NS-3 的MANET 路由協(xié)議性能分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 NS-3 的MANET 路由協(xié)議性能分析 0 引言 隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的蓬勃發(fā)展，如何在硬件條件不具備的情況下研究大規(guī)模網(wǎng)絡，如何快速設計.實現(xiàn).分析新的協(xié)議和算法，如何比較新老系統(tǒng)和算法而不必花費巨資建立實際系統(tǒng)等問題日益成為網(wǎng)絡研究者關注的焦點.近年來，盛行的方式是通過計算機軟件對網(wǎng)絡協(xié)議.網(wǎng)絡拓撲.網(wǎng)絡性能開展模擬分析.采用這種網(wǎng)絡仿真的研究方法，降低了成本，研究方法靈活可靠，提高了研究效率.現(xiàn)在主流的網(wǎng)絡仿真工具主要有：OPNET,QualNet,NS-2.OPNET是商業(yè)軟件，軟件所提供的模型庫比較有限，而且主要集中于路由仿真.QualNet也是一

2、款商業(yè)軟件，弱化了網(wǎng)絡分層的概念.NS-2 的內容比較龐雜，各模塊間的協(xié)同及耦合不便于系統(tǒng)擴展.為此，在廣泛汲取現(xiàn)有網(wǎng)絡模擬器的成功經(jīng)驗根底上，美國華盛頓大學Thmos R. Henderson教授及其小組研發(fā)了一款極具特色的新型網(wǎng)絡仿真器-NS-3.相比其他網(wǎng)絡仿真工具，NS-3 是一款開源軟件，在多網(wǎng)卡處理和IP 尋址策略方面表現(xiàn)出更好特性，同時，NS-3 的架構也相對更明了清晰，代碼不需做很大修改就可直接移植到真實網(wǎng)絡節(jié)點上，此外，研究者可根據(jù)自身需求開展任意拓展. 1 MANET 路由協(xié)議分析 移動無線自組織網(wǎng)絡（MANET）是一種無中心.自組織的分布式多跳網(wǎng)絡，MANET以其固有特點

3、在某些特殊場景（如：救災.戰(zhàn)爭等）中得到了廣泛運用.路由協(xié)議的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡性能的優(yōu)劣.這里簡要介紹MANET中應用比較廣泛的3種平面路由協(xié)議.DSDV（Destination-Sequenced Distance Vector）是一種表驅動路由協(xié)議，它是在傳統(tǒng)的距離矢量DV算法根底上改良設計的，同時也被稱為消除環(huán)路的Bellman-Ford路由算法.DSDV算法中每個節(jié)點都維護一張到達全網(wǎng)可達目的節(jié)點的路由表.相比DV 算法，DSDV 的區(qū)別是路由中增加了目的系列號（Sequence Number）字段，通過序列號來區(qū)別新舊路由信息.節(jié)點將收到新路由信息和當前路由信息比較，選擇序列號

4、較大的路由記錄來更新路由表.若兩者序列號相同，則選擇跳數(shù)較小者.此外，全網(wǎng)節(jié)點要求周期性廣播路由包來開展路由維護.AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector）是一種源驅動的路由協(xié)議,是DSR協(xié)議結合了DSDV中的按需路由機制設計出來的.節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包時，首先查找自己路由表是否有到達目的節(jié)點的路由信息，若有，則直接按照路由信息發(fā)送；若沒有，則執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過程.節(jié)點廣播路由請求包RREQ給自己鄰居，鄰居收到RREQ 包后查詢自己路由表是否有到達目的節(jié)點路由信息，若有或本身就是目的節(jié)點，則將路由信息添加到路由應答包RREP,并將其反應給源節(jié)點；若沒有，再將RREQ轉

5、發(fā)給自己所有的鄰居.依次類推，直到到達目的節(jié)點或中間節(jié)點存在到達目的節(jié)點的路由. AODV 協(xié)議通過定期廣播Hello 分組來開展路由維護，一旦發(fā)現(xiàn)了某條通信鏈路斷開，節(jié)點就會在DE-LETE_PERIOD時間之后從路由表中刪除包含該斷開鏈路的路由，并發(fā)送ERROR（路由錯誤）報文來通知那些因為鏈路斷開而不可達的節(jié)點刪除相應的路由記錄或者對已經(jīng)存儲的路由信息開展修復更新. OLSR（Optimized Link State Routing）是一種優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，類似其他表驅動路由協(xié)議，節(jié)點需要周期性交互網(wǎng)絡路由信息.被鄰居節(jié)點選作中繼節(jié)點（Multi Point Telay,MPR）的

6、節(jié)點周期性向網(wǎng)絡廣播控制信息分組，分組中包括將它選作MPR 的那些節(jié)點的信息，以告訴網(wǎng)絡中其他節(jié)點與這些節(jié)點之間相連.而且，只有MPR節(jié)點才能夠作為路由節(jié)點，其他非MPR節(jié)點不參與路由計算，也不需轉播控制信息.OLSR協(xié)議中主要通過HELLO和TC（Topological Control）兩種控制消息來感知廣播拓撲.通過HELLO 消息實現(xiàn)鏈路偵測.鄰居偵聽，以此建立節(jié)點的本地鏈路信息表，同時用于向鄰居節(jié)點通告本節(jié)點的多點中繼MPR 節(jié)點的選擇；TC消息負責執(zhí)行MPR Selector鏈路狀態(tài)聲明，使得每個節(jié)點都能夠感知全網(wǎng)拓撲構造.終，節(jié)點根據(jù)本地鏈路信息庫和拓撲集合中的信息，采用Dijks

7、tra算法根據(jù)路徑短的原則計算路由表. 2 NS-3 仿真平臺搭建 2.1 NS-3仿真架構 NS-3是一款離散型模擬器，NS-3的網(wǎng)絡架構主要由模擬器內核和網(wǎng)絡構件2部分組成，如圖1所示.其中模擬器內核包括時間調度器和網(wǎng)絡模擬支持系統(tǒng)，是NS-3的部分.相比NS-2,NS-3仿真時間不僅支持Default Scheduler,而且還支持Realtime Scheduler. NS-3的網(wǎng)絡模擬支持系統(tǒng)包括：Attribute系統(tǒng).Logging系統(tǒng)和Tracing系統(tǒng).由于廣泛汲取了其他網(wǎng)絡仿真工具的經(jīng)驗和技術，NS-3的內核在可量測性.可擴展性.模塊化.支持仿真與現(xiàn)實融合等方面具有極大優(yōu)勢

8、.NS-3的網(wǎng)絡構件包括：節(jié)點（Node）.應用（Application）.協(xié)議棧（Protocol Stack）.網(wǎng)絡設備（Net Device）.信道（Channel）.拓撲生成器（Helper）等.網(wǎng)絡構件是對真實網(wǎng)絡的各個部分的抽象，具有低耦合高內聚特點，NS-3通過低層次的抽象，使得仿真效果盡可能反映真實網(wǎng)絡的性能. 2.2 NS-3仿真流程 以下簡單介紹NS-3代碼編寫的特點及如何在NS-3中搭建一個完整仿真場景的過程.NS-3運行在Linux環(huán)境下，對Linux系統(tǒng)版本有要求且依賴較多系統(tǒng)組件，安裝過程較復雜.NS-3仿真器代碼部分全部使用C+語言編寫，外部配置.編譯.執(zhí)行使用了

9、基于Python的waf系統(tǒng)，方便使用者配置仿真場景.NS-3完全模擬了TCP/IP的協(xié)議棧，并且把每一層的功能模塊化，在NS-3安裝完成后，默認只是生成各個功能模塊，自帶的仿真例子沒有生成，需要把這些例子復制到scrach文件夾下才能運行，并且NS-3中編寫好的代碼也都需要放到該文件夾下才能運行.在NS-3中搭建仿真場景遵循固定的流程，在編寫C+代碼時一般可以分為以下幾個步驟： （1）設置仿真場景的全局參數(shù).比方采用Seed-Manager:SetSeed（7）設置隨機數(shù)種子，以保證產(chǎn)生相同的隨機序列，設置隨機平面移動模型（Random-Walk2dMobilityModel）的參數(shù)Conf

10、ig:SetDefault（“NS-3:RandomWalk-2dMobilityModel:Mode”,StringValue（“Tim-e”）等，以上的全局設定使得仿真場景可以重現(xiàn). （2）定義仿真中使用的參數(shù)，比方數(shù)據(jù)包的大小，需要創(chuàng)立的節(jié)點個數(shù)，物理層使用的傳輸速率等，這些參數(shù)可以使用CommandLine類來實現(xiàn)并解析，方便在仿真過程中使用外部腳本動態(tài)改變這些參數(shù). （3）創(chuàng)立網(wǎng)絡節(jié)點，然后按照TCP/IP 協(xié)議，從下而上給網(wǎng)絡節(jié)點安裝協(xié)議棧.NS-3在實現(xiàn)中考慮到為了方便使用者，協(xié)議棧的每一層都實現(xiàn)了幫助類（XXX-Helper），使用者可以方便地使用這些幫助類設定每一層參數(shù).比方

11、使用YansWifiPhyHelper 設定物理層協(xié)議，使用YansWifiChannelHelper來設置傳輸信道類型，使用NqosWifiMacHelper來設置數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等.通過幫助類給節(jié)點安裝路由協(xié)議，分配IP地址，至此便搭建了TCP/IP的物理層.數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，實現(xiàn)網(wǎng)絡的通信功能. （4）通信網(wǎng)絡搭建好后，需要編寫實驗程序，即在節(jié)點之間的收發(fā)數(shù)據(jù)包的代碼，以到達測試底層協(xié)議的目的.NS-3 中為了減少使用者的編程工作量，同樣提供了豐富易用的函數(shù)，一般都是先創(chuàng)立使用UDP 協(xié)議套（Socket），同時把接收節(jié)點號.發(fā)送節(jié)點號作為參數(shù)傳入，再給套接字指定IP 地址，端口號，讓發(fā)

12、送節(jié)點連接到接收節(jié)點.為接收節(jié)點指定回調函數(shù). （5）完成節(jié)點之間如何發(fā)送數(shù)據(jù)包的代碼后，需要編寫接收節(jié)點的回調函數(shù)，即在接收節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后調用的函數(shù).可以在回調函數(shù)中對數(shù)據(jù)包的時延，投遞率開展統(tǒng)計. （6）使用Simulator:Schedule函數(shù)設定調度事件即設定源節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)的開始時間，發(fā)送間隔，發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)等.至此，整個場景部署完成. 3 路由協(xié)議的仿真及性能比較 在Ubuntu 10.04 環(huán)境下使用NS-3.16 對AODV.DS-DV 和OLSR 這三種路由協(xié)議開展仿真，并在相同的仿真場景下比較其性能指標.分別在靜態(tài)場景和動態(tài)場景下，考察網(wǎng)絡規(guī)模.網(wǎng)絡拓撲變化對協(xié)議性能的

13、影響. 3.1 靜態(tài)場景 仿真場景設置：模擬器的隨機數(shù)種子設定為常數(shù)7,節(jié)點按網(wǎng)格分布，網(wǎng)格邊長500 m,節(jié)點的規(guī)模從22,33逐漸增大到1818;設定節(jié)點的通信半徑為656 m,選取網(wǎng)格中對角線的一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，共發(fā)送500個數(shù)據(jù)包，包的大小為1 000 B,發(fā)送時間間隔為1 s.這里節(jié)點的物理層傳輸延遲模型采用Con-stantSpeedPropagationDelayModel,衰落模型選用Friis-PropagationLossModel,數(shù)據(jù)傳輸速率設置為1 Mb/s.增加網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)，考察3種協(xié)議的端到端平均時延和包投遞率情況，如圖2和圖3所示. 由圖2可以

14、看出，3種路由協(xié)議的平均時延隨節(jié)點規(guī)模的增大而增大，其中AODV和OLSR協(xié)議受到的影響較小，而DSDV的平均時延隨著節(jié)點規(guī)模的增大而急劇增大.圖3中AODV,OLSR的數(shù)據(jù)包投遞率隨節(jié)點數(shù)增大而不變，能保證百分百交付；而DSDV 協(xié)議的投遞率在節(jié)點數(shù)增大到一定的規(guī)模后開始下降.以上特性說明在節(jié)點規(guī)模增大時，AODV 和OLSR 協(xié)議的性能要優(yōu)于DSDV. 3.2 動態(tài)場景 仿真場景設置：在靜態(tài)場景的根底上，為節(jié)點添加RandomWalk2dMobilityModel 運動模型，該模型為每個節(jié)點隨機選擇一個方向，以設定的速度移動一段時間后再隨機選擇另一個方向繼續(xù)移動，直接到仿真結束.設定相同的

15、隨機數(shù)種子以保證每次仿真中節(jié)點的運行軌跡一致.設定網(wǎng)格的邊長為300 m,節(jié)點的規(guī)模固定為77,即節(jié)點運動的區(qū)域限制在2 100 m2 100 m 的矩形內.仍考察對角線的一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，每次仿真發(fā)送3 000個數(shù)據(jù)包.增加節(jié)點移動速度，考察三種協(xié)議的端到端平均時延和包投遞率情況，如圖4和圖5所示. 從圖4和圖5可以看出，3種路由協(xié)議的平均時延與節(jié)點的移動速度相關性不大，在速度較小時，3種路由協(xié)議的平均時延較穩(wěn)定，但在速度較大時，由于節(jié)點在矩形區(qū)域內做無規(guī)則的快速運動，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳輸?shù)侥繕斯?jié)點的跳數(shù)不確定，所以平均時延變化具有一定隨機性. 而由圖5可以看出，隨著節(jié)點移動速度的增大，數(shù)據(jù)包的投遞率逐漸下降，AODV協(xié)議因其屬于按需路由而不需