朱磊基，李鳳榮，杜海韜，李　強，熊　勇

（1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海　200050；2.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上?！?01899）

層次化架構仿真平臺AODV路由算法仿真

朱磊基1，2，李鳳榮1，2，杜海韜1，李強1，2，熊勇1，2

（1.中國科學院 上海微系統(tǒng)與信息技術研究所，上海200050；2.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上海201899）

現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復雜系統(tǒng)不可缺少的分析、研究、設計、評價和決策的重要手段。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模龐大、整體驗證復雜度高，要求其大規(guī)模建設之前必須開展仿真驗證工作，因此，層次化架構仿真平臺應運而生。闡述了基于項目研發(fā)的層次化仿真平臺架構，并在此基礎上重點開展其中網(wǎng)絡層無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的算法分析研究與代碼實現(xiàn)方法介紹。最后，在層次化架構仿真平臺中，利用不同網(wǎng)絡規(guī)模開展針對無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的各節(jié)點接收分組數(shù)據(jù)參數(shù)仿真，并給出分析結論。

物聯(lián)網(wǎng)；仿真平臺；AODV路由；分析手段

0　引　言

物聯(lián)網(wǎng)是當前國際上備受關注的、多學科高度交叉的前沿研究領域。物聯(lián)網(wǎng)通過各類集成化微型傳感器實時地監(jiān)測、感知和采集各種信息，利用嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并經(jīng)由自組織通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式進行匯聚，通過各種制式的傳輸網(wǎng)傳送到后端數(shù)據(jù)支撐平臺進行處理，實現(xiàn)“無處不在的計算”理念，可廣泛地應用于智能城市與市政管理、移動醫(yī)療、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制與產(chǎn)品管理、智能交通、精準農(nóng)業(yè)、電子商務等領域，具有重大的研究意義和產(chǎn)業(yè)價值［1-3］。

系統(tǒng)仿真是20世紀40年代以來伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一門新興學科。仿真就是通過建立實際系統(tǒng)模型并利用所見模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程。主要用于航空航天、原子反應堆、電力、石油、化工、冶金、機械、社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等領域［4］。現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復雜系統(tǒng)，特別是一些高新技術產(chǎn)業(yè)必須的分析、研究、設計、評價、決策和訓練的重要手段。其應用范圍在不斷擴大，應用效益也日益顯著。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)因其規(guī)模龐大、整體驗證復雜度高，要求在大規(guī)模建設之前必須開展仿真驗證工作，因此，層次化架構仿真平臺應運而生。本文闡述了基于項目研發(fā)的層次化仿真平臺架構，并在此基礎上，重點開展其中網(wǎng)絡層無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的算法分析研究與代碼實現(xiàn)方法介紹。最后，在層次化架構仿真平臺中，利用不同信道模型開展針對無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的各節(jié)點接收分組數(shù)據(jù)參數(shù)仿真，并給出分析結論。

1　層次化架構仿真平臺

層次化架構仿真平臺采用層次型結構實現(xiàn)，以節(jié)點為中心，圍繞無線鏈路、信息采集、節(jié)點通信架構等多個方面構造。層次化架構仿真平臺總體結構如圖1所示。

圖1　層次化架構仿真平臺結構圖

圖1中，典型無線信道模塊是實現(xiàn)節(jié)點間通信功能的主要模塊。通過不同類型信道模型構建，仿真平臺具備了在高斯信道，瑞利信道以及城市軌交等特定信道環(huán)境下的無線通信系統(tǒng)仿真能力。節(jié)點模塊作為仿真平臺的核心組成部分，其設計思路參照典型的層次型架構模型，分為通信模塊、應用層和傳感器信息管理。在通信模塊部分，針對性的凝練了物理層、MAC層和網(wǎng)絡層等三個關鍵層次架構。圍繞不同的仿真任務，開放的接口模型可以方便地嵌入對應層次的設計算法。

路由算法模型實現(xiàn)節(jié)點組網(wǎng)仿真過程中的路徑選擇過程，其處于節(jié)點模塊的應用層和MAC層之間，層次架構示意圖如圖2所示。目前已完成AODV路由［5-7］、LAR路由［8-9］和DSR路由［10-11］算法。

圖2　路由算法位置示意圖

路由算法模塊基于模塊化的設計思路，通過指定的接口參數(shù)實現(xiàn)與上下層間的數(shù)據(jù)交互。路由算法模塊內(nèi)部，基于黑盒子的設計思路，依據(jù)各自的算法流程與設計規(guī)范等完成路由算法的實現(xiàn)與添加功能。下面針對AODV路由［12］算法展開具體的分析與實現(xiàn)。

2　AODV路由算法分析與實現(xiàn)

按需路由的路由表項只記錄下一跳路由信息，而不是整條路徑的路由信息，因此，簡化了路由表的建立和維護。針對不同的路由請求和路由維護操作，源節(jié)點和目的節(jié)點需要維護各自的序列號，序列號管理對提高路由建立和路由維護操作性能起到至關重要的作用。序列號用來標識路由信息新舊程度，源節(jié)點發(fā)起路由請求RREQ消息，或者目的節(jié)點返回路由應答RREP消息，都必須更新各自管理的序列號，中間節(jié)點依據(jù)消息中序列號的大小判斷路由的新舊。

路由請求與路由回復消息序列號管理示意如圖3所示。

圖3　序列號管理邏輯圖

在下面兩種情況下，節(jié)點會增加它自己的序列號：

（1）在一個節(jié)點發(fā)起一個路徑請求之前，它必須增加它自己的序列號。這樣，對已經(jīng)建立好的朝向RREQ消息發(fā)起者的反向路由來說，可以防止本次請求與其相沖突。

（2）在目的節(jié)點生成RREP消息以響應RREQ消息之前，它必須更新它自己的序列號，新的值是它目前的序列號和RREQ消息包中目的序列號的較大者。

當以下情況發(fā)生時，節(jié)點需要改變目的路由表項中的序列號：

（1）它自己就是目的節(jié)點，并且提供了一個到它自己的新的路由。

（2）它接收到了一個擁有關于目的節(jié)點序列號的新信息的AODV消息。

（3）朝向目的節(jié)點的路徑過期或者崩潰。

實現(xiàn)的路由算法仿真代碼支持部分節(jié)點和全網(wǎng)節(jié)點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，主要涉及數(shù)據(jù)類型包括：節(jié)點發(fā)包數(shù)量、節(jié)點收包數(shù)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計頁面如圖4所示。

對統(tǒng)計的數(shù)據(jù)結果提供簡單的結果分析與圖形化處理操作。另外，對采樣數(shù)據(jù)進行格式化的存儲后，支持第三方分析軟件讀取處理。圖形化處理統(tǒng)計圖如圖5所示。

圖4　統(tǒng)計操作命令與結果頁面

圖5　圖形化處理統(tǒng)計圖

3　仿真與分析

仿真布置場景為40 m×40 m的正方形區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，分別對15個，25個和35個節(jié)點規(guī)模網(wǎng)絡展開仿真。節(jié)點位置坐標由系統(tǒng)隨機生成，生成后對應的坐標分布圖分別如圖6～圖8所示。

圖6　網(wǎng)絡規(guī)模為15個節(jié)點的坐標分布圖

仿真統(tǒng)計圖分別如圖9～圖11所示，每個圖中統(tǒng)計了各個節(jié)點的溢出數(shù)據(jù)包，過濾數(shù)據(jù)包，接收數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包。

圖7　網(wǎng)絡規(guī)模為25個節(jié)點的坐標分布圖

圖8　網(wǎng)絡規(guī)模為35個節(jié)點的坐標分布圖

圖9　網(wǎng)絡規(guī)模為15個節(jié)點的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

通過仿真數(shù)據(jù)圖可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的場景區(qū)域，隨著節(jié)點數(shù)目增加，每個節(jié)點過濾的數(shù)據(jù)包數(shù)量逐步遞減，因為隨著節(jié)點數(shù)量增加，同樣大小區(qū)域內(nèi)節(jié)點的密度逐步增加，在同等的單跳通信距離能力情況下，每個節(jié)點管理的有效鄰居節(jié)點數(shù)目增加，指向目的節(jié)點的路徑信息逐步多樣化，最終形成路徑建立過程中每個節(jié)點需要轉發(fā)次數(shù)降低的結果。另外，隨著節(jié)點數(shù)目增加，每個節(jié)點接收到的分組數(shù)據(jù)逐步增加，這是因為隨著節(jié)點密度增大，在同等通信距離條件下，每個節(jié)點在一跳通信半徑范圍內(nèi)的概率逐步增加，因此，可以接收到更多的廣播數(shù)據(jù)包，同時，隨著接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)逐步增加，每個節(jié)點在同等數(shù)據(jù)處理能力之下，節(jié)點數(shù)據(jù)溢出的概率逐步增加。隨著節(jié)點密度增加，在處理同等復雜度事件時，每個節(jié)點平均發(fā)送數(shù)據(jù)量也逐步降低。

圖10　網(wǎng)絡規(guī)模為25個節(jié)點的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

圖11　網(wǎng)絡規(guī)模為35個節(jié)點的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

4　結　論

本文介紹了層次化仿真平臺的整體架構，闡述了各個層的主要功能。具體開展了網(wǎng)絡層AODV路由算法的分析與實現(xiàn)，并在層次化架構仿真平臺中開展了三種不同網(wǎng)絡規(guī)模下AODV路由算法的仿真與分析。通過仿真表明，本文實現(xiàn)的路由算法有效驗證了AODV路由協(xié)議的工作機制，仿真平臺可以完成不同場景下具體路由算法的仿真驗證工作。

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算法和仿真測試平臺等方面。

李鳳榮（1983—），女，上海嘉定人，助理研究員，博士。主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)安全及網(wǎng)絡系統(tǒng)仿真等。

杜海韜（1988—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。主要研究方向為網(wǎng)絡層路由算法與仿真。

AODV routing algorithm simulation based on hierarchical architecture simulation platform

ZHU Leiji1，2，LI Fengrong1，2，DU Haitao1，LI Qiang1，2，XIONG Yong1，2
（1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China；2.Shanghai Internet of Things Co.，Ltd.，Shanghai 201899，China）

The modern system simulation technology and comprehensive simulation system have become the absolutely necessary methods of analysis，research，design，evaluation and decision making for any complex systems.Since the Internet of Things system has the inherent attributes of large scale and high overall verification complexity，it is necessary to perform simulation verification before large-scale construction of the system.Therefore，the hierarchical architecture simulation platform came into being.The hierarchical simulation platform architecture based on project development is described.And on this basis，the Ad Hoc on-demand distance vector（AODV）routing protocol algorithm of network layer is analyzed and researched，and its code implementation method is introduced.The different network scales in hierarchical architecture simulation platform are used to simulate the grouped data parameter

by each node of AODV routing protocol.The analysis conclusion is given in this paper.

Internet of Things；simulation platform；AODV routing；analysis method

TN911-34

A

1004-373X（2016）13-0006-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.13.002

2015-11-18

上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目（14511101303）；上海市青年科技英才揚帆計劃資助項目（15YF1414500）

朱磊基（1984—），男，上海嘉定人，助理研究員，博士。主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、無線通信等，重點關注信道編碼、路由