基于NS3的無線自組網仿真實現(xiàn)

陳運海

摘要：該文首先介紹了NS3.20在Fedora20環(huán)境下的安裝過程，并重點介紹了無線自組網的拓撲設計及仿真程序設計過程，最后用NS3仿真了無線自組網通信的過程。

關鍵詞：無線自組網；NS3；仿真

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）35-8365-03

Implementation of Wireless Ad-hoc Network Simulation Based on NS3

CHEN Yun-hai

（Department of Electronic Information Technology， Shenzhen Senior Technical Institute， Shenzhen 518116， China）

Abstract： First the process of installing the simulator NS3.20 and the system of Fedora20 was presented. Then this paper introduces the topological structure of to a Wireless Ad-hoc Network and the design of simulation process. Finally this paper simulate the communication process of the Wireless Ad-hoc Network by using NS3 Simulator.

Key words： Wireless Ad-hoc Network； NS3； Simulation

近年來，隨著計算機和網絡通信技術的迅速發(fā)展，研究人員不斷開發(fā)新的網絡協(xié)議、算法和應用，以適應日益增長的網絡通信需要。因此，網絡仿真日益成為分析、研究、設計和改善網絡性能的強大工具，它通過在計算機上建立一個虛擬的網絡平臺，來實現(xiàn)真實的網絡環(huán)境的仿真。網絡技術研究人員在仿真環(huán)境中不僅能對網絡通信、網絡設備、協(xié)議以及網絡應用進行設計研究，還能對網絡的性能進行分析和評估。目的是在網絡項目實施的過程前期和實施過程中提供指導。

相對于其它的網絡模擬軟件而言，NS3是比較年輕的網絡工具。NS3避免了一些其它網絡模擬軟件的缺點，盡量吸收其他模擬軟件的優(yōu)點。NS3是應用現(xiàn)代軟件工程技術和網絡仿真技術而設計開發(fā)的新一代網絡模擬工具。

本文介紹了在Fedora20環(huán)境下，安裝NS3.20模擬軟件的具體方法，并在此基礎上開發(fā)了一套無線自組網的仿真程序，對從事這方面的科研人員及教學人員具有一定的指導作用。

1 Fedora20及NS3.20環(huán)境的安裝

1.1 Fedora20的下載與環(huán)境安裝

首先在WINDOWS下安裝虛擬機VMware8.0版本，然后到網站http：//fedoraproject.org/get-fedora下面免費下載鏡像Fedora-20-i386-DVD.iso，在虛擬機VMware8.0中安裝此鏡像，將fedora系統(tǒng)安裝好。

NS3內核是是使用C++語言開發(fā)的，并提供Python接口，因此，安裝NS3之前需要安裝許多安裝包，安裝軟件包一定要將自己的系統(tǒng)與外網連接，有些依賴軟件包系統(tǒng)直接從外網下載并安裝。使用下列命令安裝軟件包：

yum install gcc gcc-c++ python python-devel

yum install mercurial

yum install bzr

yum install gsl gsl-devel

yum install gtk2 gtk2-devel

yum install gdb valgrind

yum install doxygen graphviz ImageMagick

yum install python-sphinx dia texlive texlive-latex

yum install flex bison

yum install tcpdump

yum install sqlite sqlite-devel

yum install libxml2 libxml2-devel

yum install uncrustify

yum install openmpi openmpi-devel

yum install boost-devel

yum install graphviz graphviz-devel python-setuptools-devel python-kiwi pygoocanvas

easy_install pygraphviz

yum install cmake glibc-devel.i686 glibc-devel.x86_64

在運行命令yum install graphviz graphviz-devel python-setuptools-devel python-kiwi pygoocanvas 時，系統(tǒng)提示有錯誤信息，與某些軟件發(fā)生沖突；這時候，要先用下列命令刪除沖突的軟件：

rpm —e vim-minimal

rpm -e sudo

然后，再安裝上述命令后，再完成后續(xù)命令的安裝。

1.2 NS3.20網絡模擬器的安裝endprint

在網站http：//www.nsnam.org上免費下載軟件包ns-allinone-3.20.tar.bz2，然后拷貝到虛擬機Fedora20的系統(tǒng)/root目錄下，然后用命令：tar —jxvf ns-allinone-3.20.tar.bz2進行解壓縮。解壓縮完成后，用以下命令進入相關目錄：

cd /root/ns-allinone-3.20/ns-3.20/

然后執(zhí)行：

. /waf configure —enable-examples —enable-tests

最后執(zhí)行命令：

./waf

執(zhí)行完后，如果出現(xiàn)如圖1的畫面，即編譯安裝成功。

2 無線自組網IP地址的分配和拓撲結構設計

2.1 無線自組網的IP地址分配

我們將16個無線自組網都當成一個獨立的節(jié)點，既可以充當路由器，又可以充當終端節(jié)點。它們的IP地址都位于同一個網絡10.1.1.0中，如圖1所示。

2.2 無線自組網拓撲結構圖

無線自組網節(jié)點作為一個獨立的無線節(jié)點，可以再空間中自由移動，同時，在一范圍內可進行互相通信。其拓撲結構如圖2所示。

無線自組網絡可以互相之間通信，每個節(jié)點既充當路由器，又充當終端。我們假定節(jié)點n0與節(jié)點n15通信，來模擬數(shù)據(jù)在無線自組網中的通信過程。

3 用NS3仿真無線自組網

3.1 用NS3創(chuàng)建16個獨立的無線節(jié)點

我們首先創(chuàng)建16個無線節(jié)點，并配置無線節(jié)點通信所需要的參數(shù)。最主要的代碼如下：

NodeContainer wifiAdhocNodes；

wifiAdhocNodes.Create （16）； //創(chuàng)建16無線自組網節(jié)點

WifiHelper wifi = WifiHelper：：Default （）；

NqosWifiMacHelper wifiMac = NqosWifiMacHelper：：Default （）； //配置Mac與Phy

wifiMac.SetType （"ns3：：AdhocWifiMac"）；

YansWifiPhyHelper wifiPhy = YansWifiPhyHelper：：Default （）；

YansWifiChannelHelper wifiChannel = YansWifiChannelHelper：：Default （）； //創(chuàng)建無線節(jié)點互連通道

wifiPhy.SetChannel （wifiChannel.Create （））；

NetDeviceContainer wifiAdhocDevices = wifi.Install （wifiPhy， wifiMac， wifiAdhocNodes）； //創(chuàng)建節(jié)點的無線設備（無線網卡）

InternetStackHelper stack； //安裝協(xié)議棧

stack.Install （wifiAdhocNodes）；

Ipv4AddressHelper address； //設置無線節(jié)點的IP地址

address.SetBase （"10.1.1.0"， "255.255.255.0"）；

Ipv4InterfaceContainer AdhocInterfaces；

AdhocInterfaces = address.Assign （wifiAdhocDevices）；

3.2 應用層模擬

1） 服務端節(jié)點設置

16個節(jié)點創(chuàng)建并配置完后，我們在最后一個節(jié)點n15放置echo服務端程序，其主要代碼為：

UdpEchoServerHelper echoServer （9）； //設置服務器端口號9

ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install （wifiAdhocNodes.Get （15））； //服務端程序安裝在節(jié)點n15。

serverApps.Start （Seconds （1.0））； //服務端程序在1秒生效

serverApps.Stop （Seconds （10.0））； //服務端程序在10秒停止。

2） 客戶端節(jié)點設置

我們將回顯客戶端放在節(jié)點n0上，其主要代碼為：

UdpEchoClientHelper echoClient （AdhocInterfaces.GetAddress （15）， 9）；//讓客戶端與服務端及其端口關聯(lián)

echoClient.SetAttribute （"MaxPackets"， UintegerValue （100））； //設置通信時參數(shù)

echoClient.SetAttribute （"Interval"， TimeValue （Seconds （1.0）））；

echoClient.SetAttribute （"PacketSize"， UintegerValue （1024））；

ApplicationContainer clientApps =

echoClient.Install （wifiAdhocNodes.Get （0））； //客戶端程序安裝在節(jié)點n0

clientApps.Start （Seconds （2.0））；//客戶端在 2秒中生效

clientApps.Stop （Seconds （10.0））； //客戶端在10秒鐘停止

4 用NS3仿真無線自組網運行效果

4.1 節(jié)點之間數(shù)據(jù)流向顯示

在 Fedora20操作系統(tǒng)中，運行：

./waf —run scratch/adhoctest

則可以看出，移動節(jié)點n0與n15節(jié)點，可正常通信；顯示的數(shù)據(jù)流向如圖4所示，客戶端與服務端之間的數(shù)據(jù)傳送和應答順利。

4.2 節(jié)點之間通信效果顯示：

用Pyviz工具，可以查看節(jié)點之間互相通信的效果圖，運行以下命令：

./waf —run scratch/adhoctest —vis

則可以看出，剛開始，在路由選擇階段，數(shù)據(jù)流向多個節(jié)點，如圖5所示。一旦兩個節(jié)點之間明確了路由，數(shù)據(jù)流向比較穩(wěn)定，如圖6所示。

5 結束語

本文主要仿真了無線自組網傳送數(shù)據(jù)的過程。在仿真過程中，設計了無線自組網絡節(jié)點，并仿真了數(shù)據(jù)傳送的過程?？稍诖嘶A上，進一步研究不同算法對不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳送效果。希望對從事這方面的研究者有所啟發(fā)。

參考文獻：

[1] ns-3 documentation[EB/OL]. http：//www.nsnam.org/docs/doxygen/index.html.

[2] ns-3 developers[EB/OL].http：//www.nsnam.org/developers/overview.

[3] 馬春光，姚建盛.ns-3網絡模擬器基礎與應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4] 黃化吉，馮穗力，秦麗姣.NS網絡模擬和協(xié)議仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010.endprint

在網站http：//www.nsnam.org上免費下載軟件包ns-allinone-3.20.tar.bz2，然后拷貝到虛擬機Fedora20的系統(tǒng)/root目錄下，然后用命令：tar —jxvf ns-allinone-3.20.tar.bz2進行解壓縮。解壓縮完成后，用以下命令進入相關目錄：

cd /root/ns-allinone-3.20/ns-3.20/

然后執(zhí)行：

. /waf configure —enable-examples —enable-tests

最后執(zhí)行命令：

./waf

執(zhí)行完后，如果出現(xiàn)如圖1的畫面，即編譯安裝成功。

2 無線自組網IP地址的分配和拓撲結構設計

2.1 無線自組網的IP地址分配

我們將16個無線自組網都當成一個獨立的節(jié)點，既可以充當路由器，又可以充當終端節(jié)點。它們的IP地址都位于同一個網絡10.1.1.0中，如圖1所示。

2.2 無線自組網拓撲結構圖

無線自組網節(jié)點作為一個獨立的無線節(jié)點，可以再空間中自由移動，同時，在一范圍內可進行互相通信。其拓撲結構如圖2所示。

無線自組網絡可以互相之間通信，每個節(jié)點既充當路由器，又充當終端。我們假定節(jié)點n0與節(jié)點n15通信，來模擬數(shù)據(jù)在無線自組網中的通信過程。

3 用NS3仿真無線自組網

3.1 用NS3創(chuàng)建16個獨立的無線節(jié)點

我們首先創(chuàng)建16個無線節(jié)點，并配置無線節(jié)點通信所需要的參數(shù)。最主要的代碼如下：

NodeContainer wifiAdhocNodes；

wifiAdhocNodes.Create （16）； //創(chuàng)建16無線自組網節(jié)點

WifiHelper wifi = WifiHelper：：Default （）；

NqosWifiMacHelper wifiMac = NqosWifiMacHelper：：Default （）； //配置Mac與Phy

wifiMac.SetType （"ns3：：AdhocWifiMac"）；

YansWifiPhyHelper wifiPhy = YansWifiPhyHelper：：Default （）；

YansWifiChannelHelper wifiChannel = YansWifiChannelHelper：：Default （）； //創(chuàng)建無線節(jié)點互連通道

wifiPhy.SetChannel （wifiChannel.Create （））；

NetDeviceContainer wifiAdhocDevices = wifi.Install （wifiPhy， wifiMac， wifiAdhocNodes）； //創(chuàng)建節(jié)點的無線設備（無線網卡）

InternetStackHelper stack； //安裝協(xié)議棧

stack.Install （wifiAdhocNodes）；

Ipv4AddressHelper address； //設置無線節(jié)點的IP地址

address.SetBase （"10.1.1.0"， "255.255.255.0"）；

Ipv4InterfaceContainer AdhocInterfaces；

AdhocInterfaces = address.Assign （wifiAdhocDevices）；

3.2 應用層模擬

1） 服務端節(jié)點設置

16個節(jié)點創(chuàng)建并配置完后，我們在最后一個節(jié)點n15放置echo服務端程序，其主要代碼為：

UdpEchoServerHelper echoServer （9）； //設置服務器端口號9

ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install （wifiAdhocNodes.Get （15））； //服務端程序安裝在節(jié)點n15。

serverApps.Start （Seconds （1.0））； //服務端程序在1秒生效

serverApps.Stop （Seconds （10.0））； //服務端程序在10秒停止。

2） 客戶端節(jié)點設置

我們將回顯客戶端放在節(jié)點n0上，其主要代碼為：

UdpEchoClientHelper echoClient （AdhocInterfaces.GetAddress （15）， 9）；//讓客戶端與服務端及其端口關聯(lián)

echoClient.SetAttribute （"MaxPackets"， UintegerValue （100））； //設置通信時參數(shù)

echoClient.SetAttribute （"Interval"， TimeValue （Seconds （1.0）））；

echoClient.SetAttribute （"PacketSize"， UintegerValue （1024））；

ApplicationContainer clientApps =

echoClient.Install （wifiAdhocNodes.Get （0））； //客戶端程序安裝在節(jié)點n0

clientApps.Start （Seconds （2.0））；//客戶端在 2秒中生效

clientApps.Stop （Seconds （10.0））； //客戶端在10秒鐘停止

4 用NS3仿真無線自組網運行效果

4.1 節(jié)點之間數(shù)據(jù)流向顯示

在 Fedora20操作系統(tǒng)中，運行：

./waf —run scratch/adhoctest

則可以看出，移動節(jié)點n0與n15節(jié)點，可正常通信；顯示的數(shù)據(jù)流向如圖4所示，客戶端與服務端之間的數(shù)據(jù)傳送和應答順利。

4.2 節(jié)點之間通信效果顯示：

用Pyviz工具，可以查看節(jié)點之間互相通信的效果圖，運行以下命令：

./waf —run scratch/adhoctest —vis

則可以看出，剛開始，在路由選擇階段，數(shù)據(jù)流向多個節(jié)點，如圖5所示。一旦兩個節(jié)點之間明確了路由，數(shù)據(jù)流向比較穩(wěn)定，如圖6所示。

5 結束語

本文主要仿真了無線自組網傳送數(shù)據(jù)的過程。在仿真過程中，設計了無線自組網絡節(jié)點，并仿真了數(shù)據(jù)傳送的過程?？稍诖嘶A上，進一步研究不同算法對不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳送效果。希望對從事這方面的研究者有所啟發(fā)。

參考文獻：

[1] ns-3 documentation[EB/OL]. http：//www.nsnam.org/docs/doxygen/index.html.

[2] ns-3 developers[EB/OL].http：//www.nsnam.org/developers/overview.

[3] 馬春光，姚建盛.ns-3網絡模擬器基礎與應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4] 黃化吉，馮穗力，秦麗姣.NS網絡模擬和協(xié)議仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010.endprint

在網站http：//www.nsnam.org上免費下載軟件包ns-allinone-3.20.tar.bz2，然后拷貝到虛擬機Fedora20的系統(tǒng)/root目錄下，然后用命令：tar —jxvf ns-allinone-3.20.tar.bz2進行解壓縮。解壓縮完成后，用以下命令進入相關目錄：

cd /root/ns-allinone-3.20/ns-3.20/

然后執(zhí)行：

. /waf configure —enable-examples —enable-tests

最后執(zhí)行命令：

./waf

執(zhí)行完后，如果出現(xiàn)如圖1的畫面，即編譯安裝成功。

2 無線自組網IP地址的分配和拓撲結構設計

2.1 無線自組網的IP地址分配

我們將16個無線自組網都當成一個獨立的節(jié)點，既可以充當路由器，又可以充當終端節(jié)點。它們的IP地址都位于同一個網絡10.1.1.0中，如圖1所示。

2.2 無線自組網拓撲結構圖

無線自組網節(jié)點作為一個獨立的無線節(jié)點，可以再空間中自由移動，同時，在一范圍內可進行互相通信。其拓撲結構如圖2所示。

無線自組網絡可以互相之間通信，每個節(jié)點既充當路由器，又充當終端。我們假定節(jié)點n0與節(jié)點n15通信，來模擬數(shù)據(jù)在無線自組網中的通信過程。

3 用NS3仿真無線自組網

3.1 用NS3創(chuàng)建16個獨立的無線節(jié)點

我們首先創(chuàng)建16個無線節(jié)點，并配置無線節(jié)點通信所需要的參數(shù)。最主要的代碼如下：

NodeContainer wifiAdhocNodes；

wifiAdhocNodes.Create （16）； //創(chuàng)建16無線自組網節(jié)點

WifiHelper wifi = WifiHelper：：Default （）；

NqosWifiMacHelper wifiMac = NqosWifiMacHelper：：Default （）； //配置Mac與Phy

wifiMac.SetType （"ns3：：AdhocWifiMac"）；

YansWifiPhyHelper wifiPhy = YansWifiPhyHelper：：Default （）；

YansWifiChannelHelper wifiChannel = YansWifiChannelHelper：：Default （）； //創(chuàng)建無線節(jié)點互連通道

wifiPhy.SetChannel （wifiChannel.Create （））；

NetDeviceContainer wifiAdhocDevices = wifi.Install （wifiPhy， wifiMac， wifiAdhocNodes）； //創(chuàng)建節(jié)點的無線設備（無線網卡）

InternetStackHelper stack； //安裝協(xié)議棧

stack.Install （wifiAdhocNodes）；

Ipv4AddressHelper address； //設置無線節(jié)點的IP地址

address.SetBase （"10.1.1.0"， "255.255.255.0"）；

Ipv4InterfaceContainer AdhocInterfaces；

AdhocInterfaces = address.Assign （wifiAdhocDevices）；

3.2 應用層模擬

1） 服務端節(jié)點設置

16個節(jié)點創(chuàng)建并配置完后，我們在最后一個節(jié)點n15放置echo服務端程序，其主要代碼為：

UdpEchoServerHelper echoServer （9）； //設置服務器端口號9

ApplicationContainer serverApps = echoServer.Install （wifiAdhocNodes.Get （15））； //服務端程序安裝在節(jié)點n15。

serverApps.Start （Seconds （1.0））； //服務端程序在1秒生效

serverApps.Stop （Seconds （10.0））； //服務端程序在10秒停止。

2） 客戶端節(jié)點設置

我們將回顯客戶端放在節(jié)點n0上，其主要代碼為：

UdpEchoClientHelper echoClient （AdhocInterfaces.GetAddress （15）， 9）；//讓客戶端與服務端及其端口關聯(lián)

echoClient.SetAttribute （"MaxPackets"， UintegerValue （100））； //設置通信時參數(shù)

echoClient.SetAttribute （"Interval"， TimeValue （Seconds （1.0）））；

echoClient.SetAttribute （"PacketSize"， UintegerValue （1024））；

ApplicationContainer clientApps =

echoClient.Install （wifiAdhocNodes.Get （0））； //客戶端程序安裝在節(jié)點n0

clientApps.Start （Seconds （2.0））；//客戶端在 2秒中生效

clientApps.Stop （Seconds （10.0））； //客戶端在10秒鐘停止

4 用NS3仿真無線自組網運行效果

4.1 節(jié)點之間數(shù)據(jù)流向顯示

在 Fedora20操作系統(tǒng)中，運行：

./waf —run scratch/adhoctest

則可以看出，移動節(jié)點n0與n15節(jié)點，可正常通信；顯示的數(shù)據(jù)流向如圖4所示，客戶端與服務端之間的數(shù)據(jù)傳送和應答順利。

4.2 節(jié)點之間通信效果顯示：

用Pyviz工具，可以查看節(jié)點之間互相通信的效果圖，運行以下命令：

./waf —run scratch/adhoctest —vis

則可以看出，剛開始，在路由選擇階段，數(shù)據(jù)流向多個節(jié)點，如圖5所示。一旦兩個節(jié)點之間明確了路由，數(shù)據(jù)流向比較穩(wěn)定，如圖6所示。

5 結束語

本文主要仿真了無線自組網傳送數(shù)據(jù)的過程。在仿真過程中，設計了無線自組網絡節(jié)點，并仿真了數(shù)據(jù)傳送的過程?？稍诖嘶A上，進一步研究不同算法對不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳送效果。希望對從事這方面的研究者有所啟發(fā)。

參考文獻：

[1] ns-3 documentation[EB/OL]. http：//www.nsnam.org/docs/doxygen/index.html.

[2] ns-3 developers[EB/OL].http：//www.nsnam.org/developers/overview.

[3] 馬春光，姚建盛.ns-3網絡模擬器基礎與應用[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[4] 黃化吉，馮穗力，秦麗姣.NS網絡模擬和協(xié)議仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010.endprint