1. ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее перспективных направлений сетевых технологий являются сети MANET, благодаря уникальной возможности развертывания этих сетей в любом месте и в любое время. Сети MANET – это беспроводные сети с динамической топологией, состоящие из мобильных узлов и не имеющие фиксированной инфраструктуры или централизованного управления [1]. СетиMANET могут стать эффективным решением для работы различных приложений и сред в таких условиях как аварийный режим работы (например, в зонах ликвидации чрезвычайных ситуаций), в сетях военного и гражданского назначения. Сети MANET удобны в использовании, так как они не требуют дорогостоящей инфраструктуры, в отличие от традиционных беспроводных сетей.

В связи с отсутствием статичных узлов в сетях MANET и их мобильностью для настройки и работы данных сетей предлагались различные протоколы маршрутизации, в том числе AODV и DSR [2]. Кроме того, каждый из узлов в беспроводных сетях MANET многофункционален, являясь одновременно маршрутизатором и хостом, при этом передача данных между узлами осуществляется без какого-либо централизованного управления. За счет мобильности узлов, топология сети постоянно изменяется. Для осуществления многошаговой маршрутизации между узлами требуются эффективные протоколы маршрутизации. По сравнению с проводными сетями сети MANET обладают уникальными характеристиками. В связи с ограниченным радиусом трансмиссии в беспроводных сетях, маршрутизация в сетях MANET является многошаговой [3]. За последнее время немало исследований было посвящено маршрутизации в сетях MANET, что обусловлено необходимостью поиска наиболее оптимального и эффективного протокола маршрутизации для данных сетей. Для решения проблем, возникающих при использовании сетей MANET, таких как подвижность узлов, высокий уровень помех, низкая пропускная способность канала и высокое энергопотребление [4], были рекомендованы различные реактивные, проактивные и гибридные протоколы. Тем не менее, различие между этими протоколами заключается главным образом лишь в механизме обновления информации о маршрутах. Целью данной работы является анализ эффективности двух реактивных протоколов маршрутизации - AODV и DSR. Исследование проведено на основе таких метрик производительности как средняя пропускная способность и средняя задержка, при изменяющихся значениях размера пакетов и скорости узлов, с использованием симулятора NS2.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

2.1 Протокол маршрутизации AODV (Ad-hoc on-demand distance vector)

AODV представляет собой реактивный протокол на основе протоколов DSDV(Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) и алгоритмов протокола DSR. В протоколе AODV применяется поиск маршрута аналогичный протоколу DSR, а понятие поддержки маршрута, присвоения порядковых номеров и применение маяков реализуется по образцу протокола DSDV [2]. Для поиска и установления путей между узлами протокол использует различные виды сообщений: сообщения об ошибке (сообщения RERR, Route Error), ответы (сообщения RREP, Route Reply) и запросы (сообщения RREQ, Route Request) [5].

Процесс поиска маршрута инициируется одним из узлов при необходимости, т.е. когда между двумя узлами нет требуемого маршрута. С целью поиска узла назначения узел-инициатор отправляет широковещательные RREQ-запросы соседним узлам. Также процесс установления маршрута может быть инициирован, если маршрут был каким-либо образом разорван [6]. Для построения обратного маршрута к узлу-отправителю требуется участие промежуточных узлов, получивших сообщение RREQ. Во избежание образования циклов при маршрутизации пакету присваивается порядковый номер. Когда узел-адресат получает запрос RREQ, он отправляет ответное сообщение RREP, содержащее информацию о номере получателя и количестве ретрансляций. Для установления как прямого, так и обратного пути от инициатора к узлу назначения, сообщение RREP отсылается по установленному маршруту обратно к узлу-инициатору. Еще одним параметром маршрутизации является время существования маршрута. Если за это время ни один пакет не проходит по данному маршруту, этот маршрут удаляется из таблицы [7].

В протоколе AODV каждый узел рассылает сообщения «hello» в режиме поддержки маршрутов. Когда узел обнаруживает разрыв установленного маршрута, он отправляет сообщение об ошибке (RRER) предыдущим узлам данного маршрута. Сообщение об ошибке отсылается узлу-инициатору, а промежуточные узлы после получения сообщения RERR обновляют таблицу маршрутов. Узел-инициатор, получив сообщение RERR, начинает процесс формирования маршрута заново [8, 9].

На Рис.1(a) и 1(б) показаны соответственно пути пакета-запроса RREQ и ответного пакета RREP в протоколе AODV.

Рис. 1. Протокол маршрутизации AODV: (a) пакет RREQ; (b) пакет RREP

Fig. 1. AODV Routing Protocol: (a) RREQ Packet; (b) RREP Packet

2.2 Протокол маршрутизации DSR (Dynamic Source Routing, Динамическая маршрутизация от источника)

Протокол DSR – это протокол маршрутизации, который формирует маршрут по требованию и в котором узел-отправитель задает последовательность узлов, необходимых для передачи пакета данных. Информация о количестве узлов для маршрутизации содержится в заголовке пакета. Для изучения маршрутов от источника каждый из узлов накапливает информацию о маршрутах. Главные компоненты работы DSR – это поиск маршрута и поддержка маршрута, которые функционируют одновременно для установления и поддерживания маршрутов в различных направлениях.

Целью разработки данного протокола была необходимость снизить потребление трафика управляющими пакетами в сетях MANET. Это достигается путем отказа от использования служебных сообщений об обновлениях (как в протоколах с табличным подходом). Кроме того, DSR является самонастраивающимся протоколом для беспроводных сетей. Также он может применяться в мобильных сетях и системах сотовой мобильной связи с количеством узлов до 200. Сеть, использующая протокол DSR, способна настраивать и конфигурировать сама себя без вмешательства человека. Задача установления каждого маршрута в протоколе DSR  решается с учетом возможности использования данной информации для формирования последующих маршрутов в выбранных направлениях. Двумя главными компонентами работы данной сети являются уже упомянутые поддержка маршрута и установление маршрута. Это позволяет установленному маршруту функционировать эффективно и избегать возникновения петель при изменениях сети. Поддержка маршрутов обеспечивает трансмиссию даже при модификациях сети, а функция установления маршрута позволяет находить оптимальный путь между узлом-отправителем и узлом назначения [10]. На рис. 2 показан пример установления маршрута между узлом-инициатором и узлом назначения, и возможные проложенные пути.

Рис. 2. Пример поиска маршрута между узлом-инициатором и узлом назначения, и возможное построение маршрута между ними

Fig. 2. An example of route discovery between source and destination nodes and possible discovered paths

3. УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

В данном разделе представлена среда моделирования для изучения функциональности протоколов AODV и DSR. Для этой цели применялся симулятор беспроводных сетей NS-2.28, который моделирует многошаговую беспроводную ad-hoc систему и MAC-уровень. В ходе эксперимента использовались два переменных параметра сети, а именно размер пакета и скорость узлов. Параметры моделирования указаны в Таблице 1.

Таблица 1

Параметры моделирования

Table 1

Simulation parameters

3.1 Метрики производительности

Для оценки производительности протоколов маршрутизации AODV и DSR при моделировании использовались две метрики производительности - средняя пропускная способность (throughput, TP) и средняя задержка (e2e delay).

3.1.1 Средняя пропускная способность (TP)

Средняя пропускная способность – это объем данных, получаемых узлом назначения за единицу времени. Средняя пропускная способность вычисляется по следующей формуле.

3.1.2 Средняя задержка (e2e delay)

Средняя задержка – это среднее количество времени, необходимое для успешной передачи пакета данных по сети от узла-отправителя к узлу назначения. Она включает в себя все возможные виды задержек, такие как низкая скорость передачи, буферизация на начальной стадии формирования маршрута, ожидание пакета в очереди, запаздывание передачи и повторная передача. Средняя задержка рассчитывается по следующей формуле.

где i – номер пакета данных, - время получения пакета данных,  - время отправления пакета данных, n – общее число пакетов данных.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Как показано на рис. 3, протокол AODV более эффективен по сравнению с протоколом DSR при передаче пакетов данных размером от 128 до 1024 байт. AODV имеет более высокую пропускную способность так как при установлении маршрута по требованию с большей долей вероятности сформирует новый маршрут, тогда как DSR с меньшим количеством пакетов в условиях изменения топологии сети имеет тенденцию настраивать и корректировать проложенные маршруты, что может привести к выбору неверных маршрутов и, как следствие, снизить пропускную способность.

Рис. 3. График зависимости средней пропускной способности от размера пакета

Fig. 3. Average throughput versus packet size

На рис. 4 показано влияние увеличения скорости узлов на пропускную способность. Пропускной способностью называется объем данных, передаваемых по каналу от одного узла к другому за единицу времени. Эффективные протоколы маршрутизации имеют высокую пропускную способность. Как мы видим на представленном графике, пропускная способность протокола AODV выше, чем протокола DSR, для скорости узлов от 5 до 20 м/с.

Рис. 4. График зависимости средней пропускной способности от скорости узлов

Fig. 4. Average throughput versus node speed

На рис. 5 представлена средняя задержка для различных размеров пакетов; результаты исследования показывают, что протокол DSR более эффективен, чем протокол AODV, при передаче пакетов данных размером от 128 до 1024 байт. Так как издержки маршрутизации у DSR меньше, чем у AODV, это способствует меньшей загруженности канала.

Рис. 5. График зависимости средней задержки от размера пакета

Fig. 5. Average end to end delay versus packet size

На рис. 6 показана эффективность протоколов AODV и DSR в плане значения средней задержки для скорости узлов от 5 до 20 м/с, при количестве узлов 50. Как видно из графика, протокол DSR имеет значительно меньшую задержку, чем AODV. Более того, пакеты маршрутизации в нем более оптимально используют пропускную способность канала, что еще более снижает задержку в протоколе DSRпо сравнению с протоколом AODV.

Рис. 6. График зависимости средней задержки от скорости узлов

Fig. 6. Average end to end delay versus node speed

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном исследовании представлен краткий обзор и сравнительный анализ функциональности протоколов маршрутизации ADOV и DSR. Были смоделированы сети с одинаковой топологией и проведено экспериментальное исследование работы двух различных реактивных протоколов маршрутизации для мобильных сетей. Результаты моделирования продемонстрировали, что протокол AODV более эффективен, чем протокол DSR, в плане пропускной способности, в особенности при увеличении размеров пакета или скорости узлов. В то же время, исследование показало, что протокол DSR более эффективен в плане значения средней задержки, особенно при одновременном значительном росте как размеров пакетов, так и скорости узлов.