（计算机系统结构专业论文）多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现.pdf

摘要 无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研 究热点领域。由于无线传感器网络自身的特点，实际网络系统的实现代价高且难 以实现，为更好地验证网络通讯、协议、算法的性能，模拟则成为测试、评估和 验证的重要手段。网络模拟有着周期小、成本低等特点，使之广泛应用于研究中。 在提出的新型多层移动无线传感器网络体系结构下，本文以网络模拟软件n s 为基础，扩展物理层的信息收发控制模型，并在应用层添加功率改变服务，使其 适应不同通信范围下的多层次移动节点的信息传输。模拟实现了多层次的无线传 感器网络平台m u l t i p l e 一1 e v e ln s ( m l n s ) ，以适用于多层移动传感网络中信息 采集的模拟测试。 为了及时、可靠、低耗能地收集网络信息，提高网络的扩展性和延长网络的 生存周期，大规模无线传感网络按节点的角色不同，网络划分为传感器节点 s ( s e n s o r ) 、熔合节点f ( f u s i o n ) 和中央控制节点c ( c o n t r 0 1 ) 三层，三层节点处 理能力依次增强，复杂度依次增大，相互协作完成无线传感网络任务。f 层节点 随s 节点的移动而移动，在f 节点和c 节点上，实现一种基于簇的中间件架构， 根据功能和协作方式建立多层模型w s n ，以更有效的获取传感器数据并易于整体 网络的控制。 在新型多层移动传感器网络体系结构中，详细分析了各层节点的基本功能， 并规划节点的受控移动控制策略以保证信息的有效收集。结合n s 一2 现有的无线 传感网络模型，重点对物理层的信息收发控制模型和发送功率服务进行添加和扩 展，实现不同层次节点的通讯功能，给出了各功能模块实现的具体方案。针对物 理层和发射功率服务，编写c 十+ 对象模型集成至n s 一2 中，并以t c l 编写f 与s 节点的移动策略，实现m l n s 模拟。在m l n s 进行网络性能测试中，通过分析处理 结果数据表明，m l n s 模拟平台实现了多层节点的随机移动、数据采集和网络体 系结构信息的可靠传输。 关键字：无线传感器网络；网络模拟；m l n s ；模型；发射功率 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a , w h i c hb a s e do n an e w i n t e r - c r o s sd i s c i p l i n e a si t sc h a r a c t e r i s t i ci m p l e m e n tn e t w o r ks y s t e mi sv e r y e x p e n s i v e ，a n di ti sv e r yd i f f i c u l t yt od o f o rv a l i d a t i n gt h ep e r f o r m a n c e o fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，p r o t o c o l ，a l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n i sab e s tc h o i c et ov e r i f yp r o t o c o l s a n da l g o r i t h m si nw i r e l e s ss e n s o r , w h i c hh a ss h o r tp e r i o da n d l o wc o s t ，i ti sw i d e l y u s e di nt h er e s e a r c h u n d e rp r o p o s i n gan e wm u l t i - l a y e ra r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h i s p a p e r b a s e do nn s 2 ，w es e tu pa nn e wn o d e ，e x p a n dt h ei n f o r m a t i o nm o d e lo f s e n d i n ga n dr e c e i v i n gi nt h ep h y s i c a ll a y e r ，a n da d d i n ga d a p t a b l ep o w e r m o d u l ei n a p p l i c a t i o nl a y e r ，i no r d e rt oc o o r d i n a t ew i t h t h en e wa r c h i t e c t u r e f i n a l l y ，w e i m p l e m e n tam u l t i p l e l e v e ln st os i m u l a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h en e w m u l t i l a y e r a r c h i t e c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h en e wm u l t i 1 a y e rm o b i l es e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e b a s i cf u n c t i o n so fe a c hl a y e ro fn o d e sa n dd e s i g n sm o b i l ec o n t r o ls t r a t e g yt oe n s u r e t h ee f f e c t i v ec o l l e c t i o no fi n f o r m a t i o n b a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km o d e lo f n s 2 ，w ef o c u so nt r a n s c e i v e rc o n t r o lm o d e lo fi n f o r m a t i o no np h y s i c a ll a y e r ，h o wt o e x t e n dp o w e rc o n t r o l ，h o wt od e s i g nc o m m u n i c a t i o nm o d e lb e t w e e nl a y e r sa n dh o w t oi m p l e n m e n tt h e s em o d e l s f o rp o w e rc o n t r o lo np h y s i c a ll a y e r ，w ee x t e n do b j e c t m o d e li nn s 2a n de n c o d em o b i l es t r a t e g yb e t w e e ns e n s o rn o d ea n df u s i o nn o d eb y t c ll a n g u a g ea n ds i m u l a t et h em l n sp l a t f o r m d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，w ea n a l y z e t h er e s u l t sa n df i n do u tt h a tr a n d o mm o v e m e n to fm u l t i l a y e rs e n s o r , d a t ac o l l e c t i o n a n dr e l i a b l ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nw o r kv e r yw e l l k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；n e t w o r ks i m u l a t i o n ；m l n s ；m o d e l ；e x t e n d p o w e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，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， 也不包含为获得或其他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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解江西师范大学研究生学院有关保留、使 用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西师范大学研究生 学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名： 签字日期：年 月 日 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 第一章引言 1 1 研究背景 本章主要介绍了无线传感器网络和网络模拟的特点，以及目前国内外网络 模拟的研究现状，给出了几种较为普遍的模拟软件的研究成果。然后，分析了 当前广泛研究并适用的模拟软件n s - 2 存在的不足，引出本文对n s - 2 进行二次 开发设计的必要性，最后说明了全文的内容安排。 1 1 1 无线传感器网络及模拟概述 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，以下简称为w s n ) n 2 3 使信 息的获取带来了革命性变革，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信 息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监 测对象的信息，并对其进行处理，传送到用户，而成为目前研究的热点。w s n 被认为是将对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一，并在许多方面有着潜在的应 用前景，已经引起了学术界和工业界的高度重视。可以预计，将来无线传感器 网络将无处不在。比如家庭采用w s n 负责安全、调控、节电、保健等；企业和 社区采用w s n 负责保安与安全、供应监测、人员流动与车辆进出等；服务业采 用w s n 负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。各种社会活动中，w s n 的应用更是举不胜举。 无线传感器网络从拓扑上主要分为固定和自组织两种拓扑配置方式。固定 情况下，手动配置节点，数据通过预定路径转发；自组织情况下，节点以a d h o c 方式随机散布。当前网络拓扑的主要研究都集中于自组织情况。与w s n 类似的 传统a dh o c 网络拓扑可以分为以下三种：基于簇( c l u s t e r ) 的分层结构m 一， 其缺点是维护分级结构需要节点执行分簇算法，增加了计算复杂性；其次，簇 间的信息都要通过簇头寻路，不一定能使用最佳路由；再次，簇头节点要维 护到达其他簇头的路由信息，它还要知道网络中所有节点与簇的所属关系，作 为集中转发点的簇头可能会成为网络的瓶颈。另一种是基于网( m e s h ) 的平面结 构口2 删。这种网络结构在节点数目较多，特别是在节点大量移动的情况下，平 面结构网络很难实施有效的网络管理和控制。在平面结构中，一个节点需要知 道到达其他所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消 息。网络规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大。还一种基于链( c h a i n ) 的线结构m 1 。在这种结构使节点被串联在一条或多条链上，链尾与用户节点相 连。 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 以上各种拓扑结构都存在各自的不足，且无线传感器网络与传统a d h o c 网络因面向的应用完全不同而存在很多不同之处堙仉2 1 1 。首先，节点功耗较大， 成本较高，不适应大规模网络的应用。其次，网络体系节点高度动态变化，处 理和收集信息能力受限。因而，传统的a d h o c 网络结构并不能完全适用于传感 器网络，需要在这些网络结构的基础上，提出一种多层移动节点网络结构，保 证信息有效传输、均衡网络能量消耗、提高网络整体性能的新型无线传感器网 络。 另外，w s n 作为一个全新的研究领域，及其它本身的一些特点，如硬件资 源有限、电源容量有限、无中心、多跳路由、动态拓扑、节点数量多等口1 ，不 仅使构建一个有效的网络架构成为挑战性的研究课题，也决定了构建一个有效 且较为可靠的多层结构的w s n 模拟平台的重要性。研究网络模拟，是对网络资 源等各项关键技术的有效性，网络的可靠、有效传输的评估和测试，进一步优 化网络体系整体性能的重要手段和方法。 模拟n 2 3 ( s i m u l a t i o n ) 即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征， 用另一系统来表示它们的过程。网络模拟是进行网络技术研究的一种基本手段， 将通信网络模拟与试验网相结合来研究通信网络的特定性能，为通信网络的规 划、网络通信技术等提供定量分析工具。在新技术的研究过程中，如无线传感 器网络，由于其自身的各种特性，实际网络系统的实现往往是代价较高或是不 现实的。而网络模拟以其灵活性、高效性和低费用等优点就成了最佳可供选择 的测试、评估和验证手段之一，成为网络研究的重要手段，应用范围相当广泛， 使模拟软件在网络模拟领域中占有十分重要的位置h 1 。网络模拟利用相关的软 件技术，构造网络拓扑、实现网络协议、测评网络性能的网络虚拟技术，它包 括网络拓扑模拟、协议模拟和通信流量模拟。网络模拟不仅适用于网络模型的 构造和设计、协议性能的评价与分析，还适用于网络协议的开发与研究以及真 实网络的故障诊断。 1 1 2 无线传感器网络模拟的研究现状 为实现w s n 的模拟，研究人员设计开发( 或在现有平台建立w s n 模型) 的每 个模拟工具主要瞄准一个特殊的应用领域，在这个领域能确保其产生最佳效果。 l g i r o d 等人开发的e m s t a r 晦1 提供了在模拟和基于i p a q 的运行l i u n x 的节 点之间灵活切换的环境，用户可以选择在一个主机上运行多个虚拟节点进行模 拟，也可以在一个主机上运行多个与真实的节点进行桥接的虚拟节点，主要用 于对传感器网络的应用程序进行测试的环境，因此，还不是一个真正意义上的 w s n 网络模拟工具。基于j a v a 开发的j - s i m 1 是一种组件化、可扩展的网络模 拟器，但目前只搭建了传感器网络框架。o m n e t + + n 1 ( o b j e c t i v em o d u l a rn e t w o r k t e s t b e di nc + + ) 是一个面向对象的模块化离散事件模拟工具，和n s 。2 一样， 2 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 主要面向o s i 模型，可以执行上千个节点的仿真，提供了图形化的网络编辑器 和网络、数据流查看工具。其主要目标是提供可灵活配置模拟的组件体系。 t o s s i m 陋- 1 1 1 是用于对采用t i n y o s 的m o t e s 进行了b i t 级的仿真工具，提供了用 于显示模拟情况的用户界面t i n y v i z ，其缺点是没有提供能量模型，无法对能 耗有效性进行评价。p o w e r t o s s i m 啪1 是对t o s s i m 的扩展，采用实测的m i c a 2 节 点的能耗模型对节点的各种操作所消耗的能量进行跟踪，从而实现w s n 的能耗 性能评价。其缺点是，所有节点的程序代码必须是相同的，而且无法实现网络 级的抽象算法的模拟。s e n s o r s i m 乜7 脚1 是建立在n s - 2 的一个采用d s r 的8 0 2 1 l 网络模型上的。s e n s o r s i m 是用于w i n s 平台的，需要用s e n s o r w a r et e l 脚本 进行设计。s e n s o r s i m 在模拟时跟踪了节点的能量使用情况，其能量模型来自 w i n s 节点，使得其无法用于m o t e 平台的模拟。另外，s e n s o r s i m 已经停止开发 和支持，也无法下载到程序代码。还有s e n s e 阳1 、s h a w nn 们等模拟工具都是针对 无线传感器网络的某一应用开发的。 而最早应用于w s n 模拟的软件是n s 2 n 2 1 3 1 射，它起初来源于1 9 8 9 年的r e a l n e t w o r ks i m u l a t o r 项目，经过多年的发展之后，于1 9 9 5 年得到施乐公司( x e r o x ) 的支持，加入v i n t 项目。由于n s 一2 的开放性，一直以来都在吸收全世界各地 研究者的成果，包括u c b 、c m u 等大学和s u n 等公司的无线网络方面的代码，也 是目前进行网络模拟最为广泛的软件，已广泛被科研院所和各大高校用于进行 网络分析、研究和教学。 由综上所述可知，到目前为止，w s n 的仿真模拟技术只是处于初级阶段， 还没有仿真模拟器具备较为完全的功能，尤其难以实现大规模节点网络和多层 网络结构的仿真。 1 2 研究的必要性 n s 一2 是开放源码的自由软件，具有较为丰富的测试脚本，涉及的网络技术 较为广泛。而其他的模拟软件都存在各自的缺陷，不能广泛地推广使用。对于 网络研究者，可以利用n s - 2 中已实现的协议和算法，通过编写一些脚本程序就 能实现网络的模拟，为网络设计和网络性能评价提供参考。对于w s n 测试研究， 强调对目标现象及其属性的实时感知能力，支持对感知信息的节点本地处理和 节点问协同处理，而这些恰好是传统网络模拟平台所不支持的。因此，n s 一2 固 有的开放式代码和模块化设计的特点，可以很方便地在现有版本基础上进行二 次开发。 无线传感器网络模拟应具备单节点内部操作的模拟、多节点间通信网络的 模拟和外部环境的模拟三种功能，同时还需满足可以适应大规模节点网络、完 整性、高精度、模拟代价小等特性啪，。 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 尽管n s 2 功能总体上己比较全面，但由于其内容复杂，语言丰富，工具繁 杂，目前国内外还没有能集中规范的理论进行阐述，研究不够成熟。首先，在 对无线网络的支持方面，目前只实现了单一场景下一种移动节点的模拟测试， 对于多层次的节点创建和功能的实现还未有过研究。其次，在节点移动策略模 拟研究领域，w s n 节点的移动策略模拟对网络性能评估的研究目前还是空白。 再次，网络模拟的规模较小，不能同时模拟多个节点的执行情况，。 由于以上n s - 2 的这些不足，仅照搬使用传统的组件模型对多层移动传感器 网络的模拟是难以实现的，尤其是多层节点的移动策略和关键网络系统性能评 估和优化，如网络密度、网络生命周期、节点能耗及数据率等参数的调整和优 化问题。由此，设计出新一代的n s 一2 网络模拟平台，使之适合新型的w s n 体系 架构，支持多层结构的移动传感网络模拟，为进一步优化和提高网络性能，进 行全面的验证和测试，为成为了一个核心课题。 1 3 论文的研究工作 本文主要结合本文的新型多层移动传感器网络的体系结构特点，对模拟平 台n s 一2 进行二次开发扩展，以使之支持多层无线网络节点功能以及动态移动策 略。扩展后的n s 一2 为m l n s ( m u l t i p l e l e v e ln e t w o r ks i m u l a t o r ) ，不仅具备 原版本的基本网络测试模型，还扩展了一种网络的节点模型和通信功能服务， 实现了多层节点间信息的有效采集、通信、协调处理和简单的移动策略；并对 其重要参数进行仿真，分析表明具有较好的完整性、可靠性和稳定性，可适应大 规模节点网络。 在目前内外对n s 一2 网络模拟软件研究成果的基础上，分析n s 一2 的结构层 次、特点、以及运行环境和工作原理，节点的移动，重点在n s - 2 底层源码对模 型实现的研究；并提出的一种新型的多层w s n 的架构，体系结构主要以优化网 络资源为目的，是一个集成的、有效的移动传感网络，具有较好的扩展性，可 靠性和较高的拓扑变化的整体性能等特点。依据新型w s n 的这些特点，最终给 出n s 一2 扩展实现的设计方案和实现步骤。主要改进如下： 1 添加创建新型智能节点。目前的n s 一2 只能创建模拟单一的移动节点， 为使之支持多层次的分布式体系结构模拟，创建增加一类新型节点，新创建的 节点与实际研究的智能尘埃相近，功能更为简单、节能、并能有效采集数据和 发送信息。 2 物理模型扩展，为简化智能节点功能，针对其中智能节点只需单向发送 信息的功能，在原版本n s - 2 的物理模型上进行裁剪，对模型的类函数以多态性 实现物理模型，以底层实现智能节点的创建。 3 添加发射功能改变服务，为使节点层功能简单、发射功率限定在一定范 4 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 围内，在应用服务层添加一种改变发射功率的服务，以达到节能的目的，减小 网络整体能量的消耗，延长网络生命期。 4 移动策略的实现，扩展实现以上基本功能后，以保证网络传输的可靠性 为目的，部署最佳的移动收集策略，最终模拟实现m l n s 。 本文详细给出了创建节点的方法、物理层和应用服务设计方案和实现的具 体步骤。为了与用户进行开发后的版本相区别，我们称从n s 2 的官方网站上下 载的n s - 2 版本为初始n s 一2 2 8 。而将在初始版本的基础上进行扩展，并将重新 编译后的版本称为扩展版m l n s ( m u l t i p l e l e v e ln e t w o r ks i m u l a t o r ) 。 1 4 论文内容安排 论文的内容结构安排如下：蠹 第一章：引言。引出w s n 模拟的研究问题，提出n s 一2 在进行w s n 研究中扩 展研究的必要性，同时介绍了本文所做的主要工作。 第二章：n s 一2 网络模拟的综述。详细分析了n s 一2 模拟平台的发展、体系 结构、原理，无线传感器网络基本构件和模拟过程。 第三章：m u l t i p l e l e v e ln s 模拟设计。本章在深入研究目前国内外w s n 的发展趋势的基础上，本文在提出的多层结构传感器网络体系结构基础上，结 合n s 一2 的已有成果，详细分析系统要求，给出了系统各层次间节点的创建、移 动策略和各层有效通讯设计的具体可行方案，着重在物理层和服务层的设计， 以及移动策略的研究和实现。 第四章：m u l t i p l e l e v e ln s 模拟实现。本章给出了物理层和应用服务层 实现流程，两个模型的详细代码实现步骤，以及扩展后的模型和原n s 2 的编译 链接过程。接着，对二次开发扩展后的新型模拟平台m l n s 进行拓扑测试，进 行参数和环境的设置。 第五章：总结与展望。对本文工作总结，提出了本文还存在的一些不足和 对未来工作的展望。 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 第二章n s - 2 模拟综述 n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软 件模拟平台，并且是个面向对象的网络离散事件模拟器，由c + + 写成，使用o t c l 解释器作为前端提供命令和配置接口，具有丰富的构件库，能模拟网络运行的过 程。 为更好地理解n s - 2 的工作原理和机制，在本章中，主要介绍n s 的发展，以及 u cb e r k e l e y 改进后n s 一2 的层次结构、网络组件和w s n 功能模型，模拟过程与其辅 助工作的工具。 2 1 n s 的发展 n s 一2 全称是n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ，是著名的用于网络研究的模拟 工具。研究者预先做了大量的模型化工作，对网络系统中一些通用实体进行了建 模，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， 具有良好的扩展性，能够模拟网络运行的全过程。里面包括了大量的用于在有线 或无线、本地连接或通过卫星连接进行t c p 、u d p 协议，和数据源发生器( t r a f f i c s o u r c e ) 女i ：i f t p ，w w w ，t e l n e t ，w e b ，c b r 和v b r 等、路由算法、多播协议模拟的网 络协议、调度器和工具，主要致力于o s i 模型的模拟，包括物理层的行为。n s - 2 可以对模拟进行详细的跟踪并用模拟工具“网络动画播放器”( n e t w o r ka n i m a t o r n a m ) 进行回放。 n s 最早是1 9 8 9 年美国加州的l b n l ( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b s ) 等研 究开发的软件，它源于一种与之不同的r e a l 网络模拟器，随后几年进行了不断 的改进。1 9 9 5 年，n s 的开发获得了d a r p a 的支持， 通过v i n t ( v i r t u a l i n t e r n e t w o r kt e s t b e d ) 项目， 由l b n l ，x e r o xp a r c ，u c b t 和u s c i s i 合作进行 开发。目前，n s 由d a r p a 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目支持开发，并和 其他项目包括a c i r i 合作研究。n s 也包含了其他项目的成果，其中有u c b d a e d e l u s 、c m um o n a r c h s h s u nm i c r o s y s t e m 等项目的无线代码。1 9 9 6 年，u c b e r k e l e y 发布了n s 2 版本为n s 2 2 8 。2 0 0 7 年3 月发布了最高版本n s 一2 3 1 。 目前已有研究小组对n s - 2 进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的模 拟，包括对各层及其应用和协议的支持、传感器模型、电池模型、小型的协议 栈、混合模拟的支持和场景工具等，而且包含了基于能量限制的无线a d h o c 6 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 网络模式。其中，协议的扩展模拟研究是目前n s 的研究热点，也是相对较为 成熟的方面，主要在n s 已有的协议上进行算法改进来提高网络性能，或适应 特定的网络环境。在国内，2 0 0 7 年中科院袁凌云等模拟建模完成了w s n 对交 通监控的感应1 4 1 。上海交大对n s 的模拟信道进行了扩展n 引，为n s 的其他构 件的扩展提供了方向。 2 2n s 运行环境和工作原理 2 2 1n s 运行环境 目前n s 一2 主要基于u n i x 平台，可以在s u n o s 、f r e e b s d 和l i n u x 上稳定 运行，需要t c l ，t k ( x 工具包) ，o t c i ，t c l c l 和n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 的支持。运行于w i n d o w s 平台的n s 一2 需要p e r l ( p r a c t i c a le x t r a c t i o na n d r e p o r tl a n g u a g e ) 和c y g w i n ( p o r t so ft h ep o p u l a rc n ud e v e l o p m e n t ) 的 支持n 6 1 ，但在w i n d o w s 平台下运行该软件不如在u n i x 下运行稳定。整合的 n s - a l l i n o n e 2 1 b 7 a 包含了比较完整的工具包，但是只能在l i n u x 下运行。 2 2 2n s 工作原理 n s 是一个事件驱动的模拟软件，事件规定了系统状态的改变，状态的修改 仅在事件发生时进行。模拟器所做的就是不停地处理一个个事件，直到所有的 事件都处理完或某一特定的事件发生为止n 引。n s 的核心部分是一个离散事件模 拟引擎，其中有一个“调度器 ( s c h e d u l e r ) 类，负责记录当前时间，调度网 络事件队列中的事件，并提供函数产生新事件，指定事件发生的时间。用户用 离散事件模拟引擎来对系统进行模拟，并用对象来实现其中实体的特性和功能， 组成n s 的构件库。 n s 应用分裂对象模型，用c + + 和o t c l 两种语言实现，兼顾了模拟性能和灵 活性两方面。构件库底层的模拟引擎主要由c + + 编写，其特点是具有更快的运 行速度，但每次改变均需要编译，较为复杂，适合处理繁琐但比较固定的工作。 具体协议的模拟和实现需要具有有效处理字节( b y t e ) ，报头( p a c k e th e a d e r ) 等信息的程序设计语言，并应用合适的算法在大量的数据集合上进行操作。为 了实现这个任务，程序内部模块的运行速度是非常重要的。同时，利用麻省理 工学院的面向对象的工具命令语言o t c l 作为模拟时的命令和配置的接口语言， 配置模拟活动中的各种参数，建立模拟的整体框架。0 t c l ( 具有面向对象特性 的t c l 脚本程序设计语言) 是在t c l ( t o o lc o m m a n dl a n g u a g e ) 基础上的一个 面向对象的封装。许多网络中的研究工作都围绕着网络组件和环境的具体参数 的设置和改变而进行的，需要在短时间内快速的开发和模拟出所需要的网络环 境，并且方便修改和发现、修复程序中的b u g 。在这种任务中，运行时间就显 7 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 得很重要了，因为模拟环境的建立和参数信息的配置只需要运行一次。所以， 网络模拟的全过程由一段o t c l 的脚本来描述，并被n s 解释器所解释。这段脚 本通过调用引擎中各类的属性、方法而定义网络的拓扑，配置源、目的端，建 立连接，产生所有事件的时刻表，运行跟踪模拟结果，并可以对结果进行相应 的统计处理或制图。因此，构件都是相互关联的两个类实现，一个在c + + 中， 同时有一个o t c l 类与之对应，并通过一种称为t c l c l 的工具包实现两者之间自 由地互相调用，c + + 与o t c l 间的关系如图2 - 1 。 2 3n s - 2 体系结构 图2 - 1 ：c + + 与o t e l 间的关系图 2 3 1n s - 2 层次结构 n s 2 功能模块的内核用c + + 编写的面向对象模拟器，它的前端是一个o t c l 解释器，模拟器内核定义了有层次结构的编译类，o t c l 解释器中有与之相对 应的解释类。结构层次结构如下图2 2 所示。n s 中使用的六种t e l 类分别为： ( 1 ) t c l 类：封装解释器实倒，并提供与解释器访问和交流的方法。它是 连接c + + 代码与t e l 代码之间的接口。 ( 2 ) t d o b j e c t 类：是在解释和编译层次中所有类的基类，每个类t d o b j e c t 的对象都是用户在解释器中创建的。一个等价的影子对象( s h a d o wo b j e c t ) 同 时也在编译层次中被创建。 ( 3 ) t c l c l a s s 类：是一个纯虚类，从这个基类派生的类提供两种功能：建 立与编译类镜像的解释类和提供实例化新t c l o b j e c t 的方法。 ( 4 ) t c l c o n n a n d 类：封装了c 抖代码与t c l 代码相互调用命令的方法，为 n s 提供一种在全局范围内由解释器执行的一些简单命令的机制。 ( 5 ) e m b e d e d t c l 类：含有装载高层次内建命令的方法，以对编译代码或 者解释代码的功能扩展，扩展代码将在初始代码的时被执行，这样使模拟配置 更容易。 ( 6 ) i n s t v a r 类：含有访问c + + 成员变量作为o t c l 瞬时变量的方法。这个 类定义了将编译的影子对象( s h a d o wo b j e c t ) 中的一个c + + 成员变量绑定到 与之对应的解释对象中的o t c l 实例变量上的方法和机制。这种绑定可以使任 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 何时侯变量既可以从解释器又可以从编译代码内设置和获得。 图2 - 2 ：n s 层次结构 2 3 2n s - 2 网络组件 n s - 2 模拟器封装了许多功能模块，最基本的是事件调度器、节点、链路、 代理、数据包格式等n 3 h l1 9 3 。在下图2 3 中，粗框里为n s 的模块，方框外的 s c r i p t 为我们写的脚本文件。n s 解释脚本，将输出写到输出文件中，然后调用 n a m 或x g r a p h 显示输出文件n 8 。 图2 - 3 ：n s 主要模块及功能 1 事件调度器( e v e n ts c h e d u l e r ) ：模拟器中的调度器由不同的数据结 构实现，是其中的心脏。它有一个静态成员变量i n s t a n c e 一，供所有的类访问 同一个调度器，提供函数产生新事件，并按照事件发生的时间对其中的工作排 9 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 序，并遵循此顺序执行工作。而各个组件之问的通信是依靠传递数据包的方式 来实现的。 2 模拟器类( c l a s ss i m u l a t o r ) ：模拟器类是一个解释类，没有相应的 编译类。但模拟器类是由许多更小的类构成的，这些类有相应的编译类。从 n s 外部看，整个的模拟过程可以看成对模拟器的操作。因此，模拟脚本一般 从创建一个模拟器的实例对象开始，再通过这个模拟器调用各种方法生成节 点，进而构造拓扑图，对模拟的各个方面进行配置，定义事件，然后，根据定 义的事件，模拟整个网络活动的过程。 3 节点( n o d e ) ：节点是n s 最重要的模块，其实是由分类器( c l a s s i f i e r ) 构成的。节点也是一个由o t c l 实现的解释类，也没有相应的编译对象。 4 链路( l i n k ) ：类l i n k 是o t c l 中的一个标准类，提供连接节点和路由 器的功能。像节点是由分类器组成的一样，一个简单的链路对象是由一些连接 器( c o n n e c t o r ) 组成的。 5 代理( a g e n t ) ：a g e n t 由c + + 和o t c l 两部分代码实现，代表了在网络 层中数据包的产生地和运输源头，同时也是各层网络中各种协议如t c p 和u d p 的实现。 6 分组( p a c k e t ) ：类p a c k e t 是模拟对象间交换数据的基础单元，它提 供了足够的信息，可以将一个包联入一个列表，可以查询数据包头缓冲。不同 的协议采用不同的数据包格式，因此报头会不一样。要引入新的数据报头，需 要根据数据包的格式定义一个c + + 结构，定义一个静态类来提供与o t c l 的连 接，然后修改模拟器的初始化代码。当o t c l 解释器初始化模拟器时，用户可 以只激活部分内置的数据包格式，以节省内存。目前，大部分的内置数据包格 式都是激活的。对这些格式的管理，是通过一个特殊的“数据包头管理员”对 象实现的。 2 3 3n s - 2 模拟过程及辅助分析工具 n s 网络模拟一般分两个层次：一个是基于o t c l 编程的层次。利用n s 已有的网 络元素实现模拟，无需修改n s 本身，模拟只需通过t c l 语言定义，用n s 命令编写 程序来定义网络拓扑结构、配置网络信息流量的产生和接收以及收集统计数据。 另一个是基于c + + 和o t c l 编程的层次。如果n s 中没有所需的网络元素，则需对n s 进行扩展，添加新的c + + 和o t c l 类构建所需的网络元素，编写新的t c l 脚本。可以 分为构件的扩展阶段，模拟阶段，分析结果三个阶段。模拟流程如图2 - 4 ，具体 步骤如下： ( 1 ) 编写所需要特殊的构件。一般包括自己所需要的特定的服务、代理、链路、 路由等。 ( 2 ) 测试编译这些构件。 1 0 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 ( 3 ) 开始编写o t c l 脚本。配置模拟网络拓扑结构。 ( 4 ) 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量分布。 ( 5 ) 设置t r a c e 对象，t r a c e 对象能够把模拟过程发生的特定类型的事件记录在 t r a c e 文件中。 ( 6 ) 编写其他辅助过程，设定模拟时间，用n s 解释执行脚本文件。 ( 7 ) 对t r a c e 文件分析，统计有用的数据，可以用n a m ，g n u p l o t 等工具观看分析 网络模拟运行的过程。 ( 8 ) 重新改变配置拓扑结构和业务模型，重新进行模拟过程。找到最适合自己 特点的模型。 图2 - 4 ：模拟流程如 对结果进行分析是模拟的关键。n s 一2 脚本中定义一个由c + + 实现的输出 文件t r a c e ( 又叫跟踪文件) ，根据用户的需要记录模拟过程中的任何一个细 节，当一次模拟结束后，所留下的唯一记录就是t r a c e 文件，所有的对模拟 的分析都是基于t r a c e 文件的。由t r a c e 文件可进行进一步的相关内容的分 析，生成网络拓扑图，或者得到数据的可视化的图表。主要有如下三种图分 析方式： 1 动画显示工具n a m 显示。它是基于t c l t k 的动画工具，用于演示网 络运行的整个过程，根据网络模拟软件或真实环境罩的特定格式的t r a c e 输 出文件来运行动画，例如网络拓扑、链路断开、节点的移动、丢包、数据包 传输和队列管理等，在n s 中可以很清晰的显示网络的拓扑结构。 2 图形绘制工具x g r a p h 和p n u p l o t 。为了进一步更好地分析模拟结果， n s - 2 附带图形绘制工具x g r a p h 和g n u p l o t ，这些组件可根据数据文件里的数 据以静态图形曲线的图表方式生动形象的显式模拟结果。其中，g n u p l o t 是一 个命令驱动的交互式画图软件，其功能就是把数据资料和数学函数转换成容 易观察的平面或立体的图形，帮助研究者进行数据分析。 3 数据处理工具g a w k 和t r a c e g r a p h 。 g a w k 是g n u 所开发的a w k ，但它包含a w k 的所有功能。其中a w k 是一种 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 程序语言，对于资料的处理具有很强的功能，可以使用很短的代码轻易地完 成对文本档案做修改、分析、提取和比较等处理。g a w k 的主要功能是针对文 件的每一行( 1 i n e ) 搜寻指定的模式( p a t t e r n s ) 。当一行里有符合指定的模式 时，g a w k 就会在此一行执行指定的动作( a c t i o n s ) 。g a w k 采用这种方式依次 处理输入档案的每一行，直到输入文件结束。 t r a c e g r a p h 可以显示模拟信息，绘制2 d 或3 d 图象来展示结果，但它通 常需与m a t l a b 配合。 2 4 无线网络模型 n s 的无线网络模型最初是由卡内基一梅隆大学( c m u ) 的m o n a r c h 工作组 引入到n s 中的。该模型是以m o b il e n o d e 为基本核心，使用r a n d o mw a y p o i n t m o d e l 模型定义无线网络的移动性模型( m o v e m e n tm o d e l ) 。在r a n d o m w a y p o i n t m o d e l 模型中，在长为x ，宽为y 的平面矩形区域内共有n 个移动节点，每个节 点先在一个随机的位置停留一段时间p ，然后在模拟空间中随机选取一个目的 点，以在0 到最大速度m 之间一个符合均匀分布的速度向目标节点移动。当 到达此目标节点后，重复上述“停留一移动一停留 的过程。在整个过程中存 在m c 对通信连接。 移动节点( m o b i l en o d e ) 是无线移动模型的核心，它是n s - 2 中原有n o d e 节点类的子类，具有支持移动模拟的特性。移动节点与n o d e 节点类的不同在 于它支持节点的运动和不使用l i n k 对象来连接各节点，而是从信道接收和传 送信号。图4 3 是移动节点的示意图，其中采用了d s d v 协议( a o d v 和t o r a 与此相同) 。采用d s r 协议的移动节点略有所不同，它并不使用地址解析或分 类器，而是节点接收到的所有分组都交给默认的d s r 路由代理。d s r 路由代理 或者将接收的包移交给端口解析器，或者通过查询分组中h i e r a r c h i c a l 地址 得到源路由以转发该分组或者发送路由请求回复信息。由d s r 代理直接处理 接收的分组，将目标地址是自己的分组提交给端口解析器或将目标地址非自身 的分组向前传送。 1 2 多层结构移动传感器网络模拟的研究及实现 图2 5 ：n s 一2 中移动传感器节点的结构示意图 移动节点包括链路层( l i n kl a y e r ，即l l ) 、地址解析模块( a r pm o d u l e ) 、 具有优先级的接口队列( i n t e r f a c eq u e u e ，即i f q ) 、媒体传输控制层( m a c ) 、 网络接口( n e t w o r ki