層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)AODV路由算法仿真

朱磊基，李鳳榮，杜海韜，李　強(qiáng)，熊　勇

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

層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)AODV路由算法仿真

朱磊基1，2，李鳳榮1，2，杜海韜1，李強(qiáng)1，2，熊勇1，2

（1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)不可缺少的分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和決策的重要手段。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模龐大、整體驗(yàn)證復(fù)雜度高，要求其大規(guī)模建設(shè)之前必須開展仿真驗(yàn)證工作，因此，層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。闡述了基于項(xiàng)目研發(fā)的層次化仿真平臺(tái)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)開展其中網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)方法介紹。最后，在層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)中，利用不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模開展針對(duì)無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的各節(jié)點(diǎn)接收分組數(shù)據(jù)參數(shù)仿真，并給出分析結(jié)論。

物聯(lián)網(wǎng)；仿真平臺(tái)；AODV路由；分析手段

0　引　言

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的前沿研究領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)通過各類集成化微型傳感器實(shí)時(shí)地監(jiān)測、感知和采集各種信息，利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并經(jīng)由自組織通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式進(jìn)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(tái)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)“無處不在的計(jì)算”理念，可廣泛地應(yīng)用于智能城市與市政管理、移動(dòng)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)、電子商務(wù)等領(lǐng)域，具有重大的研究意義和產(chǎn)業(yè)價(jià)值［1-3］。

系統(tǒng)仿真是20世紀(jì)40年代以來伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科。仿真就是通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所見模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。主要用于航空航天、原子反應(yīng)堆、電力、石油、化工、冶金、機(jī)械、社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域［4］?，F(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)必須的分析、研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策和訓(xùn)練的重要手段。其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，應(yīng)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(yàn)證復(fù)雜度高，要求在大規(guī)模建設(shè)之前必須開展仿真驗(yàn)證工作，因此，層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。本文闡述了基于項(xiàng)目研發(fā)的層次化仿真平臺(tái)架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展其中網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)方法介紹。最后，在層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)中，利用不同信道模型開展針對(duì)無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議的各節(jié)點(diǎn)接收分組數(shù)據(jù)參數(shù)仿真，并給出分析結(jié)論。

1　層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)

層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)采用層次型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，以節(jié)點(diǎn)為中心，圍繞無線鏈路、信息采集、節(jié)點(diǎn)通信架構(gòu)等多個(gè)方面構(gòu)造。層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，典型無線信道模塊是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信功能的主要模塊。通過不同類型信道模型構(gòu)建，仿真平臺(tái)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(diǎn)模塊作為仿真平臺(tái)的核心組成部分，其設(shè)計(jì)思路參照典型的層次型架構(gòu)模型，分為通信模塊、應(yīng)用層和傳感器信息管理。在通信模塊部分，針對(duì)性的凝練了物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層等三個(gè)關(guān)鍵層次架構(gòu)。圍繞不同的仿真任務(wù)，開放的接口模型可以方便地嵌入對(duì)應(yīng)層次的設(shè)計(jì)算法。

路由算法模型實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)仿真過程中的路徑選擇過程，其處于節(jié)點(diǎn)模塊的應(yīng)用層和MAC層之間，層次架構(gòu)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(shè)計(jì)思路，通過指定的接口參數(shù)實(shí)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(shè)計(jì)思路，依據(jù)各自的算法流程與設(shè)計(jì)規(guī)范等完成路由算法的實(shí)現(xiàn)與添加功能。下面針對(duì)AODV路由［12］算法展開具體的分析與實(shí)現(xiàn)。

2　AODV路由算法分析與實(shí)現(xiàn)

按需路由的路由表項(xiàng)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(hù)。針對(duì)不同的路由請求和路由維護(hù)操作，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)各自的序列號(hào)，序列號(hào)管理對(duì)提高路由建立和路由維護(hù)操作性能起到至關(guān)重要的作用。序列號(hào)用來標(biāo)識(shí)路由信息新舊程度，源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請求RREQ消息，或者目的節(jié)點(diǎn)返回路由應(yīng)答RREP消息，都必須更新各自管理的序列號(hào)，中間節(jié)點(diǎn)依據(jù)消息中序列號(hào)的大小判斷路由的新舊。

路由請求與路由回復(fù)消息序列號(hào)管理示意如圖3所示。

圖3　序列號(hào)管理邏輯圖

在下面兩種情況下，節(jié)點(diǎn)會(huì)增加它自己的序列號(hào)：

（1）在一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)路徑請求之前，它必須增加它自己的序列號(hào)。這樣，對(duì)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(diǎn)生成RREP消息以響應(yīng)RREQ消息之前，它必須更新它自己的序列號(hào)，新的值是它目前的序列號(hào)和RREQ消息包中目的序列號(hào)的較大者。

當(dāng)以下情況發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)需要改變目的路由表項(xiàng)中的序列號(hào)：

（1）它自己就是目的節(jié)點(diǎn)，并且提供了一個(gè)到它自己的新的路由。

（2）它接收到了一個(gè)擁有關(guān)于目的節(jié)點(diǎn)序列號(hào)的新信息的AODV消息。

（3）朝向目的節(jié)點(diǎn)的路徑過期或者崩潰。

實(shí)現(xiàn)的路由算法仿真代碼支持部分節(jié)點(diǎn)和全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，主要涉及數(shù)據(jù)類型包括：節(jié)點(diǎn)發(fā)包數(shù)量、節(jié)點(diǎn)收包數(shù)量、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)頁面如圖4所示。

對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果提供簡單的結(jié)果分析與圖形化處理操作。另外，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化的存儲(chǔ)后，支持第三方分析軟件讀取處理。圖形化處理統(tǒng)計(jì)圖如圖5所示。

圖4　統(tǒng)計(jì)操作命令與結(jié)果頁面

圖5　圖形化處理統(tǒng)計(jì)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(duì)15個(gè)，25個(gè)和35個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)模網(wǎng)絡(luò)展開仿真。節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)由系統(tǒng)隨機(jī)生成，生成后對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)分布圖分別如圖6～圖8所示。

圖6　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為15個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分布圖

仿真統(tǒng)計(jì)圖分別如圖9～圖11所示，每個(gè)圖中統(tǒng)計(jì)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(luò)規(guī)模為25個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分布圖

圖8　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為35個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分布圖

圖9　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為15個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)數(shù)目增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)過濾的數(shù)據(jù)包數(shù)量逐步遞減，因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，同樣大小區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的密度逐步增加，在同等的單跳通信距離能力情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)管理的有效鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，指向目的節(jié)點(diǎn)的路徑信息逐步多樣化，最終形成路徑建立過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)降低的結(jié)果。另外，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的分組數(shù)據(jù)逐步增加，這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)密度增大，在同等通信距離條件下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，隨著接收的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)逐步增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在同等數(shù)據(jù)處理能力之下，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)溢出的概率逐步增加。隨著節(jié)點(diǎn)密度增加，在處理同等復(fù)雜度事件時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均發(fā)送數(shù)據(jù)量也逐步降低。

圖10　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為25個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖11　網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為35個(gè)節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

4　結(jié)　論

本文介紹了層次化仿真平臺(tái)的整體架構(gòu)，闡述了各個(gè)層的主要功能。具體開展了網(wǎng)絡(luò)層AODV路由算法的分析與實(shí)現(xiàn)，并在層次化架構(gòu)仿真平臺(tái)中開展了三種不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下AODV路由算法的仿真與分析。通過仿真表明，本文實(shí)現(xiàn)的路由算法有效驗(yàn)證了AODV路由協(xié)議的工作機(jī)制，仿真平臺(tái)可以完成不同場景下具體路由算法的仿真驗(yàn)證工作。

［1］畢開春，夏萬利，李維娜，等.物聯(lián)網(wǎng)在中國［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［2］AKYILDIZ I F，SU W L，SANKARASUBRAMANIAM Y，et al. A survey on sensor networks［J］.IEEE communications magazine，2002，40（8）：102-114.

［3］吳功宜，吳英.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［4］劉翠海.無線電通信系統(tǒng)仿真及軍事應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［5］DUTTA C B，BISWAS U.A novel blackhole attack for multipath AODV and its mitigation［C］//Proceedings of 2014 IEEE Recent Advances and innovations in Engineering.Jaipur：IEEE，2014：1-6.

［6］DESAI R，PATIL B P.Cooperative reinforcement learning approach for routing in Ad Hoc networks［C］//Proceedings of 2015 International Conference on Pervasive Computing.Pune：IEEE，2015：1-5.

［7］BANSAL B，TRIPATHY M R，GOYAL D，et al.Improved routing protocol for MANET［C］//Proceedings of 2015 5th International Conference on Advanced Computing&Communication Technologies.Haryana：IEEE，2015：340-346.

［8］DILIP K，SAMUNDISWARY P.Performance analysis of LAR protocol in mobile wireless sensor networks［C］//Proceedings of 2014 International Conference on Computer Communication and Informatics.Coimbatore：IEEE，2014：1-4.

［9］GOYAL P.Simulation study of comparative performance of AODV，OLSR，F(xiàn)SR&LAR，routing protocols in MANET in large scale scenarios［C］//Proceedings of 2012 World Congress on Information and Communication Technologies.Trivandrum：IEEE，2012：283-286.

［10］ISTIKMAL I.Analysis and evaluation optimization dynamic source routing（DSR）protocol in mobile Ad Hoc network based on ant algorithm［C］//Proceedings of 2013 International Conference ofInformation and Communication Technology. Bandung：IEEE，2013：400-404.

［11］TAMBUWAL A B，NOOR R M，MICHAEL O.Improvement of DSR routing protocol using TTL-based scheme in mobile Ad Hoc networks［C］//Proceedings of 2013 IEEE International Conference on RFID-Technologies and Applications.Johor Bahru：IEEE，2013：1-6.

［12］PERKINS C，BELDING-ROYER E，DAS S.Ad Hoc on-demand distance vector（AODV）routing［R］.Britain：RFC，2003.

［13］張婧怡，向新，孫曄，等.無線通信系統(tǒng)頻譜分配策略優(yōu)化研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（10）：224-228.

算法和仿真測試平臺(tái)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?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)安全及網(wǎng)絡(luò)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?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)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(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（14511101303）；上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃資助項(xiàng)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?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、無線通信等，重點(diǎn)關(guān)注信道編碼、路由