0引言

隨著網絡技術和通信技術的蓬勃發(fā)展，如何在硬件條件不具備的情況下研究大規(guī)模網絡，如何快速設計。實現。分析新的協議和算法，如何比較新老系統(tǒng)和算法而不必花費巨資建立實際系統(tǒng)等問題日益成為網絡研究者關注的焦點。近年來，盛行的方式是通過計算機軟件對網絡協議。網絡拓撲。網絡性能進行模擬分析。采用這種網絡仿真的研究方法，降低了成本，研究方法靈活可靠，提高了研究效率?，F在主流的網絡仿真工具主要有：OPNET，QualNet，NS-2.OPNET是商業(yè)軟件，軟件所提供的模型庫比較有限，而且主要集中于路由仿真。QualNet也是一款商業(yè)軟件，弱化了網絡分層的概念。NS-2的內容比較龐雜，各模塊間的協同及耦合不便于系統(tǒng)擴展。為此，在廣泛汲取現有網絡模擬器的成功經驗基礎上，美國華盛頓大學Thmos R. Henderson教授及其小組研發(fā)了一款極具特色的新型網絡仿真器——NS-3.相比其他網絡仿真工具，NS-3是一款開源軟件，在多網卡處理和IP尋址策略方面表現出更好特性，同時，NS-3的架構也相對更明了清晰，代碼不需做很大修改就可直接移植到真實網絡節(jié)點上，此外，研究者可根據自身需求進行任意拓展。

1 MANET路由協議分析

移動無線自組織網絡(MANET)是一種無中心。自組織的分布式多跳網絡，MANET以其固有特點在某些特殊場景(如：救災。戰(zhàn)爭等)中得到了廣泛運用。路由協議的好壞直接影響到整個網絡性能的優(yōu)劣。這里簡要介紹MANET中應用比較廣泛的3種平面路由協議。DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector)是一種表驅動路由協議，它是在傳統(tǒng)的距離矢量DV算法基礎上改進設計的，同時也被稱為消除環(huán)路的Bellman-Ford路由算法。DSDV算法中每個節(jié)點都維護一張到達全網可達目的節(jié)點的路由表。相比DV算法，DSDV最大的區(qū)別是路由中增加了目的系列號(Sequence Number)字段，通過序列號來區(qū)別新舊路由信息。節(jié)點將收到新路由信息和當前路由信息比較，選擇序列號較大的路由記錄來更新路由表。若兩者序列號相同，則選擇跳數較小者。

此外，全網節(jié)點要求周期性廣播路由包來進行路由維護。AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector)是一種源驅動的路由協議，是DSR協議結合了DSDV中的按需路由機制設計出來的。節(jié)點在發(fā)送數據包時，首先查找自己路由表是否有到達目的節(jié)點的路由信息，若有，則直接按照路由信息發(fā)送;若沒有，則執(zhí)行路由發(fā)現過程。節(jié)點廣播路由請求包RREQ給自己鄰居，鄰居收到RREQ包后查詢自己路由表是否有到達目的節(jié)點路由信息，若有或本身就是目的節(jié)點，則將路由信息添加到路由應答包RREP，并將其反饋給源節(jié)點;若沒有，再將RREQ轉發(fā)給自己所有的鄰居。依次類推，直到到達目的節(jié)點或中間節(jié)點存在到達目的節(jié)點的路由。

AODV協議通過定期廣播Hello分組來進行路由維護，一旦發(fā)現了某條通信鏈路斷開，節(jié)點就會在DE-LEte_PERIOD時間之后從路由表中刪除包含該斷開鏈路的路由，并發(fā)送ERROR(路由錯誤)報文來通知那些因為鏈路斷開而不可達的節(jié)點刪除相應的路由記錄或者對已經存儲的路由信息進行修復更新。

OLSR(Optimized Link State Routing)是一種優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由協議，類似其他表驅動路由協議，節(jié)點需要周期性交互網絡路由信息。被鄰居節(jié)點選作中繼節(jié)點(Multi Point Telay，MPR)的節(jié)點周期性向網絡廣播控制信息分組，分組中包括將它選作MPR的那些節(jié)點的信息，以告訴網絡中其他節(jié)點與這些節(jié)點之間相連。而且，只有MPR節(jié)點才能夠作為路由節(jié)點，其他非MPR節(jié)點不參與路由計算，也不需轉播控制信息。OLSR協議中主要通過HELLO和TC(Topological Control)兩種控制消息來感知廣播拓撲。通過HELLO消息實現鏈路偵測。鄰居偵聽，以此建立節(jié)點的本地鏈路信息表，同時用于向鄰居節(jié)點通告本節(jié)點的多點中繼MPR節(jié)點的選擇;TC消息負責執(zhí)行MPR Selector鏈路狀態(tài)聲明，使得每個節(jié)點都能夠感知全網拓撲結構。最終，節(jié)點根據本地鏈路信息庫和拓撲集合中的信息，采用Dijkstra算法根據路徑最短的原則計算路由表。

2 NS-3仿真平臺搭建

2.1 NS-3仿真架構

NS-3是一款離散型模擬器，NS-3的網絡架構主要由模擬器內核和網絡構件2部分組成，如圖1所示。其中模擬器內核包括時間調度器和網絡模擬支持系統(tǒng)，是NS-3最核心的部分。相比NS-2，NS-3仿真時間不僅支持Default Scheduler，而且還支持Realtime Scheduler.

NS-3的網絡模擬支持系統(tǒng)包括：Attribute系統(tǒng)。Logging系統(tǒng)和Tracing系統(tǒng)。由于廣泛汲取了其他網絡仿真工具的經驗和技術，NS-3的內核在可量測性?？蓴U展性。模塊化。支持仿真與現實融合等方面具有極大優(yōu)勢。NS-3的網絡構件包括：節(jié)點(Node)。應用(Application)。協議棧(Protocol Stack)。網絡設備(Net Device)。信道(Channel)。拓撲生成器(Helper)等。網絡構件是對真實網絡的各個部分的抽象，具有低耦合高內聚特點，NS-3通過低層次的抽象，使得仿真效果盡可能反映真實網絡的性能。

2.2 NS-3仿真流程

以下簡單介紹NS-3代碼編寫的特點及如何在NS-3中搭建一個完整仿真場景的過程。NS-3運行在Linux環(huán)境下，對Linux系統(tǒng)版本有要求且依賴較多系統(tǒng)組件，安裝過程較復雜。NS-3仿真器代碼核心部分全部使用C++語言編寫，外部配置。編譯。執(zhí)行使用了基于Python的waf系統(tǒng)，方便使用者配置仿真場景。NS-3完全模擬了TCP/IP的協議棧，并且把每一層的功能模塊化，在NS-3安裝完成后，默認只是生成各個功能模塊，自帶的仿真例子沒有生成，需要把這些例子復制到scrach文件夾下才能運行，并且NS-3中編寫好的代碼也都需要放到該文件夾下才能運行。在NS-3中搭建仿真場景遵循固定的流程，在編寫C++代碼時一般可以分為以下幾個步驟：

(1)設置仿真場景的全局參數。比如采用Seed-Manager：：SetSeed(7)設置隨機數種子，以保證產生相同的隨機序列，設置隨機平面移動模型(Random-Walk2dMobilityModel)的參數Config：：SetDefault(“NS-3：：RandomWalk-2dMobilityModel：：Mode”，StringValue(“Tim-e”))等，以上的全局設定使得仿真場景可以重現。

(2)定義仿真中使用的參數，比如數據包的大小，需要創(chuàng)建的節(jié)點個數，物理層使用的傳輸速率等，這些參數可以使用CommandLine類來實現并解析，方便在仿真過程中使用外部腳本動態(tài)改變這些參數。

(3)創(chuàng)建網絡節(jié)點，然后按照TCP/IP協議，從下而上給網絡節(jié)點安裝協議棧。NS-3在實現中考慮到為了方便使用者，協議棧的每一層都實現了幫助類(XXX-Helper)，使用者可以方便地使用這些幫助類設定每一層參數。比如使用YansWifiPhyHelper設定物理層協議，使用YansWifiChannelHelper來設置傳輸信道類型，使用NqosWifiMacHelper來設置數據鏈路層協議等。最后通過幫助類給節(jié)點安裝路由協議，分配IP地址，至此便搭建了TCP/IP的物理層。數據鏈路層和網絡層，實現網絡的通信功能。

(4)通信網絡搭建好后，需要編寫實驗程序，即在節(jié)點之間的收發(fā)數據包的代碼，以達到測試底層協議的目的。NS-3中為了減少使用者的編程工作量，同樣提供了豐富易用的函數，一般都是先創(chuàng)建使用UDP協議套(Socket)，同時把接收節(jié)點號。發(fā)送節(jié)點號作為參數傳入，再給套接字指定IP地址，端口號，最后讓發(fā)送節(jié)點連接到接收節(jié)點。為接收節(jié)點指定回調函數。

(5)完成節(jié)點之間如何發(fā)送數據包的代碼后，需要編寫接收節(jié)點的回調函數，即在接收節(jié)點收到數據包后調用的函數。可以在回調函數中對數據包的時延，投遞率進行統(tǒng)計。

(6)使用Simulator：：Schedule函數設定調度事件即設定源節(jié)點的發(fā)送數據的開始時間，發(fā)送間隔，發(fā)送數據包總數等。至此，整個場景部署完成。

3路由協議的仿真及性能比較

在Ubuntu 10.04環(huán)境下使用NS-3.16對AODV.DS-DV和OLSR這三種路由協議進行仿真，并在相同的仿真場景下比較其性能指標。分別在靜態(tài)場景和動態(tài)場景下，考察網絡規(guī)模。網絡拓撲變化對協議性能的影響。

3.1靜態(tài)場景

仿真場景設置：模擬器的隨機數種子設定為常數7，節(jié)點按網格分布，網格邊長500 m，節(jié)點的規(guī)模從2×2，3×3逐漸增大到18×18;設定節(jié)點的通信半徑為656 m，選取網格中對角線的一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送UDP數據包，共發(fā)送500個數據包，包的大小為1 000 B，發(fā)送時間間隔為1 s.這里節(jié)點的物理層傳輸延遲模型采用Con-stantSpeedPropagationDelayModel，衰落模型選用Friis-PropagationLossModel，數據傳輸速率設置為1 Mb/s.增加網絡節(jié)點數，考察3種協議的端到端平均時延和包投遞率情況，如圖2和圖3所示。

由圖2可以看出，3種路由協議的平均時延隨節(jié)點規(guī)模的增大而增大，其中AODV和OLSR協議受到的影響較小，而DSDV的平均時延隨著節(jié)點規(guī)模的增大而急劇增大。圖3中AODV，OLSR的數據包投遞率隨節(jié)點數增大而不變，能保證百分百交付;而DSDV協議的投遞率在節(jié)點數增大到一定的規(guī)模后開始下降。以上特性說明在節(jié)點規(guī)模增大時，AODV和OLSR協議的性能要優(yōu)于DSDV.

3.2動態(tài)場景

仿真場景設置：在靜態(tài)場景的基礎上，為節(jié)點添加RandomWalk2dMobilityModel運動模型，該模型為每個節(jié)點隨機選擇一個方向，以設定的速度移動一段時間后再隨機選擇另一個方向繼續(xù)移動，直接到仿真結束。設定相同的隨機數種子以保證每次仿真中節(jié)點的運行軌跡一致。設定網格的邊長為300 m，節(jié)點的規(guī)模固定為7×7，即節(jié)點運動的區(qū)域限制在2 100 m×2 100 m的矩形內。仍考察對角線的一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送UDP數據包，每次仿真發(fā)送3 000個數據包。增加節(jié)點移動速度，考察三種協議的端到端平均時延和包投遞率情況，如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，3種路由協議的平均時延與節(jié)點的移動速度相關性不大，在速度較小時，3種路由協議的平均時延較穩(wěn)定，但在速度較大時，由于節(jié)點在矩形區(qū)域內做無規(guī)則的快速運動，數據包從源節(jié)點傳輸到目標節(jié)點的跳數不確定，所以平均時延變化具有一定隨機性。

而由圖5可以看出，隨著節(jié)點移動速度的增大，數據包的投遞率逐漸下降，AODV協議因其屬于按需路由而不需要頻繁地維護路由信息，所以在速度較大時較其他2種協議表現更好。

4結語

論文通過NS-3搭建了MANET路由仿真平臺，從端到端平均時延和投遞率角度分析比較了MANET三種路由協議。靜態(tài)場景中，節(jié)點數增加時，3種協議端到端平均時延均隨之增加，但AODV和OLSR增加不明顯，并且兩者的投遞率也幾乎不受網絡規(guī)模影響，相比之下，DSDV端到端時延和投遞率受網絡規(guī)模影響較明顯。動態(tài)場景中，節(jié)點移動速度增加，3種協議的投遞率都降低，而且總體上平均時延較小者，表現出更好的投遞率。