基于NS-2的無線網(wǎng)絡路由實驗設計

摘要：在計算機網(wǎng)絡教學過程中，構建具有相當規(guī)模的物理無線網(wǎng)絡實驗環(huán)境不切實際。因此，文中在NS-2網(wǎng)絡仿真器環(huán)境下，設計了3種典型的無線網(wǎng)絡路由協(xié)議驗證性實驗，仿真實驗直觀再現(xiàn)了無線網(wǎng)絡路由協(xié)議的工作原理，同時給出路由協(xié)議的性能評價指標，引導學生提出新的路由協(xié)議并進行創(chuàng)新性實驗設計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研素質。
關鍵詞：NS-2；無線網(wǎng)絡；實驗設計

    移動無線Adhoc網(wǎng)絡具有無基礎設施、分布式、自組織、自配置、自管理的特性，可在應急條件下快捷部署的計算機網(wǎng)絡，在軍事、搶險救災、突發(fā)事件應對等方面具有廣泛的潛在應用。移動Adhoc網(wǎng)絡技術抽象復雜、難于理解，在教學過程中構建具有相當規(guī)模的實驗網(wǎng)絡不切實際。因此，設計基于NS-2網(wǎng)絡仿真軟件的實驗，讓學生在個人電腦上完成，深刻理解Adhoc網(wǎng)絡技術的原理、學會評價其性能，針對目前已提出的Adhoc路由技術的不足，探索一些創(chuàng)新性實驗設計方案，改進或者提出更優(yōu)的路由技術。

1 無線移動Adhoe網(wǎng)絡路由
    路由的任務是把數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點經(jīng)過中間網(wǎng)絡節(jié)點送達到目的節(jié)點，是移動Adhoc網(wǎng)絡組網(wǎng)的關鍵技術，影響著網(wǎng)絡延時、吞吐量等性能的優(yōu)劣。由于無線移動Adhoc網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化、資源限制等特點，給路由技術的設計帶來了巨大的困難，在數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，中間節(jié)點主要涉及2個基本行為，即確定最佳路徑和數(shù)據(jù)包的轉發(fā)，數(shù)據(jù)包的轉發(fā)較為簡單，路由選擇較為復雜，目前典型的路由技術有DSDV、DSR、AODV等。
1．1 目的節(jié)點序列距離矢量協(xié)議(DSDV)
    DSDV是基于Belhnan-Ford算法表驅動的平面路由協(xié)議，每個節(jié)點都存儲維護一張路由表，記錄網(wǎng)絡的全局視圖。路由表記錄著目的節(jié)點、跳數(shù)、下一條節(jié)點和目的節(jié)點序列號標識，序列號標隱含了路由的時間信息來區(qū)分新舊(過時的)路由，同時避免環(huán)路的產(chǎn)生。路由信息的建立維護過程是每個節(jié)點周期性地與鄰節(jié)點交換路由表信息，以維持所有節(jié)點都擁有完整的路徑信息，同時，節(jié)點路由信息發(fā)生改變時也觸發(fā)路由信息的重新建立。作為先應式路由的DSDV路由協(xié)議，再發(fā)送數(shù)據(jù)之前已建立好整個網(wǎng)絡的路由信息，數(shù)據(jù)可以立即傳輸，因此適用于實時性應用環(huán)境中，但是網(wǎng)絡拓撲變化頻繁時，維護路由信息的代價很高，因此不適合移動性強和大規(guī)模的網(wǎng)絡環(huán)境中。
1．2 動態(tài)源路由協(xié)議(DSR)
    和先應式表驅動路由不同，DSR是一種按需(On_demand)平面路由協(xié)議，當一個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，首先檢查路由緩沖，是否存在從源節(jié)點到目的節(jié)點的一條路由，如果存在，就啟動該路由通往的節(jié)點轉發(fā)信息，其他非參與節(jié)點睡眠以節(jié)省能量等資源。如果不存在通往目的節(jié)點的路由，該節(jié)點則啟動路由搜索，路由搜索過程：源節(jié)點通過泛洪方式廣播路由請求分組給鄰居節(jié)點，鄰居節(jié)點收到路由請求分組后，檢查自己的地址是否在路由請求分組中，如存在，就不轉發(fā)路由請求分組，如不存在，就把自己的地址添加到路由請求分組，并轉發(fā)補充了自己地址的的路由請求分組，這個過程持續(xù)到有一個路由請求分組到達目的節(jié)點，當路由請求分組到達目的節(jié)點時，節(jié)點要返回一個路由應答分組通知節(jié)點己收到該路由請求。到達目的節(jié)點的的路由請求分組包含從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，目的節(jié)點就可以選擇利用反向路由來發(fā)送路由應答，從源節(jié)點到目的節(jié)點可能在多條路由，一個源節(jié)點可能從目的節(jié)點那收到很多個路由應答，DSR協(xié)議把這些路由緩存在路由緩存中以備將來所用。DSR協(xié)議主機不需要周期性的發(fā)送路由發(fā)現(xiàn)報文，支持主機睡眠。但是數(shù)據(jù)收發(fā)的每個報文都需要攜帶完整的路由信息，降低了網(wǎng)絡帶寬的利用率，在大規(guī)模的網(wǎng)絡中也不適用。
1．3 按需平面路由協(xié)議(AODV)
    AODV路由協(xié)議結合DSR的優(yōu)點，改進DSDV，在需要時才建立路由信息，允許節(jié)點獲得多條路徑到達目的節(jié)點且不要求節(jié)點維護這些路由信息，因此其收斂速度快、計算量小、存儲資源消耗小、對網(wǎng)絡帶寬占用小。節(jié)點需要數(shù)據(jù)發(fā)送時也同DSR路由協(xié)議一樣，啟動路由搜索過程，也采用節(jié)點序列號避免環(huán)路的產(chǎn)生。

2 無線網(wǎng)絡路由實驗設計
    UC Berkeley開發(fā)的NS-2是開源的網(wǎng)絡仿真軟件，用戶可根據(jù)問題定義，是否需要修改源碼，編寫TCL模擬腳本和結果分析3個過程完成研究任務。筆者在計算機網(wǎng)絡專業(yè)課程教學中，設計了NS-2仿真環(huán)境下的無線網(wǎng)絡路由實驗，讓學生在自己的個人電腦上完成該試驗。
2．1 實驗目的
    組建物理無線網(wǎng)絡實驗環(huán)境不切實際，因此在NS-2網(wǎng)絡仿真器環(huán)境下，設計3種典型的無線網(wǎng)絡路由協(xié)議驗證性實驗，使學生理解表驅動路由協(xié)議和按需路由工作原理的基礎上，引導學生提出性能評價體系對比已提出的無線網(wǎng)絡路由協(xié)議優(yōu)缺點和適用場合，從而改進或者提出新的路由協(xié)議并進行創(chuàng)新性實驗設計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研素質。
2．2 實驗設計
    實驗采用確定無線網(wǎng)絡結構、編寫TCL仿真代碼和設定trace文件記錄網(wǎng)絡事件，利用Gawk和gnuplot工具對網(wǎng)絡事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出網(wǎng)絡性能評價的過程進行。
2．2．1 拓撲結構
    為了直觀觀測路由收斂和工作原理，實驗采用如圖1所示的拓撲結構，共有8個Adhoc節(jié)點，節(jié)點間的距離設置為200 m，每個節(jié)點的通信范圍設置為250 m。節(jié)點7向節(jié)點6發(fā)送恒定速率(CBR)的數(shù)據(jù)流，同時節(jié)點7在仿真10 s后開始向節(jié)點5的正上方移動。

2．2．2 仿真實現(xiàn)
    1)編碼

    
    
    2)運行演示
    編寫好仿真腳本后，啟動xwin窗口，使用ns*．tlc命令，*為仿真文件名。運行過程用nam動畫演示，節(jié)點發(fā)送的廣播以圓圈逐步擴散，數(shù)據(jù)分組以小黑點按路由傳輸，不能及時傳送的分組進入隊列緩存，如滿則丟棄。
2．2．3 實驗結果分析
    1)trace文件解讀 仿真運行完成后，截取其中建立9條鏈路的開始一段trace文件，如下所示：

    Trace文件的記錄共有21欄，其中(1)表示事件類型，共有4類事件：s分組的發(fā)送事件，r分組接收事件，d分組丟棄，f分組轉發(fā)；(2)時間發(fā)生時間；(3)處理事件的節(jié)點；(4)Trace名稱；(5-6)分隔符；(7)分組ID；(8)分組類型；(9)分組大小；(10-13)MAC層的信息；(14-17)分隔符；(18-21)IP層的信息。
    2)路由協(xié)議性能評價 設計“優(yōu)良”的adhoc無線網(wǎng)絡路由協(xié)議是目前無線組網(wǎng)的關鍵技術之一，“優(yōu)良”需要完整的評價體系，一般采用定性分析和定量相結合的方式進行。定性分析可以從適應動態(tài)拓撲、控制開銷、分布式操作、基于需求的操作、先應操作、“睡眠”周期操作、路由方式和路由更新方式等方面進行，可以得出路由協(xié)議的適應性。定量指標包括數(shù)據(jù)包成功接收率、端到端平均時延、路由開銷、分組數(shù)據(jù)的丟包率、第一個封包的接收時間等指標，可以統(tǒng)計Trace文件得到。
2．2．4 實驗結果分析
    通過本實驗，學生可直觀的觀測無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分組的傳送過程，分析trace文件，可以全面理解網(wǎng)絡行為同時從網(wǎng)絡延遲、丟包率、吞吐量等各個方面理解評價網(wǎng)絡性能，全面理解無線網(wǎng)絡路由的工作原理，但是上面的實驗由于拓撲結構簡單，而無線adhoc網(wǎng)絡一般范圍大，節(jié)點移動性強，為了仿真真實的應用場景，可以用NS-2下的cbr工具生成多條業(yè)務流，用setdest工具生成更加真實的應用場景進行仿真。下面是仿真時間為100 s，暫停時間設為0 s，也就是節(jié)點在仿真時間內(nèi)一直移動，設置CBR流，最大的連接數(shù)為10條，每秒發(fā)出10個封包。在500 m*500 m的范圍內(nèi)節(jié)點數(shù)分別設為100、150、200、250、300、400對3種典型路由協(xié)議進行仿真統(tǒng)計出的平均延時。

    在節(jié)點數(shù)量較小時，平均傳輸延遲相當，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，DSDV比DSR和AODV大，說明DSDV路由表建立后，隨著節(jié)點移動和節(jié)點數(shù)的增加，需要更新路由表次數(shù)更頻繁，影響包傳送的時間。

3 結束語
    無線網(wǎng)絡技術是目前計算機網(wǎng)絡教學的重點和研究的熱點問題，原理抽象，不易理解，難以掌握，同時面向實際應用還有一些需要解決的問題，在教學過程中，結合教學內(nèi)容的特點，設計一些研究性實驗，使學生面對問題、分析問題進而提出解決問題和采用方便的手段就行驗證，從而提高教學質量。