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摘要：无线自组织网络由不需要任何基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成，因此网络可以通过节点路由发现机制转发分组，并进行路由维护。这种网络适应了军事和商用中对网络和设备移动性的要求，而引起了人们的关注，并在20世纪90年代以后获得了广泛的研究和发展。文章对DSR(动态源路由协议)的路由发现过程进行了优化，并采用OPNET仿真软件对基于DSR协议的Ad Hoc网络的路由开销和时延等关键参数进行了仿真统计，分析了改进后的路由协议对网络质量的影响。
关键词：Ad hoc网络；动态源路由协议；网络仿真；路由发现过程
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-915-03
Research and Realization of DSR Route Protocol of MANET based on OPNET
WU Ying
(Xiangtan in Hunan Vocational College of Technology, Xiangtan 411100, China)
Abstract: Ad hoc networks are envisioned to have dynamic, sometimes rapidly-changing, random, multihop topologies which are likely composed of relatively bandwidth-constrained wireless links. The Dynamic Source Routing protocol (DSR) is a simple and efficient routing protocol designed specifically for use in multi-hop wireless ad hoc networks of mobile nodes, however, due to mobility and line broken, the route information stored in the cache will be easily invalidated. In order to solve the problem, this paper introduces a new mechanism to optimize the process of route request in DSR router protocol. Two metrics were used to evaluate the performance: sent/received traffic and end-to-end delay, respectively. And two scenarios were analyzed showing the improvement of the network performance with respect to the original DSR protocol.
Key words: ad hoc network; DSR (dynamic source routing); network simulation; route request |
1 概述
Ad hoc网络是一组具有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自组织系统，具有以下一些主要特征：动态拓扑，即网络中的节点可以任意移动，因此，网络的拓扑结构也可能会变化；链路带宽受限、容量时变，由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变特征；动力受限，能量受限，由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力，在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标；物理上安全有限，移动网络比固定网络（有线和无线）更易受到安全威胁，需要克服无线链路的安全弱点及移动拓扑所带来的新的安全隐患，因此，传统的用于固定网络的路由协议不适用于Ad hoc网络。
Ad Hoc无线网络具有自身的特殊性，在组建实际使用的无线工作网络时，必须充分考虑网络的应用规模和扩展性，以及应用的可靠程度及实时性要求，选择合适的网络拓扑结构。另外，由于Ad Hoc网络自身结构的特殊性，设计或组建网络时应充分考虑Ad Hoc无线网络的特点，有助于我们设计出适合特定网络结构的路由协议，最大限度地发挥整个网络的工作性能。
2 DSR协议
DSR采用路由缓存技术，用于存储源路由信息，当得到新的路由时修改路由缓存内容。包括路由发现和路由维护两部分。
1）路由发现：当节点要传送数据分组时，源节点先检查缓存中是否有到信宿的路由信息，若有非过期的路由则可直接采用，否则泛洪广播发送路由请求分组。每个节点接收后，判断是否有到目的节点的路由，若无，则将自己的地址加入分组的路由记录并转发给邻节点。若是目的节点就返回应答，源节点接收到路由回复后，则路由发现过程结束。
2）路由维护：源节点通过路由维护机制可以检测出网络拓扑的改变，从而知道到目的节点的路由是否可用。路由维护探测到某条使用中的路由出现了问题，就会发送RERR（路由错误报文）给源节点。源节点在收到该RERR后，就会从它的路由缓存中删除所有包含有该故障链路的路由。
DSR的优点：(1)节点仅需要维护与之通信的节点的路由，减少了协议开销；(2)使用路由缓存技术减少了路由发现的耗费；(3)一次路由发现过程可能会产生多条到目的点的路由。
DSR的缺点：(1)每个数据报文的头部都需要携带路由信息，数据包的额外开销较大；(2)路由请求消息采用泛洪方式，相邻节点路由请求消息可能发生传播冲突并可能会产生重复广播；(3)由于缓存，过期路由会影响路由选择的准确性。
3 基于DSR协议的路由发现过程中转发节点的处理优化
在DSR协议的路由发现过程中，中间节点在收到源节点的路由请求报文后，会按照以下步骤处理报文：
1）如果路由请求报文的<源节点地址，请求ID>存在于本节点的序列对列表中，表明此报文已经收到过，节点不处理该请求；否则转步骤2）；
2）如果该节点的地址已在路由记录字段中，节点不处理该请求；否则转步骤3）；
3）如果请求报文的目的节点就是本节点，则路由记录中的节点地址序列构成了从源节点到目的节点的路由。节点将该路由拷贝到“路由响应”报文中，并向源节点发送，否则转步骤4）；
4）该节点是中间节点。将节点地址附在报文的“路由记录”字段后，同时向邻节点广播该路由请求。
通过这种办法，路由请求报文将最终到达目的节点。
3.1 DSR协议路由发现过程中存在的问题
在上述的路由发现过程中，需要注意一个问题。
上图中，节点D有可能会同时收到节点C和E的路由请求消息，造成消息碰撞，反而收不到正确的路由请求，因此在Ad hoc网络中，广播并非完全可靠。而一般的解决办法是采用某种策略来避免这种情况发生，如节点随机延时发送，或者节点间采用证实机制等。但是，节点随机延时发送并不能够保证找到最优化的路由选择，而节点间的证实机制则需要发送更多的路由控制报文，耗费更多的网络资源，加重了网络负载。
在此，引入一种新的机制来在一定程度上解决或者缓解以上问题。
3.2 数据包长度比对法
新方法是在采用节点随机延时机制避免消息碰撞的基础上进行的改进。
由于采用了延时机制，所以C和E的路由请求消息会在不同时刻到达D节点，在正常情况下，D节点的路由记录中会出现两条到达F节点的路由选择，这就发生了冗余。
而在引入新的机制以后，D节点会首先缓存到达该节点的路由请求信息，在等待△t(设为1秒)的时间之后，从缓存中取出请求信息，比较路由信息中到达D节点的数据包长度大小，选取数值最小的路由请求，放入路由记录中，并删除其他路由请求信息。
从上图可以比较清晰的看出新方法的工作流程。
其中，op_intrpt_schedule_call (time, code, procedure, state_ptr)是仿真软件OPNET自带的核心函数，其功能是提供一种非常方便的机制，它能够在指定的仿真时间激活用户所编写的函数。一般来说，这个核心函数是作为外部库文件，或者是用户自行编写的程序的仿真接口。使用这个函数的用意就是在不超过△t的时间内，激活数据包长度比对处理函数。
而激活数据包长度比对处理函数dsr_pkt_support_route_request_ process（total_packet）则是为了引入新的节点处理机制而另外编写的函数，其主要功能是计算若干个具有相同目的节点的路由请求信息，从中选取长度最短的路由记录，并删除其他数据包，释放存储空间。
其中，基于Ad hoc路由协议的特殊性，Δt数值大小的确定十分关键。因为若将等待时间设置过大，则网络的传输效率会降低很多，而设置过小，则无法体现改进后的DSR协议对网络性能的影响，而且随着网络规模的扩大，节点移动速度的增加，网络拓扑变化的加快，不理想的Δt数值会产生不适当的额外时延，不利于实时业务的传输。
在本文中，改进的DSR采用了一种类似TCP重传机制的时间计算方法。这种算法首先设置Δt的初始值（设为1秒），然后记录每一次的路由发现时间RDT（Router Discovery Time），将各个路由发现时间的样本加权平均，就得出平均的路由发现时间RDT。每记录一个新的时间样本，就按下式重新计算一次RDT：
RDT=α×(旧的RDT)+(1-α) （1）
在上式中，0≤α≤1。若α很接近于1，表示新算出的RDT与原来相差不大，新记录的RDT更新较慢。若α接近于零，则表示加权计算的RDT受新的样本值的影响较大，RDT更新较快。
这样，得出的平均路由发现时间就是Δt的值，可以看出，Δt的值是在不断变化的。
4 路由仿真及其结果分析
实验采用OPNET仿真软件，网络规模为20个节点，随机分布在1000m×1000m范围，节点采用DSR路由协议来实现分组交换，节点间通信距离为250m，仿真时间为600s，实验的目的是通过仿真来对比分析引入改进的节点处理机制之后，DSR协议对网络性能的影响。
仿真实验分为两个场景：senario1和senario2，分别对应改进后的DSR协议和DSR协议，仿真从负载以及延迟两方面分析协议优化前后的异同，结果如下图。
从图3和图4可以看出，经过优化的DSR路由协议在降低开销，减小负载方面，还是起到了一定的作用。但是，从图5中可以得出结论，引入新的节点处理机制之后，DSR在网络延迟方面的表现不尽如人意。
5 结论
Ad hoc网络中的DSR协议每个数据报文的头部都需要携带路由信息，数据包的额外开销较大，为了改善这一状况，本文在DSR路由发现过程中，引入了一种新的节点处理机制，经过仿真实验表明，这种优化在降低开销，减小网络负载方面起到了一定作用，但是在减小网络延迟方面还有缺陷，所以，下一步的研究工作就是提出更加有效的方法来改善Ad hoc网络的网络质量。
参考文献：
[1] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社,2004.
[2] 王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社,2003.
[3] 王金龙,王呈贵.Ad hoc移动无线网络[M].北京：国防工业出版社,2004:1-25.
[4] Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations (RFC 2501).
[5] The Dynamic Source Routing Protocol(DSR)for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4 (RFC 4728).
[6] Maltz D,Johnson D.Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J].IETF Draft,1996.
[7] Johnson D,Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Hosts[J].Proceedings of the Workshop on Mobile Computing Systems and Application, IEEE Computer Society,1994.
[8] 赵志峰,郑少仁.Ad hoc网路体系结构研究[J].电信科学,2001,17(1):14-17.
关键词：Ad hoc网络；动态源路由协议；网络仿真；路由发现过程
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-915-03
Research and Realization of DSR Route Protocol of MANET based on OPNET
WU Ying
(Xiangtan in Hunan Vocational College of Technology, Xiangtan 411100, China)
Abstract: Ad hoc networks are envisioned to have dynamic, sometimes rapidly-changing, random, multihop topologies which are likely composed of relatively bandwidth-constrained wireless links. The Dynamic Source Routing protocol (DSR) is a simple and efficient routing protocol designed specifically for use in multi-hop wireless ad hoc networks of mobile nodes, however, due to mobility and line broken, the route information stored in the cache will be easily invalidated. In order to solve the problem, this paper introduces a new mechanism to optimize the process of route request in DSR router protocol. Two metrics were used to evaluate the performance: sent/received traffic and end-to-end delay, respectively. And two scenarios were analyzed showing the improvement of the network performance with respect to the original DSR protocol.
Key words: ad hoc network; DSR (dynamic source routing); network simulation; route request |
1 概述
Ad hoc网络是一组具有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自组织系统，具有以下一些主要特征：动态拓扑，即网络中的节点可以任意移动，因此，网络的拓扑结构也可能会变化；链路带宽受限、容量时变，由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变特征；动力受限，能量受限，由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力，在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标；物理上安全有限，移动网络比固定网络（有线和无线）更易受到安全威胁，需要克服无线链路的安全弱点及移动拓扑所带来的新的安全隐患，因此，传统的用于固定网络的路由协议不适用于Ad hoc网络。
Ad Hoc无线网络具有自身的特殊性，在组建实际使用的无线工作网络时，必须充分考虑网络的应用规模和扩展性，以及应用的可靠程度及实时性要求，选择合适的网络拓扑结构。另外，由于Ad Hoc网络自身结构的特殊性，设计或组建网络时应充分考虑Ad Hoc无线网络的特点，有助于我们设计出适合特定网络结构的路由协议，最大限度地发挥整个网络的工作性能。
2 DSR协议
DSR采用路由缓存技术，用于存储源路由信息，当得到新的路由时修改路由缓存内容。包括路由发现和路由维护两部分。
1）路由发现：当节点要传送数据分组时，源节点先检查缓存中是否有到信宿的路由信息，若有非过期的路由则可直接采用，否则泛洪广播发送路由请求分组。每个节点接收后，判断是否有到目的节点的路由，若无，则将自己的地址加入分组的路由记录并转发给邻节点。若是目的节点就返回应答，源节点接收到路由回复后，则路由发现过程结束。
2）路由维护：源节点通过路由维护机制可以检测出网络拓扑的改变，从而知道到目的节点的路由是否可用。路由维护探测到某条使用中的路由出现了问题，就会发送RERR（路由错误报文）给源节点。源节点在收到该RERR后，就会从它的路由缓存中删除所有包含有该故障链路的路由。
DSR的优点：(1)节点仅需要维护与之通信的节点的路由，减少了协议开销；(2)使用路由缓存技术减少了路由发现的耗费；(3)一次路由发现过程可能会产生多条到目的点的路由。
DSR的缺点：(1)每个数据报文的头部都需要携带路由信息，数据包的额外开销较大；(2)路由请求消息采用泛洪方式，相邻节点路由请求消息可能发生传播冲突并可能会产生重复广播；(3)由于缓存，过期路由会影响路由选择的准确性。
3 基于DSR协议的路由发现过程中转发节点的处理优化
在DSR协议的路由发现过程中，中间节点在收到源节点的路由请求报文后，会按照以下步骤处理报文：
1）如果路由请求报文的<源节点地址，请求ID>存在于本节点的序列对列表中，表明此报文已经收到过，节点不处理该请求；否则转步骤2）；
2）如果该节点的地址已在路由记录字段中，节点不处理该请求；否则转步骤3）；
3）如果请求报文的目的节点就是本节点，则路由记录中的节点地址序列构成了从源节点到目的节点的路由。节点将该路由拷贝到“路由响应”报文中，并向源节点发送，否则转步骤4）；
4）该节点是中间节点。将节点地址附在报文的“路由记录”字段后，同时向邻节点广播该路由请求。
通过这种办法，路由请求报文将最终到达目的节点。
3.1 DSR协议路由发现过程中存在的问题
在上述的路由发现过程中，需要注意一个问题。
上图中，节点D有可能会同时收到节点C和E的路由请求消息，造成消息碰撞，反而收不到正确的路由请求，因此在Ad hoc网络中，广播并非完全可靠。而一般的解决办法是采用某种策略来避免这种情况发生，如节点随机延时发送，或者节点间采用证实机制等。但是，节点随机延时发送并不能够保证找到最优化的路由选择，而节点间的证实机制则需要发送更多的路由控制报文，耗费更多的网络资源，加重了网络负载。
在此，引入一种新的机制来在一定程度上解决或者缓解以上问题。
3.2 数据包长度比对法
新方法是在采用节点随机延时机制避免消息碰撞的基础上进行的改进。
由于采用了延时机制，所以C和E的路由请求消息会在不同时刻到达D节点，在正常情况下，D节点的路由记录中会出现两条到达F节点的路由选择，这就发生了冗余。
而在引入新的机制以后，D节点会首先缓存到达该节点的路由请求信息，在等待△t(设为1秒)的时间之后，从缓存中取出请求信息，比较路由信息中到达D节点的数据包长度大小，选取数值最小的路由请求，放入路由记录中，并删除其他路由请求信息。
从上图可以比较清晰的看出新方法的工作流程。
其中，op_intrpt_schedule_call (time, code, procedure, state_ptr)是仿真软件OPNET自带的核心函数，其功能是提供一种非常方便的机制，它能够在指定的仿真时间激活用户所编写的函数。一般来说，这个核心函数是作为外部库文件，或者是用户自行编写的程序的仿真接口。使用这个函数的用意就是在不超过△t的时间内，激活数据包长度比对处理函数。
而激活数据包长度比对处理函数dsr_pkt_support_route_request_ process（total_packet）则是为了引入新的节点处理机制而另外编写的函数，其主要功能是计算若干个具有相同目的节点的路由请求信息，从中选取长度最短的路由记录，并删除其他数据包，释放存储空间。
其中，基于Ad hoc路由协议的特殊性，Δt数值大小的确定十分关键。因为若将等待时间设置过大，则网络的传输效率会降低很多，而设置过小，则无法体现改进后的DSR协议对网络性能的影响，而且随着网络规模的扩大，节点移动速度的增加，网络拓扑变化的加快，不理想的Δt数值会产生不适当的额外时延，不利于实时业务的传输。
在本文中，改进的DSR采用了一种类似TCP重传机制的时间计算方法。这种算法首先设置Δt的初始值（设为1秒），然后记录每一次的路由发现时间RDT（Router Discovery Time），将各个路由发现时间的样本加权平均，就得出平均的路由发现时间RDT。每记录一个新的时间样本，就按下式重新计算一次RDT：
RDT=α×(旧的RDT)+(1-α) （1）
在上式中，0≤α≤1。若α很接近于1，表示新算出的RDT与原来相差不大，新记录的RDT更新较慢。若α接近于零，则表示加权计算的RDT受新的样本值的影响较大，RDT更新较快。
这样，得出的平均路由发现时间就是Δt的值，可以看出，Δt的值是在不断变化的。
4 路由仿真及其结果分析
实验采用OPNET仿真软件，网络规模为20个节点，随机分布在1000m×1000m范围，节点采用DSR路由协议来实现分组交换，节点间通信距离为250m，仿真时间为600s，实验的目的是通过仿真来对比分析引入改进的节点处理机制之后，DSR协议对网络性能的影响。
仿真实验分为两个场景：senario1和senario2，分别对应改进后的DSR协议和DSR协议，仿真从负载以及延迟两方面分析协议优化前后的异同，结果如下图。
从图3和图4可以看出，经过优化的DSR路由协议在降低开销，减小负载方面，还是起到了一定的作用。但是，从图5中可以得出结论，引入新的节点处理机制之后，DSR在网络延迟方面的表现不尽如人意。
5 结论
Ad hoc网络中的DSR协议每个数据报文的头部都需要携带路由信息，数据包的额外开销较大，为了改善这一状况，本文在DSR路由发现过程中，引入了一种新的节点处理机制，经过仿真实验表明，这种优化在降低开销，减小网络负载方面起到了一定作用，但是在减小网络延迟方面还有缺陷，所以，下一步的研究工作就是提出更加有效的方法来改善Ad hoc网络的网络质量。
参考文献：
[1] 陈敏.OPNET网络仿真[M].北京：清华大学出版社,2004.
[2] 王文博,张金文.OPNET Modeler与网络仿真[M].北京：人民邮电出版社,2003.
[3] 王金龙,王呈贵.Ad hoc移动无线网络[M].北京：国防工业出版社,2004:1-25.
[4] Mobile Ad hoc Networking (MANET): Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations (RFC 2501).
[5] The Dynamic Source Routing Protocol(DSR)for Mobile Ad Hoc Networks for IPv4 (RFC 4728).
[6] Maltz D,Johnson D.Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks[J].IETF Draft,1996.
[7] Johnson D,Routing in Ad Hoc Networks of Mobile Hosts[J].Proceedings of the Workshop on Mobile Computing Systems and Application, IEEE Computer Society,1994.
[8] 赵志峰,郑少仁.Ad hoc网路体系结构研究[J].电信科学,2001,17(1):14-17.