西安通信學(xué)院 白冬林 張 瑋 李 暉

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MANET鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議TND的OPNET實(shí)現(xiàn)及仿真

西安通信學(xué)院 白冬林 張 瑋 李 暉

【摘要】拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)不僅是MANET組網(wǎng)需要解決的基本問題，也是路由協(xié)議工作的前提和基礎(chǔ)。本文闡述了基于OPNET 仿真框架下，如何實(shí)現(xiàn)MANET網(wǎng)絡(luò)中鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議TND的開發(fā)。同時在此基礎(chǔ)上以自由空間模型和雙線地面反射模型為例建立場景，對比分析了兩種模型下TND協(xié)議的性能表現(xiàn)，比較了其傳輸范圍與發(fā)射功率之間的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】MANET；TND；OPNET；Two-Ray

0 引言

MANET（Mobile Ad Hoc Network）也稱作移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)［1］，它是由若干移動節(jié)點(diǎn)組成的一種具有動態(tài)性、多跳性和臨時性的自組織網(wǎng)絡(luò)。MANET網(wǎng)絡(luò)中由于通信的雙方往往不在彼此的通信范圍內(nèi)，故需要經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息。這就要求節(jié)點(diǎn)在自組織形成網(wǎng)絡(luò)時首先要檢測它周圍的鄰節(jié)點(diǎn)，該過程稱為拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)過程。拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)不僅是組網(wǎng)需要解決的基本問題，也是路由協(xié)議工作的前提和基礎(chǔ)。TND協(xié)議就是一種用于在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的具體協(xié)議。

1 TND協(xié)議簡介

TND協(xié)議是由IETF（Internet Engineering Task Force）組織提出的一種基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議（TBRPF）［2］的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)部分，該協(xié)議是一個獨(dú)立于路由模塊的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，它可以被單獨(dú)用來實(shí)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)。因此，TND協(xié)議可以被其他的路由協(xié)議所使用。

1.1 TND協(xié)議

TND協(xié)議指出：如果在節(jié)點(diǎn)i的I接口與節(jié)點(diǎn)j的J接口之間存在一條雙向鏈路（I，J），那么節(jié)點(diǎn)i可以快速的檢測到鄰節(jié)點(diǎn)j。同時該協(xié)議也可以快速的檢測到一條雙向鏈路的斷開或變?yōu)閱蜗颉?/p>

TND協(xié)議的主要特點(diǎn)是它使用不同長度的HELLO包，而不同的HELLO包只報(bào)告該節(jié)點(diǎn)所獲知的鏈路變化信息。這使得HELLO信息在大小上比其他的路由協(xié)議的HELLO信息包更小。因此，HELLO信息可以被更頻繁的發(fā)送，從而更快速的檢測到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

1.2 參數(shù)設(shè)置

TND協(xié)議中所用到的參數(shù)以及建議的默認(rèn)值（括號內(nèi)標(biāo)注）包括：HELLO_INTERVAL （1second）， MAX_JITTER （0.1 second），NBR_HOLD_TIME （3 seconds）， NBR_HOLD_COUNT （3），HELLO_ACQUIRE_COUNT （2）。

1.3 鄰節(jié)點(diǎn)表

每個節(jié)點(diǎn)為每個本地接口I維護(hù)一張鄰節(jié)點(diǎn)表，表中存儲著在接口I從鄰接口J接收到的HELLO信息.鄰接口J的信息條目在接口I的鄰節(jié)點(diǎn)表中包含若干變量。如：變量nbr_rid（I，J） 表示與接口J關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的路由器的ID；變量nbr_status（I，J）表示鏈路（I，J）現(xiàn)在的狀態(tài)；變量nbr_life表示接口I當(dāng)不再接收到接口J的HELLO信息包時，在將nbr_status（I，J）變?yōu)長OST之前保留J的信息的時間，等等。

2 OPNET仿真實(shí)現(xiàn)

OPNET是一款經(jīng)典的網(wǎng)絡(luò)建模和仿真工具。它強(qiáng)大的功能和全面性使它能夠仿真幾乎任何網(wǎng)絡(luò)模型［3］。同時它出色的離散事件仿真引擎和便捷的圖形化調(diào)試界面為MANET網(wǎng)絡(luò)建模仿真提供了極大的便利［4］。

2.1 確定功能模塊層次

通過TND協(xié)議可知，該鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議是一個相對獨(dú)立的模塊，而如果在標(biāo)準(zhǔn)MANET節(jié)點(diǎn)模型中進(jìn)行添加，我們有兩種選擇：第一，可以加在應(yīng)用層——這樣可以將鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)協(xié)議作為應(yīng)用層的一種業(yè)務(wù)模式，與其他業(yè)務(wù)一起運(yùn)行，而將底層的模塊看作黑盒子不進(jìn)行處理；第二種，將協(xié)議加在MAC層，作為一種背景流直接參與運(yùn)算?？紤]到與正常業(yè)務(wù)流有可能會發(fā)生沖突或傳輸時碰撞的問題，為防止出現(xiàn)這樣的情況，本文采用第一種方法，并將該TND模塊作為一個等價于應(yīng)用層的獨(dú)立模塊進(jìn)行處理，修改后的節(jié)點(diǎn)模型如圖1所示。

圖1 修改后的MANET節(jié)點(diǎn)模型

2.2 定義HELLO包格式

如前所述，TND協(xié)議的主要特點(diǎn)是它使用不同長度的HELLO信息，而不同的HELLO信息只報(bào)告鏈路的變化信息。這使得HELLO信息比其他的鏈路路由協(xié)議更小。在本次仿真中所使用的HELLO信息包格式如圖2所示。

其中，地址欄中的信息和地址欄的長度大小都不是固定的，而是隨著鄰節(jié)點(diǎn)表中的內(nèi)容變化的，并且其中只記錄鏈路變化信息。因此我們在將地址信息向包中寫入時，要先對鄰節(jié)點(diǎn)表進(jìn)行一次篩選，找出其中的變化信息來。

圖2 HELLO信息包的包格式

2.3 發(fā)包的處理過程

每一個節(jié)點(diǎn)在每一個HELLO_INTERVAL間隔，至少發(fā)送一個HELLO信息包。HELLO 信息包可以被更頻繁的發(fā)送（比如為了更加快速的檢測到拓?fù)湫畔⒌淖兓?。如果?jié)點(diǎn)i的接口I重啟，它所有的鄰節(jié)點(diǎn)的信息將被丟失，此時節(jié)點(diǎn)i的每一個鄰節(jié)點(diǎn)j都將須把鏈路（J， I）的狀態(tài)設(shè)為LOST。

在仿真中，我們假設(shè)每個節(jié)點(diǎn)只有一個接口，并且將接口的地址設(shè)為節(jié)點(diǎn)的地址。發(fā)包時我們以典型值——HELLO_INTERVAL=1s，MAX_JITTER=0.1s進(jìn)行設(shè)置。為保證仿真核心每隔一秒發(fā)送一次，仿真中我們使用regular中斷來實(shí)現(xiàn)。

2.4 收包的處理過程

當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)收到一個HELLO信息包，它首先從IP 頭中獲得發(fā)送接口的IP地址。如果這個HELLO信息的TBRPF包頭中有RID選項(xiàng)，那么發(fā)送節(jié)點(diǎn)的RID也將被獲得，如果沒有這個選項(xiàng)，那么它就等于收發(fā)送接口的IP地址。

在仿真中，當(dāng)應(yīng)用層接收到包時，首先執(zhí)行judge（ ）判斷函數(shù)，這是本文自己定義的一個用來判斷該包是不是我們的HELLO包時所需要用到的一個函數(shù)，該函數(shù)首先將從包的0域中取出值，然后判斷該值是否等于我們的HELLO包頭，即是否等于1021013（如圖2所示），如果等于則將轉(zhuǎn)向狀態(tài)record，執(zhí)行收到HELLO包得相關(guān)操作。

3 仿真結(jié)果分析

在已建立的進(jìn)程模型基礎(chǔ)上，將進(jìn)程模型引入節(jié)點(diǎn)中，建立場景進(jìn)行仿真。本文以自由空間傳播模型和雙線地面反射模型為例，在固定場景條件下進(jìn)行對比分析。

3.1 自由空間傳播模型

首先我們以自由空間傳播模型為例進(jìn)行仿真。自由空間傳播模型用于預(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻擋的視距路徑時的接收信號場強(qiáng)［5］。這種傳播模型相對簡單，可以作為理想狀態(tài)下的傳播模型使用。另外在OPNET中，信道的默認(rèn)傳播模型也為自由空間模型。本文以每秒輸出一次的速率輸出鄰節(jié)點(diǎn)表中的內(nèi)容，為保證所取場景拓?fù)鋱D的一般性，下面給出自由空間模型中仿真時間為79秒的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，如圖3所示。

圖3 自由空間模型中仿真時間為79秒時的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)仿真中，在發(fā)射功率為5毫瓦，接收門限為-95dBm時，我們將發(fā)包間隔設(shè)為0.1秒。仿真結(jié)果顯示，拓?fù)涞淖钤绨l(fā)現(xiàn)為0.3秒，即算法的收斂性可達(dá)到0.3秒。而當(dāng)發(fā)包間隔小于0.1秒時，將會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)阻塞，包不能再被正確發(fā)送，接收并處理，這是由于在發(fā)包時的隨機(jī)抖動時間造成的。

圖4 Two-Ray模式下仿真時間為79秒時的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 雙線地面反射模型

在實(shí)際的MANET網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間以單一視距路徑傳播方式出現(xiàn)的情況只是多種傳播方式的一種，接收機(jī)接收的信號往往來自不同的反射和折射路徑。因此我們對自由空間傳播模型稍加改進(jìn)，引入雙線（Two-Ray）地面反射模型［6］。該模型不僅考慮了視距傳播的直接路徑，而且考慮了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的地面反射路徑。我們對雙線地面反射模型的信道模型進(jìn)行編寫，并給出了此時網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆抡娼Y(jié)果，如圖4所示。

3.3 兩種模式的對比

由圖3、圖4對比可以發(fā)現(xiàn)，自由空間下距離較遠(yuǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)間的鏈路如（13，9），（14，6）等鏈路在雙線模型中消失了，而單向鏈路如（12，1）也不存在了。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中，單向鏈路是不穩(wěn)定的鏈路；通常這些鏈路存在于兩個距離較遠(yuǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)之間，即一個節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率剛剛可以滿足達(dá)到另一個節(jié)點(diǎn)的時候，但是由于傳播中的信號衰減，接收端的信噪比往往會比較小，從而造成誤碼的產(chǎn)生，當(dāng)誤碼率高于接收門限時，接收端就不能正常接收到包，從而造成丟包，接收端則會認(rèn)為丟失到這個鄰節(jié)點(diǎn)。

下面我們在節(jié)點(diǎn)采用最大恒定傳輸功率的情況下，比較節(jié)點(diǎn)在兩種傳播模型下的最大通信距離以及所需要使用的功率。

圖5 接收門限為-95dBm時的兩種模式下的最小發(fā)射功率圖

通過圖5的功率圖我們可以清楚地看到兩種模式下，所需的最小發(fā)射功率與距離之間關(guān)系。由于自由空間模型的接收功率與距離的平方成反比例關(guān)系，而雙線模型下，接收功率與距離的四次方成反比例關(guān)系，所以，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)間的距離較小時，雙線模型所需的最小發(fā)射功率要小于自由空間模型；而當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)間的距離大于906米時，雙徑模型所需的最小發(fā)射功率將要大于自由空間模型。

4 結(jié)束語

本文對一種基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)部分TND協(xié)議進(jìn)行了深入研究，詳細(xì)闡述了協(xié)議的OPNET實(shí)現(xiàn)過程，同時在此基礎(chǔ)上以自由空間模型和雙線地面反射模型為例建立場景進(jìn)行仿真，對比分析了兩種模型下TND協(xié)議的性能表現(xiàn)，比較了其傳輸范圍與發(fā)射功率之間的關(guān)系，為其他路由協(xié)議如何更好的使用TND協(xié)議提供了參考。

參考文獻(xiàn)

［1］李臘元，李春林.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.第2版.北京﹕國防工業(yè)出版社，2004.90～99.

［2］R.Ogier，M. Lewis，F(xiàn).Templin.Topology Dissemination Based on Reverse-Path Forwarding （TBRPF）.Mobile Ad-Hoc Networks Working Group，Internet-Draft.April 22，2003，draft-ietf-manet-tbrpf-08.txt.

［3］陳敏.OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真［M］.第一版.北京﹕清華大學(xué)出版社，2004.4.

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［5］葉霞，李俊山，張璟.移動自組網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)策略的分析研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，5（5）﹕28.

［6］李瑞睿，鄭相全，王靖.一種基于定向天線的鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)算法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（5）﹕36-30.

白冬林（1980－），男，碩士，西安通信學(xué)院講師，研究方向：通信工程。

張瑋（1977－），男，碩士，西安通信學(xué)院副教授，研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

李暉（1979－），女，碩士，西安通信學(xué)院講師，研究方向：通信工程。

作者簡介：