|
NS2 中异构无线Mesh 网络仿真平台的实现 高见，张陆勇** 作者简介：高见（1986-），男，硕士研究生，无线通信新技术 通信联系人：张陆勇（1964-），男，副教授及高级工程师，无线宽带数字技术. E-mail: zh_luyong@126.com （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876） 摘要5 ：无线Mesh 网络是一种新型的无线网络，其作为核心网实现多种网络异构融合的研究 具有重要意义。NS2 作为一种应用广泛的网络仿真平台，在异构网络融合方面的仿真还存在 很多不足之处。在深入分析了这些不足之后，针对这些不足找到了解决方法，在NS2 中实 现了异构无线Mesh 网络仿真平台的搭建，并通过仿真实验验证了其正确性。 关键词：计算机仿真；无线Mesh 网络；异构网络融合；NS2；层次地址 10 中图分类号：TP391.9 The implementation of heterogeneous wireless Mesh network in NS2 Gao Jian, Zhang Luyong 15 (School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Communications,beijing 100876) Abstract: Wireless Mesh network is a new wireless network, and has a significant meaning for researching on the integration of heterogeneous networks as the core network. As a widely used network simulation platform, NS2 has a lot of disadvantages on simulation of the integration of 20 heterogeneous networks. After thoroughly analyzing the deficiencies, this paper proposes a solution to overcome these disadvantages in NS2. Moreover, the wireless heterogeneous Mesh network simulation platform in NS2 is built, and the validity of simulation platform is proven through simulation results. Key words: computer simulation; wireless Mesh network; heterogeneous network integration; 25 NS2; hierarchical address 0 引言 近年来，无线Mesh 网络(WMN,Wireless Mesh Networks)受到广泛关注，被看成是无线 局域网（WLAN,Wireless Local Area Networks）和Ad hoc 网络的融合并兼具两者的优势，是 30 Internet 的无线版本。该网络作为一种新型的分布式宽带无线网络，具有自配置、自愈合、 高带宽、兼容性、低成本等优点，是“最后一公里”宽带无线接入瓶颈问题的热门解决方案之 一。同时随着3G（3rd Generation）网络、WLAN、无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Networks）等无线网络的发展，未来无线网络对网络之间异构融合的需求迫切[1]。 综上所述，WMN 具有诸多优点，成为备受关注的研究热点，也是本文研究的重点。NS2 35 （Network Simulator 2）因其代码开源和支持协议较多的特性，成为了学术界最流行的网络 仿真工具，但是对于异构网络仿真的支持却很少[2]。在前期研究中，有研究人员提出了在 NS2 中实现UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）网络和WLAN 相互通信 的异构网络实现方案[3, 4]。但是通过广泛的调研之后发现，目前学术界并没有提出异构无线 Mesh 网络的实现方案。本文在已有的仿真研究的基础上，重点分析了异构无线Mesh 网络 40 的仿真模型，并且针对NS2 中异构无线Mesh 网络融合仿真的不足之处，给出了仿真思路和 解决方案，最后给出了仿真实例。 1 NS2 对异构无线Mesh 网络仿真平台的支持与不足 异构无线Mesh 网络仿真平台的框架结构如图1 所示。该框架包含了Internet 有线网络 以及WMN、WSN、WLAN 三种无线网络。其中WSN 和WLAN 通过AP/Sink 节点接入WMN 网络，WMN 网络通过网关（即图1 中45 Gateway 节点）接入Internet。在异构网络的仿真研 究中，这种平台框架的设计具有重要的实际意义。 图1 异构无线Mesh 网络结构框架 Fig. 1 Heterogeneous Wireless Mesh Network structural framing 50 在NS2 中要实现上述的异构无线Mesh 网络的结构框架，需要对现有的仿真框架针对以 下3 点进行扩展： 1. NS2 中默认采用的网络框架无法实现有线节点和无线节点的互联互通，需要采取地址 分层机制； 55 2. NS2 中每个节点只能配置一个信道，无法实现不同无线网络之间的互联互通； 3. NS2 中没有网关节点的设置，无法实现AP/Sink 节点将数据分组发送给WMN。 2 NS2 中异构无线Mesh 网络仿真平台的实现 针对上面提出的三个问题，我们将在2.1 小节、2.2 小节和2.3 小节分别论述问题的解决 思想和解决方案。 60 2.1 有线网络和无线网络的互通 目前NS2 中支持两种地址模式：flat 和hierarchical，其中flat 模式是默认设置。在flat 模式中节点地址是按照节点创建顺序来分配的，即节点地址等于节点索引号；然而，在 hierarchical 模式中节点的地址需要由仿真指定，比如使用set node [$ns node 1.2.3]的方法设 置node 的地址为1.2.3，其中1 表示节点所在的簇（Cluster），2 表示节点的域（Domain）， 3 表示节点的索引号65 （Index），地址1.2.3 表示第1 簇第2 域的索引号为3 的节点。通过上 述设置之后节点地址被存入节点的address_变量。节点地址在C++语言中32 位的int 类型存 储，其中第32~23 位存储簇号，22~12 位存储域号，11~1 位存储索引号。如图2 所示，此 时节点的地址为1.2.3，而如果以int 类型读取数据，则为4198403。通过这种地址划分方式 我们可以将有线网络和无线网络放在不同的簇中，实现两者之间的区分。此外，通过配置： 70 $ns node-config -wiredRouting ON 可以实现网关节点和有线节点之间的连接，对于不和有线 节点通信的节点则关闭有线路由即可。 图2 NS2 中的分层地址存储方式 Fig. 2 The storage format of hierarchical address in NS2 75 2.2 无线网络之间的互通 不同的无线网络之间往往使用不同的信道进行通信，因此要实现不同无线网络的互联互 通，则必须实现NS2 中的多信道多接口机制[5]。本文采用Ramon 等提出的多信道多接口实 现方案[6]。如图3 所示，网络中共创建3 条无线信道，其中WLAN 中使用信道1，WSN 中 使用信道2，WMN 中使用信道3。当AP/Sink 节点接收到信道1/信道2 传来的数据分组之 80 后，通过信道3 将数据分组发往WMN。因为已经实现了多信道多接口机制，所以可以实现 一个节点配置多个信道的功能。之后WMN 中的网关节点将数据分组通过有线链路发送给 Internet 网络中的Server 节点。 Channel 1 Channel 2 Channel 3 STA AP Sink Node Bridge Router Gateway Server WLAN WSN WMN 图3 WSN 中的多信道多接口机制 85 Fig. 3 Multi-Channel and Multi-interface mechanism in WSN 2.3 网关节点的创建 网关节点的主要任务就是接收到网络内其他节点的数据分组之后，将数据分组转发至其 他网络的对应节点。NS2 中的移动节点模型如图4 所示[7]，当节点的MAC 层接收到数据分 90 组之后，会将数据分组发送给LL 层，之后由LL 层发送到节点入口，并且根据数据分组的 地址判断该数据分组是否是自己的数据分组。因此，只需要在LL 层修改数据分组源地址和 目的地址，就可以让节点认为该数据分组是一个需要转发的数据分组，从而将数据分组发往 路由层。通过重新编写网关节点的LL 类，并且添加如下代码： hdr_cmn *ch = HDR_CMN(p); 95 hdr_ip *iph = HDR_IP(p); iph->daddr() = gateway_addr_; iph->saddr() = here_.addr_; ch->num_forwards() = 0; 上述代码实现的是：网关节点将数据分组的源地址改为该网关节点的地址，并将目的地 100 址改为进入网络后的新的目的地址（即该网关节点的目的地址），另外还要将数据分组的 forward 次数改为0，表示该数据分组还没有经过路由转发，是一个新的数据分组。 图4 NS2 中的移动节点模型 Fig. 4 The mobile node model in NS2 3 仿真验证 3.1 仿真验证场景 通过第2 节的描述，已经搭建了一个NS2 中异构无线Mesh 网络的仿真平台，接下来将 通过一个场景来验证仿真平台的正确性。仿真拓扑结构如图5 所示，包括了WLAN、WSN、 WMN 和Internet 网络，并110 且标注了不同节点的地址。在3.2 小节，将观察从WLAN 中STA 发送的数据分组通过AP 进入WMN，之后发送到Internet 有线节点的过程（如图5 蓝线所 示），以表明平台搭建的正确性。 图5 网络仿真的拓扑想定 115 Fig. 5 The topology scenario of network simulation 3.2 仿真结果及结论 通过观察网络仿真的trace 文件，可以清楚的掌握网络对于数据分组的处理情况。如图 6 所示，STA（节点8）向AP（节点7）发送cbr 类型的数据分组，并且数据分组的序号是 0。AP 成功接收到STA 发送的数据分组，并且回复了ACK。 120 图6 AP 接收STA 的数据分组 Fig. 6 AP received the packet from STA 125 如图7 所示，AP 向桥接节点（节点5）转发序列号为0 的cbr 类型数据分组。之后Bridge 节点正确接收了AP 发送的数据分组，并且回复ACK。 图7 桥接节点接收AP 的数据分组 Fig. 7 Bridge node received the packet from AP 130 如图8 所示，桥接节点需要向网关节点（节点1）转发序列号为0 的cbr 数据分组，但 是桥接节点并不能和网关节点直接通信，必须通过路由节点（节点3）作为中间节点才可以 完成数据分组的传输。首先桥接节点需要建立和网关节点之间的路由（本例中使用AODV 路由协议），之后桥接节点向路由节点发送数据分组，再由路由节点将数据分组发送给网关 135 节点，最终网关节点正确接收了序列号为0 的cbr 数据分组。 图8 网关节点接收桥接节点的数据分组 Fig. 8 Gateway node received the packet from bridge node 140 如图9 所示，当网关节点接收到数据分组之后，会通过和服务器之间的有线链路发送数 据分组，有线节点数据分组的方式和无线节点是不相同的。最后，服务器通过有线链路正确 接收了最初由WLAN 中的STA 产生的数据分组，即序列号为0 的cbr 类型数据分组。至此， 说明基于NS2 的异构无线Mesh 网络仿真平台搭建成功。 145 图9 服务器接收网关节点的数据分组 Fig. 9 Server received the packet from gateway node 4 结论 150 本文分析了在NS2 中实现异构无线Mesh 网络的结构模型，并且指出了NS2 中实现异 构无线Mesh 网络的仿真重点和难点。为了构建该仿真平台，我们进行了如下工作：首先， 通过使用NS2 中的分层网络模型，实现了有线网络和无线网络之间的连通性；之后，通过 使用多信道多接口机制，实现了WLAN 和WSN 与WMN 的互联互通；最后，通过为NS2 添加网关节点模型，实现了异构无线Mesh 网络中节点的网关功能。在文章的最后，我们通 过实际的仿真实155 验验证了异构无线Mesh 网络仿真平台的正确性，为基于NS2 的异构无线 Mesh 网络的仿真提供了重要的基础。在接下来的工作中我们还将继续在该仿真平台的基础 学术论文网Tag：代写论文 代发论文 代写代发医学 |
