【文章內(nèi)容簡介】 需要把節(jié)點(diǎn)資源整合起來，實(shí)現(xiàn)一個可靠和健壯的網(wǎng)絡(luò)，基于這種想法，文獻(xiàn) [35]提出了一種結(jié)合分布式源編碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的優(yōu)化算法，目的是用來提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯性和可靠性，同時對分布式源編碼的壓縮效率和魯棒性進(jìn)行了折中考慮。 Katti等提出的基于機(jī)會的網(wǎng)絡(luò)編碼方法（ COPE）首次研究了網(wǎng)絡(luò)編碼在無線環(huán)境協(xié)議層面上的具體實(shí)現(xiàn)問題。在 COPE 協(xié)議中，每個節(jié)點(diǎn)對傳輸媒體進(jìn)行偵聽，獲得它的鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，決定進(jìn)行編碼的機(jī)會，并在本地的 FIFO緩存結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行編碼，然后進(jìn)行基 于機(jī)會的路由。 COPE 協(xié)議要求每個節(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。靈活的設(shè)計使得即使在網(wǎng)絡(luò)交通需求未知或者網(wǎng)絡(luò)流量劇增、或者發(fā)送 /接收方動態(tài)變化的情況下， COPE協(xié)議仍能有效的支持多路單播流。然而該協(xié)議需要節(jié)點(diǎn)存儲數(shù)據(jù)包并進(jìn)行編碼，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，可能就會耗費(fèi)較多的節(jié)點(diǎn)存儲空間。另外，文件共享是無線網(wǎng)狀網(wǎng)的一種典型應(yīng)用，為了評估網(wǎng)絡(luò)編碼對該應(yīng)用的影響， Hamra 等 [64]在理想化MAC協(xié)議基礎(chǔ)上開發(fā)了特定的仿真平臺，分別比較了服務(wù)時間等性能在節(jié)點(diǎn)個數(shù)、盲轉(zhuǎn)發(fā)（ Blind Forwarding）和選擇性轉(zhuǎn)發(fā)（ Selective Forwarding）情況下的表現(xiàn)。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)時間。 隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā) 隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼方法的核心思想是利用節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)線性編碼組合不同的信息包，在接收節(jié)點(diǎn)獲得足夠的線性編碼組合后，通過運(yùn)算得到原始信息包，其可用性推廣了網(wǎng)絡(luò)編碼理論的應(yīng)用范圍。 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼的理論成果， Gkantsidis 等給出了基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的原理 模型（或稱概念模型），如圖 所示。假設(shè) Server 節(jié)點(diǎn)（存放原始文件的服務(wù)器）需分發(fā)某文件給 Peer A，首先 Server將該文件分割成 n 個文件塊（ Block），即 B1， B2， B3.....Bn，如果使用網(wǎng)絡(luò)編碼，則 Server 節(jié)點(diǎn)從有限域中選擇 n 個 系 數(shù) C11,C12.....C1n 構(gòu)成編碼向量（ Encoding Vector)c1 =[C11,C12.....C1n ]，并利用該向量對分割后的文件塊進(jìn)行有限域中的線性運(yùn)算。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)計說明書 第 14 頁 共 57 頁 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 又下載了另外一個編碼信息塊 E2= B1 c 21+ B2 c22 + ....+ Bn c2n，該信息來自 Server 節(jié)點(diǎn)或其它鄰居節(jié)點(diǎn)，當(dāng) 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(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。 = E 1c1 + E2 c2分發(fā)給 Peer B。如果下游節(jié)點(diǎn)向 Peer B 請求數(shù)據(jù)包，則 Peer B按照同樣的規(guī)則將編碼后的數(shù)據(jù)信息分發(fā)給下游節(jié)點(diǎn)。對 Peer B收到的 E 39。而言，其對應(yīng)的編碼向量為 c1 c1 + c2 c2。 可見，采用網(wǎng)絡(luò)編碼，節(jié)點(diǎn)之間不再傳輸原始的文件塊，而是編碼信息（塊）。 當(dāng)某 Peer 接收到 n 個已編碼信息 E1 ,E2... ,En后，則有： ????????????????????????????????????????????????????nnnnnnnnn BBBCBBBcccccccccEEE. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. . ... .. .. .. .. .. .212121222211121121 公式 () 如果公式 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移 矩陣 C 滿秩，即各編碼向量之間線性獨(dú)立，則能通過求解矩陣方程 [B1,B1.....Bn ]=C1[E1,E2.....En ]T 譯出各原始文件塊B1,B1.....Bn ，并恢復(fù)出原始文件。由于采用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼總能保證矩陣 C以接近1的概率滿秩，基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼和圖 所示的原理模型，文獻(xiàn) [25]構(gòu)建了一種網(wǎng)絡(luò)編碼數(shù)據(jù)分發(fā)的原型系統(tǒng)： Avalanche。在 Avalanche 系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)男畔⑹前凑丈鲜鲈韺υ嘉募K執(zhí)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼操作后的編碼信息。Avalanche 能克服基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的 數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)（如 BitTorrent 等）的缺陷和不足，可以顯著減少節(jié)點(diǎn)平均下載時間，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的傳輸性能。 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁 共 57 頁 3 NS2 仿真平臺 NS2 簡介 NS2，即 Network Simulator Version 2，是面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題。 NS2提供了在無線或有線網(wǎng)絡(luò)上的 TCP、 路由、多播等多種協(xié)議的模擬。 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(xué)和 SUN 等公司的無線網(wǎng)絡(luò)方面的代碼。 NS2 足一個面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò) 桟擬工具，對以完整地模擬整個網(wǎng)絡(luò)壞境。 NS2 使用一整套C++類庫實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)常見的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及鏈路層模型，利用這些類的實(shí)例可以搭建起整個網(wǎng)絡(luò)的模型，而且包括具體的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)。 NS2使用兩種編程語言， OTcl（具有面向?qū)ο筇匦缘?Tcl腳本程序設(shè)計語言）和 C++，它底層的模擬引擎主要由 C++編寫，同時利用麻省理工學(xué)院的面向?qū)ο蟮墓ぞ呙钫Z言 OTcl 作為模擬時的命令和配置接口語言。 一 方面，由于 C++程序運(yùn)行速度快，并且可以設(shè)計精確、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)。另一方面，具有面向?qū)ο筇匦?的 Tcl 腳本語言通過調(diào)用引擎中各類的屬性、方法定義網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?， 配置數(shù)據(jù)源，目的端 ， 建立連接，產(chǎn)生所有事件的時刻表，運(yùn)行并跟蹤模擬結(jié)果，還可以對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的統(tǒng)計處理或制圖，方便網(wǎng)絡(luò)研究者在短時間內(nèi)快速地開發(fā)和模擬出所需要的網(wǎng)絡(luò)壞境。 C++和 OTcl兩種語言的對象和變量是通過 TclCL關(guān)聯(lián)起來的， C++的類和對象為編譯類和編譯對象，而 OTcl 的類和對象為解釋類和解釋對象， TclCL 是在 OTcl基礎(chǔ)上的封裝。圖 NS2架構(gòu)圖 ， 描述了 Tcl、 OTcl和 TclCL之間的關(guān)系。 圖 NS2 構(gòu)架圖 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 57 頁 NS2 的特點(diǎn) 抽象 NS 模擬器在設(shè)計上能夠滿足網(wǎng)絡(luò)研究界在模擬方面的多種需。抽象 NS 具備不同程度的抽象級別，不僅可以對細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬，也對以對不同層次的總體框架進(jìn)行模擬。 仿真 NS提供了更加接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的仿真環(huán)境，這是其他仿真軟件所不具備的。 場景生成 NS 中自帶了流最場景生成文件和運(yùn)動場景 cbrgen 生成文件 setdest， 讓使用更加方便，當(dāng)然也支持用戶按照自己的實(shí)際需要編寫場景及運(yùn)動文件腳本。 可 視 化 通過其中的網(wǎng)絡(luò)動畫工具 Nam,以動畫的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真的全過程，讓整個 運(yùn)動過 程一目了然。 可 擴(kuò) 充 性 可擴(kuò)充性表現(xiàn)在可以方便的添加新協(xié)議，讓使用范圍更加廣泛。 NS2 仿真一般流程 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真前，首先分析仿真涉及哪個層次， NS 仿真分兩個層次：一個是基于 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。另一個是基于 C++和 OTcl 編程的層次。如果 NS 中沒有所需的網(wǎng)絡(luò)元素，則需要對 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 腳木 。 假設(shè)用戶已經(jīng)完成了對 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)打一次仿真的步驟大致如下： 開始編寫 OTcl 腳本。首先配置模擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此時可以確定鏈路的基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。 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。 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。 設(shè)置 Trace 對象。 NS 通過 Trace 文件來保存整個模擬過程。仿真完后 , 用中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 57 頁 戶可以對 Trace文件進(jìn)行分析研究。 編寫其他的輔助過程，設(shè)定模擬結(jié)束時間，至此 OTcl腳本編寫完成。 用 NS解釋執(zhí)行剛才編寫的 OTcl 腳本。 對 Trace 文件進(jìn)行分析，得出有用的數(shù)據(jù)。 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。 下面是仿真的流程圖： 圖 NS2進(jìn)行仿真的基本流程圖 NS2 仿真的基本組件和使用 節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和配置 無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是可移動的節(jié)點(diǎn)，擁有很多屬性，如果使用 NS研究無線網(wǎng)絡(luò)需要在無線節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建之前對節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)屬性進(jìn)行配置。 節(jié)點(diǎn)的屬性配置使用 Simulator 類的 noedconfig{} 方法，該方法采用可變的模塊化結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同類型的節(jié)點(diǎn)在相同的節(jié)點(diǎn)基類下定義。配置好屬性以后 再創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，這是創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的基本方式，如需創(chuàng)建不同的節(jié)點(diǎn)則重新配置屬性以后再創(chuàng)建。下面是使用 nodeconfig{} 配置一個節(jié)點(diǎn)屬性的例子。 set ns [new Simulator] 建立一個模擬實(shí)例 set topo [new Topography] 建立一個拓?fù)鋱D對象 配置無線節(jié)點(diǎn) 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 57 頁 $ns nodeconfig adhocRouting AODV \ 無線路由協(xié)議是 AODV協(xié)議 llType LL \ 邏輯鏈路層類型是 LL層 macType Mac/ \ MAC層協(xié)議采用 ifqType Queue/DropTail/PriQueue \接口隊(duì)列類型是 IFQ隊(duì)列 ifqLen 50 \ 網(wǎng)絡(luò)接口隊(duì)列的大小是 50 antType Antenna/QmniAntenna \ 天線模型是全向天線 propType Propagation/TwoRayGround \ 無線傳輸模型是TwoRayGround phyType Phy/WirelessPhy \ 網(wǎng)絡(luò)接口類型是無線物理層 channel Channel/WirelessChannel \ 物理信道類型無線信道 topoInstance $topo \ 設(shè)置拓?fù)鋵?shí)例 agentTrace ON \ 開啟代理層 trace routerTrace ON \ 開啟路由層 trace macTrace OFF \ 關(guān)閉 mac 層的 trace movementTrace OFF 關(guān)閉移動節(jié)點(diǎn)的移動記錄 設(shè)置完節(jié)點(diǎn)的屬性之后，使用 nodecongfig{} 方法的 reset 選項(xiàng)可以將節(jié)點(diǎn)的所有屬性的參數(shù)值設(shè)置為默認(rèn)值： $ns nodeconfig reset 數(shù)據(jù)流生成工具 cbrgen NS2自帶有交通場景生成器，名稱為 。數(shù)據(jù)流生成工具 cbrgen 用來生成傳輸負(fù)載，可以產(chǎn)生移動節(jié)點(diǎn)之間的 TCP 流和 CBR 流。該工具所在的目錄為 ~ns/indeputils/cmuscengen/，使用方法如下： ns [type cbr/tcp] [nn nodes] [seed seed] [mc connections] [rate rate] 其中各種參數(shù)的含義如下： type：選擇 tcp表示生成 tcp流，選擇 cbr表示生成 cbr流； nn： nodes 表示節(jié)點(diǎn)數(shù)目； seed： seed 表示指定隨機(jī)種子； 中北大學(xué) 2022 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 57 頁 mc： connections 表示節(jié)點(diǎn)間的最大連接數(shù)； rate： rate 表示每個連接間的數(shù)據(jù)流的速率； 在使用 cbrgen 設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù) n時，節(jié)點(diǎn)的編號是從 node_(1)到 node_(n)。 拓?fù)溥\(yùn)動場景生成工具 setdest 拓?fù)溥\(yùn)動場景生成工具 setdest是用來隨機(jī)生成無線網(wǎng)所需的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動場景，也即一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)在某一固定大小的矩形區(qū)