Ad Hoc 网络 TORA 和 DSR 路由协议的吞吐量研究.doc

精品论文推荐Ad Hoc 网络 TORA 和 DSR 路由协议的吞吐量研究谢伟 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆(400065) E-mail：michael_x1984163.com摘要：无线 Ad Hoc 网络是一种新型的无线通信网络，具有广泛的应用前景。本文论述了 无线 Ad Hoc 移动自组织网络的概念、特点，认真讨论了无线 Ad Hoc 网络的各种路由协议。着重对源驱动按需路由协议 TORA 和 DSR 路由协议进行了详细的分析与比较，得出了两种协议。下吞吐量的比较，本文采用 NS2 仿真软件进行了仿真实验分析。得到与理论分析一 致的结果，从而验证了正确的分析结果。关键词:无线 Ad Hoc 网络；TORA 协议；DSR 协议1.引言无线 Ad Hoc 网络是一种采用分布式控制、无中心、无基础设施的多跳自组织网络。 Ad Hoc 网络中的节点具有高度的移动性，可以动态地进行开关动作以加入或离开系统， 具有较强的抗毁性和自组织的能力。同时，它既是终端又是路由器。Ad Hoc 网络正是 因为这些特性使得其在许多场合中得到了广泛的应用。本文着重讨论了 Ad Hoc 网络的 路由协议，用仿真软件分别对 TORA 和 DSR 路由协议进行吞吐量方面的仿真比较。2.无线 Ad Hoc 网络的路由技术Ad Hoc网络动态的拓扑结构使路由协议研究成了一个很重要的热点，也是Ad Hoc网络 技术实用化的重点之一。MANET工作组提出的单播路由协议根据发现路由的策略基本上可 以分为以下几类：主动式路由协议或表驱动路由选择协议、反应式路由协议或源驱动按需路 由选择协议。比较典型的表驱动路由协议有目的序号距离矢量协议DSDV、无线路由协议 WRP、簇头网关交换协议CGSR等，比较典型的按需路由协议包括动态源路由协议DSR、按 需驱动距离矢量路由协议AODV、临时路由需求协议TORA协议等1。下面我们就着重讨论Ad Hoc网络源驱动按需路由选择协议：2.1 源驱动按需路由协议2.1.1 TORA协议TORA协议是一种按需路由协议，它分为路由建立、路由维护和路由消除三个过程。过 程中用到三种分组格式：路由请求分组QRY、路由更新分组UPD、路由擦除分组CLR。每个 节点i都分配一个五元素的状态变量HEIGHT=(taui，oidi，ri，deltai，i)，其中前三个变 量(taui，oidi，ri)定义为参考水平，(deltai，i)定义为节点i的高度。taui为时间标签， oidi引起节点i参考水平改变的节点ID，ri为反射状态标志，deltai节点i在链路中的序号， i为网络中节点i的ID，目的节点j用ZERO=(0，0，0，0，j)表示，NULL=(一，一，一，一， k)表示节点k不在传输链路中，网络初始化时所有节点的状态为NULL。初始化时，目的节点 的高度(即传播序列号)被置为0。然后由源节点广播一个含有目的节点ID的请求分组RREQ， 一个高度不为0的节点响应一个分组。收到RREQ分组的节点的高度将比发送该RREQ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 个从源节点到目的节点的一个有向无环路图(DAG，Directed Acylic Graph)。当节点移动时，- 8 -路由需要重建。在路由消除阶段，TORA通过广播一个CLR分组来删除无效的路由。TORA存在的一个问题是当多个节点同时进行选路和删除路由时会产生路由振荡现象。TORA算法的原理可以用水从高山上流下的过程来比喻，水道代表节点之间的链路，水 道的转接处代表节点，水流代表分组，每个节点有一个相对于目的节点的高度，用做计算路 由的度量。如果节点A到节点B的链路中断，就给A一个比其邻近节点都高的高度值，这样 水流(分组)就从A回流(这个过程称为反转)，通过其它节点流向目的节点。TORA主要用于高速动态的多跳无线网络。TORA运行在IMEP(Internet MANET Encapsulation Protoco1)之上，TORA的优点有：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；支持保存2个节点间的多条路由以及广播，路由拓扑健壮性强；路由 建立时没有环路现象产生。TORA协议的缺点是路由的建立和维护开销大；当多个节点同时 进行选路和删除路由时会产生路由振荡现象；TORA算法基于同步时钟，所以时间的不同可 以导致路由故障，并且这种算法还有潜在的振荡性，影响路由的建立时间2。2.1.2 DSR协议DSR协议中的每个节点维护一个路由缓存存储它所知道源路由，并在学到新路由时更 新路由缓存3。DSR 协议包含路由发现和路由维护两个部分。1) 路由发现 当源节点有数据要向目的节点发送时，它首先检查路由缓存中是否已经包含到目的端的、未过期的路由，若有，则使用该路由发送分组；否则，广播路由请求分组发起路由发现 过程。路由请求分组具有源和目的节点地址以及一个惟一的标识符，每个中间节点同样检查 是否有到目的端的路由，若没有则在分组记录中增加它的地址，并向邻居转发。为了限制路 由请求传播的数量，节点在第一次收到某路由请求分组，并且在分组记录中不含有它的地址 时，才会处理该路由请求。2) 路由应答 路由应答分组可以在两个地方产生：1.当目的端产生路由应答分组时，它将路由请求分组中的路由记录放入路由应答分组中。2.当含有未过期的到目的端路由信息的中间节点收到 路由请求分组时，也产生路由应答分组，此时它将路由缓存表中的路由信息，以及路由请求 分组中记录的路由共同放入路由应答分组中。应答节点可以采用三种方式发送路由应答分组。如果应答节点含有到源端的路由，则 使用该路由直接进行发送；否则，如果网络链路是对称的(双向链路)，则可以利用所发现的 路由逆向发送，如果链路不对称，则应答节点将找到的路由放入路由发现分组中，发起向源 端的路由请求。DSR协议采用路由错误分组和确认分组进行路由维护。当节点在数据链路层遇到传输 错误时，向源端发送路由错误分组。收到路由错误分组的节点，从路由缓存中删除错误的路 由。确认分组用于证实路由的正确运行，同时节点也可以通过检测到沿路由的下一跳节点转 发分组来被动的获得确认。3.路由协议的仿真验证3.1 仿真环境配置为了验证无线Ad hoc网络对TORA和DSR协议的运行情况，在NS2中建立了一个模拟场景，其拓扑边界为1000m×1000m，拓扑采用了10个无线节点，其拓扑图如下所示：7341052689图1 节点拓扑结构仿真中传输的最大分组大小为600字节，节点间数据的传输是CBR数据流，排队采用了 “DropTail”机制，MAC层遵从802.11协议，采用的链路层类型为LL，Ad Hoc路由协议选取了 TORA和DSR路由协议，整个仿真运行的时间为50s。其主要仿真环境变量设置如下所示：表1 仿真环境的配置参数设置值节点数10拓扑范围1000m×1000m仿真时间50s业务类型CBRAd Hoc路由协议TORA，DSR接口队列类型DropTail链路层类型LLMAC层协议802.11协议在仿真中，我们分别设定了三条数据流，分别是节点 0 到节点 2 的 CBR 数据流，最大分组包大小为 600 字节，每隔 0.036s 发送一个分组，数据流在 1s 这个时间开始发送；节点2 到节点 4 的 CBR 数据流，最大分组包大小为 600 字节，每隔 0.031s 发送一个分组，数据 流在 2.0s 这个时间开始发送；节点 8 到节点 4 的 CBR 数据流，其最大分组包大小为 600 字 节，每隔 0.03s 发送一个分组，且数据流在 4.0s 这个时间开始发送。一个好的测试设计方案能够反映出两种路由协议在无线移动网络中的应用情况。由于 TORA 路由协议能够减小和控制因拓扑变化而带来的影响，并将其影响局部化，当网络规模 和拓扑变化速率加快时，它的性能预计会得到显著提高。更进一步的说，在网络密布的情况 下，TORA 路由的性能更好。我们分别对 TORA 路由协议和 DSR 路由协议节点的吞吐量进行仿真比较，以期分析其在无线 Ad Hoc 网络中的应用情况。TORA 路由协议和 DSR 协议之间的比较是通过在 NS2 仿真环境中实现的。为了提供足 够的网络环境参数的控制，在仿真中设计了一种无线移动网络模型，它使用固定网络拓扑结 构（如图 1 所示）,采用相同的网络参数环境，相同的链路类型，无线信道等。这二种路由 协议是在一个共同框架中实施的。共同的框架包括了网络参数环境，如链路类型，MAC 类 型，无线信道，接口队列类型，拓扑结构，网络节点等。3.2 仿真结果我们分别对DSR路由和TORA路由进行仿真，打开终端，运行ns exp，则会产生三个节 点的吞吐量文件和仿真动画文件，以及仿真整个过程的trace文件。3.2.1 对trace文件的分析Trace文件的功能是详细记录了仿真的过程，它可以根据用户的需要记录仿真过程中的 任何一个细节，当一次仿真结束之后，留下的记录就是trace文件，对仿真的分析很多都是基 于trace文件的，如传输速率，延迟时间等。Trace文件详细的记录了每个节点上发生的事情， 如时间信息，流量信息，节点的信息等。下面是在DSR路由下的一个Trace文件中的一行记 录：r 1.036000000 _9_ RTR- 3 cbr 600 0 0 0 0 - 9:0 10:0 32 0 1 0 0从这条记录中我们可以知道：一个id为9的节点在1.036000000这个时间点上收到一个cbr分组，这个分组的uid为3,长度为600,接收节点的MAC地址为0,发送节点的MAC地址为0。 这样对每个节点加以记录就形成了trace文件，其中一行表示了一个记录，即某一个节点在某一时刻的信息，所以通过对trace文件的分析就可以了解到仿真的全过程。3.2.2 仿真图形比较 在仿真运行结束时，在目录DSR和TORA中分别产生了三个tcpthroughput文件，它记录了三个节点的吞吐量情况，这正是本文要测定的数据，我们可以采用gnuplot软件进行分析，gnuplot是一个命令驱动的交互式画图软件，其功能是把数据资料和数学函数转换成容易观察 的平面或立体的图形，帮助研究者进行数据分析。通过图形，研究者可以寻找数据的规律， 或者验证仿真的正确性。我们打开终端，将路由协议所需文件保存在根目录中，在目录中运行ns exp，分别产生 了三个后缀为xg的吞吐量文件，我们将两种协议仿真结果图形画如下所示：图2 节点0的吞吐量比较图3 节点1的吞吐量比较图4 节点2的吞吐量比较3.3 通过仿真对DSR路由协议和TORA路由协议性能相对比较上述图形便是DSR路由协议和TORA路由协议在共同的网络仿真环境中运行的仿真结 果，其测出的性能指标是它们在无线网络环境中处理节点信息的吞吐量。下表列出了DSR路由协议和TORA路由协议的性能参数：表2 DSR路由协议和TORA路由协议的比较性能参数DSR路由协议TORA路由协议整体复杂性中等高开销中等中等路由策略平面平面无环路是是多播否否多径支持是是路由存放位置路由缓存路由表重新配置路由的方法删除路由；通知源端链路反转；路由修复路由度量最短路径最短路径可以分别从上述三图看出，DSR路由协议处理分组的能力比TORA路由协议稍强，究其主要原因，因为TORA路由协议是基于链路反转式的路由协议，其整体复杂性较高，且其路 由信息存储于节点的路由表中，TORA路由协议需要发送大量控制分组信息来维护所建立的 路由，占用了一定的无线信道资源，从而影响了处理业务分组的能力。而DSR路由协议是基 于源路由的协议，其每个节点需要维护一个路由缓存来存储它所知道的源路由，并在学到新 路由时更新路由缓存。其节点不需要周期性的发送路由广播分组，无需维持到所有节点的路 由信息，能自然完全的消除路由环路，节省了带宽，由于其每个分组需要携带完整的路由信息，造成开销也相对较大。分析可以得出，按需路由协议只有在需要一条路径时才开始建立，如果节点在发送分组时没有到目的节点的路由时，需要启动相应的路由发现机制搜寻路由， 这样就会产生过多的控制信息分组，使得节点的处理分组的频率更加频繁，从而有可能降低 节点的吞吐量，而且TORA路由协议其路由震荡现象比较严重，所以其性能相对不够稳定， 影响了节点的吞吐量。4.结论在本文中通过对TORA和DSR路由协议理论的分析，我们可以得出，当网络拓扑结构快 速变化时，发送的节点控制信息只在拓扑发生改变的局部范围内传播，从而有效地控制了因 拓扑结构变化而带来的影响。TORA路由协议主要是用于高速动态的多跳无线网络，当节点 处于高速动态变化时，TORA路由协议能够表现出良好性能，其节点处理分组的能力能够维 持在一定水平，而当节点处于比较稀疏的情况下，此时TORA路由协议的性能下降，TORA 路由协议是基于链路反转式的路由协议，其整体复杂性较高，且其路由信息存储于节点的路 由表中，TORA路由协议需要发送大量控制分组信息来维护所建立的路由，占用了一定的无 线信道资源，从而影响了处理业务分组的能力。而DSR路由协议是基于源路由的协议，其每 个节点需要维护一个路由缓存来存储它所知道的源路由，并在学到新路由时更新路由缓存。 其节点不需要周期性的发送路由广播分组，无需维持到所有节点的路由信息，能自然完全的 消除路由环路，节省了带宽，由于其每个分组需要携带完整的路由信息，造成开销也相对较 大。进一步可以得出，按需路由协议只有在需要一条路径时才开始建立，如果节点在发送分 组时没有到目的节点的路由时，需要启动相应的路由发现机制搜寻路由，这样就会产生过多 的控制信息分组，使得节点的处理分组的频率更加频繁，从而有可能降低节点的吞吐量，而 且TORA路由协议其路由震荡现象比较严重，所以其性能相对不够稳定，影响了节点的吞吐 量。而后在NS2网络仿真软件上进行了仿真验证，结果表明在给定带宽情况下,由于TORA 路由协议是基于链路反转式的，其控制信息分组相对较大，使得其处理节点分组的能力较差， 通过对仿真出来的性能参数吞吐量进行分析，可以看出其节点吞吐量低于DSR路由协议。参考文献1 David Johnson BRouting in ad hoc networks of mobile hosts In Proceedings of the IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications，December，1994，1581632 Vincent D. Park，M. Scott Corson：A Performance Comparison of the Temporally-Ordered Routing Algorithmand Ideal Link-State Routing.3 RFC4728.The Dynamic Source Routing Protocol (DSR) for Mobile Ad Hoc Networks IETF.2007Research on throughput of two routing protocol: TORA andDSR in Ad HocXie WeiChongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing (400065)AbstractAd Hoc Networks is a new wireless communication network with a wide range of applications. Thisarticle discusses the concept of Ad Hoc network, and the characteristics. Focus on the TORA and DSR routing protocol, it carry out a detailed analysis and comparison on the throughput between the two protocol, finally, under NS2 simulation software, it can be proved that the result is consistent with the theoretical analysis, thus verifying the correct analysis.Keywords: Ad Hoc wireless network；TORA routing protocol；DSR routing protocol作者简介：谢伟，男，重庆邮电大学通信与信息工程学院 07 级硕士研究生。主要研究方向:移动通信,通信网络。