毕业论文-VANET仿真设计与实现.doc

二 一 五 届 毕 业 设 计VANET仿真设计与实现 学 院：电子与控制工程学院 专 业：自动化 姓 完成时间：2015年6月12日 二一五年六月摘 要为了解决沙漠、戈壁等荒漠场景的车辆间及其与外界的通信，提出了一种车辆自组网的体系结构并重点分析其分簇和路由算法。该算法根据网络中车辆所装备的通信终端类型和车辆定时发出的位置、速度和行驶方向等信息对车辆进行分簇。在簇内通信和簇间通信时，簇头车辆为簇成员车辆选择最合适的路由；在与外界通信时，簇头车辆为簇成员车辆选择最近的装备卫星或地面移动通信终端的车辆进行转发。车载自组网是近年来无线网络以及智能交通领域的研究热点之一。在真实环境中测试和评估车载自组网的协议和应用有很大难度，因此利用车载自组网仿真工具进行研究就成为了一种很有效的技术手段。从车载自组网仿真的研究意义和研究内容出发，介绍车载自组网仿真的发展历程和研究现状本，对现有的车载自组网仿真器进行分类，介绍和比较典型的车载自组网仿真器，最后探讨目前车载自组网仿真中存在的问题及未来的发展前景。仿真结果表明，该算法与传统的分簇路由算法相比具有更高的簇结构稳定性、更高的数据传输成功率以及更低的路由开销。关键词：车辆自组织网络，分簇，路由， NS2AbstractTo solve the communication problem among vehicles in wilderness scenarios such as desert and Gobi or be-tween the vehicles and the outside, a special architecture of VANET was proposed and its clustering and routing algo-rithm was analyzed. Based on different types of communication terminals each vehicle equips and the location, speed and driving direction information of the periodic message, the vehicles are organized into different clusters. The head of each cluster chooses the best route for its members when they ask for inner-clustering communications or inter-clustering communications. It also searches the nearest vehicle which equips satellite communication terminals or land mobile communications terminals to forward messages when a member requests communicating with the outside of the network.Vehicle ad hoc networks have the most remarkable aspects in the field of intelligent traffic in recent years. The field tests and evaluations of ad hoc networks protocols in real environment are much difficult, so using of vehicle ad hoc networks simulation tools has become a very effective technology. The meanings and contents of the vehicular networks simulation research were addressed. The development process and the status quo of vehicular ad hoc networks simulation were introduced, and then the classification and comparison of the typical vehicle ad hoc networks simulators were proposed. At last, the problems and the development trend of the vehicular ad hoc networks simulation were discussed.Simulation results show that the proposed algorithm has higher network stability, higher data delivery ratio and less routing overhead.KEY WORDS: VANET ，clustering ，routing ，NS2 目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 研究背景和意义11.2 国内外研究现状21.2.1国外发展状况21.2.2国内研究现状41.3 论文结构5第二章 VANET及其网络仿真软件NS262.1车辆自组织网络（VANET）62.1.1 车辆自组织网络概述62.1.2 车辆自组织网络的特点62.2 网络仿真软件NS282.2.1 仿真软件NS2概述82.2.2 仿真软件NS2主要功能82.3 NS2网络仿真过程92.3.1 NS2仿真的层次92.3.2 NS2仿真步骤92.4 TCP/IP参考模型92.5 本章小结11第三章 系统方案设计123.1系统模型和网络的逻辑结构123.2分簇及其管理123.2.1 簇的分类123.2.2 簇头选举和维护133.3基于分簇的网络路由协议143.3.1 簇内路由143.3.2 簇间路由153.3.3 簇成员与外界通信183.3.4 路由维护183.4 本章小结18第四章 仿真实验与结果分析194.1 TCP与UDP模拟实验194.2 动态路由选择实验234.3 TCP拥塞控制304.4 队列管理机制模拟实验344.4 本章小结38第五章 总结与展望395.1本文工作成果395.2 今后的工作395.2.1实现通过图形界面创建仿真网络拓扑395.2.2实现仿真网络运行状况动态监测39参考文献40致谢4243毕业设计第一章 引言1.1 研究背景和意义近年来，随着智能交通的高速发展，车载自组织网络作为智能交通系统的关键备受关注。车载自组织网络VANET的英文缩写是Vehicular Ad Hoc Networks，相对于比较一般移动自组织网络而言，它是一张应用环境比较特殊的移动自组织网络。车载自组织网络VANET具有高速移动，节点数量大和跟随路径移动以及通信的质量受复杂环境影响等特点，它是在道路上构建一个自动组织，高效模拟突发交通状况，位置布置开放的车辆间的通信网络。车辆间的通信需要及时有效，因此如何选择最佳最短路径就是需要解决的重中之重的技术问题。车载自组织网络对于路由协议最关键的问题是使用最少量的网络资源来实现最短的传输时延。移动自组织网络如果以车辆为网络节点，则可以构成一种新型的网络：车辆自组织网络。VANET是智能交通系统中的重要组成部分，是道路上车辆间，车辆与固定接入点相互通信组成的开放式移动Ad Hoc网络，它在道路上构建了一个自组织，部署方便，费用低廉，结构开放的车辆间通信网络。VANET网络由车载计算机设备，无线通信设备和全球定位系统（GPS）构成，每个节点可以通过GPS随时确定自己的方位，通过无线收发装置来接收其它节点的信息并进行响应的计算，然后向邻近区域的其它车辆发送自己的信息。人们可以通过通信系统来了解路段情况，根据是否发生事故或堵车及时调整路线，同时交通控制中心可以根据所收集的车流量和路况信息及时调整红绿灯时间，使整个交通系统达到最高效率。随着人们对个人通信要求的提高，人们越来越希望有一种更安全、高效率的方式移动到目的地，车载自组网将会是未来的重点发展方向，其中MAC层和路由层的设计将会是车载自组网所面临的最大挑战。MAC需要解决的问题有无线信道划分、分配和能力控制、向网络层提供统一的服务、屏蔽物理层不同的信道控制方式，实现拥塞控制、优先级排对、分组发送、确认、差错控制和流量控制等；路由层的侧重点在于如何建立完全分布式的、适合高速拓扑变化车载网络的路由协议。而车载自组网在交通运输中的出现，将会扩展司机的视野，从而提高道路交通的安全与高效。典型的应用包括：1）行驶安全预警利用车辆间相互交换状态信息，通过车载自组网提前报告给司机，建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为，这便有效地提高了司机的注意力，提高驾驶的安全性。2）协助驾驶帮助驾驶员快速、安全通过盲区，例如在高速出入口或交通十字路口处的车辆协调通行。3）分布式交通信息发布改变传统的基于中心式网络结构的交通信息发布形式，车辆从车载网中获取实时交通信息，提高交通路况信息的实时性，例如，综合出与自身相关的车流量状况，更新电子地图以便更高效地决定路径。4）基于通信的纵向车辆控制通过车载自组网，车辆能根据尾随车辆和更多前边视线范围外的车辆相互协调行驶，这样能够自动形成一个更为和谐的车辆行驶队列，避免更多的交通事故。综上可知，车载自组网将会在未来发展成为我们生活中的一部分。1.2 国内外研究现状20世纪90年代末问世的无线传感器网络正在以人们难以预测的速度迅猛发展，国际上一些重要机构预测其为改变世界的新事物。与无线传感器网络有关的各种新技术及无线传感器网络在军、民各个领域的应用研究工作已经在发达国家轰轰烈烈地展开，大有引发一场新技术革命的势头。无线传感器网络是从民用领域发展起来的，它由数量巨大的传感器节点组成，这些节点密集部署在所要观测或监视的对象的内部或者非常靠近这种对象的地方。由于传感器网络具有许多其它网络所没有的特征，其应用范围已经深入到了人类社会的每一个角落，从收集家庭、建筑物、船舶、交通运输系统、工业自动化系统内部及其周围环境的信息并实施监控的民用商用应用领域，一直到数字化战场全谱战斗空间的监视、检测与跟踪等军事作战领域。 1.2.1国外发展状况美国：从本世纪开始，美国将智能交通的战略向车辆安全及车路协调技术方面转移，开始对综合运输协调技术、车辆安全技术、车车/车路通信技术、车辆感知技术等进行研究。主要开展的项目有：智能车辆计划（IVI）、车辆-基础设施集成项目（VII）、商用车辆安全计划、CICAS、IVBSS 等。上述项目中具有代表性的有以下几个：1） 车辆-基础设施集成计划VII（Vehicle Infrastructure Integration）：该计划致力于利用无线通信技术使行驶中的车辆更紧地与周围的环境相联系，从而提高交通系统的安全性3。2） IntelliDrive 项目：针对推广VII 系统时遇到基础设施运营商和汽车厂商对采用单一标国家自然科学基金申请书 2013 版准的路侧系统建设和运营兴趣不大的问题，美国交通运输部推进IntelliDrive 项目的研发。IntelliDrive 项目中，考虑采用移动通信技术、 WIMAX、卫星通信等方式，建立开放式通信平台，为车辆提供无缝的通信服务4-5。3）Wingcast 系统：该系统由福特（Ford）公司与高通（Qualcomm）公司合作推出，它将搭载了该系统的车辆连接在一起组成一个汽车门户6。4）CarTel系统：该系统由麻省理工学院（MIT）开发。该系统的信息来源为手机或者车辆的传感器，车载单元将采集到的数据处理后发送到服务器中。服务器进一步处理后向用户提供数据库查询、位置服务、交通预测、路况监控等服务7。欧洲：欧洲ITS 组织ERTICO 于2003 年9 月提出eSafety 的概念，将重点转移到研究安全题，并且更加重视体系框架和标准、交通通信标准化、综合运输协同等技术的研究。主要是利用先进的信息与通信技术，加快安全系统的研发与集成应用，为道路交通提供全面的安全解决方案8。通过车车以及车路通信技术获取道路环境信息，从而更有效的评估潜在危险并优化车载安全系统的功能。这些项目为车联网的进一步研究奠定了基础。典型的项目包括：1）车路协同系统（CVIS，CooperativeVehicle Infrastructure Systems）：欧洲的CVIS 是一个协作交通信息系统，采用多种协作模式9。2）FleetNet 项目：该项目由日本电气股份有限公司欧洲分公司、戴姆勒-克莱斯勒公司、西门子公司和德国曼海姆大学合作开发10。该项目能够实现近距离多跳信息传播以及提供位置信息服务，主要利用无线多跳自组织网络技术实现无线车载通信。3）CarTalk 项目：该项目主要研究了车辆自组织网络，利用前车作为检测器。当前车感知到危险时，通过车车通信技术将危险信息发送至后车，使后车有足够的反应时间来进行避险动作。该项目作为辅助驾驶技术在高速公路上进行了试验11。日本：从上世纪 90 年代末期开始重点研究如何提高道路交通安全性并保持交通的顺畅性，因此将智能化车辆安全技术、车路协调技术和辅助安全驾驶技术的研发列入研究重点。日本国土运输局提出了先进安全车辆计划（Advance Safety Vehicle，ASV），并主导各大汽车厂商进行研究。此外，日本的汽车公司在车联网方面也展开了研究，开发的相关系统有：Inter-Navi 系统、Monet 系统12-13。2010 年6 月“车联网”论坛集中探讨了“车联网”技术发展及其如何彻底消除交通事故和城市拥堵等问题。2010 年 10 月，在无锡举行的 2010 中国国际物联网博览会暨中国国际物联网大会，决定将车联网项目列为我国重大专项中第三专项的重要项目。但是，由于中国在车联网方面的研究刚刚起步，在各个环节尚待完善。实际应用还主要集中在电子不停车收费系统（Electroinc Toll Collection，ETC）等方面。部分高校和研究机构进行了相关智能化车路协同控制技术的研究，如：国家科技攻关专题“智能公路技术跟踪”，国家 863 课题“智能道路系统信息结构及环境感知与重构技术研究”、“基于车路协调的道路智能标识与感知技术研究”等，同时设立“智能车路协同关键技术研究”主题项目14-16。通过对现状的研究发现，车联网技术是国际智能交通领域研究的新热点。目前，国外虽然已经定义了用于车联网的通信标准和一系列应用场景，但相关的核心技术仍处于实验室研究和试验阶段。1.2.2国内研究现状我国尚未定义车载自组织网络VANET相关标准，但也开始进行相关技术的研究。其中： 1）车联网交通信息采集技术目前国内外在交通信息采集技术方面已有了较多的研究成果，但大多还是孤立地分为固定型检测器、车载移动型检测器以及空基型检测器。而在车联网环境下，通过车车/车路通信技术，可将车载系统感知到的信息和路侧系统感知到的信息进行融合，以获得更准确的交通信息，将人-车-路三者真正地融合起来。但是现在国内外对车路通信技术中重要的部分路侧单元的布设和优化方面研究较少17-20。2）车联网交通信息处理技术车联网环境下采集到的交通信息繁杂多样，如何利用这些不同类别的信息，需要不同的处理方法。交通信息融合处理技术将来自多个传感器的数据进行综合。车辆的位置信息作为车联网信息的最基础一环，通过车辆与基础设施通信，基于数据融合的车辆定位技术能够改善现有的车辆定位技术在复杂的城市环境中表现不佳的情况。路径优化是车联网的一个重要应用。实现路径优化的关键不仅要有实时的交通信息数据，更重要的是利用这些实时信息通过各种预测模型和方法获得实时、可靠、准确的预测信息。目前常用的做法是使用历史平均出行时间或当前的行程时间作为对短期行程时间预测的依据，信息来源主要为固定型检测器和移动型检测器。而在车联网环境下，可通过车辆与基础设施通信直接收集行程时间和其它实时的交通数据。车辆和路边基础设施可以通过无线通信交互不断的采集行程时间、流量以及其他连入车联网的车辆密度样本。这种交通信息质和量的大幅提升，将会显著改善行程时间预测系统的性能21-25。1.3 论文结构全文内容安排如下：第二章主要介绍本文中所涉及的车联网的基本概念和一些相关技术，如简要分析车联网的体系结构、基本特点、典型应用，以及网络仿真软件NS2。第三章主要针对在沙漠、戈壁等荒漠场景的车辆间及其与外界的通信，根据网络中车辆所装备的通信终端类型和车辆定时发出的位置、速度和行驶方向等信息对车辆进行分簇，提出了一种车辆自组织网络的体系结构并重点分析了其分簇路由算法。第四章通过使用NS2网络仿真软件对真实网络进行模拟。使用NS2自带的仿真结果统计工具（awk，xgraph和gnuplot）对仿真数据进行统计、分析等。呈现的效果评比指标包括了端点到端点的延迟、抖动率、吞吐量、和封包遗失率、队列长度等。第五章总结与展望，本文主要根据TCP拥塞控制、RED队列管理机制、一种基于荒漠环境下车联网及其分簇路由算法等实现车联网及其与外界的通信具有更高的数据传输成功率、更高的网络结构稳定性以及更低的路由开销。第二章 VANET及其网络仿真软件NS22.1车辆自组织网络（VANET）2.1.1 车辆自组织网络概述VANET是一种快速移动户外通信网络（Fast Moving Outdoor Communication Network）或自组织交通信息系统（Self-organizing Traffic Information System，SOTIS）。VANET的基本思想是车辆节点可以将各自的车速、踏板压力、位置等传感器数据通过多跳的方式在一个自动建立起来的自组织通信网络中与视距外的车辆进行通信，提高车辆和道路安全系数，还可以通过网关（Gateway）与Internet进行连接。在V2V部分中，卫星通信系统可以为VANET提供全球定位服务（Global Positioning System，GPS）和数字多媒体服务（Digital Multimedia Broadcasting，DMB）获得精确的车辆位置信息。2.1.2 车辆自组织网络的特点VANET是一种特殊的MANET，它同样具备一般无线网络的特点，如分布式、自组织、无中心、临时组网、可扩展、灵活组网等。但由于VANET特殊的工作场景，使其具有许多传统MANET网络所不具备的特点。这些特点有的对网络的数据传输有利，有的则不利，以下为对VANET数据传输的性能有不利影响的特点10：1）由于VANET节点为行驶在道路中的车辆，所以其无线信道质量不稳定，受建筑物遮挡、车辆速度及车辆密度等多种因素影响。2）由于VANET中节点为道路上的车辆，其分布受道路局限，使道路呈“管状”分布，网络容量有限。VANET的特殊应用环境直接影响VANET网络的传输效率，增加了发生冲突与竞争的概率，使丢包率增加、延迟增大。3）由于车辆节点移动速度快使其组成网络的拓扑变化快，节点间链路寿命变短。研究表明，若车速为100km/h，节点传输距离250m，则链路存在时间会严重下降，这使得传统的表驱动路由协议不能用于VANET。4）节点密度变化大。VANET以道路上行驶的车辆作为通信节点，其节点密度随道路上交通流的变化而变化，而在道路交通中，有时节点密度很大（如在交通阻塞中），而有时又很小（如夜晚的偏僻公路上），这使得网络在节点密度大时容易发生拥塞，而在密度小时又容易发生分割。5）不加限制的泛洪广播会使网络发生阻塞。广播作为一种常用的通信模式，在无线通信中地位十分重要，同时广播适合VANET应用中需要将信息通知给无明确目的节点的发散通信形式。但在VANET中，由于节点密度和网络容量问题，盲目的泛洪广播会引起严重的阻塞。而传统自组网中常用的按需路由协议经常要使用泛洪广播来搜索并建立路由，同时，VANET网络拓扑的频繁变化必然导致大量的泛洪广播，从而引发大量的冲突，甚至网络拥塞。6）MAC层协议退避机制可能会加剧网络阻塞。VANET的MAC层协议主要应用IEEE 802.11协议。在IEEE802.11协议中应用了冲突避免机制（Collision Avoidance，CA），这种退避策略会在网络中发生冲突时发生退避，以减少冲突，但由于VANET网络密度和网络容量的问题，可能造成某些节点一直退避从而使传输失败的问题，这对VANET安全应用中紧急传输事故告警信息是非常不利的。虽然VANET具有上面据说的各个不利因素，但是，由于VANET以车辆为网络节点，车载电源无能量约束，同时，现代汽车上GPS得到广泛的使用。这使VANET很容易获得节点的地理信息，因此，VANET也具有很多传统移动自组织网络所不具备的有利因素：1）VANET节点拥有丰富的外部辅助信息。VANET以车辆为节点，车上安装的大量传感器可为网络提供了大量的节点辅助信息，同时GPS和GIS技术的普及使VANET中网络节点不仅可以获得节点自身的地理信息和节点所处的道路信息。2）VANET中节点运动可预测，规律性强，路径状态可预测。VANET车辆为节点，而车辆沿公路行驶，其移动受路网的结构限制。同时通过车载的地理信息系统和路径规划软件，可以预知车辆的目的地、行进路线等信息。3）VANET以道路上行驶的车辆为网络节点，其节点的移动行为还受交通规则及驾驶员驾驶行为的影响，这使得VANET的移动模型更符合实际。4）VANET节点之间运动具有关联性。不同于传统MANET每个节点运动是独立的，VANET中的节点运动具有关联性，比如跟行驶时的前后车速一致，而后车与前车距离受车速影响。5）VANET节点以车载电源供电，无能量约束。不同于传统移动自组网，VANET车辆节点上通信设备的供电由车载电源负责，不受能量约束，所以VANET的协议中不需要将电源作为主要的考虑因素，传统移动自组网中的基于能源的协议都失去意义。6）可采用定向天线、加大发射功率的方法使传输沿道路进行以扩大传输范围。由于电源不受限制，且车辆沿道路分布，可采用定向天线和加大发射功率的办法来扩大传输距离。2.2 网络仿真软件NS22.2.1 仿真软件NS2概述在通信网络仿真方面主要是基于专业的仿真工具（如OPNET、NS2），对通信网络的内部机理（包括路由等底层协议及算法）进行建模仿真，进而计算得到相应效能指标，这种仿真方式能够比较逼真地反映真实网络，可信度较好。网络仿真软件NS2自带的仿真结果统计工具可以在仿真实验结束后对仿真数据进行统计、分析等。构建仿真网络软件主要功能为模拟实际网络，使用使用一些工具（awk，xgraph和gnuplot）来分析和呈现模拟结果。呈现的效果评比指标包括了端点到端点的延迟（End-to-End Delay）、抖动率（Jitter）、吞吐量（Throughput）和封包遗失率（Packet Loss）。2.2.2 仿真软件NS2主要功能目前，使用较多的网络仿真软件有OPNET、Matlab、NS2和GloMoSim等。选择免费且开放源代码的NS2作为仿真平台，是因为该平台是一种离散事件网络仿真平台，可以运行在Linux和Windows操作系统上。作为一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动网络仿真软件，NS2能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行，并支持各种协议。其主要功能包括以下几点。1）灵活的仿真环境作为一款开源软件，NS2所有源代码公开，任何人都可以获得、使用和修改其源代码。这对于利用NS2来构建特殊的网络仿真环境非常方便和迅速。2）结果分析及再现容易研究人员通过配置环境参数获得理想的网络环境，即可实时跟踪并记录关键节点的重要信息，从而获得网络性能参数，并可以随时再现某些特殊情况，这在真实网络中是难以做到的。3）良好的可扩展性NS2使用C+和OTCL两种程序设计语言，分别完成具体协议的模拟，实现与网络仿真环境的配置和建立。对于有一定编程基础的人员来说，可以根据自身的需要方便地设计新协议，扩展新的功能模块。4）在线资源支持NS2的官方网站建立图书馆性质的库，收集了很多经典的演示场景和案例。2.3 NS2网络仿真过程2.3.1 NS2仿真的层次网络仿真要经历模型建立、模拟实现和结果分析三个阶段。NS2仿真分为两个层次：1）基于OTCL编程的用户层次，只需编写OTCL脚本；2）基于C+和OTCL的系统层次，能够对NS2内核进行功能扩展，增加新的C+和OTCL类，添加所需的网络元素。仿真过程如图2.1所示：图2.1 NS2网络仿真过程2.3.2 NS2仿真步骤1）配置网络拓扑结构，确定链路的基本特性，如延时、带宽和选择策略等；2）建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立；3）配置业务量模型参数，确定网络上的业务量分布；4）设置Trace对象，把仿真中发生的特定类型事件记录在Trace文件中，通过Trace文件保存整个仿真过程。仿真完成后，用户对Trace文件进行分析研究。2.4 TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型是指TCP/IP协议簇的分层结构模型，因特网所遵循的协议体系就是TCP/IP协议。TCP/IP参考模型分为4个层次，自下而上分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。不过，TCP/IP参考模型并未定义网络接口层的具体内容。图2.2给出了TCP/IP参考模型的层次结构及其与OSI/RM参考模型的对应关系：图2.2 TCP/IP参考模型1）网络接口层网络接口层负责将网际层的IP数据报通过物理网络发送，或从物理网络接收数据帧，抽取出IP数据报上交给网际层。TCP/IP标准并未定义具体的网络接口层协议，其目的在于提供灵活性，以适用于不同的物理网络，可以使用的物理网络的种类很多，如各种局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）甚至点对点链路。物理网络不同，接口也不同。网络接口层使得上层的操作和底层的物理网络无关。严格来说，TCP/IP的网络接口层并不是一个独立的层次，只是一个接口，TCP/IP并未对它定义具体内容。网络接口层对应于OSI的12层，即物理层和数据链路层。2）网际层网际层也称互联网层。网际层所提供的是一种无连接、不可靠但尽力而为的数据报传输服务，将数据报从源主机传送到目的主机。从一台主机传送到另一台主机的分组可能会通过不同的路由，且分组有可能出现丢失、乱序等。为了达到较高的分组传输速率，放弃了一些并非必须的可靠性操作。网际层传送数据的单位是IP数据报，也就是分组。3）传输层传输层也称运输层。传输层为应用进程提供端到端的传输服务，为应用进程提供一条端到端的逻辑信道。端到端的逻辑信道在源站点和目的站点的两个传输层实体之间，不涉及网络中路由器等中间节点。TCP/IP在传输层主要提供两个协议，即提供面向连接的、可靠的端到端传输服务的传输控制协议（TCP），以及提供无连接的、不可靠的端到端传输服务的用户数据报协议（UDP）。4）应用层TCP/IP的应用层对应OSI的高3层，提供面向用户的网络服务。TCP/IP参考模型的应用层已经存在许多面向应用的著名协议，如文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）、远程登录协议（Telnet）、简单邮件传送协议（Simple Mail Transfer Protocol，SMTP）、超文本传送协议（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）和简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）等。FTP是TCP/IP使用最广泛的一个应用，它控制网络上两台主机之间的文件传送；远程登录协议Telnet亦称远程终端访问协议，用于本地用户登录到远程主机以访问远程主机中的资源；SMTP是一个简单的面向文本的传输协议，用于有效地传输电子邮件；HTTP用于万维网的信息传输；SNMP用于网络管理。2.5 本章小结本章首先通过车辆自组织网络的介绍，引出车联网的基本慨念，并简要分析了车联网的体系结构、基本特点，然后介绍了网络仿真软件NS2的基本特点和仿真步骤，为本文基于NS2的VANET仿真设计与实现提供了有益的思路和明确的指导。最后通过介绍TCP/IP参考模型，实现OSI与TCP/IP参考模型的比较，理解TCP/IP参考模型的层次结构与OSI/RM参考模型的对应关系。第三章 系统方案设计3.1系统模型和网络的逻辑结构本文研究的车联网应用场景是在沙漠、戈壁等荒漠环境，与城市环境不同的是：没有道路、交通标志和建筑物等约束，车辆的运动呈不规则性；信息传输没有可供利用的基础设施。在本文的系统模型中做如下设计：每辆车都装备车联网通信终端，车辆可以通过该终端与其通信范围内的其他车辆进行通信，但无法与 VANET 外界进行信息交互；部分车上装备地面移动通信终端可以通过地面公共通信设施与外界网络（包括 Internet）连接；少量车上还装备卫星通信终端可以直接与卫星进行通信；极少量车上会同时装备这两种终端。网络中车辆可以分割成不同的簇，每个簇中拥有一个簇头车辆和若干个簇成员车辆，簇成员与簇头间最远距离为几跳通信范围，簇头车辆负责协调和管理簇内所有其他车辆；簇间车辆的信息传输可由簇头通过多跳传输来完成。为了方便网内车辆与外界进行通信，在簇头选举时优先选择装备了卫星通信终端或地面移动通信终端的车辆。这样，那些仅装备了车联网通信终端的车辆就可以借助于本簇或邻簇簇头车辆的转发与外界构成通信链路。3.2分簇及其管理簇是本文模型的基础，簇头收集簇成员信息。当需要传输信息时，簇成员将信息发送至本簇的簇头车辆，簇头通过相邻簇头的多跳转发将信息送至目的车辆所在簇的簇头，最后由该簇头将信息转发至目的车辆。为此首先讨论簇的分类，然后讨论簇头的产生及维护。3.2.1 簇的分类如前所述，本文研究的车联网共有四种不同类型的车辆：仅装备车联网通信终端、装备车联网通信终端及地面移动通信终端、装备车联网通信终端及卫星通信终端、装备三种通信终端。为方便叙述，依次分别将它们称为 A、B、C、D 类车。除 A 类车外，其他几类车在一定条件下均可直接与外界通信。根据簇内车辆的种类数量可将簇结构分为四种，如图3.1所示。图3.1簇结构示意图 图 3.1(a)所示为单一车辆组成的簇，图中仅给出A 类车辆形成的簇，其他车辆成簇情况亦然。因为簇中所有车辆类型相同，所以它们必须经过选举产生簇头。如果该簇处于远离 VANET 中其他簇所在的位置，B、C、D 类车仍可借助本身装备的地面移动通信终端或卫星终端与网中其他车辆或与外界取得联系，而 A 类车则只能处于失去联系的状态。 图3.1(b)所示为由两种类型车辆成簇的一种情形，其他情形亦然。当 A 类车与 B、C、D 类车形成簇时，通常选择后者为簇头。当有多辆 B、C、D类车在一个簇中或由 B、C、D 中两种形成这种簇时，需经过选举产生簇头车辆。 图3.1(c)和图3.1(d)所示分别为由三种、四种车辆成簇的一种情形，其他情形亦然。这两种情况都需要进行选举产生簇头车辆。3.2.2 簇头选举和维护在本系统中，依靠车载通信终端进行簇头选举时的优先级为：卫星通信终端、地面通信终端、车联网通信终端。若一辆车上同时装备多种通信终端则以优先级最高的为准。在簇头选举时做如下假设：1）每辆车都拥有一个全网唯一的 ID 号；2）每辆车上都装备了 GPS 或其他卫星定位设备，可以通过周期性采集位置信息计算出其速度大小和方向；3）网络中每辆车的最大速度有一定限制。分簇过程结束后，由于车辆的运动会造成簇结构的变化，因此需要不断对簇结构进行维护，直至车辆退出网络或网络消亡。 维护过程主要通过周期性检查邻居车辆列表和邻居簇列表状态实现，当普通簇成员车辆离开所在簇和加入新簇时并不会对簇结构产生影响，仅需在簇头车辆中修改簇成员列表即可。当边界车辆离开所在簇时，簇头车辆需重新选择新的边界车辆，选择条件与分簇过程中类似。当两辆簇头车辆由于运动靠近时导致簇的融合，此时会触发簇头竞争，竞争选举的条件与分簇过程中类似，竞争失败的簇头车辆发送簇消亡消息通知本簇成员更新簇头。当簇头车辆由于故障等失效时，簇内成员会重新选举产生新的簇头，选举过程与分簇过程中一致。3.3基于分簇的网络路由协议将车联网的通信分为网内车辆间和网中车辆与外界2种情况，而前者又可分为同簇和不同簇间2 种情况。3.3.1 簇内路由当簇成员车辆需要通信时，首先向本簇簇头车辆发出申请，簇头车辆收到申请后判断是网内通信请求，便首先在本簇簇成员列表中寻找目的车辆，若找到就根据存储的簇成员位置信息为源车辆和目的车辆选择一条最佳路由。若该路由需经过簇头车辆转发（如图3.2中的 A1 车与 A4 车之间的通信），则簇头车辆将路由申请转发至目的车辆；否则将最佳路由发至源车辆，源车辆与目的车辆间通过该路由进行通信，例如图3.2中的 A1车与 A3 车，可直接经过 A2 车的转发进行通信而无需通过簇头车辆。图3.2 相邻簇间通信的物理链路3.3.2 簇间路由 当簇头车辆在本簇成员列表中寻找不到目的车辆时，便向邻居簇头发起路由请求并等待路由响应，如果在等待时间阈值内还未收到路由响应便重新发送，若重发次数超过最大重发限制则结束路由寻找过程，如图 3.3(a)所示。邻居簇头的路由获取过程如图 3.3(b)所示。为减少网络中的信息拥堵，并非所有收到的邻居簇都进行处理，只有那些位于路由请求簇头车辆下游处的邻居簇头车辆才会参与路由寻找的过程。此处下游簇头是指比请求簇头距目的车辆的距离更近的簇头车辆。图3.3(a)：自组网内部通信源簇头工作流程图3.3(b)：自组网内部通信邻居簇头工作流程3.3.3 簇成员与外界通信仅有装备卫星通信设备的 C、D 类车可以始终与外界进行通信；在可以连接地面公共通信网络时，B 类亦然，而 D 类亦优先使用地面公共通信网络。因此，如果需要与外界通信的簇成员车辆（即源车辆）是这 3 类中的一种，则最佳情况是可使用地面公共通信网络进行直接通信，而当没有地面公共通信网络可供使用时C、D 类将通过卫星进行通信。否则，源车辆需要发起路由寻找，通过其他车辆的转发而建立与外界的路由。这种情况下源簇头车辆和邻居簇头车辆的路由获取过程相同。3.3.4 路由维护当路由建立后由于车辆的运动可能导致路由的断链，此时，断开处的车辆会暂时存储信息并以自己为源车辆向目的车辆重新发起路由申请，如路由建立成功则将信息发送至目的车辆，否则向源车辆发送传输失败信息，由源车辆重新建立到目的车辆的路由。3.4 本章小结本章主要介绍在沙漠、戈壁等荒漠场景的车辆间及其与外界的通信，根据网络中车辆所装备的通信终端类型和车辆定时发出的位置、速度和行驶方向等信息对车辆进行分簇，提出了一种车辆自组织网络的体系结构并重点分析了其分簇路由算法。在簇内通信和簇间通信时，簇头车辆为簇成员车辆选择最合适的路由；在与外界通信时，簇头车辆为簇成员车辆选择最近的装备卫星或地面移动终端的车辆进行转发。 第四章 仿真实验与结果分析4.1 TCP与UDP模拟实验1）构建的网络仿真结构图如图4.1所示：图4.1模拟实验网络2）这个网络的环境包含了两个传输结点s1和s2，路由器r和数据接收端d。s1到r之间与s2到r之间的网络频宽都是2Mbps，传递延迟时间是10ms。网络结构中的频宽瓶颈是在r到d之间，频宽为1.7Mbps，传递延迟的时间为20ms。所有链路的管理机制都是采用DropTail，且r到d之间的最大队列长度（Queue Limit）是10个封包的长度。在s1到d之间会有一条FTP的联机，FTP应用程序是建构在TCP之上，所以在写仿真环境的描述语言时，必须先建立一条TCP的联机，因此在来源端s1上使用TCP agent产生“tcp”来发送TCP的封包；在目的地d使用TCPsink Agent产生“sink”来接受TCP的数据，并产生回复封包（ACK）返回发送端，最后释放接收的TCP封包。另外，还必须要把这两个agent连起来（connect），联机才能建立。若是没有额外的参数设置，TCP封包的长度为1KB。另外，在s2到d之间有一条固定的传输速率的联机（Constant Bit Rate，CBR），CBR应用程序的结构在UDP之上，为此必须在s2使用UDP agent来产生，“udp”用来发送UDP封包，在d上使用Null Agent来产生“sink”以接收由s2传送过来的UDP封包，然后再把接收的封包释放出来。CBR的传输速率为1Mbps，每一个封包大小为1KB。CBR是在0.1s开始传送，在4.5s结束传输；FTP是在1.0s开始传送，4.0s结束传输。3）执行结果：在与wangluo.tcl同一个目录下会产生一个out.tr（仿真过程记录文件）和一个out.nam（NAM记录文件），另外会打开两个新窗口，如下：图4.2：NAM执行界面、图4.3：NAM版本图4.2：NAM执行界面图4.3：NAM版本CBR是在0.1s开始传送如图4.4(a)所示，在4.5s结束传送如图4.4(b)所示 FTP是在1.0s开始传送如图4.4(c)所示，在4.0s结束传送如图4.4(d)所示执行NAM，观察网络仿真的过程： 图4.4(a)：CBR0.1s开始传送 图4.4(b)：CBR4.5s结束传送 图4.4(c)：FTP1.0s开始传送 图4.4(d)：FTP4.0s结束传送4）模拟结束后，除了使用NAM观看模拟的过程，另外就是要使用仿真过程记录文件去做一些数值的分析。因此这个记录文件很重要，所以需要先了解这些记录文件中记录的格式。以下是out.tr的部分记录：这个记录的格式如下：EventTimefrom nodeto nodepkt typepkt sizeFlagsFidsrc addrdst addrseq numpkt idr： receive （at to_node）；+：enqueue （at queue）；_：dequeue （at queue）；d：drop （at queue）；src_addr： node.port；dst_addr： node.port；每一笔记录每一笔记录的开始都是封包事件发生的原因，若是“r”，则表示封包被某个结点所接收；若是“+”则表示进入了队列；若是“”则表示离开队列；若是“d”则表示封包被队列所丢弃。接着第二个字段表示的是时间发生的时间；字段三和字段四表示事件发生的地点（从 from node 到 to node）；字段五表示封包的类型；字段六是封包的大小；字段七是封包的标记标注；字段八表示封包是属于哪一个数据流；字段九和字段十表示封包的来源端和目的端，这两个字段的格式是a.b，a代表结点编号，b表示端口号（Port Number）；字段十一表示封包的序号；字段十二表示封包的id。以前面仿真过程记录文件的第一笔为例，意思就是说有一个封包pakcet id为0，数据流id为2，序号为0，长度为1000 bytes，类型为CBR，它是从来源端1.0要到目的地3.1，在时间0.1s的时候，从结点1（s2）进入了结点2（r）的队列中。4.2 动态路由选择实验(1)路由（Routing）就是IP封包用来决定路径（Route）的方法。路由选择上大致上可以分为静态路由（Static Route）、动态路由（Dynamic Route）和默认路由（Default Route）这三种。静态路由是由网络管理人员以手动的方式一笔一笔输入路由表中，这个表格就称为静态路由表（Static Routing Table）。因为所有的路径都是人工设置的，路由器之间不需要互相沟通，所有的频宽都可以用来传送数据封包，所以有很高的效率，但其缺点是当某一线路发生问题时，路由器并不会主动去发掘新的路线，所以会造成断线的情况。动态路由是根据网络协议（Routing Protocol）或算法来动态维护路由表中的内容，路径的建立是通过与邻近路由器交换数据所得到的。所以当网络状况有所变化时，因为路由器之间会彼此交换信息，因而能动态地新增、删除或修改路由表中内容，因此就不需要再以手动的方式来维护路由表，其缺点就是需要消耗网络的频宽和路由表的资源来更新路由信息。默认路由是当路由器本身无法判断IP封包传送的路径时，就会将封包送往一个默认的网关（Default Gateway），由默认网关负责传送。接下来，详细说明采用距离相量算法的