基于NS2仿真的Ad hoc網絡AODV路由協議性能研究*

周少瓊 徐 祎

(解放軍電子工程學院信息系304教研室 合肥 230037)

1 引言

移動Ad hoc網絡(Mobile Ad hoc Network)是由一組移動節點動態構成的臨時無線網絡,節點具備動態搜索、定位和自動恢復連接等能力,可在沒有固定通信基礎設施的情況下完成路由、轉發包和服務發現等基本網絡功能。移動Ad hoc網絡組網靈活,具有移動性和魯棒性等優點,Ad hoc網絡最初應用于軍事領域,近年來廣泛地應用于戰場通信指揮與控制、搶險救災、臨時集會、野外施工作業等緊急和突發性較強的場合。

目前,針對Ad hoc網絡進行了很多方面的研究,其中大多是比較同一場景下路由性能方面的研究[1～2]。現在國外對 Ad hoc的研究[3]較廣泛,而國內對于Ad hoc網絡的研究大多還停留在實驗仿真階段。文中研究的場景大小與現實生活中的一些中小企業和學校相符,通過在 NS2平臺上對ADOV協議進行仿真分析,為在此類場所建立Ad hoc網絡提供用戶數目設置依據。對于Ad hoc網絡中的各節點,既可作為路由器也可當作主機,且可實現多跳通信,同時節點具有收發信號功能。Ad hoc網絡的這個特點可讓此研究成果應用到實際的場景節點配置中。假設在某個場景下,最佳的節點配置是40個,而實際此網絡需要實現50個節點,從實際需要出發,設置10節點為40個節點中某些節點的子節點,即分布幾個小型簇。文章主要通過仿真一個具體場景并構建一種模型來介紹設置節點數目的方法。

2 AODV路由介紹

按需距離矢量路由協議(AODV,Ad hoc On Demand Distance Vector Routing)是一種基于距離矢量的算法,實現組合了DSR[4]和DSDV[5]協議,它既具有DSR協議的路由發現和路由維護功能,同時又使用DSDV采用的逐跳路由、序列號和Beacon消息。其包括路由發現和路由維護兩個過程[6]。

路由發現:當源節點需要與某節點通信但沒有到該目的節點的路由時,它就廣播路由請求RREQ,當其它節點收到這個RREQ時,首先判斷是否收到過具有相同源節點和目的節點的ID,如果是重復收到就丟棄,如果沒有就利用RREQ中的信息建立反向路由。如果中間節點含有到目的節點的路由,就發送路由應答RREP給源節點,否則廣播該 RREQ。當 RREQ的目的節點收到RREQ時,同樣建立反向路由,然后向RREQ的源節點發送RREP。路由維護:節點通過MAC層周期性廣播hello消息來判斷鏈路狀態,如果該節點連續3次未收到hello響應消息,就認為鏈路已經斷開,并刪除包含該鏈路的路由信息,發起路由錯誤ERROR,通知相鄰結點和相應的上游結點刪除由于鏈路斷開而導致目的結點不可達的路由信息。

3 基于NS2的網絡仿真

NS2[7]是一個離散型事件驅動的網絡仿真軟件,由兩種語言OTcl和C++編寫而成,模擬平臺采用C++語言編寫,并使用OTcl語言編寫命令和配置接口。NS2仿真步驟[8]如下:

1)編寫Otcl腳本文件:配置仿真網絡的拓撲結構,確定鏈路基本特性,移動節點所使用的路由協議,節點的數量是否已經隨機移動等,并進行端設備的協議綁定,設置仿真使用的場景和傳輸負載(TCP流或CBR流),NS2有特定的方法來隨機設置,還要設置仿真的開始和結束時間等,并在腳本文件里設置trace對象,trace文件是記錄仿真過程中所發生的所有事件的文件,也可以同時設置nam對象,nam是用于演示網絡運行動畫的工具。

2)用NS命令執行腳本文件:執行后會在與腳本文件同一目錄下生成*.tr的文件,記錄仿真結果。如果在腳本文件中設置了 nam對象,則會在同一目錄下生成*.nam的文件。

3)分析trace文件:由于 trace文件比較大,我們需要編寫gawk程序進行仿真后期的數據處理(計算分組投遞率、路由負載、吞吐量等),代碼為＄gawk-f*.awk*tr,再用繪圖工具gnuplot將所得數據繪制成圖以便直觀分析。

3.1 生成隨機場景

場景是用來模擬的一個虛擬的運動環境,可直接在tcl程序里面寫入,但對于復雜的場景,一般用NS2提供的setdest工具來隨機生成。格式為:./setdest-v＜version＞-n＜num_of_nodes＞-s＜speed type＞-m ＜min-speed＞-M＜maxspeed＞-t＜simulation time＞-P＜pause type＞-p＜pause time＞-x＜max X＞-y＜max Y＞＞＜outdir＞/＜scenario-file＞。其中:v為版本;n為節點數目;s為速度類型,1表示在最大最小速度之間隨機選擇,2為運動速度服從正態分布;m為最小速度,M為最大速度;t為仿真時間;P為節點到目的位置后的停留方式,1為停留一個常數值,2表示在0到pausetime之間隨機選擇;p為節點到達一個目的后停留時間;x和y分別表示節點運動范圍;＜outdir＞/＜scenario-file＞為輸出場景文件所在的位置和文件名。

3.2 生成隨機數據流

數據流是傳輸負載,可以使用NS2提供的cbrgen工具來生成傳輸負載。

使用cbrgen工具產生數據文件的格式為:ns cbrgen.tcl-type＜cbr/tcp＞-nn＜nodes＞-seed＜seed＞-mc＜max connections＞-rate＜rate＞ ＞ ＜cbrfile＞。其中:cbr/tcp為業務類型;nodes為仿真的節點數;seed為隨機數種子數;mc為最大連接數;rate為源節點的發送速率。調用程序的時候采取source＜filename＞。

文中運行場景和仿真業務:在1000m×800m長方區域拓撲內,設置不同的節點數目;固定移動速度5m/s,場景持續時間200s,暫停時間0,數據類型為cbr,設置最大連接數,分組發送速率為1.0packet/s,每個包大小512bit。其次在固定節點數目的情況下,改變源節點數目。場景分布圖之一如圖1所示。

圖1 仿真場景圖

4 仿真結果及分析

本文主要仿真AODV路由協議在同一場景下改變節點數目,通過比較數據正確接收率、數據分組的平均端到端時延、路由花費變化來得出節點數目合理化。

4.1 數據正確接收率

數據正確接收率定義為交付到目的節點的應用層數據分組數目與cbr源節點應用層發送的分組數目之比。描述通過應用層觀察到的分組交付率,在一定程度上反映了協議的完整性和可靠性。仿真結果如圖2、3所示。

4.2 路由開銷

路由開銷定義為通信過程中正確接受數據包的過程中,路由占據比率。反映數據鏈路的通斷情況。路由開銷可分為每傳送一個數據分組所帶來的協議分組開銷和每傳送一個數據字節所帶來的協議字節開銷。而后者更能體現實際的效率,因為協議分組的大小可能不等。因而在實驗中采取后者進行統計分析。路由開銷反映了網絡的擁塞程度和節點電源的效率,開銷大的協議擁塞的概率就大,且會延遲接口隊列中數據包的發送。標準化路由開銷越小,尋找到目的節點的路徑所消耗的帶寬就越小,發送數據分組的機會就越大,有限的無線網絡帶寬就越能得到有效的利用。仿真結果如圖4、5所示。

4.3 數據分組的平均端到端時延

數據分組的平均端到端時延包括所有可能的時延,如路由發現過程中的延遲、接口隊列處的排隊時間、MAC層傳輸時延和傳播與接收時間等。該指標對路由算法執行效率的測度和統計非常重要。數據分組的平均端到端時延=Σ(接收到數據分組的時間-發送數據分組的時間)/接收到的報文數。仿真如圖6、7所示。

4.4 仿真分析

在性能比較過程中,提出一種性能評價模型。設變量a,b,c,…且a+b+c+…=1。假如研究者分析的性能還有,可以在此基礎上再設置多個變量。根據如下模型進行最優選擇:Best=a×avdelay+b×getratio+c×routecost+…。a,b,c…參數值大小選擇,根據應用過程中性能要求高低設定。本文只分析三個性能,則設置三個變量,簡單起見平均設置a=b=c=1/3。

從圖2、圖4、圖6可以看出從數據正確接收率來看,節點在30到50之間表現良好,在延遲方面,35到40之間最低。但是在路由花費幾乎成線性關系。根據性能比較,節點在35到40之間性能表現最優。

在上一個結論的基礎上,固定節點數目改變源節點的數目,從圖3、圖5、圖7可以看出從數據正確接收率來看,源節點在10左右表現良好,在延遲方面和路由花費同樣如此。根據性能比較,源節點在10左右性能表現最佳。

5 結語

本文給出了Ad hoc網絡AODV路由協議在NS2中仿真的具體方法和步驟,并進行了具體場景的節點數目的仿真,根據網絡性能參數指標,仿真出了相應的圖表,分析得到了常見場景下的最佳節點數目和在設置好最佳節點數目情況下的最優源節點數目,研究者在選取節點數目時可以參照本方法進行仿真研究。特別是對一些參數有著特別高的要求的情況下,在硬件設施相同的情況下,合理設計和分布節點可以進一步提高網絡的性能。研究對于利用NS2對Ad hoc網路由協議的性能評價有極其重要的意義,同時對于進一步研究 Ad hoc網中的路由協議也有積極意義。

[1]Talooki V N,Ziarati K.Performance Comparison of Routing Protocols for Mobile AdHoc Networks[C]//2006 Asia-PacificConference on Communication,2006:1～5

[2]張登銀,吳品.Ad hoc網絡路由協議的性能仿真分析[J].計算機技術與發展,2009,19(7):66～72

[3]Lin chen,Jean Leneutre,Jean-Jacques Puig.Wireless and Mobile Communications[C]//ICWMC'06,2006:36

[4]C.E.Perkins,P.Bhagwat.Highly dynamic destination sequenced distance vector routing(DSDV)for mobile computers[J].The ACM SIGCOMM Conf on Communications Architectures,1994,24(4):234～244

[5]Johnson David B,Maltz David A,Hu Yih-Chun.The Dynamic Source Routing(DSR)Protocol for Mobile Ad hoc Networks[S].IETF Internet Draft,draft-ietfmanet-dsr-09,2003

[6]馬崇霄,吳長奇.基于網絡仿真器NS2的Ad hoc網絡路由協議仿真[J].電子測量技術,2008,31(5):75～79

[7]K.Fall,K.Varadan.Ucb/lbul Network Simulator(version 2)[EB/OL].http//www.mash.cs.berkeley.edu/ns/

[8]徐雷鳴,龐博,趙耀.NS與仿真模擬[M].北京:人民郵電出版社,2003,9:5～6,20～25