摘  要： 介紹了移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中典型的路由協(xié)議——按需路由協(xié)議AODV以及AODV的改進(jìn)協(xié)議AODV_BD。此外還介紹了一個(gè)實(shí)用的移動(dòng)模型，使仿真實(shí)驗(yàn)更加接近實(shí)際應(yīng)用。在Linux下使用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS2對(duì)這兩個(gè)協(xié)議進(jìn)行仿真，并用分組交付率和端到端延時(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較和性能評(píng)價(jià)。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(shí)延。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)；車載自組織網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)模型；AODV；廣播數(shù)據(jù)分組

　車載自組織網(wǎng)絡(luò)VANET(Vehicular Ad hoc Networks)作為移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)MANET(Mobile Ad hoc Networks)的特例，既有MANET的一般特點(diǎn)，又有其特殊性[1]。自組織網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，它不依賴于預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施而臨時(shí)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)利用自身的收發(fā)裝置交換信息，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)共享有用的信息。當(dāng)彼此不在自己的通信范圍時(shí)，可以借助其他中間節(jié)點(diǎn)中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)多跳通信。因此，自組網(wǎng)是一種無(wú)線分布式、多跳、自組織、無(wú)中心、可移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)[2]。而VANET中各種各樣的汽車就是MANET中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。但是VANET中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度很快，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，運(yùn)動(dòng)軌跡可預(yù)測(cè)，不需要考慮節(jié)點(diǎn)的能量問(wèn)題，這些特征使MANET中的許多技術(shù)(包括路由技術(shù))很難直接移植到VANET中。這時(shí)就需要對(duì)MANET中的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)VANET的需要。由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，而路由協(xié)議收斂速度緩慢，會(huì)使大量控制分組存在于鏈路上，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬；數(shù)據(jù)分組因找不到合適的路由而延時(shí)等待，從而增加了時(shí)延，降低了分組交付率。當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化達(dá)到一定程度時(shí)，一般的路由協(xié)議就會(huì)失去作用，而只能通過(guò)洪泛的方式達(dá)到傳遞數(shù)據(jù)分組的目的。針對(duì)VANET中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)協(xié)議——AODV_BD，降低了分組時(shí)延。
1 AODV路由協(xié)議及其改進(jìn)
    在帶寬資源有限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化的自組織網(wǎng)中，沒(méi)有必要維護(hù)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路由?？焖僮兓耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)使路由有效時(shí)間縮短，路由信息利用率下降。按需路由協(xié)議[3]（又稱反應(yīng)式路由協(xié)議）就應(yīng)運(yùn)而生。
1.1 AODV路由協(xié)議
    自組網(wǎng)按需距離矢量路由協(xié)議AODV[4](Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing)根據(jù)業(yè)務(wù)需求建立和維護(hù)路由，是動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR(Dynamic Source Routing)和目的序列號(hào)距離矢量路由協(xié)議DSDV(Destination Sequence Distance Vector)的結(jié)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(hù)的基礎(chǔ)；采用DSDV逐跳路由、順序編號(hào)以及路由維護(hù)階段的周期更新機(jī)制。
    AODV協(xié)議使用源節(jié)點(diǎn)路由重建和本地修復(fù)兩種方式維護(hù)正在使用的路由。本地修復(fù)的原理：中間節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到鏈路中斷時(shí)，先緩存來(lái)自源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，同時(shí)發(fā)送路由請(qǐng)求分組RREQ，如果目的節(jié)點(diǎn)收到該請(qǐng)求，則回復(fù)路由應(yīng)答分組RREP，路由修復(fù)成功；否則，若在一定的時(shí)間內(nèi)目的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到RREP，則向源節(jié)點(diǎn)報(bào)告路由失效消息，由源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
1.2 AODV路由協(xié)議的改進(jìn)
    從以上分析可知，當(dāng)鏈路中斷時(shí)，本地修復(fù)通過(guò)發(fā)送路由請(qǐng)求分組和路由應(yīng)答分組重新建立到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，而此時(shí)的數(shù)據(jù)分組被緩存起來(lái)。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由建立后再發(fā)送數(shù)據(jù)分組，這樣不僅會(huì)增加時(shí)延，而且新建立的路由可能因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而失效。AODV_BD通過(guò)本地修復(fù)時(shí)廣播帶有的控制信息數(shù)據(jù)分組來(lái)建立到目的節(jié)點(diǎn)的路由。
    具體流程是：當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到鏈路中斷時(shí)，不再發(fā)送RREQ分組而是廣播一個(gè)被增加了控制信息分組頭的數(shù)據(jù)分組的拷貝。這個(gè)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(dāng)數(shù)據(jù)分組拷貝到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)分組頭中的內(nèi)容建立反向路由并判斷此節(jié)點(diǎn)是否為目的節(jié)點(diǎn)或此節(jié)點(diǎn)是否包含到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由。反向路由的目的節(jié)點(diǎn)是發(fā)起路由修復(fù)的中間節(jié)點(diǎn)，下一跳節(jié)點(diǎn)是將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)。如果此節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)或此節(jié)點(diǎn)包含到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，就沿著反向路由發(fā)送一個(gè)RREP分組，并在此過(guò)程中建立到目的節(jié)點(diǎn)的正向路由，正向路由的目的節(jié)點(diǎn)是RREP的源節(jié)點(diǎn)，下一跳是將RREP發(fā)送給本節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)。當(dāng)RREP到達(dá)發(fā)起路由修復(fù)的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，此中間節(jié)點(diǎn)就將已發(fā)送的數(shù)據(jù)分組刪除，避免重復(fù)發(fā)送；否則，它再向周圍節(jié)點(diǎn)廣播此數(shù)據(jù)分組。這樣依次進(jìn)行，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或包含到目的節(jié)點(diǎn)有效路由的節(jié)點(diǎn)。這樣不僅建立了路由，而且減少了時(shí)延。
2 移動(dòng)模型產(chǎn)生器
    本文所使用的移動(dòng)模型產(chǎn)生器是VanetMobiSim[4] (Vehicular Ad Hoc Networks Mobility Simulator）。
    VanetMobiSim的目的是使車輛移動(dòng)模型更接近現(xiàn)實(shí)。VanetMobiSim可以設(shè)置模擬場(chǎng)景的大小、模擬時(shí)間的長(zhǎng)短、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和速度大小。它既允許用戶自己定義道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又可以隨機(jī)產(chǎn)生道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shè)置交通燈和交通燈的時(shí)間間隔，當(dāng)紅燈時(shí)，車輛就會(huì)自動(dòng)停下來(lái)；當(dāng)變?yōu)榫G燈時(shí)，車輛就會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。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(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。它可以根據(jù)鄰居車輛的運(yùn)動(dòng)來(lái)控制車輛的速度（例如，當(dāng)一前方車輛剎車時(shí)，隨后的車輛就會(huì)減速）。
3 仿真過(guò)程
    本文使用NS2[5](Network Simulation 2)作為仿真平臺(tái)進(jìn)行研究。NS2是一款免費(fèi)的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，由Otcl和C++兩種語(yǔ)言編寫而成。它具有開(kāi)放性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用于Windows和Linux系統(tǒng)平臺(tái)的特點(diǎn)，是一款出色的研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分析網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪M軟件。
3.1 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)及其計(jì)算方法
    本文將使用以下兩個(gè)性能指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析：
    (1)分組交付率（Packet Delivery Ratio）：到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)分組數(shù)目與源節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層發(fā)送的數(shù)據(jù)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(shí)延（End-to-End Delay）：數(shù)據(jù)分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層的時(shí)間減去源節(jié)點(diǎn)發(fā)送此數(shù)據(jù)分組的時(shí)間。
3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)
    本文使用NS2-2.30進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，天線通信范圍為250 m，主要網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

3.3 數(shù)據(jù)流產(chǎn)生器
    本文所使用的數(shù)據(jù)流產(chǎn)生器是NS2自帶的cbrgen工具。它可以指定所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的類型（包括cbr流和tcp流）、節(jié)點(diǎn)數(shù)、隨機(jī)種子數(shù)、節(jié)點(diǎn)間的最大連接數(shù)以及每對(duì)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率等。
3.4 模擬場(chǎng)景
    本文所使用的模擬場(chǎng)景由上述的VanetMobiSim所產(chǎn)生，共有兩個(gè)模擬場(chǎng)景，分別如表2和表3所示。

3.5 仿真結(jié)果分析
    在上述兩種場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)分組的交付率、端到端時(shí)延與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度、數(shù)據(jù)分組的發(fā)送頻率之間的關(guān)系如圖1～如圖4所示。

      從圖1可以看出AODV協(xié)議的時(shí)延比AODV_BD協(xié)議的時(shí)延要大，且這兩個(gè)協(xié)議的時(shí)延隨速度的起伏基本一致。AODV協(xié)議的最小時(shí)延約為0.013 s，最大時(shí)延約為0.04 s；而AODV_BD協(xié)議的最小時(shí)延約為0.008 s，最大時(shí)延約為0.027 s。這兩個(gè)協(xié)議的時(shí)延曲線基本不受速度的影響，呈鋸齒狀分布。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到鏈路斷開(kāi)時(shí)，采用廣播帶有路由請(qǐng)求的數(shù)據(jù)分組，盡早完成部分?jǐn)?shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，并且完成了到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的鏈路的修復(fù)，在一定程度上減少了時(shí)延。
      從圖2可以看出AODV協(xié)議的時(shí)延比AODV_BD協(xié)議要大，AODV協(xié)議的最小時(shí)延約為0.008 s，最大時(shí)延約為0.064 s；而AODV_BD協(xié)議的最小時(shí)延約為0.011 s，最大時(shí)延約為0.049 s?？傮w上，這兩個(gè)協(xié)議的時(shí)延都隨著分組發(fā)送頻率的增加而增加，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)分組在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)量增加，從而引起路由查詢的次數(shù)增加進(jìn)而導(dǎo)致路由查詢的時(shí)間加大。AODV協(xié)議時(shí)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(dòng)速度的影響很小。當(dāng)速度達(dá)到18 m/s時(shí)，這兩個(gè)協(xié)議的分組交付率降到最低點(diǎn)。
    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(dāng)分組發(fā)送頻率小于3.5 p/s時(shí)，這兩個(gè)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(dá)0.997；當(dāng)分組發(fā)送頻率大于3.5 p/s時(shí)，兩個(gè)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(guò)NS2對(duì)按需路由協(xié)議AODV及其改進(jìn)的協(xié)議AODV_BD進(jìn)行仿真，分析評(píng)價(jià)其分組交付率和分組時(shí)延。通過(guò)使用移動(dòng)模型產(chǎn)生器VanetMobiSim，較為真實(shí)地模擬了車輛的移動(dòng)和道路的布局，對(duì)VANET的仿真研究具有一定的參考價(jià)值。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，AODV_BD協(xié)議在一定程度上減少了分組時(shí)延，達(dá)到了預(yù)定的目的。
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