基于NS2的泛洪路由协议的实现与仿真

目录

摘要 (3)

第1章绪论 (4)

1.1 论文背景 (4)

1.2 论文研究内容 (4)

1.3 论文组织结构 (4)

第2章 Ad Hoc网络的介绍及应用 (5)

2.1 Ad Hoc网络的概念及特点 (5)

2.2 Ad Hoc网络的结构 (6)

2.3 Ad Hoc网络的应用领域 (7)

第3章 NS2体系结构和功能模块 (8)

3.1 NS2网络仿真概述 (8)

3.2 NS2的使用和安装 (8)

3.3 NS2的相关工具介绍 (9)

3.4 NS2现有的仿真元素 (10)

3.5 NS2仿真的一般步骤 (10)

第 4 章泛洪路由协议的设计实现 (12)

4.1 MFlood议类 (12)

4.2 添加协议类 (12)

4.3 添加包头类型 (14)

4.4 编译代码 (15)

第5章泛洪路由协议的仿真测试 (16)

5.1 初步测试 (16)

5.2 场景测试 (19)

5.3 trace分析 (21)

第6章心得体会 (26)

参考文献...... . (27)

基于NS2的泛洪路由协议的实现与仿真

摘要:

网络操作要求的不断变化刺激了新协议和新算法的产生和发展。网络模拟仿真是研究新协议、分析新算法的一种重要方法。络仿真平台NS2正是这样一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，其协议代码与真实网络应用代码很相似，仿真结果具有较高的可靠性。

NS2（Network Simulator，version 2）是一种面向对象的网络仿真器，本质上是一个离散事件模拟器。由UC Berkeley开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的仿真都由离散事件驱动的。

本文详细讨论了基于NS2仿真工具对无线通信协议MFlood泛洪路由协议进行仿真的过程。通过在NS2中添加泛洪路由协议，进行了NS2的扩展性研究与实现，最后通过使用相关工具对输出结果进行处理，为日后进行网络研究奠定基础。

关键词：NS2 泛洪路由协议、分组头、扩展

第1章绪论

1.1论文背景

网络模拟是进行网络技术研究的一种基本手段。在新技术的研究过程中，由于各种原因，实际网络系统的实现往往是代价较高或是不现实的。在这种情况下，模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手段之一。网络模拟有着周期小、成本低等特点，而且可以使研究者更容易利用他人的研究成果。

NS2正是这样一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台。它是美国DARPA支持的项目VINT（Virtual InterNet Testbed）开发的通用的多协议网络模拟软件，其中集成了大量典型的有线、无线甚至卫星网络下各个层的协议，同时NS 广泛的用户又在不断地对这个系统进行完善和修改。正是由于NS2的这种开放性，使研究者更好的进行各种算法的实现和协议的改进。

Ad Hoc网络是一组具有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性的自组织系统，具有以下一些主要特征：动态拓扑，即网络中的节点可以任意移动，因此，网络的拓扑结构也可能会变化；链路带宽受限、容量时变，由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变特征；动力受限，能量受限，由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力，在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标；物理上安全有限，移动网络比固定网络（有线和无线）更易受到安全威胁，需要克服无线链路的安全弱点及移动拓扑所带来的新的安全隐患，因此，传统的用于固定网络的路由协议不适用于Ad Hoc网络。由于Ad Hoc网络的特点，它对路由协议有了一些新的要求，如何更好地应用这种自组织的网络，满足更多的应用，首先应该掌握现有的一些路由算法协议的特点。

1.2论文研究内容

在研究无线网的路由中，想要考察节点的运动型对路由协议带来的冲突。在NS2中实现了AODV等无线路由协议，而缺乏最简单的泛洪的实现。在节点运动型非常大的场景中，向全网进行洪泛反而是最有效的路由手段。从而，我们要在NS2中为无线自组网部分添加一个洪泛协议。泛洪路由协议本身非常简单，每个节点收到包后只要判断不是重复包后就再次广播。

因此本文即是基于NS2这种网络仿真器对Ad Hoc网络的泛洪路由协议进行研究。

1.3论文组织结构

第二章对于Aod Hoc网络的简单介绍：包括其概念特点，结构组成等

第三章NS2体系结构及功能模块：具体描述了NS2的体系结构和各项功能模块，包括使用NS2进行网络模拟的过程，此外还进一步考虑了C + + 建立新协议或修改已有网络对象进行扩展时相关的问题。

第四章泛洪路由协议的设计实现：对泛洪路由协议的设计步骤进行了详细的介绍。

第五章泛洪路由协议的仿真测试：对第四章实现的泛洪路由协议进行了网络仿真测试，最后对结果进行了分析讨论。

第六章从所作的毕业设计中得到的一些心得体会。

第二章Ad Hoc网络的介绍

2.1 Ad Hoc网络的概念及特点

2.1.1 Ad Hoc网络的概念

(1)Ad Hoc网络是一种分布式网络。

Ad Hoc网络又称为多跳网络(multi-hop network)、无固定网络设施的网络(infrastructure less network)、自组（self organization）网，自愈网或是对等网，它是一种逻辑意义上的组网方式，即强调在不依赖基础网络设施的前提下由一定范围内的移动终端动态的建立可以互联的网络。同时它还将现有的主要网络中广泛应用的中央控制管理的功能进行分布式处理，由网络各个节点同步完成，从而提高了网络抗干扰，抗故障的能力，也使其成为在许多特殊场合进行网络互联应用的主要方案。

Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。在Ad Hoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机B的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。

(2)Ad Hoc网络是移动通信和计算机网络的交叉。

在Ad Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理（PDA）等移动终端设备。

Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站（代理和代理）之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外，在移动IP 网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变。

然而在全IP的趋势下，很多研究机构也在积极给出将Ad Hoc网络无缝链接到Internet。

2.1.2 Ad Hoc网络的主要特点

(1)无中心：Ad Hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

(2)自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

(3)多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

(4)动态拓扑：Ad Hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。

(5)独立性：Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。

(6)有限的无线通信带宽：在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。

(7)有限的主机能源：在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。

(8)有限的物理安全：移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。

2.2 Ad Hoc网络的结构

(1)结点结构：Ad Hoc网络中的结点不仅具备普通移动终端的功能，而且具有报文转发能力，即具备路由器的功能。因此，就功能而言可以将结点分为主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件。而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能。电台部分为信息传输提供无线信道支持。从物理结构上分，结构可以被分为以下几类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用的单主机单电台的简单结构。作为复杂的车载台，一个结点可能包括通信车内的多个主机。多电台不仅可以用来构建叠加的网络，还可用作网关结点来互联多个Ad Hoc网络。

(2) 网络结构：Ad Hoc网络的网络结构有平面结构和分级结构两种。当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模增大时，应用分级结构。

①.平面结构：在平面结构中，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。平面结构的网络比较简单，网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。

②.分级结构：分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。分级结构的网络又可以被分为单频

分级和多频分级两种。单频率分级网络中，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关结点（同时属于两个簇的结点）的支持。而在多频率分组网络中，不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中，簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个结点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是，维护分级结构需要结点执行簇头选举算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。

2.3 Ad Hoc网络的应用领域

由于Ad Hoc网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。针对Ad Hoc网络的研究是因国事应用而发起的。因此，军事应用仍是Ad Hoc网络的主要应用领域，但是民用方面，Ad Hoc网络也有非常广泛的应用前景。它的应用场合主要有以下几类：

1、军事应用：军事应用是Ad Hoc网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。Ad Hoc网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了Ad Hoc网络技术。

2、传感器网络：传感器网络是Ad Hoc网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。使用Ad Hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成Ad Hoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。

3、紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要Ad Hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。Ad Hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。

4、个人通信：个人局域网（PAN，Personal Area Network）是Ad Hoc网络技术的另一应用领域。不仅可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网（Scatternet）就是一个典型的例子。

5、与移动通信系统的结合：Ad Hoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。

在实际应用中，Ad Hoc网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它带可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与Ad Hoc网络以外的主机进行通信。因此，Ad Hoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之一。