基于NS2的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真研究.doc

總第 225期2008年第 7期計(jì)算機(jī)與數(shù)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的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真研究鐘輝王鵬(沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 沈陽(yáng)110168)摘 要 在仿真壞境下對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行性能評(píng)價(jià) , 必須對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行有效分析和處理 。通過(guò)介紹免費(fèi)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 N S 2的基本體系結(jié)構(gòu) , 分析 N S 2的工作原理和仿真機(jī)制 , 并針對(duì)移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的特殊性 , 著重討論 N S 2在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 仿真中的運(yùn)用 , 分析與此相關(guān)的類(lèi) , 介紹仿真結(jié)果的輸出格式 , 在此基礎(chǔ)上對(duì)仿真結(jié)果做出定性分析并且分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 性能 。關(guān)鍵詞N S 2 線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)仿真中圖分類(lèi)號(hào)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擬器 , 主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問(wèn)題 。N S 2使用 O Tc l和 C +兩種程序語(yǔ)言 。選擇這兩種語(yǔ)言 有兩方面原因 , 一方面具體協(xié)議的模擬和實(shí)現(xiàn) , 需 要一種能夠高效處理字節(jié) 、報(bào)頭等信息的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 。這種情況下 C +是非常合適的 ; 另一方面 網(wǎng)絡(luò)中的研究工作都是圍繞著網(wǎng)絡(luò)組件和具體參 數(shù)的改變而進(jìn)行的 , 需要在短時(shí)間內(nèi)模擬出網(wǎng)絡(luò)環(huán)1 引言移動(dòng)通訊 、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的深入發(fā)展使其在 軍事戰(zhàn)場(chǎng) 、災(zāi)難救助 、臨時(shí)通信等場(chǎng)合等方面得到廣 泛的應(yīng)用 ,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)成為其研究的重點(diǎn) 。在 研究和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)通常需要利用仿真軟件對(duì)其性能 進(jìn) 行 測(cè) 試 和 評(píng) 價(jià) 。N S 2 ( N e tw o rk S im u la to r, ve rs ion 2)是一款免費(fèi)的 、開(kāi)放源代碼的網(wǎng)絡(luò)仿真軟 件 ,最初由 U C B e rke ley 開(kāi)發(fā)而成 。N S 2 最初為了 研究大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)前和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交互行 為而開(kāi)發(fā)的 ,它為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的 TC P、路由和多播等協(xié)議的仿真提供了強(qiáng)有力的支持 ?；谝陨?優(yōu)點(diǎn) , N S 2成為眾多網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的首選 。境 。在這樣的 情 況下 腳本 語(yǔ) 言就 有了 很 的優(yōu) 勢(shì) 。O Tc l面向?qū)?象 的 腳 本 語(yǔ) 言 可 以 充 分 滿(mǎn) 足 以 上 要求 。N S 2體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 。2. 2Tc l和 O Tc lTc l ( Too l C om m and L anguage )是解釋執(zhí)行的腳 本語(yǔ) 言 。它 的 實(shí) 現(xiàn) 依 賴(lài) 于N S 2 體系結(jié)構(gòu)2Tc l內(nèi)部 的 C 函數(shù) 庫(kù) , 添加圖 1 N S 2體系結(jié)構(gòu)2. 1 N S 2 簡(jiǎn)介N S 2是面向?qū)ο蟮?、離散式驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模新的 C 函數(shù)就可以擴(kuò)充 Tc l的命令和功能 , 是擴(kuò)展3 收稿日期 : 2008年 3月 13日 ,修回日期 : 2008年 4月 21日作者簡(jiǎn)介 :鐘輝 ,男 ,碩士 ,副教授 ,研究方向 :無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路 、數(shù)字圖書(shū)館等 。王鵬 ,男 ,碩士研究生 ,研究方向 :無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 。性非常強(qiáng)的腳本程序設(shè) 計(jì)語(yǔ) 言 。 Tc l 解 釋器 把用戶(hù)輸入的命令和程序語(yǔ)句進(jìn)行初步分析 , 然后調(diào)用 C 函數(shù)庫(kù)的響應(yīng)函數(shù)執(zhí)行 , Tc l是無(wú)強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換 的腳本語(yǔ)言 , 一切變量 , 不論整型 , 浮點(diǎn)等都以字符 串的形式 存 儲(chǔ) 。O Tc l是 Tc l的面 向 對(duì)象 的擴(kuò) 展 , 在 O Tc l中加入了類(lèi)和對(duì)象的概念 , 對(duì)象是類(lèi)的實(shí) 例 , 它有自己的屬性和自己的內(nèi)部操作 。對(duì)象具有 繼承 、封裝 、多態(tài)和動(dòng)態(tài)綁定的性質(zhì) 。面向?qū)ο髾C(jī) 制的加入使得原始的 Tc l變得更強(qiáng)大 。雖然和 C+中對(duì)象和類(lèi)以及其他面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言中 的概念相同 , 但是具體實(shí)現(xiàn)和語(yǔ)法存在很大差別 。2. 3 tc lc ltc lc l是在 O Tc l基礎(chǔ)上的封裝 。 tc lc l實(shí)際上搭 建了 N S 2的框架 , N S 2 的類(lèi)庫(kù)都是建立在 tc lc l基 礎(chǔ)上 的 。 tc lc l 中 包 含 了 六 個(gè) 類(lèi) : 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類(lèi)可以看成是一個(gè) Tc l的 C +接口類(lèi) , 它提 供 C +訪(fǎng)問(wèn) Tc l庫(kù)的接口 。 Tc lO b jec t是 Tc l / C +兩個(gè)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的類(lèi)庫(kù)的基類(lèi) , 在最新的 tc lc l 中 , 采用了 Sp litO b jec t的術(shù)語(yǔ) 。 T c lC lass 注冊(cè)編譯 分級(jí) , 保持了編譯分級(jí)的層次結(jié)構(gòu) , 同時(shí)給 O Tc l對(duì)象提供了創(chuàng)建 C +對(duì)象的方法 。 Tc lC om m and 用 于定義簡(jiǎn)單的全局解釋命令 , Em beddedTc l是定制 的 Tc l命令 。 Ins tV a r類(lèi)包含了從 Tc l訪(fǎng)問(wèn) C +類(lèi) 成員變量的方法 。2. 4 網(wǎng)絡(luò)組件網(wǎng)絡(luò)組件分為簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)組件和復(fù)合網(wǎng)絡(luò)組件 。 N sO b jec t是所有基本網(wǎng)絡(luò)組件的父類(lèi) , 而他本身的 父類(lèi)是 Tc lO b jec t類(lèi) 。這個(gè)類(lèi)的對(duì)象的基本功能是 處理數(shù)據(jù)包 ( Packe t) 。所有的基本網(wǎng)絡(luò)組件可以 劃分為兩類(lèi) , 分類(lèi)器 ( C lass if ie r)和連接類(lèi) ( C onnec2to r) 。他們都是 N sO b jec t的直接子類(lèi) , 也是所有基 本網(wǎng)絡(luò)組件的父類(lèi) 。分類(lèi)器 ( C lass if ie r) 的派生類(lèi) 組件對(duì)象包括地址分類(lèi)器 ( A dd rC lass if ie r) 和多播 分類(lèi)器 (M as tC lass if ie r) 等 。連接器 ( C onnec to r) 的 派生類(lèi)組件對(duì)象包括隊(duì)列 (Q ueue ) , 延遲 ( D e lay ) ,各種代理 (A gen t)和追蹤對(duì)象類(lèi) ( T race ) 。2. 5 事件調(diào)度器N S 2是離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真器 。它使用 事件調(diào)度器對(duì)所有組件希望完成的工作和計(jì)劃該 工作發(fā)生的事件進(jìn)行列表和維護(hù)如圖 2 所示 , 事件調(diào)度器是一個(gè)具有優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列 , 它按照事件發(fā)生 的事件對(duì)其中的工作安排 , 并循環(huán)這樣的順序執(zhí)行 工作 , 而各個(gè)組件之間的通信是依靠傳遞數(shù)據(jù)包的 方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。圖 2 事件調(diào)度器3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程分析3. 1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型本質(zhì)上是由移動(dòng)節(jié)點(diǎn) (M ob ile2N ode )做為核心 , 并附加各種支持特性而構(gòu)成 , 以實(shí)現(xiàn)對(duì)多跳 ad - hoc 網(wǎng) 絡(luò) 和 無(wú) 線(xiàn) 局 域 網(wǎng) 的 模 擬 。M ob ileN ode是由 N ode 類(lèi)派生出來(lái)的 , 因此一個(gè)基本的 N ode 對(duì)象附加上無(wú)線(xiàn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功能就 構(gòu)成了 M ob ileN ode。其移動(dòng)特征包括 : 節(jié)點(diǎn)移動(dòng) ,周期性位置更新 , 維護(hù)拓?fù)溥吘壍?, 是在 C + m o2 b ilenode cc. h 中實(shí)現(xiàn)的 。而設(shè)定 M ob ileN ode 的 各個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件包括鏈路層 ( LL ) 、連接到 LL 上的 A R P 模 塊 、接 口 隊(duì) 列 ( IFq ) 、M A C , C hanne l 是 在tc l 實(shí)現(xiàn) 的 。無(wú) 線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò) 模型O Tc l ns - m ob ilenode.如圖 3所示 。圖 3 無(wú)線(xiàn)模型示意圖1 ) add ress c lass if ie r: 按 照分 組 的 目 的 地 址 進(jìn) 行匹配 , 對(duì)分組的 目 的地 址做 位 運(yùn)算 來(lái)產(chǎn) 生 一個(gè) s lo t num be r。2) p o rt c lass if ie r:按照分組的目的端口進(jìn)行匹配 , 將分組傳遞給相應(yīng)的 A gen t對(duì)象 。 dm ux _是節(jié)第 36卷 ( 2008 )第 7期計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程59點(diǎn)的 Po rtC lass if ie r對(duì)象 。3 ) L ink L aye r: 對(duì)于所有發(fā)出的分組 , 路由 A 2 gen t會(huì)把分組傳遞給 LL , LL 把分組傳遞給接口隊(duì) 列 ( IFQ ) 。對(duì)于所有接收到的分組 , M A C 層將分組傳遞給 LL , LL 再 將 分 組 傳 遞 給 node _ en try _。 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的 LL 還連接了一個(gè) A R P 模塊 , 用來(lái)把IP地址解析成物理 (M A C )地址 。4 ) A R P: 如果 A R P 已經(jīng)知道目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的 M A C 地址 , 直接寫(xiě)入分組的 M A C 頭中 ; 否則 , 存放到分 組緩沖區(qū) , 并廣播 A R P請(qǐng)求 。5 ) In te rfaceQ ueue: 由 P riQ ueue 類(lèi) 實(shí) 現(xiàn) 。是 一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列 , 優(yōu)先處理路由協(xié)議分組 , 并可以對(duì) 分組進(jìn)行過(guò)慮 。6 ) M A C 層 : 實(shí)現(xiàn)了 IEEE802. 11 的 D C F M A C協(xié)議 。7 ) N e tw o rk In te rface: 網(wǎng)絡(luò)接口是移 動(dòng)節(jié) 點(diǎn)訪(fǎng) 問(wèn)信道的接口 , 通過(guò)碰撞和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊來(lái)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送到信道上的分組 。將波長(zhǎng) 、傳輸功率等信息寫(xiě)入分組頭 。8 ) A n tenna:使用單一增益的全向天線(xiàn) 。9 ) R ad io P rop aga tion M ode l: 用來(lái) 計(jì) 算每 個(gè)分 組在到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度 , 小于閾值時(shí)標(biāo)記為 e rro r并被 M A C 層丟棄 。包含 3 種模型 : F ree -sp ace、Tw o - ray g round ref lec tion 和 S hadow ing。10 ) C hanne l:無(wú)線(xiàn)信道的功能是將分組復(fù)制給 所有連接到本信道上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn) 。3. 2 無(wú)線(xiàn)仿真實(shí)現(xiàn)( 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 )設(shè)置節(jié)點(diǎn)屬性 , 將最初 的 設(shè)定 的模 擬 屬性賦給節(jié)點(diǎn) 。代碼如下 :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 )設(shè)定節(jié)點(diǎn)的初始位置以及節(jié)點(diǎn)的隨即運(yùn)動(dòng) 功能 。代碼如下 :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 /假設(shè)在一個(gè)區(qū)域?yàn)?100m 1000m 范圍內(nèi)有十個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn) , 分別為 node _ ( 0 ) - - - - node _( 9 ) , 節(jié)點(diǎn)之間建立的是 UD P 連接 , 并在其上建立cb r數(shù)據(jù)流 。仿真實(shí)現(xiàn)步驟如下 :1 )設(shè)定模型的一些必要 屬性 , 如 移 動(dòng)節(jié) 點(diǎn)的C hanne l類(lèi)型 、M A C 層協(xié)議 、隊(duì)列類(lèi)型及場(chǎng)景大小 、 節(jié)點(diǎn)數(shù)目 。主要代碼如下 :oo ls r - node - i. log”5 )建立節(jié)點(diǎn)之間的 U D P 連接 , 并在其上建立cb r數(shù)據(jù)流 。代碼如下 :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 過(guò)程用來(lái)關(guān)閉 trace 文 件 , 并且調(diào)用 nam 。代碼如下 : 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 )創(chuàng)建一個(gè) Top og rap hy 對(duì)象 , 保證所有節(jié)點(diǎn) 都在拓?fù)溥吔绶秶鷥?nèi)運(yùn)動(dòng) 。代碼如下 :se t va l ( x) exp r va l ( nn) 3 100. 0 + 100. 0 se t va l理我們可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)做出性能分析 , 計(jì)算出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸延遲 , 丟包率 , 延時(shí)抖動(dòng) , 和吞吐 量 。下面分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量 , 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是 網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù) , 是指在不丟包的情況下 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)數(shù)據(jù)包的數(shù)量 。通過(guò)編寫(xiě)完成的th roughp u. aw k 文件對(duì) un icas t. tr文件處理得到需 要的數(shù)據(jù) 。得到的數(shù)據(jù)再通過(guò) gnup lo t繪圖工具繪 出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量 (如圖 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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及nam 動(dòng)畫(huà)演示在模擬 結(jié) 束 后 會(huì) 產(chǎn) 生 un icas t.tr 文 件 和 un i2cas t. nam 文件 , un icas t. tr是跟蹤文件里面記 錄著每一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送 、到達(dá) 、丟棄等所有的信息 。 下面以一部分跟蹤文件為例介紹一下 trace 文件的格式以及代表的含義 。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 第一個(gè)域描述了在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生的事件的類(lèi)型 , 可能的類(lèi)型有 s (發(fā)送數(shù)據(jù)包 ) 、r (接受數(shù)據(jù)包 ) 、d (丟棄數(shù)據(jù)包 ) 、f (轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包 ) 。第二個(gè)域代表事 件發(fā)生的時(shí)間 。第三域和第四個(gè)域分別代表發(fā)送 節(jié)點(diǎn)以及目的節(jié)點(diǎn) 。第五個(gè)域到第十一個(gè)域是節(jié) 點(diǎn)的標(biāo)簽屬性 , 分別 代 表節(jié) 點(diǎn)的 ID 號(hào) , 節(jié)點(diǎn) 的坐 標(biāo) , 節(jié)點(diǎn)的能量 , 跟蹤哪一層和丟包的原因 。第十 二個(gè) 域 到 第 十 五 個(gè) 域 是 M A C 層 的 分 組 說(shuō) 明 , - M a 代表持續(xù)時(shí)間 , - M d 代表目的節(jié)點(diǎn)的地址 , -M s代表源節(jié)點(diǎn)的地址 , - M t代表以太網(wǎng)的類(lèi)型 。 第十六個(gè)域到第二十二個(gè)域是 IP 層的分組信息 ,- Is代表源地址 , - Id 代表目的地址 , - It代表信 息包類(lèi) 型 , - Il 代 表 信 息 包 大 小 , - If 代 表 溢 出圖 5 吞吐量圖4 結(jié)語(yǔ)網(wǎng)絡(luò)仿真是分析 、研究 、設(shè)計(jì)和改善網(wǎng)絡(luò)性能 必不可少的工具 , 它能幫助人們更確切更詳細(xì)地分 析網(wǎng)絡(luò)模型的性能 。文章主要介紹了 N S 2 的體系 結(jié)構(gòu)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型 , 并且利用 N S 2 仿真器對(duì) 10 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真 , 得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的 動(dòng)態(tài)顯示結(jié)果