【正文】 28 頁(yè) 共 57 頁(yè) 4 仿真實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)與建立機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)仿真模型 了解機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)及 NS2 仿真平臺(tái)的功能后，經(jīng)過(guò)一番選擇，在 NS2仿真平臺(tái)下建立如下的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，各參?shù)如 下表 表 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蛥?shù) 無(wú)線節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù) 10個(gè) 節(jié)點(diǎn)顯示大小 40 仿真拓?fù)鋱?chǎng)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(gè)數(shù) 4 場(chǎng)景最大數(shù)據(jù)流連接數(shù) 5 節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)最大速度 20m/s 節(jié)點(diǎn)停留時(shí)間 0s 仿真模型持續(xù)時(shí)間 100s 編寫(xiě)仿真模型腳本代碼 選好機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型和路由協(xié)議后，就可以按照 ns2 仿真平臺(tái)的知識(shí)來(lái)編寫(xiě)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(gè)點(diǎn)，第一列為 x坐標(biāo)，第二列為 y 坐標(biāo)。 gawk程序是由很多的 Pattern與 Action 所組成， Action卸載大括號(hào) {}里面，一個(gè) pattern后面就跟著一個(gè) Action，整個(gè) gawk程式的結(jié)構(gòu)如下： Pattern（ 1） { Action（ 1） } Pattern（ 2） { Action（ 2） } ...................... Pattern（ n） { Action（ n） } 當(dāng)讀取一條記錄時(shí)，該記錄會(huì)經(jīng)過(guò)程序中所有 Pattern 的審查，如果滿足某一個(gè) 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(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 57 頁(yè) Trace 文件分析處理 gawk 處理文檔的過(guò)程 gawk 是一種對(duì)文檔資料具有很強(qiáng)處理能力的程序語(yǔ)言，簡(jiǎn)短的幾句代碼就可以完成對(duì)文檔的修改、對(duì)比、抽取，相對(duì)其他的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，其對(duì)文檔資料的處理方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。 網(wǎng)絡(luò)吞吐量 網(wǎng)絡(luò)的吞吐量（ Throughput） TH 是網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要參數(shù)，是指在不丟包的情況下單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 共 57 頁(yè) 性能參數(shù)分析模型 傳輸時(shí)延 網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延 D（ EndtoEnd Delay）定義為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送出一個(gè)分組到目的節(jié)點(diǎn)接收到該分組之間的時(shí)間差，它包括電（或光）信號(hào)在物理介質(zhì)中的傳播延時(shí)和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的處理延時(shí)，也即指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所用的時(shí)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(biāo)示符。 （ 8） Fid： IPv6 定義的流標(biāo)示符。 （ 4） To node：接收分組的目的節(jié)點(diǎn) 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(guān)注的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎn)生的文件均可以采用 source命令加入另一個(gè) Otcl腳本中，注意產(chǎn)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(yù)先建立。 拓?fù)溥\(yùn)動(dòng)場(chǎng)景生成工具 setdest 拓?fù)溥\(yùn)動(dòng)場(chǎng)景生成工具 setdest是用來(lái)隨機(jī)生成無(wú)線網(wǎng)所需的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，也即一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)在某一固定大小的矩形區(qū)域中隨機(jī)移動(dòng)。下面是使用 nodeconfig{} 配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬性的例子。 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(guò)程。仿真完后 , 用中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 57 頁(yè) 戶可以對(duì) Trace文件進(jìn)行分析研究。 建立協(xié)議代理，包栝端設(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立。另一個(gè)是基于 C++和 OTcl 編程的層次。 可 視 化 通過(guò)其中的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)畫(huà)工具 Nam,以動(dòng)畫(huà)的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真的全過(guò)程，讓整個(gè) 運(yùn)動(dòng)過(guò) 程一目了然。 圖 NS2 構(gòu)架圖 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 57 頁(yè) NS2 的特點(diǎn) 抽象 NS 模擬器在設(shè)計(jì)上能夠滿足網(wǎng)絡(luò)研究界在模擬方面的多種需。 一 方面，由于 C++程序運(yùn)行速度快，并且可以設(shè)計(jì)精確、復(fù)雜的算法，可以用于模擬各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ， 適合于底層的實(shí)現(xiàn)。 NS2— 晝以來(lái)都在吸收全世界各地研究人員的成果，包括 UCB、 CMU 笏大學(xué)和 SUN 等公司的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方面的代碼。在 Avalanche 系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)男畔⑹前凑丈鲜鲈韺?duì)原始文件塊執(zhí)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼操作后的編碼信息。而言，其對(duì)應(yīng)的編碼向量為 c1 c1 + c2 c2。隨 后， Server 節(jié)點(diǎn)將運(yùn)算后的編碼信息 E1 = B1 c 11+ B2 c12 + ....+ Bn c1n，分發(fā)中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 57 頁(yè) 給 Peer A 圖 基于隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的原理模型 假設(shè) Peer A 又下載了另外一個(gè)編碼信息塊 E2= B1 c 21+ B2 c22 + ....+ Bn c2n，該信息來(lái)自 Server 節(jié)點(diǎn)或其它鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng) Peer B 對(duì) PeerA 發(fā)出下載請(qǐng)求時(shí)，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(duì)當(dāng)前緩存的編碼信息塊 E1和 E2進(jìn)行線性組合，將運(yùn)算結(jié)果 E 39。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼得到的改進(jìn)雖然不如在有線網(wǎng)絡(luò)中顯著，但仍能在很大程度上提高吞吐量、縮短服務(wù)時(shí)間。 COPE 協(xié)議要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用本地信息各自決定哪些數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行編碼以及如何進(jìn)行編碼。麻省理工學(xué)院的 Petrovic 等人提出了一種結(jié)合網(wǎng)絡(luò)編碼的對(duì)無(wú)線信號(hào)不進(jìn)行調(diào)制的策略 [23]，并證明：運(yùn)用分布式隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，未經(jīng)調(diào)制的無(wú)線信號(hào)能夠達(dá)到與經(jīng)過(guò)調(diào)制的無(wú)線信號(hào)一樣的吞吐中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 57 頁(yè) 量，這樣就能節(jié)省大量因?yàn)槟M器件進(jìn)行 調(diào)制而消耗的能量和降低節(jié)點(diǎn)的成本。該方法基于一種在網(wǎng)絡(luò)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(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼，即使部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或鏈路失效，最終在目的節(jié)點(diǎn)仍然能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性。而且，大多數(shù)情況下，網(wǎng)絡(luò)編碼能將應(yīng)用層組播的吞吐量提升一倍以上。而且，應(yīng)用層組播利用的覆蓋中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 57 頁(yè) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢园葱枳兓?，這也恰好可以利用網(wǎng)絡(luò)編碼對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。它按照編碼網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)的特性，在覆蓋網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一個(gè) Kredundant 路徑圖作為網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)編碼最直接的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)編碼是一種有效的網(wǎng)絡(luò)編碼碼構(gòu)造方式，當(dāng)前具體的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中均采用線性網(wǎng)絡(luò)編碼作為其碼構(gòu)造方式。最后，在 信宿節(jié)點(diǎn)，通過(guò)逆過(guò)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(fù)出信源發(fā)出的 b1（通過(guò)譯碼操作 b 2 + (b 1 + b2)）而同時(shí)收到 b1 和 b2。 以一個(gè)簡(jiǎn)單的具代表性的蝴蝶網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，一下均假設(shè)每條鏈路單位時(shí)間只能傳輸單位 bit的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息量。網(wǎng)絡(luò)編碼一經(jīng)提出便引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，其理論和應(yīng)用已成為通信領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)．網(wǎng)絡(luò)編碼在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、改善負(fù)載均衡、減小傳輸延遲、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)魯棒性等方面均顯示出其優(yōu)越性，可廣泛應(yīng)用于 Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)、 P2P內(nèi)容分發(fā)、分布式文件存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域。 網(wǎng)絡(luò)編碼的概念思想 在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)僅對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，難以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能將受限于瓶頸鏈路。節(jié)點(diǎn)在每個(gè)周期都有兩種移動(dòng)狀態(tài)， Local epoch和 Roaming epoch。； 2)節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性 :某些節(jié)點(diǎn)能夠到達(dá)所有位置，遇到所有其他節(jié)點(diǎn)； 3)行為時(shí)變性 :節(jié)點(diǎn)移動(dòng)隨著時(shí)間變化。文獻(xiàn) [16]試圖統(tǒng)一這兩種類型的移動(dòng)模型，作者從理論上推導(dǎo)出在一個(gè)有限邊界的移動(dòng)空間中，節(jié)點(diǎn)相遇間隔時(shí)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(dòng)的節(jié)點(diǎn)相遇間隔就與統(tǒng)計(jì)觀察到的結(jié)果相一致，服從近似冪律分布。 基于統(tǒng)計(jì)的實(shí)際移動(dòng)模型 除了從理論來(lái)推導(dǎo)以外，一些研究人員還利用統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)收集實(shí)際環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)研究節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征。這些模型下的節(jié)點(diǎn)相遇特征可用兩個(gè)參數(shù)來(lái)刻畫(huà)：相遇時(shí)間 (meeting time，簡(jiǎn)稱 MT)和相遇間隔時(shí)間 (inter meeting time，簡(jiǎn)稱 IMT)。因此一般從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣嵌热シ治鲆苿?dòng)模型對(duì)協(xié)議性能的影響，如拓?fù)溥B通率、節(jié)點(diǎn)連通度等，而機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò) 中的移動(dòng)模型研究是以刻畫(huà)節(jié)點(diǎn)相遇特征為核心的。 能量受限 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)一般需要依靠電池 來(lái)提供能量，因此，節(jié)省功率將使自組網(wǎng)技術(shù)中一個(gè)需要高度重視的問(wèn)題。因此，無(wú)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通 信裝置一般采用時(shí)分雙工方式（ TDD）。由于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以以隨機(jī)的速度和方式移動(dòng)，加上發(fā) 射功率的變化，以及無(wú)線信道的干擾大小不斷變化等因素，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線通信形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能隨時(shí)發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是難以預(yù)料的。 安全 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)框架提供了一個(gè)可選的安全構(gòu)架，使用逐跳、端到端的授權(quán)和誠(chéng)信機(jī)制，主要的困難是如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和如何轉(zhuǎn)發(fā)控制消息。EID可以類比于 DNS（ Domain Name System）中的統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)（ URI， Uniform Resource Identifier），并且與路由或拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)沒(méi)有必然聯(lián)系。 在特定的環(huán)境下，這種機(jī)制可以更好地利用資源，例如源節(jié)點(diǎn)可以將已經(jīng)投遞成功的束在緩存中釋放掉。一個(gè)束必須包含的信息有：源端地址、目的端地址、起始時(shí)間、束的生存時(shí)間、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及服務(wù)類型等。 束層 為了實(shí)現(xiàn)“存儲(chǔ) 攜帶 轉(zhuǎn)發(fā)”的消息交換機(jī)制，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層和傳輸層之間插入了一個(gè)新的協(xié)議層 —— 束層。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)可以看成是具有一般 DTN 網(wǎng)絡(luò)特征的無(wú)線自組網(wǎng)。 圖 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)示意圖 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的部分概念來(lái)源于早期的延遲容忍網(wǎng)絡(luò) DTN(delay tolerant work)[6] 研 究 。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的相遇（ contact）概念是指節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生的一次聯(lián)系。 本課題研究的內(nèi)容就是在仿真平臺(tái) NS2 下 設(shè)計(jì)并建立機(jī)會(huì)網(wǎng) 絡(luò)模型，理解網(wǎng)絡(luò)編碼的原理，在 NS2 中編程實(shí)現(xiàn)基于分簇的隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的仿真并與一般的網(wǎng)絡(luò)編碼比較其網(wǎng)絡(luò)吞吐量和時(shí)延性能。 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日趨龐大、各種網(wǎng)絡(luò)方案和協(xié)議日趨復(fù)雜，分析、實(shí)驗(yàn)和仿真等方法成為了當(dāng)前進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的有效手段。國(guó)際知名大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和公司，如普林斯頓大學(xué)、麻省理工學(xué)院（ MIT）、貝爾實(shí)驗(yàn)室 （ Bell Lab）、 ATamp。 網(wǎng)絡(luò)編碼徹底改變了通信網(wǎng)絡(luò)中信息 處理和信息傳輸?shù)姆绞?，被認(rèn)為是進(jìn)入 21 世紀(jì)后信息處理和信息傳輸研究領(lǐng)域上最重要的理論成果之一。 2022 年 , 等人基于網(wǎng)絡(luò)信息流的概念提出了網(wǎng)絡(luò)編碼的思想，通過(guò)允許中間節(jié)點(diǎn)既實(shí)現(xiàn)路由功能又實(shí)現(xiàn)編碼功能，達(dá)到組播的最大流量 [2]。隨著移動(dòng)應(yīng)用業(yè)務(wù)的增加以及機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全面應(yīng)用與深入仍然要解決很多極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，如復(fù)雜環(huán)境下的路由、數(shù)據(jù)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷均衡問(wèn)題、移動(dòng)狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)可靠 性以及安全問(wèn)題等等。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用 需求 ,各具特色的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷涌現(xiàn) ,包括無(wú)線個(gè)域網(wǎng) (如 )、無(wú)線局域網(wǎng) (如)、無(wú)線城域網(wǎng) (如 、 )、無(wú)線移動(dòng)廣域網(wǎng) (如2G、 3G)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線自組織 (Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network,WSN)等等。中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 57 頁(yè) 1 引言 研究問(wèn)題現(xiàn)狀 近年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，其中移動(dòng)通信系統(tǒng)的 3G 技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用普及階段，并朝第四代通信系統(tǒng)方向演進(jìn)。目前 ,移動(dòng)通信的快速發(fā)展使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸增大，移動(dòng)應(yīng)用不斷豐富，移動(dòng)終端的處理能力越來(lái)越強(qiáng)。 經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是，總體而言目前相關(guān)研究還處于一個(gè)剛起步的初級(jí)階段。因此，對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分發(fā)展開(kāi)研究將為正確理解機(jī)會(huì)中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 57 頁(yè) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)提供可行性依據(jù)，有助于推進(jìn)現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)的可擴(kuò)展性，并對(duì)提高機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性，探索節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能保障的影響，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的深入 研究有重要現(xiàn)實(shí)的意義。之后，隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼被應(yīng)用于各個(gè)方面的研究，用于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、能量利用效率。網(wǎng)絡(luò)編碼具有重要的理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，其研究已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注