移動Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真實驗設計

姜恩華， 竇德召(淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

借助NS2和NSG2軟件完成移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV[1]的仿真實驗設計，仿真實驗操作過程簡單、直觀和方便，不但能夠降低實驗成本，幫助學生掌握和理解移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的原理和概念，而且能夠培養(yǎng)學生從事無線網(wǎng)絡路由協(xié)議研究的興趣。

1 仿真實驗平臺的組成及仿真實驗過程

1．1 NS2網(wǎng)絡仿真軟件

NS2網(wǎng)絡仿真軟件主要由事件調度器、網(wǎng)絡組件和TCLCL機制等部分組成，可以在windows xp環(huán)境下通過安裝Cygwin軟件，模擬一個unix環(huán)境，借助這個unix環(huán)境安裝NS2-allinone-2.29軟件[2]，NS2-2.29仿真軟件實現(xiàn)了DSDV、DSR和AODV等移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議[3]。

1．2 NSG2網(wǎng)絡腳本生成器

NSG2是采用JAVA開發(fā)的一個圖形化的網(wǎng)絡腳本生成器，能夠根據(jù)建立的網(wǎng)絡拓撲結構，生成TCL腳本文件，運行NSG2需要在windows xp環(huán)境下安裝jdk-7-windows-i586.exe軟件建立JDK環(huán)境，NSG2支持TCP、UDP和NULL代理，支持CBR和FTP應用，支持移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV，采用NSG2網(wǎng)絡腳本生成器可以搭建DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議仿真實驗的網(wǎng)絡場景并生成TCL腳本文件，供NS2仿真使用。

1．3 仿真實驗過程

通過NS2仿真實驗，生成nam文件和trace文件，nam文件供nam.exe調用，以NAM動畫演示路由協(xié)議的運行過程， 編寫AWK程序對trace文件中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，本仿真實驗主要統(tǒng)計發(fā)送和接收的封包個數(shù)、端到端的延時和第一個包的接收時間等數(shù)據(jù)，借助這些數(shù)據(jù)分析DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果[4]。采用NS2和NSG2進行移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真實驗過程步驟如下：

1)采用NSG2搭建路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的網(wǎng)絡仿真場景并生成TCL文件。

2)通過TCL文件進行NS2仿真實驗，生成nam文件和trace文件。

3)通過NAM動畫觀察實驗現(xiàn)象和通過實驗數(shù)據(jù)分析路由協(xié)議效果。

4)如果實驗現(xiàn)象不明顯，可以修改網(wǎng)絡仿真場景，即重復1)～3)步驟。

2 移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真實驗設計

2．1 仿真實驗設計目的

在NSG2軟件下配置移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV仿真實驗的網(wǎng)絡場景并生成TCL腳本文件；在NS2環(huán)境對TCL腳本文件仿真并以NAM動畫演示路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的動態(tài)運行過程；分析路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的效果；幫助學生掌握和理解移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的概念和原理。

2．2 仿真實驗的網(wǎng)絡拓撲結構設計

根據(jù)移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的原理和概念設計路由協(xié)議仿真實驗的網(wǎng)絡拓撲結構[5]，此網(wǎng)絡結構一方面要能完全演示路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV動態(tài)運行過程，另一方面網(wǎng)絡結構不能太復雜以節(jié)約仿真實驗時間，根據(jù)DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的原理與要求，充分考慮到仿真實驗過程可能出現(xiàn)的問題，采用如圖1所示的網(wǎng)絡拓撲結構，各節(jié)點位置坐標如下：源節(jié)點n3處于坐標(400，464)，目的節(jié)點n4處于坐標(753，604)，節(jié)點n0處于坐標(441，543)，節(jié)點n1處于坐標(542，545)，節(jié)點n2處于坐標(788，549)，源節(jié)點n3連接udp1代理，udp1代理連接流量發(fā)生器cbr1，目的節(jié)點n4連接null1代理，假設源節(jié)點n3以每秒10米的速度向右平移，節(jié)點n0、n1、n2和n4都處于靜止狀態(tài)，仿真實驗時間為40s.

圖1 移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真實驗的網(wǎng)絡場景

2．3 仿真實驗的內容及操作步驟

仿真實驗的內容主要包括：熟悉DSDV路由協(xié)議維護和更新路由表的過程，熟悉AODV和DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程；通過NAM動畫觀察節(jié)點n3移動時，節(jié)點n3到節(jié)點n4的路由的變化；通過統(tǒng)計trace 文件中的數(shù)據(jù)，分析路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的效果。

仿真實驗操作步驟主要包括：

1)按照圖1所示網(wǎng)絡拓撲結構在NSG2軟件的節(jié)點Node模式下建立網(wǎng)絡仿真場景，節(jié)點n3設置為移動節(jié)點，以每秒10米的速度向右平移，節(jié)點n0、n1、n2和n4為靜止節(jié)點。

2)在代理Agent 模式下對節(jié)點3添加udp1代理，對節(jié)點4添加null1代理，連接udp1和null1.

3)在應用Application下對代理udp1添加流量發(fā)生器cbr1，設置起止時間、數(shù)據(jù)包速率等。

4)在參數(shù)Parameters模式下，在仿真Simulation屬性頁設置仿真時間、trace 文件名和nam 文件名，在無線Wireless屬性頁選擇路由協(xié)議DSDV、DSR或AODV并保存。

5)在TCL模式下，生成的TCL腳本文件并保存。

6)在Cygwin的繪圖窗口下，進行NS2仿真，生成trace file和nam file.

7)通過NAM動畫觀察實驗現(xiàn)象和通過實驗數(shù)據(jù)分析路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的效果。

3 仿真實驗操作過程及實驗現(xiàn)象觀察

按照圖1所示的網(wǎng)絡拓撲結構在NSG2軟件環(huán)境下建立網(wǎng)絡仿真場景，由于在參數(shù)Parameters模式下的無線Wireless屬性頁可以選擇路由協(xié)議DSDV或DSR或AODV，需要對每一個路由協(xié)議生成一個TCL腳本文件，通過NS2執(zhí)行TCL腳本文件得到trace 文件和nam 文件，通過NAM.exe執(zhí)行nam 文件演示DSDV、DSR和AODV的動態(tài)運行過程，仿真實驗操作過程如下。

3．1 DSDV路由協(xié)議仿真實驗操作過程及實驗現(xiàn)象觀察

對DSDV路由協(xié)議仿真實驗，按照實驗步驟利用NSG2軟件生成DSDV路由協(xié)議仿真的TCL腳本文件，通過NS2執(zhí)行TCL腳本文件生成trace 文件和nam 文件，通過NAM動畫演示DSDV路由協(xié)議的動態(tài)運行過程，主要觀察網(wǎng)絡中各個節(jié)點發(fā)出廣播包，隨著節(jié)點n3移動，節(jié)點n3到達節(jié)點n4的路由是否發(fā)生變化？通過NAM動畫演示可以觀察到仿真開始時網(wǎng)絡各節(jié)點發(fā)送廣播包，隨著路由表的更新，找到節(jié)點n3到達節(jié)點n4的路由如圖2所示，當節(jié)點n3繼續(xù)移動時，隨著路由表的更新，找到節(jié)點n3到達節(jié)點n4的路由如圖3所示。

圖2 開始找到從n3到達n4的路由 圖3 重新找到從n3到達n4的路由

通過觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)DSDV路由協(xié)議在源節(jié)點n3移動24秒時，才找到從n3經(jīng)過n2到達n4路由，隨著路由表的更新，節(jié)點n3到達節(jié)點n4路由會發(fā)生變化。

3．2 DSR或AODV路由協(xié)議仿真實驗操作過程及實驗現(xiàn)象觀察

對DSR或AODV路由協(xié)議仿真實驗，觀察路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程，以DSR路由協(xié)議仿真實驗為例，按照實驗步驟利用NSG2軟件生成DSR路由協(xié)議仿真的TCL腳本文件，通過NS2執(zhí)行TCL腳本文件得到trace file和nam file，通過NAM動畫動態(tài)演示DSR路由協(xié)議的運行過程，主要觀察路由發(fā)現(xiàn)和路由維護過程，隨著節(jié)點n3移動，節(jié)點n3到達節(jié)點n4的路由是否發(fā)生變化？通過NAM動畫演示可以觀察到仿真開始時通過路由發(fā)現(xiàn)過程找到節(jié)點n3經(jīng)過n1到達n4的路由如圖4所示，當節(jié)點n3移動到節(jié)點n1的右下方時，節(jié)點n3和n4不能再經(jīng)過n1傳送數(shù)據(jù)，路由中斷，這時路由維護過程啟動路由發(fā)現(xiàn)過程，重新尋找新的路由，重新找到節(jié)點n3到達n4的路由如圖5所示，AODV路由協(xié)議的仿真實驗觀察到的現(xiàn)象和DSR路由協(xié)議類似。

圖4 開始找到從n3到達n4的路由 圖5 重新找到從n3到達n4的路由

通過觀察實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)DSR和AODV路由協(xié)議在源節(jié)點n3移動開始時，就能通過路由發(fā)現(xiàn)過程找到合適的路由，如果此路由被斷開，路由維護過程能夠啟動路由發(fā)現(xiàn)過程重新找到新的路由。

4 DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議效果分析

4．1 仿真實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過編寫AWK程序對trace文件中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，trace文件主要記錄發(fā)送、接收、丟棄和轉發(fā)的數(shù)據(jù)包的信息[6]，本實驗主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)包送達的比率，端到端的延時和第一個包的接收時間,借助仿真實驗數(shù)據(jù)分析DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果。

流量發(fā)生器cbr1速率設置為1MB、2MB和3MB，DSR路由協(xié)議仿真實驗時，interface queue type采用CMUPriQueue，DSDV和AODV路由協(xié)議仿真實驗時，interface queue type采用Queue/DropTail/PriQueue，統(tǒng)計到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4．2 仿真實驗數(shù)據(jù)分析

從仿真實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，當cbr1速率增大時，每個路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包送達的比率減少，端到端的平均延時增加，第一個數(shù)據(jù)包的接收時間不變；當cbr1速率恒定時，使用DSDV路由協(xié)議收到第一個包的接收時間較長，數(shù)據(jù)包送達的比率較低，使用DSR和AODV路由協(xié)議收到第一個包的接收時間較短，數(shù)據(jù)包送達的比率較高?？梢奃SDV路由協(xié)議不適合網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化的網(wǎng)絡場景，DSR和AODV路由協(xié)議適合網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化的網(wǎng)絡場景。

5 結 論

借助NS2和NSG2軟件完成了移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議DSDV、DSR和AODV的仿真實驗設計。通過NSG2軟件產生供NS2仿真使用的TCL腳本文件。通過NAM動畫觀察實驗現(xiàn)象，通過trace 文件統(tǒng)計的實驗數(shù)據(jù)包括：數(shù)據(jù)包送達的比率、端到端的平均延時和第一個包的接收時間，借助實驗數(shù)據(jù)分析DSDV、DSR和AODV路由協(xié)議的效果。通過仿真實驗，幫助學生掌握和理解移動Ad hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的原理和概念，培養(yǎng)學生從事無線網(wǎng)絡路由協(xié)議研究的興趣。

[1]汪 濤.無線網(wǎng)絡技術導論[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]ns-allinone-2.29[EB/OL]. http://sourceforge.net/projects/nsnam/files/allinone/,2006—11—20.

[3]The ns Manual[EB/OL]. http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html，2010—08—21.

[4]柯志享，程榮祥，鄧德雋. NS2仿真試驗——多媒體和無線網(wǎng)絡通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]安輝耀，王新安，李 揮．移動自組網(wǎng)中的先進路由算法與路由協(xié)議[M].北京：科學出版社，2009.

[6]NS-2 Trace Formats[EB/OL]. http://nsnam.isi.edu/nsnam/index.php/NS-2_Trace_Formats，2010—08—18.