通信工程畢業設計-基于opnet的無線傳感器網絡qos路由及流量建模研究與仿真(更新版)

　　

【正文】 規則 1，可以大大減少由于對失效鏈路嘗試所帶來的時延開銷和能量消耗。 (2) 延遲和延遲抖動，延遲是分組從源節點到接收節點的平均經過時間， 延遲抖動是同一業務流中不同分組的延遲變化量。從 I 類網絡生存期來看，采用實時業務濾器比傳統 DD 提高了 50%，而盡力而為業務濾器則提高了 540%；從 II 類網絡生存期來看 ,采用實時業務濾器僅比傳統 DD 提高了7%，而盡力而為業務濾器則提高了 21%。它與 DD 的實施模式無關 ,可在滿足不同業務資 源需求的同時，追求能量資源在全網的均衡使用，網絡生存期被大大提高。背景路由流量缺乏對特定業務的針對性。 圖 31 通過網絡工具讀入流量 由于網絡規模龐大 ， HP Openiew 的 RMON 流量探頭比較昂貴等客觀因素 ，往往不能同時讀入整個網絡的 背景路由流量 ，并且這種流量輸入的方法也不靈活，為此， OPNET 提供了手工建立 背景路由流量 的方法 ,即可通過設置不同時間段流量的不同參數來定義流量 ，如圖 32 所示。 這種流量定義方法的優點是縮短了配置仿真網絡流量的時間 ,使仿真運行速度加快 。 (3)網絡規劃和設計。為了比較有無背景流量下網絡響應 FTP 業務的時間，我們將首先建立的場景命名為 no_backload。 圖 34 對 FTP 服務器進行應用配置，具體配置如下圖 (圖 35)河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 21 圖 35 保存場景和工程。設置仿真運行的參數，具體的配置見下圖 (圖 37)。流量模型的實現有一定的規范和要求，且必須能夠反映實際網絡的業務流量狀況。 所以，在這里我們可以近似將此處的網絡看成一個總線型的 10BaseT Lan。河海大學工學學士學位論文 第 4 章 WSN 流量模型的仿真 26 Application Configura。河海大學工學學士學位論文 基于 OPNET 的無線傳感器網絡 QoS 路由及流量建模研究與仿真 25 圖 41 (2)導入系統的流量文件。流量模型的建立使得通過仿真系統得到的各項參數數據能夠較為全面地反映出網絡的性能。右擊工程空白區，選擇 Compare Result 比較沒有背景流量和存在背景流量情況下網絡的 FTP 下載時間，鏈路的利用率和吞吐量的變化。具體方式是點擊 Scenarios菜單下的 Duplicate Scenarios命令，然后將其命名為 back_load來區別之前的 no_back_load 場景。所以我們只需要創建一個子網，然后將其復制到其他三地就可以了。 建立一個完整的前景流量模型必須先對各業務分別建模，然后進行組合再進行分析驗證，再修改，再驗證，如此多次直到符合要求為止。 通 過節點的 屬性 (attribute) 和 應用定義 (Application Configuration)來定義 ， Application 包括 Email， Http， Ftp， Print， Database Access，Tel 和 Video Conference 等業務 ,每種業務均可由用戶定義相關參數 ， 如對于Http 業務 ， 可指定其業務流量 ， 所用服務器 、 服務類型等等 。如果指定整個數據段的數據包和比特數目為恒定的話，只要簡單地在第二行輸入數字即可；如果需要指定某個時刻的數據包和數據比特的數目則需要用鼠標先單擊上面圖形的某一個時間點，當顯示的時間段在所要設定的時間段以后，就可以在第二行里編輯數據包和數據比特的數目了。通常情況下，是綜合運用幾種流量建模方式，從而在精確性和效率之間取得平衡。河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 16 第 3 章 OPNET 流量建模機制 OPNET 流量建模機制綜述 OPNET 具有在通信網絡和信息系統方面的專業化設計，是目前世界上最先進的網絡仿真開發和應用平臺，它采用基于包的建模機制 (Simulation on Packet Level)和離散事件驅動的模擬機理 (Discrete Event Driven)，并且提供各種目 的的研究工具。實時業務濾器的性能提升較小，原因是最小跳策略與傳統DD 的最小延遲策略類 似，但兼顧考慮最大化路徑能量瓶頸還是明顯提升了性能。 (3) 分組傳輸率，成功接收分組與發送分組的比率，反映了分組傳輸質量。 在 OPNET 仿真環境下，我們建立了如圖 22 所示的網絡場景。 梯度建立過程：興趣分組攜帶上一跳節點能量、上一跳最大最小剩余能量、跳數、是否更新 MaxMPE 和是否更新 MHC 標志等字段；當同序號興趣分組通過多徑到達某節點，該節點比較自身能量和上一跳節點的 MaxMPE，取小的為該路徑的 MPE，若此 MPE 比節點保存的 MaxMPE 大，或雖相等但跳數少，則更新節點的 MaxMPE 并保留對應的跳數，置“是否更新 MaxMPE0”標志為真；若該路徑跳數比當前 MHC 小，或雖相等但對應的 MPE 大，則更新節點的 MHC并保留對應的 MPE，置“是否更 新 MHC0”標志為真；兩標志都為假則丟棄該興趣分組，否則向鄰居節點廣播該分組。它提供對任務與數據的命名和操作算子，采用發布 /訂閱模式(publish/subscribe)來建立傳感器網絡 中有效節點、觀測節點和中間節點間的梯度關聯，可提供穩定的多徑傳遞和路徑子集選擇。多約束 QoS 路由選擇通常是 NP 完全問題 ,可用去度量相關 性或轉化為單一度量來降低計算復雜度。 本章中 討論兩類網絡生存期 ： 以網絡中第一個節點失效的時間為標示的 I 類網絡生存期 ； 以網絡中源節點變為孤立節點 (無法傳遞任何數據 )的時間為標示的 II 類網絡生存期。 QoS路由 在 研究中 ， 網絡往往被抽象為賦權有向圖 G(V,A)。 WSN 的 QoS路由 近年來 ,已提 出多種針對無線傳感器網絡的路由協議 ， 但大都假定服務基于單一的盡力而為 (besteffort)模型。 OPNET Modeler建模 流程 OPNET Modeler 的建模過程如圖 13 所示。使用 Modeler 進行開發的仿真平臺，使仿真的效率相當高。有限狀態機加上標準的 C/C++以及 OPNET本身提供的 400 多個庫函數構成了 Modeler 編程的核心。 (2)簡單明了的建模方法。 對于網絡的設計和管理，一般分為 3 個階段：第一階段為設計階段，包括網絡拓撲結構的設計，協議的設計和配置以及網絡中設備的設計和選擇；第 二階段為發布階段，設計出的網絡能夠具有一定的性能，如吞吐率、響應時間等等；第三階段為實際運營中的故障診斷、排錯和升級優化。 (Simulation)？ 網絡仿真技術是一種通過建立網絡設備和網絡鏈路的統計模型 ， 并模擬網絡流量的傳輸 ， 從而獲取網絡設計或優化所需要的網絡性能數據的仿真技術 。無線傳感器網絡典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感 器節點拋散到感興趣的區域，節點通過自組織快速形成一個無線網絡。傳感器節點集成傳感器件、數據處理單元和通信模塊，并通過自組織的方式構成網絡。 第二章對 WSN 的 QoS 路由進行了研究與仿真。 可是在今天這樣信息飛速發展的時代，網絡結構和規模日益復雜龐大，表現出多種類型的網絡日益走向融合，業務種類增加，網絡負載也日益繁重，新的網絡技術層出不窮，如何規劃和優化網絡已經成為一個極富挑戰性的課題。本設計基于OPNET 仿真平臺，首先在分析無線傳感器網絡 QoS 路由問題的基礎上，對定向擴散進行擴展，組合利用路徑節點最小能量和最小跳數信 息的分布式 QoS 路由算法建立了仿真模型，使網絡生存期提高了 500%；在不同比例的混合業務模式下，可以很好地支持不同業務的資源需求分配，達到全網能耗均衡。 （ 5）總結與展望。 （ 4）利用 OPNET 平臺對仿真模型進行仿真實驗，驗證模型的有效性。 然而在信息技術日新月異的現代社會，隨著網絡結構和規模越來越復雜化以及網絡的應用越來越多樣化，單純地依靠經驗進行網絡的規劃和設計、網絡設備的研發以及網絡協議的開發，已經不能適應網絡的發展，因而急需一種科學的手段來反映和預測網絡的性能， OPNET 網絡仿真技術應運而生?？梢哉f，無線傳感器網絡是信息感知和采集的一場革命，是 21 世紀最 重要的技術之一。在前部分中，主要介紹了無線傳感器網絡的基本概念、通信結構、協議棧和它的特點，后部分則對OPNET 的歷史和現狀以及 OPNET 的最主要產品 OPNET Modeler 做了詳細的介紹。無線傳感器網絡中的傳感器節點完成一些數據采集工作，節點通過傳感器網絡將數據發送到網絡中，并最終由特定的應用接收。 無線傳感器網絡可以認為是一種獨立出現的計算機網絡，它的基本組成單位是節點 (Node)，在不同的應用中，傳感器網絡節點的組成不盡相同，但是一般由傳感器模塊、微處理器模塊、通信模塊和能量供應模塊四個部分組成，如圖 11所示。除此之外，電源、移動和任務管理負責傳感節點能量、移動和任務分配的監測，幫助傳感節點協調感測任務，盡量減少整個系統的功耗。 OPNET 公司最初只有一種產品 OPNET Modeler，到目前已經擁有 Modeler、ITGuru、 SPGuru、 WDMGuru、 ODK 等一系列產品。各模塊間通過數據包和狀態信息的傳遞來進行各種操作，進而實現設備的功能。用戶可以隨心所欲地控制仿真的詳細程度。 (6)高效的仿真引擎。另外， OPNET 在 Windows 平臺下還支持和編程語言 VC 的聯合調試。 (5)節點資源如發射功率，能量和處理能力等更加嚴格受限。 為了研究方便，我們作以下假設： 觀測節點能量充分 ， 傳感節點的規格指標均相同 ， 如有效傳輸距離 、 攜帶能量等 ； 節點均勻分布 ， 端到端的傳輸延遲可用所經過的跳數來估計 ； 觀測節點靜止 ,網絡拓撲的變化僅因傳感節點能量耗盡失效導致 ， 除此可認為網絡是穩定的 。假定網絡節點失效和拓撲變化僅因節點能量消耗殆盡引起 ， 它可通過降低節點能耗和均衡網絡能量消耗來優化。 (2) QoS 路由計算。 DirectedDiffusion的 QoS路由擴展 Directed Diffusion及其擴展機制 DD 為缺乏全局地址標識的無線傳感器網絡提供了一種以數據為中心，依賴局部梯度 (gradient)信息選擇下一跳節點進行數據擴散和網間數據聚合處理的數據分發模式。路徑最小能量 MPE 是從觀測節點到傳感節點某路徑上節點能量的最小值，它體現了該路徑的能量瓶頸或最長可能接續時間；最大最小能量 MaxMPE 是從觀測節點到傳感節點之間多條路徑 MPE 的最大值，它是當前節點與觀測節點間多條路徑的能量瓶頸評價標準，如式 (2)；最小跳 MHC 是觀測節點到傳感節點多條路徑跳數的 最小值，反映了路徑的最優延遲指標，如式 (4)。 失效節點和有效節點的比率閾值設置與網絡和應用相關，若取值太大，下一跳數據傳遞失 敗的概率越大，可能帶來性能的較大抖動；若太小，會帶來過大的網絡負載和不必要的能耗。實時業務的 QoS 需求對這兩項指標非常敏感。試驗結果表明改進后算法可對兩類業務提供有保證的差別服務，同時可在全網范圍內實現能量資源的充分有效利用，實現網絡能耗均衡。仿真結果表明，在混合業務模式下，它能很好的支持不同業務的資源需求分配，可達到全網最優能耗均衡，網絡生存期大大提高。背景利用率流量可用來考察一些難以顯性定義也不需要顯性定義的流量。 圖 32 手工建立流量矩陣 河海大學工學學士學位論文 第 3 章 OPNET 流量建模機制 18 與圖 31 相比，圖 32 中多出了兩行，其中第一行編輯欄是流量存在的時間，這個時間既可以是整個仿真的時間，也可以是仿真時間的一部分，第二行是數據包和數據比特的編輯欄，在這里可以指定某個時 刻或者整個時段的數據包的數量和數據比特的數目。 業務流量建模 前景業務流量是 定義在 Workstation 和 Server 節點 之間或定義在 Station 和Station 之間的 流量 。 在規劃和設計新的網絡模型，在沒有任何背景流量的情況下，加載一定的前景流量，以獲取這種條件下的網絡的性能參數，如鏈路的利用率、端到端的響應時間和 TCP 的連接建立時間等，從而可以為多個方案進行優缺點比較時提供定量依據。在所要創建的五個子網中，除了華 盛頓的中心網絡需要特殊配置以外，其他四地的辦事處的網絡是等同的。接下來我們將創建一個含有背景流量的場景。 圖 37 當聽到嘟的一聲時，仿真 結束。在本仿真系統的開發過程中，如果預先給定一組假定數據并通過仿真來驗證、考察該系統的各項性能指標，是無法達到考察并且評估整個網絡系統通信能力的目的的，因為給定的數據只是一定條件以及一定環境下的典型數值，而且數目十分有限。 按照以上分析并結合 OPNET 建模機制建立了如圖 41 所示的流量模型