基于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)洹＞W(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行模擬分析。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?，F(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)基礎(chǔ)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)自身需求進(jìn)行任意拓展。

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)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算法基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的，同時(shí)也被稱(chēng)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最大的區(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)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)進(jìn)行路由維護(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，并將其反饋給源節(jié)點(diǎn);若沒(méi)有，再將RREQ轉(zhuǎn)發(fā)給自己所有的鄰居。依次類(lèi)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)進(jìn)行路由維護(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)的路由信息進(jìn)行修復(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(lèi)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)浣Y(jié)構(gòu)。最終，節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地鏈路信息庫(kù)和拓?fù)浼现械男畔?，采用Dijkstra算法根據(jù)路徑最短的原則計(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最核心的部分。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)。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?Helper)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(lài)較多系統(tǒng)組件，安裝過(guò)程較復(fù)雜。NS-3仿真器代碼核心部分全部使用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)。比如采用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)Config：：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)，比如數(shù)據(jù)包的大小，需要?jiǎng)?chuàng)建的節(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(lèi)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)建網(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(lèi)(XXX-Helper)，使用者可以方便地使用這些幫助類(lèi)設(shè)定每一層參數(shù)。比如使用YansWifiPhyHelper設(shè)定物理層協(xié)議，使用YansWifiChannelHelper來(lái)設(shè)置傳輸信道類(lèi)型，使用NqosWifiMacHelper來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等。最后通過(guò)幫助類(lèi)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，以達(dá)到測(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)建使用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)，最后讓發(fā)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)?？梢栽诨卣{(diào)函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)包的時(shí)延，投遞率進(jìn)行統(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)議進(jìn)行仿真，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2×2，3×3逐漸增大到18×18;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)景的基礎(chǔ)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7×7，即節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域限制在2 100 m×2 100 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要頻繁地維護(hù)路由信息，所以在速度較大時(shí)較其他2種協(xié)議表現(xiàn)更好。

4結(jié)語(yǔ)

論文通過(guò)NS-3搭建了MANET路由仿真平臺(tái)，從端到端平均時(shí)延和投遞率角度分析比較了MANET三種路由協(xié)議。靜態(tài)場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，3種協(xié)議端到端平均時(shí)延均隨之增加，但AODV和OLSR增加不明顯，并且兩者的投遞率也幾乎不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響，相比之下，DSDV端到端時(shí)延和投遞率受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響較明顯。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度增加，3種協(xié)議的投遞率都降低，而且總體上平均時(shí)延較小者，表現(xiàn)出更好的投遞率。