基于網(wǎng)絡(luò)編碼的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)研究與仿真

中北大學(xué)20**屆畢業(yè)設(shè)計說明書第72頁共72頁1引言1.1研究問題現(xiàn)狀近年來，無線通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，其中移動通信系統(tǒng)的3G技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用普及階段，并朝第四代通信系統(tǒng)方向演進(jìn)?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006一2020)中已經(jīng)明確提出了未來通信領(lǐng)域的競爭將集中反映在特殊環(huán)境和新興應(yīng)用領(lǐng)域中的通信網(wǎng)絡(luò)能力及通信技術(shù)的競爭上[1]。其中新興應(yīng)用領(lǐng)域涉及到的移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更是被作為前沿技術(shù)中的重點。目前,移動通信的快速發(fā)展使得移動網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸增大，移動應(yīng)用不斷豐富，移動終端的處理能力越來越強(qiáng)。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,各具特色的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷涌現(xiàn),包括無線個域網(wǎng)(如IEEE802.15)、無線局域網(wǎng)(如IEEE802.lla/b/g/i/n)、無線城域網(wǎng)(如802.16、802.20)、無線移動廣域網(wǎng)(如2G、3G)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以及無線自組織(AdHoc)網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)等等。而WIFi、WIMax、UWB等無線接入網(wǎng)絡(luò)和GPRS、B3G、UMTS等蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施與技術(shù)的完善為移動應(yīng)用提供了在任何時間、任何地點訪問所有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可能性。在上述的各種網(wǎng)絡(luò)發(fā)展后，一種節(jié)點移動范圍更大，網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)都是不連通的新型網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了，這種類型的網(wǎng)絡(luò)被稱為機(jī)會網(wǎng)絡(luò)，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)是一種不需要源節(jié)點和目的節(jié)點之間存在完整路徑，利用節(jié)點移動帶來的相遇機(jī)會實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的自組織網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是，總體而言目前相關(guān)研究還處于一個剛起步的初級階段。隨著移動應(yīng)用業(yè)務(wù)的增加以及機(jī)會網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面應(yīng)用與深入仍然要解決很多極具挑戰(zhàn)性的問題，如復(fù)雜環(huán)境下的路由、數(shù)據(jù)時延與網(wǎng)絡(luò)開銷均衡問題、移動狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)可靠性以及安全問題等等。同時在一些領(lǐng)域，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未形成，尤其在國內(nèi)對于這類高延遲的特殊通信網(wǎng)絡(luò)的研究才剛剛起步。規(guī)劃信息化發(fā)展戰(zhàn)略中不僅強(qiáng)調(diào)了信息產(chǎn)業(yè)以及信息技術(shù)的發(fā)展，同時也提出了將寬帶無線移動通信、新興及特殊應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信等核心關(guān)鍵技術(shù)研究作為我國信息技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。因此，對機(jī)會網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)展開研究將為正確理解機(jī)會網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c數(shù)據(jù)傳輸特點提供可行性依據(jù)，有助于推進(jìn)現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)的可擴(kuò)展性，并對提高機(jī)會網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性，探索節(jié)點移動模型對機(jī)會網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能保障的影響，推動相關(guān)技術(shù)的深入研究有重要現(xiàn)實的意義。2000年,R.Ahlswede等人基于網(wǎng)絡(luò)信息流的概念提出了網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，通過允許中間節(jié)點既實現(xiàn)路由功能又實現(xiàn)編碼功能，達(dá)到組播的最大流量[2]。為使得網(wǎng)絡(luò)編碼具有實際可用性，Li等人提出了線性網(wǎng)絡(luò)編碼的概念，證實節(jié)點進(jìn)行線性網(wǎng)絡(luò)編碼運(yùn)算，具有可行性，能夠達(dá)到最大流傳輸理論極限[3]。Ho等人推廣了這一概念，提出了有限域下隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，并證實其有效性[4]。之后，隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼被應(yīng)用于各個方面的研究，用于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能量利用效率。網(wǎng)絡(luò)編碼徹底改變了通信網(wǎng)絡(luò)中信息處理和信息傳輸?shù)姆绞剑徽J(rèn)為是進(jìn)入21世紀(jì)后信息處理和信息傳輸研究領(lǐng)域上最重要的理論成果之一。網(wǎng)絡(luò)編碼的核心思想是允許通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行操作和處理（如有限域中的運(yùn)算等），而不再局限于存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)的基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的路由傳輸機(jī)制相比，網(wǎng)絡(luò)編碼能顯著改善數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)性能，如提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量，節(jié)約傳輸帶寬和均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等。網(wǎng)絡(luò)編碼具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景，其研究已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視。國際知名大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司，如普林斯頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院（MIT）、貝爾實驗室（BellLab）、AT&T的香農(nóng)信息實驗室和微軟公司（Microsoft）等都積極投入對網(wǎng)絡(luò)編碼的研究，并取得了一些重要的研究成果。我國的香港中文大學(xué)（CUHK）、清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)和南京大學(xué)等也對網(wǎng)絡(luò)編碼展開了研究，并取得一定的進(jìn)展。機(jī)會網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)鏈路斷裂，網(wǎng)絡(luò)不連通的狀況，在這種情況下，節(jié)點一般并不丟棄數(shù)據(jù)包，相反節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)一般采用“存儲一攜帶一轉(zhuǎn)發(fā)”的模式，傳統(tǒng)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，中間節(jié)點只進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)操作，但是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，中間節(jié)點可以對接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行隨機(jī)線性組合編碼，可以增大單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日趨龐大、各種網(wǎng)絡(luò)方案和協(xié)議日趨復(fù)雜，分析、實驗和仿真等方法成為了當(dāng)前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的有效手段。研究網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)成為了現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，在通信網(wǎng)絡(luò)性能研究中起關(guān)鍵性作用。在眾多網(wǎng)絡(luò)仿真軟件中NS2具有免費(fèi)、源代碼開放、易擴(kuò)展等等優(yōu)點而備受研究人員的青睞。NS2是一個開源的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可以再windows/unix上運(yùn)行，且所有源代碼公開，對于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的研究和擴(kuò)展非常方便。本課題研究的內(nèi)容就是在仿真平臺NS2下設(shè)計并建立機(jī)會網(wǎng)絡(luò)模型，理解網(wǎng)絡(luò)編碼的原理，在NS2中編程實現(xiàn)基于分簇的隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的仿真并與一般的網(wǎng)絡(luò)編碼比較其網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時延性能。1.2本文的內(nèi)容組織本文內(nèi)容組織如下：先分別介紹了機(jī)會網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)編碼原理及仿真平臺NS2的各種知識，然后使用NS2構(gòu)建機(jī)會網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，編出各個代碼腳本，在NS2上仿真實驗，得出數(shù)據(jù)并畫圖進(jìn)行說明驗證。2機(jī)會網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)編碼相關(guān)知識2.1機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的概念機(jī)會網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的自組織網(wǎng)絡(luò)，它不需要存在端到端的完整路徑，充分利用了節(jié)點移動帶來的相遇機(jī)會（contact），實現(xiàn)數(shù)據(jù)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，并最終傳送到目的節(jié)點[5]。從本質(zhì)上來看，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)否定了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€根本前提——在路由期間或者數(shù)據(jù)傳遞期間，存在一條或者多條源端到目的端的路徑。機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的相遇（contact）概念是指節(jié)點之間發(fā)生的一次聯(lián)系。當(dāng)節(jié)點（如：車輛、移動用戶）進(jìn)入彼此的通信范圍之內(nèi)時，則發(fā)生通信，當(dāng)兩者離開彼此通信范圍時，則鏈路斷開，停止通信。在機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，contact是機(jī)會性的，而非確定性的。圖2.1是一個機(jī)會網(wǎng)絡(luò)示意圖，t1時刻源節(jié)點S希望將數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)節(jié)點D，但S和D位于不同的連通域而沒有通信路徑，因此，S首先將數(shù)據(jù)打包成消息發(fā)送給鄰居節(jié)點3，由于3并沒有合適的機(jī)會轉(zhuǎn)發(fā)下一跳節(jié)點，它將消息在本地存儲并等待傳輸機(jī)會，經(jīng)過一段時間到達(dá)t2時刻，節(jié)點3運(yùn)動到節(jié)點4的通信范圍并轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點4，在t3時刻，節(jié)點4將消息傳輸給目標(biāo)節(jié)點D，完成數(shù)據(jù)傳輸。圖2.1機(jī)會網(wǎng)絡(luò)示意圖機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的部分概念來源于早期的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)DTN(delaytolerantnetwork)[6]研究。DTN最初是容遲網(wǎng)絡(luò)研究組(DTNRG)為星際網(wǎng)絡(luò)IPN(interplanetarynetwork)[7]通信而提出來的，其主要目標(biāo)是支持具有間歇性連通、延遲大、錯誤率高等通信特征的不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和互操作，如互聯(lián)Internet和傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動自組織網(wǎng)絡(luò)等。DTN網(wǎng)絡(luò)體系由多個底層運(yùn)行獨立通信協(xié)議的DTN域組成。域間網(wǎng)關(guān)利用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”的模式工作，當(dāng)去往目標(biāo)DTN域的鏈路存在時轉(zhuǎn)發(fā)消息，否則，將消息存儲在本地持久存儲器中等待可用鏈路。機(jī)會網(wǎng)絡(luò)可以看成是具有一般DTN網(wǎng)絡(luò)特征的無線自組網(wǎng)。2.2機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)Internet傳輸結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別在于束層（BundleLayer），它位于傳輸層和應(yīng)用層之間，它跟底層協(xié)議相互配合，使得應(yīng)用程序可以跨過多個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)通信。機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用束層來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，并保證逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性以及端到端的確認(rèn)。該架構(gòu)非常靈活，既保證了各層的共性，又避免非法使用其他層。1、束層為了實現(xiàn)“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的消息交換機(jī)制，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點的應(yīng)用層和傳輸層之間插入了一個新的協(xié)議層——束層。使用束層的一個主要原因是在機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，傳輸延時差異很大，當(dāng)一個數(shù)據(jù)包丟失時，整個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)成為無用數(shù)據(jù)。因此為了避免這樣的事情發(fā)生，將數(shù)據(jù)打包成一個較大的消息，稱之為束，并使之不能輕易分割成更小的片段。機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中一般不存在從源節(jié)點到目的節(jié)點的端到端的連接，因此束會存儲在中繼節(jié)點上并等待合適機(jī)會進(jìn)行傳輸。一個束必須包含的信息有：源端地址、目的端地址、起始時間、束的生存時間、數(shù)據(jù)長度及服務(wù)類型等。此外，對于具體的應(yīng)用，可能還需要一些狀態(tài)域和認(rèn)證消息，例如，監(jiān)管傳送請求等。2、監(jiān)管傳送束層提供了一種簡單的并且不需要應(yīng)答的投遞機(jī)制，但框架本身提供了兩種可能的方法來提高可靠性：端到端的應(yīng)答和監(jiān)管傳送。通過監(jiān)管傳送，可以保證端到端的可靠性。在特定的環(huán)境下，這種機(jī)制可以更好地利用資源，例如源節(jié)點可以將已經(jīng)投遞成功的束在緩存中釋放掉。3、機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一個束的源端和目的端是由端點號EID（Endpoint-Identifier）來標(biāo)識的。EID中包含一個或多個機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。當(dāng)目的地收到該束時，認(rèn)為該束傳遞成功。EID可以類比于DNS（DomainNameSystem）中的統(tǒng)一資源標(biāo)識（URI，UniformResourceIdentifier），并且與路由或拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)沒有必然聯(lián)系。區(qū)域名是早先提出的一個概念，一個完整的地址由區(qū)域號和節(jié)點號組成?；谶@種區(qū)域的概念，束首先投遞到目的節(jié)點所在的區(qū)域，然后再投遞到目的節(jié)點。4、服務(wù)分類按重要性不同，束層引入了三類服務(wù)：1、大塊束（bulkbundles），只需要較小的投入，當(dāng)有資源可用時就可以提供這種服務(wù)；2、正常束（normalclassbundles），比大塊束優(yōu)先級要高，但比“加快束”（expeditedbundles）優(yōu)先級要低；3、加快束，這類服務(wù)只是針對來自同一個端點的束而言，例如：當(dāng)大塊束與加快束來自不同的端點時，即使加快束比大塊束優(yōu)先級高，但大塊束仍有可能比加快束先傳遞。5、安全機(jī)會網(wǎng)絡(luò)框架提供了一個可選的安全構(gòu)架，使用逐跳、端到端的授權(quán)和誠信機(jī)制，主要的困難是如何對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和如何轉(zhuǎn)發(fā)控制消息。沒有進(jìn)行認(rèn)證的節(jié)點不能夠通過機(jī)會網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且不能利用該網(wǎng)絡(luò)以外的節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。2.3機(jī)會網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮攸c1、多跳網(wǎng)由于無線通信的距離受限制，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的通信通常需要借助其他節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)，便形成了多跳通信路徑。2、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的相互連通性構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以以隨機(jī)的速度和方式移動，加上發(fā)射功率的變化，以及無線信道的干擾大小不斷變化等因素，節(jié)點間通過無線通信形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能隨時發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是難以預(yù)料的。3、分布式控制在機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，為了實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點之間的通信，需要解決無線資源使用、路由發(fā)現(xiàn)等控制問題。由于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)沒有預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，也就沒有預(yù)設(shè)的中心控制節(jié)點，所以只能采用分布式控制的方式來完成。4、對等性機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與節(jié)點可以直接互通，每個節(jié)點都相同，無主從之分，每個節(jié)點都能夠支持邏輯上的自發(fā)自收，即節(jié)點直接的來去雙向鏈路都相同。因此，無機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線通信裝置一般采用時分雙工方式（TDD）。 5、臨時自組織性若干個無線節(jié)點聚集到一起時，他們便臨時自組織性地形成了一個無線通信網(wǎng)絡(luò)，該臨時性包括：網(wǎng)絡(luò)成員的臨時性，網(wǎng)絡(luò)組織的臨時性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞呐R時性，網(wǎng)絡(luò)路由的臨時性，網(wǎng)絡(luò)無線資源分配采用按需臨時分配等。6、鏈路帶寬受限機(jī)會網(wǎng)絡(luò)采用無線傳輸技術(shù)作為其基本通信手段，與有線傳輸技術(shù)相比，它具有較低的傳輸帶寬。并且由于各個節(jié)點分布式競爭使用信道，使得每個移動節(jié)點實際使用的帶寬遠(yuǎn)小于物理層所提供的最大傳輸速率。7、能量受限機(jī)會網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動節(jié)點一般需要依靠電池來提供能量，因此，節(jié)省功率將使自組網(wǎng)技術(shù)中一個需要高度重視的問題。8、有限的安全性機(jī)會網(wǎng)絡(luò)由于采用分布式控制、無中心、臨時組織等原因，它比一般的無線網(wǎng)絡(luò)更易受到安全方面的威脅。2.4機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動模型節(jié)點移動模型描述了節(jié)點的移動模式，包括位置、速度等特征的變化，廣泛應(yīng)用于自組網(wǎng)協(xié)議性能的分析和評價，是自組織網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究之一。傳統(tǒng)的MANET假設(shè)網(wǎng)絡(luò)是全連通的，節(jié)點的移動對路由層以上的協(xié)議是“屏蔽”的。因此一般從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣嵌热シ治鲆苿幽Ｐ蛯f(xié)議性能的影響，如拓?fù)溥B通率、節(jié)點連通度等，而機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的移動模型研究是以刻畫節(jié)點相遇特征為核心的。這是因為在機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸依賴于節(jié)點移動帶來的相遇機(jī)會，而節(jié)點的相遇概率和相遇時間分布是由節(jié)點的移動模型決定的。因此，相比于傳統(tǒng)的MANET，移動模型對機(jī)會網(wǎng)絡(luò)研究更加重要。2.4.1獨立同分布的理論移動模型許多學(xué)者研究了3個經(jīng)典的獨立同分布移動模：RandomWayPoint[8](RWP)RandomWalk(RW)和RandomDirection[9](RD)。這些模型下的節(jié)點相遇特征可用兩個參數(shù)來刻畫：相遇時間(meetingtime，簡稱MT)和相遇間隔時間(intermeetingtime，簡稱IMT)。MT是指兩個節(jié)點從靜止開始到第一次相遇(進(jìn)入通信范圍)經(jīng)過的時間間隔，而IMT是指兩個節(jié)點前后兩次相遇的時間間隔。文獻(xiàn)[9]都分別從不同的角度證明了上述3個移動模型的節(jié)點期望相遇時間(expectedmeetingtime)服從指數(shù)分布或其尾部服從指數(shù)分布，并基于此分析了多種路由協(xié)議的延時性能。文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)出RW模型下期望相遇間隔時間的分布也服從指數(shù)分布，而文獻(xiàn)[11]推導(dǎo)了RD模型和RWP模型下的期望相遇間隔時間分布，并證明了RWP和RD模型下相遇時間和相遇間隔時間的尾部分布是無記憶的。2.4.2基于統(tǒng)計的實際移動模型除了從理論來推導(dǎo)以外，一些研究人員還利用統(tǒng)計方法，通過收集實際環(huán)境中節(jié)點的運(yùn)動軌跡來研究節(jié)點的移動特征。MIT的RealityMining項目[12]記錄了MIT校園中100個攜帶藍(lán)牙智能手機(jī)的學(xué)生和職工為期9個月的移動軌跡和相遇數(shù)據(jù)；UCSD的WirelessTopologyDiscovery[13]收集了11周內(nèi)300個無線PDA與Wi-Fi接入點的相遇數(shù)據(jù)；劍橋大學(xué)的Haggle項目[14]則記錄了若干個帶有藍(lán)牙接口的iMote設(shè)備在校園的相遇情況。此外，他們還在INFOCOM參會期間進(jìn)行了類似的實驗；UMass研究小組[15]收集并分析了由公交車上的Wi-Fi節(jié)點組成的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)DieselNet實際運(yùn)行中的相遇規(guī)律。文獻(xiàn)[2]通過分析文獻(xiàn)[13]中的數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)，實際節(jié)點的移動具有社區(qū)特性，節(jié)點相遇時間服從近似的冪律分布，而不是根據(jù)經(jīng)典移動模型推導(dǎo)出的指數(shù)分布，這些成果證實了傳統(tǒng)的移動模型并不一定適用于實際節(jié)點的移動特征，但研究人員在對于使用何種分布的移動模型問題上一直存在爭議。文獻(xiàn)[16]試圖統(tǒng)一這兩種類型的移動模型，作者從理論上推導(dǎo)出在一個有限邊界的移動空間中，節(jié)點相遇間隔時間服從指數(shù)分布，如果去掉有限邊界的條件，按照RW模型移動的節(jié)點相遇間隔就與統(tǒng)計觀察到的結(jié)果相一致，服從近似冪律分布。2.4.3基于社區(qū)的移動模型人所攜帶設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)是機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的一個主要應(yīng)用，探索適用于這類場景且便于數(shù)學(xué)分析的移動模型機(jī)會網(wǎng)絡(luò)研究的一個重點?；谟扇私M成的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動實際表現(xiàn)出的社區(qū)特性，一些研究人員提出了基于社區(qū)的移動模型(communitybasedmodel)。該模型下的節(jié)點并不是隨機(jī)選取移動位置，而是考慮了3種情況來決策下一步移動位置：1)節(jié)點偏好，節(jié)點比其他節(jié)點更傾向于去往某個特定位置或遇到特定節(jié)點;；2)節(jié)點異構(gòu)性:某些節(jié)點能夠到達(dá)所有位置，遇到所有其他節(jié)點；3)行為時變性:節(jié)點移動隨著時間變化。Musolesi等人[17]結(jié)合社會網(wǎng)絡(luò)理論提出了一種基于社區(qū)的移動模型。該模型根據(jù)節(jié)點之間聯(lián)系的緊密程度，將節(jié)點分布在多個在不同區(qū)域的社區(qū)，然后計算不同社區(qū)對每個節(jié)點的吸引力，并以此確定節(jié)點是否移動以及朝哪個目標(biāo)區(qū)域移動。Spyropoulos等人[18,19]提出了時變的社區(qū)移動模型，每個節(jié)點的工作周期由正常移動周期和集中移動周期組成，每個周期內(nèi)，節(jié)點隨機(jī)選擇一個社區(qū)作為它的本地社區(qū)。節(jié)點在每個周期都有兩種移動狀態(tài)，Localepoch和Roamingepoch。前者是選擇在本地社區(qū)內(nèi)移動，后者是在其他地方漫游。節(jié)點在兩個狀態(tài)之間以一定的概率來切換，形成一個馬爾可夫鏈，概率大小由所處的移動周期來確定。例如，在集中移動周期內(nèi)，節(jié)點訪問本地社區(qū)的概率較高。2.5網(wǎng)絡(luò)編碼的概念思想在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點僅對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，難以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖畲笸掏铝亢蛶捓寐?，若?shù)據(jù)傳輸路徑出現(xiàn)瓶頸鏈路，則網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能將受限于瓶頸鏈路。對此，在網(wǎng)絡(luò)中引入網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，增加結(jié)點對數(shù)據(jù)的編碼運(yùn)算功能，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)鏈路的帶寬資源，減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中瓶頸鏈路的影響。網(wǎng)絡(luò)編碼(networkcoding)是一種融合編碼和路由的信息交換技術(shù)，在傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由方法基礎(chǔ)上，通過允許對接收的多個數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼信息融合，增加單次傳輸?shù)男畔⒘浚岣呔W(wǎng)絡(luò)整體性能。Ahlswede等人于2000年提出了網(wǎng)絡(luò)編碼概念，指出對組播網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點附加額外的編碼操作能使源與組播成員間達(dá)到最大流最小割心的組播速率。網(wǎng)絡(luò)編碼一經(jīng)提出便引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，其理論和應(yīng)用已成為通信領(lǐng)域研究的新熱點．網(wǎng)絡(luò)編碼在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善負(fù)載均衡、減小傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點能耗、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性等方面均顯示出其優(yōu)越性，可廣泛應(yīng)用于AdHoe網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)、P2P內(nèi)容分發(fā)、分布式文件存儲和網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域。經(jīng)過幾年的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)編碼的理論研究已取得重要進(jìn)展，在應(yīng)用基礎(chǔ)和工程實踐方面的研究正在全方位展開。網(wǎng)絡(luò)編碼已成為一項融合信息論、代數(shù)學(xué)、圖論、網(wǎng)絡(luò)流理論和優(yōu)化理論等多學(xué)科的交叉技術(shù)，且日益引起更多研究者的關(guān)注，其對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議設(shè)計方法、信息交換方式和網(wǎng)絡(luò)管理模式帶來了革命性的變化。網(wǎng)絡(luò)編碼的基本思想是使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不僅具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能，他們還能夠打若干個待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼壓縮成一個數(shù)據(jù)包，然后轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的接收節(jié)點，并且以足夠大的概率保證它的接收節(jié)點能夠順利地解碼恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)包，從而減少傳輸次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)延遲。以一個簡單的具代表性的蝴蝶網(wǎng)絡(luò)來描述網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，一下均假設(shè)每條鏈路單位時間只能傳輸單位bit的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息量。圖2.3和圖2.4中分別是利用網(wǎng)絡(luò)編碼前后的網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，該網(wǎng)絡(luò)有一個源節(jié)點S，兩個端節(jié)點Y，Z以及其余4個T,W,U,X是四個中轉(zhuǎn)節(jié)點。在圖2.2中，b1和b2都是源s向端節(jié)點y和x發(fā)出的兩個單位bit的信息，當(dāng)b1和b2到達(dá)w節(jié)點時，由于一次只能處理一個單位的信息，所以W只能選擇發(fā)送其中之一，而另一個則必須送入等待隊列，因此，要使Y和Z這兩個目的節(jié)點都要收到這兩個信息，則W必須至少傳送兩次；圖2.3表示的是網(wǎng)絡(luò)編碼方法，節(jié)點W對輸入的信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼操作（“+”表示模二加），然后將操作結(jié)果b1+b2（稱為編碼信息）發(fā)送至輸出鏈路(W,X)，然后又通過鏈路(X,Y)和(X,Z)，最終傳送給信宿Y和Z。當(dāng)信宿Y收到b1和b1+b2后，通過逆過程的譯碼操作b1+(b1+b2)就能恢復(fù)出信源S發(fā)出的b2，這樣使得信宿Y同時收到了b1和b2。按照同樣的方式，信宿Z也可恢復(fù)出信源發(fā)出的b1（通過譯碼操作b2+(b1+b2)）而同時收到b1和b2。也就是說，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)模式實現(xiàn)了該組播的理論傳輸容量?？梢?，與傳統(tǒng)的路由傳輸方式相比，網(wǎng)絡(luò)編碼提升了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。圖2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖2.3普通的存儲轉(zhuǎn)發(fā)圖2.4運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)編碼從上述實例可以看出，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)的具體實施過程是：具備編碼條件的中間節(jié)點（比如該節(jié)點的入度至少為2，如圖2.4中的節(jié)點W就具備編碼條件，節(jié)點T，U和X等則不具備編碼條件，只能執(zhí)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)操作）對接收到的數(shù)據(jù)信息按照一定方式的處理（編碼），然后傳輸給下一級的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，收到信息的下一級節(jié)點如果具備編碼條件，又對其接收的信息按照同樣的方式進(jìn)行處理和傳輸，如此反復(fù)，直到所有經(jīng)過處理后的信息都匯聚到信宿節(jié)點為止。最后，在信宿節(jié)點，通過逆過程的操作（譯碼），即可譯出信源發(fā)出的原始信息。節(jié)點對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行如何處理和操作，屬于網(wǎng)絡(luò)編碼的碼構(gòu)造問題。如果節(jié)點對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行線性操作，則稱為線性網(wǎng)絡(luò)編碼；否則稱為非線性網(wǎng)絡(luò)編碼（Non-linearNetworkCoding）。如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對信息進(jìn)行操作的系數(shù)是隨機(jī)選取的，則稱為隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼；如果是通過算法確定出來的，則稱為確定性網(wǎng)絡(luò)編碼。因此，線性網(wǎng)絡(luò)編碼是一種有效的網(wǎng)絡(luò)編碼碼構(gòu)造方式，當(dāng)前具體的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中均采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼作為其碼構(gòu)造方式。圖2.4所示的節(jié)點W對輸入的信息b1和b2進(jìn)行的模二加操作，就是一種最簡單的線性網(wǎng)絡(luò)編碼操作方式。2.6網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用雖然網(wǎng)絡(luò)編碼提出的初衷是為改善組播傳輸網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的傳輸性能，但隨著研究的不斷深入，網(wǎng)絡(luò)編碼表現(xiàn)出了越來越廣泛的應(yīng)用前景。目前，網(wǎng)絡(luò)編碼與覆蓋網(wǎng)絡(luò)（OverlayNetwork）和無線網(wǎng)絡(luò)（WirelessNetwork）等相結(jié)合的研究取得了重要的進(jìn)展，被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)編碼最有可能被首先應(yīng)用的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)編碼最直接的應(yīng)用就是數(shù)據(jù)分發(fā)，尤其是大范圍的數(shù)據(jù)分發(fā)。前面討論的基于組播網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分發(fā)，均是網(wǎng)絡(luò)編碼最典型的應(yīng)用。Chou等最早將隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼付諸實施，構(gòu)建了一個可實用化的網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)，并在Washington大學(xué)的Rocketfuel項目所獲得的幾個ISP骨干網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖线M(jìn)行了仿真，取得了較好的傳輸性能。CodedStream也是在網(wǎng)絡(luò)中較早進(jìn)行了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)的嘗試[71]，CodedStream是一個基于P2P模式的，面向高帶寬流媒體的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)。它按照編碼網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)的特性，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一個K-redundant路徑圖作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)編碼被用于圖中“瓶頸”處的數(shù)據(jù)分發(fā)。最初的CodedStream在自己的仿真平臺上進(jìn)行了測試，其后續(xù)研究將整個思想進(jìn)一步擴(kuò)展，并利用PlanetLab平臺進(jìn)行了更廣泛的測試。網(wǎng)絡(luò)編碼與應(yīng)用層組播（ApplicationLayerMulticast，ALM）相結(jié)合也取得一定進(jìn)展。應(yīng)用層組播中的數(shù)據(jù)分發(fā)由客戶端主機(jī)實現(xiàn)的，端主機(jī)具有一定的計算能力，這為網(wǎng)絡(luò)編碼提供了良好的應(yīng)用環(huán)境。而且，應(yīng)用層組播利用的覆蓋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢园葱枳兓@也恰好可以利用網(wǎng)絡(luò)編碼對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢。Y.Zhu給出了一個基于網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用層組播的完整實現(xiàn)。通過對比測試，證明了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用層組播在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、資源利用率等方面的性能要優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)層組播和普通的應(yīng)用層組播。但是在傳輸遲延和信息冗余等方面不夠理想。而且，大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡(luò)編碼能將應(yīng)用層組播的吞吐量提升一倍以上。但是，T.Nad等通過進(jìn)一步的實驗證實，由于在執(zhí)行編碼和譯碼操作時需要一定的I/O和CPU消耗，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的應(yīng)用層組播的傳輸容量往往無法達(dá)到預(yù)期。無線網(wǎng)絡(luò)由于無線鏈路的不可靠性和物理層廣播特性，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼，可以解決傳統(tǒng)路由、跨層設(shè)計等技術(shù)無法解決的問題。具體來說，網(wǎng)絡(luò)編碼除了提升無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，還可以減少數(shù)據(jù)包的傳播次數(shù)，降低無線發(fā)送能耗。采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，即使部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或鏈路失效，最終在目的節(jié)點仍然能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯性和魯棒性。此外，無需復(fù)雜的加密算法，采用網(wǎng)絡(luò)編碼就可以提高無線網(wǎng)絡(luò)的安全性等。文獻(xiàn)[20]對網(wǎng)絡(luò)編碼在無線自組織網(wǎng)絡(luò)（WirelessAdHocNetworks）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks）和無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WirelessMeshNetworks)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。J.Yuan提出了一種利用網(wǎng)絡(luò)編碼來優(yōu)化信息流的路由方法[21]，以此來提升AdHoc網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分發(fā)的效率。該方法基于一種在網(wǎng)絡(luò)層和物理層平衡鏈路帶寬供需的跨層優(yōu)化策略。Y.Wu等在AdHoc組播方面提出了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的最小化能量解決方法[22]，使得傳輸每比特信息消耗的能量最小，以此來節(jié)省AdHoc網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分發(fā)的能耗。此外，還有一些學(xué)者對如何利用網(wǎng)絡(luò)編碼增加AdHoc傳輸?shù)聂敯粜詥栴}進(jìn)行了研究，如Chen等研究在分布式天線系統(tǒng)和多入多出系統(tǒng)（DAS-MIMO）中，引入網(wǎng)絡(luò)編碼的概念，經(jīng)過理論推導(dǎo)和實驗仿真，證明了無論有無輔助天線，網(wǎng)絡(luò)編碼都能提高網(wǎng)絡(luò)的性能，尤其是減小系統(tǒng)丟包損耗。相對于AdHoc網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密度較大，移動性不強(qiáng)，通常運(yùn)行在無人值守的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無法替代，設(shè)計有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。麻省理工學(xué)院的Petrovic等人提出了一種結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的對無線信號不進(jìn)行調(diào)制的策略[23]，并證明：運(yùn)用分布式隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，未經(jīng)調(diào)制的無線信號能夠達(dá)到與經(jīng)過調(diào)制的無線信號一樣的吞吐量，這樣就能節(jié)省大量因為模擬器件進(jìn)行調(diào)制而消耗的能量和降低節(jié)點的成本。傳感器網(wǎng)絡(luò)需要把節(jié)點資源整合起來，實現(xiàn)一個可靠和健壯的網(wǎng)絡(luò)，基于這種想法，文獻(xiàn)[35]提出了一種結(jié)合分布式源編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)化算法，目的是用來提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯性和可靠性，同時對分布式源編碼的壓縮效率和魯棒性進(jìn)行了折中考慮。Katti等提出的基于機(jī)會的網(wǎng)絡(luò)編碼方法（COPE）首次研究了網(wǎng)絡(luò)編碼在無線環(huán)境協(xié)議層面上的具體實現(xiàn)問題。在COPE協(xié)議中，每個節(jié)點對傳輸媒體進(jìn)行偵聽，獲得它的鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，決定進(jìn)行編碼的機(jī)會，并在本地的FIFO緩存結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行編碼，然后進(jìn)行基于機(jī)會的路由。COPE協(xié)議要求每個節(jié)點利用本地信息各自決定哪些數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行編碼以及如何進(jìn)行編碼。靈活的設(shè)計使得即使在網(wǎng)絡(luò)交通需求未知或者網(wǎng)絡(luò)流量劇增、或者發(fā)送/接收方動態(tài)變化的情況下，COPE協(xié)議仍能有效的支持多路單播流。然而該協(xié)議需要節(jié)點存儲數(shù)據(jù)包并進(jìn)行編碼，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，可能就會耗費(fèi)較多的節(jié)點存儲空間。另外，文件共享是無線網(wǎng)狀網(wǎng)的一種典型應(yīng)用，為了評估網(wǎng)絡(luò)編碼對該應(yīng)用的影響，Hamra等[64]在理想化MAC協(xié)議基礎(chǔ)上開發(fā)了特定的仿真平臺，分別比較了服務(wù)時間等性能在節(jié)點個數(shù)、盲轉(zhuǎn)發(fā)（BlindForwarding）和選擇性轉(zhuǎn)發(fā)（SelectiveForwarding）情況下的表現(xiàn)。實驗結(jié)果表明應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼得到的改進(jìn)雖然不如在有線網(wǎng)絡(luò)中顯著，但仍能在很大程度上提高吞吐量、縮短服務(wù)時間。2.7隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼方法的核心思想是利用節(jié)點的運(yùn)算能力，在發(fā)送節(jié)點線性編碼組合不同的信息包，在接收節(jié)點獲得足夠的線性編碼組合后，通過運(yùn)算得到原始信息包，其可用性推廣了網(wǎng)絡(luò)編碼理論的應(yīng)用范圍。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的理論成果，Gkantsidis等給出了基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的原理模型（或稱概念模型），如圖2.5所示。假設(shè)Server節(jié)點（存放原始文件的服務(wù)器）需分發(fā)某文件給PeerA，首先Server將該文件分割成n個文件塊（Block），即B1，B2，B3Bn，如果使用網(wǎng)絡(luò)編碼，則Server節(jié)點從有限域中選擇n個系數(shù)C11,C12C1n構(gòu)成編碼向量（EncodingVector)c1=[C11,C12C1n]，并利用該向量對分割后的文件塊進(jìn)行有限域中的線性運(yùn)算。隨后，Server節(jié)點將運(yùn)算后的編碼信息E1=B1c11+B2c12++Bnc1n，分發(fā)給PeerA圖2.5基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的原理模型假設(shè)PeerA又下載了另外一個編碼信息塊E2=B1c21+B2c22++Bnc2n，該信息來自Server節(jié)點或其它鄰居節(jié)點，當(dāng)PeerB對PeerA發(fā)出下載請求時，PeerA按照上述同樣的方式在有限域中選擇系數(shù)c1",c2"，并對當(dāng)前緩存的編碼信息塊E1和E2進(jìn)行線性組合，將運(yùn)算結(jié)果E'=E1c1"+E2c2"分發(fā)給PeerB。如果下游節(jié)點向PeerB請求數(shù)據(jù)包，則PeerB按照同樣的規(guī)則將編碼后的數(shù)據(jù)信息分發(fā)給下游節(jié)點。對PeerB收到的E'而言，其對應(yīng)的編碼向量為c1c1"+c2c2"。可見，采用網(wǎng)絡(luò)編碼，節(jié)點之間不再傳輸原始的文件塊，而是編碼信息（塊）。當(dāng)某Peer接收到n個已編碼信息E1,E2...,En后，則有：公式(2.1)如果公式2.1的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣C滿秩，即各編碼向量之間線性獨立，則能通過求解矩陣方程[B1,B1Bn]=C-1[E1,E2En]T譯出各原始文件塊B1,B1Bn，并恢復(fù)出原始文件。由于采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼總能保證矩陣C以接近1的概率滿秩，基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼和圖2.5所示的原理模型，文獻(xiàn)[25]構(gòu)建了一種網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的原型系統(tǒng)：Avalanche。在Avalanche系統(tǒng)中，節(jié)點之間傳輸?shù)男畔⑹前凑丈鲜鲈韺υ嘉募K執(zhí)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼操作后的編碼信息。Avalanche能克服基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)（如BitTorrent等）的缺陷和不足，可以顯著減少節(jié)點平均下載時間，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的傳輸性能。3NS2仿真平臺3.1NS2簡介NS2，即NetworkSimulatorVersion2，是面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。NS2提供了在無線或有線網(wǎng)絡(luò)上的TCP、路由、多播等多種協(xié)議的模擬。NS2—晝以來都在吸收全世界各地研究人員的成果，包括UCB、CMU笏大學(xué)和SUN等公司的無線網(wǎng)絡(luò)方面的代碼。NS2足一個面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)桟擬工具，對以完整地模擬整個網(wǎng)絡(luò)壞境。NS2使用一整套C++類庫實現(xiàn)了大多數(shù)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及鏈路層模型，利用這些類的實例可以搭建起整個網(wǎng)絡(luò)的模型，而且包括具體的細(xì)節(jié)實現(xiàn)。NS2使用兩種編程語言，OTcl（具有面向?qū)ο筇匦缘腡cl腳本程序設(shè)計語言）和C++，它底層的模擬引擎主要由C++編寫，同時利用麻省理工學(xué)院的面向?qū)ο蟮墓ぞ呙钫Z言O(shè)Tcl作為模擬時的命令和配置接口語言。一方面，由于C++程序運(yùn)行速度快，并且可以設(shè)計精確、復(fù)雜的算法，可以用于模擬各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適合于底層的實現(xiàn)。另一方面，具有面向?qū)ο筇匦缘腡cl腳本語言通過調(diào)用引擎中各類的屬性、方法定義網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，配置?shù)據(jù)源，目的端，建立連接，產(chǎn)生所有事件的時刻表，運(yùn)行并跟蹤模擬結(jié)果，還可以對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計處理或制圖，方便網(wǎng)絡(luò)研究者在短時間內(nèi)快速地開發(fā)和模擬出所需要的網(wǎng)絡(luò)壞境。和兩種語言的對象和變量是通過關(guān)聯(lián)起來的，++的類和對象為編譯類和編譯對象，而的類和對象為解釋類和解釋對象，是在基礎(chǔ)上的封裝。圖是架構(gòu)圖，描述了l、l和之間的關(guān)系。圖3.1NS2構(gòu)架圖3.2NS2的特點1、抽象NS模擬器在設(shè)計上能夠滿足網(wǎng)絡(luò)研究界在模擬方面的多種需。抽象NS具備不同程度的抽象級別，不僅可以對細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，也對以對不同層次的總體框架進(jìn)行模擬。2、仿真NS提供了更加接近真實網(wǎng)絡(luò)的仿真環(huán)境，這是其他仿真軟件所不具備的。3、場景生成NS中自帶了流最場景生成文件和運(yùn)動場景cbrgen生成文件setdest，讓使用更加方便，當(dāng)然也支持用戶按照自己的實際需要編寫場景及運(yùn)動文件腳本。4、可視化通過其中的網(wǎng)絡(luò)動畫工具Nam,以動畫的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真的全過程，讓整個運(yùn)動過程一目了然。5、可擴(kuò)充性可擴(kuò)充性表現(xiàn)在可以方便的添加新協(xié)議，讓使用范圍更加廣泛。3.3NS2仿真一般流程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真前，首先分析仿真涉及哪個層次，NS仿真分兩個層次：一個是基于OTcl編程的層次。利用NS已有的網(wǎng)絡(luò)元素實現(xiàn)仿真，無需修改NS本身,只需編寫OTcl腳本。另一個是基于C++和OTcl編程的層次。如果NS中沒有所需的網(wǎng)絡(luò)元素，則需要對NS進(jìn)行擴(kuò)展，添加所需網(wǎng)絡(luò)元素，即添加新的C++和OTcl類，編寫新的OTcl腳木。假設(shè)用戶已經(jīng)完成了對NS的擴(kuò)展，或者NS所包含的構(gòu)件已經(jīng)滿足了要求，那么進(jìn)打一次仿真的步驟大致如下：1、開始編寫OTcl腳本。首先配置模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時可以確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。2、建立協(xié)議代理，包栝端設(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立。3、配置業(yè)務(wù)量模型的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布。4、設(shè)置Trace對象。NS通過Trace文件來保存整個模擬過程。仿真完后,用戶可以對Trace文件進(jìn)行分析研究。5、編寫其他的輔助過程，設(shè)定模擬結(jié)束時間，至此OTcl腳本編寫完成。6、用NS解釋執(zhí)行剛才編寫的OTcl腳本。7、對Trace文件進(jìn)行分析，得出有用的數(shù)據(jù)。8、調(diào)整配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)量模型，重新進(jìn)行上述模擬過程。下面是仿真的流程圖：圖3.2NS2進(jìn)行仿真的基本流程圖3.4NS2仿真的基本組件和使用3.4.1節(jié)點的結(jié)構(gòu)和配置無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是可移動的節(jié)點，擁有很多屬性，如果使用NS研究無線網(wǎng)絡(luò)需要在無線節(jié)點創(chuàng)建之前對節(jié)點的各項屬性進(jìn)行配置。節(jié)點的屬性配置使用Simulator類的noed-config{}方法，該方法采用可變的模塊化結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)不同類型的節(jié)點在相同的節(jié)點基類下定義。配置好屬性以后再創(chuàng)建節(jié)點，這是創(chuàng)建節(jié)點的基本方式，如需創(chuàng)建不同的節(jié)點則重新配置屬性以后再創(chuàng)建。下面是使用node-config{}配置一個節(jié)點屬性的例子。setns[newSimulator] #建立一個模擬實例settopo[newTopography] #建立一個拓?fù)鋱D對象#配置無線節(jié)點$nsnode-config-adhocRoutingAODV\ #無線路由協(xié)議是AODV協(xié)議 -llTypeLL\ #邏輯鏈路層類型是LL層 -macTypeMac/802.11\ #MAC層協(xié)議采用802.11協(xié)議 -ifqTypeQueue/DropTail/PriQueue\#接口隊列類型是IFQ隊列 -ifqLen50\ #網(wǎng)絡(luò)接口隊列的大小是50 -antTypeAntenna/QmniAntenna\ #天線模型是全向天線 -propTypePropagation/TwoRayGround\ #無線傳輸模型是TwoRayGround -phyTypePhy/WirelessPhy\ #網(wǎng)絡(luò)接口類型是無線物理層 -channelChannel/WirelessChannel\ #物理信道類型無線信道 -topoInstance$topo\ #設(shè)置拓?fù)鋵嵗? -agentTraceON\ #開啟代理層trace -routerTraceON\ #開啟路由層trace -macTraceOFF\ #關(guān)閉mac層的trace -movementTraceOFF #關(guān)閉移動節(jié)點的移動記錄設(shè)置完節(jié)點的屬性之后，使用node-congfig{}方法的-reset選項可以將節(jié)點的所有屬性的參數(shù)值設(shè)置為默認(rèn)值：$nsnode-config-reset3.4.2數(shù)據(jù)流生成工具cbrgenNS2自帶有交通場景生成器，名稱為cbrgen.tcl。數(shù)據(jù)流生成工具cbrgen用來生成傳輸負(fù)載，可以產(chǎn)生移動節(jié)點之間的TCP流和CBR流。該工具所在的目錄為~ns/indep-utils/cmu-scen-gen/，使用方法如下：nscbrgen.tcl[-typecbr/tcp][-nnnodes][-seedseed][-mcconnections][-raterate]其中各種參數(shù)的含義如下：-type：選擇tcp表示生成tcp流，選擇cbr表示生成cbr流；-nn：nodes表示節(jié)點數(shù)目；-seed：seed表示指定隨機(jī)種子；-mc：connections表示節(jié)點間的最大連接數(shù)；-rate：rate表示每個連接間的數(shù)據(jù)流的速率；在使用cbrgen設(shè)置節(jié)點數(shù)n時，節(jié)點的編號是從node_(1)到node_(n)。3.4.3拓?fù)溥\(yùn)動場景生成工具setdest拓?fù)溥\(yùn)動場景生成工具setdest是用來隨機(jī)生成無線網(wǎng)所需的節(jié)點運(yùn)動場景，也即一定數(shù)量的節(jié)點在某一固定大小的矩形區(qū)域中隨機(jī)移動。生成setdest的命令的源代碼文件在~ns/indep-utils/cmu-scen-gen/setdest文件夾下，使用前需執(zhí)行make命令以生成可執(zhí)行文件。setdest的使用方法如下：setdest-v<1>-n<nodes>-p<pause_time>-M<max_speed>-t<simulation_time>-x<max_x>-y<max_y>或setdest-v<2>-n<nodes>-s<speed_type>-m<min_speed>-M <max_speed>-t<simulation_time>-P<pause_type>-p<pause_time>-x <max_x>-y<max_y>其中使用到的參數(shù)定義如下：-v：version_of_setdest指定setdest的版本；-n：nodes指定場景中總節(jié)點數(shù)目；-p：pause_time指定了節(jié)點在運(yùn)動到一個目的點后停留的時間，如果設(shè)置為0表示節(jié)點不做停留；-s：speed_type為uniform/normal；-m：min_speed指定節(jié)點移動的最小速率；-M:max_speed指定節(jié)點移動的最大速率；-P：pause_type為constant/uniform；-t：simulation_time指定了模擬場景的持續(xù)時間，單位為s；-x：max_x指定了節(jié)點運(yùn)動區(qū)域的長度，單位為m；-y：max_y指定了節(jié)點運(yùn)動區(qū)域的寬度，單位為m；版本不用使用的參數(shù)也有區(qū)別，需按要求使用。執(zhí)行make命令生成可執(zhí)行文件以后，若沒有將setdest命令添加到linux系統(tǒng)環(huán)境變量中，則應(yīng)在使用setdest時需要指定路徑全稱或在~ns/indep-utils/cmu-scen-gen/setdest目錄下使用，而且要在setdest前面加“./”。cbrgen和setdest產(chǎn)生的文件均可以采用source命令加入另一個Otcl腳本中，注意產(chǎn)生的文件用到了諸如node_數(shù)組變量和god_變量，需要在Otcl腳本中預(yù)先建立。3.4.4簡單動畫顯示工具NAMNAM（NetworkAnimater）的功能是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模擬軟件或真實環(huán)境的特定格式的Trace輸出文件來運(yùn)行動畫，以觀測網(wǎng)絡(luò)模擬中的Trace和數(shù)據(jù)分組流向。NAM使用方法如下：nam-g<geometry>-t<graphInput>-i<interval>-j<startup_time>-k<initial_socket_port_number>-N<application_name>-c<cache_size>-f<configuration_file>-r<initial_animation_rate>-a-p-S<namfile>NAM命令中的參數(shù)意義如下：-g：指明NAM窗口的幾何位置；-t：指定nam使用tkgraph，并為tkgraph確定輸入文件；-i:指定屏幕刷新率，單位為毫秒（ms），默認(rèn)為50ms；-j：指定nam演示時的仿真時間；-k：初始化socket端口號；-N：為nam實例命名，它可能在此后用于對等的同步；-g：指明NAM窗口的幾何位置；-c：進(jìn)行反向演示（模擬的逆過程）時，緩沖區(qū)所能存儲的活動對象的最大值（size）；-f:演示啟動時所載入的文件；-r：演示速度，默認(rèn)是2ms（0.002）；-a：創(chuàng)建一個獨立的nam實例；-p：打印Trace的文件格式；-S：開啟X同步以便于圖形的調(diào)試，僅限于有X環(huán)境的UNIX系統(tǒng)。OTcl腳本中可以對節(jié)點、鏈路、隊列、和Agent等對象進(jìn)行動畫顯示方面的屬性控制，nam動畫顯示的命令如下：節(jié)點$nodecolor[color] #設(shè)定節(jié)點的顏色$nodeshape[shape] #設(shè)定節(jié)點的形狀$nodelabel[label] #設(shè)定節(jié)點的名稱$nodelabel-color[color] #設(shè)定節(jié)點顯示名稱的顏色$nodelabel-at[ldirection] #設(shè)定節(jié)點名稱的顯示位置2、鏈路和隊列$nsduplex-link-op<attribute><value>其中attribute的值可以是orient、color、queuePos和label。Orient指定了鏈路的方向，可以是：right、left、down、right-up、right-down、left-up以及l(fā)eft-down。Color指定鏈路的顏色，label定義鏈路顯示的名稱，queuePos定義隊列顯示的方向。Agent$nsattach-agent$node$Agent$nsadd-agent-trace$AgentAgentName使用上面的命令就可以使想要顯示的Agent以Agentname出現(xiàn)在節(jié)點的附近的方框內(nèi)，這樣可以再nam顯示中看出摸個節(jié)點上綁定了哪些Agent。3.4.5Trace文件格式Trace文件是在模擬過程中生成的記錄模擬每一個分組調(diào)度事件的文件，一次模擬生成的信息基本上全體現(xiàn)在Trace文件中。Trace文件包含了很多有用的可供分析的數(shù)據(jù)，我們需要從中篩選出我們關(guān)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。有線網(wǎng)絡(luò)的Trace格式有線網(wǎng)絡(luò)的Trace格式中每條記錄包含了如下截圖顯示12項內(nèi)容：圖3.3有線網(wǎng)絡(luò)的Trace部分截圖內(nèi)容現(xiàn)在來分析有線網(wǎng)絡(luò)的Trace格式的一條記錄中每一項的信息：Event：發(fā)生事件的類型有+、-、r和d等4種，分別表示分組進(jìn)入鏈路隊列、分組離開鏈路隊列、目的節(jié)點接收分組以及隊列丟棄分組等含義。Time：事件發(fā)生的時間。Fromnode：發(fā)送分組的源節(jié)點id。Tonode：接收分組的目的節(jié)點id。Pkttype：分組的類型。Pktsize：分組的大小。Flags：標(biāo)志項。Fid：IPv6定義的流標(biāo)示符。Srcaddr：表示分組的來源端，例如2.0表示節(jié)點2的0號端口。Dstaddr：表示分組的目的端，例如3.0表示節(jié)點3的0號端口。Seqnum:分組的序列號。Pktid：分組的唯一標(biāo)示符。無線網(wǎng)絡(luò)的Trace格式圖3.4無線網(wǎng)絡(luò)的Trace部分截圖內(nèi)容無線網(wǎng)絡(luò)的Trace格式的記錄的每一項信息:(1)Event：事件的類型有是s、r、f和d4種，分別表示分組的發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄事件。(2)Time：事件發(fā)生的時間。(3)Node：事件發(fā)生的節(jié)點id。(4)Layer：發(fā)生事件所在的層。(5)Flags：標(biāo)志項。(6)Pktid：分組的id。(7)Pkttype：分組的類型。(8)Pktsize：分組的大小。(9)[MACLayerInfo]:MAC層的信息。(10):分隔符。(11)[IPInfo]:IP層的信息。3.5性能參數(shù)分析模型傳輸時延網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延D（End-to-EndDelay）定義為源節(jié)點發(fā)送出一個分組到目的節(jié)點接收到該分組之間的時間差，它包括電（或光）信號在物理介質(zhì)中的傳播延時和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的處理延時，也即指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所用的時間。在很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，比較關(guān)注分組的時延大小，要求分組的時延不能太大，例如實時的視頻會議、網(wǎng)絡(luò)電話等。結(jié)合NS的Trace文件，以分組發(fā)送和到達(dá)接收之間的時間間隔來計算傳輸延時，計算方式如下：D（i）=RT（i）-S（i）T 公式（3.1）式中，D（i)表示第i個分組的傳輸時延，RT（i）表示第i個分組的接收時間，ST（i）表示第i個分組的發(fā)送時間。在分析網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延時，一般都統(tǒng)計平均傳輸時延公式（3.2）即統(tǒng)計Trace腳本中N個分組的平均傳輸時延。網(wǎng)絡(luò)吞吐量網(wǎng)絡(luò)的吞吐量（Throughput）TH是網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要參數(shù)，是指在不丟包的情況下單位時間內(nèi)節(jié)點可以接收的數(shù)據(jù)量，單位是字節(jié)每秒或比特每秒。端到端的吞吐量與網(wǎng)絡(luò)狀況有很大關(guān)系，為了測試端到端的最大吞吐量，應(yīng)該逐漸增大發(fā)送端的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，然后計算接收端的吞吐量，直至吞吐量達(dá)到最大。在分析Trace文件時，使用以下的計算方式計算吞吐量： 公式（3.3）上式中：TB（i）是指到底i個分組被目的節(jié)點接收時已經(jīng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，RT（i）是第i個包的接收時間。i>m，表示計算從第m個分組到底i個分組的吞吐量，特別的，若取m=1則是計算平均吞吐量。3.6Trace文件分析處理3.6.1gawk處理文檔的過程gawk是一種對文檔資料具有很強(qiáng)處理能力的程序語言，簡短的幾句代碼就可以完成對文檔的修改、對比、抽取，相對其他的語言來說，其對文檔資料的處理方面具有很大的優(yōu)勢。gawk語言將說要處理的文檔分解為一條條的記錄（一般一條記錄是數(shù)據(jù)文件的一行數(shù)據(jù)），每條記錄默認(rèn)以空格TAB鍵分隔為一個個字段。例如，Trace文件的每一行作為一個記錄，取實際Ttrace文件的記錄如下：圖3.5仿真實驗Trace文件部分截圖內(nèi)容在對記錄的處理過程中，一般都要對記錄的字段進(jìn)行操作。對記錄中字段的提取可以采用字段變量“$1，$2，$3”等，gawk讀入記錄后已自動把字段值存入字段變量。需要注意的是“$0”表示所讀取的整條記錄。表3.1是對圖3.5Trace文件的記錄進(jìn)行分解和提取的例子。表3.1對Trace文件記錄的分解和提取一二三四五六七八九十十一r47.355426347_2_AGT251cbr532[13a25800][1:02:0292]$1$2$3$4$5$6$7$8gawk處理文檔的過程是針對檔案的每一條記錄搜尋指定的模式（Pattern），當(dāng)記錄中有符合指定的模式時，gawk就會在此記錄執(zhí)行被指定的動作（Action）。gawk依照此方式處理輸入檔案的每一條記錄知道輸入檔案結(jié)束。gawk程序是由很多的Pattern與Action所組成，Action卸載大括號{}里面，一個pattern后面就跟著一個Action，整個gawk程式的結(jié)構(gòu)如下：Pattern（1） {Action（1）}Pattern（2） {Action（2）}Pattern（n） {Action（n）}當(dāng)讀取一條記錄時，該記錄會經(jīng)過程序中所有Pattern的審查，如果滿足某一個Pattern，就執(zhí)行該P(yáng)attern后面的Action。執(zhí)行g(shù)awk程序有兩種方式，第一，如果gawk程序很短，則可以直接寫在終端命令行，如gawk“program”input-file1[input-file2...]，其中program包括一些Pattern和Action；第二，如果gawk程序較長，較為方便的做法是將gawk程序放在一個文檔中，即Pattern和Action寫在名為program-file的文檔里面，執(zhí)行g(shù)awk的格式如下所示：gawk-fprogram-fileinput-file1[input-file2...]gawk程序的文檔不止一個時，執(zhí)行g(shù)awk的格式如下所以：gawk-fprogram-file[-fprogram-file2...]input-file1[input-file2...]編寫gawk程序的規(guī)則是：Pattern或Action能夠被省略，但是不能同時被省略；如果Patte被省略，對于輸入文檔里面的每一條記錄，Action都會執(zhí)行；如果Action被省略，內(nèi)定的Action則會打印出所以符合的Pattern的輸入行。其中BEGIN和END是特別的Pattern，gawk在開始或要結(jié)束時分別執(zhí)行相對應(yīng)于BEGIN或END的Action。3.6.2使用xgraph繪圖Xgraph是NS2自帶的一個小巧的繪圖工具，是一個根據(jù)兩列數(shù)據(jù)生成平面圖形的繪圖工具，它還可以根據(jù)數(shù)據(jù)文件里的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的圖形。一般數(shù)據(jù)文件由兩列數(shù)據(jù)組成，每一列表示圖中的一個點，第一列為x坐標(biāo)，第二列為y坐標(biāo)。兩列之間以空格（包括Tab）、逗號、分號、或者句號隔開。使用如下命名畫圖：xgraphfilenam1,filename2<-options>其中，filename1，filename2為數(shù)據(jù)文件，表明xgra可以將多個數(shù)據(jù)流的信息圖畫在一張圖上，有利于對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。-options可以設(shè)定相關(guān)參數(shù)，包括繪圖的顏色、輸出圖形文件的格式、圖形的標(biāo)題等。一些命令選型如下：-hpg以非交互的方式，將圖形以hpg文件格式輸出-t 設(shè)置圖形名稱-x設(shè)置x坐標(biāo)軸的名稱-y 設(shè)置y坐標(biāo)軸的名稱-bb 為圖形設(shè)置邊線-m 數(shù)據(jù)點加粗顯示-tk 用標(biāo)記代替網(wǎng)格顯示4仿真實現(xiàn)4.1設(shè)計與建立機(jī)會網(wǎng)絡(luò)仿真模型了解機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c及NS2仿真平臺的功能后，經(jīng)過一番選擇，在NS2仿真平臺下建立如下的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，各參?shù)如下表4.1表4.1機(jī)會網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蛥?shù)無線節(jié)點個數(shù)10個節(jié)點顯示大小40仿真拓?fù)鋱鼍按笮?00m×500m數(shù)據(jù)流類型cbrcbr分組的大小512字節(jié)每秒發(fā)送分組個數(shù)4場景最大數(shù)據(jù)流連接數(shù)5節(jié)點隨機(jī)移動最大速度20m/s節(jié)點停留時間0s仿真模型持續(xù)時間100s4.1.1編寫仿真模型腳本代碼選好機(jī)會網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運(yùn)動模型和路由協(xié)議后，就可以按照ns2仿真平臺的知識來編寫腳本代碼了。編好運(yùn)行成功后的Tcl腳本代碼如下：#無線節(jié)點參數(shù)setval(chan) Channel/WirelessChannel #物理信道類型是無線信道setval(prop) Propagation/TwoRayGround #無線傳輸模型是TwoRayGroundsetval(netif) Phy/WirelessPhy #網(wǎng)絡(luò)接口層是無線物理層setval(mac) Mac/802_11 #MAC層協(xié)議采用802.11setval(ifq) Queue/DropTail/PriQueue #接口隊列模型是IFQ隊列setval(ll) LL #邏輯鏈路層類型是LL層setval(ant) Antenna/OmniAntenna #天線模型是全向天線setval(ifqlen) 50 #網(wǎng)絡(luò)接口隊列大小是50setval(rp) AODV #路由協(xié)議是AODVsetval(x) 500 #設(shè)定拓?fù)鋱鼍胺秶?長度-500msetval(y) 500 #設(shè)定拓?fù)鋱鼍胺秶?寬度-500msetval(stop) 100.0 #設(shè)定模擬仿真時間，100ssetval(nn) 10 #設(shè)定無線節(jié)點數(shù)目為10個setval(cp) "cbr-10-5-4" #流量場景生成文件setval(sc) "scene-10-20-100" #運(yùn)動場景生成文件#建立一個模擬實例setns[newSimulator] #開啟Trace跟蹤文件和nam顯示文件 settracefd[open3.trw]setnamtrace[open3.namw]$nstrace-all$tracefd$nsnamtrace-all-wireless$namtrace$val(x)$val(y)#建立一個拓?fù)鋱D對象，記錄節(jié)點的移動情況settopo[newTopography]$topoload_flatgrid$val(x)$val(y)#創(chuàng)建god對象，存儲網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及節(jié)點間的連接信息setgod_[create-god$val(nn)]#創(chuàng)建物理信道對象setchan_1_[new$val(chan)]#配置無線節(jié)點（包括各種參數(shù)）$nsnode-config-adhocRouting$val(rp)\ -llType$val(ll)\ -macType$val(mac)\ -ifqType$val(ifq)\ -ifqLen$val(ifqlen)\ -antType$val(ant)\ -propType$val(prop)\ -phyType$val(netif)\ -channel$chan_1_\ -topoInstance$topo\ -agentTraceON\ -routerTraceON\ -macTraceOFF\ -movementTraceOFF#建立無線節(jié)點for{seti0}{$i<$val(nn)}{incri}{ setnode_($i)[$nsnode] $node_($i)random-motion0; #禁止節(jié)點隨機(jī)移動}#調(diào)用流量場景生成文件source$val(cp)#調(diào)用隨機(jī)運(yùn)動場景生成文件source$val(sc)#設(shè)定無線節(jié)點的大小for{seti0}{$i<$val(nn)}{incri}{ $nsinitial_node_pos$node_($i)40}#仿真結(jié)束時重置節(jié)點for{seti0}{$i<$val(nn)}{incri}{ $nsat100.0"$node_($i)reset";}#定義結(jié)束過程，關(guān)閉Trace文件盒NAM顯示文件，模擬結(jié)束時調(diào)用procfinish{}{ globalnstracefdnamtrace $nsflush-trace close$tracefd close$namtrace exit0}#模擬結(jié)束時調(diào)用結(jié)束過程$nsat$val(stop)"finish"$nsat$val(stop)"puts\"NSEXISTING...\";$nshalt"puts"StartSimulation..." #執(zhí)行模擬$nsrun4.1.2數(shù)據(jù)流場景文件的生成數(shù)據(jù)流類型選擇cbr流，包固定大小為512比特，無線節(jié)點數(shù)目10個，隨機(jī)種子設(shè)為1，節(jié)點間的最大連接數(shù)設(shè)為5且每秒發(fā)送4個分組包，所以數(shù)據(jù)發(fā)送速率為4×512×8=16kbps。調(diào)用數(shù)據(jù)流生成工具cbrgen生成數(shù)據(jù)流場景文件cbr-10-5-4：圖4.1數(shù)據(jù)流場景文件生成執(zhí)行上述命令后，就會生成一個cbr-10-5-4的文件，然后把生成的這個文件放到跟Tcl腳本文件相同的目錄下，就可以在Tcl腳本中用souce命令調(diào)用這個文件了。生成的數(shù)據(jù)流場景文件cbr10-5-4的里面代碼內(nèi)容如下：#nodes:10,maxconn:5,sendrate:0.25,seed:1#1connectingto2attime2.5568388786897245setudp_(0)[newAgent/UDP]$nsattach-agent$node_(1)$udp_(0)setnull_(0)[newAgent/Null]$nsattach-agent$node_(2)$null_(0)setcbr_(0)[newApplication/Traffic/CBR]$cbr_(0)setpacketSize_512$cbr_(0)setinterval_0.25$cbr_(0)setrandom_1$cbr_(0)setmaxpkts_10000$cbr_(0)attach-agent$udp_(0)$nsconnect$udp_(0)$null_(0)$nsat2.5568388786897245"$cbr_(0)start"#4connectingto5attime56.333118917575632setudp_(1)[newAgent/UDP]$nsattach-agent$node_(4)$udp_(1)setnull_(1)[newAgent/Null]$nsattach-agent$node_(5)$null_(1)setcbr_(1)[newApplication/Traffic/CBR]$cbr_(1)setpacketSize_512$cbr_(1)setinterval_0.25$cbr_(1)setrandom_1$cbr_(1)setmaxpkts_10000$cbr_(1)attach-agent$udp_(1)$nsconnect$udp_(1)$null_(1)$nsat56.333118917575632"$cbr_(1)start"#4connectingto6attime146.96568928983328setudp_(2)[newAgent/UDP]$nsattach-agent$node_(4)$udp_(2)setnull_(2)[newAgent/Null]$nsattach-agent$node_(6)$null_(2)setcbr_(2)[newApplication/Traffic/CBR]$cbr_(2)setpacketSize_512$cbr_(2)setinterval_0.25$cbr_(2)setrandom_1$cbr_(2)setmaxpkts_10000$cbr_(2)attach-agent$udp_(2)$nsconnect$udp_(2)$null_(2)$nsat146.96568928983328"$cbr_(2)start"#6connectingto7attime55.634230382570173setudp_(3)[newAgent/UDP]$nsattach-agent$node_(6)$udp_(3)setnull_(3)[newAgent/Null]$nsattach-agent$node_(7)$null_(3)setcbr_(3)[newApplication/Traffic/CBR]$cbr_(3)setpacketSize_512$cbr_(3)setinterval_0.25$cbr_(3)setrandom_1$cbr_(3)setmaxpkts_10000$cbr_(3)attach-agent$udp_(3)$nsconnect$udp_(3)$null_(3)$nsat55.634230382570173"$cbr_(3)start"#7connectingto8attime29.546173154165118setudp_(4)[newAgent/UDP]$nsattach-agent$node_(7)$udp_(4)setnull_(4)[newAgent/Null]$nsattach-agent$node_(8)$null_(4)setcbr_(4)[newApplication/Traffic/CBR]$cbr_(4)setpacketSize_512$cbr_(4)setinterval_0.25$cbr_(4)setrandom_1$cbr_(4)setmaxpkts_10000$cbr_(4)attach-agent$udp_(4)$nsconnect$udp_(4)$null_(4)$nsat29.546173154165118"$cbr_(4)start"#Totalsources/connections:4/54.1.3隨機(jī)運(yùn)動場景文件的生成指定setdest的版本號為1，場景總節(jié)點數(shù)目為10，節(jié)點不停留，最大移動速度設(shè)為20m/s，仿真時間為100s，拓?fù)鋱鼍暗姆秶鸀?00m，500m，由此調(diào)用setdest工具生成隨機(jī)運(yùn)動場景文件scene-10-20-100：圖4.2生成隨機(jī)運(yùn)動場景文件如圖4.2執(zhí)行上述命令后得到隨機(jī)運(yùn)動場景文件scene-10-20-100，然后也必須把這個文件放到跟Tcl腳本文件相同的目錄下才能在Tcl腳本文件中用source調(diào)用隨機(jī)運(yùn)動場景文件。scene-10-20-100文件的詳細(xì)代碼見附錄A。4.2NAM查看運(yùn)行過程處理好Tcl腳本文件、cargen-10-5-4文件及scene-10-20-100文件后，就可以運(yùn)行Tcl腳本文件并用NAM來查看整個仿真拓?fù)涞倪\(yùn)行變化了。先執(zhí)行Tcl腳本文件后會產(chǎn)生2個分別是.nam文件和.tr文件，再運(yùn)行.nam文件就可以看到拓?fù)溥\(yùn)行動畫了。執(zhí)行過程如下圖4.3所示：圖4.3nam文件執(zhí)行過程生成的動畫如下：圖4.4time=47.294286時刻的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的截圖圖4.5time=29.375975時刻nam動畫放大后的狀態(tài)截圖圖4.6time=29.554319時刻的運(yùn)行狀態(tài)截圖其中圖4.4中顯示的就是time=47.294286時刻的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，各個無線節(jié)點都在隨機(jī)運(yùn)動并發(fā)送數(shù)據(jù)；圖4.5是time=29.375975時刻的狀態(tài)，圖中的那兩個黑色斑點就是節(jié)點之間發(fā)送的分組包，通過查看Trace文件3.tr內(nèi)容可知分別表示節(jié)點5接收節(jié)點1發(fā)來的分組和節(jié)點5轉(zhuǎn)發(fā)由源節(jié)點1發(fā)送給目的節(jié)點2的分組包；圖4.6中圓圈表示發(fā)射功率的范圍，功率越大，范圍越大，功率越小，范圍越小，說明time=29.554319時刻有新的數(shù)據(jù)流cbr產(chǎn)生，各個節(jié)點開始偵聽新的路由路徑，我們也可以從數(shù)據(jù)流場景的生成文件cbrgen-10-5-4的內(nèi)容中得到證明。4.3仿真結(jié)果分析當(dāng)運(yùn)行nam文件觀看完整個仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪\(yùn)行狀態(tài)后，就可以開始用gawk語言對Trace文件3.tr進(jìn)行分析得到想要的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)，然后通過xgraph工具對分析處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖得到更直觀的表現(xiàn)。4.3.1時延分析根據(jù)得到的Trace文件3.tr及第四部分的時延的定義算式編寫出分析時延的gawk程序:3delay.awk,編寫的代碼內(nèi)容為：BEGIN{highest_pkt_id=0; #保存已處理過的分組中最大的pkt_id值}{ event=$1; #第1個字段$1標(biāo)識事件的類型 time=$2; #第2個字段$2標(biāo)識事件的發(fā)生的時間 node_id=$3; #第3個字段$3標(biāo)識事件發(fā)生所在的節(jié)點 node_=substr(node_id,2,1); #獲取節(jié)點號，從_x_變成xtrace_type=$4; #第4個字段$4標(biāo)識事件發(fā)生所在的網(wǎng)絡(luò)層面flag=$5;pkt_id=$6; #第6個字段$6標(biāo)識分組的idpkt_type=$7; #第7個字段$7標(biāo)識分組的類型 pkt_size=$8; #第8個字段$8標(biāo)識分組的大小 if(pkt_id>highest_pkt_id)#更新highest_pkt_id的值 highest_pkt_id=pkt_id;if(event=="s"&&trace_type=="AGT"&&pkt_type=="cbr") start_time[pkt_id]=time; #滿足條件的話保存發(fā)送分組的時間 if(trace_type=="AGT"&&pkt_type=="cbr"&&event=="r") end_time[pkt_id]=time; #滿足條件保存目的節(jié)點接收分組的時間 }#程序結(jié)束時執(zhí)行END的動作 END{ for(pkt_id=0;pkt_id<=highest_pkt_id;pkt_id++){