【毕业学位论文】（Word原稿）基于NS2下的DSR路由协议的研究与优化-通信工程

基于 的 由协议的研究与优化 基于 的 由协议的研究与优化 摘 要 ： 展迅速的通信技术，由于它不依赖固定的基础通信设施，没有中心控制节点，抗毁性强，因此适用于许多网络布线存在困难的环境。基于这些特殊优势， Ad 络 在军事领域中发挥着重要作用，在民用领域也有着很好的应用前景。 议是专为 Ad 计的一种按需路由控制协议，它以简单有效、网络开销小、算法复杂度不高、支持单向链路等优点而受到广泛的关注，被认为是最有实用前景的 Ad 由协议之一。 ），是 发的一个离散事件驱动的事件模拟器。它能模拟 络路由协议运行的全过程，并把仿真结果输出到一个 过对 以了解到 而分析评价路由协议的性能好坏。 本文首先介绍 络的基本概念、关键技术和路由协议。其次，对议的概念、特点及工作原理给予详细的介绍和分析 。然后在 络仿真模拟平台下建立无线网络模型，以 对比，对 析评价 真结果表明，同 后文章对 关键词 ： Ad 议，优化，网络仿真， 的 由协议的研究与优化 I oc is a in in As it on no as as in it is to in on Ad an in it a in is an is d It of as so SR an in d ), C is a by It a d to a we of of of d 于 的 由协议的研究与优化 a to SR we a of on in At a 的 由协议的研究与优化 目录 第一章 绪论 1 Ad 络 1 d 络的产生与发展 1 d 络的特点 2 d 络的应用领域 3 究的问题和技术挑战 4 行相关研究的主要大学和组织 4 究问题和技术挑战 5 Ad 络路由协议 7 驱动路 由协议 8 需驱动路由协议 10 文研究的内容和任务 12 究内容 12 要任务 12 章小结 13 第二章 议 16 议概述 16 议分组格式 16 议的运行机制 17 议的路由发现机制 17 基于 的 由协议的研究与优化 议的路由维护机制 20 议的优缺点分析 21 议的优化途径 23 存 理优化 23 由建立过程中捎带数据分组的优化 23 由请求分组的跳数限制 24 径自动缩短 24 机延迟 25 确认路由修复 25 合侦听 25 修 25 章小结 26 第三章 议的仿真及性能分析 28 络仿真工具 28 介 28 安装步骤 28 d 络路由协议在 的实现 31 络基本模拟流程 33 码分析 35 议仿真比较 38 真过程 38 析比较 47 基于 的 由协议的研究与优化 真结论 54 议优化方法 55 章小结 57 第四章 总结与展望 58 参考文献 60 基于 的 由协议的研究与优化 第一章 绪论 Ad 络 d 络的产生与发展 我们经常提及的移动 通信网络一般都是有中心的，要基于预设的网络设施才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有 入点和有线骨干网的模式下。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。 Ad Ad 络的前身是分组无线网（ 对分组无线网的研究源于军事通信的需要，并已经持 续了近 20年。早在 1972年，美国 启动了分组无线网（ 目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后， 在 1993 年启动了高残存性自适应网络（ 目。研究如何将 成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。 1994 年， 启动了全球移动信息系统（ 目。在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。 1991年成立的 Ad 词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。 在 Ad 络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳（ 这是 Ad 络与其他移 动网基于 的 由协议的研究与优化 络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网（ 自组织网络（ 无固定设施的网络（ d 络的特点 Ad 络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。与普通的 移动网络和固定网络相比，它具有以下特点： (1)无中心 Ad 有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 (2)自组织 网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 (3)多跳路由 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同， Ad 网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。 (4)动态拓扑 Ad 络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 这些特点使得 Ad 的 由协议的研究与优化 络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。 d 络的应用领域 由于 Ad 络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。针对 Ad 络的研究是因军事应用而发起的。因此，军事应用仍是 Ad 络的主要应用领域，但是民用方面， Ad 络也有非常广泛的应用前景。 它的应用场合主要有以下几类： (1)军事应用 军事应用是 Ad 络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。 Ad 军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了 Ad 络技术。 (2)传感器网络 传感器网络是 Ad 络技 术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。使用 Ad 散在各处的传感器组成 Ad 络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。 (3)紧急和临时场合 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常 工作，对于抢险救灾来说，基于 的 由协议的研究与优化 这时就需要 Ad 络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。 Ad 这些场合通信的最佳选择。 (4)个人通信 个人局域网（ Ad 络技术的另一应用领域。不仅可用于实现 机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网（ 是一个典型的例子。 (5)与移动通信系统的结合 Ad 用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。 在实际应用中， Ad 络除了可以单独组网实现局部的通信外，它还可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与 Ad 此， Ad 究的问题和技术挑战 行相关研究的主要大学和 组织 无线 络的诸多优良特性，使其在军事及民用领域都有着广阔的发展前景。目前 术是无线通信领域的一门热门技术，国际上有许多研究机构致力于研究适用于具体应用的 些机构包括： 美国加州大学洛杉矶分校的“ 美国加州大学圣克鲁兹分校的“ 于 的 由协议的研究与优化 美国康奈尔大学的“ 美国伊利诺斯大学 校的“ 和“ 美国加州大学圣巴巴拉分校的“ 成立专门的研究小组 d 作组，负责 随着 前已有一些产品面市，例如： 由 司生产 的 备 在 商场内 利用 术 很容易地找到某种商品和价格 ； 在日本的 已经使用 3个小学、 4个中学和 18 个市政建筑； 美国的 司开发出的无线硬件和智能路由软件，可以构建 络支持诸如手机和笔记本等移动终端自由接入或退出网络。 国内对 络的研究起步较晚，研 究机构主要是高校和研究所，如解放军理工大学、清华大学、北京交通大学、西安电子科技大学等，目前的研究还处于理论和技术跟踪分析的初级阶段，成果主要集中在路由协议和 究问题和技术挑战 由于 络无中心、自组织、动态拓扑等特殊性，传统固定网络和移动通信网中使用的各种协议和技术无法直接应用于 络中，因此需基于 的 由协议的研究与优化 要为 前 由协议、安全问题和功率控制等。 （ 1） d 络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。 一个节点发送分组时，只有在它覆盖服务内的节点才能收到。这种共享广播信道的方式，导致露终端和入侵终端等问题。 （ 2）路由协议 无线信道带宽窄的角度来看，路由协议在节点间交互的信息应尽量少，以减小路由协议的开销，提高信道的效率；而从网络拓扑的角度来看，节点的移动、无线信道的不规则性 、发射功率的变化等特点，使得无线自组网的拓扑变化比较频繁，为了能够尽快、尽可能精确地反映网络拓扑的变化，就需要更加频繁地在节点间交互控制报文。这本身就是一对矛盾。因此，设计一个在所有情况下都普遍适用的 络路由协议基本上是不太可能的。 目前，针对 络已提出了许多路由协议。这些路由协议从不同的角度对无线多跳路由问题进行分析和研究，对某一个或几个指标进行优化，以适用于不同的应用环境。主要包括以下几方面：可靠性、可扩展性、 播路由、网络互联、定位辅助等。 （ 3）安全问题 不具备传统网络的安全策略。如传统网络拥有专门的路由器、专门的密钥管理中心和分发公用密钥的目录服务机构来管理加密、认证、访问、控制、权限管理和防火墙等。因此 络比一般的网络更容易受到安全方面的攻击。目前已经提出的基于 的 由协议的研究与优化 安全策略有：基于密码的认证协议、“复活鸭子”的安全模式、异步的分布式密钥管理等。 （ 4）功率控制 过节点的功率控制来提高信道的空间复用度，同时减小对邻近节 点的干扰，达到增加网络容量的目的。此外， 此需要进行功率控制，来减少网络的能量消耗，延长网络的寿命。 Ad 络路由协议 Ad 路由协议的主要作用是监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，产生、选择和维护路由，并根据选择的路由转发数据，以提供网络的连通性。然而，由于终端的移动性、网络拓扑结构的可变性、传输的多跳性、无线信道的不可靠性、网络资源的有限性等众多移动自组网特性，使得 Ad 由协议的研究面临着巨大挑战。因此，路由协议成 为 Ad 络研究的焦点问题之一。 传 统 路 由 协 议 ， 如 协议和 议，都是针对拓扑结构固定的有线网络设计的，并不适用于拓扑结构动态、随机变化的移动自组网，因此必须设计适合 Ad 络环境特点的新的路由协议。多年来，研究者们已提出数十种 Ad 由协议方案。可从不同角度对这些协议进行分类：根据路由发现策略的不同，可将其分为表驱动路由 (按需驱动路由 (混和路由；根据网络拓扑结构的差异，可将其分为平面结构路由 (分簇路由 (根据是否使用 统作为路由辅助条件，可将其分为地理定基于 的 由协议的研究与优化 位辅助路由和无地理定位辅助路由 。 驱动路由协议 表驱动路由（又称先验路由、主动路由）继承了传统的路由算法，但在消除路由环路和已过时路由等方面进行了适应于自组网特性的改 进。传统有线网络的经典路由算法包括链路状态协议和距离矢量两种。链路状态协议中每个节点都要保存整个网络的拓扑信息以及每条链路的开销，为了使所有节点中保存的路由保持一致，每个节点必须周期性地广播其与周围邻居节点的路由信息，其它节点在收到这些信息时更新网络拓扑，以最短路径算法来计算到达目的节点的下一跳节点。然而，某些节点保存的路由可能因为传播的延迟等原因与实际网络中的状态不一致，这时就可能会在网络中生成路由环路。距离矢量算法也会导致路由环路的生成。路由环路问题在无线环境下表现地更为明显，所以继承传统路由协议的表驱 动路由协议需在此方面进行了改进。 表驱动路由协议中无论路由是否被用到，每个节点都要进行周期性地路由信息交换以维护路由表。表驱动路由协议的优点是在有信息传送时不需要等待建立路由，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。而其在无需通信节点之间的路由维护则浪费了大量的网络带宽。常见的表驱动路由协议有 议通过修改 议而得到，它基于 法。 每条路由信息中加人由目的节点产生的序列号，以避免路由环。 在 议中，每个节点周期性地广播它当前的路由表（路由信息包括对应于每个目的节点的距离及最大序列号，还包含发送者自身的序列号，每广播一次就自动加 1）。每个收到该广播报文的节点将报文中的对应各目的节点的序列号与自身路由表中相应表项比较，如果报文中的序列号较高，则更新自己基于 的 由协议的研究与优化 的路由表，将发送者指定为下一跳，并将距离增加一跳。在序列号相等但是报文中路由距离更小的情况下，节点也要更新自己的路由表。 当一个节点发现链路失效时，它将所有通过该 节点转发的路由的距离设为无穷并将其序列号加 1。由于更新了序列号，因此这一消息会传播到整个网络。这样所有这些目的路由指向的目的节点都有效地与此节点断开，直到有新的序列号产生并包含新的路由信息。 一种用于分级网络的路由协议，高级节点保存它所有子孙节点的位置信息，沿从最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址，可以用序列地址进行节点寻址。 议的工作原理与 该算法中， 每个节点维护邻居列表、拓扑表、下一跳节点表和距离表。邻居列表记录所有能侦听到该节点信息的节点列表。对于每个目标节点，拓扑表记录链路状态信息和该信息的时间戳（ 下一跳节点表记录分组转发的下一跳节点，而距离表则记录到达目的节点的最短路径。当链路的状态发生变化时，通过比较报文与本地拓扑表中的目的节点路由序列号大小，决定网络拓扑表的修改，若拓扑表发生变化则广播给其它节点。 议中，较长的路由修改报文会浪费相当大的网络带宽，针对这一缺陷， 行了修改， 路由信息报文中并不包含所有节点的信息，因此可大大缩短报文的大小。与中心节点的距离越近，信息交换越频繁，每个节点都可获得其邻近节点准确详尽的信息；而随着与中心节点距离的加大，交换频率开始减小，超过节点的鱼眼范围时，信息的准确性降低，但并不影响路由的正确选择。通过这种算法，可大大降低路由修改信息对网络的负荷。这种算法的拓扑组织结构像鱼的眼睛 ,所以称之为 是一种距离向量路由算法 ,每个节点维基于 的 由协议的研究与优化 护距离表、路由表、链路开销表和 信息重传列表。信息重传节点列表记录信息更新报文中需要传送的信息序列以及需要对该信息更新报文作出确认的节点列表。节点周期性或者在链路状态改变的情况下交换路由表，信息更新报文中反馈节点列表中的节点需要确认其接收。如果从上次广播更新报文后节点没有新的路由信息需广播，则其需发送 文，以确认节点之间的连通性。如果节点没有发送 息 ,则认为节点的链路信息无效。当节点收到来自邻居节点的信息更新报文后 ,修改自身的距离表依据该报文寻找更好的路由。如果某个移动节点收到了新节点的 息 ,则把新节点信息填 入路由表 ,并且把它自己的路由表发给新节点。 需驱动路由协议 与表驱动路由相反，源始发的按需驱动路由（又称反应路由）认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护去往其它所有节点的路由。按需驱动路由因其更适合自组网特性，近些年来更被关注。按需路由一般分为路由建立和路由维护两个过程。它仅在需要给目的节点发送报文而又没有去往目的节点路由的时候才按需进行路由发现。因此，路由表是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时， 如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时，不适合于实时性要求高的应用。 常用的按需驱动路由协议有 本文将在第 二 章重点介绍 面简单介绍 按需路由 协议 。 Ad n 议是在 议的基础上结合类似 与 继节点依据自身的路由表逐跳转发。因为在中，各节点隐式地将路由请求和路由应答分组中的路由信息保存于自基于 的 由协议的研究与优化 身的路由表中，而 将完整地路由信息显示地保存在分组中。 支持单向路径。 议是在有向无环图法的基础上提出的一种按需驱动路由协议。它分为路由发现，路由维护，路由消除三个过程。 议与其它按需驱动路由协议一样，首先在网中发送路由请求分组，但是在路由应答部分，则采用了 主要思想是：对于某一目标节点，网络中每个节点都保留了相对于它的“势能”。势能可以通过从目标节点的反向广播来获得。离目标节点越远的节点，势能越高，目标节点势能最低。在数据传播过程中，数据包会从高势能的节点向低势能的节点转发，最终流向目标节点。当局部链路发生变化时，只需要局部势能的调整，这种改变一般不会影响到全局。 此节点只保留邻近点的路由信息。该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现路由的开销。 议是一种依据节点物理位置信息而获得路由信息的算法。 议从 得位置信息，且每个节点需知道其它节点的平均运动速度。在路由请求分组中携带寻径范围信息，寻径范围依据位置信息和节点平均运动速度而得到。这样，只有在寻径范围内的节点才转发路由请求分组。当源节点在当前寻径范围内寻径失败时，它将扩大寻径范围。 少了寻径开销；缺点是依赖 制了其应用范围。 基于 的 由协议的研究与优化 文研究 的 内容和任务 究内容 由于组网快速、灵活、 使用方便， 络得到了国际学术界和工业界的普遍关注，正在得到越来越广泛的应用，已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术领域中占据重要地位。 络无中心、自组织、多跳、动态拓扑网络结构的特殊性，使得传统的网络协议和技术不能直接应用于 络，而需要进行专门的设计。如何迅速准确地选择到达目的节点的路由，是 络一个重要和核心的问题，也是 络研究的热点和难点之一。 议是最早采用按需路由思想的路由协议，它包括路由发现和路由维护两个关键 过程。 议路由建立反应快，开销较小，保证路由无环路，支持多路径的特点使得它适合用于快速变化的动态拓扑网络中。 ），是 发的一个离散事件驱动的事件模拟器。它能模拟 络路由协议运行的全过程，并把仿真结果输出到一个 件中。通过对 件的分析，可以了解到 而分析评价路由协议的性能好坏。 本文将研究 络路由技术，重点研究 由协议的工作原理本及其 优缺点。然后在 络仿真模拟平台下建立无线网络模型，以 议仿真模拟，分析评价 由协议性能。最后对 议的优化改进作总结。 要任务 1、了解 络的基本概念、发展现状、特点、关键技术及其应用场合； 基于 的 由协议的研究与优化 2、学习和掌握 络路由协议的概念、分类及其评价指标，了解协议的概念、工作原理及特点； 3、学习 络仿真软件的基本原理，掌握路由协议在 的实现机制，掌握利用 行路由算法仿真的基本步骤； 4、深入分析 和研究 由协议，理解其概念和关键技术，掌握其路由实现的两个重要过程：路由发现和路由维护，并分析其源代码，掌握 码的基本流程。 5、了解 络仿真软件的基本概念，掌握其使用方法。在 建立无线仿真模型，对 种协议进行仿真，对仿真结果进行分析，评价两种协议的性能指标（如时延、投递率、路由效率等） 章小结 第一章对 络进行简单的介绍，包括 络的产生、定义、特点、应用场合、技术挑战 、路由协议 以及本文的研究内容和任务等； 第 二 章详细介绍动态源路由协议 括其概念、工作原理和特点等； 第 三 章首先对网络仿真软件 行简单介绍，包括 述， 的实现流程，以及 络模拟的基本流程。然后将对 代码进行分析讲解，最后对 议和 议进行仿真比较，并分析两者的性能。 第四 章 对 议的改进方法进行分析，并总结全文，展望未来。基于 的 由协议的研究与优化 16 第 二 章 议 议概述 动态源路由协议 (一种按需路由协议，它允许节点动态地发现到达目的节点的多跳 路由。所谓源路由，是指在每个数据分组的头部携带有在到达目的节点之前所有分组必须经过的节点的列表，即分组中含有到达目的节点的完整路由。在 用周期性地广播路由控制信息， 状态”，任何状态的丢失都不会影响为所有状态都是按需建立的，所有状态在丢失之后如果仍然需要的话则能够很容易得到迅速恢复，这样就能减少网络的带宽开销，节约电池能量消耗，避免移动 议分组格式 议使用三种基本的控制分组，分别 是路由请求（ 路由应答（ 路由错误（ 组。 1、 路由请求分组 由请求分组格式 节点 ； 的节点 ； 由记录，记录从源节点到目的节点所经过的路由（节点序列）； 由请求 源路由设置。 2、 路由应答分组 于 的 由协议的研究与优化 17 图 由应答分组格式 的节点 或者路由请求分组的源节点； 节点到目的节点建立起来的路由（节点序列）； 由应答分组所要经过的路由（节点序列）。 3、 路由出错分组 由出错分组格式 ：链路出错的一端节点 ； ：链路出错的另一端节点 ； 的节点或遇到链路出错的数据分组的源节点 ； 由出错分组所要经 过的路由（节点序列）。 议的运行机制 议的路由发现机制 (1) 产生路由请求： 当源节点需要与某目的节点进行通信时，它首先在本节点维护的路由缓存中查找是否有到达该目的节点的路由。若路由缓存中已包含了到达该目的节点的有效路由，则立即使用此路由发送数据分组，否则它将向所有邻居广播 组，以启动一个路由