基于ns2的無線自組網路由協議的研究與仿真畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 事件調度器和數據通道上的基本網絡組件對象都使用 C++編寫，這些對象通過 TclCL 映射對 OTcl 解釋器可見。 NS2 可以說是 OTcl 的腳本解釋器，它包含模擬事件高度器、 網絡組件對象庫等。事件調度器控制模擬進程，在適當時間激活事件隊列中的當前事件，并執行該事件。網絡組件模擬網絡設備或節點的通信，它們通過制定模擬場景和模擬進程，交換特定的 分組來模擬真實網絡情況，并將執行情況記錄到日志文件中，供用戶 分析解讀，獲取模擬結果。 NS2 采用這種分裂模型既提高了模擬效率，加快了模擬速度，又增強了模擬配置的靈活性和操作的簡便性。 NS2 是在 UNIX 系統上開發的，因此可以在 UNIX 和類 UNIX 系統上安裝。另外， NS2 也可以在 Windows 平臺上運行。表 和表 是不同平臺對 NS 的支持情 況。 表 不同平臺對 NS2 的支持情況 TclTK OTcl TclCL Ns Nam xgraph cweb sgb Gtitm and sgb2ns zlib Pc+Windows Y Y Y Y Y N Y N N N Pc+Linux Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 注： Y——支持， N——不支持。 9 表 綜合比較 Windows 和 Linux對 NS2 的支持情況 平臺特點 安裝過程 模塊支持 使用過程 Pc+Windows 優點：界面友好，人性化設計，網絡及硬件支 持良好，應用程序豐富。 缺點：代碼冗繁，系統穩定性及自身修復能力差。 未安裝 Cygwin 時只可用 from all the pieces 方式安裝，較為復雜。 安裝 Cygwin 后可用 allinone 方式安裝較為簡單。 支持 NS2 的必選軟件 模塊，但對可選模塊的支 持性差。 容易引發較多問題，相關幫助文檔及可咨詢信息較少，解決問題難度較大。 Pc+Linux 優點：源代碼開放，界面友好，網絡功能豐富，較穩定。 缺點：應用軟件及硬件驅動程序缺乏。 可選用 from all the pieces 或 allinone方式安裝 ，較為簡單。 對 NS2 的必選模塊和 可選模塊支 持性良好。 由于 Linux 完全開放源代碼的特性，可根據需要任 意 修 改 源 代碼。相關幫助文檔及論壇較多，可獲得的幫助較多，使問題解決較為容易。 NS2 組成部分 （ 1）離散事件調度器（ Scheduler）：調度器是仿真器的心臟，它記錄當前時間，調度網絡事件鏈表中的事件。它有一個靜態成員變量 instance，供所有的類訪問同一個調度器，提供函數產生新事件，指定事件發生的時間。 目前 NS2 支持四種事件調度器，分別為鏈表式（ linkedlist）、堆式（ heap）、時間隊列式（ calendar）和實時（ realtime）調度器，其中時間隊列式為默認的事件調度器。 （ 2）事件處理器 (Handler)： Handle 是所有處理事件類的基類，它只是一個虛擬函數，每個繼承類實現自己的功能 。 （ 3）節點（ Node）：節點是對實際網絡中分布在不同地理位置的主機、交換機、路由器等網絡設備的統一抽象，是構成網絡拓撲結構的一個重要組成部分。 （ 4）鏈路 (Link)：鏈路用來連接節點和路由器。一個節點可以有一條或多條輸出鏈路 (如路由器 )，所有的鏈路都以隊列的形式來管理分組到達、離開或丟棄 ，統計并保存字節數和分組數。另外還有一個獨立的對象來記錄隊列日志。 （ 5）代理 (Agent)：代理是實際產生和消費分組的對象，它們屬于傳輸層實體，運行在端主機，節點的每一個代理自動被賦與一個唯一的端口號 (模擬 udp/tcp10 端口 )，代理知道與它相連的節點，以便把分組轉發給節點，它也知道分組大小，業務類型，目的地址。 Agent 類是各種 UDP/TCP 實現類的基類，代理被保存在一個稱為 demux 的鏈表中。 （ 6） NS 對象 (NsObject)： NsObject 是所有網絡實體的基類，包括節點、鏈路、代理，業務記錄 (Trace)和數據源等。節點、鏈路、代理同時繼承了 NsObject和事件處理器類，因為這三種對象要處理多種事件，其他對象則不需要。 （ 7）匹配器類 (Matcher)：匹配器類用來標識有實例對象生成的類，用戶給出標識匹配 器 類的關鍵字，匹配 器 類返回相應的新建對象。匹配器類被定義成靜態的，只允許一個實例對象 [5]。 NS2 模擬基本流程 圖 NS2 進行網絡模擬的基本流程 是 否 否 否 是 是 問題定義 修改源碼？ 修改源碼 編寫 Tcl 腳本 執行模擬 分析結果 結果滿意 ？ 分析問題 重新編譯 NS 編譯通過 ？ 調試 結束 開始 11 使用 NS2 進行網絡模擬的基本操作流程如圖 所示。 整個模擬過程主要有三個部分：一為修改源碼，二為編寫 Tcl 模擬腳本，三為分析結果。 （ 1）源碼修改：這一步只有在模擬需要修改源代碼時才進行考慮。 （ 2） Tcl/OTcl 模擬代碼編寫：這是 NS2 模擬中最重要和必不可少的環節，大部分 NS2 的模擬工作實際就是編寫 Tcl 腳本代碼來描述網絡結構、網絡構件屬性和控制調度網絡模擬事件的啟停過程。 （ 3）模擬結果分析：結果分析是真正體現模擬工作成效的重要一環，模擬結果分析主要是對 trace 文件進行分析。 4 無線自組網路由 協議 在 無線自組網 中，節點 的 移動導致網絡拓撲結構 的 不斷變化。如何迅速準確地選擇到達目的節點的路由，是 無線自組 網的一個重要和核心的問題。 無線自組網與傳統移動通信網絡的區別 在無線局域網中，移動節點配有無線網卡，通過無線接入點連接到固定網絡，因此，無線局域網可以看成單跳網絡；而無線自組網則是一個多跳的網絡，終端主機一方面作為主機，另一方面作為路由 器 運行路由協議，參與分組轉發和路由維護。 因此，無線自組網與傳統移動通信網絡在路 由選擇方面有很大的差異，必須采用合適的路由協議以解決路由選擇問題。 無 線自組網路由協議分類 根據源端何時獲得路由信息，可以將路由分為兩大類，如圖 所示 。 一類是基于路由表驅動（ Table Driven）的路由協議。在這種協議中，每個節點試圖維護到所有已知目的節點的路由表，節點之間周期性或在網絡拓撲改變時交換路由信息，由此減少了獲得路由延時，能夠立即判斷目的節點的可達性，但是耗費了網絡資源。第二類是按需驅動（ OnDemand Driven）的路由協議，包括路由發現和路由維護兩個過程。這種路由協議平時并不實時地維護網絡路由，只有在節 點有數據要發送時才激活路由發現機制尋找到達 目的節點的路由。它不需要花費資源來維護無用的路由，但路由發現過程比較昂貴而且不可預測 [6]。 12 圖 無線自組網路由協議分類 幾種典型的無線自組網路由協議 目的序列距離矢量路由協議 DSDV DSDV(DestinationSequenced DistanceVector)是基于經典 BellmanFord 路由選擇過程的改進型路由表算法。 DSDV 以路由信息協議為基礎。是無線自組網協議發展較早的一種。 使用 DSDV 時，網絡中 的每一個移動節點都需要維護一個路由表。路由表表項包括目的節點、跳數和一個由目的節點注明的序列號，序列號能幫助節點區分有效和過期的路由信息，并可防止路由環路的發生。標有更大序列號的路由信息總是被接收。如果兩個更新分組有相同的序列號，則選擇跳數最小的，使路由最優（最短）。每個節點必須周期性地與鄰節點交換路由信息，當然也可以根據路由表的改變來觸發路由更新。路由表更新有兩種方式：一種是全部更新，即拔掉更新消息中將包括整個路由表，主要應用于變化較快的情況；另一種是增量更新，更新消息中僅包含變化的路由部分，通常適用于變 化較慢的情況。 按需平面距離矢量路由協議 AODV AODV(Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing)由 DSDV 發展而來，不同的是 AODV 為反應式路由協議。源節點首先廣播一個攜帶目的節點信息的路由分組（ RREQ），其鄰居節點依次向周圍節點廣播此路由分組，廣播 RREQ 前會無線自組網路由協議 表驅動路由協議 按需驅動路由協議 DSDV CGSR WRP DSR TORA AODV 13 建立此節點到源節點的路由，直到路由分組到達目的節點或者一個中間節點，這個節點包含目的節點的路由信息，就不再廣播 RREQ。此過程中，會建立一個從源節點到目的節點的反向路由，也就是從目的節點到源 節點的路由。然后該節點將沿著反向路由發回一個 RREP， RREP 到達源節點后路由發現過程結束。為避免路由循環，每一個路由分組中都包括一個 sequence ID（ SID）作為唯一標識，如果一個節點收到一個 SID 比它當前保留的 SID 小的數據包，表明該數據包是過時的，它將不予處理，而是簡單的丟棄。發現多條路由時，源節點會選擇一條SID 大、跳數少的最優路由。 源節點移動后會重新啟動路由發現過程，中間節點移動，那么其鄰居節點會發現鏈路失效并向上游節點發送鏈路失效消息（ RERR），一直傳到源節點，然后源節點重新發起路由發 現，或者也可以由發現鏈路失效的節點自己發起路由發現，此稱為自修復。只要路由是活動的，路由表就要一直維護下去。活動的意思是有數據包從源節點發往目的節點，如果鏈路上不再有數據包傳遞，一段時間之后，鏈路就會過期，最終路由信息將會從中間節點的路由表中刪除 [7]。 動態源路由協議 DSR DSR(Dynamic Source Routing)是一種基于源路由的按需路由協議，它使用源路由算法而不是逐跳路由的方法。 DSR 主要包括兩個過程：路由發現和路由維護。當源節點 S 向目的節點 D 發送數據時，它首先檢查緩存是否存 在未過期的到目的節點的路由，如果存在，則直接使用可用的路由，否則啟動路由發現過程。具體過程如下：源節點 S 將使用洪泛法發送路由請求消息（ RREQ）， RREQ 包含源和目的節點地址以及唯一的標志號，中間節點轉發 RREQ，并附上自己的節點標識。當 RREQ 消息到達目的節點 D 或任何一個到目的節點路由的中間節點時， D 或該中間節點將向 S 發送路由應答消息（ RREP），該消息中將包含到 S到 D 的路由信息，并反轉 S 到 D 的路由供 RREP 消息使用。此外，中間節點也可以使用路由緩存技術（ Routing Cache）來對協議作進一步優化。 臨時 排序 路由算法 TORA TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)協議稱為臨時排序路由算法，是一種源初始化按需路由選擇協議，它采用鏈路反轉的分布式算法，具有高度自適應、 高效率和較好的擴充性，比較適合高度動態移動、多跳的無線網絡，其主14 要特點是控制報文定位在最靠近拓撲變化的一小部分節點處，因此節點只保留鄰近點的路由信息。該算法中路由不一定是最優的，常常使用次優路由以減少發現路由的開銷。 TORA 協議包括 3 個基本模塊：路由的創建、路由的維護和路由的刪除。在路由的建立和路由維護過程中，節點應用“高度” Metric 來建立一個以目的節點為根的有向非循環圖。這樣鏈路根據相鄰兩個節點的高度值來確定向上或向下的方向。 路由協議性能評標準 主要包括以下幾個方面的指標 [8]： （ 1）丟包率：網絡中數據傳輸是以發送和接收數據包的形式進行的，理想狀態下發送了多少數據分組就能接收多少數據分組，但是由于信號衰減、網絡質量等諸多因素影響下，可能產生數據分組丟失。在單位時間內未收到的數據分組與發送的數據分組的比率就是丟 包率，當然這個數字越小越好。丟包率的計算公式 見式（ ）。 丟包率 =發送分組數未接收到的分組數 （ ） （ 2）端到端平均時延： 指單位數據包從源節點到目的節點所用的時間，時延越小，說明響應 越快，網絡質量越令人滿意。該統計量反應了網絡的擁塞狀況，計算公式見式（ ）。 端到端平均時延 =數據包總數 所用時間源節點數據包成功傳輸 （ ） （ 3）路由 開銷： 單位數據包個數所引起的額外路由分組個數，包括 RREQ（ Route Request，路由請求）、 RREP（ Route Reply，路由應答）、 RRER（ Route Error，路由錯誤）等，該統計量反應了路由協議的效率，計算 公式見式（ ） 。 路由 開銷 =發數的數據分組數發送的路由分組數 （ ） （ 4）平均吞吐量：該參數是在接收數據時由網絡層的上層