们在执行用户的某项活动时肯定需要彼此通信，在这种情况下，移动性不是主要问题。
（6）军事无线通信：
在现代化战场上，各种军事车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥，协调作战。
这样的通信网络是一种典型的移动AD-HOC网络。
（7）其他商业应用：
如未来装备AD-HOC收发设备的机场预约和登机系统可以自动地与乘客携带的个人无线AD-HOC设备通信，完成目前的换登机牌等手续。
2
第2章AD-HOC网络中的路由协议
本章对AD-HOC网络中的路由协议做了基本的介绍，并对其中的几种主要路由协议进行分析和比较。
从而全面的论述了AD-HOC网络的路由问题。
2.1移动AD-HOC网络中路由协议面临的问题
未来移动通信网络除了以低成本达到高数据率外，还要求网络组网灵活，具有适应性和生存能力。
无线自组织网络（AD-HOC）是一种没有预定的基础设施支撑
的自组织可重构的多跳无线网络，可以作为蜂窝移动网络的有效加强。
因此，移动自组织网络将因其灵活性而在未来移动通信网络中扮演重要作用。
AD-HOC网络中，由于通信半径的限制，网络节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交互的，需要路由协议完成分组转发决策。
与传统路由协议相比，AD-HOC路由协议的设计面临着网络拓扑动态变化、带宽受限、信道容量变化、移动终端有限的可用资源等新的问题和挑战。
所以，现在常用的用于其它普通网络的协议并不能适应AD-HOC网络的需求。
常规路由协议主要基于两种形式的路由思想：
距离矢量（DVA）算法和链路状态（LSA）算法。
但是，LSA和DVA都不适合在AD-HOC网络环境中运行。
这主要是因为AD-HOC网络的特性为路由协议的设计提出了新的问题和挑战，主要包括以下几个方面：
（1）动态变化的网络拓扑：
结构动态变化的拓扑结构式自组网最显著的特点。
在自组网中直接运行常规的路由协议，当拓扑结构发生变化后，常规路由协议需要很长时间和较大的代价才能达到收敛状态。
（2）单向信道的存在：
常规路由协议通常认为底层的通信信道是双向的，但在采用无线信道的自组网环境中，由于发射功率或地理位置等因素的影响，可能存在单向信道，这为常规路由协议带来的三个严重的影响：
认知的单向性、路由单向性和汇点不可达。
（3）有限的无线传输带宽无线移动终端的局限性——无线终端一般内存小，采用电池供电，这就要求路由算法简单有效，实现的代码短小精悍，需要考虑如何节省能源，但是，常规路由协议通常基于高性能路由器平台，没有考虑到这些因素。
早在1996年，因特网工程任务组（IETF）就成立了移动AD-HOC网络工作小组（MANETWG），其核心任务就是研究无线自组织网络环境下基于IP协议的路由协议规范和接口设计。
IETFRFC2501详细给出了无线AD-HOC网络的应用场合、特征和性能要求。
目前，MANETWG已经公布了一系列的有关AD-HOC路由的草案，如动态源路由算法（DSR）、基于反向路径转发的拓扑分发协议（TBRPF）、优化链路状态路由算法（OLSR）、按需距离矢量路由算法（AODV）、临时按序路由算法（TORA）、区域路由算法（ZRP）；
此外，研究还提出了许多AD-HOC路由协议，如目的序列距离矢量路由算法（DSDV）、无线路由协议（WRP）、陆标路由协议（LANMAR）、位置辅助路由（LAR）、鱼眼状态路由算法（FSR）。
这些路由协议根据所采用的基本路由机制的不同，可分为基于链路状态的路由协议、基于距离矢量的路由协议、源路由协议及反向链路协议；
按照网络逻辑结构的不同，可分为平面结构的路由协议和分层结构的路由协议；
按照路由发现策略的不同，可分为表驱动路由协议、按需路由协议以及混合路由协议。
2.2AD-HOC网络路由协议设计思路
自组网的路由协议有着其特定的应用空间。
结合AD-HOC网络路由协议面临的主要问题，研究人员从不同角度提出了AD-HOC路由协议，主要有三个方向：
（1）通过修改现有的常规路由协议以适应自组网环境工作，如目的序列距离矢量路由协议DSDV。
DSDV值在RIP的基础上，通过引入序列号机制解决了距离矢量协议固有的路由环路和收敛时间过长的问题。
（2）基于按需路由发现的路由原则：
按需路由是指节点不再周期性的广播路由信息分组，而是在发现没有去往目的地节点路由的时候按需发起路由请求。
3按需路由有效的减少了占用的网络资源，是自组网路由协议区别于常规路由协议的一个重要特征。
（3）基于QOS路由：
自组网环境下的QOS路由是指节点搜集网络的资源情况，选择一条最有可能满足用户QOS需求的路由，而不再是仅仅以最小跳数为尺度。
2.3AD-HOC网络路由的分类
目前，已存在数十种以自组网为网络环境的路由协议。
对这些协议，可以从不同的角度进行不同的分类，如表所示：
表2.1路由分类
分类角度
路由类型
优点
缺点
从路由发展角度
主动路由
当节点需要发送数据分组时，只要到目的节点的路由存在，所需的延
花费开销较大，应尽可能使路由更新紧随拓扑结构的变化。
按需路由
无需周期性路由信息广播，节省了一定的网络资源
发送数据分组如果没有到目的节点的路由，需进行路由发现
从网络逻辑视图
的角度
平面路由
无特殊点，网络中业务流平均分散，路由协议鲁棒性好
可扩展性较差，限制了网络的规模
分级路由
网络由多个分群组成，可扩展性好，适合大规模自组网环境
群有节点的可靠与稳定性对全网性能影响较大
2.4AD-HOC网络中几种基础的路由协议
2.4.1目的排序距离矢量（DSDV）协议
DSDV协议对Bellman-Ford路由算法即距离矢量算法进行了改进。
与传统的DV算法相比，DSDV算法在原来的算法中加入了目的节点序列号，此序列号由目的节点产生。
目的节点序列号可以区别新旧路由，避免了环路差产生。
在DSDV中，路由表的表项除了包括目的几点，跳计数外，还有目的节点的序列号。
其主要思想就是在DV基础上加上目的节点的序列号，用于防止由于节点移动而产生的路由环合死锁等问题。
但由于相邻节点之间必须周期性地交换路由表信息，所以会占据很大一部分网络资源，开销过大。
当然也可以根据路由表的改变来触发路由更新。
路由表的更新有两种方式：
一种是全部更新，即拓扑更新消息中将包括整个路由表。
这种方式主要应用于网络拓扑变化较快的情况；
另一种方式是部分更新，即更新消息中仅包含变化的路由部分，通常适用于网络变化较慢的情况。
在DSDV中，只使用序列号最高的路由，如果两个路由具有相同的序列号，那么将选择最优（如跳数最少）的路由。
DSDV路由协议能迅速为节点建立路由并发送数据，在任何情况下都能避免产生路由环路。
虽然在网络拓扑变化频繁的情况下，DSDV协议的收敛性能并不好，但在一般情况下，收敛还是相当快的。
但是，无论网络流量如何以及节点是否需要发送数据，DSDV都要求节点定期地广播更新信息。
当加入网络的节点越来越多，路由表的容量、开销、带宽也相应增加，这是DSDV是主要缺点。
此外，DSDV要求每个节点保存到网络中所有节点的路由，然而在实际的网络环境中，节点不一定要用到到所有目的节点的路由条目，多余的路由条目也会造成资源的浪费。
无线网络中，有单向链路的存在，而DSDV协议仅支持双向链路，这一缺点也限制了DSDV协议的使用。
当节点移动率较高时，DSDV协议的性能将急剧恶化。
2.4.2按需距离矢量（AODV）协议
AODV路由算法是专为移动AD-HOC网设计的一种路由协议，它可以说是按需式和表驱
动式的一种结合，具备了两种方式的优点。
它的处理过程简单，存储开销小，能对链路状态的变化作出快速反应。
AODV通过引入序列号的方法解决了传统DV协议中的一些问题，如“计算到无穷”，确保了在任何时候都不会形成路由环，这一点与DSDV很相似
AODV路由算法属于按需路由算法，即仅当有源节点需要向某目的节点通信时，才在节点间建立路由，路由信息不会一直被保存，具有一定的生命期（TTL），这是由移动AD-HOC网本身的特点所决定的。
若某条路由已不需要，则会被删除。
通过使用序列号，AODV可以保证不会形成路由环。
AODV支持单播、多播和广播通信，在相邻节点之间只使用对称链路。
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