中南大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì) -NS2仿真

1、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)題目名稱：基于NS2的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件仿真實(shí)驗(yàn) 姓名： 董嘉偉 學(xué)號(hào)： 專業(yè)： 物聯(lián)網(wǎng)工程1002班 組員： 裘鋮、施國(guó)豪 指導(dǎo)教師： 何小賢 時(shí)間： 2013、07、11 目錄l 課程設(shè)計(jì)目的l 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容l 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理n WSN路由協(xié)議n WSN MAC層協(xié)議n 修改的路由協(xié)議l 課程設(shè)計(jì)小組分工l 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程l 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析l 課程設(shè)計(jì)心得體會(huì)l 課程設(shè)計(jì)總結(jié)l 參考文獻(xiàn)l 源代碼1、 課程設(shè)計(jì)目的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)用來感知和識(shí)別周圍環(huán)境的信息生成和采集系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息處理來說如同

2、人體的感覺突觸一樣重要。為了方便感知和部署并提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用無線通信方式，從而形成了節(jié)點(diǎn)之間可自組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本課程設(shè)計(jì)的目的綜合應(yīng)用學(xué)生所學(xué)知識(shí)，建立系統(tǒng)和完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)概念，理解和鞏固無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本理論、原理和方法，掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的基本技能。2、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容 軟件仿真實(shí)驗(yàn)。要求使用相關(guān)軟件仿真一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，要求如下：l 自行參考相關(guān)資料，成功安裝 NS2（或 OPNET也可以）;l 利用NS2自帶的范例，構(gòu)建一個(gè)100個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠成功運(yùn)行;最好能有界面顯示；l 利用利用NS2自帶的范例或其它已有腳本，仿真上述無線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)一種路由協(xié)議（例如一種多播路由協(xié)議）;l 利用利用NS2自帶的范例或其它已有腳本，仿真上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用一種MAC協(xié)議;l 修改或自行編寫一個(gè)簡(jiǎn)單路由協(xié)議或MAC協(xié)議，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。3、 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理a) WSN路由協(xié)議 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由協(xié)議要求如下：正確性，健壯性，穩(wěn)定性，公平性，最優(yōu)性。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由協(xié)議更注重以下特殊要求：能源有效性，簡(jiǎn)單性，多路性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心（DataCentric）進(jìn)行路由的，不同于傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)以地址為中心（AddressCentric）進(jìn)行路由的模式。由于傳感器最基本任務(wù)就是感知、采集數(shù)據(jù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

4、鄰近節(jié)點(diǎn)間采集的數(shù)據(jù)必然具有相似性，存在冗余信息，需經(jīng)數(shù)據(jù)融合（DataFusion）處理再進(jìn)行路由。有研究表明，在分布密度為(x,y)的隨機(jī)區(qū)域，傳感器間冗余數(shù)據(jù)為：=Se。直接傳輸這些未經(jīng)處理、存在冗余的數(shù)據(jù)，將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點(diǎn)能源的巨大浪費(fèi)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)迅速死亡，縮短整個(gè)網(wǎng)路的生命周期。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)不像傳統(tǒng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一樣快速移動(dòng)，因此沒有必要花費(fèi)很大的代價(jià)頻繁地更新路由表信息。常規(guī)路由協(xié)議通常認(rèn)為底層的通信信道是雙向的，但是在采用無線通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于發(fā)射功率或地理位置等因素的影響，可能存在單向信道。它給常規(guī)路由協(xié)議帶來三個(gè)嚴(yán)重的影響：認(rèn)知單向

5、性、路由單向性和匯點(diǎn)不可達(dá)。 本次實(shí)驗(yàn)中涉及到路由協(xié)議原理如下：l AODV AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)是一種源驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)傳送信息時(shí)，如果沒有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，則必須先以多播的形式發(fā)出RREQ(路由請(qǐng)求)報(bào)文。RREQ報(bào)文中記錄著發(fā)起節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，鄰近節(jié)點(diǎn)收到RREQ，首先判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP(路由回應(yīng))；如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，則向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ進(jìn)行查找。在網(wǎng)絡(luò)資源充分的情況

6、下，AODV協(xié)議可以通過定期廣播hello報(bào)文來維護(hù)路由，一旦發(fā)現(xiàn)某一個(gè)鏈路斷開，節(jié)點(diǎn)就發(fā)送ERROR報(bào)文通知那些因鏈路斷開而不可達(dá)的節(jié)點(diǎn)刪除相應(yīng)的記錄或者對(duì)已存在的路由進(jìn)行修復(fù)。 b) WSN MAC層協(xié)議 MAC層位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層分為上層LLC（Logical Links Control，邏輯鏈路控制），和下層的MAC（媒體訪問控制），MAC主要負(fù)責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息

7、并是否發(fā)生傳輸錯(cuò)誤，如果沒有錯(cuò)誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC（邏輯鏈路控制）層。 不管是在有線局域網(wǎng)（LAN）中還是在無線局域網(wǎng)（WLAN）中，MAC協(xié)議都被廣泛地應(yīng)用。在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，各種傳輸介質(zhì)的物理層對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的MAC層，目前普遍采用的是IEEE 802.3的MAC層標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD訪問控制方式；而在無線局域網(wǎng)中，MAC所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.11，其工作方式采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。l 802.11 接入點(diǎn)能夠通過使用傳輸規(guī)范(TSPECs)控制網(wǎng)絡(luò)工作量。一個(gè)接入點(diǎn)能夠要求每一個(gè)站點(diǎn)為每一個(gè)訪問類發(fā)送一個(gè)傳輸規(guī)范請(qǐng)求。這個(gè)請(qǐng)求將具體說明這個(gè)站點(diǎn)為每一

8、個(gè)訪問類申請(qǐng)的數(shù)據(jù)量以及可以承受多長(zhǎng)時(shí)間的延遲。如果一個(gè)接入點(diǎn)計(jì)算它從各個(gè)站點(diǎn)收到的請(qǐng)求超過了網(wǎng)絡(luò)的容量，它將拒絕這些請(qǐng)求。如果一個(gè)申請(qǐng)?jiān)獾骄芙^，提出申請(qǐng)的站點(diǎn)就不再發(fā)送那種訪問類的數(shù)據(jù)，并且必須把這種訪問類的數(shù)據(jù)結(jié)合到優(yōu)先等級(jí)低的數(shù)據(jù)中。同PCF一樣，HCCA是一種輪詢協(xié)議。當(dāng)使用時(shí)，它總是能夠獲得訪問媒體的權(quán)限，因?yàn)樗却臅r(shí)間比任何EDCA用戶最短的AIFS時(shí)間還要短。HCCA能夠?yàn)槊恳粋€(gè)應(yīng)用配置單獨(dú)的服務(wù)質(zhì)量設(shè)置。位于接入點(diǎn)中的混合協(xié)調(diào)器(HC)輪流查詢單個(gè)的站點(diǎn)，并且根據(jù)已經(jīng)配置的具體的服務(wù)質(zhì)量設(shè)置批準(zhǔn)訪問媒體的權(quán)限。這里沒有競(jìng)爭(zhēng)，因此，高優(yōu)先等級(jí)數(shù)據(jù)的延遲不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)通信的增加而遭

9、到損失。c) 修改的路由協(xié)議AODV協(xié)議的一個(gè)很大的缺陷是每個(gè)源結(jié)點(diǎn)只維護(hù)一條到一個(gè)特定目的結(jié)點(diǎn)的路由，如果這條路由失效，將會(huì)重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，從而增大網(wǎng)絡(luò)的開銷。在拓?fù)渥兓l繁的網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)缺點(diǎn)顯得尤為突出。如圖所示例子，如果結(jié)點(diǎn)S需要和結(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，但結(jié)點(diǎn)S中沒有到結(jié)點(diǎn)D的有效路由，結(jié)點(diǎn)S將會(huì)廣播一個(gè)RREQ分組。結(jié)點(diǎn)1收到此砌也Q分組后，假設(shè)其沒有到結(jié)點(diǎn)D的有效路由，結(jié)點(diǎn)1會(huì)繼續(xù)廣播此RREQ分組。假設(shè)結(jié)點(diǎn)2的路由表中有一條到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)D的有效路由，結(jié)點(diǎn)4和結(jié)點(diǎn)5的路由表中沒有到結(jié)點(diǎn)D的有效路由。最終結(jié)點(diǎn)S將會(huì)先后收到由結(jié)點(diǎn)2和結(jié)點(diǎn)D發(fā)送的包含S123D和S1-456D路由的RRE

10、P分組。結(jié)點(diǎn)S只會(huì)根據(jù)目的節(jié)的序列號(hào)和至目的結(jié)點(diǎn)的跳數(shù)保留其中的一條路由，另一條路由即使是有效路由也將被丟棄。在此例中，由于目的結(jié)點(diǎn)序列號(hào)較小，路由S1-23一D將被丟棄。如在結(jié)點(diǎn)S通過路由S1456D與結(jié)點(diǎn)D通信的過程中，結(jié)點(diǎn)1發(fā)現(xiàn)與結(jié)點(diǎn)4斷開，結(jié)點(diǎn)S需要重新發(fā)起一個(gè)至結(jié)點(diǎn)D的路由發(fā)現(xiàn)過程，最后可能會(huì)再次收到包含路由S1-23D的RREP分組。在每個(gè)源結(jié)點(diǎn)維護(hù)一條到指定目的結(jié)點(diǎn)的備份路由，并通過修改本地修復(fù)機(jī)制，使得當(dāng)主路由失效時(shí)，會(huì)通過備份路由來發(fā)送數(shù)據(jù)包。只有當(dāng)備用路由也失效時(shí)才重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，是我們改進(jìn)路由協(xié)議的思想。為了區(qū)分主路由與備份路由，需要對(duì)原有的路由表做一定的擴(kuò)充，具體

11、做法為在aodvrtableh中的aodvrtentry類聲明中添加一個(gè)標(biāo)志位rt_pfiority并在aodvrt entry的構(gòu)造函數(shù)中將其初始化為0。當(dāng)其為0時(shí)，表示主路由，當(dāng)其為1時(shí)，表示備份路由。為了實(shí)現(xiàn)備份路由的添加及查找功能，在aodvrtable類中添加rt_addbackup(nsad&tid)和rt_lookupbaekup(nsaddr_t,id)兩個(gè)函數(shù)。代碼如下：Aodvlc_rt_entry*aodvle_rtable：rt_addback(nsaddr_tid)Aodvlc_rt_entry*rt；assert(rt_lookup(id)=o)；Rt=new ao

12、dvlc_rt_entry；assert(rt)；rt-rt_dst=id；rt-rt_priofity=1;LIST_INSERT_HEAD(&rthead,rt，rt link)；Retum rt；Aodvlc_rt_entry*aodvlc_rtable：rt_lookupback(nsaddr_tid)Aodvlc_rt_entry*rt=rthead.1h_first；for(；rt；rt=rt-rt_link1e_next)if(rt-rt_dst_id)&(rt-rt_priority=1)break；Return rt；4、 課程設(shè)計(jì)小組分工組長(zhǎng)：施國(guó)豪無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及TC

13、L腳本編寫：董嘉偉路由、MAC層協(xié)議仿真：裘鋮路由協(xié)議改進(jìn)：董嘉偉報(bào)告編寫：董嘉偉、裘鋮資料收集：施國(guó)豪5、 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程a) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建 我采用了VMWARE+CENTOS+NS2的搭建方式。曾經(jīng)考慮在Windows下使用Cygwin+NS2的搭建方式，但由于Cygwin下模擬Linux編譯NS2文件經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以換用虛擬機(jī)VMWARE安裝CENTOS來測(cè)試。安裝需要額外的包來完成支持，具體包如下： G+、Gcc、libX11、xorg-x11、libXt、libXmu，以CentOS為例，需執(zhí)行以下指令（使用Root用戶） $yum install libX11-devel*

14、$yum install xorg-x11-proto-devel* $yum install libXt-devel* $yum install libXmu-devel* 在NS2的解壓目錄下執(zhí)行./install,安裝完成后執(zhí)行簡(jiǎn)單的tcl測(cè)試腳本，運(yùn)行成功，結(jié)果如下： b) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書要求，設(shè)計(jì)一個(gè)含有100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)。拓?fù)鋱D如下： 借助NSG2完成隨機(jī)節(jié)點(diǎn)的分布，其中具備鄰居條件的用藍(lán)色線條連接表示，灰色線條代表某節(jié)點(diǎn)的廣播域。 除此之外，NSG2還可以用來輔助生成TCL腳本文件。根據(jù)自己預(yù)設(shè)的條件設(shè)置諸如節(jié)點(diǎn)路由協(xié)議、MAC協(xié)議、物理層模型、節(jié)

15、點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)橫縱坐標(biāo)范圍等等，極大地降低了編寫測(cè)試腳本的難度，提高了協(xié)議的修改和測(cè)試速度。根據(jù)現(xiàn)有TCL測(cè)試腳本，編輯節(jié)點(diǎn)屬性如下：set val(chan) Channel/WirelessChannel ;# channel typeset val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# radio-propagation modelset val(netif) Phy/WirelessPhy ;# network interface typeset val(mac) Mac/802_11 ;# MAC typeset val(ifq) Queue/Dr

16、opTail/PriQueue ;# interface queue typeset val(ll) LL ;# link layer typeset val(ant) Antenna/OmniAntenna ;# antenna modelset val(ifqlen) 50 ;# max packet in ifqset val(nn) 100 ;# number of mobilenodesset val(rp) DSDV ;# routing protocolset val(x) 14248 ;# X dimension of topographyset val(y) 100 ;# Y

17、 dimension of topographyset val(stop) 10 ;# time of simulation end$ns node-config -adhocRouting $val(rp) -llType $val(ll) -macType $val(mac) -ifqType $val(ifq) -ifqLen $val(ifqlen) -antType $val(ant) -propType $val(prop) -phyType $val(netif) -channel $chan -topoInstance $topo -agentTrace ON -routerT

18、race ON -macTrace ON -movementTrace ONAGENT屬性設(shè)置set udp_(0) new Agent/UDP$ns attach-agent $n84 $udp_(0)set null_(0) new Agent/Null$ns attach-agent $n30 $null_(0)$ns connect $udp_(0) $null_(0)set cbr_(0) new Application/Traffic/CBR$cbr_(0) set packetSize_ 512$cbr_(0) set interval_ 0.1$cbr_(0) set rand

19、om_ 1$cbr_(0) set maxpkts_ $cbr_(0) attach-agent $udp_(0)$ns at 4.0 $cbr_(0) startc) 路由層、MAC層協(xié)議仿真1. 路由層協(xié)議仿真在路由層，我們模擬的路由協(xié)議是AODV路由協(xié)議。100個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具體測(cè)試如下：2. MAC層協(xié)議仿真節(jié)點(diǎn)TCL測(cè)試腳本編輯如下：set tcp new Agent/TCP$tcp set class_ 2set sink new Agent/TCPSink$ns_ attach-agent $node_(0) $tcp$ns_ attach-agent $node_(1) $sink

20、$ns_ connect $tcp $sinkset ftp new Application/FTP$ftp attach-agent $tcp$ns_ at 0.5 $ftp start for set i 0 $i $val(nn) incr i $ns_ at 6.0 $node_($i) reset;$ns_ at 6.0 stop$ns_ at 6.01 puts NS EXITING. ; $ns_ haltproc stop global ns_ tracefd $ns_ flush-trace close $tracefdputs Starting Simulation.$ns

21、_ runWireless-simple-mac的trace內(nèi)容截圖如下：Wireless-simple-mac的NAM截圖如下：d) 路由協(xié)議改進(jìn)節(jié)點(diǎn)開始廣播建立網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳輸需求建立路由線路 節(jié)點(diǎn)建立路由成功，開始傳輸數(shù)據(jù) 六、課程設(shè)計(jì)結(jié)果分析 在路由協(xié)議仿真中，AODV協(xié)議確實(shí)跟我們之前學(xué)過的路由協(xié)議不一樣，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議運(yùn)行大致分為兩個(gè)階段：路由建立階段、數(shù)據(jù)收集階段。當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署到網(wǎng)絡(luò)并開啟電源后，并不是立即進(jìn)入數(shù)據(jù)收集。而是首先由基站發(fā)送Hello包，節(jié)點(diǎn)接受到Hello包后，更新自己的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，從而建立樹狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。進(jìn)入數(shù)據(jù)收集階段后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)接受到

22、數(shù)據(jù)包后，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)向鄰居表中的某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)收集包(Collect包)，最終將接收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到基站，傳給應(yīng)用程序進(jìn)行處理。而AODV協(xié)議采用產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)才會(huì)建立路由，這種所需才所求的方式特別適合傳感器節(jié)點(diǎn)這種能量有限、數(shù)據(jù)量小的特征，所以具有一定的優(yōu)越性。 在MAC協(xié)議仿真中，MAC層在建立連接后，即傳輸傳輸層中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，在本次實(shí)驗(yàn)中，采用的是TCP AGENTS，由于TCP三次握手的原理，所以TCP在數(shù)據(jù)傳輸中會(huì)產(chǎn)生太多的額外信息，加重了節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，不利于節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。所以我們?cè)跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層中，應(yīng)選取短小安全的傳輸層協(xié)議，例如PSFQ協(xié)議。這類協(xié)議屬于慢分發(fā)快提取可靠