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南京邮电大学硕上研究生学位论文摘要 摘要 移动a dh o c 网络( m a n e t ) 是由一组带有无线收发装置兼有主机和路由器功能的移 动节点组成的一个多跳临时性自治系统由于自主性临时性无基础设施要求及易于组网等 特点m a n e t 在民用领域的应用前景日渐光明，但想要大范围的应用a dh o c 网络仍有很多 困难。目前的研究热点是将a dh o c 网络与其它现有网络融合，如蜂窝网、i n t e m e t 等。 本文着重于研究a dh o c 网络与蜂窝融合接入i n t e m e t 的关键技术问题，提出了一种将 a dh o c 网络通过蜂窝基站融合接入i n t e m e t 的方案，由双模移动节点组成的a dh o c 网络， 将数据包发送至蜂窝基站，获得i n t e m e t 连接。通过对a o d v 协议的修改，提出了基于基 站的多跳蜂窝网路由协议，使得移动节点可以通过基站进入有线网络。我们在不同的基站 发现机制下用n s 2 进行仿真，对扩展的a o d v 的性能进行了比较，同时与扩展的d s d v 协议 的性能进行比较。探讨了节点间协作激励机制，分析了分组成功接收率和平均丢包数，以 提高融合网络的通信质量。 本文第一章介绍了移动a dh o c 网络和蜂窝网络各自的特点以及融合网络的研究现状； 第二章较为详细地介绍a dh o c 与现有网络的融合及关键技术；第三章研究了融合网络接 入i n t e m e t 的问题，提出了一种改进的a o d v d s d v 路由协议，以适应多跳蜂窝网络中移 动节点通过基站直接接入i n t e r n e t ；第四章通过在n s 下的仿真，比较了改进后的a o d v 协议与d s d v 协议在不同的基站发现机制下的性能优劣；第五章对节点协作激励机制进行 了探讨，在自制信誉系统中提出一种基于信任度的激励模型；第六章作总结并提出未来工 作的重点。 关键字：a dh o c ，蜂窝网，i n t e m e t ，a o d v 协议，移动i p ，协作激励机制 i i 南京邮电大学硕上研究生学位论文 a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ( m a n e t ) i sat e m p o r a r ys e l f - o r g a n i z e da n da u t o n o m o u ss y s t e m c o m p o s e do fm o b i l en o d e st h a ta r ec o n n e c t e db ym u l t i h o pw i r e l e s sl i n k sa n ds e r v ea sh o s t sa n d r o u t e r s w i t hs o m ec h a r a c t e r i s t i c sa sh i g hf l e x i b i l i t y ，e a s yd e p l o y m e n ta n dn o n - i n f r a s t r u c t u r e ， t h ef u t u r eo fm a n e ti nt h ec i v i l i a ns e c t o rb e c o m e s m o r ea n dm o r eb r i l l i a n t b u tt h e r ea r em a n y p r o b l e m si na p p l y i n gi tw i d e l y s om a n yr e s e a r c h e r ss t u d yo nt h ei n t e g r a t i o no fm o b i l ea dh o e n e t w o r ka n do t h e rn e t w o r k sa sc e l l u l a rn e t w o r k sa n di n t e m e t i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h ei n t e r a c ta c c e s so ft h ei n t e g r a t e dn e t w o r k so fm o b i l ea dh o c n e t w o r ka n dc e l l u l a rn e t w o r k w ep r o p o s et h es o l u t i o nt h a ti n t e g r a t e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k a n dc e l l u l a rn e t w o r ka c c e s st oi n t e r n e t w eu s ed u a l m o d em o b i l en o d e st or e l a yp a c k e t st o c e l l u l a rb a s es t a t i o n sf o ra dh o en e t w o r k w ea l s op r o p o s e dam u l t i - h o pc e l l u l a rn e t w o r k p r o t o c o lb a s e do nb a s es t a t i o nb ym o d i f y i n gt h eo r i g i n a la o d vp r o t o c o ls ot h a tt h em o b i l e n o d e sc a na c c e s st oi n t e r n e tt h o u g hb a s es t a t i o n w ea l s os i m u l a t et h eh y b r i dn e t w o r k sw i t hn s 2 b yd i f f e r e n tm e c h a n i s mo fb sd i s c o v e r y , a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t e da o d vp r o t o c o l ， a n dc o m p a r e dw i t hd s d vp r o t o c 0 1 w ep r e s e n tt h ec o o p e r a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s mb e t w e e n m o b i l en o d e s ，i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o no fi n t e g r a t e d t h ec h a p t e r1w ei n t r o d u c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l ea dh o cn e t w o r k ，c e l l u l a rn e t w o r k t h es t u d ys t a t u so fi n t e g r a t e dn e t w o r k i nc h a p t e r2w ed e s c r i b et h ei n t e g r a t i o nb ya dh o ca n d e x i s t i n gn e t w o r k s ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g y i nc h a p t e r3 ，w er e s e a r c ht h ep r o b l e mo fi n t e m e t a c c e s so ft h ei n t e g r a t e dn e t w o r k s ，am u t i - h o pc e l l u l a rn e t w o r kp r o t o c o lb a s e do nb a s es t a t i o ni s p r o p o s e d w es i m u l a t et h ei n t e g r a t e dn e t w o r kw i t hn s 2i nc h a p t e r4 c h a p t e r5p r e s e n t st h e c o o p e r a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s mb e t w e e nm o b i l en o d e s t h ec h a p t e r6 i st h ec o n c l u s i o na n d f u t u r ej o b s k e yw o r d s ：a dh o c ，c e l l u l a rn e t w o r k , i n t e r n e t ，a o d vr o u t i n gp r o t o c o l ，m i p ( m o b i l ei p ) ， c o o p e r a t i o ni n c e n t i v em e c h a n i s m i l l 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：j 严日期：姓 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。 研究生始毕啦导师始囊乙慨 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 i 引言 无线个人通信系统( w i r e l e s sp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 的发展不断推动着 各种不同类型的无线网络的集成或融合，支持异构互联和协同应用的新一代无线移动网络 理论与关键技术的研究已成为目前最为广泛关注的热点技术之一。 在过去的十几年里，全球移动通信发展迅速，除了单一的话音业务外，数据业务也获 得了极大的增长，目前已有多种无线网络技术应运而生，并在实践中取得巨大成功。如2 g ， 3 g 蜂窝移动技术，蓝牙，a dh o c 网络，无线城域网技术。新一代无线网络应包含种类繁多 的各种无线网络，且提供无处不在的接入i n t e r n e t 的能力和无处不在的移动计算能力。 目前无线广域网( w w a n ) 和无线局域网( w l a n ) 的互联已受到广泛的研究和发展。然 而，w l a n 的无线覆盖范围是有限的，尤其是在城市建筑物密集的地区，移动用户必须在离 接入点很近的距离内才能接入网络，为此这样的集成网络就不得不配置大量的接入点，这 就降低了网络的效率以及增加了网络固定基础设施的投资成本。为克服这个缺点，蜂窝网 和a dh o c 的融合蕴酝而生，目前受到了业界的高度重视和研究，成为支持异构互联和协同 应用的新一代无线移动网络的热点技术。 在m a n e t 的诸多研究内容中，将m a n e t 和i n t e r n e t 互联不仅可以促进m a n e t 的民用化进 程而且可以拓展i n t e r n e t 的无线应用范围。因此m a n e t 与i n t e r n e t 互联问题成为近年来移 动接入领域的一个研究热点。 1 2 融合网络简介 1 2 。1a dh o c 网络 a dh o c 网络【1 卜d 1 又称多跳分组网络或自组织网络等，是由一组带有无线收发装置的移 动节点所组成的多跳自组织系统。a dh o c 网络无需依靠事先已有的基础设施( 如基站) 就能 够完成节点间的相互通信并独立组网。a dh o c 网络具有自组织、无需基础设施、多跳性、 临时性、分布性等特点，它正在逐渐成为现有网络的重要补充。 在原有的网络构架技术中，移动无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域 网。蜂窝移动通信网络中的移动终端接入固定有线网络是基于基站( b s ) 的中心接入方式， 而无线局域网则要通过接入点( a p ) 完成终端接入固定网络。可见，这两种网络都是有中心 控制的单跳无线网络。与其相比，a dh o c 网络不需要中心基础设施，组成网络的每一个节 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 点都可以自由移动，既可作为普通的数据收发节点，又可根据网络状况作为分布式路由控 制和中继节点来进行多跳的路由寻找和路由更新，从而实现相互转发数据包，如图1 1 所 示。显然，与传统的单跳无线网络相比，a dh o e 网络强调的是多跳和无中心接入，因此要 求其终端不仅具有主机的功能，还要求具有路由器的功能。 图1 1 一个典型的a dh o e 网络 在a dh o c 网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相 关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，进行路由发现、 路由维护等常见的路由操作，对接收到的目的地址不是本节点的信息需要进行分组转发。 与其它传统通信网络相比，a dh o c 网络具有以下显著特点： 1 无中心和自组织性：a dh o e 网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等， 网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设 施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余 性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好； 2 动态变化的网络拓扑：a dh o e 网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网 中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、 无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的 网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测； 3 多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖 范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。与普通网络中的多跳 不同，a dh o e 网络中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专用的路由设备 完成的。反过来，如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低，从而达到节省电能、 延长电池工作时间的目的； 4 自动配置：自动配置是a dh o c 网络的基本特征，节点必须检测其它节点以及它们 可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这涉及 到连接i n t e r n e t 的网关节点的更换，簇头的更新等。在网络形成阶段，节点可以就网络拓 南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论 扑进行协商( 星形、环形、点到点、点到多点、平面和分级) ，这依赖于网络的类型、底 层的无线技术和应用的需求； 5 受限的无线传输带宽：a dh o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无 线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞 争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到 的实际带宽远远小于理论上的最大带宽； 6 移动终端的局限性：a dh o c 网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处， 但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、c p u 性能较低等，从而给应用程序设计 开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务； 7 安全性差：a dh o c 网络是一种无线方式的分布式结构，所以它更加容易被窃听、 入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。另外a dh o e 网络由节点自身充当路由器，不 存在命名服务器和目录服务器等网络设施，也不存在网络边界的概念。因此，a dh o c 网络 中的安全问题特别复杂，涉及到信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等。 a dh o c 网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通 信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的基于i n t e m e t 的路 由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于a dh o e 网络的路由协议，根据前文对a d h o e 网络结构和特点的阐述，设计的路由协议必须满足以下的条件： 1 必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路由环路的发 生，提供方便简单的网络节点定位法； 2 ，必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销； 3 实施多跳通信的中间转接次数也是有限的，一般不要超过3 次； 4 必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源； 5 在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能性。 根据a dh o e 无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种a dh o c 网络路由协议。 i e t f 的m a n e t 工作小组目前正专注于a dh o e 网络路由协议的研究，提出了许多协议草 案，如d s r ，a o d v ，z r p 等路由协议：另外，专业研究人员也发表了大量关于a dh o c 网络路由协议的相关文章，提出了许多关于a dh o c 的网络路由协议，如d s d v ，w r p 等。 根据路由触发原理，目前的路由协议大致可以分为先验式路由协议、反应式路由协议和混 合式路由协议3 种。 1 先验式路由协议 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 先验式路由协议又称表驱动路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的路由信息的 路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑 结构；源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由，这类路由协议通常是 通过修改现有的有线路由协议来适应a dh o e 无线网络要求，如通过修改路由信息协议( r i p ) 得到的目的节点序列距离矢量协议( d s d v ) 。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需 要大量的路由控制报文信息，协议的开销较大。常用的先验式路由协议有d s d v ，h s r ， g s r ，w r p 等。 2 反应式路由协议 反应式路由协议又称随选路由或者按需路由，是一种当需要时才查找路由的路由选择 方式。节点不需要维护及时准确的路由信息，当需要发送数据时才发起路由查找过程。与 先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销小，但是数据报传送的时延较大，不适合于 实时性的应用。常用的反应式路由协议有a o d v ，d s r ，t o r a 等。 3 混合式路由协议 a dh o e 无线网络中单纯采用先验式或反应式路由协议都不能完全解决路由问题，因 此，许多学者提出了结合先验式和反应式路由协议优点的混合式路由协议，如z r p 协议。 z r p 协议是一个先验式和反应式路由协议的组合，网络内的所有节点都有一个以自己为中 心的虚拟区，区内的节点数与设定的区半径有关，因此区是重叠的，这是与分群路由的区 别。在区内使用先验式路由算法，中心节点使用区内路由协议i a r p 维持一个到区内其他 成员的路由表，对区外节点的路由使用按需路由，利用区间路由协议i e r p 建立临时的路 由。但是，实施混合式路由也面临着很多困难，如簇的选择和维护、先验式和反应式路由 协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。实施进行更新改造，首先需要解决无线系 统中的移动性管理和核心网的移动i p 技术等问题，当然还有4 g 的标准问题。网络层移动 性是4 g 移动性管理的关键，移动性通常涉及到在不同网段间漫游的移动用户，数据链路 层的移动性支持通常限制在同类网络之间。移动i p 代表了一种简单而且可以升级的全球 移动性方案。 4 g 的目标是构建宽带无线i p 通信系统，为无线用户提供高达近2 m b p s 的高速无线互 联网业务，同时提供高速率的文字、图像、视频、话音等不同类型数据业务。可实现手机、 p d a 、p c 之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业务。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 2 蜂窝网络 蜂窝网的典型应用是蜂窝移动通信网络，蜂窝组网理论的提出主要由移动通信发展中 遇到的问题而引发的。它代表了一种构造移动通信网的完全不同的方法，其目的是解决常 规移动通信系统中频率缺乏、容量小、服务质量差以及频率利用率低等问题。它为移动通 信技术的发展和新一代多功能设备的产生奠定了基础。它使用低功率的发射机和较小的覆 盖范围，有效的进行频率复用，通过蜂窝小区的组合满足特定环境的通信容量，并且具有 多信道共用和越区切换能力。 蜂窝移动通信对人们已经是一种生活必需。2 g 蜂窝通信系统，通过全球标准的g s m 和c d m a 技术提供更大层次的移动性，提供与有线相同质量的语音和低速数据业务，若 运营商之间签有漫游协定，用户则可以在不同的网络中使用相同的业务。 1 第一代蜂窝网 第一代蜂窝网络( 1 g ) 采用模拟的无线接口。目前已基本淘汰。 2 第二代蜂窝网 第二代蜂窝网络( 2 g ) 只能提供话音和低速数据业务( = 0 ) ； f e t u ms z ； ) ) ； ( 3 ) 定义r r e p i 的消息结构，即在原路由应答消息中加入i - f l a g s t r u c th d r _ a o d v _ r e p l y u i n t 8 t r p _ t y p e ； p a c k e tt y p e u i n t 8 一t r p _ f l a g s ； 1 1 1 eif l a g # d e f i n er r e p i f l a g0 x 2 0 u i n t 8 t r e s e r v e d 2 ； u i n t 8 t r e s e r v e d 1 ； ui n t 8t r p 一 一一h o p c o u n t ； h o pc o u n t n s a d d r t r p _ d s t ； d e s t i n a t i o ni pa d d r e s s u i n t 3 2 tr p _ d s t _ s e q n o ； d e s t i n a t i o ns e q u e n c en u m b e r n s a d d r t r p s r c ； s o u r c ei pa d d r e s s d o u b l e r p _ l i f e t i m e ； l i f e t i m e d o u b l e r p _ t i m e s t a m p ； w h e nc o r r e s p o n d i n gr e qs e n t ； u s e dt oc o m p u t er o u t ed i s c o v e r yl a t e n c y i n l i n ei n ts i z e 0 i n ts z = 0 ； s z = 6 奉s i z e o f ( u _ i n t 3 2 j ) ； a s s e r t ( s z = 0 ) ； r e t u r ns z ； ) ； 3 ) 对a o d v c c 的修改 ( 1 ) v o i da o d v ：r t _ r e s o l v e ( p a c k e t 掌p ) 4 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章蜂窝与a dh o c 融合接入i n t e r n e t 方案及路由协议 当移动节点需要发送数据包，或者中间节点接收到数据包需要将它转发到目的节点时 用到此函数。当源节点想要发送数据包给其他目的节点时，此函数用来判断目的节点是否 是其他小区的移动节点以及到达基站的路由是否有效。如果目的节点是移动节点就不需要 改变，如果目的节点是固定节点源节点就要发送 ( 2 ) r r e q _ i 消息来发现路由。 如果中间节点收到数据包必须转发，那就要判断中间节点是移动节点还是基站。如果 是移动节点而且目的节点是其他小区的就要更新达到基站的路由表，然后将数据包转发到 基站。 ( 3 ) v o i da o d v ：s e n d r e q u e s t ( n s a d d r _ td s t ，u i n t 8 _ tf l a g ) 移动节点发现路由时要用到此函数广播r r e q 消息。当r r e q 在整个小区内广播后， 没有收到相应的r r e p 消息，则目的节点就会被认为是另一小区的节点。 当移动节点需要发送r r e qi 消息发现到达基站的路由时，也用到此函数。 ( 4 ) v o i da o d v ：r e c v r e q u e s t ( p a c k e t 宰p ) 当移动节点收到r r e q 或者r r e q _ i 消息时，需要用此函数来处理，处理方式会根据 节点是移动节点还是基站而有所不同。如果节点是移动节点，则处理方式没有改动，节点 发送r r e p 消息给源节点。如果是基站那么将发送r r e pi 消息给源节点。 ( 5 ) v o i da o d v ：s e n d r e p l y ( n s a d d r t i p d s t ，u _ i n t 3 2 一t h o p _ c o u n t ，n s a d d r tr p d s t ，u _ i n t 3 2 _ t r p s e q ，ui n t 3 2 _ tl i f e t i m e ，d o u b l et i m e s t a m p ，u i n t 8 _ tf l a g ) 当移动节点收到r r e q 或者r r e q i 消息，并且它就是目的节点或者有到达目的节点的有 效路由，将会用到此函数。 ( 6 ) v o i da o d v ：r e c v r e p l y ( p a c k e t 木p ) 当移动节点收到r r e p 或者r r e pi 消息后，将会用到此函数，消息的处理过程将有 所不同。如果是r r e p 消息处理过程没有改变，如果是r r e p i 消息，节点会保存基站地 址，生成以基站作为下一跳的缺省地址，如果节点的路由表中有达到其他基站的路由，那 么通过到达基站的跳数来选择基站。 ( 7 ) r t _ e n t r y 木a o d v ：f i n d _ s e n d _ e n t r y ( r t _ e n t r y 幸r t ) 这一函数用来搜索路由表并且返回正确的路由，找到数据包应该转发的下一跳。 对d s d v 协议的修改与a o d v 协议相类似，在此不加以赘述了。 4 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章蜂窝与a dh o c 融合接入i n t e r n e t 方案及路由协议 3 4 本章小结 本章研究了蜂窝a dh o c 融合网络接入i n t e r n c t 的问题，探讨了融合网络的体系结构、 协议栈和移动性管理。通过对a o d v d s d v 协议的修改，提出了基于基站的多跳蜂窝网路 由协议，使得移动节点可以通过基站进入有线网络。 4 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络仿真 第四章网络仿真 网络仿真是一种重要的网络研究方法和手段，网络仿真能迅速建立起网络模型和方便 地修改模型，适用于预测网络的性能。目前已有多种优秀网络仿真软件，我们将采用l i n u x 平台下的n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 仿真软件，对融合网络进行仿真和性能分析。 4 1 仿真工具n s 2 介绍 一 n s 3 9 4 0 1 艮1 “网络仿真器”，它能仿真一个网络的运行的全过程，在此基础上，可以 把仿真的结果输出到一个t r a c e 文件中。通过对t r a c e 文件进行分析，可以了解网络的运行状 况，从而分析网络故障以及产生的原因，然后改进网络的拓扑结构或者改进协议、算法等。 n s 还可以把真实网络中的分组引入到仿真器中，并将仿真器中产生的分组输出到真实的网 络中。 n s 最早是在1 9 8 9 年作为r e a ln e t w o r ks i m u l a t o r 的一个分支版本而存在的。1 9 9 5 年， 在d a i 冲a 的v i n t 项目的支持下，n s 开始快速发展；由于n s 本身是一个开放源代码的 软件，因此它的一些重要的模块，比如说支持无线网络仿真的模块，是由遍布世界的使用 n s 进行科学研究的研究者们所添加的。 n s 2 是一个基于面向对象的仿真工具，它由c + + 作为核心代码，并用o t c l 解释器作为 面向用户的前端。o t c l 解释器面向用户，用户编写o t c l 脚本定义网络拓扑( 节点数、节 点位置和连接等) 、网络业务( 数据源、目标节点和业务类型等) 以及网络所用的协议类 型，这个脚本在仿真期间被n s 2 的o t c l 解释器读入并相应配置该次仿真的c + + 核心参数。 仿真的结果由t r a c e 文件输出，可用于仿真后期数据处理，或者生成n a m 文件，程序n e t w o r k a n i m a t o r 根据d a m 文件把仿真过程以动画的形式显示出来。从用户的角度可以将n s 2 视 作一个o t c l 语言脚本的解释器，它包括仿真事件调度器、网络组件对象库和网络组装模块 库。 为了建立并运行一个仿真网络，需要编写o t c l 脚本程序，该程序负责初始化事件调 度器，使用网络组件及其“管接( p l u m b i n g ) 功能建立网络拓扑，并通过事调度器设定数 据源如何发送数据。我们使用“管接 的概念，是因为建立网络拓扑时需要在各个网络组 件之间连接适当的数据通道。如果用户需要创建新的组件，可以简单的通过编写一个组件 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络仿真 或者组合现有的组件，再使用数据通道将它们“管接”起来。这中“管接的功能使得仿 真的工作变得简单，而n s 2 的强大之处就在于这种“管接”。将编写好的o t c l 脚本交付 n s 2 ，n s 2 会逐条解析并执行脚本中的指令。仿真的过程会记录在结果文件中，这些文件 可以用于后期的分析。 针对网络仿真，n s 已经做了大量的模型化工作。n s 对网络系统中一些通用的网络实 体己经进行建模。相对于一般的离散型的仿真器来说，n s 的优势就在于它有非常丰富的 构件库，而且这些对象易于组合，易于扩展。用户可以利用这些已有的对象，进行少量的 扩展，组合出所要研究的网络系统模型，然后进行仿真。n s 可以仿真多种i p 网络，已 经实现许多网络组件( 如t c p 和u d p ) 、数据源生成器( 如f t p 、t e l n e t 、w e b 、c b r 和v b r ) 、 路由器队列管理机制( 如d r o pt a i l 、r e d 和c b q ) 、路由算法( 如d i j k s t r a ) 以及m a c 层协议。除此以外，n s 一2 还支持对多种有线和无线通信网( 包括卫星网) 的仿真。 无线网络这一模块最初是由c m u 的m o n a r c h 工作组引入到n s 中的。主要包括了 m o b i l e n o d e ( 移动节点) 的工作机制、路由机制和用来构造m o b i l e n o d e 的网络协议的各 个网络构件，这些构件主要包括c h a n n e l ( 信道) 、n e t w o r ki n t e r f a c e ( 网络接口) 、r a d i o p r o p a g m i o nm o d e l ( 无线信号传输模块) 、m a c 协议、i n e r f a c eq u e u e ( 接口队列) 、l i n kl a y e r ( 链路层) 和a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l ( a i 冲j 地址解析协议) 等。c m u m o n a r c h 引 入的无线模块可以进行纯无线网络( 包括无线局域网和多跳的a dh o e 网络) 的仿真，但 是我们如果需要仿真一个有线和无线混合的网络，或者要求在这些无线节点上运行m o b i l e i p ，对c m u 无线模型所做的扩展允许我们这样做。我们的仿真就使用了进一步扩展后的 无线模块，这样我们就可以构建包括有线网络、蜂窝基站和移动节点的融合网络，并采用 层次路由和基站绑定的方法模拟双模节点。 4 2 仿真流程及参数设置 我们采用t n s 2 无线扩展模块进行仿真，仿真的是3 2 节描述的融合网络。 在a o d v + 基础上，设置两种基站发现机制： 1 先验式：加入”a g e n t a o d vs e tg w _ d i s c o v e r y0 ”，并在a o d v h 中重新配置 a d v e r t i s e m e n t _ i n t e r v a l 和a d v e r t i s e m e n t z o n e 2 反应式：加入”a g e n t a o d vs e tg w _ d i s c o v e r y2 ”，无需配置a o d v h 4 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章网络仿真 模型以及仿真分析 3 参数设置 m a c 层协议 i e e e 8 0 2 1 1 拓扑范围 1 0 0 0i l l 1 0 0 0i t i 路由协议a o d v d s d v 仿真时间 6 0 s 移动节点数 6 基站个数 2 传输范围 1 0 0 m 3 拓扑图( 图4 1 ) 仿真模型参数设置 节点0节点1节点4 oo节点3 ，o ， ( 1 0 0 , a o o ) ( 3 0 0 ，3 0 节点2 o ( 8 0 0 ，3 0 0 ) o( 7 0 0 , 2 5 0 ) ( 2 0 墓0 , 站2 0 0 1 ) 4 0 0 ，弑节o 皇5 吧墨i 2 翟d i 基站1 z 图4 1 仿真模型原始拓扑图 从第o 秒开始，节点2 向节点4 发送c b r 数据包，同时从o 5 秒开始，节点2 以1 0 m s 的速度向( 1 0 0 ，4 5 0 ) 移动，到第5 0 秒停止发送数据包。 整个通信过程可以分为以下几个阶段： ( 1 ) 节点2 通过节点5 ，基站2 ，节点3 向节点4 发送数据包( 图4 2 ) 节s o o ( 1 0 0 , 3 0 0 ) ( 2 0 0 ，2 0 0 ) 基站1 节点1 o ( s 0 0 ，3 0 0 ) 节点4 图4 2 ( 2 ) 一段时间的移动后，节点2 移出基站2 的功率范围，进入基站1 的发射范围，这时 它通过基站l ，基站2 ，节点3 发送数据包到节点4 。( 图4 3 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络仿真 节点d o ( 1 0 0 73 0 0 ) ( 2 0 0 ，2 0 0 ) 节点5t 0 3 0 ，2 0 0 ) 基站l o 基站2 ( 5 0 0 , 1 0 0 ) 图4 3 ( 3 ) 又经过一段时间后，节点2 移动出了基站1 的功率范围，到达节点0 的覆盖范围， 它通过节点0 ，基站1 ，基站2 ，节点3 向节点4 发送数据包。( 图4 4 ) 节点2 ( 2 0 0 ，a o o ) 基站1 4 3 仿真结果分析 节点5 l 6 d o ，2 0 0 ) o 基站2 ( 5 0 0 , 1 0 0 ) 图4 4 1 先验式基站发现 图4 5 是发送吞吐量的比较图，其中加“o 直线是a o d v 协议仿真曲线，加“ 直线是d s d v 协议仿真曲线，由于在这里发送的是恒流数据包c b r ，从图4 - 6 中可以看出 在仿真模型中扩展的d s d v 协议和扩展的a o d v 协议发送数据包的大小和时间是完全相 同的。 图4 - 6 是接收吞吐量的比较图，其中加“o ”直线是扩展的a o d v 协议仿真曲线，加 “x ”线是扩展的d s d v 协议仿真曲线。从图4 5 和图4 - 6 的比较中，可以看出扩展的a o d v 协议的接收吞吐量与发送吞吐量在切换是有抖动，而扩展的d s d v 协议的接收吞吐量与发 送吞吐量则有很大的差异。 4 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络仿真 图4 - 5 发送吞吐量 图4 - 6 接收吞吐量 从结果分析图可以看出，在这种动态的模型中，扩展的a o d v 协议的通信性能要远好 于扩展的d s d v 协议。整个通信过程经历了两次切换，在进行第二次切换时，扩展的d s d v 协议没有找到相关路由，从而使整个通信过程在第3 2 秒时中断。 2 反应式基站发现 图4 7 ，4 - 8 是反应式网关发现的发送吞吐量与接收吞吐量的比较图，从图比较中，可 以看出在这种仿真模型中扩展的d s d v 协议的寻址时间远大于扩展的a o d v 协议。 4 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章网络仿真 图4 7 发送吞吐量 图4 - 8 接收吞吐量 从结果分析图可以看出，扩展的a o d v 协议的通信性能要明显好于扩展的d s d v 协 议。整个通信过程中数据流经历了一次切换，在扩展的d s d v 协议在很长的时间内没有找 到相关路由，从而使整个通信过程中断 3 开销 开销方面，路由协议的路由信息控制包包括r r e q ，r r e p 和r e r r 。在扩展的的a o d v 中还包括了基站广播等控制包，但由于基站的存在，节点可以在较短的时间内就能发现有 4 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章网络仿真 效节点，而不需像扩展的d s d v 协议一样要不断的重发路由请求数据包。因此扩展的的a o d v 在网络中路由信息控制包会减少，从而避免开销的增加。图4 - 9 和图4 - 1 0 分别在先验式 和反应式的情况下比较两种协议的开销情况。 图4 - 9 先验式开销 4 4 本章小结 图4 1 0 反应式开销 本章采用了n s 2 的无线扩展模块进行仿真，耷a o d v 基础上，设置两种基站发现机 制，模拟实现融合网络。在不同的基站发现机制下考察发送接收吞吐量