基于NS2的AODV路由协议仿真与研究——毕业论文

基于NS2的AODV路由协议仿真与研究摘要：Ad Hoc网络是一种不需要依赖已有基础设施便可实现网络内任意节点间通信的临时自治系统。AODV路由协议是Ad Hoc网络中的经典路由协议，着重介绍了AODV路由协议基本原理，并以NS2仿真软件为平台仿真了AODV在消防现场具体情况下的性能，经分析后提出AODV存在的一些问题，并加以讨论。关键词：Ad Hoc；AODV；NS2Simulation and Research of AODV Routing Protocol Based on NS2 (Chengdu University of Information Technology, Sichuan Chengdu 610225)Abstract: Ad Hoc network was a temporary autonomous system which could build network between any node and which did not rely on existing infrastructure. AODV routing protocol was a classic routing protocol of Ad Hoc network. This article described the basic principle of AODV routing protocol, simulated the performance of AODV under the specific condition of fire fighting based on NS2, pointed out some problems after analysis, and discussed them.Keyword：Ad Hoc; AODV; NS2引言Ad Hoc网络（无线自组织网）是一种不需要依赖已有基础设施便可实现网络内任意节点间通信的临时自治系统，因生存能力强、组网迅速、节点移动方便等特点而被广泛应用，尤其适合于救灾、抢险等紧急场合。在Ad Hoc网络中，所有节点既是通信节点，又是路由节点，超出直接通信范围的两个节点可以依靠中间节点充当路由器进行数据包转发。因此，路由协议是Ad Hoc网络中一个重要的研究方向。如何评估并选择一个合适的路由协议是Ad Hoc网络应用的关键。现有评估方法主要是通过仿真工具比较和评估路由协议的性能。针对当前存在的各种主流路由协议，本文选择了AODV经典路由协议为研究对象，使用NS2仿真平台模拟实际环境，详细介绍整个仿真过程的步骤，进而找出了AODV路由协议在消防现场仿真应用上存在的问题，并针对这个特定问题的解决方法给出了简要的讨论。1. AODV路由协议按照路由建立的方式不同，Ad Hoc网络路由协议主要分为先应式（proactive）路由协议和反应式（reactive）路由协议。相关研究表明，与先应式路由协议相比，反应式路由协议虽然数据包传送时延较大，但开销较小、分组投递率高，更适合Ad Hoc网络。AODV（Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing）是基于距离矢量算法的路由协议，实质上是DSR（Dynamic Source Routing）和DSDV（Destination2Sequenced Distance Vector）的结合，它借用了DSR中路由发现和路由维护的基础程序，及DSDV的逐跳路由、顺序编号和路由维护阶段的周期性更新机制，以DSDV为基础，结合DSR中的按需思想并加以改进。AODV协议包括路由发现和路由维护两个部分。节点在发送信息前，先在路由表中查找是否有到达目的节点的路由，有则按照路由发送信息，没有则发起路由发现过程。路由发现：源节点广播路由请求包（Route Request，RREQ）给所有的邻居节点，邻居节点在接收到RREQ后，先在自己的路由表中查找是否有到目的节点的路由，如果有则将路由信息写入路由回复包（Route Reply，RREP）回发给源节点；如果没有，则再将RREQ转发给自己所有的邻居节点。依次类推，直到到达目的节点或是某个知道到达目的节点路由的中间节点。路由维护：各网络节点通过向邻居节点周期性地广播 hello消息来通知自身的状态。如果A节点连续3次未收到邻居节点B的 hello消息，则认为与B无法通信，删除以B为下一跳的所有路由表项，并发出路由错误（Route Error，RERR）报文，通知相关的上游节点删除到目的节点的路由信息。2. 性能仿真与分析2.1 性能评价指标常用的路由协议评估指标有以下四个：（1）端到端平均延时（Average Delay）数据报文从源节点的IP层到目的节点的IP层所需要的平均时间。它主要包括路由发现延时、数据包在接口队列中的等待延时、传输延时和MAC层的重传延时，反映了路由的实时性。（2）分组投递率（Packet Delivery Ratio）数据报文在路由层成功传送的比率，即一定时间内正确接收的报文数量与发送报文总量的比值。它反映了路由的报文丢包率，也反映了网络传输的可靠性。（3）归一化路由开销（Normalized Routing Load）每发送一个数据报文所需要的路由控制报文数。它反映了网络传输过程中的拥塞情况以及节点电源的效率，路由开销大的协议其网络拥塞的概率就大。（4）路由发现频率（Route Discovery Frequency）每秒钟发起的路由发现的次数。它反映出了路由的有效性，同时也影响着路由开销的多少。2.2 NS2当前有许多优秀的网络模拟软件，其中应用比较广泛的有OPNET、NS2、MATLAB等。本文采用NS2作为AODV路由协议仿真平台。NS2（Network Simulator）是一个通用多协议网络模拟软件，它是一个源代码开放的离散事件模拟器，主要针对有线局域网、无线局域网、Ad Hoc网络、卫星通信网、路由选择协议、组播路由协议等进行网络模拟仿真。NS2的主要优点有：源代码开放；基于离散事件驱动的仿真方式；仿真效率高；支持各种业务模型和多种通信协议。NS2与NAM（Network Animator）软件结合，能够动画显示仿真结果，适合用于实现具体的协议。NS2采用了2种面向对象的语言：C+和Otcl，C+即高效的编译执行语言，用于实现构件的主要功能；Otcl是面向对象的TCL脚本程序设计语言，适合用来进行仿真的配置。TclCL模块则把出现在2种语言里的变量、对象进行自动连接和映射。NS2仿真一般分为以下几个步骤：（1）源码修改：只有在模拟需要修改源代码的时候才进行，需要用户具有一定的编程和调试水平。（2）Tcl/OTcl模拟代码编写：NS2模拟中最重要和必不可少的一步，NS2模拟工作实际就是编写Tcl代码来描述网络结构、网络构件属性和控制调度网络模拟事件的启停过程。（3）模拟结果分析：结果分析需要用户熟悉NS2的Trace文件的结构，并且能够使用一些小工具对该结果进行分析以及根据分析结果数据绘制一些汇总图表等。运用Tcl（Tool Command Language）语言编写脚本，实现一般路由协议仿真实验的步骤如下：（1）创建模拟器对象，用来定义和控制模拟过程；（2）设置NAM记录文件和Trace跟踪文件，用来跟踪模拟场景和记录模拟过程中产生的数据；（3）创建网络拓扑结构，并配置节点属性；（4）设置代理和应用层协议；（5）调用模拟器对象的at过程来设置节点事件和时间的对应关系；（6）使用模拟器对象的run过程开始模拟。3. AODV协议仿真研究一些文献基于NS2已经做过Ad Hoc网络中的几个路由协议的性能仿真分析，本文将以AODV路由协议为例，详细介绍整个仿真过程的步骤。在仿真中，使用setdest工具设定节点运动场景和cbrgen工具生成传输负载，使用gawk工具来分析生成的trace文件。为了减小随机误差，本文所有的结果均是5次实验结果的平均值。Trace文件的功能是详细记录模拟的过程。一次场景模拟结束之后，会生成一个后缀名为.tr的Trace文件。对Trace文件的分析是从Trace中提取相关信息的过程，比如某个包的传送过程、经过的路由、耗费的时间等。这个提取过程,目前较常用的是gawk数据处理工具。其次使用Linux中一款专用的绘图工具Gnuplot将提取出来的数据绘制成二维图形，因此可以更加直观地对AODV路由协议的性能及其适合的工作环境加以分析。针对消防现场的具体仿真参数如下：u 仿真区域：1000X1000平方米（比如一个古镇区域）；u 信道衰减方式：两径衰落；u 移动节点数：20个（20个配有移动终端的消防员）；u MAC协议：802.11；u 总连接数：10对；u 最大移动速度：7m/s（每个消防员的最大移动速度）；u 仿真时间：300秒。3.1 仿真结果针对消防现场，我们主要关心的是分组投递率，结果如图。图1 分组投递率图中，CBR（Constant Bit Rate）指的是以固定比特率的方式产生数据，每个数据包大小为512B（4Kb）。从图中可以看出，数据产生速率从8Kbps变化到160Kbps的过程中，分组投递率下降得十分明显即发送成功率下降得十分明显，最后甚至丢失了大部分的数据包。3.2 存在的问题路由缓存表的使用容易使原有的路由信息过期，而且节点的移动性又不定，因此要发起新的路由发现过程寻找合适路由，需要耗费一定时间，使网络有了相对的延迟，致使此期间的数据包丢失严重。3.3 解决方法的讨论为了使消防员之间可以方便、准确、实时地传输语音、图片和视频等数据，并且还要保证一定的清晰度，即在一定的数据发送速率下，保证良好的分组投递率，我们提出了一种可行的解决方法。采用两个使用不同频率的网卡，一个专用来传输数据分组，一个专用来传输控制分组。在有数据发送的时候，每隔一段特定的时间（如5分钟），启动一次路由发现，查找最佳路由。如果新路由与旧路由相同，则继续运行；如果新路由与旧路由不同，则立即采用新路由进行数据传输，因为新路由更能适应当前情况。网络中的每个节点采用一种休眠机制，在没有数据发送超过一段特定的时间的情况下，节点进入休眠状态，这样可以节省很多能量。如此以来，控制分组与数据分组互不影响，在增加数据传输带宽的情况下又减小了路由不通的发生频率，对现有AODV路由协议的性能将会有一个很大的改善，这个就是之后需要努力研究的内容。结束语本文简单介绍了Ad Hoc网络AODV路由协议的基本原理，简单介绍了NS2仿真软件的原理，详细阐述了利用NS2构建具体消防现场环境并使用AODV协议传输数据的整个过程，根据具体的网络参数，得出了相应的图表，指出了所要解决的问题和一个可行的解决方法，这对于利用NS2对Ad Hoc网路由协议的性能评估有极其重要的意义，同时对于进一步研究Ad Hoc网络的路由协议也有积极意义。参考文献1 马洪亮, 徐惠民. Ad Hoc网络基于簇的多信道MAC协议研究J. 信息系统与网络, 2008 : 4-6.2 刘凤海, 郑郁正. Ad Hoc网络协议AODV的问题仿真及解决方法J. 成都信息工程学院学报, 2007, 22(5): 578-580.3 王鲁光,