基于ADHOC网络路由协议的性能分析毕业设计Word格式.docx
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网络协议；
性能分析；
仿真器
PerformanceAnalysisbasedonAdHocnetworkroutingprotocl
Abstract
Adhoc,bothwirelessadhocnetworks（WirelessAdHocNetwork）,themostimportantfeatureofthistransportmodeisthatallnodesonotherwaystocommunicatewiththewirelessnetworkaccesswithoutgoingthroughawirelessbasestation.
Proactivetoeachtypeofwirelessnetworkprotocolsnodefixedtimeintervalwillbesentinformationonsomepaths,eachwirelessnodeonthepathtochangetheirtablebasedontheinformationcollected,SuchprotocolsareDSDV,WRP.
Reactionagreementmainlyreferstothewirelessnodessendpacketsonlywhenneededbutcannotfindthepathtothedestination,willbeginoperation,SuchasDSR,AODVprotocols.
Thispaperintroducesthebackgroundandsignificanceofthesubject,thesubjectinaclearproblemtobesolved.
Secondly,introducesthebasicconceptsofAdhocnetworks,structuralfeatures,theworkingmechanismofthevariousagreements,butdescribestheinstallationandapplicationoftheexperimentalenvironmentandsimulationsoftware.
Finally,thefocusofanalysisandcomparisonoftheperformanceofeachprotocol.
Basedontheabovetheory,thesubjectusingNS2networksimulationsoftware,usingtheTCLscriptinglanguagenetworktopology,thesimulationresultsobtaineddata,inordertostudytheperformanceofeachprotocol.
Andtheresultingdataapplicationsdrawingtoolstodraw,compareandresearch.
Keywords:
Adhoc;
networkprotocol;
performanceanalysis;
simulator
前言
Adhoc网络（WirelessAdHocNetwork）也就是无线自组织网，这种网络技术最早是源于军事需要才出现的。
随着现代社会的科技不断发展，移动数码设备的制造技术不断进步，手机、笔记本电脑、pad等等越来越普及，人们开始注意到无线自组织网络的对等式、无中心、自组织、无需硬件通信设施、结点自由移动性等等特点与优点，越来越多的人认识到无线自组织网对于下一代网络（NGN）的发展具有非常深远的应用前景。
在军事上，不需要提前搭建好的通信设施即可使用的Adhoc网络十分适用于现代与未来战场，并且由于结点的移动性也让该网络有一定的抗毁性，所以这种网络技术已经受到各国政府的重视。
在民用方面，无线自组织网的这些特性也让他可以在救灾急救、偏远山区通信等领域大展拳脚。
此外，Adhoc网络与现有的IP网络、互联网等的互补互利等应用潜力也开始受到人们的关注。
目前Adhoc网络的研发工作还主要处于仿真与实验的阶段，国内外都有大量的学者与科研机构从事相关的工作。
主要的研究方向有：
提出新的路由协议，不过近期大多数相关的研究都是对于已有路由协议的改进；
基于Adhoc的MAC协议研究，主要方向是解决暴露结点和隐藏结点的问题（王云峰，移动自组网基于动态簇的MAC协议与QoS路由，计算机工程与应用，2004/35）；
此外还有一些关于组播多播协议，TCP协议的研究，但国内对此的研究总体而言还是很少的，仅仅是起步阶段而已。
本毕业设计课题的研究内容主要就是基于Adhoc网络路由协议的性能分析与比较。
主要依靠NS2仿真软件编写模拟网络拓扑脚本，对无线自组织网在采用不同的路由协议的情况下的通信情况进行仿真、采集数据，然后对得到的数据进行比较与分析，最终总结得出相关路由协议性能分析的结论。
第一章绪论
1.1课题研究背景与现状
1.1.1课题研究背景
随着现代社会科技的程度越来越高以及价格的不断下降，移动式的数码设备也越来越普遍，手机，手提电脑，Pad，相机，甚至是汽车，都是属于这类可以移动的无线设备装置【1】。
这些移动设备的无线通信方式可主要分为两种：
一种是必须经过中心基地台，有中央结点进行控制的传输方式（Infrastructure）。
另一种通信方式就是本文所研究的无线自组织网络（WirelessAdHocNetwork），这类传输模式的最大特点就是无线移动结点不需要通过无线基地台来完成通信，网络中的无线移动结点在进行网络信息的通信与存取时是相互对等的。
Adhoc网络的前身是分组无线网（PacketRadioNetwork）
【2】。
目前学术界认为开始这类网络的研究最早是由于军事方面通信的需求。
1972年，为了适应现代战场的形势，美国政府就已开始研究分组无线网技术，研究目的是探索如何将这项网络技术应用在现代战场上的网络通信当中。
在美国政府的资助下，相关机构在1993年开始了高残存性自适应网络（SURvivableAdaptiveNetwork）项目【3】的研究。
开始这个项目的目的是研究如何将分组无线网的实际成果加以扩展，以便支持更大规模的网络，此外还要开发能够适用于战场快速变化环境中的自适应网络协议。
在分组无线网现有成果的研究基础上开始全面开发能够应对军事应用需要、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统，有关项目的研发一直持续至今并且越来越受到重视。
在无线自组织网络中要传送数据包时，如何去决定和选择最迅速、最有效的发送路径，是一个非常重要的研究方向，本毕业设计课题主要研究目的就是进行不同的路由协议的性能分析与比较。
1.1.2课题研究现状
从上世纪末开始，关于无线自组织网络技术的研究在世界上开始被广泛关注，已经发展成为了一个比较独立的无线通信技术研究领域【8】。
概括当前国内外关于Adhoc网络的研究现状，取得进展的方面主要是以下几个：
（1）提出新的路由协议。
研究得到的新协议主要以广播或组播的方式来建立网络路由，减少网络中的广播风暴【6】是协议研究的核心问题。
当前，获得广泛认可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR协议等，但这些都是本世纪初的研究成果。
就目前而言，对于新型路由协议的研究与开发依旧是对于Adhoc网络的研究成果最主要的部分。
（2）无线自组织网络与移动蜂窝通信网的互连互补。
目前有研究提出了一种iCAR（internetCellularandAdhocRealy）系统【5】。
这个系统可以弥补移动蜂窝通信网的小区内的信号盲区，并且这项研究可以为完成补盲后的改善系统进行性能评价。
不过不足之处在于，该系统只能应用于第二代移动通信系统，尚不能应用到基于IP方式的分组网络，而2G已经快被当前通信领域所淘汰。
（3）研究应用于无线自组织网络的媒体接入控制协议。
关于MAC协议的研究，主要是解决暴露终端和隐藏终端的问题，这其中产生较大影响的有MACA协议，，以及一些由此改进的MAC协议。
1.2课题研究目的与意义
因为无线自组织网络的结构和功能的特殊性，属于这种网络技术的应用领域与一般的移动通信网络有很明显的区别。
首先Adhoc网络比较适用于不可以或者不方便预先建设好网络通信设备的情形【1】。
在本章的第一节中已经阐述了关于Adhoc网络的研究是因战场通信的应用而兴起的，所以，在军事方面的应用例如战场通信等，依旧是无线自组织网络的主要应用方向。
而在民用方面无线自组织网络应用场合主要有：
军事应用、家庭联网、紧急应用、传感器网络；
个人域网络、其他商业应用。
军事方面的应用依旧是无线自组织网络最重要和最有潜力的应用领域。
因为该技术具备独特的无需预先建设通信网络设备、具有一定的抗毁能力、具备快速展开能力等特点，而要进行现代化及未来战场通讯正是迫切需要这样的技术。
传感器网络将是Adhoc网络技术的另外一个极具潜力的应用方向。
在许多实际情况下，传感器网络能使用的都是无线通信技术。
由于考虑到结点能源、结点体积等等技术因素，传感器网络中的结点的发射功率会受到严格限制【14】。
将Adhoc网络技术来应用到传感器网络是比较好好的解决办法【15】。
传感器网络中的Adhoc网络将由各个结点的传感器组成，以便能够更好地实现控制中心之间和与传感器结点之间的数据传输，事实上，这个优点将使无线自组织网络在很多领域的应用都具有非常广阔的前景。
在已建成的通信网络设备被大量甚至被全部破坏以至于没有办法继续进行通信时，比如遇到巨大的自然或人为灾害时，这种情况下就需要无线自组织网络这种不需要依靠任何已建成的网络通信又可以迅速投入使用的网络技术【7】。
个人局域网也是无线自组织网络的一个主要应用领域，除了可以用于实现手机、笔记本电脑、pad等个人数码设备之间的通信，蓝牙中的超网技术也是一个很好的例子【10】。
事实上在现实生活的应用中，无线自组织网络可以单独作为一个完整网络来进行内部通信，还可以以一个子网的形式来通过各种接入方式并入已建成的通信网络之中【9】，与无线自组网络以外的主机进行通信，这也是一个重要的应用方向。
本毕业设计研究的就是目前无线自组织网中主流技术所采用的各个路由协议的性能分析、比较与总结，主要是DSDV，DSR，AODV三种路由协议，在不同的移动无线网络情况下的性能表现，为了使Adhoc网络表现更出色，研究在不同的情况下应该采用哪一种路由协议最为合适。
1.3课题研究方法
本课题将在cygwin环境（模拟unix环境）中使用NS2仿真软件，进行Adhoc网络拓扑仿真实验，在实验中，首先使用tcl语言编写网络拓扑结构，然后使用NS2仿真软件运行仿真脚本，会产生trace文件，trace文件是NS2软件用来记录网络中结点通信和传输数据等过程的文件。
接下来使用awk语言编写AWK分析程序，用来分析仿真软件产生的trace文件，以便将大量的数据转化为方便记录与观察的结果，并使用绘图工具将这些分析结果汇总制图，以便更方便地观察各个路由协议的性能并进行比较与分析。
本课题主要研究了DSDV，DSR，AODV三种路由协议的性能比较、分析与总结。
采取控制变量法，研究了在最大连接数、数据流速度、结点数目、结点移动速度、结点停留时间五个不同的变量，在一定范围内不断改变的情况下三种路由协议的性能表现。
通过不断改变tcl网络拓扑脚本中的相关的网络结点参数定义，即所谓的业务量模型，来改变相应的变量设置。
在实验中，编写的awk程序主要研究路由协议性能的指标有发送数据包数、丢包率、平均端到端延时、第一个数据包到达时间四个指标。
通过研究这四个指标来分析各个路由协议的性能，与这些路由协议采取的策略相互印证，以此确定各个路由协议的优缺点和适用领域，达到本课题研究的目的。
1.4论文的组织结构
本论文分为六个章节，按照以下方式安排：
第一章：
介绍了Adhoc网络研究的背景、现状、目的及意义，并概述了本毕业设计对无线自组网的研究方法。
第二章：
介绍了无线自组织网络的相关知识背景，包括无线自组织网络的形成与发展、概念与特点，并且具体介绍了Adhoc网络路由协议的类型与特点。
第三章：
介绍了课题研究所需要的实验环境与仿真软件的介绍与安装使用方法。
第四章：
介绍了课题研究所需脚本中关键代码以及仿真程序的运行与数据分析过程。
第五章：
介绍了对Adhoc网络中所使用的各个路由协议在不同情况下的性能分析与比较，并给出了结果评价总结。
第六章：
结论，对整个说明书的工作进行回顾和总结，并对Adhoc网络的研究作出了展望。
1.5本章小结
本章首先介绍了本毕业设计的课题研究背景与现状，明确了无线自组织网络的产生与应用背景以及目前国内外关于Adhoc网络的最新研究进展。
然后介绍了本课题的研究目的及意义，概述了一些Adhoc网络的应用方向与发展前景，以此解释为何要对Adhoc网络路由协议的性能进行研究、比较与分析。
本章还明确了在本课题的研究过程中所需要采用的实验环境cygwin和仿真软件NS2、控制变量法的研究方法等等。
言简意赅地阐述了在实验中应该按照建立网络拓扑结构→运行仿真程序→使用分析程序分析结果→绘制图表的步骤来研究Adhoc网络中各个路由协议的性能这几个步骤来完成实验。
最后对本论文的组织结构进行了详细的介绍，以便读者更好地阅读和把握本论文。
第二章Adhoc网络概述
2.1Adhoc网络形成与发展
目前主流学术界认为，无需基础设施的网络通信技术【7】最早出现在上世纪70年代初，在开发完成报文交换技术之后不久，美国政府出资使得相关机构投入到了一项新的研究当中——分组无线网络【3】，也就是将报文交换技术应用在没有预先建设好的基础设施的环境之中。
现在可以认为进行这个项目的目的主要就是满足战场上的通信的需求。
在现代战场中，无法像平时那样依靠预先建设好的网络通信设施进行通信，首先，战场上预先铺设的网络通信设施几乎不会存在，其次，即使有也会随时受到毁灭性的破坏【3】。
所以，能自组织、无中心是这种网络技术和其他一般性的通信网络技术的重要区别之一。
在这种网络中，每个结点都保持动态且可以任意分布【2】，结点之间的通信通过无线的方法来实现。
分组无线网络的研究项目事实上也就是开启了移动自组网（MobileAdHocNetwork，简称MANET或AdHoc网络）
【5】的研发。
此外，美国政府还在这个时期开始了其他一些相关项目的研究。
然而，此类研究项目在当时是严格保密的，所以从上世纪70年代一直到90年代初这段时间里，很难通过当时公开的学术资料中得到真正有用的相关信息。
美国政府在1993年启动高残存性自适应网络项目的研究。
开始这个项目的目的是研究如何将分组无线网的实际成果加以扩展，以便支持规模更大的网络【5】。
此后美国又开展了一些其他项目，在现有的研究成果上开始全面开发能够满足现代化战场需要的网络通信系统，这类研发一直持续至今。
因为自组网的各种特性与优势，使它可以地应用于现代化战场、紧急情况应对与抢险救灾、传感器网络、家庭网络、个人网络等众多领域，具有很高的应用潜力。
到目前为止，无线自组织网络技术的发展还没有达到实际应用这一步，主要的研发仍处在仿真和实验阶段【10】。
2.2Adhoc网络概念及特点
2.2.1Adhoc网络概念
Adhoc网络中，如果两个移动结点在各自的通信能力范围之内，那么这两个结点就能够实现直接通信【6】。
不过因为移动结点的通信覆盖范围有限制，如果两个互相超出通信覆盖范围的结点仍需要进行数据传输，则需要依靠这两个结点之间的其他结点进行转发来完成通信。
所以在无线自组织网络中，每个结点作为主机的同时也是一个路由器，承担着路由器所应该进行的工作。
与此同时，无线自组织网络也可以被当成是计算机网络和无线通信技术【4】的交叉融合下的新型技术产物。
网络中的移动结点一般是笔记本电脑、手机、pad等移动终端设备，无线自组织网络不同于普通的移动IP网络：
在移动IP网络中，主机需要通过预先架设好的网络通信设施才能完成与保持通信正常进行，而基站和基站之间采用的均为有线网络，整个IP网络中使用的路由协议与一般的互联网相同【4】。
而Adhoc网络不需要这些设施的支持。
此外，与移动IP网络不同，无线自组网络中结点的随机移动可能会导致整个网络的拓扑结构发生彻底的改变。
2.2.2Adhoc网络特点
由于组建方式与工作模式和传统的网络有很大的差别，所以无线自组织网络具有很多该网络技术独有的特点：
自组织与独立性：
和一般的通信网络相比，无线自组织网络最显著的特征就是不需要预先建设的网络通信设备的支持，也能够随时随地、迅速组织起一个可移动的通信网络。
无线自组织网络的建立完全不依赖于已预先建设好的通信设备，所以说具有一定的独立性。
Adhoc网络具备的这种特点决定了它很适合偏远地区、抢险救灾通信等领域的应用【12】。
无中心特性：
在Adhoc网络中并没有任何结点或者说主机来作为中心去控制其他结点，网络中的所有结点都是通过分布式的协议来实现相互连接【3】。
一旦Adhoc网络中某个或部分结点出现问题不能进行通信，依旧能确保其余的移动结点继续正常工作。
结点能源限制：
由于组成Adhoc网络的结点大都是一些移动设备，如笔记本电脑、手机、pad等。
考虑到结点不可能始终处于静止状态而是不断移动的，而结点的能源就主要来自于电池一类的设备，所以无线自组织网络具备能源有限的特点。
无线通信带宽限制：
由于Adhoc网络并不依靠有线基础设施进行通信，所以，结点间的数据传输全部通过无线的形式来实现【13】，因为无线通信信道自身的物理条件限制，这种信道能够提供的网络带宽与有线通信信道相比肯定低得多。
生存周期短：
无线自组织网络一般被研究应用于临时或紧急的通信场合，与配备有完善的基础设施的有线网络相比，Adhoc网络的生存周期总体来说都比较短。
易受攻击性：
一般而言，移动网络都会比固定网络更易受到物理安全攻击，同样的，Adhoc网络也存在易于遭受窃听和拒绝服务等等攻击的问题【5】。
为了解决这个问题，目前已有不断开发出的新型安全技术被广泛应用于无线自组织网络的通信中，以此来来减少对网络安全的威胁【5】，不过，与此同时无线自组织网络随机分布的特性让这种网络技术相对于集中式的传统网络来说也算是拥有了相当的抗毁性。
2.3Adhoc网络路由协议以及分类
在无线自组织网络中，结点的随机移动会导致网络拓扑结构的变化甚至是彻底更新。
如何为网络中的数据传送迅速准确地发现到达目的地的路径，是无线自组织网络的研究与应用化里十分关键的一个问题。
通过上面章节的介绍我们了解到，无线自组织网络是一个多跳的网络，移动结点一方面承担主机的工作，另一方面承担路由器的职责，比如进行分组转发和路由维护等工作。
所以说，在采取路由策略方面Adhoc网络与一般的移动通信网络有明显的不同，为了解决此类的问题需要开发与采用相应的适用于无线自组织网的路由协议。
在无线自组织网络中，路由协议可以分成以下两大类：
先验式（ProactiveRoutingProtocl）路由协议【1】：
这一类路由协议也被称为基于路由表驱动（TableDriven）的路由协议。
路由表在每次路由信息有改变时都会被更新，并且利用已存储在每个结点的路由表中的信息来判断和决定新的路径。
网络中的每个无线结点间隔固定的一段时间就会发送相关的路由信息，每个无线结点会根据受到的路由信息来修改存储在本结点的路由表。
当无线自组织网中的拓扑结构发生改变使得原本的可用路径失效，或者建立了新的传输路径，网络的结点都会收到关于路由改变的信息，这种更新是不间断的，就能使得网络中所有的结点都能找到可用的路径来进行通信。
采用先验式路由协议，源结点在传送数据包时已经得知到达目的结点的完整路径，从而不会有延迟存在。
采用这类协议的缺点是网络中的结点必须去不停断地广播路由信息，这样就非常浪费无线网络的频宽与无线结点的能源，同时容易造成广播风暴、信息泛洪等。
如果增加广播之间的间隔时间，以此来减少对频宽和结点能源的浪费，那又会导致结点存储的路由表无法即时回馈网络的拓扑结构的变化，目的序列距离矢量路由协议Destination-SequencedDistance-VectorProtocol（DSDV）就属于这一类路由协议。
反应式（ReactiveRoutingProtocol）路由协议【1】：
这一类路由协议也被称为按需驱动（On-DemandDriven）的路由协议，因为它只有在有需要时才会主动发现路径，而不是被动或持续不断地持续着，包括了路由发现和路由维护两个过程。
采用这种协议时，无线结点只有在需要传送数据包却发现不了到达目的结点的可用路径时，才会开始协议的运作。
当一个无线结点想要传送数据给另外一个无线结点时，来源端结点会去调用一个路径发现程序（Route-discoveryProcess）
【1】，并将此路径保存在结点的缓存器中，直到过期或是发生路径无效等状况。
和先验式路由协议比较起来，反应式路由协议在每个结点所需要的数据量都比较小【2】，且不需要保存整个网络环境的路由信息，因此反应式协议的主要优点就是占用频宽较少，但其缺点是未必每一个无线结点都要发送数据包，所以平均端到端延时会较长。
动态源路由协议DynamicSourceRouting（DSR）和按需距离矢量路由协议AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting（AODV）等就属于这一类路由协议。
2.3.1DSDV路由协议
目的序列距离矢量路由协议（DSDV）是传统的距离向量算法的改进版本【6】。
在DSDV中，每个移动结点都需要维护（存储并持续更新）一个路由表，路由表会将目的结点地址、跳数、下一跳结点和目的地序号等等存储在表项之中，目的地
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