基于NS2的AODV路由仿真与设计.docx
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基于NS2的AODV路由仿真与设计
摘要
近几年来随着移动用户的持续增长，Adhoc网络越来越多的受到人们的关Adhoc网络具有自组织，多跳，无中心特性。
具有无线通讯设备的自治节点不需要固定的设备就能组网。
网络中的每个节点既可以是主机也可以是路由器。
Adhoc网络的拓扑结构是不断变化的，同时移动节点有能量和传播范围等限制。
传统的路由协议已无法满足它的要求。
更适合移动节点特性的路由协议不断的被讨论。
研究AODV路由协议的基本原理，包括协议帧的类型，协议的路由建立过程和维护操作。
并研究了现实环境中实现协议所需做的改进。
然后研究了IETF在研究Adhoc网络时所使用的AODV协议在Linux下的协议实现。
本文重点分析AODV的软件模块和包处理方式。
接着研究网络模拟器ns-2无线模拟核心移动节点的配置，模拟场景的设置，以及模拟输出trace文件的格式分析。
最后用ns-2对AODV分别从分组投递率，端到端的平均延迟和路由开销这三方面进行了对比性能分析，通过结果可以看出AODV的性能如何。
关键词:
Adhoc网络；AODV；ns-2仿真
Abstract
duringrecentyears,withthemobilityofuserscontinuestoincrease,mobileAdhocNetworkhasbeinggainedtnaxeanumoxeattention.Adhocnetworkisself-built,multi-hop,distributed.Autonomousnodeswithwirelesscommunicationequipmentformanetworkwithoutanypre-existinginfrastructure.eachnodeinAdhocnetworkcanbeusedasroutcraswellasanode.Adhocnetworktopologyisconstantlychanging.Traditionalrootingprotocolshavebeenunabletomeetitsrequirements.RoutingpxatacalwhichismoresuitableforCharacteristicsofmobilenodecontinuouslybeendiscussed,themostpopularoneisan-demandroutingprotocol.TheFollornrmgarethemaincontentsofthispaper.
ThebasicprinciplesofAODVisintraduredInthisthesisfustly,includingthetypeofprotocolrnessage,theprocessofestablishingandtheoperationofmaintenanceandtherecluirernenEofimprovementinreal-worldenvironanenttvimplementtheprotocol.AODVisaLinuximplementationprotocol.PublicThesoftwaremodulesdivideintonon-kernelandkennel-related.Similarly,packetsdivideintocontrolpacketsariddatapackets.Mobilenodewhichisthecurepartofnetworksimulatorns-2inwirelesssimulationispresentedthen.Followedbysimulationscenariosettingsandtheformatanalyseoftracefile.Finallyusingns-2toseparatelysimulateAODVfrompacketdeliveryrate,averageendtoenddelayandrouteoverhead,andcorrcludethatAODV.
Keywords:
Adhocnetwork;AODV;ns-2simntatian
1引言
1.1综述
1.1.1Adhoc网络的产生背景
随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的需要增强。
近些年来，移动通信技术得到了飞速发展和普及。
蜂窝移动通信系统、无线局域网、蓝牙技术、家庭无线网等移动通信新技术也不断涌现。
这些技术的出现，极大地方便了人们的生活，同时也不断推动无线通信技术的发展。
移动节点联机组成Adhoc网络的想法是在DARPA研究无线分组网络时提出来的。
近期由于免授权和便携式电脑用户可以彼此使用无线通讯设备交流而更受关注。
Adhoc网络是由多个装备有无线通讯和具有网络功能的移动节点组成的。
每个节点既可以做为移动主机也可以做为路由器使用。
术语“Adhoc”指的就是根据手头上的任务按不同的形式组织的网络。
也即指Adhoc网络的高适应性。
Adhoc网络最大的特性是它不依靠任何己有的网络设施，当节点彼此靠的足够近的时候，节点之间就可以按照需要组网。
这就消除了对像路由器和基站等固定不动的网络组件以及布线和中央管理的需求。
Adhoc网络中的节点要依靠其他节点来转发网络通信。
所以Adhoc网络的功能和作用很大程度上依赖参与转发的节点特征.从只提供参与节点的连接来而不提供到额外网络如因特网的连接来看，Adhoc网络通常是自治的。
理论上，多连接节点做为网络中的网关没有任何问题。
Adhoc网络的另外一个重要特性是它的动态拓扑。
由于拓扑结构频繁变动，以及节点周围环境的变化，选择节点的路由协议需要特别考虑.传统路由协议如OSPF和RFP不能够有效适应这种动态拓扑。
因此，需要针对Adhac网络的特定路由协议。
1.1.2Adhoc网络研究的发展
Adhoc网络源自于军事行动对可移动性和可抗毁性的需求，最早出现在70年代美国高级防御计划署研究项目中，应用于美军的高频特混编队系统、联合战术信息分布系统和其他军事指挥系统之中。
受到无线通信技术和网络技术的制约，早期Adhoc网络的应用研究仅限于军事领域，进展缓慢，一度停滞不前。
九十年代后期，移动通信、软件无线电、Internet等技术的蓬勃发展，微处理器计算能力的不断提高、无线设备成本的降低，使人们燃起了摆脱有线网络束缚的愿望，无线网络技术重新成为研究的大热点。
到目前为止，除了卫星通信外，无线移动网络体系的研究大体主要集中在无线域网（WLAN）、蜂窝式数字分组数据网（CDPD）、蓝牙技术（BlueTeeth）和移动Adhoc网络四个领域。
Adhoc网络是早期PRNET的延伸。
它是由具有无线通信能力的移动主机组成，由于无线传播范围限制，一台主机可能会需要借助其他主机的帮助将信息传送到目的地。
这里的移动主机可以看作是一般意义上的主机和路由器的合一，它可仅是一部带有无线数传装置的个人计算机，也可以是汽车、轮船所载的设备，其范围远远超出WLAN和蓝牙技术。
与CDPD相比较，它将移动性扩展到了自治领域。
多个Adhoc网络按照一定的方式组合在一起，就形成了具有良好的重组能力、可快速部署、适应动态环境等。
Adhoc网络技术已经越发的引起各国军事、商业和学术性研究机构的兴趣。
早在1994年，DAPRA启动了全球移动信息系统GloMo（GlobalMobileInformationSystems）项目，旨在对能够满足军事应用需要的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。
成立于1991年的IEEE802.11标准委员会采用了“Adhoc网络”来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Adhoc网络就此诞生。
1.1.3Adhoc网络的定义
Adhoc网络是一种特定的无线网络，由一组无线节点或终端相互合作而形成，独立于固定的基础设施并采用分布式管理，是一种自建立、自组织和自管理的网络。
Adhoc网络中没有固定的接入点，节点间的连接取决于节点间的距离和结合的自发性。
由于终端的无线覆盖范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端必须借助于其他节点进行分组转发。
这种多跳性是Adhoc网络区别于其他无线网络的最主要的特征。
在Adhoc网络中，网络节点间的距离定义了网络的边界。
两个或多个移动节点在一定范围内的分布就可以定义一个新的网络。
如果节点不是移动的，这时Adhoc网络就等同于局域网LAN。
节点的移动性引起节点间距离的变化，使网络具有自组织特性，因此Adhoc网络又叫做自组织网络。
Adhoc网络可以在任何时刻任何地方构建形成一个自由移动的通信网络，而不需要现有的通信基础网络设施的支持。
所有节点兼备主机和路由器的功能。
一方面，节点作为主机，运行相关的应用程序;另一方面，节点作为路由器，需要运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分组需要进行分组转发。
1.1.4Adhoc网络的特点
如图1.1所示为一个典型的移动Adhoc网络结构，Adhoc网络具有以下特征。
图1.1典型的移动Adhoc网络结构
1、多跳
由于无线通信距离受限.Adhoc网内节点间的通信往往需要借助其他竹点中继转发刁能实现，这样就形成了多跳通信路径。
2、网络的动态拓扑
Adhoc网络中的节点之间的相互连通性构成了网络的拓扑结构。
由于网内的节点可以以比较随意的速度和方式移动，加上发射功率的变化，以及无线信道的干扰大小频繁等因素.节点间通过无线通信形成的网络拓扑结构可能随时发生变化，而月变化的方式和速度都是难以预测的。
3、分布式控制
移动Adhoc网络没有预设的基础没施，也没有预设的中心控制节点，所以只能采用分布式控制的方式来完成。
4、对等性
在移动Adhoc网络中，一般每个节点都相同，无主从之分，所以，侮个节点应当能够支持逻辑上的自发自收，也就是节点之间的来去双向链路都相I司。
5、临时性
当几个Adhoc网络的节点聚集到一起时，它们就会临时性地组成一个无线通信网络.无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。
6、自组织性
移动Adhoc网络不依赖于基站等基础设施的支持，可以在任何时刻、任何地点构成网络，以实现移动节点的信息交互。
7、链路带宽受限
移动Adhoc网络采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传输技术相比.具有较低的传输带宽。
8、信道的单向性
移动Adhoc网络的一对节点之间可能存在单向信道。
9、能量受限
移动Adhoc网络内的移动节点一般需要依靠能量有限的电池提供能量。
10、有限的安全性
移动Adhoc网络山于采用分布式控制、无中心、临时组织等原因，它比一般的无线网络史易受到安全方而的威胁。
由于移动Adhoc网络的无中心、自组织、可快速展开、可移动等特点，所以自移动Adhoc网络提出起，己在很多场合受到越来越多的重视。
1.1.5与传统网络相比较
传统网络或多或少由固定设施组成，节点、路由器、交换机、网关、网桥、基站和其他网络设备都是有线连接。
这些网络的主要特点就是他们的拓扑结构基本是固定不变的。
任何重新构造网络或者添加网络设备都需要物理层参与。
此外，网络的管理通常是中心化的。
因为许多节点依靠中心提供存储、一访问和处理数据的服务。
一般的无线网络和某些Adhoc网络可以解决这个问题，通过使用无线通讯来代替固定电缆解决了电缆的配置和因此而造成的停机。
理想情况下，Adhoc网络和传统有线网络相比可以实质上的无障碍安装和操作。
同样，因为Adhoc网络由节点自身构成，网络拓扑结构可能频繁变化，中心化管理也不像传统网络那样常见。
在传统网络中，地址和其他网络参数或者是手动分配或者是交由特定的协议如DHC处理。
网络接口的硬件地址可以用地址定位实体检查，并可以指派IP地址到节点。
在Adhoc网络中，因为没有明显中心管理来负责地址的处理，所以编址问题变得更加复杂。
此外，由于节点的移动性，不能保证完全根据节点的地理位置编址。
在传统网络中，路由依靠特定的路由器，可以是专门的基于硬件的路由器，或者是装备几个网络接p并配备软件来实现实际路由的计算机。
在Adhoc网络中，路由靠参与的节点自身实现.每个节点都有转发其他节点通信的能力。
这使得通信通过多跳传送成为可能。
不像传统网络中的固定路由器，Adhoc网络节点不需要配备多个网络接口，因为所有通讯通常都是通过单无线信道传输的。
另外一个区别是在Adhoc网络中没有划分子网的假设，而是使用平面编址结构。
在传统网络中，路由表通常包括网络前缀以及网络接口标识符。
1.2Adhoc网络存在的问题
由于移动无线Adhoc网络使用无线介质进行数据传输，访问介质必须控制以防止节点试图同时传输数据，MAC协议如802.11提供这种控制。
无线网络中一个著名的问题是隐藏终端问题.当在各自无线电范围之外的两个节点，同时试图向在它们无线电范围之内的中间节点传送数据时发生。
没有节点意识到另外节点的发送，从而在中间节点处发生冲突。
为了避免这个问题，可以使用握手协议，如RTS/CTS握手协议。
试图发送数据的节点发送RTS帧到接收节点请求获得发送许可，接收节点然后回复CTS帧授权这个请求。
CTS帧可以被所有在接受节点无线电范围之内的节点收到，指示它们不要使用这个无线介质。
然后请求的节点可以发送数据到接收节点。
另外一个问题是暴露节点问题。
当一个节点收到其他节点的传送从而限制发送任何数据，即使这个通讯因为节点的无线电范围限制不会发生冲突。
很明显，暴露节点问题带来无线介质的次优化利用。
一些提议的解决方案是使用定向天线或者是分别为控制和数据设置信道，为了平衡节点间的传输能力，减少接口的同时可以节省节点能量。
另一个研究领域是为节点分配独一无二的标识符问题。
需要分配多大的地址空间不是很显而易见的，因为事实上节点网络可以变成很大并且节点的移动可能非常快。
可能的解决方案是节点随机选择它们自己的IP地址，并使用ARP将网络硬件地址转换成IP地址，反之亦然。
通过侦听来自其他节点的ARC通信来检测地址冲突，确定任何尝试使用已经被占的IP地址。
因为任何想单播发送数据包的节点都需要分配唯一的地址，所以地址分配在当今的Adhoc网络中仍然是一个主要的问题。
在Adhoc网络中，网络安全也是很重要的问题。
靠未知中间节点转发敏感数据是很不合适的甚至是致命的。
需要采取对策来防止敏感数据在Adhoc网络中曝光。
可以是使用传统的封装。
尽管如此，因为缺乏阿络设施和当局的信任，钥交换技术和公用密钥体系应用Adhoc网络中会比较困难。
网络安全同样包括处理Adhoc网络中的DOS攻击或者欺诈攻击。
2Adhoc网络技术简介
2.1Adhoc网络的体系结构与各层研究热点
根据移动Adhoc网络的特点，参照OSI的标准一七层协议栈模型，可以将Adhoc网络的协议栈划分为五层。
各协议层的名称与功能概述如图所示。
与有线网络相比，移动Adhoc网络的工作环境有诸多不同，因此所选技术也有较大差异，这主要体现在协议栈的低三层。
下面就简单研究一下移动Adhoc网络协议找各层的功能、设计考虑以及研究现状。
表2.1Adhoc网络协议栈
位置
内容
应用层
传输层
网络层
物理层
应用服务
传输服务
分组转发和路由
无线信道
2.1.1物理层
移动Adhoc网络物理层主要提供无线传输能力、完成无线信号编码译码、发送和接收工作。
物理层的设计口标是以相对较低的能量消耗，克服无线媒体的传输损伤，以获得较大的链路容量。
物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标准，包括IEEE802.11系列、蓝牙（Bluetooth）和HiperLAN等标准所定义的物理层。
当前研究的重点有软件无线电和超宽带无线电技术。
软件无线电技术可把多波段天线、射频变换、宽带数模变换、中频处理、模数变换、基带处理和信号处理等组合在一起，灵活地进行软件处理，形成可编程的、模块化的无线电系统。
其目标是在全波段内根据环境设置参数，在多个频段上进行通信。
超宽带无线电技术是一种先进的无线通信技术，可提供低耗能、超宽带及相对简捷的通信技术。
它解决了困扰无线技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用。
2.1.2数据链路层
数据链路层解决的主要问题包括MAC以及数据的传送、同步、纠错以及流量控制等。
基于此，自组网数据链路层又分为MAC和LLC层。
在一般情况下，主要关注的是MAC层，因为MAC决定了数据链路层的绝大部分功能。
自从ALOHA提出“单跳的无线网络中进行分组数据的广播是可行的”这一结论以来，针对媒介共享竞争的问题，已经出现ALOHA、时隙ALOHA,CSMA（载波侦听多路访问），以及IEEE802.11所采用的CSMA/CA。
MAC层主要就是由这些媒介接入方案构成。
由于ALOHA、时隙ALOHA，CSMA都存在媒介冲突、终端暴露以及终端隐藏等严重问题，后来就提出了带冲突检测和冲突避免的CSMA/CA媒介接入方案，用在IEEE802.11无线局域网方案中。
但是仍然存在着一些问题，于是，一些学者就提出了各种相应的改进形式作为MAC层的解决方案。
而逻辑链路控制子层负责数据流的复用、数据帧的检测、分组的确认、优先级排队、差错控制、流量控制等。
2.1.3网络层
常规的路由协议（RIP或OSPF）是为有线固定网络而设计的，它们的拓扑结构是固定的，不会出现大的网络结构变化。
自组网结构则是动态变化的，故常规路由在拓扑结构变化时，要花很大的代价重新选择路由，而且协议状态将始终处于不收敛状态。
自组网不能采用常规路由协议主要是由于以下几种因素:
•自组网中主机间的无线信道可能存在单向信道;
•无线信道的广播特性使得常规路由的选路过程产生许多冗余链路;
•常规路由的周期性广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽和大量的主机能源。
此外，某些常规路由协议需要的复杂计算使得CPU始终处于很高的负载下工作，这也同样消耗了大量的能源，对有限的主机能源带来更多的压。
现在普遍使用的网络层路由协议按照驱动方式的不同，可以分为表驱动路由选择协议、源驱动按需路由选择协议。
其中，表驱动路由选择协议的原理是:
网络中的每个节点都维持一个到其它节点并相对稳定的最新路由表，通过在网络内广播路由更新信息来反映网络拓扑的变化。
例如:
DSDV（目的节点排序的距离矢量路由协议）、CGSR（分群网关交换路由协议）、WRP（无线路由协议）等。
而源驱动按需路由选择算法的出发点是:
只有节点需要路由时，才建立路由，有通信过程才维持路由，通信完毕就不再维持路由。
一般地，按需路由分配包括3个过程:
路由发现、路由维持和路由拆除过程。
各个算法的不同之处也体现在这三个过程中。
目前，主要的按需动态路由协议有:
动态源路由协议（DSR）,Adhoc网络按需距离矢量路由协议（AODV）、临时排序路由选择算法（TORA）等。
IPv4协议、Ipv6协议或其他网络层协议提供网络层数据服务；网络层的单目标路由协议维护路由表，使其与当前的自组网拓扑结构一致;多目标路由协议提供群组通信的底层支持;网际互联支持自组网中与其他现有网络互联，QOS支持提供可保证的QOS服务，路由安全提供对路由协议的安全保障。
2.1.4传输层
目前，自组网的传输层是借鉴有线网络中传输层的方法，把TCP/UDP基于无线环境进行修改，以适应无线环境，完成传输层的功能。
传统的TC会使自组网分组丢失很严重，这是因为无线差错和节点移动性而使TCP将所有的分组丢失都归因于拥塞，并启动拥塞控制和避免算法，所以若在自组网中直接采用传统的TCP协议将可能导致端到端的吞吐量无谓的降低。
所以，必须针对传统的TCP进行改进。
到目前为止，已经有多个TCP改进方案提出，比如TCPSACK和TCPASACK等，针对UDP的改进与TCP相似。
传输层主要采用的技术有前向纠错（FEC）、自动请求重发（ARQ）等方式解决链路传输可靠性问题。
除上述局部解决问题的方法外，还采用了选择性确认（SACK）和显式的丢失通知（ELN）等方式。
2.1.5应用层
Adhoc应用层所指定的是各种类型的业务。
在实际的应用过程中，可以采用各种各样的应用层协议和标准。
基于Adhoc技术的网络所承载的业务，同其他各
种类型的网络一样，主要是传统的业务以及数据业务，这就使得Adhoc网络在根据其自身的特点在提供业务服务时，需要考虑更多的实际问题。
QOS保障能量管理机制
应用层：
实时业务、自适应应用、数据报业务。
移动定位、自动配置、安全策略。
传输层：
（W）TCP、UDP。
反馈和跨层自适应调节机制
信令协议：
（D）RSVP、INSIGNIA
网络互连层：
IPv4、IPv6、MobileIP。
网络层：
邻居发现、路由协议（DSR、DSDV等）、VC机制。
分簇（分簇选择和簇维护）
逻辑链路控制子层（LLC）：
分组转发/确认、差错控制。
媒体介入控制子层（MAC）：
TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA
功率控制和拓扑控制
物理层：
扩频技术（DS-SS、HF-SS）、调频解调、发送接收
图2.1Adhoc网络的通用协议栈结构
2.2Adhoc网络的技术难题
Adhoc网络有着广泛的应用前景，但是因为其自身的一些特征，在技术方面，Adhoc还面临很多挑战，分别研究如下。
2.2.1路由技术
在有中心的无线网络中，移动节点通过固定的无线接入点连接到固定网络，因此从网络层的角度看，这些有中心的网络是一个单跳网络，研究的问题主要集中在信道的接入控制等方面。
而在Adhoc网络中，非相邻节点间的通信必须通过其他节点转发完成，因此如何迅速准确地选择到达目的节点的路由是当前Adhoc网络面临的一个核心问题。
由于Adhoc没有中心管理，如何检测网络拓扑的动态变化，维护网络拓扑的连接，获得高度自适应的路由成为Adhoc网络面临的最大战。
2.2.2信道接入技术
不同于传统的蜂窝网络，Adhoc网络中没有集中的管理和全局的同步时钟，这使得传统的信道接入协议不再适用。
由于Adhoc网络的特殊组织形式，它的信道接入协议面临很多的新问题。
这些问题包括不同的信道共享方式、隐终端问题、暴露终端问题和节点移动的影响等。
Adhoc网络的信道接入协议必须尽量消除这些因素的影响。
2.2.3TCP技术改进
鉴于TCP/IP已经成为事实上的Internet标准协议栈，作为Internet扩展的移动Adhoc网络也必将采用它。
由无线链路的错误突发与信道时变、节点的移动与频繁切换而引起的突发性分组丢失会降低TCP的性能，这是因为Adhoc网络中的分组丢失主要由无线差错和节点移动性所致，而传统的TCP将所有的分组丢失都看作网络拥塞而重传丢失分组
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