摘  要： 介紹了移動自組織網絡中典型的路由協(xié)議——按需路由協(xié)議AODV以及AODV的改進協(xié)議AODV_BD。此外還介紹了一個實用的移動模型，使仿真實驗更加接近實際應用。在Linux下使用網絡仿真工具NS2對這兩個協(xié)議進行仿真，并用分組交付率和端到端延時對仿真結果進行分析比較和性能評價。由此得出，AODV_BD協(xié)議與AODV協(xié)議相比，在一定程度上減少了分組時延。
關鍵詞： 移動自組織網絡；車載自組織網絡；移動模型；AODV；廣播數(shù)據分組

　車載自組織網絡VANET(Vehicular Ad hoc Networks)作為移動自組織網絡MANET(Mobile Ad hoc Networks)的特例，既有MANET的一般特點，又有其特殊性[1]。自組織網絡是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動節(jié)點組成的無線通信網絡，它不依賴于預設的基礎設施而臨時組網，網絡中的移動節(jié)點利用自身的收發(fā)裝置交換信息，使網絡中的節(jié)點共享有用的信息。當彼此不在自己的通信范圍時，可以借助其他中間節(jié)點中繼來實現(xiàn)多跳通信。因此，自組網是一種無線分布式、多跳、自組織、無中心、可移動的網絡[2]。而VANET中各種各樣的汽車就是MANET中的移動節(jié)點。但是VANET中的節(jié)點移動速度很快，拓撲結構變化頻繁，運動軌跡可預測，不需要考慮節(jié)點的能量問題，這些特征使MANET中的許多技術(包括路由技術)很難直接移植到VANET中。這時就需要對MANET中的技術進行改進，使之適應VANET的需要。由于節(jié)點移動速度快，拓撲結構變化頻繁，而路由協(xié)議收斂速度緩慢，會使大量控制分組存在于鏈路上，占用網絡帶寬；數(shù)據分組因找不到合適的路由而延時等待，從而增加了時延，降低了分組交付率。當節(jié)點移動速度和拓撲結構變化達到一定程度時，一般的路由協(xié)議就會失去作用，而只能通過洪泛的方式達到傳遞數(shù)據分組的目的。針對VANET中節(jié)點移動的特點，提出了一種改進協(xié)議——AODV_BD，降低了分組時延。
1 AODV路由協(xié)議及其改進
    在帶寬資源有限、拓撲結構不斷變化的自組織網中，沒有必要維護任意兩個節(jié)點之間的路由。快速變化的拓撲結構會使路由有效時間縮短，路由信息利用率下降。按需路由協(xié)議[3]（又稱反應式路由協(xié)議）就應運而生。
1.1 AODV路由協(xié)議
    自組網按需距離矢量路由協(xié)議AODV[4](Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)根據業(yè)務需求建立和維護路由，是動態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)和目的序列號距離矢量路由協(xié)議DSDV(Destination Sequence Distance Vector)的結合，并且是一種典型的按需路由協(xié)議。它采用了DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和維護的基礎；采用DSDV逐跳路由、順序編號以及路由維護階段的周期更新機制。
    AODV協(xié)議使用源節(jié)點路由重建和本地修復兩種方式維護正在使用的路由。本地修復的原理：中間節(jié)點檢測到鏈路中斷時，先緩存來自源節(jié)點的數(shù)據分組，同時發(fā)送路由請求分組RREQ，如果目的節(jié)點收到該請求，則回復路由應答分組RREP，路由修復成功；否則，若在一定的時間內目的節(jié)點沒有收到RREP，則向源節(jié)點報告路由失效消息，由源節(jié)點進行相應的處理。
1.2 AODV路由協(xié)議的改進
    從以上分析可知，當鏈路中斷時，本地修復通過發(fā)送路由請求分組和路由應答分組重新建立到達目的節(jié)點的路由，而此時的數(shù)據分組被緩存起來。當?shù)竭_目的節(jié)點的路由建立后再發(fā)送數(shù)據分組，這樣不僅會增加時延，而且新建立的路由可能因為拓撲結構的變化而失效。AODV_BD通過本地修復時廣播帶有的控制信息數(shù)據分組來建立到目的節(jié)點的路由。
    具體流程是：當節(jié)點檢測到鏈路中斷時，不再發(fā)送RREQ分組而是廣播一個被增加了控制信息分組頭的數(shù)據分組的拷貝。這個分組頭部與RREQ的分組頭部類似，也有建立反向路由和尋找路由的功能。當數(shù)據分組拷貝到達一個節(jié)點時，根據分組頭中的內容建立反向路由并判斷此節(jié)點是否為目的節(jié)點或此節(jié)點是否包含到目的節(jié)點的有效路由。反向路由的目的節(jié)點是發(fā)起路由修復的中間節(jié)點，下一跳節(jié)點是將數(shù)據分組發(fā)送給本節(jié)點的鄰節(jié)點。如果此節(jié)點是目的節(jié)點或此節(jié)點包含到目的節(jié)點的有效路由，就沿著反向路由發(fā)送一個RREP分組，并在此過程中建立到目的節(jié)點的正向路由，正向路由的目的節(jié)點是RREP的源節(jié)點，下一跳是將RREP發(fā)送給本節(jié)點的鄰節(jié)點。當RREP到達發(fā)起路由修復的中間節(jié)點時，此中間節(jié)點就將已發(fā)送的數(shù)據分組刪除，避免重復發(fā)送；否則，它再向周圍節(jié)點廣播此數(shù)據分組。這樣依次進行，直至到達目的節(jié)點或包含到目的節(jié)點有效路由的節(jié)點。這樣不僅建立了路由，而且減少了時延。
2 移動模型產生器
    本文所使用的移動模型產生器是VanetMobiSim[4] (Vehicular Ad Hoc Networks Mobility Simulator）。
    VanetMobiSim的目的是使車輛移動模型更接近現(xiàn)實。VanetMobiSim可以設置模擬場景的大小、模擬時間的長短、節(jié)點個數(shù)和速度大小。它既允許用戶自己定義道路的拓撲結構，又可以隨機產生道路的拓撲結構，因此能夠很靈活地滿足用戶的不同需求。VanetMobiSim中還可以在十字路口處設置交通燈和交通燈的時間間隔，當紅燈時，車輛就會自動停下來；當變?yōu)榫G燈時，車輛就會繼續(xù)前進。使用帶有十字路口管理的智能駕駛員模型IDM_IM(Intelligent Driver Model with Intersection Management)可以很真實地模擬節(jié)點的運動。它可以根據鄰居車輛的運動來控制車輛的速度（例如，當一前方車輛剎車時，隨后的車輛就會減速）。
3 仿真過程
    本文使用NS2[5](Network Simulation 2)作為仿真平臺進行研究。NS2是一款免費的、面向對象的、離散事件驅動的網絡仿真軟件，由Otcl和C++兩種語言編寫而成。它具有開放性好、擴展性強、適用于Windows和Linux系統(tǒng)平臺的特點，是一款出色的研究網絡拓撲結構、分析網絡傳輸?shù)哪M軟件。
3.1 網絡性能指標及其計算方法
    本文將使用以下兩個性能指標對仿真結果進行分析：
    (1)分組交付率（Packet Delivery Ratio）：到達目的節(jié)點應用層的數(shù)據分組數(shù)目與源節(jié)點應用層發(fā)送的數(shù)據分組數(shù)目的比值。它反映了路由協(xié)議的可靠性和完整性。
    (2)端到端時延（End-to-End Delay）：數(shù)據分組到達目的節(jié)點應用層的時間減去源節(jié)點發(fā)送此數(shù)據分組的時間。
3.2 網絡參數(shù)
    本文使用NS2-2.30進行仿真實驗，天線通信范圍為250 m，主要網絡參數(shù)如表1所示。

3.3 數(shù)據流產生器
    本文所使用的數(shù)據流產生器是NS2自帶的cbrgen工具。它可以指定所產生的數(shù)據流的類型（包括cbr流和tcp流）、節(jié)點數(shù)、隨機種子數(shù)、節(jié)點間的最大連接數(shù)以及每對節(jié)點間數(shù)據的發(fā)送頻率等。
3.4 模擬場景
    本文所使用的模擬場景由上述的VanetMobiSim所產生，共有兩個模擬場景，分別如表2和表3所示。

3.5 仿真結果分析
    在上述兩種場景下，數(shù)據分組的交付率、端到端時延與節(jié)點的移動速度、數(shù)據分組的發(fā)送頻率之間的關系如圖1～如圖4所示。

      從圖1可以看出AODV協(xié)議的時延比AODV_BD協(xié)議的時延要大，且這兩個協(xié)議的時延隨速度的起伏基本一致。AODV協(xié)議的最小時延約為0.013 s，最大時延約為0.04 s；而AODV_BD協(xié)議的最小時延約為0.008 s，最大時延約為0.027 s。這兩個協(xié)議的時延曲線基本不受速度的影響，呈鋸齒狀分布。當節(jié)點檢測到鏈路斷開時，采用廣播帶有路由請求的數(shù)據分組，盡早完成部分數(shù)據分組的轉發(fā)，并且完成了到達目的節(jié)點的鏈路的修復，在一定程度上減少了時延。
      從圖2可以看出AODV協(xié)議的時延比AODV_BD協(xié)議要大，AODV協(xié)議的最小時延約為0.008 s，最大時延約為0.064 s；而AODV_BD協(xié)議的最小時延約為0.011 s，最大時延約為0.049 s?？傮w上，這兩個協(xié)議的時延都隨著分組發(fā)送頻率的增加而增加，這是因為數(shù)據分組在單位時間內的數(shù)量增加，從而引起路由查詢的次數(shù)增加進而導致路由查詢的時間加大。AODV協(xié)議時延起伏較大，這是由此協(xié)議的工作原理造成的；而AODV_BD協(xié)議的起伏較平緩，隨著分組及交付率的增大而緩慢上升。
    從圖3可以看出， AODV協(xié)議的分組交付率與AODV_BD協(xié)議的分組交付率幾乎一樣，受移動速度的影響很小。當速度達到18 m/s時，這兩個協(xié)議的分組交付率降到最低點。
    從圖4可以看出，AODV協(xié)議分組交付率與AODV_BD協(xié)議的分組交付率差別很小。當分組發(fā)送頻率小于3.5 p/s時，這兩個協(xié)議的分組交付率隨發(fā)送頻率的增加逐漸變大，最大值可達0.997；當分組發(fā)送頻率大于3.5 p/s時，兩個協(xié)議的分組交付率隨發(fā)送頻率的增加迅速變小，而AODV_BD協(xié)議的交付率優(yōu)于AODV協(xié)議的交付率。
    本文主要通過NS2對按需路由協(xié)議AODV及其改進的協(xié)議AODV_BD進行仿真，分析評價其分組交付率和分組時延。通過使用移動模型產生器VanetMobiSim，較為真實地模擬了車輛的移動和道路的布局，對VANET的仿真研究具有一定的參考價值。通過仿真結果可以看出，AODV_BD協(xié)議在一定程度上減少了分組時延，達到了預定的目的。
參考文獻
[1] 常促宇，向勇，史美林.車載自組織網的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通信學報,2007，28(11)：116-126.
[2] 于宏毅.無線移動自組織網[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[3] 張順亮，葉澄清，李方敏.移動Ad Hoc網絡路由協(xié)議綜述[J].計算機科學，2003，30(12)：27-30.
[4] 陳?？?，陳勤，張旻.基于hello消息的AODV路由協(xié)議的改進[J].計算機仿真，2009，26(8)：143-146.
[5] 方路平，劉世華，陳盼.NS-2網絡模擬基礎與應用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.