基于NS2的无线自组网路由协议的研究与仿真本科毕业论文.docx
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基于NS2的无线自组网路由协议的研究与仿真本科毕业论文
本科毕业论文
基于NS2的无线自组网路由协议的研究与仿真
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矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
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聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
本科毕业设计(论文)作者签名:
二○一○年五月二十日
基于NS2的无线自组网路由协议的研究与仿真
李聪颖
(湖南城市学院计算机科学系2010届信息管理与信息系统专业,益阳,413000)
摘要:
无线自组网是一个多跳、临时、可自由移动的无中心网络。
它不需要现有信息基础网络设施的支持,可以在任何时候、任何地点快速构建。
其自身的特殊性决定了路由协议的特殊性和重要性,因此,需要为无线自组网设计专门的路由协议和各种算法。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
本文研究了无线自组网的体系结构和分层情况,然后分析其路由协议。
通过比较,选取常用的表驱动路由协议DSDV(Destination-SequencedDistance-Vector)和按需驱动路由协议AODV(AdhocOn-demandDistanceVectorRouting)、DSR(DynamicSourceRouting)作为研究对象,利用网络模拟器NS2进行仿真,并选取时延、丢包率、吞吐量等参数对仿真结果进行分析和性能评价。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
仿真结果表明:
当节点和数据流量不大时,DSR路由协议的综合性能最好;而DSDV路由协议适合重负荷的情况;在拓扑变化频繁时,可采用按需路由协议减少路由维护的信道资源开销,但不能满足实时业务的要求。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
关键词:
无线自组网;路由协议;仿真;NS2;性能分析
ResearchandSimulationoftheAdHocRoutingProtocolBasedonNS2鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
LICong-ying
(2010YearStudentoftheInformationManagementandInformationSystemDept.HunanCityUniversity,Yiyang,Hunan,413000,China)栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
Abstract:
AdHocisamulti-hop,temporary,freemobilenetworkwithnocenter.Itdoesn’tneedexistedinfrastructuretosupportanditisconstructedrapidlyatanytimeandanyplace.TheparticularityofAdHocdeterminesthespecificityandimportanceofRoutingProtocol.SoweshoulddesignprofessionalroutingprotocolsandalgorithmsforAdHoc.辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
ThisarticleresearchesthearchitectureandstratificationofAdHoc,andthenanalyzestheroutingprotocol.Bycomparison,selectthecommonlyusedtable-drivenroutingprotocolDSDVandon-demanddrivenroutingprotocolAODVandDSRforthestudy,usethenetworksimulatorNS2tosimulate.Thedelay,lossrateandthroughputareselectedasparameterstoanalyzetheroutingprotocolsandweevaluatetheirperformance.峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
Theresultsshowthatwhennodesanddatatrafiicsarenotlarge,theoverallperformanceofDSRisthebest;andDSDVissuitableforthecasewithheavyload.Whenthetopologychangesfrequently,wecanreduceresourcescostforroutemaintenancewithon-demandroutingprotocolwhichcannotcontenttherequirementsofreal-timebusinesses.詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
Keywords:
AdHoc;routingprotocol;simulate;NS2;performanceanalysis则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
1绪论
1.1课题研究的背景
随着信息技术的不断发展,人们对移动通信的需求越来越强。
近年来,移动通信技术得到了飞速发展和普及。
蜂窝移动通信系统、无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork,WLAN)、蓝牙技术(Bluetooth)、家庭无线网(HomeRF)等移动通信新技术也纷纷涌现。
这些技术的出现,极大地方便了人们的生活,同时也推动了无线通信技术的发展。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
无线自组网(AdHoc)作为移动计算机网络的一种特殊形式,不依赖于固定网络设施,网络组织灵活,节点不会因为移动到基站发射距离之外而要越区切换,加上其具有生存性极强、创建与移动极为方便的特点,弥补了蜂窝系统与有线网络的不足,在许多特殊情况下有着不可替代的作用,广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境[1]。
其应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合。
随着无线自组网络研究的发展和相关产品的成熟,无线自组网必将越来越受到人们的重视,应用领域也越来越广泛,因而具有广泛的研究价值与发展前景,给民用产品的开发也带来了巨大的经济和社会效益。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
无线自组网的路由协议作为影响网络性能的一个重要因素,是确保无线自组网正确运行的关键。
对该领域进行深入而广泛的研究将为无线自组网的应用提供重要科学依据。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
1.2国内外研究现状
由于无线自组网络的特殊性,传统固定网络和移动通信网中使用的各种路由协议(如RIP、OSPF等)无法直接被使用,因此,需要为无线自组网设计专门的路由协议和算法,还要对无线自组网的应用、组网、管理等进行专门的研究。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
许多国家的无线通信技术研究人员在这方面展开了大量的研究工作。
目前已有很多研究机构加入到了无线自组网技术的研究中,如美国加州大学克鲁兹分校JJ.Garcia-Luna_aceves教授领导的“计算机通信研究小组”;美国国家标准和技术研究所“无线通信技术小组”;IETF也专门成立了MANET工作组,负责无线自组网的路由协议标准化工作[1-2]。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
自20世纪90年代以来,国内的一些大学和研究所也开始关注无线自组网技术,并对它进行了一些研究,如解放军理工大学、清华大学等。
国家将无线自组网技术明确地列入在2006年制定的《国家中长期科学的技术发展规划纲要》中。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
1.3本课题研的研究内容和方法
作为一种特殊无线移动网络,路由协议是其重要的组成部分,也是研究的热点问题。
本课题主要是对无线自组网单播路由协议进行深入的研究与学习,然后利用NS2构建模拟平台,在此平台下实现以下几种典型的路由协议DSDV、DSR和AODV的仿真。
目前对各路由协议基于UDP连接的仿真比较成熟,而基于TCP连接的仿真相对较少,因此本课题的路由仿真的数据流为tcp流,然后根据仿真的结果分析和比较各协议在随节点不断增加和节点移动速度不断增加两种情况下的性能。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
具体研究过程可分为以下几个部分:
(1)了解无线自组网,包括其产生、发展以及其特点和应用领域。
(2)对无线自组网路由协议特别是几种典型的路由协议进行学习和研究。
(3)认识和熟悉NS2网络模拟器,熟悉Tcl/OTcl编程语言。
(4)在已构建的仿真平台上实现路由协议DSDV、DSR、AODV基于TCP连接的仿真。
(5)根据仿真结果对这三种协议在随节点增加和移动速率增加的情况下的性能进行分析和评价。
2无线自组网
2.1无线自组网的产生和发展
“AdHoc”一词来源于拉丁语,意思是“专用的、特定的”。
无线自组网通常也可称为“无固定设施网”或“自组织网”。
由于组网快速、灵活、使用方便,目前无线自组网已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注,其应用也越来越广泛,已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向,将在未来的通信技术中占据重要地位。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
无线自组网的前身是分组无线网(PacketRadioNetwork,PRNET),对分组无线网的研究源于军事通信的需要。
早在1972年,美国的DARPA就启动了分组无线网项目PRNET,研究战场环境下利用分组无线网进行数据通信。
在此之后,DARPA于1983年启动了高残存性自适应网(SurvivableAdaptiveNetwork,SURAN)项目,研究如何将PRNET的研究成果加以扩展,以支持更大规模的网络,1994年,DARPA又启动了全球移动信息系统(GlobalMobileInformationSystems,GloMo)项目,旨在对能够满足军事应用需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。
1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“AdHoc”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动网络,无线自组网就此诞生。
IETF专门成立了(MobileAdHocNetwork,MANET)小组来研究无线自组网的相关问题[2]。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
2.2无线自组网的特征
无线自组网由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成,网络中每个终端可以自由移动且地位相等,是一个多跳、临时、无中心网络,因此它具有以下主要特征:
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
(1)自组织:
即网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施。
节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
(2)动态拓扑:
即网络中的节点可以任意移动,并且可以随时关闭电台。
发送装置的天线类型多种多样,发送功率的变化,无线信道间的相互干扰,地形和天气等综合因素的影响,造成网络的拓扑结构变化难测。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
(3)多跳路由:
由于节点发射功率的限制,节点的覆盖范围是有限的。
当要与其覆盖范围之外的节点进行通信时,需要中间节点的转发,即要经过多跳才能到达目的节点。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
(4)无中心且所有节点地位平等:
节点可以随时加入或离开网络,任意节点故障不会影响整个网络运行,是一个无中心结构的对等式网络,抗毁性强。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
(5)灵活性好:
无线自组网中的工作站可以随时加入或离开,这对于一些根据需求而需要随时组建网络的应用非常适合。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
2.3无线自组网应用领域
由于无线自组网的特殊性,它适合用于无法或不便预先铺设网络设施的场合,以及其他需要快速自动组网的场合等。
目前为止,其主要的应用领域有:
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
(1)军事应用:
军事应用是无线自组网技术的主要应用领域。
因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点,无线自组网是数字化战场通信的首选技术。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
(2)无线传感器网络:
传感器网络是无线自组网技术应用的另一大领域。
采用传感器网络能够跟踪从天气到企业商品库存等各种动态事物,极大的扩充互联网的功能。
对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术,并且传感器的发射功率很小。
分散的传感器通过无线自组网技术组成一个网络,可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
(3)个人通信:
个人局域网(PersonalAreaNetwork,PAN)是无线自组网技术的又一应用领域,用于实现PDA、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信,并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等(MobilePeer-To-Peer)应用。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
(4)移动会议:
在室外临时环境中,工作团体的所有成员可以通过无线自组网方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务,或协同完成某个计算任务。
在室内办公环境中,办公人员携带的包含无线自组网收藏器的PDA可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件,更新工作日程表等。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
(5)其他应用:
可应用于紧急和突发场合,如在发生了地震、水灾、火灾或遭受其它灾难后,固定的通信网络设施无法正常工作的情况下组建无线自组网。
还可与蜂窝移动通信系统等现有移动通信系统相结合,利用移动的多跳转发能力来扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围等。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
2.4无线自组网体系结构
参照OSI/RM,无线自组网体系结构如图2.1所示[3]。
图2.1无线自组网体系结构
下面介绍各层的基本情况:
(1)物理层:
物理层包括射频(RF)电路、调制和信道编码系统。
IEEE802.11b/a/g、蓝牙(Bluetooth)和超宽带(LJwB:
ultr-awideband)等规范都是具体的物理层协议。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
(2)数据链路层:
:
数据链路层负责在不可靠的无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路。
其分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒介访问子层(MAC)。
以IEEE802.11为例,其LLC子层负责无线链路差错控制、流量控制、将网络层的分组组帧以及重传等,而MAC子层负责节点对无线媒介访问的控制和帧的加解密操作等。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
(3)网络层:
网络层负责分组的路由,建立网络服务类型以及在传输与链路层之间传输分组。
考虑到无线自网的动态性,网络层需要负责分组的重新路由和移动管理等。
无线自组网在网络层的一个重要问题是路由协议。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
(4)传输层:
传输层负责提供端到端的可靠数据传输服务。
然而,由于无线链路的不稳定,传统的有线网传输层协议,在无线环境下性能下降明显,所以必须改进。
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
(5)应用层:
无线自组网的应用层指定的是各种各样类型的业务。
在实际实施的时候,可以采用各种各样的应用层协议和标准,比如WAP(无线应用协议)协议等。
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
3网络模拟器NS2
3.1NS2简介
NS2(NetworkSimulatorVersion2)是一款开放源代码的网络模拟软件,最初由加州大学伯克分校(UCBerkeley)开发。
它最初的开发目的是为了研究大规模网络以及当前和未来网络协议的交互行为。
它为模拟研究有线和无线网络上的TCP/IP、路由和多播等协议提供了强有力的支持。
NS2是一个开放源代码软件,任何人可以获得、使用和修改其源代码。
正因为如此,世界各地的研究人员每天都在扩展和更新它的功能,为其添加了新的协议和功能。
它也是目前网络研究领域应用最广泛的网络模拟软件之一。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
NS2来源于1989年的RealNetWorkSimulator项目,经过多年的发展,于1995年得到Xerox公司的支持,加入VINT项目。
NS2一直以来都在吸收全世界各地研究者的成果[4]。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
NS2是一款面向对象的、离散事件驱动的网络模拟器,可以完整地模拟整个网络环境。
NS2使用一整套C++类库实现了绝大多数常见的网络协议以及链路层的模型,利用这些类的实例就可以搭建起整个网络的模型。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
NS2使用了被称为分裂对象模型的开发机制。
采用C++和OTcl两种开发语言进行开发。
它们之间采用TclCL进行自动连接和映射。
考虑效果和操作便利等因素,NS将数据通道和控制通道的实现相分离。
为了减少分组和事件的处理时间,事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象都使用C++编写,这些对象通过TclCL映射对OTcl解释器可见。
NS2可以说是OTcl的脚本解释器,它包含模拟事件高度器、网络组件对象库等。
事件调度器控制模拟进程,在适当时间激活事件队列中的当前事件,并执行该事件。
网络组件模拟网络设备或节点的通信,它们通过制定模拟场景和模拟进程,交换特定的分组来模拟真实网络情况,并将执行情况记录到日志文件中,供用户分析解读,获取模拟结果。
NS2采用这种分裂模型既提高了模拟效率,加快了模拟速度,又增强了模拟配置的灵活性和操作的简便性。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
NS2是在UNIX系统上开发的,因此可以在UNIX和类UNIX系统上安装。
另外,NS2也可以在Windows平台上运行。
表3.1和表3.2是不同平台对NS的支持情况。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
表3.2不同平台对NS2的支持情况
Tcl-TK
OTcl
TclCL
Ns
Nam
xgraph
cweb
sgb
Gt-itmandsgb2ns
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。
表3.1综合比较Windows和Linux对NS2的支持情况
平台特点
安装过程
模块支持
使用过程
Pc+Windows
优点:
界面友好,人性化设计,网络及硬件支持良好,应用程序丰富。
缺点:
代码冗繁,系统稳定性及自身修复能力差。
未安装Cygwin时只可用fromallthepieces方式安装,较为复杂。
安装Cygwin后可用allinone方式安装较为简单。
支持NS2的必选软件模块,但对可选模块的支持性差。
容易引发较多问题,相关帮助文档及可咨询信息较少,解决问题难度较大。
Pc+Linux
优点:
源代码开放,界面友好,网络功能丰富,较稳定。
缺点:
应用软件及硬件驱动程序缺乏。
可选用fromallthepieces或allinone方式安装,较为简单。
对NS2的必选模块和可选模块支持性良好。
由于Linux完全开放源代码的特性,可根据需要任意修改源代码。
相关帮助文档及论坛较多,可获得的帮助较多,使问题解决较为容易。
3.2NS2组成部分
(1)离散事件调度器(Scheduler):
调度器是仿真器的心脏,它记录当前时间,调度网络事件链表中的事件。
它有一个静态成员变量instance,供所有的类访问同一个调度器,提供函数产生新事件,指定事件发生的时间。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
目前NS2支持四种事件调度器,分别为链表式(linked-list)、堆式(heap)、时间队列式(calendar)和实时(real-time)调度器,其中时间队列式为默认的事件调度器。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
(2)事件处理器(Handler):
Handle是所有处理事件类的基类,它只是一个虚拟函数,每个继承类实现自己的功能。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
(3)节点(Node):
节点是对实际网络中分布在不同地理位置的主机、交换机、路由器等网络设备的统一抽象,是构成网络拓扑结构的一个重要组成部分。
鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。
(4)链路(Link):
链路用来连接节点和路由器。
一个节点可以有一条或多条输出链路(如路由器),所有的链路都以队列的形式来管理分组到达、离开或丢弃,统计并保存字节数和分组数。
另外还有一个独立的对象来记录队列日志。
惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。
(5)代理(Agent):
代理是实际产生和消费分组的对象,它们属于传输层实体,运行在端主机,节点的每一个代理自动被赋与一个唯一的端口号(模拟udp/tcp端口),代理知道与它相连的节点,以便把分组转发给节点,它也知道分组大小,业务类型,目的地址。
Agent类是各种UDP/TCP实现类的基类,代理被保存在一个称为demux的链表中。
贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。
(6)NS对象(NsObject):
NsObject是所有网络实体的基类,包括节点、链路、代理,业务记录(Trace)和数据源等。
节点、链路、代理同时继承了NsObject和事件处理器类,因为这三种对象要处理多种事件,其他对象则不需要。
嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。
(7)匹配器类(Matcher):
匹配器类用来标识有实例对象生成的类,用户给出标识匹配器类的关键字,匹配器类返回相应的新建对象。
匹配器类被定义成静态的,只允许一个实例对象[5]。
薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。
3.3NS2模拟基本流程
开始
结束
调试
重新编译NS
编译通过?
分析问题
结果满意?
修改源码?
修改源码
问题定义
是
否
否
是
编写Tcl脚本
执行模拟
否
分析结果
是
图3.1NS2进行网络模拟的基本流程
使用NS2进行网络模拟的基本操作流程如图3.1所示。
整个模拟过程主要有三个部分:
一为修改源码,二为编写Tcl模拟脚本,三为分析结果。
齡践砚语蜗铸转絹攤濼。
(1)源码修改:
这一步只有在模拟需要修改源代码时才进行考虑。
(2)Tcl/OTcl模拟代码编写:
这是NS2模拟中最重要和必不可少的环节,大部分NS2的模拟工作实际就是编写Tcl脚本代码来描述网络结构、网络构件属性和控制调度网络模拟事件的启停过程。
绅薮疮颧訝标販繯轅赛。
(3)模拟结果分析:
结果分析是真正体现模拟工作成效的重要一环,模拟结果分析主要是对trace文件进行分析。
饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。
4无线自组网路由协议
在无线自组网中,节点的移动导致网络拓扑结构的不断变化。
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