摘 要：分析了按需路由协议AODV的基本原理，针对AODV仅维护单一路由及不考虑节点能耗的不足，提出了一种基于稳定性的AODV优化思想。通过NS2仿真实验表明，优化后的AODV路由协议在分组投递率、端到端平均时延及网络生存时间等方面的性能优于原协议，更适用于网络拓扑结构快速变化的场合。
关键词：Ad Hoc网络；AODV协议；稳定性；仿真

Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network)是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的自组织网络，其独立于固定的基础设施，采用分布式管理，特别适合于作战指挥、抢险救灾以及执行临时任务等场合[1，2]。路由协议是移动节点相互通信的基础，与固定网络相比，Ad Hoc网络的路由问题要复杂得多。
AODV（Ad Hoc on Demand Distance Vector)协议是一种典型的按需路由协议，是目前较为成熟、应用广泛的Ad Hoc网络路由协议。但是，Ad Hoc网络的每种协议都存在自身的不足，只适用于特定的场合。针对AODV协议仅以最短路径、最快响应作为路由选择测度，未将节点耗能作为路由选择因素的缺点，本文提出一种基于稳定性的AODV优化思想。
1 标准AODV路由协议
AODV协议实质上是动态源按需路由协议DSR(Dynamic Source Routing)和主动路由协议DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector)的综合，它结合了按需路由发现和按需路由维护机制，以及逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期更新机制，根据数据分组的需要按需进行路由发现和建立传输路径。对于所有不在源节点到目的节点路径上的节点，既不参与路由信息的维护，也不参与路由表的交换，从而减少了总的广播量。使用目的节点序列号来避免路由环路的发生以及确保路由的时效性。AODV协议较好地缓解了主动路由协议开销较大和不易扩展的问题，是一个无环、自启动、能适合于规模较大的Ad Hoc网络路由协议。
2 AODV路由协议的优化
AODV协议的每个源节点只维护一条到一个特定目的节点的路由，如果这条路由失效，将会重新发起路由发现过程，从而增大网络的开销[2]。将剩余能量最低的节点称为“瓶颈节点”[3]。在不考虑因节点移动造成路由失效的情况下，路由生存时间则由瓶颈节点的剩余能量决定。在最短路径的测度标准下，即使瓶颈节点的剩余能量很小，AODV也可能将其选中构成最短路由，这将影响自组网的生存寿命。
针对AODV协议存在的这些问题，目前研究人员已提出了不少基于多径路由和基于能量高效的改进方案。但是，基于多径路由的改进方案并未考虑节点能耗及网络寿命问题。而基于能量高效的改进方案均只维护一条有效路由，当路由失效时需要重启路由发现过程。本文提出一种使网络更加稳定的改进方法，将路径能量信息（包括瓶颈节点剩余能量、路径节点剩余能量平均值、跳数）附加到RREQ，当RREQ到达目的节点后，目的节点将提取路径能量信息作为RREP的附加字段，并根据接收RREQ的顺序按不同路径回复两个RREP。当RREQ到达与目的节点存在有效路由的中间节点后，只有最先接收到的中间节点才向源节点回复RREP。为计算整条路径的节点能量信息，此时，该中间节点继续沿着路由表中到达目的节点的路由向目的节点传送RREQ包，最终由目的节点向源节点回复一个包含路径能量信息的E-RREP应答（并非路由应答包）。因此，源节点至少可以收到两个RREP。

3 基于NS2的路由协议仿真
3.1 网络仿真环境
NS是一种可扩展、易配置和编程、离散时间驱动的网络仿真工具[7]。本实验中，将NS2（NS第2版）安装于Ubuntu操作系统（一个Linux版本）下。设定如下仿真环境：节点个数为50，拓扑范围为800 m×600 m，节点初始能量为20 J，通信覆盖范围为150 m，节点间最大连接数为10。数据源采用cbr流，每秒发送2个数据包，每包长度为512 B。节点到目的节点后的停留时间为3 s，节点最大移动速度为0 m/s、3 m/s、6 m/s、9 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s，仿真时间为300 s。路径选择函数中取α=0.05，β=0.1。节点移动速度越大，网络拓扑结构变化越大。
3.2 性能评估指标
本文从以下4个指标比较优化前后的AODV协议性能：
(1)分组投递率：目的节点成功接收到的分组数与源节点发送的分组数之比。
(2)端到端平均时延：通过累加所有目的节点收到数据分组的时间与源节点发送数据分组的时间差，再取平均值来统计。
(3)路由开销：所有路由控制报文总的字节数与所有报文的字节数之比。
(4)网络生存时间：从网络开始运行到第一个节点耗尽能量的时间[8]，反映网络能量消耗的公平性。
3.3 仿真流程及步骤
本实验是在现有标准AODV协议基础上的研究，需对AODV源代码进行预期修改，然后编写Otcl脚本进行测试，直至编译生成新的AODV协议。实现网络仿真的具体过程如下：
(1)利用NS2自带的工具生成传输模型文件，以及产生节点移动场景。
(2)编写Otcl脚本，完成网络拓扑结构等参数及对象的配置。
(3)执行Otcl脚本文件，得到trace文件。
(4)编写gawk程序，从trace文件中分别提取出分组投递率、平均端到端时延、路由开销以及网络生存时间有用数据。
(5)调用gnuplot绘图工具将处理后获得的数据绘制成图形，得出网络的性能。
3.4 仿真结果分析
将优化后的协议称为NEW-AODV。从图1可看出，随着节点最大移动速度的增大，链路断开几率变大，分组投递率均下降，但是因NEW-AODV中加入了主、备用路由，且选择路径节点能量高效的为主路由，有效减少了路由发现与路由修复，减少了因节点能量耗尽导致的路由失效，NEW-AODV的分组投递率优于AODV。从图2可知，随着节点最大移动速度的增大，端到端平均时延总体呈现增大趋势，由于NEW-AODV减少了路由发现及执行本地修复过程，其时延要比AODV小些。从图3可以看出，随着节点最大移动速度的增大，由于路径失效导致路由控制开销增加。NEW-AODV协议在路由控制分组中加入了能量信息，一定程度上增加了路由开销，然而NEW-AODV采用了备份路由，减少了路由发现过程，控制了路由开销的大幅上升。路由开销的略有增加带来了网络生存时间的较大提高，这在实际应用中是十分可取的。从图4中可知，随着节点最大移动速度的增大，网络生存时间均下降，但NEW-AODV协议中同时考虑了最短路径和路径节点能量，选择路径能量较优的为主路由，从而有效提高了网络生存时间。

Ad Hoc网络路由协议设计是一个复杂问题。目前，不存在适应于所有场合的万能协议，每种协议都有各自的优缺点。实践中，只能根据具体环境需要选择适合的路由协议。为减少路由发现，延长网络寿命，本文提出一种同时考虑最快响应、最短路径及最小路径节点能耗的AODV优化方案。仿真结果表明，优化后的AODV协议相比原协议不仅改善了路由发现过程，也保护了能量低的节点，有效增强了网络的稳定性，更适应网络拓扑结构变化较大的场合。
参考文献
[1] 孟利民，宋文波.移动组织网路由协议研究[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[2] 林勇，赵阔.一种改进的基于能量控制并支持实时传输的ERT-AODV路由协议[J].科学技术与工程，2013，13(7)：1811-1815.
[3] YUAN P Y，LI L Y.Impact on energy consumption of routing protocols with mobility model in Ad Hoc networks[J].Computer Engineering，2007，33(11)：123-125.
[4] 邬学军，周明华，周凯，等.基于最小费用最大流思想的移动Ad Hoc稳定性路由协议研究[J].传感技术学报，2010，23(9)：1318-1320.
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[8] 汪秉文，尹安.基于节点综合稳定度改善AODV路由协议[J].计算机工程与科学，2009，31(4)：7-10.