仿真流程 - 基于NS-3的MANET路由协议性能分析

　　2.2 NS-3仿真流程

　　以下简单介绍NS-3代码编写的特点及如何在NS-3中搭建一个完整仿真场景的过程。NS-3运行在Linux环境下，对Linux系统版本有要求且依赖较多系统组件，安装过程较复杂。NS-3仿真器代码核心部分全部使用C++语言编写，外部配置。编译。执行使用了基于Python的waf系统，方便使用者配置仿真场景。NS-3完全模拟了TCP/IP的协议栈，并且把每一层的功能模块化，在NS-3安装完成后，默认只是生成各个功能模块，自带的仿真例子没有生成，需要把这些例子复制到scrach文件夹下才能运行，并且NS-3中编写好的代码也都需要放到该文件夹下才能运行。在NS-3中搭建仿真场景遵循固定的流程，在编写C++代码时一般可以分为以下几个步骤：

　　（1）设置仿真场景的全局参数。比如采用Seed-Manager：：SetSeed（7）设置随机数种子，以保证产生相同的随机序列，设置随机平面移动模型（Random-Walk2dMobilityModel）的参数Config：：SetDefault（“NS-3：：RandomWalk-2dMobilityModel：：Mode”，StringValue（“Tim-e”））等，以上的全局设定使得仿真场景可以重现。

　　（2）定义仿真中使用的参数，比如数据包的大小，需要创建的节点个数，物理层使用的传输速率等，这些参数可以使用CommandLine类来实现并解析，方便在仿真过程中使用外部脚本动态改变这些参数。

　　（3）创建网络节点，然后按照TCP/IP协议，从下而上给网络节点安装协议栈。NS-3在实现中考虑到为了方便使用者，协议栈的每一层都实现了帮助类（XXX-Helper），使用者可以方便地使用这些帮助类设定每一层参数。比如使用YansWifiPhyHelper设定物理层协议，使用YansWifiChannelHelper来设置传输信道类型，使用NqosWifiMacHelper来设置数据链路层协议等。最后通过帮助类给节点安装路由协议，分配IP地址，至此便搭建了TCP/IP的物理层。数据链路层和网络层，实现网络的通信功能。

　　（4）通信网络搭建好后，需要编写实验程序，即在节点之间的收发数据包的代码，以达到测试底层协议的目的。NS-3中为了减少使用者的编程工作量，同样提供了丰富易用的函数，一般都是先创建使用UDP协议套（Socket），同时把接收节点号。发送节点号作为参数传入，再给套接字指定IP地址，端口号，最后让发送节点连接到接收节点。为接收节点指定回调函数。

　　（5）完成节点之间如何发送数据包的代码后，需要编写接收节点的回调函数，即在接收节点收到数据包后调用的函数。可以在回调函数中对数据包的时延，投递率进行统计。

　　（6）使用Simulator：：Schedule函数设定调度事件即设定源节点的发送数据的开始时间，发送间隔，发送数据包总数等。至此，整个场景部署完成。

　　3路由协议的仿真及性能比较

　　在Ubuntu 10.04环境下使用NS-3.16对AODV.DS-DV和OLSR这三种路由协议进行仿真，并在相同的仿真场景下比较其性能指标。分别在静态场景和动态场景下，考察网络规模。网络拓扑变化对协议性能的影响。

　　3.1静态场景

　　仿真场景设置：模拟器的随机数种子设定为常数7，节点按网格分布，网格边长500 m，节点的规模从2×2，3×3逐渐增大到18×18；设定节点的通信半径为656 m，选取网格中对角线的一个节点向另一个节点发送UDP数据包，共发送500个数据包，包的大小为1 000 B，发送时间间隔为1 s.这里节点的物理层传输延迟模型采用Con-stantSpeedPropagationDelayModel，衰落模型选用Friis-PropagationLossModel，数据传输速率设置为1 Mb/s.增加网络节点数，考察3种协议的端到端平均时延和包投递率情况，如图2和图3所示。

　　

　　由图2可以看出，3种路由协议的平均时延随节点规模的增大而增大，其中AODV和OLSR协议受到的影响较小，而DSDV的平均时延随着节点规模的增大而急剧增大。图3中AODV，OLSR的数据包投递率随节点数增大而不变，能保证百分百交付；而DSDV协议的投递率在节点数增大到一定的规模后开始下降。以上特性说明在节点规模增大时，AODV和OLSR协议的性能要优于DSDV.

　　3.2动态场景

　　仿真场景设置：在静态场景的基础上，为节点添加RandomWalk2dMobilityModel运动模型，该模型为每个节点随机选择一个方向，以设定的速度移动一段时间后再随机选择另一个方向继续移动，直接到仿真结束。设定相同的随机数种子以保证每次仿真中节点的运行轨迹一致。设定网格的边长为300 m，节点的规模固定为7×7，即节点运动的区域限制在2 100 m×2 100 m的矩形内。仍考察对角线的一个节点向另一个节点发送UDP数据包，每次仿真发送3 000个数据包。增加节点移动速度，考察三种协议的端到端平均时延和包投递率情况，如图4和图5所示。

　　从图4和图5可以看出，3种路由协议的平均时延与节点的移动速度相关性不大，在速度较小时，3种路由协议的平均时延较稳定，但在速度较大时，由于节点在矩形区域内做无规则的快速运动，数据包从源节点传输到目标节点的跳数不确定，所以平均时延变化具有一定随机性。

　　而由图5可以看出，随着节点移动速度的增大，数据包的投递率逐渐下降，AODV协议因其属于按需路由而不需要频繁地维护路由信息，所以在速度较大时较其他2种协议表现更好。

　　

　　4结语

　　论文通过NS-3搭建了MANET路由仿真平台，从端到端平均时延和投递率角度分析比较了MANET三种路由协议。静态场景中，节点数增加时，3种协议端到端平均时延均随之增加，但AODV和OLSR增加不明显，并且两者的投递率也几乎不受网络规模影响，相比之下，DSDV端到端时延和投递率受网络规模影响较明显。动态场景中，节点移动速度增加，3种协议的投递率都降低，而且总体上平均时延较小者，表现出更好的投递率。