陳愛霞　杜友?！￡愔信e

摘要：基于NS2的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的仿真和改進文獻(xiàn)很多，但少有給出仿真實現(xiàn)的具體過程，讓一些入門階段的研究人員知其然而不知其如何然。該文以Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)典型路由協(xié)議AODV為例，介紹了AODV協(xié)議的基本原理，利用 NS2平臺對其仿真，并對產(chǎn)生的跟蹤文件進行性能分析，編寫腳本批處理分析文件生成結(jié)果數(shù)據(jù)，用gunplot對數(shù)據(jù)繪圖直觀展現(xiàn)。結(jié)果說明AODV路由協(xié)議對不同傳輸機制的數(shù)據(jù)流的支持差異是很明顯的，CBR流比TCP流的傳輸效率更高、網(wǎng)絡(luò)開銷更少。完整的OTcl場景腳本和參數(shù)設(shè)計給入門級網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究者提供了很好的參考。

關(guān)鍵詞：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)； NS2；AODV；仿真；性能分析

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）30-7021-04

NS2 Simulates Typical Routing Protocol of Ad Hoc Network and Analyze its Performance

CHEN Ai-xia， DU You-fu， CHEN Zhong-ju

（Computer Science College， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract： Though there were lots of papers referring to simulation and improving routing protocols for Ad hoc network based on NS2， few of them introduced the specific procedure of simulation. So it is difficult for researchers at the introductory level to know well. Here sets a case study of AODV， a typical protocol of Ad Hoc network. Firstly， brief the principles of ADOV protocol. Secondly， present its concrete simulation on NS2， analyze the result trace file， write a script to batch process analysis files for data.at last， and show plot data directly using gunplot. Results indicate that the difference is very obvious while AODV Routing Protocol supporting for data stream of different transport mechanisms. CBR stream transmission is more efficient than that of TCP and less network overhead. A set of OTcl scene scripts with parameters designed offers good references to elementary learner.

Key words： Ad Hoc network； NS2； AODV； Simulation； performance analysis

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是無線通信網(wǎng)絡(luò)的一種，但有別于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，不需要依賴有線網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施的基站或熱點，并且無線節(jié)點之間可以自由的通信[1]。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的顯著特點就是無中心、自組織、支持動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、移動終端的可攜便捷性、支持多跳路由等，它的出現(xiàn)真正實現(xiàn)任何環(huán)境任何時間的自由通信，并且為軍事領(lǐng)域、救災(zāi)環(huán)境提供有效的解決方案，成為當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)研究的主流[2]。路由協(xié)議作為移動自組網(wǎng)的核心技術(shù)之一，具有很高的研究價值。

NS2是面向?qū)ο?、離散事件驅(qū)動的一款開源的協(xié)議仿真軟件。NS2 使用兩種語言，C++和OTcl，底層具體協(xié)議模擬，高效處理字節(jié)、報頭等信息用C++編寫，NS2編譯執(zhí)行[3]，網(wǎng)絡(luò)組件和環(huán)境的具體參數(shù)設(shè)置，及整個模擬場景過程由OTcl腳本編寫，NS2解釋器解釋執(zhí)行。C++對象和OTcl對象互為影像對象，也就是NS2的分裂對象模型[3]。NS2可以在Windows/UNIX平臺上運行，且源碼公開，網(wǎng)絡(luò)的研究和擴展很便利，仿真結(jié)果網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域是一致認(rèn)可的[3]。

1 AODV介紹

AODV（Ad Hoc On-demand Distance Vector）是基于距離矢量算法按需路由的一種典型Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，結(jié)合了DSR和DSDV的特點，使用DSR中基于廣播的路由發(fā)現(xiàn)機制和采用DSDV的逐跳路由、序列號機制 [4]。其主要任務(wù)就是路由發(fā)現(xiàn)和路由維護。

路由發(fā)現(xiàn)：信源節(jié)點需發(fā)送一個數(shù)據(jù)包到信宿節(jié)點時，路由不知道或路由已經(jīng)過期，就會進行路由發(fā)現(xiàn)。信源節(jié)點首先向所有鄰居節(jié)點廣播路由請求RREQ（Route Request），請求報文中攜帶以下信息字段：<信源地址、信源序列號、廣播ID、信宿地址，信宿序列號，跳數(shù)計數(shù)器〉，<信源地址、廣播ID>唯一標(biāo)識一個路由請求。中間節(jié)點收到RREQ時進行判斷，如果信宿節(jié)點是自己或者是知道信宿節(jié)點的路由就會沿著反向路由進行路由答復(fù)RREP（Route Reply）；否則根據(jù)<信源地址、廣播ID>序列對判斷是否有重復(fù)收到，有就丟棄，沒有就記錄反向路由信息，并向鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該路由請求報文。在反向?qū)REP分組轉(zhuǎn)發(fā)給信源節(jié)點的過程中，中間節(jié)點又會建立到信宿節(jié)點的正向路由。反向路由可以有多條，正向路由只有一條[2][4]。并且路由表中的每條路由信息都和一個計時器有關(guān)，計時器結(jié)束時路由過期[5]。endprint

路由維護[6]：動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，讓已建立好的路由隨時可能失效，當(dāng)活動路由上某一個節(jié)點不可到達(dá)，其“上游節(jié)點”就會主動發(fā)送RERR（Router Error）包，并把信宿序列號設(shè)為最大，代表最新的路由，并把跳計數(shù)設(shè)為∞，立即廣播至所有鄰居節(jié)點，直到信源節(jié)點被通告到。如果需要，信源節(jié)點可以重新路由發(fā)現(xiàn)。

2 仿真AODV協(xié)議

對協(xié)議的仿真有兩種，一種是對NS2協(xié)議庫中自帶的協(xié)議進行仿真，這時不需要重新編譯，直接編寫OTcl構(gòu)造場景模擬；另外就是對現(xiàn)有協(xié)議改進、移植協(xié)議或編寫新的協(xié)議等都需要重新編譯NS，進行程序調(diào)試，協(xié)議運行成功了才能進行場景模擬。AODV協(xié)議在NS2協(xié)議庫中已經(jīng)存在，就從編寫場景和設(shè)置參數(shù)開始即可仿真。

2.1 實驗平臺和工具

OS：ubuntu12.04 （linux）

NS2：ns2.34版本

數(shù)據(jù)流生成工具：cbrgen

拓?fù)鋱鼍吧晒ぞ撸簊etdest

跟蹤文件.tr的分析：gawk

繪圖工具：gunplot

2.2 場景建立

OTcl編寫腳本文件（adov.tcl）[3]

1） 獲取從終端輸入的節(jié)點數(shù)

set opt（nn） 0 ；#設(shè)定節(jié)點變量

proc getopt {argc argv} { ；#定義一個對象過程，獲取命令行參數(shù)

global opt

set opt（nn） [lindex $argv 0] }

2） 設(shè)置無線節(jié)點的相關(guān)參數(shù)

路由協(xié)議采用AODV

3） 場景文件和業(yè)務(wù)文件

set opt（sc） "sc1" ；# 設(shè)置運動場景文件變量

set opt（cp） "cb1" ；# 設(shè)置業(yè)務(wù)場景變量

4） 建立模擬器對象和跟蹤文件（trace文件和nam文件）

set ns_ [new Simulator] ；# 建立一個模擬器對象

#在同目錄下建立Trace文件

set tracefd [open aodv.tr w]

$ns_ trace-all $tracefd

#采用新的Trace文件格式

$ns_ use-newtrace

#在同目錄下建立NAM文件

set namtracefd [open aodv.nam w]

$ns_ namtrace-all-wireless $namtracefd 500 500

5） 建立topology對象和god對象

set topo [new Topography]

$topo load_flatgrid 500 500

set god_ [new God] ；#god對象

getopt $argc $argv ；# 調(diào)用過程獲得命令行數(shù)據(jù)

create-god $opt（nn）

6） 進行無線節(jié)點配置

7） 建立無線節(jié)點

for {set i 0} {$i < $opt（nn） } { incr i } {

set node_（$i） [$ns_ node]

$node_（$i） random-motion 0 }

8） 引入節(jié)點的運動場景文件和對應(yīng)的業(yè)務(wù)文件

source $opt（sc） ；# 讀取場景文件

source $opt（cp） ；# 讀取業(yè)務(wù)文件

9） 定義仿真結(jié)束時間和結(jié)束過程

$ns_ at 200.002 "finish"

$ns_ at 200.003 "puts＼" NS exiting...＼"；$ns_ halt"

proc finish {} { ；#定義一個結(jié)束過程

；# 關(guān)閉Trace文件和nam文件

}

10） 執(zhí)行模擬：$ns_ run

表1

[$1＼&$3＼&$5＼&$7＼&$19＼&$41＼&s＼&3.367491543＼&1＼&2＼&AGT＼&74＼&事件＼&發(fā)生時間＼&源節(jié)點ID＼&下一節(jié)點ID＼&代理層＼&分組id號＼&]

2.3 Trace文件性能分析

運行NS 后生成aodv.tr和aodv.nam兩追蹤文件，.nam文件是動畫文件，可以用nam播放，.tr需要編寫程序（gawk語言）對其進行分析和統(tǒng)計，才能獲取所需的一些網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)（如傳輸時延、時延抖動、分組投遞率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、路由發(fā)現(xiàn)頻率等）[7]-[ 9]。該文使用gawk語言編寫性能分析程序，對AODV協(xié)議的分組投遞率、傳輸時延和路由發(fā)起頻率三種性能進行分析。截取了.tr文件中的一條記錄如下：

s -t 3.367491543 -Hs 1 -Hd -2 -Ni 1 -Nx 356.86 -Ny 29.08 -Nz 0.00 -Ne -1.000000 -Nl AGT -Nw — -Ma 0 -Md 0 -Ms 0 -Mt 0 -Is 1.0 -Id 2.0 -It tcp -Il 552 -If 0 -Ii 74 -Iv 32 -Pn tcp -Ps 45 -Pa 0 -Pf 0 -Po 2

每條記錄的字段數(shù)根據(jù)運動狀態(tài)會變化，一般表現(xiàn)在記錄后部以-P開頭的應(yīng)用層分組字段中，其前不變。endprint

1） 分組投遞率[1][3]：getratio.awk

分組投遞率是反映網(wǎng)絡(luò)性能一個很重要的參數(shù)，分組投遞率越高說明網(wǎng)路的丟包率越低，分組的成功到達(dá)率越高。

（分組投遞率）G=NRP/NSP

丟包率=1-G

NRP：接受到的總分組個數(shù)。

NSP：發(fā)送出的總分組個數(shù)。

2） 端到端平均時延[1][3]（delay.awk）

網(wǎng)絡(luò)傳輸時延D定義為源節(jié)點發(fā)送出一個分組到目的節(jié)點接受到該分組之間的時間差.

D（i）=Rt（i）-St（i）

D（i）為第i個分組的時延，Rt（i）為第i個分組接受的時間，St（i）為第i個分組發(fā)送的時間。單個分組的時延不具有代表性，在分析網(wǎng)絡(luò)時延時一般以平均時延來研究。

平均時延（[D]）=[1n（i=1nD（i））]

就是統(tǒng)計.tr文件中n個分組的平均傳輸時延。

3） 路由發(fā)起頻率[1][3]：frequence.awk

AODV是被動路由協(xié)議，當(dāng)發(fā)送分組時路由不存在或動態(tài)變化的拓?fù)鋵?dǎo)致先路由失效等都會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)請求。路由發(fā)起頻率就是在單位仿真時間內(nèi)，源節(jié)點路由發(fā)起的次數(shù)。

F=[源節(jié)點路由發(fā)起的次數(shù)仿真時間]

2.4 編寫shell腳本，自動生成結(jié)果數(shù)據(jù)

本文取用5種不同的節(jié)點數(shù)20個、30個、40個、50個和60個，并對數(shù)據(jù)流分別是TCP流和CBR流兩種情況來進行仿真實驗，由于場景文件是隨意生成的，應(yīng)在同樣的數(shù)據(jù)流下進行多次場景的測試，取平均值進行性能評價。每一輪節(jié)點數(shù)不同，都要再生成一次業(yè)務(wù)流文件和場景文件，修改OTcl腳本再模擬，再執(zhí)行g(shù)awk程序分析Trace文件，工作繁瑣又效率低。在此編寫一個shell腳本自動完成這個工作[3]，其nn是節(jié)點數(shù)目，作為命令行傳遞的參數(shù)。以下是shell文件get_perform：

#！ /bin/sh

for i in 20 30 40 50 60； do

ns /yourfile/ns-allinone-2.34/ns-2.34/indep-utils/cmu-scen-gen/cbrgen.tcl -type cbr -nn $i -seed 1 -mc 10 —rate 2 >cb1

（用cbrgen工具[3]創(chuàng)建以CBR為數(shù)據(jù)源，i個移動節(jié)點、10對通信連接、發(fā)送速率為0.5的業(yè)務(wù)場景文件cb1）

/yourfile/ns-allinone-2.34/ns-2.34/indep-utils/cmu-scen-gen/setdest/./setdest -n $i -p 0 -M 20.0 -t 200 -x 500 -y 500 >sc1

（用setdest工具[3]創(chuàng)建i個節(jié)點、在長500米，寬500米的范圍，節(jié)點到每個地點不停留并以最大移動速度20m/s運動，仿真時間200秒的移動場景文件sc1。）

ns aodv.tcl $i

gawk -f delay.awk nn=$i aodv.tr >>delay1

gawk -f frequence.awk nn=$i aodv.tr >> frequence1

gawk -f getratio.awk nn=$i aodv.tr >>getratio1

done

在終端給予get_perform可執(zhí)行權(quán)限chmod +x get_perform，執(zhí)行g(shù)et_perform

./get_perform

以上是對CBR流的仿真，生成了delay1、frequence1、getratio1三個數(shù)據(jù)文件，多次執(zhí)行腳本get_perfrom，三個數(shù)據(jù)文件內(nèi)容不斷增加，得到多組數(shù)據(jù)，對結(jié)果取平均值。TCP流的仿真，把類型改為tcp，如下

cbrgen.tcl -type tcp -nn $i -seed 1 -mc 10，修改三個數(shù)據(jù)輸出文件名，其它如上。

2.5 gunplot繪圖

對上述shell執(zhí)行的結(jié)果，用gunplot進行繪圖[3]。

set multiplot

set size 0.5，0.5

set xlabel "節(jié)點個數(shù)"

set origin 0.0，0.0

set ylabel "端到端平均時延（s）"

plot "delay1" w lp pt 10 title "cbr" ， "delay2" w lp pt 6 title "tcp"

set origin 0.0，0.5

set ylabel "分組投遞率（%）"

plot "getratio1" w lp pt 10 title "cbr" ， "getratio2" w lp pt 6 title "tcp"

set origin 0.5，0.5

set ylabel "路由發(fā)起頻率（次/s）"

plot "frequence1" w lp pt 10 title "cbr" ， "frequence2" w lp pt 6 title "tcp"

繪圖的數(shù)據(jù)來源文件都是最后求平均得到的數(shù)據(jù)文件，如delay1，delay2等。得到圖表如下：

圖1 分組投遞率仿真圖

圖2 端到端平均時延仿真圖

圖3 路由發(fā)起頻率仿真圖 （下轉(zhuǎn)第7031頁）

（上接第7024頁）

通過三組數(shù)據(jù)對比，AODV對于CBR數(shù)據(jù)流的支持性相對TCP流的支持性更好，同樣的節(jié)點數(shù)前者的分組投遞成功率更高（圖1） ，端到端平均時延更?。▓D2） ，路由的發(fā)起頻率也要低很多（圖3） 。TCP流對應(yīng)的是在TCP連接上建立的FTP流，TCP是面向連接的傳輸控制協(xié)議，提供超時重發(fā)、丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、流量控制等功能；CBR流是在UDP連接上建立的CBR流，UDP 提供了無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，不對數(shù)據(jù)分組進行檢查與修改，無須等待對方的應(yīng)答； UDP的結(jié)構(gòu)及傳輸機制比TCP的簡單，因此網(wǎng)絡(luò)開銷也小。

3 結(jié)束語

不同的數(shù)據(jù)流在變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，AODV協(xié)議對哪種數(shù)據(jù)流支持性會更好些，在本章只做了個簡單對比。對其他參數(shù)如節(jié)點停留時間、發(fā)送分組速率、節(jié)點最大運動速率、以及場景大小等參數(shù)的研究提供了很好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬崇霄.吳長奇.基于網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真[J].電子測量技術(shù)，2008（5）.

[2] 廖登.基于NS2的移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)典型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較[J].邵陽學(xué)院學(xué)報，2005（9）.

[3] 黃花吉，馮穗力，等.NS網(wǎng)絡(luò)模擬和協(xié)議仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010（5） .

[4] 王曉宇，肖宇.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真及性能分析[J].網(wǎng)絡(luò)地帶，2013.

[8] 張菡.基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的AODV路由協(xié)議的研究與改進[J].無線互聯(lián)科技，2014（4）.

[9] 藺紹良，龍海南.基于穩(wěn)定性的AODV路由協(xié)議研究與仿真[J].微型機與應(yīng)用，2013（20）

[7] 張旭.無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由算法及相關(guān)技術(shù)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2013.

[8] 曹潔，張華隆.城市車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)下改進的AODV協(xié)議[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2013（12）.

[9] 柯志享，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真試驗-多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

圖1 分組投遞率仿真圖

圖2 端到端平均時延仿真圖

圖3 路由發(fā)起頻率仿真圖 （下轉(zhuǎn)第7031頁）

（上接第7024頁）

通過三組數(shù)據(jù)對比，AODV對于CBR數(shù)據(jù)流的支持性相對TCP流的支持性更好，同樣的節(jié)點數(shù)前者的分組投遞成功率更高（圖1） ，端到端平均時延更?。▓D2） ，路由的發(fā)起頻率也要低很多（圖3） 。TCP流對應(yīng)的是在TCP連接上建立的FTP流，TCP是面向連接的傳輸控制協(xié)議，提供超時重發(fā)、丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、流量控制等功能；CBR流是在UDP連接上建立的CBR流，UDP 提供了無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，不對數(shù)據(jù)分組進行檢查與修改，無須等待對方的應(yīng)答； UDP的結(jié)構(gòu)及傳輸機制比TCP的簡單，因此網(wǎng)絡(luò)開銷也小。

3 結(jié)束語

不同的數(shù)據(jù)流在變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，AODV協(xié)議對哪種數(shù)據(jù)流支持性會更好些，在本章只做了個簡單對比。對其他參數(shù)如節(jié)點停留時間、發(fā)送分組速率、節(jié)點最大運動速率、以及場景大小等參數(shù)的研究提供了很好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 廖登.基于NS2的移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)典型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較[J].邵陽學(xué)院學(xué)報，2005（9）.

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[8] 曹潔，張華隆.城市車載Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)下改進的AODV協(xié)議[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2013（12）.

[9] 柯志享，程榮祥，鄧德雋.NS2仿真試驗-多媒體和無線網(wǎng)絡(luò)通信[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

圖1 分組投遞率仿真圖

圖2 端到端平均時延仿真圖

圖3 路由發(fā)起頻率仿真圖 （下轉(zhuǎn)第7031頁）

（上接第7024頁）

通過三組數(shù)據(jù)對比，AODV對于CBR數(shù)據(jù)流的支持性相對TCP流的支持性更好，同樣的節(jié)點數(shù)前者的分組投遞成功率更高（圖1） ，端到端平均時延更?。▓D2） ，路由的發(fā)起頻率也要低很多（圖3） 。TCP流對應(yīng)的是在TCP連接上建立的FTP流，TCP是面向連接的傳輸控制協(xié)議，提供超時重發(fā)、丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、流量控制等功能；CBR流是在UDP連接上建立的CBR流，UDP 提供了無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，不對數(shù)據(jù)分組進行檢查與修改，無須等待對方的應(yīng)答； UDP的結(jié)構(gòu)及傳輸機制比TCP的簡單，因此網(wǎng)絡(luò)開銷也小。

3 結(jié)束語

不同的數(shù)據(jù)流在變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，AODV協(xié)議對哪種數(shù)據(jù)流支持性會更好些，在本章只做了個簡單對比。對其他參數(shù)如節(jié)點停留時間、發(fā)送分組速率、節(jié)點最大運動速率、以及場景大小等參數(shù)的研究提供了很好的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 黃花吉，馮穗力，等.NS網(wǎng)絡(luò)模擬和協(xié)議仿真[M].北京：人民郵電出版社，2010（5） .

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