【正文】 .................. 22 模塊說明 ......................................................................................................... 23 6 制作與調(diào) 試 ............................................................................................................... 26 硬件電路的布線與焊接 ................................................................................. 26 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 調(diào)試 ................................................................................................................. 26 7 結(jié)論 ........................................................................................................................... 28 致謝 ................................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................... 30 附錄 ................................................................................................................................. 31 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 1 引言 由于近年來 傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通訊技 術(shù)的發(fā)展， 微型制造技術(shù)、通信技術(shù)及電池技術(shù)的改進(jìn)，促使微小的傳感器可具有感應(yīng)、無線通信及處理信息的能力。此類傳感器不僅能感應(yīng)及監(jiān)測(cè)環(huán)境，而且可處理收集到的數(shù)據(jù)．并將處理后的數(shù)據(jù)以無線的方式傳送到基站。這些具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織就構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 以大量的具有微處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)問題。美國(guó)商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為 21世紀(jì)最有影響的技術(shù)和改變世界的技術(shù) 之一。與傳統(tǒng)無線通訊網(wǎng)絡(luò) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)相比， WSN 的自組織性、動(dòng)態(tài)性、可靠性和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，使其可以應(yīng)用到人員無法到達(dá)的地方，比如戰(zhàn)場(chǎng)，沙漠等。因此，可以斷定未來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有更為廣泛的前景。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分廣泛 ，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息（如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象），并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、工業(yè)生 產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 網(wǎng)絡(luò)仿真 ,就是運(yùn)用仿真軟件對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型化 ,通過程序的運(yùn)行模仿通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)過程。目前 ,已獲得廣泛應(yīng)用的各種通用、專用的仿真軟件覆蓋了幾乎所有硬件平臺(tái) ,其中多平臺(tái)適用的 NS(Network Simulator)仿真器是最常見的基于事件的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件之一 ,它是美國(guó) DARPA 支持的項(xiàng)目 VINT 開發(fā)的通用多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 ,在設(shè)計(jì)思路上試圖滿足網(wǎng)絡(luò)研究界在網(wǎng)絡(luò)仿真方面的抽象、仿真、場(chǎng)景生成、可視化、可擴(kuò)充性等多方面需求 ,能夠應(yīng)用于無線環(huán)境 ,支持純無線局域網(wǎng)、 有線無線混合網(wǎng)絡(luò)等的仿真。該仿真器屬于自由軟件、提供源代碼 ,可以為低成本的研究、實(shí)驗(yàn)提供一套良好的仿真工具。 NS 是在網(wǎng)上分開發(fā)布的 ,并且已被網(wǎng)絡(luò)研究者廣泛使用。 NS 仿真器是一個(gè)基于 Unix/ linux 平臺(tái)的軟件包 ,包括 Tcl/ tk、 NS、 Otcl、 Tclcl 等。其中 , Tcl 是一個(gè)開放腳本語(yǔ)言 ,用來對(duì) NS進(jìn)行編程 。 tk是 Tcl 的圖形界面開發(fā)工具 ,用于 X環(huán)境的圖形界面開發(fā) 。 Otcl 是基于 Tcl/ tk 的面向?qū)ο髷U(kuò)展 ,有自己的類層次結(jié)構(gòu) 。 NS 是面向?qū)ο蟮姆抡嫫?,用 C+ + 編寫 ,以O(shè)tcl 解釋器作為前 端 。 Tclcl 則提供 NS和 Otcl 的接口 ,使對(duì)象和變量出現(xiàn)在兩種語(yǔ)言中。早期的 NS 就是對(duì)一個(gè)基本的 Tcl 解釋器進(jìn)行擴(kuò)展 ,加入了網(wǎng)絡(luò)仿真的一些命令而形成的。隨著版本的更新 ,NS 完全運(yùn)用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)思想 ,使用杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 OTcl 和 C+ +語(yǔ)言混合編程 , 利用 TclcL 機(jī)制 , 通過兩個(gè) C+ + 類即 TclObject 和TclClass 將 OTcl 類和 C+ +類關(guān)聯(lián)起來 ,使得在 C+ +中能直接調(diào)用 OTcl 解釋器的功能 ,OTcl 和 C+ +能夠互相直接操作對(duì)方定義的數(shù)據(jù)。 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真 , NS已經(jīng)預(yù)先做了大量的模型化工作 ,它對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一些通用的實(shí)體已經(jīng)進(jìn)行了建模 ,如鏈路、隊(duì)列、分組、節(jié)點(diǎn)等 ,并用對(duì)象來實(shí)現(xiàn)了這些實(shí)體的特性和功能 ,這就是 NS的構(gòu)件庫(kù) ,而且這些對(duì)象易于組合 ,易于擴(kuò)展 ,用戶可以充分利用這些已有的對(duì)象 ,進(jìn)行少量的擴(kuò)展 ,組合出新的具備研究的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的模型 ,然后進(jìn)行仿真 ,這樣就大大減輕了進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的工作量 ,提高了效率。擴(kuò)充 nS的主要方法就是使用 OTcl或 C+ +語(yǔ)言 ,繼承 ns已實(shí)現(xiàn)的類 ,增添自己的功能 ,再與原有的源文件一起重新編譯、運(yùn)行。由于 ns已實(shí)現(xiàn)的類豐富、可靠和易于重用性 ,使二次開發(fā)人員可以將精力集中于欲實(shí)現(xiàn) 的新模塊 ,大大提高了工作效率 ,而且基于 NS這個(gè)廣泛采用的框架 ,使每次開發(fā)的成果都可以為更多研究項(xiàng)目共享 ,有利于成果的積累。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 概述 NS2 介紹 NS是一種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開的、免費(fèi)的軟件模擬平臺(tái)，研究人員使用它可以很容易的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)，而且發(fā)展到今天，它所包含的模塊已經(jīng)非常豐富，幾乎涉及到了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面。所以， NS成了目前學(xué)術(shù)界廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。在每年國(guó)內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)術(shù)論文中，利用NS給出模擬結(jié)果的文章最多，通過這種方法得出的研究結(jié)果也是被 學(xué)術(shù)界所普遍認(rèn)可的，此外， NS 也可作為一種輔助教學(xué)的工具，已被廣泛應(yīng)用在了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)方面。因此，目前在學(xué)術(shù)界和教育界，有大量的人正在使用或試圖使用 NS。 NS2 簡(jiǎn)介 NS2（ Network Simulator, version 2）是一種面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真器，由 UC Berkeley 開發(fā)而成。它本身有一個(gè)虛擬時(shí)鐘，所有的仿真都由離散事件驅(qū)動(dòng)的。目前 NS2 可以用于仿真各種不同的 IP 網(wǎng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一些仿真有：網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，比如 TCP 和 UDP；業(yè)務(wù)源流量產(chǎn)生器，比如 FTP， Tel,Web CBR 和 VBR；路由隊(duì)列管理機(jī)制，比如 Droptail,RED 和 CBQ；路由算法，比如 Dijkstra 等。 NS2 也為進(jìn)行局域網(wǎng)的仿真而實(shí)現(xiàn)了多播以及一些 MAC 子層協(xié)議。 NS2 使用 C++和 Otcl 作為開發(fā)語(yǔ)言。 NS 可以說是 Otcl 的腳本解釋器，它包含仿真事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)組件對(duì)象庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型庫(kù)等。事件調(diào)度器計(jì)算仿真時(shí)間，并且激活事件隊(duì)列中的當(dāng)前事件，執(zhí)行一些相關(guān)的事件，網(wǎng)絡(luò)組件通過傳遞分組來相互通信，但這并不耗費(fèi)仿真時(shí)間。所有需要花費(fèi)的仿真時(shí)間來處理分組的網(wǎng)絡(luò)組件都必須要使用事件調(diào)度器。它先 為這個(gè)分組發(fā)出一個(gè)事件，然后等待這個(gè)事件被調(diào)度回來之后，才能做下一步的處理工作。事件調(diào)度器的另一個(gè)用處就是計(jì)時(shí)。 NS是用 Otcl和 C++編寫的。由于效率的原因， NS 將數(shù)據(jù)通道和控制通道的實(shí)現(xiàn)相分離。為了減少分組和事件的處理時(shí)間，事件調(diào)度器和數(shù)據(jù)通道上的基本網(wǎng)絡(luò)組件對(duì)象都使用 C++寫出并編譯的，這些對(duì)象通過映射對(duì) Otcl 解釋器可見。 當(dāng)仿真完成以后， NS 將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)基于文本的跟蹤文件。只要在 Tcl 腳本中加入一些簡(jiǎn)單的語(yǔ)句，這些文件中就會(huì)包含詳細(xì)的跟蹤信息。這些數(shù)據(jù)可以用于下一步的分析處理，也可 以使用 NAM 將整個(gè)仿真過程展示出來。 使用 NS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的方法和一般過程 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真前，首先分析仿真涉及哪個(gè)層次， NS 仿真分兩個(gè)層次：一個(gè)是基于 OTcl 編程的層次。利用 NS 已有的網(wǎng)絡(luò)元素實(shí)現(xiàn)仿真，無需修改 NS本身，只需編寫 OTcl 腳本。另一個(gè)是基于 C++和 OTcl 編程的層次。如果 NS中沒有所需的杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 網(wǎng)絡(luò)元素，則需要對(duì) NS 進(jìn)行擴(kuò)展，添加所需網(wǎng)絡(luò)元素，即添加新的 C++和 OTcl 類，編寫新的 OTcl 腳本。整個(gè)仿真的過程簡(jiǎn)圖如圖 2所示： 假設(shè)用戶已經(jīng)完成了對(duì) NS的擴(kuò)展，或者 NS 所包含的構(gòu)件已經(jīng)滿 足了要求，那么進(jìn)行一次仿真的步驟大致如下： （ 1） 開始編寫 OTcl 腳本。首先配置模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時(shí)可以確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。 （ 2） 建立協(xié)議代理，包括端設(shè)備的協(xié)議邦定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立。 （ 3） 配置業(yè)務(wù)量模型的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布。 （ 4） 設(shè)置 Trace 對(duì)象。 NS 通過 Trace 文件來保存整個(gè)模擬過程。仿真完后，用戶可以對(duì) Trace 文件進(jìn)行分析研究。 （ 5） 編寫其他的輔助過程，設(shè)定模擬結(jié)束時(shí)間，至此 OTcl 腳本編寫 完成。 （ 6） 用 NS解釋執(zhí)行剛才編寫的 OTcl 腳本。 （ 7） 對(duì) Trace 文件進(jìn)行分析，得出有用的數(shù)據(jù)。 （ 8） 調(diào)整配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)量模型，重新進(jìn)行上述模擬過程。 NS2 采用兩級(jí)體系結(jié)構(gòu)，為了提高代碼的執(zhí)行效率， NS2 將數(shù)據(jù)操作與控制部分的實(shí)現(xiàn)相分離，事件調(diào)度器和大部分基本的網(wǎng)絡(luò)組件對(duì)象后臺(tái)使用 C++實(shí)現(xiàn)和編譯，稱為編譯層，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的處理； NS2 的前端是一個(gè) OTcl 解釋器，稱為解釋層，主要功能是對(duì)模擬環(huán)境的配置、建立。從用戶角度看， NS2 是一個(gè)具有仿真事件 驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件對(duì)象庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)配置模塊庫(kù)的 OTcl 腳本解釋器。NS2 中編譯類對(duì)象通過 OTcl 連接建立了與之對(duì)應(yīng)的解釋類對(duì)象，這樣用戶間能夠方便地對(duì) C++對(duì)象的函數(shù)進(jìn)行修改與配置，充分體現(xiàn)了仿真器的一致性和靈活性。 NS2 的功能模塊 NS2 仿真器封裝了許多功能模塊，最基本的是節(jié)點(diǎn)、鏈路、代理、數(shù)據(jù)包格式等等，下面分別來介紹一下各個(gè)模塊。 ⑴事件調(diào)度器：目前 NS2 提供了四種具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的調(diào)度器，分別是鏈表、堆、日歷表和實(shí)時(shí)調(diào)度器。 （ 2）節(jié)點(diǎn)（ node） :是由 TclObject 對(duì)象組成的復(fù)合組件，在 NS2 中可以表示端節(jié)點(diǎn)和路由器。 （ 3）鏈路（ link） :由多個(gè)組件復(fù)合而成，用來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。所有的鏈路都是以隊(duì)列的形式來管理分組的到達(dá)、離開和丟棄。 （ 4）理（ agent） :負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層分組的產(chǎn)生和接收，也可以用在各個(gè)層次的協(xié)議實(shí)現(xiàn)中。每個(gè) agent 連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，由該節(jié)點(diǎn)給它分配一個(gè)端口號(hào)。 （ 5）（ packet） :由頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成。一般情況下， packet 只有頭部、沒有數(shù)據(jù)部分。 NS2 的軟件構(gòu)成 杭州電子