基于NS-2的無線網(wǎng)絡(luò)路由實驗設(shè)計

李海雁

（昆明學院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，云南 昆明 650214）

移動無線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算機網(wǎng)絡(luò)，在軍事、搶險救災(zāi)、突發(fā)事件應(yīng)對等方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)抽象復(fù)雜、難于理解，在教學過程中構(gòu)建具有相當規(guī)模的實驗網(wǎng)絡(luò)不切實際。因此，設(shè)計基于NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的實驗，讓學生在個人電腦上完成，深刻理解Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理、學會評價其性能，針對目前已提出的Adhoc路由技術(shù)的不足，探索一些創(chuàng)新性實驗設(shè)計方案，改進或者提出更優(yōu)的路由技術(shù)。

1 無線移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由

路由的任務(wù)是把數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點經(jīng)過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點送達到目的節(jié)點，是移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，影響著網(wǎng)絡(luò)延時、吞吐量等性能的優(yōu)劣。由于無線移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化、資源限制等特點，給路由技術(shù)的設(shè)計帶來了巨大的困難，在數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，中間節(jié)點主要涉及2個基本行為，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[1]、DSR[2-3]、AODV[4]等。

1.1 目的節(jié)點序列距離矢量協(xié)議（DSDV）

DSDV是基于Bellman-Ford算法表驅(qū)動的平面路由協(xié)議，每個節(jié)點都存儲維護一張路由表，記錄網(wǎng)絡(luò)的全局視圖。路由表記錄著目的節(jié)點、跳數(shù)、下一條節(jié)點和目的節(jié)點序列號標識，序列號標隱含了路由的時間信息來區(qū)分新舊（過時的）路由，同時避免環(huán)路的產(chǎn)生。路由信息的建立維護過程是每個節(jié)點周期性地與鄰節(jié)點交換路由表信息，以維持所有節(jié)點都擁有完整的路徑信息，同時，節(jié)點路由信息發(fā)生改變時也觸發(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，因此適用于實時性應(yīng)用環(huán)境中，但是網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁時，維護路由信息的代價很高，因此不適合移動性強和大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

1.2 動態(tài)源路由協(xié)議（DSR）

和先應(yīng)式表驅(qū)動路由不同，DSR是一種按需（On_demand）平面路由協(xié)議，當一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，首先檢查路由緩沖，是否存在從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路由，如果存在，就啟動該路由通往的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，其他非參與節(jié)點睡眠以節(jié)省能量等資源。如果不存在通往目的節(jié)點的路由，該節(jié)點則啟動路由搜索，路由搜素過程：源節(jié)點通過泛洪方式廣播路由請求分組給鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點收到路由請求分組后，檢查自己的地址是否在路由請求分組中，如存在，就不轉(zhuǎn)發(fā)路由請求分組，如不存在，就把自己的地址添加到路由請求分組，并轉(zhuǎn)發(fā)補充了自己地址的的路由請求分組，這個過程持續(xù)到有一個路由請求分組到達目的節(jié)點，當路由請求分組到達目的節(jié)點時，節(jié)點要返回一個路由應(yīng)答分組通知節(jié)點己收到該路由請求。到達目的節(jié)點的的路由請求分組包含從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，目的節(jié)點就可以選擇利用反向路由來發(fā)送路由應(yīng)答，從源節(jié)點到目的節(jié)點可能在多條路由，一個源節(jié)點可能從目的節(jié)點那收到很多個路由應(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)議主機不需要周期性的發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)報文，支持主機睡眠。但是數(shù)據(jù)收發(fā)的每個報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，改進DSDV，在需要時才建立路由信息，允許節(jié)點獲得多條路徑到達目的節(jié)點且不要求節(jié)點維護這些路由信息，因此其收斂速度快、計算量小、存儲資源消耗小、對網(wǎng)絡(luò)帶寬占用小。節(jié)點需要數(shù)據(jù)發(fā)送時也同DSR路由協(xié)議一樣，啟動路由搜索過程，也采用節(jié)點序列號避免環(huán)路的產(chǎn)生。

2 無線網(wǎng)絡(luò)路由實驗設(shè)計

UC Berkeley開發(fā)的NS-2[5]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個過程完成研究任務(wù)。筆者在計算機網(wǎng)絡(luò)專業(yè)課程教學中，設(shè)計了NS-2仿真環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)路由實驗，讓學生在自己的個人電腦上完成該試驗。

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

組建物理無線網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境不切實際，因此在NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真器環(huán)境下，設(shè)計3種典型的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議驗證性實驗，使學生理解表驅(qū)動路由協(xié)議和按需路由工作原理的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生提出性能評價體系對比已提出的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)缺點和適用場合，從而改進或者提出新的路由協(xié)議并進行創(chuàng)新性實驗設(shè)計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)。

2.2 實驗設(shè)計

實驗采用確定無線網(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工具對網(wǎng)絡(luò)事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出網(wǎng)絡(luò)性能評價的過程進行。

2.2.1 拓撲結(jié)構(gòu)

為了直觀觀測路由收斂和工作原理，實驗采用如圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)，共有8個Adhoc節(jié)點，節(jié)點間的距離設(shè)置為200 m，每個節(jié)點的通信范圍設(shè)置為250 m。節(jié)點7向節(jié)點6發(fā)送恒定速率（CBR）的數(shù)據(jù)流，同時節(jié)點7在仿真10 s后開始向節(jié)點5的正上方移動。

2.2.2 仿真實現(xiàn)

1）編碼

圖1 實驗設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Network structure of experimental design

2）運行演示

編寫好仿真腳本后，啟動xwin窗口，使用ns*.tlc命令，*為仿真文件名。運行過程用nam動畫演示，節(jié)點發(fā)送的廣播以圓圈逐步擴散，數(shù)據(jù)分組以小黑點按路由傳輸，不能及時傳送的分組進入隊列緩存，如滿則丟棄。

2.2.3 實驗結(jié)果分析

1）trace文件解讀 仿真運行完成后，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）時間發(fā)生時間；（3）處理事件的節(jié)點；（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)議性能評價 設(shè)計“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”需要完整的評價體系，一般采用定性分析和定量相結(jié)合的方式進行。定性分析可以從適應(yīng)動態(tài)拓撲、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行，可以得出路由協(xié)議的適應(yīng)性。定量指標包括數(shù)據(jù)包成功接收率、端到端平均時延、路由開銷、分組數(shù)據(jù)的丟包率、第一個封包的接收時間等指標，可以統(tǒng)計Trace文件得到。

2.2.4 實驗結(jié)果分析

通過本實驗，學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)行為同時從網(wǎng)絡(luò)延遲、丟包率、吞吐量等各個方面理解評價網(wǎng)絡(luò)性能，全面理解無線網(wǎng)絡(luò)路由的工作原理，但是上面的實驗由于拓撲結(jié)構(gòu)簡單，而無線adhoc網(wǎng)絡(luò)一般范圍大，節(jié)點移動性強，為了仿真真實的應(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工具生成更加真實的應(yīng)用場景進行仿真。下面是仿真時間為100 s，暫停時間設(shè)為0 s，也就是節(jié)點在仿真時間內(nèi)一直移動，設(shè)置CBR流，最大的連接數(shù)為10條，每秒發(fā)出10個封包。在500 m*500 m的范圍內(nèi)節(jié)點數(shù)分別設(shè)為 100、150、200、250、300、400 對 3 種典型路由協(xié)議進行仿真統(tǒng)計出的平均延時[6]。

圖2 三種典型協(xié)議的平均時延Fig.2 Average delay time of three typical protocol

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

3 結(jié)束語

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前計算機網(wǎng)絡(luò)教學的重點和研究的熱點問題，原理抽象，不易理解，難以掌握，同時面向?qū)嶋H應(yīng)用還有一些需要解決的問題，在教學過程中，結(jié)合教學內(nèi)容的特點，設(shè)計一些研究性實驗，使學生面對問題、分析問題進而提出解決問題和采用方便的手段就行驗證，從而提高教學質(zhì)量。

[1]Perkins C E，Bhagwat P.Highly dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector routing（DSDV）for mobile computers[C]//ACM SIGCOMM’94，London，1994:234-244.

[2]Johnson D B，Maltz D A.Dynamic source routing in ad hoc wireless networks[J].Mobile Computing，T Imielinski，H Korth，Eds，Ch 5，Kluwer，1996:153-81.

[3]Johnson D B，Maltz D A，HU Yih-chun.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks （DSR）[Z].Draft-ietf-manet-dsr-9.txt，Internet Draft，IETF MANET Working Group，2004.

[4]HONG Xiao-yan，XU Kai-xin，GerlaM.Scalable routing Protocols for mobile adhoc networks[J].IEEE Network，2002，16（4）:11-21.

[5]Kevin F.The NS Manual[EB/OL].[2009-01-02].http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html

[6]錢開國.基于NS-2的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能研究[J].微型機與應(yīng)用，2010，8（15）：51-54.QIAN Kai-guo.Research of performance for mobile Ad hoc networks routing protocol based on NS-2[J].Miccrocomuter&Its Applications，2010，8（15）:51-54.