【正文】 28 頁 共 57 頁 4 仿真實現(xiàn) 設計與建立機會網絡仿真模型 了解機會網絡的拓撲特點及 NS2 仿真平臺的功能后，經過一番選擇，在 NS2仿真平臺下建立如下的機會網絡拓撲模型，各參數(shù)如 下表 表 機會網絡拓撲模型參數(shù) 無線節(jié)點個數(shù) 10個 節(jié)點顯示大小 40 仿真拓撲場景大小 500m 500m 數(shù)據(jù)流類型 cbr cbr分組的大小 512字節(jié) 每秒發(fā)送分組個數(shù) 4 場景最大數(shù)據(jù)流連接數(shù) 5 節(jié)點隨機移動最大速度 20m/s 節(jié)點停留時間 0s 仿真模型持續(xù)時間 100s 編寫仿真模型腳本代碼 選好機會網絡節(jié)點運動模型和路由協(xié)議后，就可以按照 ns2 仿真平臺的知識來編寫腳本代碼了。 一般數(shù)據(jù)文件由兩列數(shù)據(jù)組成，每一列表示圖中的一個點，第一列為 x坐標，第二列為 y 坐標。 gawk程序是由很多的 Pattern與 Action 所組成， Action卸載大括號 {}里面，一個 pattern后面就跟著一個 Action，整個 gawk程式的結構如下： Pattern（ 1） { Action（ 1） } Pattern（ 2） { Action（ 2） } ...................... Pattern（ n） { Action（ n） } 當讀取一條記錄時，該記錄會經過程序中所有 Pattern 的審查，如果滿足某一個 Pattern，就執(zhí)行該 Pattern后面的 Action。需要注意的是“ $0”表示所讀取的整條記錄。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 57 頁 Trace 文件分析處理 gawk 處理文檔的過程 gawk 是一種對文檔資料具有很強處理能力的程序語言，簡短的幾句代碼就可以完成對文檔的修改、對比、抽取，相對其他的語言來說，其對文檔資料的處理方面具有很大的優(yōu)勢。 網絡吞吐量 網絡的吞吐量（ Throughput） TH 是網絡性能的一個重要參數(shù)，是指在不丟包的情況下單位時間內節(jié)點可以接收的數(shù)據(jù)量，單位是字節(jié)每秒或比特每秒。 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 24 頁 共 57 頁 性能參數(shù)分析模型 傳輸時延 網絡的傳輸時延 D（ EndtoEnd Delay）定義為源節(jié)點發(fā)送出一個分組到目的節(jié)點接收到該分組之間的時間差，它包括電（或光）信號在物理介質中的傳播延時和數(shù)據(jù)在網絡中的處理延時，也即指網絡中數(shù)據(jù)傳輸所用的時間。 (8) Pkt size：分組的大小。 (4) Layer：發(fā)生事件所在的層。 （ 12） Pkt id：分組的唯一標示符。 （ 8） Fid： IPv6 定義的流標示符。 （ 4） To node：接收分組的目的節(jié)點 id。 Trace文件包含了很多有用的可供分析的數(shù)據(jù)，我們需要從中篩選出我們關注的數(shù)據(jù)進行分析。 Orient 指定了鏈路的方向，可以是： right、 left、 down、 rightup、 rightdown、 leftup以及 leftdown。 cbrgen和 setdest產生的文件均可以采用 source命令加入另一個 Otcl腳本中，注意產生的文件用到了諸如 node_數(shù)組變量和 god_變量，需要在 Otcl腳本中預先建立。 拓撲運動場景生成工具 setdest 拓撲運動場景生成工具 setdest是用來隨機生成無線網所需的節(jié)點運動場景，也即一定數(shù)量的節(jié)點在某一固定大小的矩形區(qū)域中隨機移動。下面是使用 nodeconfig{} 配置一個節(jié)點屬性的例子。 調整配置拓撲結構和業(yè)務量模型，重新進行上述模擬過程。仿真完后 , 用中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 57 頁 戶可以對 Trace文件進行分析研究。 建立協(xié)議代理，包栝端設備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務量模型的建立。另一個是基于 C++和 OTcl 編程的層次。 可 視 化 通過其中的網絡動畫工具 Nam,以動畫的方式實現(xiàn)網絡仿真的全過程，讓整個 運動過 程一目了然。 圖 NS2 構架圖 中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 57 頁 NS2 的特點 抽象 NS 模擬器在設計上能夠滿足網絡研究界在模擬方面的多種需。 一 方面，由于 C++程序運行速度快，并且可以設計精確、復雜的算法，可以用于模擬各種網絡協(xié)議 ， 適合于底層的實現(xiàn)。 NS2— 晝以來都在吸收全世界各地研究人員的成果，包括 UCB、 CMU 笏大學和 SUN 等公司的無線網絡方面的代碼。在 Avalanche 系統(tǒng)中，節(jié)點之間傳輸?shù)男畔⑹前凑丈鲜鲈韺υ嘉募K執(zhí)行隨機網絡編碼操作后的編碼信息。而言，其對應的編碼向量為 c1 c1 + c2 c2。隨 后， Server 節(jié)點將運算后的編碼信息 E1 = B1 c 11+ B2 c12 + ....+ Bn c1n，分發(fā)中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 57 頁 給 Peer A 圖 基于隨機線性網絡編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的原理模型 假設 Peer A 又下載了另外一個編碼信息塊 E2= B1 c 21+ B2 c22 + ....+ Bn c2n，該信息來自 Server 節(jié)點或其它鄰居節(jié)點，當 Peer B 對 PeerA 發(fā)出下載請求時，PeerA 按照上述同樣的方式在有限域中選擇系數(shù) c 1 , c 2，并對當前緩存的編碼信息塊 E1和 E2進行線性組合，將運算結果 E 39。實驗結果表明應用網絡編碼得到的改進雖然不如在有線網絡中顯著，但仍能在很大程度上提高吞吐量、縮短服務時間。 COPE 協(xié)議要求每個節(jié)點利用本地信息各自決定哪些數(shù)據(jù)包需要進行編碼以及如何進行編碼。麻省理工學院的 Petrovic 等人提出了一種結合網絡編碼的對無線信號不進行調制的策略 [23]，并證明：運用分布式隨機網絡編碼，未經調制的無線信號能夠達到與經過調制的無線信號一樣的吞吐中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 57 頁 量，這樣就能節(jié)省大量因為模擬器件進行 調制而消耗的能量和降低節(jié)點的成本。該方法基于一種在網絡層和物理層平衡鏈路帶寬供需的跨層優(yōu)化策略。采用隨機網絡編碼，即使部分網絡節(jié)點或鏈路失效，最終在目的節(jié)點仍然能恢復原始數(shù)據(jù)，從而增強網絡的容錯性和魯棒性。而且，大多數(shù)情況下，網絡編碼能將應用層組播的吞吐量提升一倍以上。而且，應用層組播利用的覆蓋中北大學 2022 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 57 頁 網絡拓撲可以按需變化，這也恰好可以利用網絡編碼對動態(tài)網絡適應性強的優(yōu)勢。它按照編碼網絡分發(fā)數(shù)據(jù)的特性，在覆蓋網絡上構建一個 Kredundant 路徑圖作為網絡 拓撲，網絡編碼被用于圖中“瓶頸”處的數(shù)據(jù)分發(fā)。 數(shù)據(jù)分發(fā) 網絡編碼最直接的應用就是數(shù)據(jù)分發(fā)，尤其是大范圍的數(shù)據(jù)分發(fā)。因此，線性網絡編碼是一種有效的網絡編碼碼構造方式，當前具體的基于網絡編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中均采用線性網絡編碼作為其碼構造方式。最后，在 信宿節(jié)點，通過逆過程的操作（譯碼），即可譯出信源發(fā)出的原始信息。按照同樣的方式，信宿 Z 也可恢復出信源發(fā)出的 b1（通過譯碼操作 b 2 + (b 1 + b2)）而同時收到 b1 和 b2。 以一個簡單的具代表性的蝴蝶網絡來描述網絡編碼的思想，一下均假設每條鏈路單位時間只能傳輸單位 bit的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息量。網絡編碼一經提出便引起了國際學術界的廣泛關注，其理論和應用已成為通信領域研究的新熱點．網絡編碼在提高網絡吞吐量、改善負載均衡、減小傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點能耗、增強網絡魯棒性等方面均顯示出其優(yōu)越性，可廣泛應用于 Ad Hoe網絡，傳感器網絡、 P2P內容分發(fā)、分布式文件存儲和網絡安全等領域。 網絡編碼的概念思想 在傳統(tǒng)網絡中，結點僅對接收的數(shù)據(jù)進行存儲和轉發(fā)，難以達到網絡傳輸?shù)淖畲笸掏铝亢蛶?利用率，若數(shù)據(jù)傳輸路徑出現(xiàn)瓶頸鏈路，則網絡數(shù)據(jù)傳輸性能將受限于瓶頸鏈路。節(jié)點在每個周期都有兩種移動狀態(tài)， Local epoch和 Roaming epoch。； 2)節(jié)點異構性 :某些節(jié)點能夠到達所有位置，遇到所有其他節(jié)點； 3)行為時變性 :節(jié)點移動隨著時間變化。文獻 [16]試圖統(tǒng)一這兩種類型的移動模型，作者從理論上推導出在一個有限邊界的移動空間中，節(jié)點相遇間隔時間服從指數(shù)分布，如果去掉有限邊界的條件，按照 RW模型移動的節(jié)點相遇間隔就與統(tǒng)計觀察到的結果相一致，服從近似冪律分布。 基于統(tǒng)計的實際移動模型 除了從理論來推導以外，一些研究人員還利用統(tǒng)計方法，通過收集實際環(huán)境中節(jié)點的運動軌跡來研究節(jié)點的移動特征。這些模型下的節(jié)點相遇特征可用兩個參數(shù)來刻畫：相遇時間 (meeting time，簡稱 MT)和相遇間隔時間 (inter meeting time，簡稱 IMT)。因此一般從網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，而機會網絡 中的移動模型研究是以刻畫節(jié)點相遇特征為核心的。 能量受限 機會網絡內的移動節(jié)點一般需要依靠電池 來提供能量，因此，節(jié)省功率將使自組網技術中一個需要高度重視的問題。因此，無機會網絡節(jié)點的無線通 信裝置一般采用時分雙工方式（ TDD）。由于機會網絡中的節(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。 安全 機會網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絡進行控制和如何轉發(fā)控制消息。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。 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)點可以將已經投遞成功的束在緩存中釋放掉。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。 束層 為了實現(xiàn)“存儲 攜帶 轉發(fā)”的消息交換機制，機會網絡在節(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。機會網絡可以看成是具有一般 DTN 網絡特征的無線自組網。 圖 機會網絡示意圖 機會網絡的部分概念來源于早期的延遲容忍網絡 DTN(delay tolerant work)[6] 研 究 。機會網絡中的相遇（ contact）概念是指節(jié)點之間發(fā)生的一次聯(lián)系。 本課題研究的內容就是在仿真平臺 NS2 下 設計并建立機會網 絡模型，理解網絡編碼的原理，在 NS2 中編程實現(xiàn)基于分簇的隨機線性網絡編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的仿真并與一般的網絡編碼比較其網絡吞吐量和時延性能。 隨著網絡規(guī)模的日趨龐大、各種網絡方案和協(xié)議日趨復雜，分析、實驗和仿真等方法成為了當前進行網絡技術研究的有效手段。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。 網絡編碼徹底改變了通信網絡中信息 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。 2022 年 , 等人基于網絡信息流的概念提出了網絡編碼的思想，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]。隨著移動應用業(yè)務的增加以及機會網絡商業(yè)化，機會網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)時延與網絡開銷均衡問題、移動狀態(tài)下網絡可靠 性以及安全問題等等。為了適應不同的應用 需求 ,各具特色的網絡結構和無線網絡技術不斷涌現(xiàn) ,包括無線個域網 (如 )、無線局域網 (如)、無線城域網 (如 、 )、無線移動廣域網 (如2G、 3G)、衛(wèi)星網絡，以及無線自組織 (Ad Hoc)網絡、無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Network,WSN)等等。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 技術已經進入應用普及階段，并朝第四代通信系統(tǒng)方向演進。目前 ,移動通信的快速發(fā)展使得移動網絡帶寬逐漸增大，移動應用不斷豐富，移動終端的處理能力越來越強。 經過近幾年的發(fā)展，機會網絡技術研究與應用已經取得了一定的進展，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。因此，對機會網絡數(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，并對提高機會網絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性，探索節(jié)點移動模型對機會網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。之后，隨機線性網絡編碼被應用于各個方面的研究，用于提高網絡吞吐量、能量利用效率。網絡編碼具有重要的理論價值和廣泛的應用前景，其研究已經引起了學術界和產業(yè)界的廣泛關注