摘  要： 分析了按需路由協議AODV的基本原理，針對AODV僅維護單一路由及不考慮節點能耗的不足，提出了一種基于穩定性的AODV優化思想。通過NS2仿真實驗表明，優化后的AODV路由協議在分組投遞率、端到端平均時延及網絡生存時間等方面的性能優于原協議，更適用于網絡拓撲結構快速變化的場合。
關鍵詞： Ad Hoc網絡；AODV協議；穩定性；仿真

    Ad Hoc網絡(Mobile Ad Hoc Network)是一種具有高度動態拓撲結構、節點任意移動的自組織網絡，其獨立于固定的基礎設施，采用分布式管理，特別適合于作戰指揮、搶險救災以及執行臨時任務等場合[1，2]。路由協議是移動節點相互通信的基礎，與固定網絡相比，Ad Hoc網絡的路由問題要復雜得多。
    AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector)協議是一種典型的按需路由協議，是目前較為成熟、應用廣泛的Ad Hoc網絡路由協議。但是，Ad Hoc網絡的每種協議都存在自身的不足，只適用于特定的場合。針對AODV協議僅以最短路徑、最快響應作為路由選擇測度，未將節點耗能作為路由選擇因素的缺點，本文提出一種基于穩定性的AODV優化思想。
1 標準AODV路由協議
    AODV協議實質上是動態源按需路由協議DSR(Dynamic Source Routing)和主動路由協議DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)的綜合，它結合了按需路由發現和按需路由維護機制，以及逐跳路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制，根據數據分組的需要按需進行路由發現和建立傳輸路徑。對于所有不在源節點到目的節點路徑上的節點，既不參與路由信息的維護，也不參與路由表的交換，從而減少了總的廣播量。使用目的節點序列號來避免路由環路的發生以及確保路由的時效性。AODV協議較好地緩解了主動路由協議開銷較大和不易擴展的問題，是一個無環、自啟動、能適合于規模較大的Ad Hoc網絡路由協議。
2 AODV路由協議的優化
    AODV協議的每個源節點只維護一條到一個特定目的節點的路由，如果這條路由失效，將會重新發起路由發現過程，從而增大網絡的開銷[2]。將剩余能量最低的節點稱為“瓶頸節點”[3]。在不考慮因節點移動造成路由失效的情況下，路由生存時間則由瓶頸節點的剩余能量決定。在最短路徑的測度標準下，即使瓶頸節點的剩余能量很小，AODV也可能將其選中構成最短路由，這將影響自組網的生存壽命。
    針對AODV協議存在的這些問題，目前研究人員已提出了不少基于多徑路由和基于能量高效的改進方案。但是，基于多徑路由的改進方案并未考慮節點能耗及網絡壽命問題。而基于能量高效的改進方案均只維護一條有效路由，當路由失效時需要重啟路由發現過程。本文提出一種使網絡更加穩定的改進方法，將路徑能量信息（包括瓶頸節點剩余能量、路徑節點剩余能量平均值、跳數）附加到RREQ，當RREQ到達目的節點后，目的節點將提取路徑能量信息作為RREP的附加字段，并根據接收RREQ的順序按不同路徑回復兩個RREP。當RREQ到達與目的節點存在有效路由的中間節點后，只有最先接收到的中間節點才向源節點回復RREP。為計算整條路徑的節點能量信息，此時，該中間節點繼續沿著路由表中到達目的節點的路由向目的節點傳送RREQ包，最終由目的節點向源節點回復一個包含路徑能量信息的E-RREP應答（并非路由應答包）。因此，源節點至少可以收到兩個RREP。
 
3 基于NS2的路由協議仿真
3.1 網絡仿真環境
    NS是一種可擴展、易配置和編程、離散時間驅動的網絡仿真工具[7]。本實驗中，將NS2（NS第2版）安裝于Ubuntu操作系統（一個Linux版本）下。設定如下仿真環境：節點個數為50，拓撲范圍為800 m×600 m，節點初始能量為20 J，通信覆蓋范圍為150 m，節點間最大連接數為10。數據源采用cbr流，每秒發送2個數據包，每包長度為512 B。節點到目的節點后的停留時間為3 s，節點最大移動速度為0 m/s、3 m/s、6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s，仿真時間為300 s。路徑選擇函數中取α=0.05，β=0.1。節點移動速度越大，網絡拓撲結構變化越大。
3.2 性能評估指標
    本文從以下4個指標比較優化前后的AODV協議性能：
    (1)分組投遞率：目的節點成功接收到的分組數與源節點發送的分組數之比。
    (2)端到端平均時延：通過累加所有目的節點收到數據分組的時間與源節點發送數據分組的時間差，再取平均值來統計。
    (3)路由開銷：所有路由控制報文總的字節數與所有報文的字節數之比。
    (4)網絡生存時間：從網絡開始運行到第一個節點耗盡能量的時間[8]，反映網絡能量消耗的公平性。
3.3 仿真流程及步驟
    本實驗是在現有標準AODV協議基礎上的研究，需對AODV源代碼進行預期修改，然后編寫Otcl腳本進行測試，直至編譯生成新的AODV協議。實現網絡仿真的具體過程如下：
    (1)利用NS2自帶的工具生成傳輸模型文件，以及產生節點移動場景。
    (2)編寫Otcl腳本，完成網絡拓撲結構等參數及對象的配置。
    (3)執行Otcl腳本文件，得到trace文件。
    (4)編寫gawk程序，從trace文件中分別提取出分組投遞率、平均端到端時延、路由開銷以及網絡生存時間有用數據。
    (5)調用gnuplot繪圖工具將處理后獲得的數據繪制成圖形，得出網絡的性能。
3.4 仿真結果分析
    將優化后的協議稱為NEW-AODV。從圖1可看出，隨著節點最大移動速度的增大，鏈路斷開幾率變大，分組投遞率均下降，但是因NEW-AODV中加入了主、備用路由，且選擇路徑節點能量高效的為主路由，有效減少了路由發現與路由修復，減少了因節點能量耗盡導致的路由失效，NEW-AODV的分組投遞率優于AODV。從圖2可知，隨著節點最大移動速度的增大，端到端平均時延總體呈現增大趨勢，由于NEW-AODV減少了路由發現及執行本地修復過程，其時延要比AODV小些。從圖3可以看出，隨著節點最大移動速度的增大，由于路徑失效導致路由控制開銷增加。NEW-AODV協議在路由控制分組中加入了能量信息，一定程度上增加了路由開銷，然而NEW-AODV采用了備份路由，減少了路由發現過程，控制了路由開銷的大幅上升。路由開銷的略有增加帶來了網絡生存時間的較大提高，這在實際應用中是十分可取的。從圖4中可知，隨著節點最大移動速度的增大，網絡生存時間均下降，但NEW-AODV協議中同時考慮了最短路徑和路徑節點能量，選擇路徑能量較優的為主路由，從而有效提高了網絡生存時間。

    Ad Hoc網絡路由協議設計是一個復雜問題。目前，不存在適應于所有場合的萬能協議，每種協議都有各自的優缺點。實踐中，只能根據具體環境需要選擇適合的路由協議。為減少路由發現，延長網絡壽命，本文提出一種同時考慮最快響應、最短路徑及最小路徑節點能耗的AODV優化方案。仿真結果表明，優化后的AODV協議相比原協議不僅改善了路由發現過程，也保護了能量低的節點，有效增強了網絡的穩定性，更適應網絡拓撲結構變化較大的場合。
參考文獻
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