基于NS-2的Ad Hoc网络路由协议模拟
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说明：
摘 要
无线网络在支持移动性方面发展迅速。按是否具有基础设施可以把无线移动网络分为两大类:一类是具有基础设施的移动网络；另一类为没有基础设施的移动网络。无线自组网(Ad Hoc)就是一种没有基础设施的无线移动自组互联网络。由于它具有灵活机动、组网迅速的特点，在军用民用通信领域、商业应用环境和办公及家庭娱乐等各个方面具有广泛应用前景。无线移动自组网(Ad Hoc)是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳、临时、无中心网络，可以在任何时候，任何地点快速构建起来的移动通信网络，并且不需要现有基础网络设施的支持，网络中的每个节点可以自由移动，地位相等。
本文在windows环境下，主要介绍了基于NS-2网络模拟器的Ad Hoc网络路由协议的模拟实现。首先对协议模拟软件NS-2进行了介绍，接着对现有的Ad Hoc网络的路由协议进行了说明，最后对NS-2的方法及工作流程进行了解释，并在此基础上针对不同网络模式、不同移动场景和不同的传输负载对表驱动路由协议，按需驱动路由协议进行了模拟。对模拟结果自己编写了处理程序，借助threshold、gnuplot工具对影响网络路由协议的数据报文投递率、数据报文端到端延时、路由负荷三个参数指标进行绘图、分析。结果表明对实时性要求较高的场合适宜使用表驱动协议，而对数据质量和网络带宽有严格要求的场合应使用按需驱动路由协议。
本文在模拟过程中，考虑到实际生活中网络环境复杂多变，终端众多。如果单纯依靠几个节点的试验很难真正反映在各种网络环境下性能参数的真实变化，所以分别使用10个节点和100个节点进行模拟试验，并在相同的模拟场景下对各性能指标进行比较。此外，在对本文脚本程序的基础上稍加改动就可以对其它网络路由协议进行模拟测试，并可在此基础上利用c++等工具进行新协议的编写。
关键词：无线自组网；表驱动路由协议；按需驱动路由协议；NS-2
Routing Protocol Simulation for Ad Hoc Based on NS-2
Abstract
Mobilility get better and better support by wireless network, which can be classifed into 2 categories in terms of infrastructure: one is network with infrastructure such as WLAN; the other is wireless network without infrastructure. For instance, Ad-Hoc, a self-build wireless network without infrastructure, due highly flexibility and ease of setting up, Ad-Hoc has broad application perspective in military or commercial telecommunication, business or office application environment and family entertainment etc. Wireless Ad Hoc networks composed of mobile terminal nodes with wireless communication device are typically characterized by their mufti-hop, temporary and un-center, can be quickly built up in anywhere and at anytime, needn''t be supported by basic network devices which have been constructed, and every terminal can move freely and equally.
This paper environment in Windows , mainly discusses the routing protocol simulation implementaion in ad hoc networks based on ns2, first some current routing protocols for ad hoc networks are introduced. Then ns2 is introduced Finally some protocol simulation methods of ns2 are introduced, based on ns-2, And on the basis of this model for different networks, different scenes and different mobile transmission load on the table-driven routing agreement, a demand-driven routing agreement simulation. Awk simulation results prepared to deal with their own procedures by Status, gnuplot tool to influence network routing agreement on packet delivery fraction、average delay、routing expense in end-lapse, three parameters routing load indicators mapping, analysis. The results showed a higher demand for real-time table-driven agreement to use appropriate occasions, and on the quality of data and network bandwidth requirements occasions should be used with strict demand-driven routing agreement.
In the course of this simulation, taking into account real life network environment is complex and ever-changing, many terminals. If the pilot simply rely on a few nodes of the network environment is truly reflected in the performance parameters of the real changes, the difference between using 10 nodes and 100 nodes for simulations and modelling scene in the same indicators of personality can compare. In addition, the basis for this script procedures can be modified for other network routing simulations agreement, and on this basis the use of tools such as a new agreement c++ prepared.
Key words: Ad hoc；Table Driven routing protocol；On Demand routing protocol；NS-2
1 绪论
1.1 无线自组网
1.1.1 Ad Hoc网络的定义
近几年来无线网络通信得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理来实现移动中的通信。目前的移动通信大多需要有线基础设施(如基站)的支持才能实现。为了能够在没有固定基站的地方进行通信，一种新的网络技术——Ad Hoc网络技术应运而生。
Ad Hoc的意思是“For the specific purpose only”引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思，Ad hoc网络是一种有特殊用途的网络。Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。Ad hoc网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad hoc网络中，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网（Multi-hop Wireless Network）、自组织网络或对等网络。Ad hoc网络由一组带有无线通信收发装置的移动终端组成是一个多跳的临时性的无中心网络，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础设施的支持，网络中的每个终端可以自由移动、地位平等。同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。
根据节点是否移动，可将无线自组网分为无线传感器网络（简称传感网络）和无线移动自组网（简称移动自组网）。在移动自组中，各个无线节点都可以自由移动。本文后续内容若不特别声明，Ad Hoc均指无线移动自组网。
1.1.2 Ad Hoc网络的历史
Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio Network）。早在1972年，美国国防部高级研究规划署就资助了一项特别的研究——分组无线网络，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。即让报文交换技术在不受固定或有线的基础设施限制的环境下运行。最初的动机之一就是满足战场生存的军事需求。在战场恶劣的环境下，通信设备不可能依赖已经铺设的通信基础设施，一方面这些设施可能根本不存在，另一方面，这些设施会随时遭到破坏。因此，能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本要素。在此之后，高级研究规划署于1983年启动了高残存性自适应网络项目SURAN（Survivable Adaptive Network），研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络，这标志着无线自组网发展阶段的到来。该项目研究范围几乎覆盖了无线通信的所有相关领域，其中的无线自适应移动信息系统在PRNET基础上，采用大量新技术，是一种在多跳、移动环境下支持实时多媒体业务的高速分组网络无线网。
摘 要I
AbstractII
1 绪论1
1.1 无线自组网1
1.1.1 Ad Hoc网络的定义1
1.1.2 Ad Hoc网络的历史1
1.1.3 Ad Hoc网络的结构2
1.1.4 Ad hoc网络的特点2
1.1.5 Ad hoc网络的应用3
1.2 常用无线通信系统4
1.2.1 蜂窝系统4
1.2.2 集群系统4
1.2.3 卫星通信系统5
1.2.4 Ad hoc网络与移动通信系统比较5
1.3 Ad hoc网络的研究5
1.3.1 Ad hoc网络的问题5
1.3.2 Ad hoc网络的研究方向6
1.4课题来源与内容7
2 无线自组网路由协议9
2.1 Ad Hoc与无线通信的路由差别9
2.1.1 无线路由功能9
2.1.2传统通信系统9
2.1.3无线自组网9
2.2 无线自组网网络协议9
2.3 表驱动路由协议（Table Driven）10
2.4 按需路由协议 (On Demand)11
2.4.1 DSR协议12
2.4.2 AODV协议13
2.4.3 AODV与DSR的比较14
2.5 混合路由协议(ZRP)15
2.6 Ad Hoc网络的展望16
3 NS-2与网络模拟18
3.1模拟和仿真18
3.1.1 概念18
3.1.2 通信网络模拟18
3.2 NS-2模拟软件19
3.2.1 NS2简介19
3.2.2 NS-2目录结构20
3.3.3 NS-2工具介绍20
4 基于NS-2的程序设计22
4.1 模拟平台22
4.2 移动场景建立22
4.3 传输负载生成22
4.4 TCL仿真脚本编写23
4.5 程序运行27
5 模拟结果收集28
5.1 Trace样式28
5.2 NAM样式29
6 模拟结果处理32
6.1 GAWK概述32
6.2 SHELL 概述32
7 模拟结果分析34
7.1 分析工具34
7.2 性能指标35
7.3 无线覆盖范围变化36
7.3.1 10个节点模拟36
7.3.2 100个节点模拟37
7.3.3 结果分析39
7.4数据报文投递率的比较39
7.4.1 节点低速运动39
7.4.2 节点高速移动41
7.4.3 结果分析41
7.5 数据报文端到端的平均延时比较42
7.5.1 节点低速移动42
7.5.2 节点高速移动44
7.5.3 结果分析44
7.6 路由负荷比较45
7.6.1 节点低速移动45
7.6.2 节点高速移动47
7.6.3 结果分析47
结 论49
参 考 文 献50
致 谢52
大连理工大学学位论文版权使用授权书53
参考文献：
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作者点评：
本文是在windows环境下，在NS-2模拟平台上，通过编写Tcl仿真脚本对表驱动路由协议（DSDV）、按需驱动路由协议（DSR、AODV）进行网络模拟，并对生成的Trace文件进行处理，针对几个重要的路由参数（数据报文投递率、数据报文端到端延时、路由负荷）分别在无线功率变化，节点运动速度变化以及传输负载变化时的反应进行了比较分析，同时绘制了各参数在场景变化时动态曲线。经过计算分析得出以下结果：网络阈值增大可以提高数据报文投递率，并明显降低数据报文端到端延时。表驱动路由协议端到端延时好于按需驱动路由协议端到端延时。而按需驱动路由协议在数据报文投递率和路由负荷方面好于表驱动路由协议。
由此我们可以得出结论，没有一种路由协议是“万能”的，各协议在不同的网络环境中各有优势，在对网络延时要求较高的环境下一般要选用表驱动路由协议，而那些对数据包完整性和带宽要求严格的场合就应尽量选择按需驱动路由协议。
本文考虑到实际生活中网络环境变化复杂，通讯终端变化频繁，所以在模拟中分别采用10节点和100节点进行路由协议的横向比较，测试结果符合理论分析。在本文进行模拟的基础上我建议可以在以下两个方面进行深入分析。
（1）可以参照本文给出的Tcl、Awk程序对其它路由协议进行测试、比较，并根据得到trace文件进行图形绘制。
（2）基于本文进行路由协议模拟的基础上可以通过对待修改协议代码进行改进，然后利用C++建立新的协议。
无线移动自组网的发展受到很多技术和非技术因素的影响和制约，并且它的发展还会伴随着大量新技术的产生。其网络设计存在多种折衷方案，只有较好的解决这些问题，无线自组网才能顺利发展，也只有这样才能充分发挥它的潜能。