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(luò)技術(shù)和通信技術(shù)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(luò)，如何快速設(shè)計(jì).實(shí)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(fèi)巨資建立實(shí)際系統(tǒng)等問(wèn)題日益成為網(wǎng)絡(luò)研究者關(guān)注的焦點(diǎn).近年來(lái)，盛行的方式是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)性能開(kāi)展模擬分析.采用這種網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(kù)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(luò)分層的概念.NS-2 的內(nèi)容比較龐雜，各模塊間的協(xié)同及耦合不便于系統(tǒng)擴(kuò)展.為此，在廣泛汲取現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模擬器的成功經(jīng)驗(yàn)根底上，美國(guó)華盛頓大學(xué)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(luò)仿真器-NS-3.相比其他網(wǎng)絡(luò)仿真工具，NS-3 是一款開(kāi)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(shí)，NS-3 的架構(gòu)也相對(duì)更明了清晰，代碼不需做很大修改就可直接移植到真實(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，此外，研究者可根據(jù)自身需求開(kāi)展任意拓展. 1 MANET 路由協(xié)議分析 移動(dòng)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是一種無(wú)中心.自組織的分布式多跳網(wǎng)絡(luò)，MANET以其固有特點(diǎn)

3、在某些特殊場(chǎng)景（如：救災(zāi).戰(zhàn)爭(zhēng)等）中得到了廣泛運(yùn)用.路由協(xié)議的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣.這里簡(jiǎn)要介紹MANET中應(yīng)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(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)的，同時(shí)也被稱為消除環(huán)路的Bellman-Ford路由算法.DSDV算法中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一張到達(dá)全網(wǎng)可達(dá)目的節(jié)點(diǎn)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(hào)（Sequence Number）字段，通過(guò)序列號(hào)來(lái)區(qū)別新舊路由信息.節(jié)點(diǎn)將收到新路由信息和當(dāng)前路由信息比較，選擇序列號(hào)

4、較大的路由記錄來(lái)更新路由表.若兩者序列號(hào)相同，則選擇跳數(shù)較小者.此外，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)要求周期性廣播路由包來(lái)開(kāi)展路由維護(hù).AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector）是一種源驅(qū)動(dòng)的路由協(xié)議,是DSR協(xié)議結(jié)合了DSDV中的按需路由機(jī)制設(shè)計(jì)出來(lái)的.節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，首先查找自己路由表是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由信息，若有，則直接按照路由信息發(fā)送；若沒(méi)有，則執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程.節(jié)點(diǎn)廣播路由請(qǐng)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(dá)目的節(jié)點(diǎn)路由信息，若有或本身就是目的節(jié)點(diǎn)，則將路由信息添加到路由應(yīng)答包RREP,并將其反應(yīng)給源節(jié)點(diǎn)；若沒(méi)有，再將RREQ轉(zhuǎn)

5、發(fā)給自己所有的鄰居.依次類推，直到到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)或中間節(jié)點(diǎn)存在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由. AODV 協(xié)議通過(guò)定期廣播Hello 分組來(lái)開(kāi)展路由維護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)了某條通信鏈路斷開(kāi)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)在DE-LETE_PERIOD時(shí)間之后從路由表中刪除包含該斷開(kāi)鏈路的路由，并發(fā)送ERROR（路由錯(cuò)誤）報(bào)文來(lái)通知那些因?yàn)殒溌窋嚅_(kāi)而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的路由記錄或者對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)的路由信息開(kāi)展修復(fù)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(qū)動(dòng)路由協(xié)議，節(jié)點(diǎn)需要周期性交互網(wǎng)絡(luò)路由信息.被鄰居節(jié)點(diǎn)選作中繼節(jié)點(diǎn)（Multi Point Telay,MPR）的

6、節(jié)點(diǎn)周期性向網(wǎng)絡(luò)廣播控制信息分組，分組中包括將它選作MPR 的那些節(jié)點(diǎn)的信息，以告訴網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)與這些節(jié)點(diǎn)之間相連.而且，只有MPR節(jié)點(diǎn)才能夠作為路由節(jié)點(diǎn)，其他非MPR節(jié)點(diǎn)不參與路由計(jì)算，也不需轉(zhuǎn)播控制信息.OLSR協(xié)議中主要通過(guò)HELLO和TC（Topological Control）兩種控制消息來(lái)感知廣播拓?fù)?通過(guò)HELLO 消息實(shí)現(xiàn)鏈路偵測(cè).鄰居偵聽(tīng)，以此建立節(jié)點(diǎn)的本地鏈路信息表，同時(shí)用于向鄰居節(jié)點(diǎn)通告本節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)中繼MPR 節(jié)點(diǎn)的選擇；TC消息負(fù)責(zé)執(zhí)行MPR Selector鏈路狀態(tài)聲明，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠感知全網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)造.終，節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地鏈路信息庫(kù)和拓?fù)浼现械男畔ⅲ捎肈ijks

7、tra算法根據(jù)路徑短的原則計(jì)算路由表. 2 NS-3 仿真平臺(tái)搭建 2.1 NS-3仿真架構(gòu) NS-3是一款離散型模擬器，NS-3的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由模擬器內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件2部分組成，如圖1所示.其中模擬器內(nèi)核包括時(shí)間調(diào)度器和網(wǎng)絡(luò)模擬支持系統(tǒng)，是NS-3的部分.相比NS-2,NS-3仿真時(shí)間不僅支持Default Scheduler,而且還支持Realtime Scheduler. NS-3的網(wǎng)絡(luò)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(luò)仿真工具的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，NS-3的內(nèi)核在可量測(cè)性.可擴(kuò)展性.模塊化.支持仿真與現(xiàn)實(shí)融合等方面具有極大優(yōu)勢(shì)

8、.NS-3的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件包括：節(jié)點(diǎn)（Node）.應(yīng)用（Application）.協(xié)議棧（Protocol Stack）.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（Net Device）.信道（Channel）.拓?fù)渖善鳎℉elper）等.網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件是對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)部分的抽象，具有低耦合高內(nèi)聚特點(diǎn)，NS-3通過(guò)低層次的抽象，使得仿真效果盡可能反映真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能. 2.2 NS-3仿真流程 以下簡(jiǎn)單介紹NS-3代碼編寫(xiě)的特點(diǎn)及如何在NS-3中搭建一個(gè)完整仿真場(chǎng)景的過(guò)程.NS-3運(yùn)行在Linux環(huán)境下，對(duì)Linux系統(tǒng)版本有要求且依賴較多系統(tǒng)組件，安裝過(guò)程較復(fù)雜.NS-3仿真器代碼部分全部使用C+語(yǔ)言編寫(xiě)，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(chǎng)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(rèn)只是生成各個(gè)功能模塊，自帶的仿真例子沒(méi)有生成，需要把這些例子復(fù)制到scrach文件夾下才能運(yùn)行，并且NS-3中編寫(xiě)好的代碼也都需要放到該文件夾下才能運(yùn)行.在NS-3中搭建仿真場(chǎng)景遵循固定的流程，在編寫(xiě)C+代碼時(shí)一般可以分為以下幾個(gè)步驟： （1）設(shè)置仿真場(chǎng)景的全局參數(shù).比方采用Seed-Manager:SetSeed（7）設(shè)置隨機(jī)數(shù)種子，以保證產(chǎn)生相同的隨機(jī)序列，設(shè)置隨機(jī)平面移動(dòng)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(shè)定使得仿真場(chǎng)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?jiǎng)?chuàng)立的節(jié)點(diǎn)個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)并解析，方便在仿真過(guò)程中使用外部腳本動(dòng)態(tài)改變這些參數(shù). （3）創(chuàng)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，然后按照TCP/IP 協(xié)議，從下而上給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝協(xié)議棧.NS-3在實(shí)現(xiàn)中考慮到為了方便使用者，協(xié)議棧的每一層都實(shí)現(xiàn)了幫助類（XXX-Helper），使用者可以方便地使用這些幫助類設(shè)定每一層參數(shù).比方

11、使用YansWifiPhyHelper 設(shè)定物理層協(xié)議，使用YansWifiChannelHelper來(lái)設(shè)置傳輸信道類型，使用NqosWifiMacHelper來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等.通過(guò)幫助類給節(jié)點(diǎn)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(luò)層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信功能. （4）通信網(wǎng)絡(luò)搭建好后，需要編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)程序，即在節(jié)點(diǎn)之間的收發(fā)數(shù)據(jù)包的代碼，以到達(dá)測(cè)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(shí)把接收節(jié)點(diǎn)號(hào).發(fā)送節(jié)點(diǎn)號(hào)作為參數(shù)傳入，再給套接字指定IP 地址，端口號(hào)，讓發(fā)

12、送節(jié)點(diǎn)連接到接收節(jié)點(diǎn).為接收節(jié)點(diǎn)指定回調(diào)函數(shù). （5）完成節(jié)點(diǎn)之間如何發(fā)送數(shù)據(jù)包的代碼后，需要編寫(xiě)接收節(jié)點(diǎn)的回調(diào)函數(shù)，即在接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后調(diào)用的函數(shù).可以在回調(diào)函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)包的時(shí)延，投遞率開(kāi)展統(tǒng)計(jì). （6）使用Simulator:Schedule函數(shù)設(shè)定調(diào)度事件即設(shè)定源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)的開(kāi)始時(shí)間，發(fā)送間隔，發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)等.至此，整個(gè)場(chǎng)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(duì)AODV.DS-DV 和OLSR 這三種路由協(xié)議開(kāi)展仿真，并在相同的仿真場(chǎng)景下比較其性能指標(biāo).分別在靜態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，考察網(wǎng)絡(luò)規(guī)模.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘜?duì)協(xié)議性能的

13、影響. 3.1 靜態(tài)場(chǎng)景 仿真場(chǎng)景設(shè)置：模擬器的隨機(jī)數(shù)種子設(shè)定為常數(shù)7,節(jié)點(diǎn)按網(wǎng)格分布，網(wǎng)格邊長(zhǎng)500 m,節(jié)點(diǎn)的規(guī)模從22,33逐漸增大到1818;設(shè)定節(jié)點(diǎn)的通信半徑為656 m,選取網(wǎng)格中對(duì)角線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，共發(fā)送500個(gè)數(shù)據(jù)包，包的大小為1 000 B,發(fā)送時(shí)間間隔為1 s.這里節(jié)點(diǎn)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(shè)置為1 Mb/s.增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，考察3種協(xié)議的端到端平均時(shí)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(shí)延隨節(jié)點(diǎn)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(shí)延隨著節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)增大到一定的規(guī)模后開(kāi)始下降.以上特性說(shuō)明在節(jié)點(diǎn)規(guī)模增大時(shí)，AODV 和OLSR 協(xié)議的性能要優(yōu)于DSDV. 3.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景 仿真場(chǎng)景設(shè)置：在靜態(tài)場(chǎng)景的根底上，為節(jié)點(diǎn)添加RandomWalk2dMobilityModel 運(yùn)動(dòng)模型，該模型為每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)方向，以設(shè)定的速度移動(dòng)一段時(shí)間后再隨機(jī)選擇另一個(gè)方向繼續(xù)移動(dòng)，直接到仿真結(jié)束.設(shè)定相同的

15、隨機(jī)數(shù)種子以保證每次仿真中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌跡一致.設(shè)定網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為300 m,節(jié)點(diǎn)的規(guī)模固定為77,即節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域限制在2 100 m2 100 m 的矩形內(nèi).仍考察對(duì)角線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，每次仿真發(fā)送3 000個(gè)數(shù)據(jù)包.增加節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度，考察三種協(xié)議的端到端平均時(shí)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(shí)延與節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度相關(guān)性不大，在速度較小時(shí)，3種路由協(xié)議的平均時(shí)延較穩(wěn)定，但在速度較大時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)在矩形區(qū)域內(nèi)做無(wú)規(guī)則的快速運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)不確定，所以平均時(shí)延變化具有一定隨機(jī)性. 而由圖5可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)移動(dòng)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