AODV协议的仿真研究与性能分析.docx
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AODV协议的仿真研究与性能分析
分类号密级
UDC
学位论文
AODV协议的仿真研究与性能分析
作者姓名：
指导教师：
申请学位级别：
硕士
学科类别：
专业学位
学科专业名称：
软件工程
论文提交日期：
2008年月
论文答辩日期：
2008年月
学位授予日期：
2008年月
答辩委员会主席：
评阅人：
东北大学
2008年10月
AThesisinSoftwareEngineering
SimulationResearchandPerformance
AnalysisofAODVRoutingProtocol
by
Supervisor:
NortheasternUniversity
October2008
独创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：
即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
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导师签名：
签字日期：
签字日期：
AODV协议的仿真研究与性能分析
摘要
移动AdHoc网（MANET）即早期军事研究中所称的移动分组无线网络，是以分组无线网技术为基础的互联的无线电台、计算机硬件和软件的集合。
由于可快速配置稳定有效的动态网络，移动AdHoc网技术已被主要应用于军事、消防、安全和救援等场合，其次还被用于工业和商业应用中，同时由于其组网灵活、费用低廉而被作为蜂窝移动通信网的补充技术。
本文首先简要介绍了移动AdHoc网的现状及发展前景，移动AdHoc网的基本概念、网络特点、网络体系结构和面临的一系列问题。
然后，基于移动AdHoc网的网络环境，对多种用于移动AdHoc网络的路由协议进行了分析比较，并重点分析研究了AODV路由协议。
本文借鉴OPNET网络仿真工具建立了基于AODV协议的AdHoc网络仿真模型。
通过对节点属性和数据源数量的不同配置得到多个AODV仿真模型，通过对网络模型的负载、延迟和传输效率等仿真结果进行详细分析，验证了AODV的路由协议在MANET网络中应用的可行性，为实际系统的设计和规划提供了参考模型和参考数据。
同时编程实现了无线传感器网络的DSRA算法，为进一步研究有关的路由协议奠定了基础。
关键词：
移动AdHoc网，路由协议，AODV，OPNET
SimulationresearchandperformanceanalysisofAODVroutingprotocol
Abstract
MobileAdHocNetworking（MANET）issomewhatsynonymouswithMobilePacketRadioNetworking,whichappearedduringearlymilitaryresearchinthe70'sand80's.Thisnetworkingistheintegrationofwirelesstransmitters,wirelessreceivers,computerhardwaresandsoftwares.MANETtechnologyismainlyusedinmilitaryaffairs,firecontrol,andrescueaction,becauseitcanberapidlyutilizedasasurvivable,efficientdynamicnetworking.Furthermore,thistechnologyhasbeenappliedinindustrialandcommercialfields.MANETcanbeoperatedasaflexible,inexpensivenetworking,soithasbeenasupplementforcell-basedmobilenetworkinfrastructures.
First,thethesisintroducesthecurrentsituationandfuturedevelopmentofWirelessAdHocNetworking,whichincludesbasicconceptions,importantcharacteristics,networkinginfrastructures,andaseriesofurgentproblems.Andthen,basesonMANETenvironment,somerepresentativeroutingprotocols,usedinMANET,iscomparedindetail,finally,weselectAODVroutingprotocolasthenetworklayerprotocolinthispaper.
UtilizingOPNET,anetworksimulationplatform,AdHocnetworkhasbeenbuildupbasedonAODVprotocol.Byconfiguringnodeattributesanddatasourcenumber,weobtainseveralAODVmodels.Then,networkload,transmissiondelayandtransmissionefficiencyissimulatedandanalyzed,whichvalidatethefeasibilityofAODVroutingprotocolinMANETnetwork.Thesesimulationresultscanprovidereferencemodelsandusfuldatasforthedesignofarealnetworksystem.Finnally,theDSRAalgorithmisrealizedbyprogrammingforwirelesssensornetworks,whichestablishanimportantfoundationfortheresearchofrelevantroutingprotocolsinfuture.
Keywords:
MobileAdHocNetworking;Routingprotocol;AODV;OPENT
目录
声明········································································································i
中文摘要·······························································································ii
ABSTRACT·························································································iii
第1章绪论1
1.1AdHoc网络介绍1
1.2研究意义1
1.3本文研究的主要内容及章节安排2
1.3.1论文所做工作3
1.3.2论文各章节安排3
第2章移动AdHoc网的结构体系4
2.1网络背景概述4
2.1.1移动AdHoc网的定义4
2.1.2移动AdHoc网的特点5
2.1.3移动AdHoc网的应用5
2.1.4移动AdHoc网的主要技术问题6
2.1.5移动AdHoc网路由协议的要求7
2.2移动AdHoc网络结构7
2.3通信协议体系与编址8
2.3.1通信协议体系8
2.3.2IP编址9
2.4本章小结10
第3章AODV路由算法介绍11
3.1移动AdHoc网路由协议概述11
3.2移动AdHoc网路由协议的分析与比较11
3.3AODV路由算法原理13
3.4AODV路由协议路由表结构14
3.5AODV路由协议分组格式15
3.6AODV路由算法基本操作16
3.6.1维护序列16
3.6.2先驱表和路由表项17
3.6.3路由请求的产生18
3.6.4控制传播路由请求消息19
3.6.5处理路由请求和转发路由请求19
3.6.6产生路由应答20
3.6.7接收和转发路由应答21
3.6.8单向链路上的操作21
3.6.9Hello消息介绍22
3.6.10维护本地连接性23
3.6.11RERR消息作用，路由过期和路由删除23
3.6.12本地修复24
3.7本章小结26
第4章AODV路由算法的仿真设计27
4.1仿真平台设计目标27
4.2软硬件环境27
4.3仿真内容28
4.3.1网络环境参数设置28
4.3.2网络性能评估参数29
4.4仿真系统概述29
4.4.1主要仿真参数设置30
4.4.2包含的仿真功能模块30
4.4.3无线路由器模块介绍30
4.4.4各模块属性设置30
4.4.6系统统计量收集的设计与系统的运行31
4.4.3算法模型简介33
4.5本章小结34
第5章仿真实验及结果分析35
5.1OPNET仿真结果查看35
5.2基于不同参数设置对AODV协议性能进行比较37
5.2.1基于不同节点属性配置对AODV性能的比较分析37
5.2.2基于不同节点数目对AODV性能的比较分析41
5.2.3基于不同的移动速度对AODV性能的比较分析44
5.2.4基于不同的发包速度对AODV性能的比较分析46
5.3仿真实验结论47
第6章分布式自修复移动控制算法设计49
6.1DSRA算法分析49
6.2基于OPNET10.5的DSRA算法实现49
6.2.1创建包格式50
6.2.2创建节点模型51
6.2.3创建节点进程模型52
6.3仿真结果与仿真结果分析55
6.4本章小结58
第7章结束语59
致谢60
参考文献61
附录64
第1章绪论
1.1AdHoc网络介绍
"AdHoc"[1]一词来源于拉丁语，意思是“专用的、特定的”。
通常也可称为“无固定设施网”或“自组织网”。
由于其组网快速、灵活、使用方便，目前AdHoc网络己经得到了国际学术界的广泛关注。
AdHoc网络的前身是分组无线网（PacketRadioNetwork,PRNET）[2]，对分组无线网的研究源于军事通信的需要。
早在1972年，美国的DARPA[3]就启动了无线网项目PRNET[4]，研究战场环境下利用分级无线网进行数据通信。
此后，DARPA于1983年启动了高残存性自适应网（SurvivableAdaptiveNetwork,SURAN）[5]项目，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展以支持更大规模的网络。
1994年，DARPA启动了全球移动信息系统（GlobalMobileInformationSystems,GloMo）[6]项目，旨在对能够满足军事应用需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。
1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“AdHoc”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动网络，AdHoc网络就此诞生[7]。
IETF（IETF,Intenret工程任务组）专门成立了移动AdHoc网络小组（MobileAdHocNetwork,MANET）来专门研究AdHoc网络的相关问题[8]。
现有的无线通信系统都是采用预先建立的网络结构，利用固定的基站之间的交换实现各终端之间的通信[8]。
采用这样的模式可以在不改变网络主要结构的情况下支持移动终端的接入。
但是科技的发展和社会生活的现代化对通信领域提出了更高的要求，在某些特殊情况下，现有的通信系统已无法满足需要，例如战场上部队快速展开和推进、发生地震或水灾后的营救。
这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，基于健壮性考虑也不能采取有中心的控制方式，由此提出了组建无线移动网络的想法[9]。
1.2研究意义
相对于固定网络也存在以下问题[10]：
（1）有限的无线传输带宽无线信道本身的物理特性使网络的网络带宽相对有线方式要低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。
（2）移动终端的有限性网络中的移动用户终端内存小、CPU处理能力低、所带能源有限使得网络设计更加困难。
（3）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.
（4）网络的可扩展性不强由于采用TCP/IP协议中的子网技术使得INTERNET具有网络的可扩展性，而网络动态变化的拓扑结构使得子网技术所带来的网络可扩展性不能得到应用。
（5）生存时间短组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用结束后，网络环境将会自动消失。
网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。
由于网络自身的一些特性（高移动性，缺乏集中式管理以及有限的资源等），它们对路由功能提出了更多的要求。
作为网络中一种高效的路由协议，不仅应该对网络拓扑结构的快速变化做出反应，而且能够保持少量的控制消息以节约系统的资源（带宽，电池能量等）。
对于这样的网络，传统的路由协议（矢量距离路由协议或者链路状态路由协议）可能会带来灾难性的后果。
因为它们都采用泛洪式的广播机制，这样会浪费大量的资源并且收敛时间很长。
现有的网络路由协议主要分为先应式和反应式两类，DSDV（Destination-
SequencedDistance-VectorRouting）[11]和WRP（WirelessRouitngProtocol）[12]等属于前者，其原理是各移动节点始终建立和维护一个随时反映网络拓扑变化的完整路由表，这类算法具有路由选择迅速、准确的优点，但路由表建立和维护所需的管理控制传输开销巨大，协议效率很低。
AODV（AdHocOnDemandDistanceVectorRouting）[13]以及DSR（DynamicSourceRouting）[14]等属后者，网络各移动节点并不持续维护实时描述整个网络拓扑的路由表，仅在有业务到达时才查找建立支持该业务交换的路由，从而节省了大量未必有效的路由管理控制开销。
AODV协议中设计了可选择性的定时Hello消息机制进行链路管理，以有效减小交换延时，在低速下AODV路由协议对于密集型范围较小的网络比起其它协议性能较优越。
1.3本文研究的主要内容及章节安排
1.3.1论文所做工作
本论文首先总结了无线AdHoc网络移动控制技术的研究现状和研究意义，对无线AdHoc网络结构体系给予阐述，对AODV路由算法进行详细分析，在此基础上利用OPNET仿真工具设计和研究了一个背景拓扑图为空的场景大小为10*10m的网络范围的办公室模型，并以OPNET自带的MANET网络节点为对象进行AODV路由协议的模拟和仿真。
1.3.2论文各章节安排
本文第1章首先介绍了AdHoc网络移动控制技术的研究现状和研究意义。
第2章阐述了移动AdHoc网的网络背景，并详细描述了移动AdHoc网的网络结构，仿真中选择使用的通信协议体系及编址设置。
第3章的主要内容集中在AODV路由算法策略上，首先对几种移动AdHoc网路由算法进行了简要介绍，并根据国外相关的仿真结果做出比较，然后详细介绍了AODV路由算法的原理、路由表结构、包格式和算法基本操作。
第4章简要介绍了OPNET仿真系统，并简单描述了仿真系统的各种参数设置及模块介绍，列出了10×10办公网络模型，并给出各重要模块属性设置。
。
第5章利用OPNET网络仿真软件对AODV路由协议在不同的参数取值下仿真进而对性能比较。
第6章利用OPNET网络仿真软件编程实现了DSRA协议，为以后工作打下基础。
第7章对本文所做的工作进行了一个全面的总结。
文章的最后是本文致谢和所引用的参考文献。
第2章移动AdHoc网的结构体系
2.1网络背景概述
2.1.1移动AdHoc网的定义
移动AdHoc网即MANET网，是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性自治系统[15]。
在任一时刻，节点间通过无线信道连接形成一个任意网状拓扑结构。
节点可以任意移动，导致网络拓扑结构也随之发生变化。
在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其它终端的分组转发进行数据通信[16]。
在移动Adhoc网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。
一方面，节点作为主机运行相关的协同应用程序:
另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到不是发向自己的分组要进行分组转发。
因为移动Adhoc网络是一个多跳的无线移动网络，两个要交换信息的主机可能不能直接进行通信。
图2.1描述了一个由三个主机组成的简单的移动Adhoc网络。
图2.1一个简单的AdHoc网络
主机C不在主机A的无线覆盖范围之内（用环绕主机A的圆环表示），同时主机A也不在主机C的无线覆盖范围之内。
如果主机A和C之间需要交换信息，就需要主机B为它们转发分组，因为主机B在主机A和C的无线覆盖范围之内，此时B就在为A和C的通信中担当路由器的功能。
移动Adhoc网络可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。
它可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet。
在后面这种情况下，移动Adhoc网络通常是以一个末端网络的方式连接进入现有网络，它只允许产生于或目的地是自治系统内部节点的信息进出，而不会让其它信息穿越自治系统。
移动Adhoc网络作为现有网络的一种补充和扩展，主要应用在没有现成网络基础设施支持的环境中或现有网络不能满足移动性、机动性等要求的环境中[17]，例如，军事作战环境;救火、救生等需要紧急部署通信网络的环境;人员处于没有现成网络支持但又需要协同工作的商业活动区域中。
2.1.2移动AdHoc网的特点
移动AdHoc网由自由移动的节点组成，这些节点可以安装在飞机，轮船，汽车，人或更小的设备上。
移动AdHoc网是移动节点组成的自治系统，这种系统可以独立操作，也可以连接到固定网络。
在连接到固定网络时，移动AdHoc网络只能作为端网络。
移动AdHoc网具有以下几个突出的特点:
（1）自组性与分布式拓扑结构。
AdHoc网络可以在任何时刻、任何地方自组织构建，而不需要现有的信息基础网络设施的支持。
自组性和鲁棒性要求网络中各个节点的地位平等，必须采用分布式的拓扑结构。
（2）动态变化的拓扑结构。
AdHoc网络中节点可以随意的移动，也可以动态的加入或者退出整个网络，因此网络具有动态变化的拓扑结构。
（3）有限的无线传输带宽。
无线移动信道具有十分恶劣的通信环境，信号的衰落、各种噪声的干扰以及信道的共享与竞争都给无线传输带宽带来了挑战。
（4）移动终端的有限性。
AdHoc网络中移动终端内存小，CPU处理能力低，所带电源和发射功率也十分有限，使网络的设计更加困难。
（5）安全性差。
无线信道的安全性较差，容易被窃听、入侵、攻击，此外，AdHoc网络采用分布式结构也进一步降低了网络的安全性。
这些特点使得在设计移动AdHoc网的协议时需要考虑固定互联网络中不需要考虑的很多条件和假设。
2.1.3移动AdHoc网的应用
移动网络潜在的应用很多，可分为以下几类:
移动会议:
在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过AdHoc组网方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务，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收藏器的PDA可以通过AdHoc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。
家庭网络:
通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭，必要时在家庭办公。
或者利用我们随身携带的个人无线设备与装备了收发器的家庭电器通信，自动完成开锁、开灯、打开娱乐设备、调节空调等操作。
紧急服务:
由于停电或其他灾害出现，网络基础设施遭到破坏时，组建一个网络帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。
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问题。
传感器可以工作在危险的环境（如化学有害物质泄漏现场），通过在传感器上装备位置指示器、收发器等，将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外，避免救援人员进入现场，收集和辨别事故信息。
军事无线通信:
军事应用是AdHoc网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，它是数字化战场通信的首选技术。
AdHoc网络技术己经成为美军战术互联网的核心技术。
美军的数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了AdHoc网络技术。
其他商业应用:
如未来装备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设备通信，完成目前的换登机牌等手续。
如商场内商品RF标签，廉价的RF标签可以通过无线接口由设备动态刷新。
顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到某种商品和价格。
这种设备已由NCR公司生产。
2.1.4移动AdHoc网的主要技术问题
移动AdHoc网还存在许多技术问题有待进一步解决，如网络的可扩展性问题[18]，无线信道的不可靠性问题，带宽的贫乏和时变性问题，单向无线信道问题，能量的有限性问题，安全和拥塞控制问题[19]，网际互联[20]和多播等问题。
相对民用无线分组网而言，在军事应用中，移动AdHoc网的建设还应解决部队在实际作战中所要面临的一些特殊问题。
如为实现“动中通”，需解决移动终端的问题[21]；为保证数据的可靠传输，需确定拓扑更新策略;为使多种战场异构网有效兼容和互联互通，需设计互联方案。
其中拓扑更新策略的确定事关整个网络信息的正常传输和网络间的互联互通，因此在确定无线移动自组织网的拓扑更新策略时，不仅要考虑到网络的互联互通、确保战场信息的正常传输，还应从军事应用的特定需求
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