基于NS2的無線傳感器網(wǎng)絡仿真平臺設計

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡是當前國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。未來的無線傳感器網(wǎng)絡將向海、陸、空、天立體化網(wǎng)絡系統(tǒng)的方向發(fā)展，最終將成為人類生產(chǎn)和生活不可分割的一部分。無線傳感器網(wǎng)絡無論是在國防，還是在國民經(jīng)濟的各個領域均有著廣闊的應用前景。對該技術的深入研究與推廣應用將推動我國信息化建設的進程，并極大地帶動相關產(chǎn)業(yè)和學科的發(fā)展。
    在開展的無線傳感器網(wǎng)絡的研究中，我們都力求圍繞網(wǎng)絡的各種關鍵性能對無線傳感器網(wǎng)絡的各種技術進行改進。然而受有限的資金和網(wǎng)絡條件的限制，在實驗室構建大規(guī)模的實驗平臺比較昂貴。因此，充分利用現(xiàn)有資源，構建虛擬的仿真環(huán)境是非常有意義的。
    本文在無線傳感器網(wǎng)絡特點和協(xié)議棧的研究基礎上，利用網(wǎng)絡仿真軟件NS2進行了研究和二次開發(fā)，構建了一個基于各種無線傳感器網(wǎng)絡關鍵性能的仿真界面。使得用戶可以通過仿真界面來自主配置網(wǎng)絡元素，搭建網(wǎng)絡，運行并直觀地顯示各種關鍵性能，以對其研究起到一定的指導作用。

1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構及NS2仿真機制
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構
    網(wǎng)絡體系結構是網(wǎng)絡的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡及其部件所應完成功能的定義和描述。對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，圖l是傳感器節(jié)點使用的最典型的網(wǎng)絡協(xié)議體系結構，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層，與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。此外，還包括網(wǎng)絡管理模塊。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。該模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡的TCP／IP和0sI模型的架構，同時又包含了傳感器網(wǎng)絡特有的電源管理、移動管理及任務管理。應用層為不同的應用提供了一個相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為傳感器網(wǎng)絡保持數(shù)據(jù)流或保證與Internet連接；網(wǎng)絡層主要關心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調無線媒質的訪問，盡量減少相鄰節(jié)點廣播時的沖突；物理層為系統(tǒng)提供一個簡單、穩(wěn)定的調制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此而外，電源、移動和任務管理負責傳感節(jié)點能量、移動和任務分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點協(xié)調感測任務，盡量減少整個系統(tǒng)的功耗。

1．2 NS2的仿真機制
    NS是美國加州Lawrence Berkeley國家實驗室于1989年開始開發(fā)的軟件。NS是一種可擴展、以配置和可編程的事件驅動的仿真工具，可以提供有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡中鏈路層及其上層，精確到數(shù)據(jù)包的一系列行為的仿真。最值得一提的是，NS中的許多協(xié)議代碼都和真實網(wǎng)絡中的應用代碼十分接近，其真實性和可靠性高居世界仿真軟件的前列。
    NS底層的仿真引擎主要由C++編寫，同時利用0TCL語言作為仿真命令和配置的接口語言，網(wǎng)絡仿真的過程由一段OTCL的腳本來描述，這段腳本通過調用引擎中各類屬性、方法，定義網(wǎng)絡的拓撲，配置源節(jié)點、目的節(jié)點，建立連接，產(chǎn)生所有事件的時間表，運行并跟蹤仿真結果，還可以對結果進行相應的統(tǒng)計處理或制圖。
    通常情況下，NS仿真器的工作從創(chuàng)建仿真器類(simulator)的實例開始，仿真器調用各種方法生成節(jié)點，進而構造拓撲圖，對仿真的各個對象進行配置，定義事件，然后根據(jù)定義的事件，模擬整個網(wǎng)絡活動的過程。
    仿真器封裝了多個功能模塊：
    (1)事件調度器：由于NS是基于事件驅動的，調度器也成為NS的調度中心，可以跟蹤仿真時間，調度當前事件鏈中的仿真時間并交由產(chǎn)生該事件的對象處理。
    (2)節(jié)點：是一個復合組件，在NS中可以表示端節(jié)點和路由器，節(jié)點為每個連接到他的節(jié)點分配不同的端口，用于模擬實際網(wǎng)絡中的端口。
    (3)鏈路：有多個組件復合而成，用來連接網(wǎng)絡節(jié)點。
    (4)代理：代理類包含源及目的節(jié)點地址，數(shù)據(jù)包類型、大小、優(yōu)先級等狀態(tài)變量，每個代理鏈接到一個網(wǎng)絡節(jié)點上，通常連接到端節(jié)點，由該節(jié)點給他分配端口號。
    (5)包：由頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成。
    NS采取對真實網(wǎng)絡元素進行抽象，保留其基本特征，并運用等效描述的方法來建立網(wǎng)絡仿真模型。他們由大量的仿真組件所構成，用于實現(xiàn)對真實網(wǎng)絡的抽象和模擬。

2 仿真平臺設計
2．1 系統(tǒng)整體結構
    NS2的主代碼主要采用Tcl和C++兩種語言進行編寫。C++的程序運行時間很短，轉換時間很長，適合具體協(xié)議的實現(xiàn)，而Tcl運行較慢但轉換很快，正好用來仿真的配置。Tcl提供了一個強有力的平臺，可以生成面向多種平臺的應用程序、協(xié)議、驅動程序等等。他與Tk(too1kit)協(xié)作，可生產(chǎn)GUI應用程序。Tk是基于Tcl的圖形程序開發(fā)工具箱，是Tcl的重要擴展部分。利用Tcl／Tk進行界面編程速度快，且界面編程工作可以從應用程序的其余部分分離開來，開發(fā)人員可以先集中精力實現(xiàn)程序的核心部分，然后逐步建立用戶界面。
    本文主要就是采用Tk工具包來作出友好的無線傳感器網(wǎng)絡用戶操作界面，將所要運行的ns代碼嵌入其中，通過Nam動畫演示來展現(xiàn)網(wǎng)絡運行的過程，用Xgraph靜態(tài)圖表來分析網(wǎng)絡的各種關鍵性能。通過Tcl腳本來描述在用戶界面上所定義的網(wǎng)絡拓撲、場景參數(shù)以及網(wǎng)絡協(xié)議等網(wǎng)絡場景信息。
    系統(tǒng)體系結構如圖2所示。系統(tǒng)主要有網(wǎng)絡場景模塊和性能分析模塊組成，網(wǎng)絡場景模塊主要包括環(huán)境參數(shù)設定、拓撲生成以及網(wǎng)絡協(xié)議添加的實現(xiàn)。當設定好基站以及普通節(jié)點拓撲范圍后，隨機生成一個網(wǎng)絡節(jié)點拓撲文件，結合其余的環(huán)境參數(shù)和網(wǎng)絡協(xié)議，便可完成網(wǎng)絡環(huán)境的初始化。

    在NS2仿真器中，模擬的配置被作為一種程序設計而不是一種靜態(tài)的配置。一次模擬的場景為模擬的運行定義了一個輸入配置，NS采用Tcl腳本來描述用戶提交的網(wǎng)絡模擬場景。
    當提交網(wǎng)絡模擬場景后，根據(jù)參數(shù)便會生成Tcl模擬腳本并調用NS仿真器進行模擬運行網(wǎng)絡，模擬結束后性能分析模塊即被激活，性能分析模塊主要包括Nam動畫演示和Xgraph靜態(tài)性能分析的實現(xiàn)。其中靜態(tài)分析實現(xiàn)了網(wǎng)絡能量、延時、丟包以及吞吐量等關鍵性能的仿真。
2．2 系統(tǒng)具體實現(xiàn)
    系統(tǒng)具體的用戶操作界面如圖3所示：

    在網(wǎng)絡場景模塊中，場景參數(shù)的設定僅由用戶界面輸入便可完成，提交參數(shù)時可自動添加至后臺運行的Tcl腳本中并調用NS仿真器進行運行，然而如若添加自定義網(wǎng)絡協(xié)議，則需進行相應的NS二次開發(fā)，先開發(fā)出想添加的網(wǎng)絡協(xié)議，并添加至后臺運行的Tcl腳本中，然后才能添至用戶界面中。
    在性能分析模塊中，網(wǎng)絡動畫演示主要是通過調用Nam可視化工具來實現(xiàn)，網(wǎng)絡主要關鍵性能的靜態(tài)顯示則是通過gawk語言對網(wǎng)絡運行的跟蹤文件進行讀取、處理，最后通過Xgraph圖表化得到的。

3 仿真性能分析
    我們以經(jīng)典層次路由協(xié)議leach協(xié)議的運行為例，來觀察系統(tǒng)用戶操作界面的使用。
    在用戶界面中輸入需要的環(huán)境參數(shù)，在MAC協(xié)議下拉選項中選取Mac／Sensor，在routing協(xié)議中選取leach，然后確認輸入點擊控件0K?進行提交網(wǎng)絡模擬場景設置。然后點擊控件Run調用Ns仿真器進行運行模擬網(wǎng)絡(其中Clear控件用來清楚輸入，Reset控件用來恢復默認設置)。待模擬完成后，性能分析模塊被激活，如圖4所示。

    此時，我們便可觀察網(wǎng)絡的各種性能分析，控件dynamic run可調甩Nam根據(jù)模擬返回結果NamTrace文件來動態(tài)演示網(wǎng)絡的模擬過程，Nam的動態(tài)演示如圖5所示。在energy一欄中，有三個控件：node alived、received data和energy consume，分別表示剩余節(jié)點數(shù)目、基站接收的數(shù)據(jù)量和網(wǎng)絡消耗能量。如圖6、7、8所示。

    由圖6、7、8可以看出，網(wǎng)絡總共運行時間為505s，第一個節(jié)點在330s左右死亡，到505s左右網(wǎng)絡還剩余4個節(jié)點，基站接收到的數(shù)據(jù)量隨著時間大致呈線性上升，而網(wǎng)絡消耗的能量卻隨著節(jié)點的死亡呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢。觀察一下網(wǎng)絡的時延狀況，在delay一欄中，有三個控件：delay／packet、delay／time和jitter，分別表示每個包的延時，單位時間內的延時和延時抖動，下面僅以delay／time和jitter為例，如圖9、lO所示：

    從圖9、10中可以看出，網(wǎng)絡的延時存在一定的周期性，這與1each協(xié)議的“回合”過程是有一定密切關系的，而且從圖10中也可以看出，網(wǎng)絡整體慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
    下面看一下網(wǎng)絡的丟包和吞吐量。這里的丟包率為了防止網(wǎng)絡中存在一對多的傳輸情況(排除了廣播)，定義為：丟包率=丟棄的數(shù)據(jù)包／(接收的數(shù)據(jù)包+丟棄的數(shù)據(jù)包)。在drop一欄中，有兩個控件：drop ratio和get ratio，這是兩個對立的概念，一個表示丟包率，一個表示接收率(丟包率+接收率=1)，僅以接收率為例，如圖11所示，網(wǎng)絡的吞吐量用單位時間內網(wǎng)絡發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量表示，如圖12所示。

    由圖11，在leach協(xié)議中，節(jié)點在成簇過程中即為簇內每個節(jié)點按照TDMA方法安排了傳送數(shù)據(jù)的時間片，這一點保證了節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時不會發(fā)生相互碰撞，也進一步保證了數(shù)據(jù)的接收率，圖12，網(wǎng)絡的吞吐量也與傳輸延時保持一致，與成簇周期存在一定的周期對應關系。

4 結束語
    由于NS2的安裝和使用都比較復雜，針對于此，本文搭建了一個用戶仿真平臺，NS2仿真器對于用戶是透明的，面對用戶的只是設計平臺上的參數(shù)和協(xié)議的選定，用戶即可以利用NS2仿真器所提供的強大功能來進行那個網(wǎng)絡模擬研究又可以省去搭建網(wǎng)絡的復雜過程。
    本文提出的系統(tǒng)通過采用NS2作為后臺仿真器給用戶提供了強大的網(wǎng)絡仿真能力，滿足了無線傳感器網(wǎng)絡的多種仿真要求，同時由Tk軟件包所設計的仿真平臺也為不同網(wǎng)絡環(huán)境的重復性實驗提供了種種便利，具有良好的可控、可視和可擴充性。