【正文】 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 57 頁 1 引言 研究問題現(xiàn)狀 近年來，無線通信技術得到了飛速的發(fā)展，新技術不斷出現(xiàn)，其中移動通信系統(tǒng)的 3G 技術已經(jīng)進入應用普及階段，并朝第四代通信系統(tǒng)方向演進?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》 (2022一 2020)中已經(jīng)明確提出了未來通信領域的競爭將集中反映在特殊環(huán)境和新興應用領域中的通信網(wǎng)絡能力及通信技術的競爭上 [1]。其中新興應用領域涉及到的移動網(wǎng)絡技術更是被作為前沿技術中的重點。目前 ,移動通信的快速發(fā)展使得移動網(wǎng)絡帶寬逐漸增大，移動應用不斷豐富，移動終端的處理能力越來越強。為了適應不同的應用 需求 ,各具特色的網(wǎng)絡結構和無線網(wǎng)絡技術不斷涌現(xiàn) ,包括無線個域網(wǎng) (如 )、無線局域網(wǎng) (如)、無線城域網(wǎng) (如 、 )、無線移動廣域網(wǎng) (如2G、 3G)、衛(wèi)星網(wǎng)絡，以及無線自組織 (Ad Hoc)網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡 (Wireless Sensor Network,WSN)等等。而 WIFi、 WIMax、 UWB等無線接入網(wǎng)絡和 GPRS、 B3G、UMTS 等蜂窩移動網(wǎng)絡等基礎設施與技術的完善為移動應用提供了在任何時間、任何地點訪問所有網(wǎng)絡服務的可能 性。 在上述的各種網(wǎng)絡發(fā)展后，一種節(jié)點移動范圍更大，網(wǎng)絡大多數(shù)都是不連通的新型網(wǎng)絡出現(xiàn)了，這種類型的網(wǎng)絡被稱為機會網(wǎng)絡，機會網(wǎng)絡是一種不需要源節(jié)點和目的節(jié)點之間存在完整路徑，利用節(jié)點移動帶來的相遇機會實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的自組織網(wǎng)絡。 經(jīng)過近幾年的發(fā)展，機會網(wǎng)絡技術研究與應用已經(jīng)取得了一定的進展，但是，總體而言目前相關研究還處于一個剛起步的初級階段。隨著移動應用業(yè)務的增加以及機會網(wǎng)絡商業(yè)化，機會網(wǎng)絡技術的全面應用與深入仍然要解決很多極具挑戰(zhàn)性的問題，如復雜環(huán)境下的路由、數(shù)據(jù)時延與網(wǎng)絡開銷均衡問題、移動狀態(tài)下網(wǎng)絡可靠 性以及安全問題等等。同時在一些領域，機會網(wǎng)絡的相關技術標準尚未形成，尤其在國內(nèi)對于這類高延遲的特殊通信網(wǎng)絡的研究才剛剛起步。規(guī)劃信息化發(fā)展戰(zhàn)略中不僅強調(diào)了信息產(chǎn)業(yè)以及信息技術的發(fā)展，同時也提出了將寬帶無線移動通信、新興及特殊應用領域的網(wǎng)絡通信等核心關鍵技術研究作為我國信息技術的主要發(fā)展方向之一。因此，對機會網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分發(fā)展開研究將為正確理解機會中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 57 頁 網(wǎng)絡拓撲與數(shù)據(jù)傳輸特點提供可行性依據(jù)，有助于推進現(xiàn)有關鍵技術的可擴展性，并對提高機會網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性，探索節(jié)點移動模型對機會網(wǎng)絡服務性能保障的影響，推動相關技術的深入 研究有重要現(xiàn)實的意義。 2022 年 , 等人基于網(wǎng)絡信息流的概念提出了網(wǎng)絡編碼的思想，通過允許中間節(jié)點既實現(xiàn)路由功能又實現(xiàn)編碼功能，達到組播的最大流量 [2]。為使得網(wǎng)絡編碼具有實際可用性， Li 等人提出了線性網(wǎng)絡編碼的概念，證實節(jié)點進行線性網(wǎng)絡編碼運算，具有可行性，能夠達到最大流傳輸理論極限 [3]。 Ho 等人推廣了這一概念，提出了有限域下隨機線性網(wǎng)絡編碼的思想，并證實其有效性 [4]。之后，隨機線性網(wǎng)絡編碼被應用于各個方面的研究，用于提高網(wǎng)絡吞吐量、能量利用效率。 網(wǎng)絡編碼徹底改變了通信網(wǎng)絡中信息 處理和信息傳輸?shù)姆绞?，被認為是進入 21 世紀后信息處理和信息傳輸研究領域上最重要的理論成果之一。網(wǎng)絡編碼的核心思想是允許通信網(wǎng)絡中的節(jié)點對傳輸?shù)男畔⑦M行操作和處理（如有限域中的運算等），而不再局限于存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。與傳統(tǒng)的基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的路由傳輸機制相比，網(wǎng)絡編碼能顯著改善數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)性能，如提升網(wǎng)絡吞吐量，節(jié)約傳輸帶寬和均衡網(wǎng)絡負載等。網(wǎng)絡編碼具有重要的理論價值和廣泛的應用前景，其研究已經(jīng)引起了學術界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注和高度重視。國際知名大學、科研機構和公司，如普林斯頓大學、麻省理工學院（ MIT）、貝爾實驗室 （ Bell Lab）、 ATamp。T 的香農(nóng)信息實驗室和微軟公司（ Microsoft）等都積極投入對網(wǎng)絡編碼的研究，并取得了一些重要的研究成果。我國的香港中文大學（ CUHK）、清華大學、中國科學技術大學、西安電子科技大學和南京大學等也對網(wǎng)絡編碼展開了研究，并取得一定的進展。 機會網(wǎng)絡經(jīng)常出現(xiàn)鏈路斷裂，網(wǎng)絡不連通的狀況，在這種情況下，節(jié)點一般并不丟棄數(shù)據(jù)包，相反節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)一般采用“存儲一攜帶一轉(zhuǎn)發(fā)”的模式， 傳統(tǒng)的機會網(wǎng)絡中，中間節(jié)點只進行數(shù)據(jù)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)操作，但是運用網(wǎng)絡編碼的機會網(wǎng)絡中，中間節(jié)點可以對接收到的數(shù) 據(jù)塊進行隨機線性組合編碼，可以增大單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。 隨著網(wǎng)絡規(guī)模的日趨龐大、各種網(wǎng)絡方案和協(xié)議日趨復雜，分析、實驗和仿真等方法成為了當前進行網(wǎng)絡技術研究的有效手段。研究網(wǎng)絡仿真技術成為了現(xiàn)中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 57 頁 代通信網(wǎng)絡設計的重要環(huán)節(jié)，在通信網(wǎng)絡性能研究中起關鍵性作用。在眾多網(wǎng)絡仿真軟件中 NS2具有免費、源代碼開放、易擴展等等優(yōu)點而備受研究人員的青睞。NS2是一個開源的網(wǎng)絡仿真軟件，可以再 windows/unix上運行，且所有源代碼公開，對于進行網(wǎng)絡的研究和擴展非常方便。 本課題研究的內(nèi)容就是在仿真平臺 NS2 下 設計并建立機會網(wǎng) 絡模型，理解網(wǎng)絡編碼的原理，在 NS2 中編程實現(xiàn)基于分簇的隨機線性網(wǎng)絡編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的仿真并與一般的網(wǎng)絡編碼比較其網(wǎng)絡吞吐量和時延性能。 本文的內(nèi)容組織 本文內(nèi)容組織如下：先分別介紹了機會網(wǎng)絡、網(wǎng)絡編碼原理及仿真平臺 NS2的各種知識，然后使用 NS2 構建機會網(wǎng)絡拓撲，編出各個代碼腳本，在 NS2 上仿真實驗，得出數(shù)據(jù)并畫圖進行說明驗證。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 57 頁 2 機會網(wǎng)絡及網(wǎng)絡編碼相關知識 機會網(wǎng)絡的概念 機會網(wǎng)絡是一種特殊的自組織網(wǎng)絡，它不需要存在端到端的完整路徑，充分利用了節(jié)點 移動帶來的相遇機會（ contact），實現(xiàn)數(shù)據(jù)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，并最終傳送到目的節(jié)點 [5]。從本質(zhì)上來看，機會網(wǎng)絡否定了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€根本前提—— 在路由期間或者數(shù)據(jù)傳遞期間，存在一條或者多條源端到目的端的路徑。機會網(wǎng)絡中的相遇（ contact）概念是指節(jié)點之間發(fā)生的一次聯(lián)系。當節(jié)點（如：車輛、移動用戶）進入彼此的通信范圍之內(nèi)時，則發(fā)生通信，當兩者離開彼此通信范圍時，則鏈路斷開，停止通信。在機會網(wǎng)絡中， contact是機會性的，而非確定性的。 圖 ， t1時刻源節(jié)點 S希望將數(shù)據(jù)傳輸給目 標節(jié)點 D，但 S 和 D 位于不同的連通域而沒有通信路徑，因此， S 首先將數(shù)據(jù)打包成消息發(fā)送給鄰居節(jié)點 3，由于 3并沒有合適的機會轉(zhuǎn)發(fā)下一跳節(jié)點，它將消息在本地存儲并等待傳輸機會，經(jīng)過一段時間到達 t2 時刻，節(jié)點 3運動到節(jié)點 4的通信范圍并轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點 4，在 t3時刻，節(jié)點 4將消息傳輸給目標節(jié)點 D， 完成數(shù)據(jù)傳輸。 圖 機會網(wǎng)絡示意圖 機會網(wǎng)絡的部分概念來源于早期的延遲容忍網(wǎng)絡 DTN(delay tolerant work)[6] 研 究 。 DTN 最 初 是 容 遲 網(wǎng) 絡 研 究 組 (DTNRG) 為 星 際 網(wǎng) 絡IPN(interplaary work)[7]通信而提出來的，其主要目標是支持具有間歇性連通、延遲大、錯誤率高等通信特征的不同網(wǎng)絡的互聯(lián)和互操作，如互聯(lián) Inter和傳感器網(wǎng)絡、移動自組織網(wǎng)絡等。 DTN網(wǎng)絡體系由多個底層運行獨立通信協(xié)議的DTN域組成。域間網(wǎng)關利用“存儲 轉(zhuǎn)發(fā)”的模式工作，當去往目標 DTN域的鏈路存在時轉(zhuǎn)發(fā)消息，否則，將消息存儲在本地持久存儲器中等待可用鏈路。機會網(wǎng)絡可以看成是具有一般 DTN 網(wǎng)絡特征的無線自組網(wǎng)。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 57 頁 機會網(wǎng)絡的構架 機會網(wǎng)絡的體系結構與傳統(tǒng) Inter傳輸結構的最 大區(qū)別在于束層（ BundleLayer），它位于傳輸層和應用層之間，它跟底層協(xié)議相互配合，使得應用程序可以跨過多個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)通信。機會網(wǎng)絡節(jié)點使用束層來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，并保證逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性以及端到端的確認。該架構非常靈活，既保證了各層的共性，又避免非法使用其他層。 束層 為了實現(xiàn)“存儲 攜帶 轉(zhuǎn)發(fā)”的消息交換機制，機會網(wǎng)絡在節(jié)點的應用層和傳輸層之間插入了一個新的協(xié)議層 —— 束層。使用束層的一個主要原因是在機會網(wǎng)絡中，傳輸延時差異很大，當一個數(shù)據(jù)包丟失時，整個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)成為無用數(shù)據(jù)。因此為了避免這樣的事情發(fā) 生，將數(shù)據(jù)打包成一個較大的消息，稱之為束，并使之不能輕易分割成更小的片段。機會網(wǎng)絡中一般不存在從源節(jié)點到目的節(jié)點的端到端的連接，因此束會存儲在中繼節(jié)點上并等待合適機會進行傳輸。一個束必須包含的信息有：源端地址、目的端地址、起始時間、束的生存時間、數(shù)據(jù)長度及服務類型等。此外，對于具體的應用，可能還需要一些狀態(tài)域和認證消息，例如，監(jiān)管傳送請求等。 監(jiān)管傳送 束層提供了一種簡單的并且不需要應答的投遞機制，但框架本身提供了兩種可能的方法來提高可靠性：端到端的應答和監(jiān)管傳送。通過監(jiān)管傳送，可以保證端到端的可靠性。 在特定的環(huán)境下，這種機制可以更好地利用資源，例如源節(jié)點可以將已經(jīng)投遞成功的束在緩存中釋放掉。 機會網(wǎng)絡中的節(jié)點 一個束的源端和目的端是由端點號 EID（ EndpointIdentifier）來標識的。EID中包含一個或多個機會網(wǎng)絡節(jié)點。當目的地收到該束時，認為該束傳遞成功。EID可以類比于 DNS（ Domain Name System）中的統(tǒng)一資源標識（ URI， Uniform Resource Identifier），并且與路由或拓撲組織結構沒有必然聯(lián)系。區(qū)域名是早先提出的一個概念，一個完整的地址由區(qū)域號 和節(jié)點號組成。基于這種區(qū)域的概念，束首先投遞到目的節(jié)點所在的區(qū)域，然后再投遞到目的節(jié)點。 服務分類 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 57 頁 按重要性不同，束層引入了三類服務： 大塊束（ bulk bundles），只需要較小的投入，當有資源可用時就可以提供這種服務； 正常束（ normal class bundles），比大塊束優(yōu)先級要高，但比“加快束”（ expedited bundles）優(yōu)先級要低； 加快束，這類服務只是針對來自同一個端點的束而言，例如：當大塊束與加快束來自不同的端點時，即使加快束比大塊束優(yōu)先級高，但大塊束仍有可能比加快 束先傳遞。 安全 機會網(wǎng)絡框架提供了一個可選的安全構架，使用逐跳、端到端的授權和誠信機制，主要的困難是如何對網(wǎng)絡進行控制和如何轉(zhuǎn)發(fā)控制消息。沒有進行認證的節(jié)點不能夠通過機會網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，并且不能利用該網(wǎng)絡以外的節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 機會網(wǎng)絡拓撲特點 多跳網(wǎng) 由于無線通信的距離受限制，機會網(wǎng)絡中節(jié)點之間的通信通常需要借助其他節(jié)點的中繼轉(zhuǎn)發(fā)才能實現(xiàn)，便形成了多跳通信路徑。 動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲 機會網(wǎng)絡中節(jié)點間的相互連通性構成了網(wǎng)絡的拓撲結構。由于機會網(wǎng)絡中的節(jié)點可以以隨機的速度和方式移動，加上發(fā) 射功率的變化，以及無線信道的干擾大小不斷變化等因素，節(jié)點間通過無線通信形成的網(wǎng)絡拓撲結構可能隨時發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是難以預料的。 分布式控制 在機會網(wǎng)絡中，為了實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點之間的通信，需要解決無線資源使用、路由發(fā)現(xiàn)等控制問題。由于機會網(wǎng)絡沒有預設的基礎設施，也就沒有預設的中心控制節(jié)點，所以只能采用分布式控制的方式來完成。 對等性 機會網(wǎng)絡中節(jié)點與節(jié)點可以直接互通，每個節(jié)點都相同，無主從之分，每個節(jié)點都能夠支持邏輯上的自發(fā)自收，即節(jié)點直接的來去雙向鏈路都相同。因此，無機會網(wǎng)絡節(jié)點的無線通 信裝置一般采用時分雙工方式（ TDD）。 臨時自組織性 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 57 頁 若干個無線節(jié)點聚集到一起時，他們便臨時自組織性地形成了一個無線通信網(wǎng)絡，該臨時性包括：網(wǎng)絡成員的臨時性，網(wǎng)絡組織的臨時性，網(wǎng)絡拓撲的臨時性，網(wǎng)絡路由的臨時性，網(wǎng)絡無線資源分配采用按需臨時分配等。 鏈路帶寬受限 機會網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為其基本通信手段，與有線傳輸技術相比，它具有較低的傳輸帶寬。并且由于各個節(jié)點分布式競爭使用信道，使得每個移動節(jié)點實際使用的帶寬遠小于物理層所提供的最大傳輸速率。 能量受限 機會網(wǎng)絡內(nèi)的移動節(jié)點一般需要依靠電池 來提供能量，因此，節(jié)省功率將使自組網(wǎng)技術中一個需要高度重視的問題。 有限的安全性 機會網(wǎng)絡由于采用分布式控制、無中心、臨時組織等原因，它比一般的無線網(wǎng)絡更易受到安全方面的威脅。 機會網(wǎng)絡節(jié)點移動模型 節(jié)點移動模型描述了節(jié)點的移動模式，包括位置、速度等特征的變化，廣泛應用于自組網(wǎng)協(xié)議性能的分析和評價，是自組織網(wǎng)絡的基礎研究之一。傳統(tǒng)的MANET假設網(wǎng)絡是全連通的，節(jié)點的移動對路由層以上的協(xié)議是“屏蔽”的。因此一般從網(wǎng)絡拓撲角度去分析移動模型對協(xié)議性能的影響，如拓撲連通率、節(jié)點連通度等，而機會網(wǎng)絡 中的移動模型研究是以刻畫節(jié)點相遇特征為核心的。這是因為在機會網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸依賴于節(jié)點移動帶來的相遇機會，而節(jié)點的相遇概率和相遇時間分布是由節(jié)點的移動模型決定的。因此，相比于