MANET鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議TND的OPNET實現(xiàn)及仿真

西安通信學院 白冬林 張 瑋 李 暉

?

MANET鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議TND的OPNET實現(xiàn)及仿真

西安通信學院 白冬林 張 瑋 李 暉

【摘要】拓撲發(fā)現(xiàn)不僅是MANET組網(wǎng)需要解決的基本問題，也是路由協(xié)議工作的前提和基礎。本文闡述了基于OPNET 仿真框架下，如何實現(xiàn)MANET網(wǎng)絡中鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議TND的開發(fā)。同時在此基礎上以自由空間模型和雙線地面反射模型為例建立場景，對比分析了兩種模型下TND協(xié)議的性能表現(xiàn)，比較了其傳輸范圍與發(fā)射功率之間的關系。

【關鍵詞】MANET；TND；OPNET；Two-Ray

0 引言

MANET（Mobile Ad Hoc Network）也稱作移動Ad hoc網(wǎng)絡［1］，它是由若干移動節(jié)點組成的一種具有動態(tài)性、多跳性和臨時性的自組織網(wǎng)絡。MANET網(wǎng)絡中由于通信的雙方往往不在彼此的通信范圍內(nèi)，故需要經(jīng)過其他節(jié)點轉發(fā)信息。這就要求節(jié)點在自組織形成網(wǎng)絡時首先要檢測它周圍的鄰節(jié)點，該過程稱為拓撲發(fā)現(xiàn)過程。拓撲發(fā)現(xiàn)不僅是組網(wǎng)需要解決的基本問題，也是路由協(xié)議工作的前提和基礎。TND協(xié)議就是一種用于在拓撲發(fā)現(xiàn)階段實現(xiàn)鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)的具體協(xié)議。

1 TND協(xié)議簡介

TND協(xié)議是由IETF（Internet Engineering Task Force）組織提出的一種基于反向路徑轉發(fā)的拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議（TBRPF）［2］的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)部分，該協(xié)議是一個獨立于路由模塊的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議，它可以被單獨用來實現(xiàn)鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)。因此，TND協(xié)議可以被其他的路由協(xié)議所使用。

1.1 TND協(xié)議

TND協(xié)議指出：如果在節(jié)點i的I接口與節(jié)點j的J接口之間存在一條雙向鏈路（I，J），那么節(jié)點i可以快速的檢測到鄰節(jié)點j。同時該協(xié)議也可以快速的檢測到一條雙向鏈路的斷開或變?yōu)閱蜗颉?/p>

TND協(xié)議的主要特點是它使用不同長度的HELLO包，而不同的HELLO包只報告該節(jié)點所獲知的鏈路變化信息。這使得HELLO信息在大小上比其他的路由協(xié)議的HELLO信息包更小。因此，HELLO信息可以被更頻繁的發(fā)送，從而更快速的檢測到網(wǎng)絡拓撲的變化。

1.2 參數(shù)設置

TND協(xié)議中所用到的參數(shù)以及建議的默認值（括號內(nèi)標注）包括：HELLO_INTERVAL （1second）， MAX_JITTER （0.1 second），NBR_HOLD_TIME （3 seconds）， NBR_HOLD_COUNT （3），HELLO_ACQUIRE_COUNT （2）。

1.3 鄰節(jié)點表

每個節(jié)點為每個本地接口I維護一張鄰節(jié)點表，表中存儲著在接口I從鄰接口J接收到的HELLO信息.鄰接口J的信息條目在接口I的鄰節(jié)點表中包含若干變量。如：變量nbr_rid（I，J） 表示與接口J關聯(lián)節(jié)點的路由器的ID；變量nbr_status（I，J）表示鏈路（I，J）現(xiàn)在的狀態(tài)；變量nbr_life表示接口I當不再接收到接口J的HELLO信息包時，在將nbr_status（I，J）變?yōu)長OST之前保留J的信息的時間，等等。

2 OPNET仿真實現(xiàn)

OPNET是一款經(jīng)典的網(wǎng)絡建模和仿真工具。它強大的功能和全面性使它能夠仿真幾乎任何網(wǎng)絡模型［3］。同時它出色的離散事件仿真引擎和便捷的圖形化調試界面為MANET網(wǎng)絡建模仿真提供了極大的便利［4］。

2.1 確定功能模塊層次

通過TND協(xié)議可知，該鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議是一個相對獨立的模塊，而如果在標準MANET節(jié)點模型中進行添加，我們有兩種選擇：第一，可以加在應用層——這樣可以將鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議作為應用層的一種業(yè)務模式，與其他業(yè)務一起運行，而將底層的模塊看作黑盒子不進行處理；第二種，將協(xié)議加在MAC層，作為一種背景流直接參與運算。考慮到與正常業(yè)務流有可能會發(fā)生沖突或傳輸時碰撞的問題，為防止出現(xiàn)這樣的情況，本文采用第一種方法，并將該TND模塊作為一個等價于應用層的獨立模塊進行處理，修改后的節(jié)點模型如圖1所示。

圖1 修改后的MANET節(jié)點模型

2.2 定義HELLO包格式

如前所述，TND協(xié)議的主要特點是它使用不同長度的HELLO信息，而不同的HELLO信息只報告鏈路的變化信息。這使得HELLO信息比其他的鏈路路由協(xié)議更小。在本次仿真中所使用的HELLO信息包格式如圖2所示。

其中，地址欄中的信息和地址欄的長度大小都不是固定的，而是隨著鄰節(jié)點表中的內(nèi)容變化的，并且其中只記錄鏈路變化信息。因此我們在將地址信息向包中寫入時，要先對鄰節(jié)點表進行一次篩選，找出其中的變化信息來。

圖2 HELLO信息包的包格式

2.3 發(fā)包的處理過程

每一個節(jié)點在每一個HELLO_INTERVAL間隔，至少發(fā)送一個HELLO信息包。HELLO 信息包可以被更頻繁的發(fā)送（比如為了更加快速的檢測到拓撲信息的變化）。如果節(jié)點i的接口I重啟，它所有的鄰節(jié)點的信息將被丟失，此時節(jié)點i的每一個鄰節(jié)點j都將須把鏈路（J， I）的狀態(tài)設為LOST。

在仿真中，我們假設每個節(jié)點只有一個接口，并且將接口的地址設為節(jié)點的地址。發(fā)包時我們以典型值——HELLO_INTERVAL=1s，MAX_JITTER=0.1s進行設置。為保證仿真核心每隔一秒發(fā)送一次，仿真中我們使用regular中斷來實現(xiàn)。

2.4 收包的處理過程

當一個節(jié)點收到一個HELLO信息包，它首先從IP 頭中獲得發(fā)送接口的IP地址。如果這個HELLO信息的TBRPF包頭中有RID選項，那么發(fā)送節(jié)點的RID也將被獲得，如果沒有這個選項，那么它就等于收發(fā)送接口的IP地址。

在仿真中，當應用層接收到包時，首先執(zhí)行judge（ ）判斷函數(shù)，這是本文自己定義的一個用來判斷該包是不是我們的HELLO包時所需要用到的一個函數(shù)，該函數(shù)首先將從包的0域中取出值，然后判斷該值是否等于我們的HELLO包頭，即是否等于1021013（如圖2所示），如果等于則將轉向狀態(tài)record，執(zhí)行收到HELLO包得相關操作。

3 仿真結果分析

在已建立的進程模型基礎上，將進程模型引入節(jié)點中，建立場景進行仿真。本文以自由空間傳播模型和雙線地面反射模型為例，在固定場景條件下進行對比分析。

3.1 自由空間傳播模型

首先我們以自由空間傳播模型為例進行仿真。自由空間傳播模型用于預測接收機和發(fā)射機之間是完全無阻擋的視距路徑時的接收信號場強［5］。這種傳播模型相對簡單，可以作為理想狀態(tài)下的傳播模型使用。另外在OPNET中，信道的默認傳播模型也為自由空間模型。本文以每秒輸出一次的速率輸出鄰節(jié)點表中的內(nèi)容，為保證所取場景拓撲圖的一般性，下面給出自由空間模型中仿真時間為79秒的網(wǎng)絡拓撲圖，如圖3所示。

圖3 自由空間模型中仿真時間為79秒時的網(wǎng)絡拓撲圖

實驗仿真中，在發(fā)射功率為5毫瓦，接收門限為-95dBm時，我們將發(fā)包間隔設為0.1秒。仿真結果顯示，拓撲的最早發(fā)現(xiàn)為0.3秒，即算法的收斂性可達到0.3秒。而當發(fā)包間隔小于0.1秒時，將會發(fā)生網(wǎng)絡阻塞，包不能再被正確發(fā)送，接收并處理，這是由于在發(fā)包時的隨機抖動時間造成的。

圖4 Two-Ray模式下仿真時間為79秒時的網(wǎng)絡拓撲圖

3.2 雙線地面反射模型

在實際的MANET網(wǎng)絡中，節(jié)點和節(jié)點之間以單一視距路徑傳播方式出現(xiàn)的情況只是多種傳播方式的一種，接收機接收的信號往往來自不同的反射和折射路徑。因此我們對自由空間傳播模型稍加改進，引入雙線（Two-Ray）地面反射模型［6］。該模型不僅考慮了視距傳播的直接路徑，而且考慮了發(fā)射機和接收機之間的地面反射路徑。我們對雙線地面反射模型的信道模型進行編寫，并給出了此時網(wǎng)絡拓撲的仿真結果，如圖4所示。

3.3 兩種模式的對比

由圖3、圖4對比可以發(fā)現(xiàn)，自由空間下距離較遠的兩個節(jié)點間的鏈路如（13，9），（14，6）等鏈路在雙線模型中消失了，而單向鏈路如（12，1）也不存在了。在網(wǎng)絡拓撲圖中，單向鏈路是不穩(wěn)定的鏈路；通常這些鏈路存在于兩個距離較遠的兩個節(jié)點之間，即一個節(jié)點的發(fā)射功率剛剛可以滿足達到另一個節(jié)點的時候，但是由于傳播中的信號衰減，接收端的信噪比往往會比較小，從而造成誤碼的產(chǎn)生，當誤碼率高于接收門限時，接收端就不能正常接收到包，從而造成丟包，接收端則會認為丟失到這個鄰節(jié)點。

下面我們在節(jié)點采用最大恒定傳輸功率的情況下，比較節(jié)點在兩種傳播模型下的最大通信距離以及所需要使用的功率。

圖5 接收門限為-95dBm時的兩種模式下的最小發(fā)射功率圖

通過圖5的功率圖我們可以清楚地看到兩種模式下，所需的最小發(fā)射功率與距離之間關系。由于自由空間模型的接收功率與距離的平方成反比例關系，而雙線模型下，接收功率與距離的四次方成反比例關系，所以，當兩個節(jié)點間的距離較小時，雙線模型所需的最小發(fā)射功率要小于自由空間模型；而當兩節(jié)點間的距離大于906米時，雙徑模型所需的最小發(fā)射功率將要大于自由空間模型。

4 結束語

本文對一種基于反向路徑轉發(fā)的拓撲發(fā)現(xiàn)協(xié)議的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)部分TND協(xié)議進行了深入研究，詳細闡述了協(xié)議的OPNET實現(xiàn)過程，同時在此基礎上以自由空間模型和雙線地面反射模型為例建立場景進行仿真，對比分析了兩種模型下TND協(xié)議的性能表現(xiàn)，比較了其傳輸范圍與發(fā)射功率之間的關系，為其他路由協(xié)議如何更好的使用TND協(xié)議提供了參考。

參考文獻

［1］李臘元，李春林.計算機網(wǎng)絡技術［M］.第2版.北京﹕國防工業(yè)出版社，2004.90～99.

［2］R.Ogier，M. Lewis，F(xiàn).Templin.Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding （TBRPF）.Mobile Ad-Hoc Networks Working Group，Internet-Draft.April 22，2003，draft-ietf-manet-tbrpf-08.txt.

［3］陳敏.OPNET網(wǎng)絡仿真［M］.第一版.北京﹕清華大學出版社，2004.4.

［4］王文博，張金文.OPNET Modeler與網(wǎng)絡仿真［M］.第一版.北京﹕人民郵電出版社，2003.10.

［5］葉霞，李俊山，張璟.移動自組網(wǎng)拓撲發(fā)現(xiàn)策略的分析研究［J］.計算機應用研究，2010，5（5）﹕28.

［6］李瑞睿，鄭相全，王靖.一種基于定向天線的鄰節(jié)點發(fā)現(xiàn)算法［J］.現(xiàn)代電子技術，2011，34（5）﹕36-30.

白冬林（1980－），男，碩士，西安通信學院講師，研究方向：通信工程。

張瑋（1977－），男，碩士，西安通信學院副教授，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

李暉（1979－），女，碩士，西安通信學院講師，研究方向：通信工程。

作者簡介：