基于ns2的无线自组网路由协议的研究与仿真毕业论文

基于ns2的无线自组网路由协议的研究与仿真毕业论文内容摘要：

事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象都使用 C++编写，这些对象通过 TclCL 映射对 OTcl 解释器可见。 NS2 可以说是 OTcl 的脚本解释器，它包含模拟事件高度器、 网络组件对象库等。 事件调度器控制模拟进程，在适当时间激活事件队列中的当前事件，并执行该事件。 网络组件模拟网络设备或节点的通信，它们通过制定模拟场景和模拟进程，交换特定的 分组来模拟真实网络情况，并将执行情况记录到日志文件中，供用户 分析解读，获取模拟结果。 NS2 采用这种分裂模型既提高了模拟效率，加快了模拟速度，又增强了模拟配置的灵活性和操作的简便性。 NS2 是在 UNIX 系统上开发的，因此可以在 UNIX 和类 UNIX 系统上安装。 另外， NS2 也可以在 Windows 平台上运行。 表 和表 是不同平台对 NS 的支持情 况。 表 不同平台对 NS2 的支持情况 TclTK OTcl TclCL Ns Nam xgraph cweb sgb Gtitm and sgb2ns zlib Pc+Windows Y Y Y Y Y N Y N N N Pc+Linux Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y 注： Y——支持， N——不支持。 9 表 综合比较 Windows 和 Linux对 NS2 的支持情况 平台特点 安装过程 模块支持 使用过程 Pc+Windows 优点：界面友好，人性化设计，网络及硬件支 持良好，应用程序丰富。 缺点：代码冗繁，系统稳定性及自身修复能力差。 未安装 Cygwin 时只可用 from all the pieces 方式安装，较为复杂。 安装 Cygwin 后可用 allinone 方式安装较为简单。 支持 NS2 的必选软件 模块，但对可选模块的支 持性差。 容易引发较多问题，相关帮助文档及可咨询信息较少，解决问题难度较大。 Pc+Linux 优点：源代码开放，界面友好，网络功能丰富，较稳定。 缺点：应用软件及硬件驱动程序缺乏。 可选用 from all the pieces 或 allinone方式安装 ，较为简单。 对 NS2 的必选模块和 可选模块支 持性良好。 由于 Linux 完全开放源代码的特性，可根据需要任 意 修 改 源 代码。 相关帮助文档及论坛较多，可获得的帮助较多，使问题解决较为容易。 NS2 组成部分 （ 1）离散事件调度器（ Scheduler）：调度器是仿真器的心脏，它记录当前时间，调度网络事件链表中的事件。 它有一个静态成员变量 instance，供所有的类访问同一个调度器，提供函数产生新事件，指定事件发生的时间。 目前 NS2 支持四种事件调度器，分别为链表式（ linkedlist）、堆式（ heap）、时间队列式（ calendar）和实时（ realtime）调度器，其中时间队列式为默认的事件调度器。 （ 2）事件处理器 (Handler)： Handle 是所有处理事件类的基类，它只是一个虚拟函数，每个继承类实现自己的功能。 （ 3）节点（ Node）：节点是对实际网络中分布在不同地理位置的主机、交换机、路由器等网络设备的统一抽象，是构成网络拓扑结构的一个重要组成部分。 （ 4）链路 (Link)：链路用来连接节点和路由器。 一个节点可以有一条或多条输出链路 (如路由器 )，所有的链路都以队列的形式来管理分组到达、离开或丢弃 ，统计并保存字节数和分组数。 另外还有一个独立的对象来记录队列日志。 （ 5）代理 (Agent)：代理是实际产生和消费分组的对象，它们属于传输层实体，运行在端主机，节点的每一个代理自动被赋与一个唯一的端口号 (模拟 udp/tcp10 端口 )，代理知道与它相连的节点，以便把分组转发给节点，它也知道分组大小，业务类型，目的地址。 Agent 类是各种 UDP/TCP 实现类的基类，代理被保存在一个称为 demux 的链表中。 （ 6） NS 对象 (NsObject)： NsObject 是所有网络实体的基类，包括节点、链路、代理，业务记录 (Trace)和数据源等。 节点、链路、代理同时继承了 NsObject和事件处理器类，因为这三种对象要处理多种事件，其他对象则不需要。 （ 7）匹配器类 (Matcher)：匹配器类用来标识有实例对象生成的类，用户给出标识匹配 器 类的关键字，匹配 器 类返回相应的新建对象。 匹配器类被定义成静态的，只允许一个实例对象 [5]。 NS2 模拟基本流程 图 NS2 进行网络模拟的基本流程 是 否 否 否 是 是 问题定义 修改源码。 修改源码 编写 Tcl 脚本 执行模拟 分析结果 结果满意。 分析问题 重新编译 NS 编译通过。 调试 结束 开始 11 使用 NS2 进行网络模拟的基本操作流程如图 所示。 整个模拟过程主要有三个部分：一为修改源码，二为编写 Tcl 模拟脚本，三为分析结果。 （ 1）源码修改：这一步只有在模拟需要修改源代码时才进行考虑。 （ 2） Tcl/OTcl 模拟代码编写：这是 NS2 模拟中最重要和必不可少的环节，大部分 NS2 的模拟工作实际就是编写 Tcl 脚本代码来描述网络结构、网络构件属性和控制调度网络模拟事件的启停过程。 （ 3）模拟结果分析：结果分析是真正体现模拟工作成效的重要一环，模拟结果分析主要是对 trace 文件进行分析。 4 无线自组网路由 协议 在 无线自组网 中，节点 的 移动导致网络拓扑结构 的 不断变化。 如何迅速准确地选择到达目的节点的路由，是 无线自组 网的一个重要和核心的问题。 无线自组网与传统移动通信网络的区别 在无线局域网中，移动节点配有无线网卡，通过无线接入点连接到固定网络，因此，无线局域网可以看成单跳网络；而无线自组网则是一个多跳的网络，终端主机一方面作为主机，另一方面作为路由 器 运行路由协议，参与分组转发和路由维护。 因此，无线自组网与传统移动通信网络在路 由选择方面有很大的差异，必须采用合适的路由协议以解决路由选择问题。 无 线自组网路由协议分类 根据源端何时获得路由信息，可以将路由分为两大类，如图 所示。 一类是基于路由表驱动（ Table Driven）的路由协议。 在这种协议中，每个节点试图维护到所有已知目的节点的路由表，节点之间周期性或在网络拓扑改变时交换路由信息，由此减少了获得路由延时，能够立即判断目的节点的可达性，但是耗费了网络资源。 第二类是按需驱动（ OnDemand Driven）的路由协议，包括路由发现和路由维护两个过程。 这种路由协议平时并不实时地维护网络路由，只有在节 点有数据要发送时才激活路由发现机制寻找到达 目的节点的路由。 它不需要花费资源来维护无用的路由，但路由发现过程比较昂贵而且不可预测 [6]。 12 图 无线自组网路由协议分类 几种典型的无线自组网路由协议 目的序列距离矢量路由协议 DSDV DSDV(DestinationSequenced DistanceVector)是基于经典 BellmanFord 路由选择过程的改进型路由表算法。 DSDV 以路由信息协议为基础。 是无线自组网协议发展较早的一种。 使用 DSDV 时，网络中 的每一个移动节点都需要维护一个路由表。 路由表表项包括目的节点、跳数和一个由目的节点注明的序列号，序列号能帮助节点区分有效和过期的路由信息，并可防止路由环路的发生。 标有更大序列号的路由信息总是被接收。 如果两个更新分组有相同的序列号，则选择跳数最小的，使路由最优（最短）。 每个节点必须周期性地与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由表的改变来触发路由更新。 路由表更新有两种方式：一种是全部更新，即拔掉更新消息中将包括整个路由表，主要应用于变化较快的情况；另一种是增量更新，更新消息中仅包含变化的路由部分，通常适用于变 化较慢的情况。 按需平面距离矢量路由协议 AODV AODV(Ad hoc Ondemand Distance Vector Routing)由 DSDV 发展而来，不同的是 AODV 为反应式路由协议。 源节点首先广播一个携带目的节点信息的路由分组（ RREQ），其邻居节点依次向周围节点广播此路由分组，广播 RREQ 前会无线自组网路由协议 表驱动路由协议 按需驱动路由协议 DSDV CGSR WRP DSR TORA AODV 13 建立此节点到源节点的路由，直到路由分组到达目的节点或者一个中间节点，这个节点包含目的节点的路由信息，就不再广播 RREQ。 此过程中，会建立一个从源节点到目的节点的反向路由，也就是从目的节点到源 节点的路由。 然后该节点将沿着反向路由发回一个 RREP， RREP 到达源节点后路由发现过程结束。 为避免路由循环，每一个路由分组中都包括一个 sequence ID（ SID）作为唯一标识，如果一个节点收到一个 SID 比它当前保留的 SID 小的数据包，表明该数据包是过时的，它将不予处理，而是简单的丢弃。 发现多条路由时，源节点会选择一条SID 大、跳数少的最优路由。 源节点移动后会重新启动路由发现过程，中间节点移动，那么其邻居节点会发现链路失效并向上游节点发送链路失效消息（ RERR），一直传到源节点，然后源节点重新发起路由发 现，或者也可以由发现链路失效的节点自己发起路由发现，此称为自修复。 只要路由是活动的，路由表就要一直维护下去。 活动的意思是有数据包从源节点发往目的节点，如果链路上不再有数据包传递，一段时间之后，链路就会过期，最终路由信息将会从中间节点的路由表中删除 [7]。 动态源路由协议 DSR DSR(Dynamic Source Routing)是一种基于源路由的按需路由协议，它使用源路由算法而不是逐跳路由的方法。 DSR 主要包括两个过程：路由发现和路由维护。 当源节点 S 向目的节点 D 发送数据时，它首先检查缓存是否存 在未过期的到目的节点的路由，如果存在，则直接使用可用的路由，否则启动路由发现过程。 具体过程如下：源节点 S 将使用洪泛法发送路由请求消息（ RREQ）， RREQ 包含源和目的节点地址以及唯一的标志号，中间节点转发 RREQ，并附上自己的节点标识。 当 RREQ 消息到达目的节点 D 或任何一个到目的节点路由的中间节点时， D 或该中间节点将向 S 发送路由应答消息（ RREP），该消息中将包含到 S到 D 的路由信息，并反转 S 到 D 的路由供 RREP 消息使用。 此外，中间节点也可以使用路由缓存技术（ Routing Cache）来对协议作进一步优化。 临时 排序 路由算法 TORA TORA(Temporally Ordered Routing Algorithm)协议称为临时排序路由算法，是一种源初始化按需路由选择协议，它采用链路反转的分布式算法，具有高度自适应、 高效率和较好的扩充性，比较适合高度动态移动、多跳的无线网络，其主14 要特点是控制报文定位在最靠近拓扑变化的一小部分节点处，因此节点只保留邻近点的路由信息。 该算法中路由不一定是最优的，常常使用次优路由以减少发现路由的开销。 TORA 协议包括 3 个基本模块：路由的创建、路由的维护和路由的删除。 在路由的建立和路由维护过程中，节点应用“高度” Metric 来建立一个以目的节点为根的有向非循环图。 这样链路根据相邻两个节点的高度值来确定向上或向下的方向。 路由协议性能评标准 主要包括以下几个方面的指标 [8]： （ 1）丢包率：网络中数据传输是以发送和接收数据包的形式进行的，理想状态下发送了多少数据分组就能接收多少数据分组，但是由于信号衰减、网络质量等诸多因素影响下，可能产生数据分组丢失。 在单位时间内未收到的数据分组与发送的数据分组的比率就是丢 包率，当然这个数字越小越好。 丢包率的计算公式 见式（ ）。 丢包率 =发送分组数未接收到的分组数 （ ） （ 2）端到端平均时延： 指单位数据包从源节点到目的节点所用的时间，时延越小，说明响应 越快，网络质量越令人满意。 该统计量反应了网络的拥塞状况，计算公式见式（ ）。 端到端平均时延 =数据包总数 所用时间源节点数据包成功传输 （ ） （ 3）路由 开销： 单位数据包个数所引起的额外路由分组个数，包括 RREQ（ Route Request，路由请求）、 RREP（ Route Reply，路由应答）、 RRER（ Route Error，路由错误）等，该统计量反应了路由协议的效率，计算 公式见式（ ）。 路由 开销 =发数的数据分组数发送的路由分组数 （ ） （ 4）平均吞吐量：该参数是在接收数据时由网络层的上层。