周德榮, 夏 齡, 田關(guān)偉, 舒 濤
(四川民族學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)信息中心,四川 康定 626001)
在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究和開(kāi)發(fā)時(shí),驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的正確性和測(cè)試協(xié)議性能工作通過(guò)實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成非常困難[1]。網(wǎng)絡(luò)仿真器是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)研究重要的工具,NS2是其中比較常用的軟件之一。面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器(Network Simmlator, Version 2, NS2)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,它是面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器,自身有一個(gè)虛擬時(shí)鐘,所有的仿真都是由離散事件驅(qū)動(dòng)[2]。NS2常用于協(xié)議和算法的開(kāi)發(fā)及評(píng)估。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的在不借助任何中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下,可在有限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)移動(dòng)終端臨時(shí)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò),它具有無(wú)中心、自織組、多跳路由、獨(dú)立組網(wǎng)、結(jié)點(diǎn)移動(dòng)等特點(diǎn)[3-4]。路由協(xié)議是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,優(yōu)秀的路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)性能的可靠保證。傳統(tǒng)的路由協(xié)議不能滿足Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的要求,根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議DSDV、WRP和按需路由協(xié)議DSR、AODV和TORA等。AODV路由協(xié)議具有一定優(yōu)勢(shì),但也存在一定缺點(diǎn),本文提出一種改進(jìn)的AODV路由協(xié)議,分析了改進(jìn)后的AODV協(xié)議在NS2中的實(shí)現(xiàn)和仿真。
NS2是一種離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)模擬器[5],它包含仿真事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)組件對(duì)象庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型庫(kù)等。事件調(diào)度器計(jì)算仿真時(shí)間,激活事件隊(duì)列中的當(dāng)前事件,執(zhí)行一些相關(guān)的事件。網(wǎng)絡(luò)組件通過(guò)傳遞分組來(lái)相互通信,所有需要花費(fèi)仿真時(shí)間來(lái)處理分組的網(wǎng)絡(luò)組件都必須要使用事件調(diào)度器。NS2中的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件一般由相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)類來(lái)實(shí)現(xiàn),一個(gè)是C++類,一個(gè)在OTCL類,C++類是算法和協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)。OTCL對(duì)象是用戶接口對(duì)象,主要是建立OTCL對(duì)象、設(shè)置屬性、通過(guò)事件調(diào)度器調(diào)度網(wǎng)絡(luò)模擬事的發(fā)生。通過(guò)編寫Tcl模擬腳本,使用NS2進(jìn)行仿真產(chǎn)生Trace文件,通過(guò)NAM模塊對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫演示,通過(guò)Xgraph進(jìn)行仿真結(jié)果圖形繪制,NS2的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
NS2(NS2的allinone包)由多個(gè)開(kāi)源模塊組成[6],所有模塊均包含源代碼。NS2網(wǎng)絡(luò)仿真器安裝后的目錄結(jié)構(gòu)如圖2所示,NS2安裝后生成的目錄與模塊是相互對(duì)應(yīng)的,即某個(gè)模塊包含的內(nèi)容放在同名的目錄下。目錄結(jié)構(gòu)中最重要的是ns2-allinone-2.34/ns-2.34,NS2中對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、算法實(shí)現(xiàn)的C++源代碼主要位于ns-2.34目錄,OTCL源碼主要位于ns-2.34/tcl/lib目錄。NS2中實(shí)現(xiàn)新協(xié)議、新算法要編寫新的C++和OTCL代碼,同時(shí)修改ns-2目錄下的相關(guān)代碼,然后重新編譯連接到NS2核心模塊即可。
AODV協(xié)議[7]是一種綜合了DSR和DSDV各自優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)而來(lái)的按需距離矢量路由協(xié)議。AODV路由協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩種機(jī)制[8]。當(dāng)源結(jié)點(diǎn)與目的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí),源結(jié)點(diǎn)通過(guò)查找路由表是否有到目的結(jié)點(diǎn)的路由,有則直接發(fā)送,若沒(méi)有源結(jié)點(diǎn)就通過(guò)發(fā)送RREQ路由請(qǐng)求分組發(fā)起路由尋找,中間結(jié)點(diǎn)收到RREQ路由請(qǐng)求分組后對(duì)比序列號(hào),如果之前收到過(guò)該分組就丟棄。反之,從路由表找到到目的結(jié)點(diǎn)的路由,目的結(jié)點(diǎn)收到RREQ后向源結(jié)點(diǎn)發(fā)送路由應(yīng)答消息RREP,建立一條源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)的路徑。AODV路由協(xié)議主要通過(guò)本地修復(fù)和源結(jié)點(diǎn)重建路由兩種方式實(shí)現(xiàn)路由維護(hù)。AODV路由協(xié)議通過(guò)周期性廣播HELLO報(bào)文來(lái)檢測(cè)鏈路狀態(tài),如果規(guī)定時(shí)間內(nèi),結(jié)點(diǎn)未收到鄰居結(jié)點(diǎn)的“HELLO”響應(yīng)報(bào)文,就判斷該鏈路已經(jīng)斷開(kāi),此時(shí)啟動(dòng)本地修復(fù)機(jī)制,若本地修復(fù)失敗,刪除緩存中源結(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包,發(fā)送RRER錯(cuò)誤分組給源結(jié)點(diǎn),源結(jié)點(diǎn)重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。
AODV路由協(xié)議有很多優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在路由表中僅維護(hù)一條到指定的目的結(jié)點(diǎn)的路由、僅適用于雙向傳輸信道的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、采用了超時(shí)刪除路由的機(jī)制,即使路由未失效,在超過(guò)時(shí)限后也將被刪除等缺點(diǎn)[9]。在拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)中,AODV協(xié)議中每個(gè)源結(jié)點(diǎn)只維護(hù)一條到指定目的結(jié)點(diǎn)的路由這個(gè)缺點(diǎn)尤為突出。如圖3所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)點(diǎn)n0要向結(jié)點(diǎn)n4發(fā)送數(shù)據(jù),結(jié)點(diǎn)n0會(huì)創(chuàng)建一個(gè)路由請(qǐng)求包RREQ,將其廣播給所有鄰居結(jié)點(diǎn),如果結(jié)點(diǎn)n1收到來(lái)自結(jié)點(diǎn)n0的RREQ,則建立到結(jié)點(diǎn)n0的逆向路由。如果結(jié)點(diǎn)n1沒(méi)有到n4的路由,則將該RREQ重新廣播給自身的其他鄰居。所有鄰居結(jié)點(diǎn)均會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ,直到有自身到結(jié)點(diǎn)n4的有效路由或直接鄰接結(jié)點(diǎn)n4。當(dāng)RREQ達(dá)到結(jié)點(diǎn)n5后,n5發(fā)現(xiàn)有一條到n4的路由,且其序號(hào)不小于RREQ中的序號(hào),則會(huì)構(gòu)造一個(gè)路由響應(yīng)包RREP并沿逆向路由單播給n0,在n0結(jié)點(diǎn)中形成n0-n1-n7-n6-n5-n4路由信息。同理,當(dāng)RREQ達(dá)到結(jié)點(diǎn)n3后,還會(huì)形成n0-n1-n2-n3-n4路由。結(jié)點(diǎn)n0根據(jù)目的結(jié)點(diǎn)序列號(hào)及到目的結(jié)點(diǎn)的跳數(shù)選擇n0-n1-n7-n6-n5-n4作為最佳路由,n0-n1-n2-n3-n4將被丟棄。若結(jié)點(diǎn)n0通過(guò)最佳路由與結(jié)點(diǎn)n4通信時(shí),當(dāng)結(jié)點(diǎn)n1得知到結(jié)點(diǎn)n7的路由斷開(kāi)時(shí),結(jié)點(diǎn)n0將重新廣播到結(jié)點(diǎn)n4的路由請(qǐng)求包RREQ,最終會(huì)再次收到包含路由n0-n1-n2-n3-n4的路由響應(yīng)包RREP。
針對(duì)上述AODV協(xié)議的缺點(diǎn),提出AODV協(xié)議的改進(jìn)方法是每個(gè)源結(jié)點(diǎn)增加一條到指定目的結(jié)點(diǎn)的備份路由,形成源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)主備兩條路由。當(dāng)主路由失效時(shí),使用備份路由發(fā)送數(shù)據(jù), 只有當(dāng)備用路由也失效時(shí)才重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。協(xié)議改進(jìn)后路由表中主備路由的建立流程圖4所示,選擇最優(yōu)路由原則是路由序列號(hào)較大或跳數(shù)較小。
協(xié)議改進(jìn)后,采用圖3所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌绻Y(jié)點(diǎn)n0與結(jié)點(diǎn)n4需要通信,但結(jié)點(diǎn)n0的路由表中沒(méi)有到結(jié)點(diǎn)n4的有效路由,結(jié)點(diǎn)n0則廣播一個(gè)RREQ分組。路由建立完后,結(jié)點(diǎn)n0將先后收到包含n0-n1-n2-n3-n4和n0-n1-n7-n6-n5的路由RREP分組,結(jié)點(diǎn)n0收到的兩條路由以主備方式保存于自身的路由表,若結(jié)點(diǎn)n0與結(jié)點(diǎn)n4通信時(shí),結(jié)點(diǎn)n1發(fā)現(xiàn)與結(jié)點(diǎn)n7路由斷開(kāi),路由斷裂處理的同時(shí),會(huì)立即查找是否有本結(jié)點(diǎn)至目的結(jié)點(diǎn)的備份路由,若有,則將收到的數(shù)據(jù)包通過(guò)備份路由發(fā)送至目的結(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)主路由與備份路由都失效時(shí),n0再次重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。
NS2 2.34中,AODV路由協(xié)議主要由協(xié)議實(shí)體、路由表、定時(shí)器、日志記錄器、路由緩存隊(duì)列等組件構(gòu)成。AODV路由協(xié)議源代碼位于安裝目錄下的ns-2.34/aodv目錄,協(xié)議由aodv_packet.h,aodv.h,aodv.cc,aodv_rqueue.h,aodv_rqueue.cc,aodv_rtable.h,aodv_rtable.cc及aodv_logs.cc文件構(gòu)成,協(xié)議改進(jìn)以AODV為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。
3.2.1改進(jìn)的AODV協(xié)議核心代碼實(shí)現(xiàn)
對(duì)原有的路由表進(jìn)行擴(kuò)充實(shí)現(xiàn)主路由與備份路由,做法是通過(guò)修改aodv_rtable.h文件中的aodv_rt_entry類聲明部分,在其中添加變量rt_priority作為標(biāo)志位,aodv_rt_entry類構(gòu)造函數(shù)將rt_priority初始化為0,0表示主路由,1表示備份路由。aodv_rtable類中添加rt_addbak(nsaddr_t id)和rt_lookupbak(nsaddr_t id) 兩個(gè)函數(shù),用于實(shí)現(xiàn)備份路由添加及查找功能。修改aodv.cc中的recvReply(Packet*P)函數(shù),實(shí)現(xiàn)源結(jié)點(diǎn)可根據(jù)選擇序列號(hào)最大以及跳數(shù)最小的兩條路由作為主路由與備份路由的功能。同時(shí),對(duì)aodv.cc中rt_ll_failed(Packet*P)函數(shù)中的本地修復(fù)機(jī)制進(jìn)行修改[10-11],完成當(dāng)鏈路層發(fā)現(xiàn)主路由失效時(shí)能夠使用備份路由來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。部分關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)如下:
3.2.2NS2中改進(jìn)的AODV協(xié)議實(shí)現(xiàn)
NS2使用分裂對(duì)象模型,協(xié)議開(kāi)發(fā)從C++和Tcl兩個(gè)類入手。以AODV協(xié)議源代碼為基礎(chǔ)將改進(jìn)后的協(xié)議取名AODVN,將協(xié)議源代碼存于ns-2.34/aodvn目錄中,主要由定義計(jì)時(shí)器和路由代理的aodvn.h文件,實(shí)現(xiàn)所有定時(shí)器、路由代理和Tcl鏈接的文件的aodvn.cc文件,聲明aodvn路由協(xié)議需要在無(wú)線自組網(wǎng)結(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)包的aodvn_packet.h文件,聲明路由表的aodvn_rtable.h文件,路由表實(shí)現(xiàn)的aodvn_rtable.cc文件,隊(duì)列聲明及實(shí)現(xiàn)的aodvn_queue.h和aodvn_queue.cc等文件組成。
(1) 聲明分組類型。在common/packet.h把PT_AODVN添加到枚舉類型值列表中,為新的分組類型在p_info類中定義名稱name_[PT_AODVN]= "aodvn"。
(2) 實(shí)現(xiàn)跟蹤支持。要記錄分組信息,在Trace/cmu-trace.h、Trace/cmu-trace.cc文件中的CMUTrace類添加并實(shí)現(xiàn)void format_aodvn()函數(shù),修改trace/cmu-trace.cc文件中的format()函數(shù)添加case PT_AODVN實(shí)現(xiàn)能夠調(diào)用void format_aodvn()函數(shù)。
(3) 修改OTCL庫(kù)文件。tcl/lib/ns-packet.tcl文件中添加協(xié)議名AODVN實(shí)現(xiàn)協(xié)議分組類型; Tcl/lib/ns-default.tcl文件中添加Agent/AODVN set accessible_var_ true綁定屬性的默認(rèn)值;Queue/priqueue.cc文件中添加case PT_AODVN實(shí)現(xiàn)隊(duì)列對(duì)協(xié)議的支持;tcl/lib/ns-lib.tcl文件中新建一個(gè)使用AODVN路由協(xié)議的無(wú)線結(jié)點(diǎn)過(guò)程。
(4) 修改ns-2.34/Makefile文件增加對(duì)新類的編譯。文件放在ns-2.34/aodvn目錄下,修改Makefile文件里OBJ_CC變量,增加aodvn/aodvn_logs.o aodvn/aodvn.o aodvn/aodvn_rtable.o aodvn/aodvn_rqueue.o實(shí)現(xiàn)改進(jìn)協(xié)議的編譯、連接到NS2。
仿真網(wǎng)絡(luò)由50個(gè)移動(dòng)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成,各結(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在1 200~400 m的平面矩形區(qū)域內(nèi), 結(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳輸范圍為300 m,隨機(jī)以均勻分布最大20 m/s的速度向任意方向移動(dòng),結(jié)點(diǎn)間的最大連接數(shù)為30,20個(gè)源結(jié)點(diǎn),每秒發(fā)送4個(gè)CBR包,每個(gè)CBR包的大小為512B,Mac層協(xié)議采用IEEE802.11,模擬時(shí)間為900 s,不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景中,結(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地后的停留時(shí)間分別為0,30,60,120,300,600,900 s,結(jié)點(diǎn)停留時(shí)間越短,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓筋l繁。具體仿真參數(shù)如表1所示。
根據(jù)仿真參數(shù)使用NS2中的傳輸產(chǎn)生器(cbrgen)生成傳輸模型文件,用結(jié)點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生器(setdest)生成結(jié)點(diǎn)暫停時(shí)間不同,結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的最大速度、結(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域大小、場(chǎng)景持續(xù)時(shí)間等參數(shù)完全相同的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景文件[12, 13]。編寫TCL腳本,使用AODV協(xié)議、AODVN協(xié)議分別載入規(guī)定的場(chǎng)景文件進(jìn)行仿真,通過(guò)awk腳本對(duì)仿真產(chǎn)生Trace文件進(jìn)行處理,分別提取兩種協(xié)議的分組投遞率、端到端平均時(shí)延、歸一化路由開(kāi)銷以及路由發(fā)現(xiàn)頻率等網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)[14],最后繪制協(xié)議仿真圖。
表1 主要仿真參數(shù)
仿真中分別使用了0、30、60、120、300、600和900 s的暫停時(shí)間,暫停時(shí)間越小,結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性越強(qiáng),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓筋l繁。每個(gè)暫停時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真時(shí)采用相同的業(yè)務(wù)流模型和不同移動(dòng)模型。AODV和AODVN兩種協(xié)議的分組投遞率、端到端的平均時(shí)延、歸一化的路由開(kāi)銷和路由發(fā)現(xiàn)頻率的仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。
圖5 分組投遞率仿真結(jié)果
從圖5看出,當(dāng)暫停時(shí)間較小時(shí),由于結(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁使得路由失效頻發(fā),AODV和AODVN的分組投遞率較低,由于暫停時(shí)間的增加,AODV和AODVN的分組投遞率逐漸提高,AODVN比AODV有一定提高。從圖6看出,隨著結(jié)點(diǎn)暫停時(shí)間的增加,AODV和AODVN的端到端平均時(shí)延均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),與AODV比較,AODVN大幅降低了端到端的平均時(shí)延,特別是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^慢時(shí),降低的幅度尤為明顯。由圖7和圖8看出,AODVN與AODV相比較,歸一化的路由開(kāi)銷以及路由發(fā)現(xiàn)頻率均有大大降低,這也表明AODVN協(xié)議當(dāng)主路由失效時(shí),備份路由能及時(shí)起到原來(lái)主路由的作用,減少了路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程的次數(shù),降低路由發(fā)現(xiàn)頻率,網(wǎng)絡(luò)性能得到一定提高。
圖6 端到端的平均延時(shí)仿真結(jié)果
圖7 歸一化的路由開(kāi)銷仿真結(jié)果
圖8 路由發(fā)現(xiàn)頻率仿真結(jié)果
網(wǎng)絡(luò)仿真是檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法的正確性和有效性,以及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能必不可少的有效方法[15]。本文通過(guò)提出一種改進(jìn)的AODV協(xié)議,詳述改進(jìn)的AODV協(xié)議在NS2中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,對(duì)新協(xié)議進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證,仿真結(jié)果驗(yàn)證了新協(xié)議的有效性。采用NS2實(shí)現(xiàn)一些新協(xié)議和算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真研究大大提高了效率、降低了成本, 具有很好的靈活性。
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