基于NS-3的MANET路由協(xié)議性能分析

0引言

隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如何在硬件條件不具備的情況下研究大規模網(wǎng)絡(luò )，如何快速設計。實(shí)現。分析新的協(xié)議和算法，如何比較新老系統和算法而不必花費巨資建立實(shí)際系統等問(wèn)題日益成為網(wǎng)絡(luò )研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，盛行的方式是通過(guò)計算機軟件對網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )拓撲。網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行模擬分析。采用這種網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )分層的概念。NS-2的內容比較龐雜，各模塊間的協(xié)同及耦合不便于系統擴展。為此，在廣泛汲取現有網(wǎng)絡(luò )模擬器的成功經(jīng)驗基礎上，美國華盛頓大學(xué)Thmos R. Henderson教授及其小組研發(fā)了一款極具特色的新型網(wǎng)絡(luò )仿真器——NS-3.相比其他網(wǎng)絡(luò )仿真工具，NS-3是一款開(kāi)源軟件，在多網(wǎng)卡處理和IP尋址策略方面表現出更好特性，同時(shí)，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(shí)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上，此外，研究者可根據自身需求進(jìn)行任意拓展。

1 MANET路由協(xié)議分析

移動(dòng)無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )(MANET)是一種無(wú)中心。自組織的分布式多跳網(wǎng)絡(luò )，MANET以其固有特點(diǎn)在某些特殊場(chǎng)景(如：救災。戰爭等)中得到了廣泛運用。路由協(xié)議的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能的優(yōu)劣。這里簡(jiǎn)要介紹MANET中應用比較廣泛的3種平面路由協(xié)議。DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector)是一種表驅動(dòng)路由協(xié)議，它是在傳統的距離矢量DV算法基礎上改進(jìn)設計的，同時(shí)也被稱(chēng)為消除環(huán)路的Bellman-Ford路由算法。DSDV算法中每個(gè)節點(diǎn)都維護一張到達全網(wǎng)可達目的節點(diǎn)的路由表。相比DV算法，DSDV最大的區別是路由中增加了目的系列號(Sequence Number)字段，通過(guò)序列號來(lái)區別新舊路由信息。節點(diǎn)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(lái)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(wǎng)節點(diǎn)要求周期性廣播路由包來(lái)進(jìn)行路由維護。AODV(Ad Hoc On-Demand Distance Vector)是一種源驅動(dòng)的路由協(xié)議，是DSR協(xié)議結合了DSDV中的按需路由機制設計出來(lái)的。節點(diǎn)在發(fā)送數據包時(shí)，首先查找自己路由表是否有到達目的節點(diǎn)的路由信息，若有，則直接按照路由信息發(fā)送;若沒(méi)有，則執行路由發(fā)現過(guò)程。節點(diǎn)廣播路由請求包RREQ給自己鄰居，鄰居收到RREQ包后查詢(xún)自己路由表是否有到達目的節點(diǎn)路由信息，若有或本身就是目的節點(diǎn)，則將路由信息添加到路由應答包RREP，并將其反饋給源節點(diǎn);若沒(méi)有，再將RREQ轉發(fā)給自己所有的鄰居。依次類(lèi)推，直到到達目的節點(diǎn)或中間節點(diǎn)存在到達目的節點(diǎn)的路由。

AODV協(xié)議通過(guò)定期廣播Hello分組來(lái)進(jìn)行路由維護，一旦發(fā)現了某條通信鏈路斷開(kāi)，節點(diǎn)就會(huì )在DE-LEte_PERIOD時(shí)間之后從路由表中刪除包含該斷開(kāi)鏈路的路由，并發(fā)送ERROR(路由錯誤)報文來(lái)通知那些因為鏈路斷開(kāi)而不可達的節點(diǎn)刪除相應的路由記錄或者對已經(jīng)存儲的路由信息進(jìn)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(xié)議，類(lèi)似其他表驅動(dòng)路由協(xié)議，節點(diǎn)需要周期性交互網(wǎng)絡(luò )路由信息。被鄰居節點(diǎn)選作中繼節點(diǎn)(Multi Point Telay，MPR)的節點(diǎn)周期性向網(wǎng)絡(luò )廣播控制信息分組，分組中包括將它選作MPR的那些節點(diǎn)的信息，以告訴網(wǎng)絡(luò )中其他節點(diǎn)與這些節點(diǎn)之間相連。而且，只有MPR節點(diǎn)才能夠作為路由節點(diǎn)，其他非MPR節點(diǎn)不參與路由計算，也不需轉播控制信息。OLSR協(xié)議中主要通過(guò)HELLO和TC(Topological Control)兩種控制消息來(lái)感知廣播拓撲。通過(guò)HELLO消息實(shí)現鏈路偵測。鄰居偵聽(tīng)，以此建立節點(diǎn)的本地鏈路信息表，同時(shí)用于向鄰居節點(diǎn)通告本節點(diǎn)的多點(diǎn)中繼MPR節點(diǎn)的選擇;TC消息負責執行MPR Selector鏈路狀態(tài)聲明，使得每個(gè)節點(diǎn)都能夠感知全網(wǎng)拓撲結構。最終，節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )架構主要由模擬器內核和網(wǎng)絡(luò )構件2部分組成，如圖1所示。其中模擬器內核包括時(shí)間調度器和網(wǎng)絡(luò )模擬支持系統，是NS-3最核心的部分。相比NS-2，NS-3仿真時(shí)間不僅支持Default Scheduler，而且還支持Realtime Scheduler.

NS-3的網(wǎng)絡(luò )模擬支持系統包括：Attribute系統。Logging系統和Tracing系統。由于廣泛汲取了其他網(wǎng)絡(luò )仿真工具的經(jīng)驗和技術(shù)，NS-3的內核在可量測性?？蓴U展性。模塊化。支持仿真與現實(shí)融合等方面具有極大優(yōu)勢。NS-3的網(wǎng)絡(luò )構件包括：節點(diǎn)(Node)。應用(Application)。協(xié)議棧(Protocol Stack)。網(wǎng)絡(luò )設備(Net Device)。信道(Channel)。拓撲生成器(Helper)等。網(wǎng)絡(luò )構件是對真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)部分的抽象，具有低耦合高內聚特點(diǎn)，NS-3通過(guò)低層次的抽象，使得仿真效果盡可能反映真實(shí)網(wǎng)絡(luò )的性能。

2.2 NS-3仿真流程

以下簡(jiǎn)單介紹NS-3代碼編寫(xiě)的特點(diǎn)及如何在NS-3中搭建一個(gè)完整仿真場(chǎng)景的過(guò)程。NS-3運行在Linux環(huán)境下，對Linux系統版本有要求且依賴(lài)較多系統組件，安裝過(guò)程較復雜。NS-3仿真器代碼核心部分全部使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，外部配置。編譯。執行使用了基于Python的waf系統，方便使用者配置仿真場(chǎng)景。NS-3完全模擬了TCP/IP的協(xié)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(gè)功能模塊，自帶的仿真例子沒(méi)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(xiě)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(chǎng)景遵循固定的流程，在編寫(xiě)C++代碼時(shí)一般可以分為以下幾個(gè)步驟：

(1)設置仿真場(chǎng)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(chǎn)生相同的隨機序列，設置隨機平面移動(dòng)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(chǎng)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 )建的節點(diǎn)個(gè)數，物理層使用的傳輸速率等，這些參數可以使用CommandLine類(lèi)來(lái)實(shí)現并解析，方便在仿真過(guò)程中使用外部腳本動(dòng)態(tài)改變這些參數。

(3)創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，然后按照TCP/IP協(xié)議，從下而上給網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)安裝協(xié)議棧。NS-3在實(shí)現中考慮到為了方便使用者，協(xié)議棧的每一層都實(shí)現了幫助類(lèi)(XXX-Helper)，使用者可以方便地使用這些幫助類(lèi)設定每一層參數。比如使用YansWifiPhyHelper設定物理層協(xié)議，使用YansWifiChannelHelper來(lái)設置傳輸信道類(lèi)型，使用NqosWifiMacHelper來(lái)設置數據鏈路層協(xié)議等。最后通過(guò)幫助類(lèi)給節點(diǎn)安裝路由協(xié)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(wǎng)絡(luò )層，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的通信功能。

(4)通信網(wǎng)絡(luò )搭建好后，需要編寫(xiě)實(shí)驗程序，即在節點(diǎn)之間的收發(fā)數據包的代碼，以達到測試底層協(xié)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(xié)議套(Socket)，同時(shí)把接收節點(diǎn)號。發(fā)送節點(diǎn)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)送節點(diǎn)連接到接收節點(diǎn)。為接收節點(diǎn)指定回調函數。

(5)完成節點(diǎn)之間如何發(fā)送數據包的代碼后，需要編寫(xiě)接收節點(diǎn)的回調函數，即在接收節點(diǎn)收到數據包后調用的函數?？梢栽诨卣{函數中對數據包的時(shí)延，投遞率進(jìn)行統計。

(6)使用Simulator：：Schedule函數設定調度事件即設定源節點(diǎn)的發(fā)送數據的開(kāi)始時(shí)間，發(fā)送間隔，發(fā)送數據包總數等。至此，整個(gè)場(chǎng)景部署完成。

3路由協(xié)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(xié)議進(jìn)行仿真，并在相同的仿真場(chǎng)景下比較其性能指標。分別在靜態(tài)場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，考察網(wǎng)絡(luò )規模。網(wǎng)絡(luò )拓撲變化對協(xié)議性能的影響。

3.1靜態(tài)場(chǎng)景

仿真場(chǎng)景設置：模擬器的隨機數種子設定為常數7，節點(diǎn)按網(wǎng)格分布，網(wǎng)格邊長(cháng)500 m，節點(diǎn)的規模從2×2，3×3逐漸增大到18×18;設定節點(diǎn)的通信半徑為656 m，選取網(wǎng)格中對角線(xiàn)的一個(gè)節點(diǎn)向另一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送UDP數據包，共發(fā)送500個(gè)數據包，包的大小為1 000 B，發(fā)送時(shí)間間隔為1 s.這里節點(diǎn)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(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數，考察3種協(xié)議的端到端平均時(shí)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(xié)議的平均時(shí)延隨節點(diǎn)規模的增大而增大，其中AODV和OLSR協(xié)議受到的影響較小，而DSDV的平均時(shí)延隨著(zhù)節點(diǎn)規模的增大而急劇增大。圖3中AODV，OLSR的數據包投遞率隨節點(diǎn)數增大而不變，能保證百分百交付;而DSDV協(xié)議的投遞率在節點(diǎn)數增大到一定的規模后開(kāi)始下降。以上特性說(shuō)明在節點(diǎn)規模增大時(shí)，AODV和OLSR協(xié)議的性能要優(yōu)于DSDV.

3.2動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

仿真場(chǎng)景設置：在靜態(tài)場(chǎng)景的基礎上，為節點(diǎn)添加RandomWalk2dMobilityModel運動(dòng)模型，該模型為每個(gè)節點(diǎn)隨機選擇一個(gè)方向，以設定的速度移動(dòng)一段時(shí)間后再隨機選擇另一個(gè)方向繼續移動(dòng)，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點(diǎn)的運行軌跡一致。設定網(wǎng)格的邊長(cháng)為300 m，節點(diǎn)的規模固定為7×7，即節點(diǎn)運動(dòng)的區域限制在2 100 m×2 100 m的矩形內。仍考察對角線(xiàn)的一個(gè)節點(diǎn)向另一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送UDP數據包，每次仿真發(fā)送3 000個(gè)數據包。增加節點(diǎn)移動(dòng)速度，考察三種協(xié)議的端到端平均時(shí)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(xié)議的平均時(shí)延與節點(diǎn)的移動(dòng)速度相關(guān)性不大，在速度較小時(shí)，3種路由協(xié)議的平均時(shí)延較穩定，但在速度較大時(shí)，由于節點(diǎn)在矩形區域內做無(wú)規則的快速運動(dòng)，數據包從源節點(diǎn)傳輸到目標節點(diǎn)的跳數不確定，所以平均時(shí)延變化具有一定隨機性。

而由圖5可以看出，隨著(zhù)節點(diǎn)移動(dòng)速度的增大，數據包的投遞率逐漸下降，AODV協(xié)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(shí)較其他2種協(xié)議表現更好。

4結語(yǔ)

論文通過(guò)NS-3搭建了MANET路由仿真平臺，從端到端平均時(shí)延和投遞率角度分析比較了MANET三種路由協(xié)議。靜態(tài)場(chǎng)景中，節點(diǎn)數增加時(shí)，3種協(xié)議端到端平均時(shí)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(wǎng)絡(luò )規模影響，相比之下，DSDV端到端時(shí)延和投遞率受網(wǎng)絡(luò )規模影響較明顯。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中，節點(diǎn)移動(dòng)速度增加，3種協(xié)議的投遞率都降低，而且總體上平均時(shí)延較小者，表現出更好的投遞率。