结点路由协议

ISSN1672-4305CN12-1352/N实验室科学LABORATORYSCIENCE第21卷第3期2018年6月Vol21No3Jun2018计算机应用DSR和AODV路由协议虚拟仿真实验平台设计张立明,唐海涛,王健,魏晓辉,张仲明(吉林大学计算机科学与技术学院;物联网虚拟仿真实验教学中心,吉林长春130012)摘要:路由协议分析在无线通信中的路由选择、传输原理、及性能分析是无线网络实验教学的难点.
该实验课程路由选择理论性强,传统实验教学方法效果较差,导致学生难于理解和掌握.
基于AODV和DSR基本理论开发了无线路由协议虚拟仿真实验平台,支持通信结点个数设置、参数设置和结点通讯半径等信息设置.
实验教学表明,该仿真实验平台可使学生更深入地理解和掌握无线路由选择理论,培养了学生在路由协议方面的实践动手能力,实验教学效果和质量得到了显著提高.
关键词:DSR;AODV;虚拟仿真;路由协议;实验教学中图分类号:TP393文献标识码:Adoi:10.
3969/j.
issn.
1672-4305.
2018.
03.
020DesignofvirtualsimulationexperimentplatformforDSRandAODVroutingprotocolofwirelesscommunicationZHANGLi-ming,TANGHai-tao,WANGJian,WEIXiao-hui,ZHANGZhong-ming(CollegeofComputerScienceandTechnology;InternetVirtualSimulationExperimentalTeachingCenter,JilinUniversity,Changchun130012,China)Abstract:Therouteselection,transmissionprincipleandperformanceanalysisofwirelesscommunicationarethedifficultiesintheexperimentalteachingofwirelessnetworkroutingprotocolanalysis.
Theroutingexperimentalcoursehasastrongtheoretical,andtheeffectofthetraditionalexperimentalteachingmethodispoor,whichisdifficultforstudentstounderstandandmaster.
Inthispaper,thevirtualsimulationexperimentsystemofwirelessroutingprotocolisdevelopedbasedonthebasictheoryofAODVandDSR,whichsupportsthesettingofthenumberofcommunicationnodes,parametersandthecommunicationradiusofnodes.
Experimentteachingshowsthatthesimulationsystemcanmakestudentsmoredeeplyunderstandandgraspthemodeofwirelessroutingtheory,trainingstudentsintheroutingprotocolspracticalability,experimentteachingeffectandqualityimprovedsignificantly.
Keywords:DSR;AODV;virtualsimulation;routingprotocol;experimentalteaching基金项目:国家自然科学基金项目(项目编号:61672261;61502199).
通讯作者:张仲明(1968-),男,吉林长春人,硕士,高级工程师,主要从事嵌入式系统和网络安全方面的实验教学.
《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》指出:"信息技术对教育发展具有革命行动影响,必须予以高度重视"[1-2].
在十年远景发展这一大背景规划下,推出建设国家级虚拟仿真实验教学中心的工作,是国家在教育信息化建设和改革工作上的一个重大举措.
2013年8月,高等教育司颁布了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函[2013]94号]),启动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作[3-4].
按照分批建设的原则,2013年至2015年每年批准100个国家级虚拟仿真实验教学中心,吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心是2014年被批准的100所国家级虚拟仿真实验教学中心之一,在网络实验教学方面也取得了较好的教学效果[5-6].
实验教学作为高校教育的重要组成部分,是培养学生创新能力和实践能力的重要教学方式,其教学效果是其它理论教学不能取代的[7].
国内现阶段的实验教学面临着日新月异的无线通信网络技术变革和IT企业对技术含量要求较高人才培养带来的严峻考验,特别是对学生创新能力、实践能力和科研能力提出了更高要求[8].
随着计算机、互联网技术的高速发展,结合虚拟仿真实验的基础实验教学的建设已经逐渐成为教育信息化建设的不可或缺的组成部分[9].
更有利于高校内广泛开展不受时间地点约束的网络实验教学,为高校间及向校外共享开放实验教学资源奠定了良好基础[10].
AdHoc网络是一种支持无线的移动网络[11],不需要硬件网络设备支持情况下就可以在任何地点、任何时间快速构建移动通信网络,进而满足日益增加移动设备使用者对随时随地连接网络的需求.
因其在民用和商业领域的巨大应用价值[12],越来越多的学者开始投入到对路由协议核心技术的研究中.
现在AdHoc网络路由协议的数量已经超过20种,吉林大学物联网虚拟仿真实验教学中心在结合已有通讯实验基础教学资源基础上,针对按需距离矢量路由协议(AdHocOnDemandDistanceVector,AODV)和动态源路由(DynamicSourceRouting,DSR)两种具有代表性的路由协议开发了虚拟仿真实验平台.
使学生在对网络通信协议的感性认识基础上,进一步通过虚拟仿真实验提高学生的实践和创新能力.
1无线网络技术中路由协议在无线AdHoc网络中,任何一个通讯结点的地位都独立平等,都不依赖于传统通讯网络中的中心网络结点.
每个通讯结点都具有传统中心网络结点的存储与转发功能,即每一个通讯结点都是可以随时移动、具有路由器功能的通讯设备.
整个移动网络中不需要固定的基础网络通讯设备,每个移动网络通讯端都可以随时移动的,可以不受时间和地点的限制快速地组成移动通讯网络进.
与传统基于中心的通讯网络相比,AdHoc移动网络无需中心基础通讯设备、组网便捷,可根据实际网络需求快速构建移动通讯网络.
非常适合应用于执行临时的突发事件、抗洪救灾和军事作战指挥等具有移动特征的通讯需求.
因受无线传输信号衰减的影响,移动网络中网络信号的传输范围受限,从通讯结点发射端向接收端发送网络数据时通常需要网络中中继通讯结点的辅助,所以通讯路由协议在移动网络中具有重要作用[13].
因AdHoc移动网络的通讯结点动态多变的特性,其网络路由协议的研究仍是许多学者和专家研究的热点[14].
目前为止,已经提出和应用的关于移动网络AdHoc路由协议已有很多种[15],选择DSR与AODV这两种按需路由协议进行的虚拟仿真,下面将详细地介绍这两种路由协议的理论.
1.
1DSR路由协议DSR动态源路由协议是AdHoc网络中一种适应按需路由的协议,只有当网络中的结点有发送数据包请求时才会建立路由状态.
DSR协议中每个结点都具有转发和存储功能,结点间地位也独立平等,任意结点都可以动态发现到达目标结点的路由信息.
与传统路由协议不同,当中间结点失效或丢失的情况下,DSR协议中经过此结点的路由信息会动态重新建立,DSR协议中的结点不对路由信息进行周期性广播,也不对结点的路由信息进行定期维护.
DSR协议按需的思想避免了网络中结点对路由信息周期性更新的缺点,进而减少了网络中存储计算资源和带宽的消耗.
DSR协议按需的特点是当结点有发送数据包请求时才会建立路由状态,进而发现并维护一条最高效和最合适的路由信息.
DSR路由协议为实现这一按需路由的特点,其工作过程也分为路由发现和路由维护两个阶段.
在路由发现阶段,主要是在简单和高效的情况下建立一条从源结点到目标结点的可行路由路径.
第一步,源结点将路由请求分组信息广播给网络中邻居结点,临近结点在收到分组请求信息时先会检查本结点是否已经存储了到达目标结点的路由.
如果存在则直接返回路由信息;如果没有,则将自己的结点信息加入此路由信息中,在目标结点未加入此路由信息之前继续将路由请求分组进行广播.
第二步,在目标结点收到由源结点或邻居结点发来的路由请求分组时,目标结点将路由应答分组返回给源结点.
当源结点收到由目标结点发来的应答分组时建立了一条简单高效的源结点与目标结点间路由路径,进而实现了源结点与目标结点间的正常通信,随后协议进入路由维护阶段.
86张立明,等:DSR和AODV路由协议虚拟仿真实验平台设计在路由维护阶段,DSR主要监测网络中结点拓扑结构的变化情况,此维护机制可检测出当前路由路径中包含的结点是否失效.
当路由路径中某一结点发生失效时,则该结点的路由路径也随之失效.
为了保证源结点和目标结点的正常通信,会向源结点发送路由错误报文.
随后,在源结点收到该路由错误报文时,会将该失效路由路径从路由缓存中删除,并进入路由发现阶段进而重新建立新的路由路径信息.
DSR与传统路由协议不同,不存储整个网络中路由信息结点,仅发现和维护其与目标结点之间的路由路径,不仅减小了数据缓存的开销也减少了网络中结点的能量消耗.
DSR路由协议也存在增加存储开销的缺点,即需要在每个数据分组中都存储结点本身的路由信息.
此外,在路由发现阶段采用广播的方式发送数据分组请求信息,一方面结点间容易重复广播和发生冲突;另一方面,如果网路中太多回复时,会增加结点使用本地缓存的开销.
虽然DSR本身存在一些缺点,但按照按需路由特点它是简单并高效适合AdHoc网络的路由协议.
1.
2AODV路由协议AODV路由协议充分结合DSR协议和DSDV协议的按需路由的思想,AODV路由协议与DSR协议的路由发现及路由维护阶段原理基本相似,并在其基础上进一步优化路由发现和维护过程.
AODV协议采用了DSDV协议中逐跳路由思想,并在路由维护阶段对目的结点序列号进行周期性更新.
AODV与DSR协议相似,仅当路由中的结点需要发送数据包时才建立路由状态,此优点决定了其适合于结点较多的大型AdHoc网络.
在AODV路由发现阶段,首先要检测缓存中是否已存储了到达目的结点的路由信息,如果此路由信息没有过期则直接采用,否则需要进入路由发现阶段建立路由.
在建立路由阶段,源结点先将路由请求帧广播发送给邻居结点,邻居结点依据收到的路由请求帧对其到源结点的路由表进行更新.
当邻居结点不是目的结点时:如果此邻居结点中存储了到达目的结点有效路由,则通过已建立的反向结点单播至源结点发送路由应答帧,当源结点收到应答帧时则建立一条由源结点到达目的结点的路径;否则,此邻居结点继续转发路由请求帧,中间结点继续维护指向源结点的反向路由信息.
当邻居结点是目的结点时,说明此时已经建立一条由源结点到达目的结点的有效路径.
在AODV路由维护阶段,通过周期性发送消息帧检测路由链路情况.
如果路由中某结点在规定时间还未收到来自邻居结点发来的消息帧,则表明此链路失效,此时需要对此失效链路进行局部修复.
当局部路由修复超过规定时间时,便会向源结点和目的结点发送路由错误信息,各中间结点在收到路由错误信息时则删除此失效链路的路由信息.
在AODV协议中,每个结点都仅包含了下一跳的目的信息,使得数据分组的头部不用包含路由表信息,进而较大程度地节约存储空间.
协议中还采用序列号机制,有效避免了路由信息过期和路由失效问题,同时还避免了路由环路的缺陷.
2DSR和AODV路由协议虚拟仿真实验根据上述介绍的DSR和AODV路由协议的路由发现和路由维护阶段的基本思想,本节介绍DSR和AODV路由协议虚拟仿真实验设计的基本流程.
2.
1虚拟仿真实验流程依据DSR和AODV路由协议特征,在虚拟仿真实验中提供路由结点个数设置功能.
在结点数目设置面板上可以选择将要虚拟仿真路由结点的数目,然后在每个结点的参数设置面板中可以分别设置结点的X、Y坐标数值和其通讯半径信息.
在路由协议建立后,还提供设置路由中个结点失效和恢复功能,进而可真实地演示路由协议的动态建立过程.
在设置每个结点的坐标位置信息和通讯半径等信息后,虚拟仿真实验平台面板的演示区域会显示结点的相应位置.
为进一步模拟仿真结点变化对路由协议建立的影响,还支持使用鼠标对演示面板中对结点进行拖拽的功能,进而直观地改变路由中结点的位置信息,增强虚拟仿真实验的交互性.
在路由面板中可选择DSR或AODV路由协议对演示面板中的结点建立路由,点击路径演示按钮时,在演示面板中将会显示路由协议建立的相应路由路径.
虚拟仿真路由实验具体流程如图1所示.
图1路由协议虚拟仿真实验流程图962.
2虚拟仿真实验平台上一节介绍了协议仿真实验的基本流程,在本节介绍虚拟仿真实验平台,如图2所示.
在协议选择面板中有DSR与AODV路由协议选择按钮、路径演示按钮和置空按钮.
协议选择按钮的功能是选择要演示的协议.
演示路径按钮功能是仿真实验平台根据所选的路由协议对结点面板中的结点及其相关信息进行路由路径的建立.
置空按钮可对当前的仿真实验的路由协议结点选择及结点等所有相关信息进行重置.
在结点参数设置面板中,通过8个数值按钮来选择中间结点数目.
根据所选择结点的个数,未被选择的结点参数设置面板显示为不可编辑状态.
在已经选择每个结点参数设置面板中,可以设置每个结点的X、Y坐标位置信息、结点通讯半径信息和结点是否在路由过程中失效的信息.
当清除结点按钮单击时,失效的结合点标签会变成灰色,并且它的参数相关信息都不可再进行设置.
在设置好路由协议选择、结点个数和结点参数相关信息后,点击演示路径按钮,便可以在平台的演示面板中绘制出当前结点信息下相应的路由选择路径.
在演示面板中,可以通过鼠标对结点进行拖拽改变结点的位置信息,路径中每个中间结点都可以动态设置是否失效,进而实现模拟动态路径中结点位置变化和失效后重新进行路由发现的过程.
图2给出了DSR协议下路由状态图仿真运行界面.
图2DSR路由协议虚拟仿真运行界面3结语DSR和AODV路由协议虚拟仿真实验把路由选择结果以图形方式表示出来,学生在实验过程中可以直观地理解选择路由传输过程中变化情况,有利于培养学生的创新能力和提高学生的实践动手能力.
此虚拟仿真实验有利于直观地评价无线网络中的路由协议理论和性能,为对无线网络中的路由协议的深入研究打下了坚实基础,为进一步丰富共享实验教学资源和提高教学质量提供了有力支持.
实验教学表明,此虚拟仿真平台激发了学生对无线路由协议学习和实践的积极性,加深了学生对无线路由协议选择理论过程的理解.
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收稿日期:2017-05-06修改日期:2017-08-29作者简介:张立明(1980-),男,吉林长春人,博士,高级工程师,主要从事网络安全和故障诊断研究.
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