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年级2008级姓名
题目Adhoc网络中AODV路由协议分析
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩委员会主任(签章)
年月日
毕业设计(论文)任务书
班级学生姓名学号
发题日期:
2012年2月28日完成日期:
2012年6月15日
题目Adhoc网络中AODV路由协议分析
1、本论文的目的、意义
自从1997年协议正式发布以来,无线局域网得到了快速发展,但协议不具有转发功能,组成的网络规模小,传输距离近,需要铺设较多的AP点。
而无线自组网则可以弥补这个缺点。
而近几年,由于军用和民用需求的增加,大大促进了无线自组网的研究。
无线自组网现在广泛应用于自然灾害抢险、科学考察、以及在战场等通信场合。
无线自组网研究的一个重要方面就是无线自组网的路由。
移动Adhoc网络中的拓扑结构始终是动态变化的,这导致路由成为Adhoc网络设计中的根本问题,路由算法的研究也始终是移动Adhoc网络研究中的一个至关重要的研究课题。
本课题任务是在协议的基础上,在Linux/Windows操作系统上实现AODV(AdhocOn-DemandDistanceVector)路由算法仿真。
课题具有军民两用的特点,既能适合军队的无线电台组网,又能扩展协议的应用,具有广泛的应用前景。
2、学生应完成的任务
(1)完成资料收集、阅读等工作
(2)AODV路由协议工作原理
(3)制定仿真方案
(4)分析仿真结果
(5)撰写毕业设计论文
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分完成选题、下达任务书(1周)
第二部分完成资料收集、阅读等工作(1周)
第三部分研究AODV路由协议工作原理(5周)
第四部分制定仿真方案、分析仿真结果(5周)
第五部分撰写毕业设计论文(3周)
评阅及答辩(1周)
备注
指导教师:
年月日
审批人:
年月日
摘要
自1997年协议正式发布以来,无线局域网得到了快速发展,但协议不具有转发功能,组成的网络规模小,传输距离近,需要铺设较多无线接入点,而AdHoc网络则可以弥补这些缺点。
AdHoc网络的路由协议作为影响网络性能的一个重要因素,是确保AdHoc网络正确运行的关键。
由于传统的路由协议己无法满足移动AdHoc网络的要求,因此更适合移动节点特性的路由协议不断的被讨论。
AODV路由协议作为AdHoc网络中代表性的按需路由协议,它既能适合军队的无线电台组网,又能扩展无线局域网的应用,具有军民两用的特点,具有广泛的应用前景。
本文首先简要介绍了移动Adhoc网络的现状和发展前景,Adhoc网络的工作原理和特性,以及Adhoc网络的路由协议分析比较。
然后,重点分析研究了AODV路由协议的报文格式和工作原理。
在理论分析AODV路由协议的基础上,采用网络模拟器NS2实现AODV路由算法,通过对数据包投递率、端到端的平均延迟、归一化路由协议开销和平均跳数这四个方面进行了性能分析,得出AODV路由协议适用于规模较大的网络,并且在发包率较高的情况下性能表现良好,但是随着网络节点移动速度提升协议的通信质量将降低。
关键词Adhoc;
AODV路由协议;
性能分析;
NS2仿真
Abstract
protocolhasbeenofficiallyreleasedin1997,thewirelessLANhasdevelopedrapidly.Howeverprotocoldonothaveaforwardingfunction.Asaconsequence,onlyanetworkofsmallscalecanbeconstructed,andthetransmissiondistanceisnotlongenough.AndrelativelymoreAccessPointareneededtodeploy.But,AdHocNetworkscompensatefortheseshortcomings.
However,asanimportantfactortoaffectthenetworkperformance,AdHocnetworkroutingprotocolsarecriticaltoensurethecorrectoperationoftheAdHocnetwork.However,TraditionalroutingprotocolsareunabletomeettherequirementsofmobileAdHocnetworks,soroutingprotocolsthataremoresuitableforthemobilenodecharacteristicsareconstantlydiscussedbypeople.AODVroutingprotocolisatypicalon-demandedprotocolinAdHocNetworks,itnotonlysuitableforthearmedforcesradionetwork,butalsoextendedtheapplicationofwirelessLAN,ithavedual-usefeaturesandbroadapplicationprospects.
ThispaperbrieflydescribesthestatusanddevelopmentprospectsofthemobileAdhocnetworks,theprinciplesandfeaturesoftheAdhocnetwork,aswellastheAdhocnetworkroutingprotocolanalysisandcomparison.Then,wespendmostoftheworksinthestudyandanalysisofthepacketsformataswellastheworkingprincipleofAODVroutingprotocol.OnthebasisofthetheoreticalanalysisoftheAODVroutingprotocolbyNS2,anetworksimulatorisusedforAODVroutingalgorithm.Throughperformanceanalysisonpacketdeliveryratio,averageend-to-enddelay,normalizedroutingoverheadandaveragehopcounts.ThesimulationresultsshowedthattheAODVroutingprotocolisapplicabletothelargerthenetwork,andperformedwellinthecaseofhighpacketrate,butnetworknodesmovetoofastwillreducethecommunicationqualityagreement.
KeywordsAdhoc;
AODVroutingprotocol;
PerformanceAnalysis;
NS2simulation
第1章AdHoc网络
1.1无线网络通信技术简介
随着科技的发展,无线网络通信得到了迅速的发展,以满足了人们生活和生产的需求,同时人们对摆脱有线网络束缚的要求也越来越强。
在无线通信中,基于基础设施的无线通信技术越来越成熟,如基于基站和移动交换中心的蜂窝移动通信技术、基于有限骨干网的无线局域网(如IEEE系列协议)等通信技术,在通信质量和通信范围上均达到商用标准。
此外,GPS作为一个由卫星收发数据的通信技术,但其单向通信限制了在日常通信中的语音传输等。
在某些特定场合和环境(如抗灾救险、偏远山区、沙漠和海洋科考探险等)中,基于基础设施的无线通信将无法使用,GPS能帮助人们定位,却不能在相互之间以及和外界进行有效地双向通信,因而无线自组网通信成为最适合的通信方式。
无线自组网通信技术包含了蓝牙(Bluetooth)技术、移动Adhoc(AdHoc是一个拉丁词汇,意思是即兴、临时)网络技术等。
蓝牙(Bluetooth)是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM和东芝等公司1998年推出的一种短距离无线通信技术,用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备或移动设备之间实现灵活、安全、低功耗、低成本的语音和数据通信。
蓝牙技术的连接方式无须任何复杂软件支持,其软件体系是一个独立的操作系统,不与任何操作系统捆绑。
在组网方式上,通过蓝牙设备中的主设备与从设备可以形成一点到多点的连接,即在主设备周围组成一个微微网,网内任何从设备都可与主设备通信。
但是一个主设备同时最多只能与网内的7个从设备相连接进行通信,在一个有效区域内多个微微网通过节点桥接构成散射网。
但蓝牙设备相互之间的通信距离在10米左右,距离稍远时无法实现有效通信。
蓝牙技术常应用于应用到无线传感器网络,同时它也可广泛应用于无线短距离通信设备中,例如打印机、蓝牙耳机、医疗健身、智能建筑等无线短距离通信设备。
为了能够在没有固定基站或者接入点无法正常工作的环境中进行实时有效通信,一种能够临时快速自动组网的移动通信技术——AdHoc网络技术应运而生。
1.2AdHoc网络的发展
AdHoc网络的前身是分组无线网PRNET(PacketRadioNetwork),对分组无线网的研究源于军事通信的需要。
早在1972年,美国DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectAgency)启动了分组无线网PRNET(PacketRadioNETwork)项目,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,DAPRA又在1993年启动了高残存性自适应网络SURAN(SURvivableAdaptiveNetwork)项目。
研究如何将分组无线网PRNET的成果加以扩展,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,DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo(GlobleMobileInformationSystems)项目。
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。
1997年成立的标准委员会采用了“Adhoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络[1]。
由于无线通信和终端技术的不断发展,AdHoc网络在民用环境下也得到了快速发展,例如在没有有线基础设施的地区进行临时通信时,可以很方便地通过搭建AdHoc网络实现。
1.3AdHoc网络工作原理
AdHoc网络是由一组带有无线收发装置的自主的无线节点或终端通过相互合作形成的网络,可以独立于固定的基础设施,是一种自创造、自组织和自管理的网络。
AdHoc网络不需要有线基础设备的支持,通过移动节点自由的组网实现通信。
在AdHoc网络中,网络中所有节点的地位平等,均具有普通移动终端所需的功能,而且具有报文转发能力,无需设置控制节点。
网络中节点间的通信可直接通信,也可以经过中间节点的转发完成,因此AdHoc网络的节点间通信可能经过多跳。
当两个移动节点在彼此的通信覆盖范围内时,它们可以直接通信。
但是由于移动节点的通信覆盖范围有限,如果两个相距较远的节点要进行通信,则需要通过它们之间的移动节点的转发才能实现。
因此在AdHoc网络中,节点同时还是路由器,担负着寻找路由和转发报文的工作。
在AdHoc网络中,每个节点的通信范围有限,因此路由一般都由多跳组成,数据通过多个节点的转发才能到达目的地,故AdHoc网络也被称为多跳无线网络[2]。
AdHoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。
在AdHoc网络中,使用计算机网络的分组交换机制,而不是电路交换机制。
通信的节点一般是便携式计算机、个人数字助理(PDA)等移动终端设备。
AdHoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。
在移动IP网络中,移动节点可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络,而在AdHoc网络中只存在无线链路一种连接方式。
在移动IP网络中,移动节点通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信,使用因特网的传统路由协议,而AdHoc网络没有这些设施的支持,网络节点间可直接通信。
此外,在移动IP网络中移动节点不具备路由功能,只是一个普通的通信终端,当移动节点从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构。
而AdHoc网络中移动节点的移动将会导致拓扑结构的改变,当移动节点移动时(进入或者退出网络),AdHoc网络节点检测其所涉及到的路由的更改,将会发出命令或请求(如RREQ)重新建立可用路由。
1.4AdHoc网络特性及应用
1.4.1AdHoc网络特性
AdHoc网络具有常规移动蜂窝通信网和无线局域网所难以达到的网络特性,它所特有的网络特性如下[3]:
1.自组织性:
AdHoc网络可以在任何时刻任何地点构建,而不需现有的信息基础网络设施的支持。
节点可以通过自身分层协议和分布式算法协调各自行为,快速地组建一个独立的网络。
2.分布式控制:
AdHoc网络没有严格的控制中心,用户节点之间的地位是平等的,路由功能集成到移动用户节点中,不存在类似基站的集中网络中心控制点。
节点可以随时加人和离开网络,任何节点的故障都不会影响整个网络的运行,网络具有很强的抗毁性和鲁棒性。
而常规的通信网络受基站、控制中心、路由器等束缚,用户之间地位不平等,影响网络的抗毁性和鲁棒性。
3.多跳路由:
当节点要与其覆盖范围外的节点进行通信时,需要中间节点的多跳转发。
与固定网络的多跳转发不同,AdHoc网络中的多跳是由普通的网络节点完成的,而不是由专用的路由设备完成的。
4.动态网络拓扑结构:
AdHoc网络中,用户终端的移动具有很大的随机性,加上无线发射装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰以及地形等综合因素的影响,网络的拓扑结构可能随时发生改变。
5.能量限制:
由于Adhoc网络中节点均为移动节点,依靠电池供电,限制了其能量供给使用。
6.安全性:
Adhoc网络作为无线网络,采用的无线信道、分布控制,其安全性相对有线网络差,更易受到窃听、电子欺骗和拒绝服务等攻击。
1.4.2AdHoc网络应用
Adhoc网络特殊的网络特性决定了其应用范围和有线网络的有着较大区别。
它常被用于无法或者不便铺设网络设施的场合、需要快速自动组网的场合等。
这些特殊的环境可能在军事环境,也存在于民用或者商业应用上,具体的应用如下:
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
第2章AODV路由协议
路由协议作为影响网络性能的一个重要因素,是确保AdHoc网络正确运行的关键。
路由协议的主要作用是迅速准确地计算到达目的节点的路由,同时通过监控网络拓扑变化来更新和维护路由。
AdHoc网络中网络的拓扑结构是动态变化的,路由协议的周期性广播会涉及大量带宽和能量,对系统的性能起到决定性因素,因此,对路由协议的深入了解和分析至关重要。
2.1AdHoc路由协议介绍
AdHoc网络是由一系列移动节点组成的自组织网络,不依赖任何已有的网络基础设施或集中的管理控制中心。
在移动自组网的研究和开发过程中,涉及到路由协议、功率控制、数据安全等关键技术,其中路由协议是人们研究的重点,并提出了一系列路由协议如DSR,DSDV,AODV,TORA等。
通常将路由协议主要分为两种类型:
表驱动路由协议和按需路由协议[4],[5]。
1.表驱动路由协议
表驱动路由协议是网络不管是否需要通信时都建立从一个节点到网络中所有其它节点的路由,并以路由表的形式存储在节点中,当需要发送报文时则马上能找到所需路由并加以使用;
当网络发生变化时,协议通过广播将包含路由变化的更新信息(即报文),从而保持路由表信息与网络拓扑结果的变化之间的一致性。
典型的表驱动路由协议有DSDV(destination-sequenceddistance-vectorrouting)、CGSR(clusterheadgatewayswitchrouting)和WRP(wirelessroutingprotocol)等。
表驱动路由协议虽然可以很快地获得到其它所有节点的路由,但是不可避免地存在信号拥塞和能量过度消耗的问题,在使用中规模和续航使用时间都存在不足。
2.按需路由协议
按需路由协议和表驱动路由协议相反,只有在需要通信时才建立连接,即有报文需要发送时才开始寻找路由,找到路由后开始发送报文。
典型的按需路由协议有AODV(Adhocon-demandvectortouting)、DSR(dynamicsourcerouting)、TORA(TemporarilyOrderedRoutingAlgorithm)等。
当源节点需要到达某一目的节点的路由时,它在网络中发起一个路由发现过程,路由建立之后,会有一个路由维护程序进行维护,直到每条路径都断裂或者不需要路由为止。
按需路由协议不像表驱动路由协议那样实时地维持每个节点的路由信息,因此降低了对网络带宽和能量的消耗。
但是在发送数据分组时,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而引起时延。
通过对国内外有关方面研究的学习了解发现,在各种不同的情况下比较时,如数据源数、节点的移动性、自组织网络模型以及网络负载等等,按需路由协议要比表驱动路由协议在性能上有着明显的优势。
本文就按需路由协议中的AODV路由协议进行学习,并搭建仿真平台,对AODV路由协议进行仿真分析。
2.2AODV路由协议简介
AODV路由协议中文全称为无线自组网按需平面距离矢量路由协议(AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting),该协议是在DSDV协议基础上结合类似DSR中的按需路由机制加以改进后提出的。
AODV路由协议由Nokia研究中心的CharlesE.Perkins和加利福尼亚大学SantaBarbara的ElizabethM.Belding-Roryer以及Cincinnati大学SamirR.Das等共同开发,已经被IETFMANET工作组于2003年7月正式公布为自组网路由协议的RFC标准[6]
AODV路由协议采用了路由发现和路由维护机制,又利用逐跳路由、顺序编号和路由维持阶段的周期性更新,还加入了对组播路由QOS(QualityofService)的支持。
AODV路由协议其最显着的特点是为路由表中每个项都使用了目的序列号,因而还可以避免环路的发生,并且很容易编程实现。
AODV路由协议是按需式路由协议(又称反应式路由协议)[7]。
在源节点需要通信时才在网络中发送路由分组,而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它主机的路由;
同时它具有距离向量路由协议的一些特点,即各节点路由表只维护本节点到其他节点的路由,而无须掌握全网拓扑结构。
AODV协议工作过程可简单的看作是源节点发起路由请求RREQ,在查找并建立路由后进行通信,并通过使用一个或多个可用连接或者网络层的机制实现连接的保持,在通信完成后断开连接并释放带宽。
AODV路由协议在节点移动而导致路由拓扑结果变化时,将会发出路由错误请求来删除错误路由,寻找合适畅通的路由,从而保证了路由信息和网络拓扑结构保持一致。
2.3AODV路由协议路由表
AODV是一个路由协议,它的工作就是管理路由表。
即使是短期的路由,也必须保留它在路由表里的信息,比如为RREQ临时存储的返回路径。
AODV路由协议的每个路由表项将会包含下列的域:
1.目的节点IP地址:
每个表项都具有不同的目的路由器IP地址,以此作为区别和查找网络路由的关键字;
2.目的节点序列号:
可防止网络产生环路,只有当收到的RREP和RREQ中传送的序列号比本节点对应路由表项中目的序列号大时才能被接收并用于更新路由表项;
3.目的节点序列号是否正确的标志:
显示路由表项中目的序列号是否有效;
4.网络接口;
5.下一跳:
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