基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘要：在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)過程中，構(gòu)建具有相當(dāng)規(guī)模的物理無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境不切實(shí)際。因此，文中在NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器環(huán)境下，設(shè)計(jì)了3種典型的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)直觀再現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的工作原理，同時(shí)給出路由協(xié)議的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生提出新的路由協(xié)議并進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)。
關(guān)鍵詞：NS-2；無線網(wǎng)絡(luò)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

移動(dòng)無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有無基礎(chǔ)設(shè)施、分布式、自組織、自配置、自管理的特性，可在應(yīng)急條件下快捷部署的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)、突發(fā)事件應(yīng)對(duì)等方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)抽象復(fù)雜、難于理解，在教學(xué)過程中構(gòu)建具有相當(dāng)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)不切實(shí)際。因此，設(shè)計(jì)基于NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在個(gè)人電腦上完成，深刻理解Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理、學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)其性能，針對(duì)目前已提出的Adhoc路由技術(shù)的不足，探索一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)或者提出更優(yōu)的路由技術(shù)。

1 無線移動(dòng)Adhoe網(wǎng)絡(luò)路由
路由的任務(wù)是把數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)經(jīng)過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)送達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)，是移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，影響著網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量等性能的優(yōu)劣。由于無線移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、資源限制等特點(diǎn)，給路由技術(shù)的設(shè)計(jì)帶來了巨大的困難，在數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，中間節(jié)點(diǎn)主要涉及2個(gè)基本行為，即確定最佳路徑和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)較為簡單，路由選擇較為復(fù)雜，目前典型的路由技術(shù)有DSDV、DSR、AODV等。
1．1 目的節(jié)點(diǎn)序列距離矢量協(xié)議(DSDV)
DSDV是基于Belhnan-Ford算法表驅(qū)動(dòng)的平面路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)維護(hù)一張路由表，記錄網(wǎng)絡(luò)的全局視圖。路由表記錄著目的節(jié)點(diǎn)、跳數(shù)、下一條節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)標(biāo)識(shí)，序列號(hào)標(biāo)隱含了路由的時(shí)間信息來區(qū)分新舊(過時(shí)的)路由，同時(shí)避免環(huán)路的產(chǎn)生。路由信息的建立維護(hù)過程是每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地與鄰節(jié)點(diǎn)交換路由表信息，以維持所有節(jié)點(diǎn)都擁有完整的路徑信息，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)路由信息發(fā)生改變時(shí)也觸發(fā)路由信息的重新建立。作為先應(yīng)式路由的DSDV路由協(xié)議，再發(fā)送數(shù)據(jù)之前已建立好整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由信息，數(shù)據(jù)可以立即傳輸，因此適用于實(shí)時(shí)性應(yīng)用環(huán)境中，但是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁時(shí)，維護(hù)路由信息的代價(jià)很高，因此不適合移動(dòng)性強(qiáng)和大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。
1．2 動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)
和先應(yīng)式表驅(qū)動(dòng)路由不同，DSR是一種按需(On_demand)平面路由協(xié)議，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，首先檢查路由緩沖，是否存在從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的一條路由，如果存在，就啟動(dòng)該路由通往的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，其他非參與節(jié)點(diǎn)睡眠以節(jié)省能量等資源。如果不存在通往目的節(jié)點(diǎn)的路由，該節(jié)點(diǎn)則啟動(dòng)路由搜索，路由搜索過程：源節(jié)點(diǎn)通過泛洪方式廣播路由請(qǐng)求分組給鄰居節(jié)點(diǎn)，鄰居節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求分組后，檢查自己的地址是否在路由請(qǐng)求分組中，如存在，就不轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求分組，如不存在，就把自己的地址添加到路由請(qǐng)求分組，并轉(zhuǎn)發(fā)補(bǔ)充了自己地址的的路由請(qǐng)求分組，這個(gè)過程持續(xù)到有一個(gè)路由請(qǐng)求分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)路由請(qǐng)求分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)要返回一個(gè)路由應(yīng)答分組通知節(jié)點(diǎn)己收到該路由請(qǐng)求。到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的的路由請(qǐng)求分組包含從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由，目的節(jié)點(diǎn)就可以選擇利用反向路由來發(fā)送路由應(yīng)答，從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)可能在多條路由，一個(gè)源節(jié)點(diǎn)可能從目的節(jié)點(diǎn)那收到很多個(gè)路由應(yīng)答，DSR協(xié)議把這些路由緩存在路由緩存中以備將來所用。DSR協(xié)議主機(jī)不需要周期性的發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)報(bào)文，支持主機(jī)睡眠。但是數(shù)據(jù)收發(fā)的每個(gè)報(bào)文都需要攜帶完整的路由信息，降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率，在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中也不適用。
1．3 按需平面路由協(xié)議(AODV)
AODV路由協(xié)議結(jié)合DSR的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)DSDV，在需要時(shí)才建立路由信息，允許節(jié)點(diǎn)獲得多條路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)且不要求節(jié)點(diǎn)維護(hù)這些路由信息，因此其收斂速度快、計(jì)算量小、存儲(chǔ)資源消耗小、對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬占用小。節(jié)點(diǎn)需要數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)也同DSR路由協(xié)議一樣，啟動(dòng)路由搜索過程，也采用節(jié)點(diǎn)序列號(hào)避免環(huán)路的產(chǎn)生。

2 無線網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
UC Berkeley開發(fā)的NS-2是開源的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，用戶可根據(jù)問題定義，是否需要修改源碼，編寫TCL模擬腳本和結(jié)果分析3個(gè)過程完成研究任務(wù)。筆者在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程教學(xué)中，設(shè)計(jì)了NS-2仿真環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在自己的個(gè)人電腦上完成該試驗(yàn)。
2．1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />組建物理無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境不切實(shí)際，因此在NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器環(huán)境下，設(shè)計(jì)3種典型的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議和按需路由工作原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生提出性能評(píng)價(jià)體系對(duì)比已提出的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合，從而改進(jìn)或者提出新的路由協(xié)議并進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)。
2．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)采用確定無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、編寫TCL仿真代碼和設(shè)定trace文件記錄網(wǎng)絡(luò)事件，利用Gawk和gnuplot工具對(duì)網(wǎng)絡(luò)事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)的過程進(jìn)行。
2．2．1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為了直觀觀測路由收斂和工作原理，實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，共有8個(gè)Adhoc節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的距離設(shè)置為200 m，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍設(shè)置為250 m。節(jié)點(diǎn)7向節(jié)點(diǎn)6發(fā)送恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流，同時(shí)節(jié)點(diǎn)7在仿真10 s后開始向節(jié)點(diǎn)5的正上方移動(dòng)。

2．2．2 仿真實(shí)現(xiàn)
1)編碼



2)運(yùn)行演示
編寫好仿真腳本后，啟動(dòng)xwin窗口，使用ns*．tlc命令，*為仿真文件名。運(yùn)行過程用nam動(dòng)畫演示，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播以圓圈逐步擴(kuò)散，數(shù)據(jù)分組以小黑點(diǎn)按路由傳輸，不能及時(shí)傳送的分組進(jìn)入隊(duì)列緩存，如滿則丟棄。
2．2．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
1)trace文件解讀 仿真運(yùn)行完成后，截取其中建立9條鏈路的開始一段trace文件，如下所示：

Trace文件的記錄共有21欄，其中(1)表示事件類型，共有4類事件：s分組的發(fā)送事件，r分組接收事件，d分組丟棄，f分組轉(zhuǎn)發(fā)；(2)時(shí)間發(fā)生時(shí)間；(3)處理事件的節(jié)點(diǎn)；(4)Trace名稱；(5-6)分隔符；(7)分組ID；(8)分組類型；(9)分組大?。?10-13)MAC層的信息；(14-17)分隔符；(18-21)IP層的信息。
2)路由協(xié)議性能評(píng)價(jià) 設(shè)計(jì)“優(yōu)良”的adhoc無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是目前無線組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，“優(yōu)良”需要完整的評(píng)價(jià)體系，一般采用定性分析和定量相結(jié)合的方式進(jìn)行。定性分析可以從適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)?、控制開銷、分布式操作、基于需求的操作、先應(yīng)操作、“睡眠”周期操作、路由方式和路由更新方式等方面進(jìn)行，可以得出路由協(xié)議的適應(yīng)性。定量指標(biāo)包括數(shù)據(jù)包成功接收率、端到端平均時(shí)延、路由開銷、分組數(shù)據(jù)的丟包率、第一個(gè)封包的接收時(shí)間等指標(biāo)，可以統(tǒng)計(jì)Trace文件得到。
2．2．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可直觀的觀測無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分組的傳送過程，分析trace文件，可以全面理解網(wǎng)絡(luò)行為同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率、吞吐量等各個(gè)方面理解評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能，全面理解無線網(wǎng)絡(luò)路由的工作原理，但是上面的實(shí)驗(yàn)由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，而無線adhoc網(wǎng)絡(luò)一般范圍大，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性強(qiáng)，為了仿真真實(shí)的應(yīng)用場景，可以用NS-2下的cbr工具生成多條業(yè)務(wù)流，用setdest工具生成更加真實(shí)的應(yīng)用場景進(jìn)行仿真。下面是仿真時(shí)間為100 s，暫停時(shí)間設(shè)為0 s，也就是節(jié)點(diǎn)在仿真時(shí)間內(nèi)一直移動(dòng)，設(shè)置CBR流，最大的連接數(shù)為10條，每秒發(fā)出10個(gè)封包。在500 m*500 m的范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)分別設(shè)為100、150、200、250、300、400對(duì)3種典型路由協(xié)議進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)出的平均延時(shí)。

在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較小時(shí)，平均傳輸延遲相當(dāng)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，DSDV比DSR和AODV大，說明DSDV路由表建立后，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，需要更新路由表次數(shù)更頻繁，影響包傳送的時(shí)間。

3 結(jié)束語
無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的重點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)問題，原理抽象，不易理解，難以掌握，同時(shí)面向?qū)嶋H應(yīng)用還有一些需要解決的問題，在教學(xué)過程中，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些研究性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生面對(duì)問題、分析問題進(jìn)而提出解決問題和采用方便的手段就行驗(yàn)證，從而提高教學(xué)質(zhì)量。