隐藏节点和暴露节点

计算机学院专业实习小组报告专业名称网络工程实习题目基于NS2的无线自组织网络协议仿真2014年5月18日目录摘要 (1)关键词 (2)第一章网络问题的理解 (2)1.1 隐藏节点和暴露节点 (2)1.1.1 隐藏节点 (2)1.1.2 暴露节点 (3)1.1.3 暴露节点和隐藏节点产生的原因及影响 (4)1.1.4 解决办法 (4)1.2 RTS/CTS握手机制 (5)1.2.1 浅析RTS/CTS (5)1.2.2 RTS/CTS如何降低冲突 (5)1.2.3 RTS/CTS的退避算法 (6)1.3 NS2中相关问题分析 (7)1.3.1 NS2模拟的基本过程 (7)1.3.2 无线传输模型 (8)1.3.3 门限 (9)1.3.4 无线节点通信范围的设置 (9)第二章网络环境的建立与配置 (10)2.1 NS2软件的安装与配置 (10)2.1.1 软件安装 (10)2.1.2 相关配置 (11)2.1.3 出现的错误分析 (11)2.2 隐藏节点仿真场景 (13)2.2.1 网络拓扑结构 (13)2.2.2 模拟仿真Tcl脚本 (13)2.2.3 参数的设置 (16)2.3 暴露节点仿真场景 (17)2.2.1 网络拓扑结构 (17)2.3.2 模拟仿真Tcl脚本 (18)2.3.3 参数设置 (20)第三章网络模拟运行 (22)3.1 隐藏节点的模拟 (22)3.1.1 Trace文件 (22)3.1.2 Nam文件 (24)3.2 暴露节点的模拟 (26)3.2.1 Trace文件 (26)3.2.2 Nam文件 (27)第四章网络性能仿真与分析 (28)4.1 Gawk语言简介 (28)4.1.1 gawk处理文档的过程 (28)4.2 gnuplot绘图 (29)4.3 性能参数分析模型 (30)4.3.1 传输延时 (30)4.3.2 时延抖动 (30)4.3.3 丢包率 (30)4.3.4 吞吐量 (30)4.4 丢包率计算 (31)4.4.1 NS2中网络丢包因素简介 (31)4.4.2 隐藏节点 (32)4.4.3 暴露节点 (35)4.5 吞吐率计算 (37)4.5.1 隐藏节点 (37)4.5.2 暴露节点 (40)结语 (42)摘要网络协议的开发和完善需要进行许多验证和与性能相关的测试，在很多情况下这些工作是不可能都在实际的硬件系统上完成的，往往受限于资源、经费、技术条件和场地等因素的影响，使得我们难以在实际的网络系统中完成验证和测试工作，这时需要在虚拟的环境中进行模拟仿真。

本次实习是基于网络模拟软件NS2（Network Simulator）的无线自组织网络协议的仿真，针对在无线自组织网络(Ad--Hoc)中存在的的隐藏节点与暴露节点问题，我们利用NS2在虚拟的环境中进行模拟仿真，加深对于CSMA/CA（载波侦听多路访问冲突避免）中RTS/CTS的机制解决无线网络传输中的冲突问题的理解。

在NS2模拟环境下，我们学习了NS2中无线传输模型和门限的观念，在此基础上，通过分别编写无线网络环境中的隐藏节点、暴露节点有无RTS/CTS机制的的Tcl脚本语言，利用NS命令生成相应的Trace(跟踪文件)与Nam（动画演示文件），并通过Gawk程序语言对所有的trace文件进行有关吞吐量、丢包率、时延、抖动等性能参数的分析与研究，为了简化数据的分析，综合利用交互式绘图软件Gnuplot，将庞杂的数据资料转换成直观的图形，从而得出加入RTS/CTS对于解决无线网络传输中的数据包冲突问题的优势。

关键词NS2 网络仿真隐藏/暴露节点传输模型 RTS/CTS 吞吐率丢包率第一章网络问题的理解针对题目要求，我们做了以下几个方面的知识的学习，设计无线网路的结构、参数设置、策略等方面。

1.1 隐藏节点和暴露节点1.1.1 隐藏节点隐藏节点（如图 1.1）是指在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。

具体来说即在无线网络中，A节点可以被B节点看到，但是却不能被与B节点通信的C节点看到，那么A节点对于C节点来说就是一个隐藏节点。

隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点处冲突。

冲突后发送节点要重传冲突的分组，这降低了信道的利用率。

图1.1 隐藏节点图示隐藏终端又可以分为隐发送终端和隐接收终端两种。

在单信道条件下，隐发送终端通在发送数据报文前的控制报文握手来解决。

但是隐接收终端问题在单信道条件下无法解决。

当A要向B发送数据时，先发送一个控制报文RTS;B接收到RTS后，以CTS 控制报文回应；A收到CTS后才开始向B发送报文，如果A没有收到 CTS，A认为发生了冲突，重发RTS,这样隐发送终端C能够听到B发送的CTS，知道A要向B发送报文，C延迟发送，解决了隐发送终端问题。

对于隐接收终端，当C听到B发送的CTS控制报文而延迟发送时，若D向C发送RTS控制报文请求发送数据，因C不能发送任何信息，所以D无法判断时RTS 控制报文发生冲突，还是C没有开机，还是C时隐终端，D只能认为RTS报文冲突，就重新向C发送RTS。

因此，当系统只有一个信道时，因C不能发送任何信息，隐接收终端问题在单信道条件下无法解决。

1.1.2 暴露节点暴露节点（如图1.2）是指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。

暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送。

但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。

这就引入了不必要的时延。

图1.2 暴露节点图示暴露终端又可以分为暴露发送终端和暴露接收终端两种。

在单信道条件下，暴露接收终端问题是不能解决的，因为所有发送给暴露接收终端的报文都会产生冲突；暴露发送终端问题也无法解决，因为暴露发送终端无法与目的节点成功握手。

1.1.3 暴露节点和隐藏节点产生的原因及影响由于ad hoc网络具有动态变化的网络拓扑结构，且工作在无线环境中，采用异步通信技术，各个移动节点共享同一个通信信道，存在信道分配和竞争问题；为了提高信道利用率，移动节点电台的频率和发射功率都比较低；并且信号受无线信道中的噪声、信道衰落和障碍物的影响，因此移动节点的通信距离受到限制，一个节点发出的信号，网络中的其它节点不一定都能收到，从而会出现“隐藏终端”和“暴露终端”问题。

隐藏终端和暴露终端问题对ad hoc网络的影响：“隐藏终端”和“暴露终端”的存在，会造成Ad Hoc网络时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。

在ad hoc网络中，当终端在某一时隙内传送信息时，若其隐藏终端在此时隙发生的同时传送信息，就会产生时隙争用冲突。

受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞而不能正确接收信息，造成发送端的有效信息的丢失和大量时间的浪费（数据帧较长时尤为严重），从而降低了系统的吞吐量和量。

当某个终端成为暴露终端后，由于它侦听到另外的终端对某一时隙的占用信息，而放弃了预约该时隙进行信息传送。

其实，因为源终端节点和目的终端节点都不一样，暴露终端是可以占用这个时隙来传送信息的。

这样，就造成了时隙资源的浪费。

1.1.4 解决办法解决隐藏终端问题的思路是使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收，目前实现的方法有两种：一种是接收节点在接收的同时发送忙音来通知邻居节点，即BTMA系列；另一种方法是发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即RTS/CTS方式。

这种方式是目前解决这个问题的主要趋势，如已经提出来的CSMA/CA、MACA、MACAW等。

还有将两种方法结合起来使用的多址协议，如DBTMA。

对于隐藏发送终端问题，可以使用控制分组进行握手的方法加以解决。

一个终端发送数据之前，首先要发送请求发送分组，只有听到对应该请求分组的应答信号后才能发送数据，而是收到此应答信号的其他终端必须延迟发送。

对于图1.1中所示的隐藏节点问题。

当A要向B发送数据时，先发送一个控制报文RTS;B接收到RTS后，以CTS控制报文回应；A收到CTS后才开始向B发送报文，如果A没有收到 CTS，A认为发生了冲突，重发RTS,这样隐发送终端C能够听到B发送的CTS，知道A要向B发送报文，C延迟发送，解决了隐发送终端问题。

对于图1.2所示的暴露节点的延时问题，当B向A发送数据时，C只听到RTS 控制报文，知道自己是暴露终端，认为自己可以向D发送数据。

C向D发送RTS控制报文。

如果是单信道，来自D的CTS 会与B发送的数据报文冲突，C无法和D 成功握手，它不能向D发送报文。

1.2 RTS/CTS握手机制1.2.1 浅析RTS/CTSRTS（Request to Send）即请求发送，CTS（Clear to Send）即清除发送。

RTS/CTS协议(Request To Send/Clear To Send)即请求发送/清除发送协议是被802.11无线网络协议采用的一种用来减少由隐藏节点问题所造成的冲突的机制。

相当于一种握手协议，主要用来解决“隐藏终端”问题。

“隐藏终端”（Hidden Stations）是指，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A 和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。

“隐藏终端”多发生在大型单元中（一般在室外环境），这将带来效率损失，并且需要错误恢复机制。

1.2.2 RTS/CTS如何降低冲突对于RTS/CTS握手机制，IEEE802.11提供了如下解决方案。

在参数配置中，若使用RTS/CTS协议，同时设置传送上限字节数----一旦待传送的数据大于此上限值时，即启动RTS/CTS握手协议。

如图1.3所示：图1.3 RTS/CTS具体做法是：当发送节点有分组要传时，检测信道是否空闲，如果空闲，则发送RTS帧，接收节点收到RTS后，发CTS帧应答，发送节点收到CTS后，开始发送数据，接收节点在接收完数据帧后，发ACK确认，一次传输成功完成。

如下图所示。

如果发出RTS后，在一定的时限内没有收到CTS应答，发送节点执行退避算法重发RTS。

RTS/CTS交互完成后，发送和接收节点的邻居收到RTS/CTS后，在以后的一段时间内抑制自己的传输。

延时时间取决于将要进行传输的数据帧的长度，所以由隐藏终端造成的碰撞就大大减少了。

采用链路级的应答（ACK）机制就可以在发生其它碰撞或干扰的时候，提供快速和可靠的恢复。

即使有冲突发生，也只是在发送 RTS时，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS 消息，大家再回头用DCF提供的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS后竞争发送RTS，直到成功为止。