（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络中基于80211的mac层协议研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线m e s h 网络( w m n ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 是一种新型的宽带无线网 络结构，具有自组织、自配置、高带宽、兼容性、低成本等优点，该网络技术的 出现为解决不同网络之间的接入问题提供了极大的可能性，已经成为无线通信领 域新的研究热点。它融合了w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 和移动a dh o c 网络的特点，具有很高的可靠性和灵活性。近来随着多媒体业务的发展和应用， 要求在w 删上提供必要的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，o o s ) 的保证越来越 重要。由于w 删具有多跳性、自组织性以及移动性等特点，导致在这种网络结构 下信道利用率低，网络吞吐量下降，q o s 保证质量差等问题的产生。媒体接入控 制协议( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 是w m n 确定共享无线信道资源的主要技 术，而i e e e8 0 2 1 1 e 标准主要是解决基于i e e e 8 0 2 1 1 面临的q o s 的问题。 本文研究工作的重点是对w m n 中基于i e e e8 0 2 1 l 的多信道m a c 层协议的改 进设计，以及对支持q o s 保证的i e e e8 0 2 1 1 e 协议标准的e d c f 模式进行了性能 分析，并提出改进方案，使之更加适用于w m n ，提高网络吞吐量，降低时延。 本文中首先介绍了w m n 的研究背景和意义，对无线m e s h 网络结构特点和涉及 到的关键技术以及与其他通信系统的区别进行了详细描述。详尽分析了w m n 的 m a c 层协议目前的的研究现状，分析了适用于w m n 的m a c 协议设计的特点、需求、 影响因素和面临的问题等内容。最后针对w m n 的多信道m a c 协议方案进行了研究， 尤其是基于i e e e8 0 2 1 1 的多信道协议。在多信道m e s h 网络结构h y a c i n t h 结构 的基础上，完善了该结构下实现的多信道协议，通过仿真实验，取得了较好的效 果，提高了网络聚合容量，且减少了负载开销，降低了网络时延。接着，介绍了 i e e e8 0 2 1 1 e 的e d c f ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc o n t r o lf u n c t i o n ) 机制，在自 适应的e d c f ( a d a p t i v ee d c f ) 机制的基础上，引入新的基于信道条件的a c k 率因子，提出了一种改进的动态自适应e d c f ( i a e d c f ) 机制，新机制在网络 负载重的情况下，减少了时延，提高了系统的实时性要求。最后总结了全文，并 提出了研究工作的展望。 关键词：m e s h ，i e e e 8 0 2 1 1 ，m a c ，o o s ，多信道，负载均衡，聚合容量 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m i 0i san e w t y p eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k t h e c h a r a c t e r i s t i c so fw m na r ei n c l u d e ds e l f - o r g a n i z e d ，s e l f - c o n f i g u r e d ，b r o a db a n d ， c o m p a t i b i l i t y , l o wc o s t ，a n ds oo n w i t ht h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k st e c h n o l o g y , i ti s p o s s i b l et o a c c e s st oi n t e m e ta m o n gd i f f e r e n tn e t w o r k s ，a n dt h i st e c h n o l o g yi s b e c o m i n gt h ef o c u so ft h er e s e a r c h si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na e r a a sw l v l n c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fw l a na n dt h em o b i l ea dh o en e t w o r k s ，i th a sh i g h r e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y r e c e n t l y , t h em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o e r p o p u l a r , i ti sm o r ei m p o r t a n tf o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k st os u p p o r tq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，s u c ha sm u l t i - h o p ， s e l f - c o n f i g u r e d ，a n dm o b i l i t y , i ts i g n i f i c a n t l yi m p a c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h em a c p r o t o c o li nw m n ，a n d l e a d st ol o wc h a n n e le f f i c e n c y , n e t w o r kt h r o u g h p u td e s c e n d i n g , w o r s eq o ss u p p o r t i n ga n do t h e rp h e n o m e n a m e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li st h ek e y f a c t o rt od e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo ft h es h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l w h a t sm o r e ，t h e p r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1le u s e dt od e a lw i t ht h ei s s u eo fq o si ni e e e8 0 2 11p r o t o c 0 1 t h em a i nw o r ka b o u tt h i sp a p e ri st od e s i g na n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f m a c p r o t o c o lb a s e do ni e e e8 0 2 11i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s i ta l s oa n a l y z e st h e p e r f o r m a n c eo fe n h a n c e dd i s t r i b u t e dc o n t r o lf u n c t i o nm o d e li ni e e e 8 0 2 1lep r o t o c o l s u p p o r t i n gq o sa n dt h e np u t sf o r w a r dn e ws c h e m et oe n h a n c en e t w o r kt h o u g h p u t ，t o l o w e rd e l a y i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n di m p o r t a n c eo fw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，a n dp a r t i c u l a r l yd e s c r i b e sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，c i r t i c a ld e s i g nf a c t o r s ，a n d t h ed i f f e r e n c e sc o m p a r e dt oo t h e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s s e c o n d l y , t h ea u t h o rm a k e sas u r v e yo fr e c e n ta d v a n c e si nm a cp r o t o c o l s a n da l g o r i t h m sf o rw m n s ，a b o u tt h ed e s i g nf a c t o r s ，r e q i r e m e n t ，e m e r g i n gt e c h n o l o g y q u e s t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a ca d a p t e dt o w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s a t l a s t ，w ef o u s eo nt h er e s e a r c ho fm u l t i c h a n n e lm a cp r o t o c o ls c h e m e sf o rw m n s ，i n d e t a i lo fm u l t i c h a n n e li e e e8 0 2 i1 w ei m p r o v ea n dr e a l i z em u l t i - c h a n n e lp r o t o c o l l i a l g o r i t h mb a s e do nt h eh y a c i n t ha r c h i t e c t u r et h a ti sa l la r c h i t e t u r ei m p l e m e n t e df o r w i r e l e s sm e s hn e t w o r k i na d d i t i o n ，t h en e wa p p r o a c h ei se v a l u a t e db yn e t w o r k s i m u l a t o rs o f t w a r e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en e w a l g o r i t h mi m p r o v e st h en e t w o r k s g o o d p u ta n dd r o p st h ei m p a c to ft i m e a n dt h e n ，t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h e m o d e lo fl e e e8 0 2 1lee d c fa n d p r e s e n t san o v e lm a cs c h e m ef o re n h a n c e m e n to f q o sb a s e do nt h ea e d c fs c h e m ew i t ht h en e wa c kr a t ef a c t o r i nt h ep r o p o s e d s c h e m e , r e f e r r e dt oa si - a e d c fs c h e m e ，t h en e ws c h e m ed e c r e a s e st h e d e l a y , i m p r o v e st o t a ls y s t e mt h r o u g h p u ta n de n h a n c e st h er e a lt i m er e q u i r e m e n to fs y s t e m f i n a l l y , w es u m m a r i z eo u rw o r ka n df u t u r ew o r ki sp r o p o e d k e yw o r d s ：m e s h ，i e e e 8 0 2 i1 ，m a c ，q o s ，m u l t i - c h a n n e l ，l a o d - b a l a n e i n g ，a g g r e g a t ec a p a c i t y i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略语 a c k 敞 b e b c s m a c s 【a c a c t s c w d c f e d c f l ” s m a c m m a c m i m c n a v n s p c f q o s r t s l u t a n w m n 缩略语 a c k n o w l e d g e m e n t a c c e s sp o i n t b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c ko f f c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c s m aa n dc o l l i s i o na v o i d a n c e c l e a rt os e n d c o n t e n t i o nw i n d o w d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc o n t r o lf u n c t i o n i n t e l l i g e n ta c c e s sp o i n t i n t e r f r a m es p a c e m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i c h a n n e lm a c m u l t ii n t e r f a c em u l t ic h a n n e l n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r n e t w o r ks i m u l a t i o n p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r e q u e s tt os e n d r o u n d t r i pt i m e w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查因筵日期：2 立2 星：垒 争 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研魁始纽l 导师豁型孟噍趔绁 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及国内外研究现状 随着信息技术的日新月异，无线通信发生了重大的变化并取得了迅猛的发 展。未来无线通信技术将朝着宽带化、移动化、全i p 化、异构化及个性化等方 向发展，以达到通信的“无所不在”。为实现这个目标，近来人们提出了一种新 型的宽带无线网络结构，即无线m e s h 网络n ( w m n ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 。 无线m e s h 技术的出现为解决不同网络之间的接入问题提供了极大的可能性， 越来越引起国内外学者、专家和研究人员的广泛关注，已成为无线通信领域新的 研究热点。m e s h 网络又被称为网状网、无线因特网等，它是一种高容量、 高速率的分布式网络，不同于传统的任何一种有线与无线网络，具有自配置、自 愈合、高带宽、兼容性、低成本等优点，非常适合于覆盖大面积开放区域( 包括 室外和室内) 。未来的蜂窝移动通信网络、w l a n 、m a n e t 、w s n 、卫星网络、p s t n 等可以通过w m n 集成到因特网中。w m n 将是未来无线通信领域重大技术革新，将 成为未来无线城域网核心网的理想组网方式，是构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一。 目前，无线m e s h 网络仍处于发展的初步阶段。2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1w o r k i n g g r o u p 正式专门成立了m e s h 网研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了 m e s h 网任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ，标志着w m n 技术正式迈上了广泛标准化道 路。另外，其他标准如8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 和专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r t r a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) 也开始探索如何通过嵌入式设备改进其现有技术， i e e e8 0 2 1 6 口羽已经将网状网技术纳入其m a c 层协议标准。 在m e s h 网络的专利技术上，目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。 例如，2 0 0 2 年6 月，m e s hn e t w o r k s 公司获得专利“为端到端和端到基础设施的 通信网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法嘞1 。该专利提出了一种实现 不在彼此传输范围内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和 方法，基本思想是利用了中间移动节点所具有的存储转发信息的能力。2 0 0 4 年4 月，该公司获得专利“无线端到端a dh o c 网络路由中对i p 地址到m a c 地址映射 及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法h 门 。该专利的主要思想是采用一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 个h a s h 函数将i p 地址变换为一个六字节的m a c 地址，并附加在路由广播中主动 传输给其他节点。此外，2 0 0 3 年1 0 月，摩托罗拉公司获得专利“在a dh o c 网 格网络中提高服务效率的方法和设备”。2 0 0 2 年3 月，c a l y 公司于获得专利“网 格无线网络中包数据通信协议 。国外已有的技术方案主要包括采用多带多无线 电的北电无线网状网解决方案，利用m e s h 技术覆盖不同网络之间的服务盲区的 美国p a c k e th o p 公司技术方案。t r o p o s + m o t o r o l ac a n o p y 构建的新型公共无 线区域网架构。国内，清华大学信息网络工程研究中心建立了清华大学无线m e s h 实证网络。 近年来，w m n 在应用基础理论与技术研究方面，包括移动自组织a dh o e 网 络和w m n 在内，也取得了一些成果，主要有以下几个方面：( 1 ) 路由协议的研究 “玉4 3 州伽。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征，部分协议借鉴 了传统的a dh o e 网络路由协议。目前采用的路由主要有：带有多种性能判据的 路由协议：rd r a v e s 等对几种典型路由判据进行了比较，包括平均传输次数、 r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 、数据对时延和最小跳数。多信道路由：包括单收发器多 信道、多收发器多信道等方式。k a m a lj a i n 等对多信道多收发器的方案进行了 理论分析。r d r a v e s 等从该观点出发，提出了基于多信道条件下w c e e t 路由判 据的m r l q s r 路由协议。跨层的路由协议：l u i g il a n n o n e 等基于跨层技术设计 思想，提出从底层采集路由数据的方法进行路由选择。t r o p o s 公司开发了应用 “w i f i 蜂窝网络户外系统 的私有路由协议通过比较数据包错误率及其他网络 条件来选择在特定环境下的最优路径。( 2 ) 媒体接入控制层( m a c ) 协议的研究 n 3 一乱4 6 , 4 7 。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如动态信道分配多信道 m a c 协议、m m a c 多信道m a c 协议，p c a m 多信道m a c 协议等。( 3 ) 在网络连接性 方面n 凰2 ，主要的背景是a dh o c 网络，探讨问题的核心是节点密度与分布问题。 最早从事连接性研究的学者之一，例如y c c h e n g ，研究了泊松点过程分布下节 点分布密度和发射功率对连接性的影响，得出了一维网络的精确公式表达式，并 采用仿真的方法对二维网络进行了研究。p g u p t a 对无线网络连接性的渐近行为 进行了研究。( 4 ) 在多播组播协议、t c p 协议、地址和带宽等网络资源分配、 功率控制、安全性问题、分布式算法、q o s 等方面有一些研究成果n 一一0 3 1 1 ，但 各部分的数量相对较少。( 5 ) 在一些针对w m n 的协议和系统仿真与实验研究有 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 了一些新的结果n 一一3 “钔。在短距离a dh o c 网络的构建上，最近一些学者正在研 究蓝牙散射网关键技术。 在应用系统集成上n 一，近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导 体、计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个 快速发展的阶段，w l a n 技术、蓝牙技术、移动a dh o c 网络技术和超宽带( u w b ) 技术等取得了令人瞩目的成就。一般认为，未来的4 g 系统网络是各种不同网络 拓扑结构的集成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换 网络、w l a n 、移动a dh o c 网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过w i n 集成到因特网中，而w m n 可以看作是因特网的无线版，由此可见，无线m e s h 网 将是未来无线通信领域重大技术革新。 由于m a c 协议对于无线m e s h 网络的性能优化及可测量性起着非常重要的作 用，因此洲的m a c 协议研究也成为了研究热点。因为m a c 协议n 2 j 3 1 是m e s h 网 络协议中重要的组成部分，它既要对无线信道进行划分、分配和能量控制，又要 负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的信道控制方法，实现拥塞控制、分 组确认等机制，另外服务质量o o s 能力也需要m a c 协议的支撑。m a c 协议是报文 分组在无线信道上发送和接收的直接控制者，因此，g a c 协议能否高效、公平的 利用有限的无线资源，对m e s h 网络性能起决定性作用。 国内外对于w m n 网络m a c 层协议的研究主要集中在根据m e s h 网络特点，借 鉴和改进w l a n 和a dh o c 协议的相关研究上，对w l a n 的研究除了关注i e e e8 0 2 1 1 协议本身，主要在i e e e8 0 2 1 1 e 的基础上进行了改进，如调整竞争窗口大小、 d i f s 和最大帧长度以及保证不同业务o o s 等。而对于a dh o c 网络带宽资源分配 与调度策略的研究以节省a dh o c 网络节点电池消耗为主要目的的研究比较多， 为多媒体业务提供o o s 保证的研究也得到了很多关注。i e e e8 0 2 1 1 虽然具有很 多优势，但覆盖范围一直是它的弱点，为了解决这个问题，m e s h 网络技术应运 而生，由于w r ( w i r e l e s sr o u t e r ，无线路由器) 和i a p ( i n t e l l i g e n ta p ，智能 接入点) 的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或其他节点联系，与传统的 网络相比，接入点的覆盖范围大大增加，而且频谱的利用率也大大提高，系统容 量得到了增大。w m n 的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 i e e e8 0 2 1 1 标准口棚1 是目前移动网络中应用最广泛的协议之一，由于w i n 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 是一种融合了w l a n 和a dh o e 的新型网络结构，因此现有的8 0 2 1 1m a c 层协议 有可能提供对w m nm a c 层的支持，但是当前还没有专门针对w m n 的m a c 层相关算 法，并且当今尽管物理层技术有重要的进展，然而无线局域网仍然不能够提供和 有线网络一样的可用带宽和服务质量。i e e e 8 0 2 1 l a g 无线局域网网卡的传输速 率5 4 m b p s 是链路层的峰值数据速率，当加上m a c 分组、8 0 2 1 1 头分组、8 0 2 1 1 a c k 、分组纠错等开销信息时，对应用而言，实际可用的带宽就要打折扣，而且 链路层的速率随着发送者和接收者距离的增加而有所减少。在多跳网络中，由于 相邻节点信道或相同路径产生干扰，带宽问题将更加严重。目前现有的w m n 基本 上采用单信道的媒体介入控制( m a c ) 协议，这种技术限制了整个网络的数据传 输速率与网络容量，因为根据无线信道特点，一个节点向另一个节点传输数据的 时候，为了避免冲突，两个节点的所有邻居节点都不能够进行数据传送，这就极 大的限定了整个网络的容量。尽管现有的8 0 2 1 1a b i g 和8 0 2 1 6 协议在物理层 技术上有了很大的进步，如采取了一些有效的功率控制等方法，但仍然不能从根 本上满足今天人们对网络带宽日益增大的需求。因此研究m e s h 网络中多信道及 支持q o s 的m a c 层协议对于w m n 的整体性能分析、研究、设计以及推动w m n 的应 用具有重要意义。本文的主要工作是设计多信道m a c 层协议及对支持q o s 的m a c 协议的改进，主要目的就是提高网络吞吐量，降低数据传输时延。 1 2 论文的主要内容及组织安排 w m n 的热点问题中的m a c 协议、路由协议、移动t c p 等很多都是在8 0 2 1 1 m a c 协议、移动a dh o c 网络的路由协议和传输控制协议等基础上发展起来的，并且 仍然在不断的改进和完善之中，再加上由于i e e e8 0 2 1 l 协议的健壮性、成熟度 和其芯片产品的经济性，一种趋势是i e e e8 0 2 1 1 协议将被广泛应用于无线m e s h 网络中，所以研究基于8 0 2 1 1 的m a c 协议具有重要的意义。由于网络中的节点 共享信道资源，节点之间近距离的干扰也很严重，设计出适合无线m e s h 网络的 m a c 层协议是个关键性的问题。 本论文旨在对w m n 多信道m a c 协议进行研究探讨，在现有的广泛研究无线 m e s h 网络多信道m a c 协议的基础上，综合考虑其他因素，跨层设计出高效的多 信道m a c 协议，进一步改进优化多信道的m a c 层协议。本论文同时对i e e e8 0 2 1 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 中的e d c f 接入机制进行了改进，使之更好有效的在m a c 层支持q o s ，且对目前 无线通信网络中m a c 层协议进行了系统的分析和总结，并研究了在w m n 这种新型 组网结构下m a c 层协议的发展方向。研究方法主要利用n s 2 仿真软件啪瑚1 对新方 案进行理论分析和仿真实现。 本论文的主要内容是这样安排组织的，首先在第一章我们介绍了论文选题的 研究背景、国内外研究的现状以及针对该论文中使用的仿真工具。在第二章就无 线m e s h 网络做一个详细具体的介绍，w m n 的结构、网络优势和应用，以及无线 m e s h 网络中m a c 层协议设计的特点与要求。在第三章，我们就无线m e s h 网络的 m a c 层协议，进行了深入研究剖析，对现有的m a c 层协议中存在的难点问题及特 点进行比较分析，在第四章，基于提高网络吞吐量的目标，我们着重考虑多信道 的m a c 层协议的设计，在现有的多信道m a c 结构协议上进行改进，并通过实验进 行网络仿真与分析。接下来，在第五章我们对支持q o s 的i e e e8 0 2 1 l e 的e d c f 机制下进行了改进，提出新的方案，并通过仿真验证了新方法的可行性。最后在 第六章中总结了全文，指出了目前研究中还存在的问题和不足之处，并展望了下 一步的研究方向和设想。 1 3 网络仿真工具介绍 仿真是科学研究的重要手段，本文后续各种实验是基于网络仿真工具的， 为便于读者了解这种工具，下面简要介绍n s 2 网络仿真软件。 网络仿真汹瑚1 是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获 得特定的网络特性参数的技术。在新技术的研究过程中，由于各种原因，实现实 际网络系统往往是代价较高或是不现实的。在这种情况下，模拟仿真就成了最佳 可供选择的测试、评估和验证手段之一。网络仿真有着周期小、成本低等特点， 而且可以使研究者更容易利用他人的研究成果，可以使研究者更专注于自己所研 究的部分而不必为系统的其他部分耗费过多的精力。n s 正是这样一种针对网络 技术的源代码公开的、免费的软件仿真平台，研究人员使用它可以很容易地进行 网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含的模块已经非常丰富，几乎涉及到 了网络技术的所有方面。所以，n s 成为了目前学术界广泛使用的一种网络仿真 软件。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 1n s 2 仿真器 n s 2 是面向对象的，离散事件驱动的网络仿真软件，它由仿真时间调度器， 网络组件库和网络建立库等组成。n s 内部包括t c p 、u d p 在内的多种网络协议， 业务源有f t p 、t e l n e t 、w e b 、c b r 和v b r 等，队列管理机制包括d r o p t a i l 和r e d 等，以及d i j k s t r a 路由算法，同时，n s 还嵌入了多播等m a c 层协议，方便局域 网仿真。 ns 2 e v e n ts c h e d u l e r t c l c l n 。 o t c l 董霎 2 舜 f 卜 t e l 8 0 图卜1n s 结构图 如图1 - 1 所示，普通的n s 使用者相当于站在表格的右上角，利用o t c l 库 中的仿真组件设计( n e t w o r kc o m p o n e n t ) 和运行t c l 仿真，事件调度器( e v e n t s c h e d u l e r ) 和大多数网络组件是用c + + 编写的，通过o t c l 链接可以和o t c l 相 通，这个o t c l 就是t c l c l ，所有这些构成了t c l 解释器和网络仿真库的组成的 n s 仿真环境。 对于一般用户来说，运用n s 2 网络仿真器仿真的过程如图卜2 所示。首先， 使用o t c l 脚本语言编写程序，初始化事件调度，开启输出数据路径，建立网络 拓扑并定义包发送的起止时间，就可以运行程序了。当仿真结束后，如果程序中 打开了数据包轨迹记录功能，n s 输出一个或多个基于文本的轨迹信息输出文件， 即t r a c e 文件。包含详细的仿真数据，这些输出数据可以用来进行仿真分析，或 作为图像仿真显示工具n a m 的输入。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第章绪论 目呻 o t ds c r 卸t g i r 越如0 n p r o g r a m ot c l ：t c li n t e r p r e t e r w i 也0 0e 越e 埘o n n sg i m d a t o rl 晶r a r y e v e n ts c h e d u l e ro b je c t s n e t w o r k c o m p o n e n to b j e c t s n e t w o r ks e t u p e l p 吨 m o 池s 口i 啪b i i l gm o d u l e s ) g i m l a l i o n r e s 山 础蝴 n e t w o r k a n i m a t o r 图1 - 2 n s 一2 仿真过程 针对不同的仿真功能，n s 提供了两种编程语言模型，从而在不限制仿真性 能的前提下表现了充分的灵活性。对于低层处理或分组转发、不需频繁修改的任 务，n s 采用编译型语言c + + ，这样有利于提高仿真效率；对于协议对象和规范的 动态配置、通信量的反复定义以及需要频繁修改的任务，n s 使用灵活、交互式 的脚本语言o t c l 。这种方法的好处在于，通过提供易用、重配置、可编程的仿 真环境，降低了仿真器设计、维护、扩展、调试的负担。而且，它鼓励将机制和 策略分离的编程风格，有利于代码重用。 在n s 软件中，c + + 和o t c l 的结合可以构造出功能更强大、更高层的“宏对 象”。例如，仿真路由器一般由解复器、队列、分组调度等组成。通过在c + + 中 实现不同的细节和在o t c l 中的仿真组合，可以仿真一系列路由器；可以将低层 的解复器、队列、调度等结合，实现具有组播业务的i p 路由器；也可以实现具 有新调度方案的高速交换机仿真。在o t c l 中，通过配置不同的协议代理，可以 方便地扩展交换机的功能。总之，对于细节的协议仿真，涉及处理字节、分组以 及大量数据集的算法，n s 使用c + + 实现；对于网络仿真中常常需要的参数配置、 场景构造，n s 使用o t c l 脚本语言实现。仿真器支持c + + 中的类层次和o t c l 解释 器中对应的类层次，这两个层次彼此紧密相关。从用户的角度看，在编译层次和 解释层次的类之间是一一对应的，这些层次的基础是类t c l o b j e c t 。用户通过解 释器建立新的仿真对象。 7 b i l _ 1 呈| 一印一 ，l _ 口 _ a u 0 一 n a a 一 娜 园 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 n s 针对网络模拟已经预先做了大量的模型化工作，拥有丰富的构件库。对 网络系统中一些通用的实体已经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等， 并用对象来实现了这些实体的特性和功能，这就是n s 的构件库。图卜3 给出了 n s 构件库的部分类层次结构。 图卜3n s 构件厍( 部分) n s 的部分o t c l 类的层次如上图，根部是t c l o b j e c t 类，它是所有o t c l 库 对象，包括调度器、网络组件、计时器和n a m 等组成部分的基类。n s o b j e c t 是 所有基本网络组件的基类，它同时又可以分为两大子类：连接器和分类器。只有 一个输出数据路径的属于数据连接器( c o n n e c t o r ) 类，多个输出数据路径的属 于数据分类器( c l a s s i f i e r ) 类。连接器的主要功能是接收数据包并进行处理， 将数据包送给它的邻居或是丢弃。而分类器的作用是，当节点接收到一个数据包 后，检查特定的数据域，通常是目的地址，决定如何处理这个包，如果是转发就 要决定转发到哪里，不同类型的分类器对象检查数据包不同的域决定如何转发。 1 3 2n s 2 无线网络仿真 n s 的无线模块最初是由c m u 的m o n a r c h 工作组引入到n s 中的。最早的c m u 模型允许纯无线l a n 和多跳a dh o c 网络的仿真，进一步拓展后的无线模块还支 持无线和有线网络联合模拟以及移动i p 的模拟。 无线模块是以m o b i l e n o d e 为基本核心的，并通过一些附加的特性来支持多 跳的h dh o c 网络和无线局域网的模拟。m o b i l e n o d e 类是n o d e 类的派生类，它 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 对n o d e 类做了一些功能( 如移动、在无线信道上收发等) 的扩展，这样它可以 用来创建移动、无线的模拟环境。m o b i l e n o d e 是一个由c + + 和o t c l 共同实现的 对象，移动节点的移动、周期性的位置更新、维持拓扑图的边界等移动特性在 c + + 中实现，而移动节点的各个网络构件如分类器、链路层、m a c 层和信道等都 是由o t c l 实现的。m o b i l e n o d e 节点和n o d e 节点的一个主要区别是m o b i l e n o d e 不会通过l i n k 连接到其他n o d e 节点或移动节点。 无线网络的仿真一般是通过以下方式来实现的，配置无线脚本，创建拓扑结 构，配置无线节点并进行创建，创建g o d 对象，对节点、代理和业务源进行连接， 最后开始启动仿真。下面介绍在t c l 中创建一个移动节点的方法，配置脚本如下： s n s _ n o d e c o n f i g- a d h o c r o u t i n g $ o p t ( a d h o c r o u t i n g ) l l t y p e $ o p t ( 1 1 ) m a c t y p e $ o p t ( m a c ) - i f q t y p e $ o p t ( i f q ) - i f q l e n $ o p t ( i f q l e n ) - a n t t y p e $ o p t ( a n t ) - p r o p i n s t a n c e n e w $ o p t ( p r o p ) 】 一c h a n n e l n e w $ o p t ( c h a r t ) 】 - t o p o i n s t a n c e $ t o p o - w i r e d r o u t i n g o f f a g e n t t r a c e o n r o u t e r t r a c e0 f f m a c t r a c e0 f f 上面这个n o d e c o n f i g 函数用来配置一个移动节点，可以配置的选项包括：a dh c o 路由协议、网络协议、信道、拓扑、无线传输模型以及是否打开有线路由、是否 打开各层的t r a c e 文件等。然后创建节点对象，脚本语言如下所示： f o r s e t jo ) s j $ o p t ( 衄) ) i n c r j ) s e tn o d e ( $ j ) $ n s _ n o d e 】 $ n o d e _ ( $ i ) r a n d o m m o t i o n0 ；# d i s a b l er a n d o mm o t i o n ) 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 在此成员函数n o d e 创建了无线节点，在n s 中节点都是混合对象，有地址和 分类器组成，因为用户可以单独创建地址、分类器，然后把他们结合起来构成节 点，但是s i m u l a t o r 对象的这种直接创建的方式更为简捷。 移动节点可以在一个三维的拓扑结构中运动，然后实际上第三维z 轴并没有 使用。这样移动节点就总是在一个z = o 的二维平面领域移动，它的三维坐标( x 、 y 、z = 0 ) 随着节点的运动而不断的调整。在n s 2 中，可以通过指定节点的初始位 置和移动位置，编写的脚本t c l 语言为： s n o d es e tx _ s n o d es e ty - s n o d es e tz s n sa ts ti m es n o d es e t d e s t 具体实现是在s t i m e 时刻，节点从起始位置( x l ，y 1 ) 向目标位置(