基于NS2的无线网络仿真研究.doc

总第 225期2008年第 7期计算机与数字工程C om p u te r & D ig ita l Eng inee ringV o l. 36 N o. 7573基于 N S 2的无线网络仿真研究钟辉王鹏(沈阳建筑大学信息与控制工程学院 沈阳110168)摘 要 在仿真坏境下对网络协议进行性能评价 , 必须对仿真结果进行有效分析和处理 。通过介绍免费网络仿真软件 N S 2的基本体系结构 , 分析 N S 2的工作原理和仿真机制 , 并针对移动无线网络链路的特殊性 , 着重讨论 N S 2在无线网络 仿真中的运用 , 分析与此相关的类 , 介绍仿真结果的输出格式 , 在此基础上对仿真结果做出定性分析并且分析整个网络的 性能 。关键词N S 2 线网络 网络仿真中图分类号TP393S tudy of W ire less N e tw o rk S im u la tion B ased on N S2Zhong H u i W ang Peng( Info rm a tion and C on tro l Eng inee ring Facu lty, S henyang J ianzhu U n ive rs ity, S henyang 110168 )A b s t ra c t In o rde r to eva lua te the p e rfo rm ance of ne tw o rk p ro toco ls in s im u la ting env ironm en t, m us t ana lyze and p rocess ca refu lly the s im u la ting resu lts. The p ap e r in troduces the h ie ra rch ica l a rch itec tu re, ana lyzes the w o rk ing p rinc ip le and s im u la tion m echan ism of N S 2, in the ligh t of sp ec if ic cha rac te ris tics of w ire less ne tw o rk, d iscusses its app lica tion in the p rocess of m ob ile ne tw o rk s im u la tion, ana lyzes the co rre la tion c lass, in troduces the ou tp u t fo rm of s im u la tion resu lt, p roduces ana lys is of s im u la tion resu lt and en tire w ire less func tion.Ke y w o rd s N S 2, w ire less ne tw o rk, ne tw o rk s im u la tionC la s s N um b e r TP393拟器 , 主要用于解决网络研究方面的问题 。N S 2使用 O Tc l和 C +两种程序语言 。选择这两种语言 有两方面原因 , 一方面具体协议的模拟和实现 , 需 要一种能够高效处理字节 、报头等信息的程序设计语言 。这种情况下 C +是非常合适的 ; 另一方面 网络中的研究工作都是围绕着网络组件和具体参 数的改变而进行的 , 需要在短时间内模拟出网络环1 引言移动通讯 、无线网络等技术的深入发展使其在 军事战场 、灾难救助 、临时通信等场合等方面得到广 泛的应用 ,网络协议的设计成为其研究的重点 。在 研究和设计网络协议时通常需要利用仿真软件对其性能 进 行 测 试 和 评 价 。N S 2 ( N e tw o rk S im u la to r, ve rs ion 2)是一款免费的 、开放源代码的网络仿真软 件 ,最初由 U C B e rke ley 开发而成 。N S 2 最初为了 研究大规模网络以及当前和未来的网络协议交互行 为而开发的 ,它为有线和无线网络上的 TC P、路由和多播等协议的仿真提供了强有力的支持 。基于以上 优点 , N S 2成为众多网络仿真软件的首选 。境 。在这样的 情 况下 脚本 语 言就 有了 很 的优 势 。O Tc l面向对 象 的 脚 本 语 言 可 以 充 分 满 足 以 上 要求 。N S 2体系结构如图 1 所示 。2. 2Tc l和 O Tc lTc l ( Too l C om m and L anguage )是解释执行的脚 本语 言 。它 的 实 现 依 赖 于N S 2 体系结构2Tc l内部 的 C 函数 库 , 添加图 1 N S 2体系结构2. 1 N S 2 简介N S 2是面向对象的 、离散式驱动的网络环境模新的 C 函数就可以扩充 Tc l的命令和功能 , 是扩展3 收稿日期 : 2008年 3月 13日 ,修回日期 : 2008年 4月 21日作者简介 :钟辉 ,男 ,硕士 ,副教授 ,研究方向 :无线网路 、数字图书馆等 。王鹏 ,男 ,硕士研究生 ,研究方向 :无线网络 。性非常强的脚本程序设 计语 言 。 Tc l 解 释器 把用户输入的命令和程序语句进行初步分析 , 然后调用 C 函数库的响应函数执行 , Tc l是无强制类型转换 的脚本语言 , 一切变量 , 不论整型 , 浮点等都以字符 串的形式 存 储 。O Tc l是 Tc l的面 向 对象 的扩 展 , 在 O Tc l中加入了类和对象的概念 , 对象是类的实 例 , 它有自己的属性和自己的内部操作 。对象具有 继承 、封装 、多态和动态绑定的性质 。面向对象机 制的加入使得原始的 Tc l变得更强大 。虽然和 C+中对象和类以及其他面向对象程序设计语言中 的概念相同 , 但是具体实现和语法存在很大差别 。2. 3 tc lc ltc lc l是在 O Tc l基础上的封装 。 tc lc l实际上搭 建了 N S 2的框架 , N S 2 的类库都是建立在 tc lc l基 础上 的 。 tc lc l 中 包 含 了 六 个 类 : Tc l, Tc lO b jec t, Tc lC lass, Tc lC om m and, Em beddedTc l, Ins tV a r。其中 Tc l类可以看成是一个 Tc l的 C +接口类 , 它提 供 C +访问 Tc l库的接口 。 Tc lO b jec t是 Tc l / C +两个面向对象语言的类库的基类 , 在最新的 tc lc l 中 , 采用了 Sp litO b jec t的术语 。 T c lC lass 注册编译 分级 , 保持了编译分级的层次结构 , 同时给 O Tc l对象提供了创建 C +对象的方法 。 Tc lC om m and 用 于定义简单的全局解释命令 , Em beddedTc l是定制 的 Tc l命令 。 Ins tV a r类包含了从 Tc l访问 C +类 成员变量的方法 。2. 4 网络组件网络组件分为简单网络组件和复合网络组件 。 N sO b jec t是所有基本网络组件的父类 , 而他本身的 父类是 Tc lO b jec t类 。这个类的对象的基本功能是 处理数据包 ( Packe t) 。所有的基本网络组件可以 划分为两类 , 分类器 ( C lass if ie r)和连接类 ( C onnec2to r) 。他们都是 N sO b jec t的直接子类 , 也是所有基 本网络组件的父类 。分类器 ( C lass if ie r) 的派生类 组件对象包括地址分类器 ( A dd rC lass if ie r) 和多播 分类器 (M as tC lass if ie r) 等 。连接器 ( C onnec to r) 的 派生类组件对象包括队列 (Q ueue ) , 延迟 ( D e lay ) ,各种代理 (A gen t)和追踪对象类 ( T race ) 。2. 5 事件调度器N S 2是离散事件驱动的网络仿真器 。它使用 事件调度器对所有组件希望完成的工作和计划该 工作发生的事件进行列表和维护如图 2 所示 , 事件调度器是一个具有优先级的队列 , 它按照事件发生 的事件对其中的工作安排 , 并循环这样的顺序执行 工作 , 而各个组件之间的通信是依靠传递数据包的 方式来实现的 。图 2 事件调度器3 无线网络仿真过程分析3. 1 无线网络模型无线网络模型本质上是由移动节点 (M ob ile2N ode )做为核心 , 并附加各种支持特性而构成 , 以实现对多跳 ad - hoc 网 络 和 无 线 局 域 网 的 模 拟 。M ob ileN ode是由 N ode 类派生出来的 , 因此一个基本的 N ode 对象附加上无线和移动节点的功能就 构成了 M ob ileN ode。其移动特征包括 : 节点移动 ,周期性位置更新 , 维护拓扑边缘等 , 是在 C + m o2 b ilenode cc. h 中实现的 。而设定 M ob ileN ode 的 各个网络构件包括链路层 ( LL ) 、连接到 LL 上的 A R P 模 块 、接 口 队 列 ( IFq ) 、M A C , C hanne l 是 在tc l 实现 的 。无 线网 络 模型O Tc l ns - m ob ilenode.如图 3所示 。图 3 无线模型示意图1 ) add ress c lass if ie r: 按 照分 组 的 目 的 地 址 进 行匹配 , 对分组的 目 的地 址做 位 运算 来产 生 一个 s lo t num be r。2) p o rt c lass if ie r:按照分组的目的端口进行匹配 , 将分组传递给相应的 A gen t对象 。 dm ux _是节第 36卷 ( 2008 )第 7期计算机与数字工程59点的 Po rtC lass if ie r对象 。3 ) L ink L aye r: 对于所有发出的分组 , 路由 A 2 gen t会把分组传递给 LL , LL 把分组传递给接口队 列 ( IFQ ) 。对于所有接收到的分组 , M A C 层将分组传递给 LL , LL 再 将 分 组 传 递 给 node _ en try _。 移动节点的 LL 还连接了一个 A R P 模块 , 用来把IP地址解析成物理 (M A C )地址 。4 ) A R P: 如果 A R P 已经知道目标节点的 M A C 地址 , 直接写入分组的 M A C 头中 ; 否则 , 存放到分 组缓冲区 , 并广播 A R P请求 。5 ) In te rfaceQ ueue: 由 P riQ ueue 类 实 现 。是 一个优先级队列 , 优先处理路由协议分组 , 并可以对 分组进行过虑 。6 ) M A C 层 : 实现了 IEEE802. 11 的 D C F M A C协议 。7 ) N e tw o rk In te rface: 网络接口是移 动节 点访 问信道的接口 , 通过碰撞和无线传输模块来接收其他节点发送到信道上的分组 。将波长 、传输功率等信息写入分组头 。8 ) A n tenna:使用单一增益的全向天线 。9 ) R ad io P rop aga tion M ode l: 用来 计 算每 个分 组在到达接收节点时的信号强度 , 小于阈值时标记为 e rro r并被 M A C 层丢弃 。包含 3 种模型 : F ree -sp ace、Tw o - ray g round ref lec tion 和 S hadow ing。10 ) C hanne l:无线信道的功能是将分组复制给 所有连接到本信道上的移动节点 。3. 2 无线仿真实现( y )1000se t top o new Top og rap hy top o load_f la tg rid va l ( x ) va l ( y)se t god c rea te - god va l ( nn) 3 )设置节点属性 , 将最初 的 设定 的模 拟 属性赋给节点 。代码如下 :ns node - conf ig - adhocR ou ting- llTyp e va l ( ll) - m acTyp e va l ( m ac ) va l ( rp ) - ifqTyp e va l( ifq)- ifqL en va l ( ifq len) - an tTyp e va l ( an t) - p rop Typ e va l ( p rop ) - p hyTyp e va l ( ne tif) - channe l new va l ( chan) - top o Ins tance top o - agen tT race ON - rou te rT race ON - m acT race O FF - m ovem en tT race O FF4 )设定节点的初始位置以及节点的随即运动 功能 。代码如下 :fo r se t i 0 i va l ( nn ) inc r i se t node ( i) ns node node ( i) random - m o tion 1node ( i) se t X _ exp r i 3 100. 0 node ( i) se t Y _ exp r 500. 0 + ( ( ( i 393)% 21) - 10 ) 3 10. 0 node ( i) se t Z _ 0. 0ns in itia l_node _p os node ( i) 20 node ( i) se t ragen t_ se t - conf ig “ nodeC onf ig ; log - f ile - nam e d irN am e /假设在一个区域为1100m 1000m 范围内有十个移动的节点 , 分别为 node _ ( 0 ) - - - - node _( 9 ) , 节点之间建立的是 UD P 连接 , 并在其上建立cb r数据流 。仿真实现步骤如下 :1 )设定模型的一些必要 属性 , 如 移 动节 点的C hanne l类型 、M A C 层协议 、队列类型及场景大小 、 节点数目 。主要代码如下 :oo ls r - node - i. log”5 )建立节点之间的 U D P 连接 , 并在其上建立cb r数据流 。代码如下 :se t sende r new A gen t /UD P ns a ttach - agen t node ( 0) sende r se t cb r new A pp lica tion / T raff ic / CB R cb r se t p acke tS ize _ 128cb r se t in te rva l_ 0. 1cb r a ttach - agen t sende r se t rece ive r new A gen t /N u ll ns a ttach - agen t node ( exp r va l ( nn ) - 1 )rece ive rns connec t sende r rece ive rns a t 0. 0“ cb r s ta rt”6 )建立 f in ishS im u la tion 过程用来关闭 trace 文 件 , 并且调用 nam 。代码如下 : p roc f in ishS im u la tion se t va l ( chan )se t va l ( p rop )se t va l ( ne tif)C hanne l /W ire lessC hanne lP rop aga tion / Tw oR ayG roundPhy /W ire lessPhyse t va l (m ac) M ac / 802 _11se t va l ( ifq ) Q ueue /D rop Ta il / P riQ ueue se t va l ( ll) LLse t va l ( an t) A n tenna /Om n iA n tenna se t va l ( ifq len ) 50se t va l ( nn) 102 )创建一个 Top og rap hy 对象 , 保证所有节点 都在拓扑边界范围内运动 。代码如下 :se t va l ( x) exp r va l ( nn) 3 100. 0 + 100. 0 se t va l理我们可以对整个网络做出性能分析 , 计算出整个网络的数据传输延迟 , 丢包率 , 延时抖动 , 和吞吐 量 。下面分析整个网络的吞吐量 , 网络的吞吐量是 网络性能的一个重要参数 , 是指在不丢包的情况下 单位时间内通过数据包的数量 。通过编写完成的th roughp u. aw k 文件对 un icas t. tr文件处理得到需 要的数据 。得到的数据再通过 gnup lo t绘图工具绘 出整个网络的吞吐量 (如图 5所示 ) 。g loba l ns node va l d irN am e# L og the f ina l s ta te of a ll the nodesfo r se t i 0 i va l ( nn ) inc r i node ( i) se t ragen t_ s ta te“ d irN am e / oo ls r- node - i. f ina l - s ta te ”ns ha lt3. 3 实验结果及nam 动画演示在模拟 结 束 后 会 产 生 un icas t.tr 文 件 和 un i2cas t. nam 文件 , un icas t. tr是跟踪文件里面记 录着每一个数据报的发送 、到达 、丢弃等所有的信息 。 下面以一部分跟踪文件为例介绍一下 trace 文件的格式以及代表的含义 。s - t 0. 000000000 - H s 0 - H d - 2 - N i 0 -N x 0. 00 - N y 400. 00 - N z 0.000000 - N l A G T - N w - - - M s 0 - M t 0 - Is 0. 0 - Id 9. 000 - N e - 1.- M a 0 - M d 0- It cb r - Il 128- If 0 - Ii 0 - Iv 32 - Pn cb r - P i 0 - Pf 0 - Po 0 第一个域描述了在节点处发生的事件的类型 , 可能的类型有 s (发送数据包 ) 、r (接受数据包 ) 、d (丢弃数据包 ) 、f (转发数据包 ) 。第二个域代表事 件发生的时间 。第三域和第四个域分别代表发送 节点以及目的节点 。第五个域到第十一个域是节 点的标签属性 , 分别 代 表节 点的 ID 号 , 节点 的坐 标 , 节点的能量 , 跟踪哪一层和丢包的原因 。第十 二个 域 到 第 十 五 个 域 是 M A C 层 的 分 组 说 明 , - M a 代表持续时间 , - M d 代表目的节点的地址 , -M s代表源节点的地址 , - M t代表以太网的类型 。 第十六个域到第二十二个域是 IP 层的分组信息 ,- Is代表源地址 , - Id 代表目的地址 , - It代表信 息包类 型 , - Il 代 表 信 息 包 大 小 , - If 代 表 溢 出图 5 吞吐量图4 结语网络仿真是分析 、研究 、设计和改善网络性能 必不可少的工具 , 它能帮助人们更确切更详细地分 析网络模型的性能 。文章主要介绍了 N S 2 的体系 结构和无线网络模型 , 并且利用 N S 2 仿真器对 10 节点结构的网络进行了网络仿真 , 得到网络参数的 动态显示结果