無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的教學(xué)探索

姜恩華

(淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北 235000)

“無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”課程是計(jì)算機(jī)應(yīng)用、通信工程和網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)課程，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是該課程的重要內(nèi)容。涉及的路由協(xié)議主要包括:目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)距離矢量路由協(xié)議(DSDV)、按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)和源動(dòng)態(tài)路由協(xié)議(DSR)等［1］。

為了讓學(xué)生正確掌握無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中的概念，我們把NS2和NSG2軟件引入到無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的教學(xué)中，在Windows XP環(huán)境下，搭建了輔助無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議教學(xué)的平臺(tái)。本文詳細(xì)論述了借助此平臺(tái)如何進(jìn)行輔助教學(xué)，以NAM動(dòng)畫(huà)演示了路由協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，并分析了路由協(xié)議的效果。此舉有利于學(xué)生掌握和理解無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概念。

1 基于NS2的輔助教學(xué)平臺(tái)及仿真

1.1 基于NS2的輔助教學(xué)平臺(tái)

NS2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件由美國(guó)DARPA支持的項(xiàng)目VINT開(kāi)發(fā)，由事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)組件和TCLCL機(jī)制等部分組成，在OTCL類(lèi)中提供C++對(duì)象面向用戶的配置接口，通過(guò)TCL程序建立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行場(chǎng)景和參數(shù)配置，通過(guò)NS2仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析。

目前由于多媒體教室中的計(jì)算機(jī)主要采用Windows XP操作系統(tǒng)，但是 NS2不能在Windows XP環(huán)境下直接安裝，需要在Windows XP環(huán)境下安裝Cygwin軟件，模擬一個(gè)UNIX環(huán)境。然后安裝NS2-Allinone-2.29 軟件［2］，該軟件實(shí)現(xiàn)了 DSDV、DSR和AODV等無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議［3］。

NSG2軟件支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，支持TCP、UDP和NULL代理，支持CBR和FTP應(yīng)用，支持無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV，支持802.11參數(shù)設(shè)置，采用NSG2網(wǎng)絡(luò)腳本生成器可以生成DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真的TCL腳本文件。但由于NSG2是在JDK環(huán)境下使用，所以需要在Windows XP平臺(tái)下安裝jdk-7-windows-i586.exe軟件以建立JDK環(huán)境。

通過(guò)NS2對(duì)DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真，生成nam文件和trace文件，nam文件供nam.exe播放器調(diào)用，以NAM動(dòng)畫(huà)演示路由協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，編寫(xiě)AWK程序?qū)race文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。文件主要統(tǒng)計(jì)發(fā)送和接收的封包個(gè)數(shù)，端到端的延時(shí)，第一個(gè)封包的接收時(shí)間等數(shù)據(jù)，借助該數(shù)據(jù)分析DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果。

1.2 基于NS2輔助教學(xué)的仿真過(guò)程

首先采用NSG2軟件生成DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真的TCL腳本文件，啟動(dòng)NSG2軟件，點(diǎn)擊 scenario建立 wireless scenario文件。在 Node mode下，設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)，對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要設(shè)置移動(dòng)開(kāi)始時(shí)間、停止位置和移動(dòng)速度;在Agent mode下，設(shè)置代理，可以選擇代理類(lèi)型和封包大小，要在UDP代理和NULL代理之間建立一條聯(lián)機(jī);在Application mode下，設(shè)置FTP和CBR，需要設(shè)置起始時(shí)間、停止時(shí)間、包大小和速率等;在Parameters模式下，設(shè)置模擬參數(shù)，需要設(shè)置仿真時(shí)間、Trace File和 Nam File文件名，進(jìn)入 Wireless頁(yè)面選擇路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV，進(jìn)入Channel頁(yè)面參數(shù)使用NSG2的默認(rèn)值;最后點(diǎn)擊TCL按鈕，產(chǎn)生TCL腳本文件，并保存TCL腳本文件，供NS2仿真使用。

其次啟動(dòng) Cygwin bash shell，并輸入 startxwin.bat進(jìn)入X窗口，運(yùn)行NS2對(duì)DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真，產(chǎn)生trace文件和nam文件。

最后在X窗口下通過(guò)nam.exe對(duì)nam文件進(jìn)行播放演示路由協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)AWK程序統(tǒng)計(jì)trace文件中記錄的發(fā)送和接收的封包個(gè)數(shù)、端到端的延時(shí)和第一個(gè)包的接收時(shí)間等數(shù)據(jù)，分析DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果［4］。

2 基于NS2的路由協(xié)議輔助教學(xué)

2.1 路由協(xié)議仿真的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

我們根據(jù)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的概念和運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計(jì)路由協(xié)議運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，對(duì)路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV進(jìn)行仿真，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。此結(jié)構(gòu)由4個(gè)節(jié)點(diǎn)(n0、n1、n2、和n3)組成，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)會(huì)影響到電磁波的傳輸范圍、信號(hào)強(qiáng)度和路由協(xié)議。各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)如下:節(jié)點(diǎn)n0處于坐標(biāo)(583，484)，節(jié)點(diǎn) n1 處于坐標(biāo)(783，484)，節(jié)點(diǎn) n2處于坐標(biāo)(468，417)，節(jié)點(diǎn) n3 處于坐標(biāo)(868，559)。節(jié)點(diǎn)n2作為數(shù)據(jù)源發(fā)送端，在節(jié)點(diǎn)n2上綁定一個(gè)udp0代理，在udp0代理上綁定一個(gè)流量發(fā)生器cbr0。流量發(fā)生器cbr0速率設(shè)置為0.5MB，節(jié)點(diǎn)n3作為接收端，在節(jié)點(diǎn)n3上綁定一個(gè)null1代理，仿真時(shí)間為100秒。節(jié)點(diǎn)n0、n1和n3處于靜止?fàn)顟B(tài)。節(jié)點(diǎn)n2可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可以處于移動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)n2處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，采取從第1秒開(kāi)始以每秒10米速度從坐標(biāo)(468，417)向右平移，到50秒時(shí)開(kāi)始以每秒10米速度向左平移返回坐標(biāo)(468，417)。

圖1 路由協(xié)議仿真的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 基于NS2的路由協(xié)議仿真

對(duì)DSR路由協(xié)議仿真時(shí)，interface queue type采用CMUPriQueue。對(duì)AODV和DSDV路由協(xié)議仿真時(shí)，interface queue type可用Queue/DropTail/PriQueue。

1)AODV和DSR路由協(xié)議仿真

AODV是采用基于距離矢量算法的一種路由協(xié)議，DSR是基于源路由方式的按需路由協(xié)議，AODV和DSR由路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩個(gè)協(xié)議過(guò)程組成。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果不知道到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的路由，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程廣播一個(gè)路由請(qǐng)求消息給鄰節(jié)點(diǎn)并等待路由應(yīng)答消息，應(yīng)答消息以單播形式發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到鄰節(jié)點(diǎn)路由失效時(shí)，路由維護(hù)過(guò)程啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程重新找到一條路由繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)［5］。

以AODV路由協(xié)議仿真為例，按照?qǐng)D1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)n2處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程找到的從源節(jié)點(diǎn)n2到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)n3的路由如圖2所示;當(dāng)源節(jié)點(diǎn)n2移動(dòng)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)n2開(kāi)始向右平移時(shí)，路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程找到的從源節(jié)點(diǎn)n2到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)n3的路由。此路由與圖2所示的路由相同。當(dāng)節(jié)點(diǎn)n2平移一定距離后，原來(lái)路由失效，路由維護(hù)過(guò)程啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程重新找到從源節(jié)點(diǎn)n2到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)n3的路由如圖3所示。

圖2開(kāi)始找到的從n2到n3

圖3重新找到的從n2到達(dá)n3

2)DSDV路由協(xié)議仿真

DSDV路由協(xié)議是基于Bellman-ford算法的主動(dòng)路由協(xié)議。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)或多個(gè)路由表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期向網(wǎng)絡(luò)廣播拓?fù)湫畔?，維護(hù)一致的最新的網(wǎng)絡(luò)視圖。對(duì)DSDV協(xié)議的仿真，按照?qǐng)D1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)n2處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)出廣播信息，更新路由表，在36秒時(shí)找到從源節(jié)點(diǎn)n2到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)n3的路由，此路由與圖2所示的路由相同;當(dāng)節(jié)點(diǎn)n2向右平移時(shí)，在24秒時(shí)能找到節(jié)點(diǎn)n2到節(jié)點(diǎn)n3的路由，此路由與圖3所示的路由相同。

對(duì)DSDV協(xié)議的仿真也可以采用有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)組成的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)基站節(jié)點(diǎn)與自組織網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)DSDV協(xié)議的仿真。

2.3DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議效果分析

采用圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)AWK程序?qū)race文件中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這里主要統(tǒng)計(jì)第一個(gè)數(shù)據(jù)包收到時(shí)間、端到端延時(shí)、發(fā)送包數(shù)、接收包數(shù)和包傳輸率等。當(dāng)節(jié)點(diǎn)n2移動(dòng)時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)如表1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)n2靜止時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 節(jié)點(diǎn)n2移動(dòng)時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)

表2 節(jié)點(diǎn)n2靜止時(shí)統(tǒng)計(jì)到的數(shù)據(jù)

表1和表2可以看出，若節(jié)點(diǎn)n2移動(dòng)時(shí)，AODV和DSR路由協(xié)議收到第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)間比DSDV路由協(xié)議短的多;若節(jié)點(diǎn)n2靜止時(shí)，DSDV路由協(xié)議端到端延時(shí)最短。所以AODV和DSR路由協(xié)議適合用于節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，DSDV路由協(xié)議適合用于節(jié)點(diǎn)靜止的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在NS2和NSG2軟件的基礎(chǔ)上，搭建了輔助無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議教學(xué)的軟件平臺(tái)，研究了DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議。通過(guò)NSG2生成DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真的TCL腳本文件，通過(guò)NS2軟件仿真生成nam文件和trace文件，通過(guò)NAM動(dòng)畫(huà)演示路由協(xié)議的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程，通過(guò)AWK程序?qū)race文件中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文分析了DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果，達(dá)到利用NS2和NSG2輔助無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議教學(xué)的目的，收到了良好的教學(xué)效果。

［1］汪濤.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009

［2］ns-allinone-2.29［EB/OL］.http://sourceforge.net/projects/nsnam/files/allinone/，2006

［3］The ns Manual［EB/OL］.http://www.isi.edu/nsnam/ns/nsdocumentation.html，2010

［4］柯志享，程榮祥，鄧德雋.ns2仿真試驗(yàn)--多媒體和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信EB/OL［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009

［5］安輝耀，王新安，李揮等.移動(dòng)自組網(wǎng)中的先進(jìn)路由算法與路由協(xié)議［M］.北京:科學(xué)出版社，2009