NS2仿真：公交车移动周期模型及性能分析

NS2仿真实验报告3

实验名称：公交车移动周期模型及性能分析

实验日期：2015年3月16日~2015年3月21日

实验报告日期：2015年3月22日

一、实验环境（网络平台，操作系统，网络拓扑图）

运行平台：虚拟机VMwareWorkstation11.0

操作系统：Linux/CentOS6.5仿真分析工具：NS2.35中的仿真软件ns，图形界面工具nam，编译工具awk，图表编辑器xgraph

网络拓扑图：

二、  实验目的

建立简单回路城市公交模型，假定给回路中的每个公交车都配置一个数据收发装置，进行网络通信。在NS仿真平台上建立相应的运动模型，以及配置路由机制，和分析网络性能的方法，综合分析该网络模型的可行性。本实验的主要在于分析网络的性能，网络的运动模型将以时间段表述出来。

三、  实验内容及步骤（包括主要配置流程，重要部分截图）

在实验1和2的基础上，通过动态静态网络传输的周期性模型，进一步学习无线自组织网络，其中包括一些常见的无线网络传输协议DSDV（Destination Sequenced Distance Vector）目标序列距离路由矢量算法、AODV（Adhocon DemandDistance Vector Routing）Adhoc网络的距离矢量路由算法、DSR（Dynamic Source Routing）等。比较在该模型下，使用不同路由协议时，各网络传输连通的状况。根据图表总结归纳各网络协议的优缺点以及性能分析。

3.1编写一个tcl脚本一般分为以下几个步骤

1) 创建模拟器对象

用来定义和控制模拟过程。在这个过程中，首先创建一个simulator 对象。

# 创建新模拟器

set ns  [new Simulator]

2) 设置跟踪文件

# 跟踪文件和NAM文件创建

set tracefd  [open trace2.trw]

$ns   trace-all $tracefd

set namtrace [open sim12.nam w]

$ns   namtrace-all-wireless$namtrace $val(x)  $val(y)

# 吞吐量跟踪文件建立（用于最后分析）

set f0 [open out01.tr w]

# 丢包率跟踪文件建立（用于最后分析）

set f5 [open lost02.tr w]

# 传输延时跟踪文件建立（用于最后分析）

set f10 [open delay02.tr w]

3) 创建网络拓扑结构

set topo [new Topography]

# 场景范围设置

$topo load_flatgrid $val(x) $val(y)

#定义属性值（无线网络环境的固定模式）

set val(chan) Channel/WirelessChannel    ;#信道类型

set val(prop) Propagation/TwoRayGround  ;#无线传输类型

set val(netif) Phy/WirelessPhy                   ;#网络接口类型

set val(mac) Mac/802_11                          ;# MAC类型

set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue      ;#接口队列类型

set val(ll) LL                                                        ;#链路层类型

set val(ant) Antenna/OmniAntenna          ;#天线模式

set val(ifqlen) 50                                         ;#包的最大缓存数

set val(nn) 18                                               ;#移动节点个数

set val(rp) AODV                                        ;# 路由协议（实验3的关键因素，与AODV替换）

set val(x) 1000                                           ;# 定义场景中X轴最大值

set val(y) 400                                             ;# 定义场景中Y轴最大值

Mac/802_11 set RTSThreshold_ 3000

Mac/802_11 set basicRate_ 1Mb

Mac/802_11 set dataRate_ 2Mb

4) 配置节点属性

# 对本次实验中将出现的无线节点的属性进行详细设置

$ns node-config-adhocRouting $val(rp) \

-llType $val(ll) \

-macType $val(mac) \

-ifqType $val(ifq) \

-ifqLen $val(ifqlen) \

-antType $val(ant) \

-propType $val(prop) \

-phyType $val(netif) \

-channelType $val(chan) \

-topoInstance $topo \

-agentTrace ON \

-routerTrace ON \

-macTrace OFF \

-movementTrace ON

for {set i 0} {$i <$val(nn) } {incr i} {

set node_($i)[$ns node]

$node_($i)random-motion 0         ;# disable randommotion无法随机游动

}

5) 创建拓扑结构

# 初始化节点位置

$node_(0) set X_ 100.0

$node_(0) set Y_ 250.0

$node_(0) set Z_ 0.0

$node_(1) set X_ 800.0

$node_(1) set Y_ 200.0

$node_(1) set Z_ 0.0

$node_(2) set X_ 100.0

$node_(2) set Y_ 200.0

$node_(2) set Z_ 0.0

$node_(3) set X_ 100.0

$node_(3) set Y_ 200.0

$node_(3) set Z_ 0.0

$node_(4) set X_ 100.0

$node_(4) set Y_ 200.0

$node_(4) set Z_ 0.0

$node_(5) set X_ 100.0

$node_(5) set Y_ 200.0

$node_(5) set Z_ 0.0

$node_(6) set X_ 100.0

$node_(6) set Y_ 200.0

$node_(6) set Z_ 0.0

$node_(7) set X_ 100.0

$node_(7) set Y_ 200.0

$node_(7) set Z_ 0.0

$node_(8) set X_ 100.0

$node_(8) set Y_ 200.0

$node_(8) set Z_ 0.0

$node_(9) set X_ 100.0

$node_(9) set Y_ 200.0

$node_(9) set Z_ 0.0

$node_(10) set X_ 800.0

$node_(10) set Y_ 250.0

$node_(10) set Z_ 0.0

$node_(11) set X_ 800.0

$node_(11) set Y_ 250.0

$node_(11) set Z_ 0.0

$node_(12) set X_ 800.0

$node_(12) set Y_ 250.0

$node_(12) set Z_ 0.0

$node_(13) set X_ 800.0

$node_(13) set Y_ 250.0

$node_(13) set Z_ 0.0

$node_(14) set X_ 800.0

$node_(14) set Y_ 250.0

$node_(14) set Z_ 0.0

$node_(15) set X_ 800.0

$node_(15) set Y_ 250.0

$node_(15) set Z_ 0.0

$node_(16) set X_ 800.0

$node_(16) set Y_ 250.0

$node_(16) set Z_ 0.0

$node_(17) set X_ 800.0

$node_(17) set Y_ 250.0

$node_(17) set Z_ 0.0

# 定义节点大小用于在nam中查看

for {set i 0} {$i < $val(nn)} {incr i} {

$ns initial_node_pos$node_($i) 20

}

#节点的运动路径

$ns at 10.0 "$node_(0) setdest 50.0 350.0 30.0"

$ns at 20.0 "$node_(0) setdest 350.0 350.0 30.0"

$ns at 30.0 "$node_(0) setdest 350.0 50.0 30.0"

$ns at 40.0 "$node_(0) setdest 50.0 50.0 30.0"

$ns at 10.0 "$node_(1) setdest 350.0 50.0 60.0"

$ns at 15.0 "$node_(1) setdest 50.0 50.0 60.0"

$ns at 20.0 "$node_(1) setdest 50.0 350.0 60.0"

$ns at 25.0 "$node_(1) setdest 350.0 350.0 60.0"

$ns at 30.0 "$node_(1) setdest 350.0 50.0 60.0"

$ns at 35.0 "$node_(1) setdest 50.0 50.0 60.0"

$ns at 40.0 "$node_(1) setdest 50.0 350.0 60.0"

$ns at 45.0 "$node_(1) setdest 350.0 350.0 60.0"

for {set i 0} {$i < $val(nn)} {incr i} {

$ns initial_node_pos$node_($i) 20

}

$ns  at  0.0 "$app1 start"

$ns at 0.0 "$node_(2) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 14.0 "$node_(2) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 15.0 "$node_(2) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 29.0 "$node_(2) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 2.0 "$node_(3) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 16.0 "$node_(3) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 17.0 "$node_(3) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 31.0 "$node_(3) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 4.0 "$node_(4) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 18.0 "$node_(4) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 19.0 "$node_(4) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 33.0 "$node_(4) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 6.0 "$node_(5) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 20.0 "$node_(5) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 21.0 "$node_(5) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 35.0 "$node_(5) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 8.0 "$node_(6) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 22.0 "$node_(6) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 23.0 "$node_(6) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 37.0 "$node_(6) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 10.0 "$node_(7) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 24.0 "$node_(7) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 25.0 "$node_(7) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 39.0 "$node_(7) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 12.0 "$node_(8) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 26.0 "$node_(8) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 27.0 "$node_(8) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 41.0 "$node_(8) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 14.0 "$node_(9) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 28.0 "$node_(9) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 29.0 "$node_(9) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 43.0 "$node_(9) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 0.0 "$node_(10) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 14.0 "$node_(10) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 15.0 "$node_(10) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 29.0 "$node_(10) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 2.0 "$node_(11) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 16.0 "$node_(11) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 17.0 "$node_(11) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 31.0 "$node_(11) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 4.0 "$node_(12) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 18.0 "$node_(12) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 19.0 "$node_(12) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 33.0 "$node_(12) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 6.0 "$node_(13) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 20.0 "$node_(13) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 21.0 "$node_(13) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 35.0 "$node_(13) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 8.0 "$node_(14) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 22.0 "$node_(14) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 23.0 "$node_(14) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 37.0 "$node_(14) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 10.0 "$node_(15) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 24.0 "$node_(15) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 25.0 "$node_(15) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 39.0 "$node_(15) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 12.0 "$node_(16) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 26.0 "$node_(16) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 27.0 "$node_(16) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 41.0 "$node_(16) setdest 800.0 250.0 50.0"

$ns at 14.0 "$node_(17) setdest 100.0 250.0 50.0"

$ns at 28.0 "$node_(17) setdest 100.0 200.0 50.0"

$ns at 29.0 "$node_(17) setdest 800.0 200.0 50.0"

$ns at 43.0 "$node_(17) setdest 800.0 250.0 50.0"

6) 设置代理和应用层协议并进行绑定

set agent1 [new Agent/UDP]   ;# 创建UDP代理

$agent1 set prio_ 0

# 创建Loss Monitor Sink检验丢失分组

set sink [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(0)$agent1 ; #发射代理与节点连接（以下几个意义相同）

$ns   attach-agent $node_(1)$sink ; # 接收代理与节点连接（以下几个意义相同）

$ns  connect $agent1$sink

# 两节点相连（以下几个意义相同）

set app1 [new Application/Traffic/CBR]; # 创建流量发射器（以下几个意义相同）

$app1 set packetSize_ 512  ;# 定义包大小（以下几个意义相同）

$app1 set rate_ 600Kb  ;# 定义发射频率（以下几个意义相同）

$app1 attach-agent $agent1; # 连接流量发射器和代理（以下几个意义相同）

set agent2 [new Agent/UDP]

$agent2 set prio_ 1

set sink2 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(3)$agent2

$ns  attach-agent $node_(4)$sink2

$ns  connect $agent2$sink2

set agent34 [new Agent/UDP]

$agent34 set prio_ 1

set sink34 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(5)$agent34

$ns  attach-agent $node_(6)$sink34

$ns  connect $agent34$sink34

set agent3 [new Agent/UDP]

$agent3 set fid_ 3

$agent3 set prio_ 2

set sink3 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(7)$agent3

$ns  attach-agent $node_(8)$sink3

$ns  connect $agent3$sink3

set agent4 [new Agent/UDP]

$agent4 set prio_ 3

set agent45 [new Agent/UDP]

$agent45 set prio_ 1

set sink45 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(9)$agent45

$ns  attach-agent $node_(10)$sink45

$ns  connect $agent45$sink45

set sink4 [new Agent/LossMonitor]

$ns attach-agent $node_(11) $agent4

$ns  attach-agent $node_(12)$sink4

$ns  connect $agent4$sink4

set agent78 [new Agent/UDP]

$agent78 set prio_ 1

set sink78 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(13)$agent78

$ns  attach-agent $node_(14)$sink78

$ns  connect $agent78$sink78

set agent5 [new Agent/UDP]

$agent5 set prio_ 4

set sink5 [new Agent/LossMonitor]

$ns  attach-agent $node_(15)$agent5

$ns  attach-agent $node_(16)$sink5

$ns  connect $agent5 $sink5

7) 使用模拟器对象的at过程设置节点事件和时间的对应关系

# 定时发包开始及结束

$ns at 0.0 "record"

$ns at 1.0  "$app1start"

$ns at 50.0 "$app1 stop"

$ns at 50.0 "stop"

# 在50秒的时候重置节点

for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} {

$ns  at 50.0 "$node_($i)reset";

}

8) 记录实验数据

# 创建record函数来记录数据

proc record {}{

global sink sink2 sink3 sink4 sink5 f0 f5holdtime holdseq holdtime1 holdseq1 holdtime2 holdseq2 holdtime3 holdtime4holdseq3 holdseq4 f10 holdrate1 holdrate2 holdrate3 holdrate4 holdrate5

set ns [Simulator instance]

set time 0.9 ;# 设置采样时间

set bw0 [$sink set bytes_]

set bw5 [$sink set nlost_]

set bw10 [$sink set lastPktTime_]

set bw11 [$sink set npkts_]

set now [$ns now]

# 计算吞吐量并写入out02.tr、out12.tr、out22.tr、out32.tr文件

puts $f0"$now [expr (($bw0+$holdrate1)*8)/(2*$time*1000000)]"

# 计算丢包率并写入lost02.tr、lost12.tr、lost22.tr、lost32.tr

puts $f5"$now [expr $bw5/$time]"

# 计算延时并写入delay02.tr、delay12.tr、delay22.tr、delay32.tr

if { $bw11 >$holdseq } {

puts $f10 "$now [expr ($bw10 -$holdtime)/($bw11 - $holdseq)]"

} else {

puts $f10 "$now [expr ($bw11 -$holdseq)]"

}

9) 使用模拟器对象的run过程开始模拟

proc stop {} {

global ns  tracefd f0 f5 f10

#关闭trace文件，停止记录

close $f0

close $f5

close $f10

# 用 xgraph 把吞吐量，丢包率，和延时显示在图像上

exec xgraph out02.tr out12.trout22.tr  -geometry 800x400 &

exec xgraph lost02.tr lost12.trlost22.tr lost32.tr -geometry 800x400 &

exec xgraph delay02.tr delay12.trdelay22.tr delay32.tr -geometry 800x400 &

exec nam sim12.nam

# 重置Trace文件

$ns flush-trace

close $tracefd

exit 0

}

puts"Starting Simulation..."

$ns run

10) 结果分析

模拟结束后，将得到保存模拟过程的traced文件，接下来的主要工作就是对于这个结果文件根据需求进行数据分析，同时可以用xgraph等画图工具直观的显示数据分析结果。

四、  实验结果（包括最终实验结果，重要部分截图）

4.1移动模型节点切换分析

仿真开始时间为0.0s，此时执行代码$ns at0.0  "$app1 start"，节点0和1之间通过中间的16个基站，寻找最佳的传输路径。节点0作为发射器，节点1作为接收器。公交车以一定的班车时间在环形公路上周期性行驶。

在第5.4s时，此时节点0和1通过节点2传输数据。由节点0开始发出广播依次传递给附近的移动节点，由移动节点依次向前洪泛式传播消息。最终将携带消息传递到目标节点1中去。

第5.5s时，由节点1返回一个确认消息，节点0开始向节点1发送数据，直到路由信息发生变化为止。此时的链路为：0->4->2->10->11->1。

第5.8s时，由于节点的运动，出现远离最初连接的基站节点，距离远到数据无法继续传输时，节点0发送的信息几乎全部丢失，于是所有节点重新开始匹配新的路由信息。

第9.0s时，节点经过再次的匹配，连接到新的基站节点10和节点2上，数据传输开通。此时的链路为：0->10->2>1。

第9.6s时节点10远离节点2，出现严重的数据丢失后，切换到节点7节点通路为：0->5->11->12->13->1。 AODV协议的按需基于距离矢量的特性，使得节点之间始终保持在最佳连通状况。

第11.2s时，由于公交车的移动，路由发生变化AODV协议为节点选择最佳的通信链路，此时的链路为：1->6>->4->2->1。

第12.8s时，链路发生变化为：0->10->6->14->2->1。

第14.2s时，链路发生变化为：0->7->5->4->1。

第15.2s时，链路发生变化为：0->9->7->15->1。

第19.1s时，链路发生变化为：0->10->8->2->1。

第20.3s时，链路发生变化为：0->14->9->3->1。

第20.4s时，链路发生变化为：0->14->9->7->1。

第20.9s时，链路发生变化为：0->14->16->3->1。

第26.3s时，信息的传递出现小范围的环路，链路为：0->14->16->3，并未传递到目标节点1中去。此时节点16和14正向接收节点1移动，节点3向节点0移动，在26.3s-28.4s之间正常通信，但在28.4s时节点3距离节点1的距离超过了可通信的范围，出现连路中断，而路由协议则认为，依据距离矢量方法依然可以同行，所以出现了严重的数据丢失。

第28.4s时，链路发生变化为：0->15->13->11->1。

第29.6s时，链路发生变化为：0->2->4->6->12->1。

第32.7s时，链路发生变化为：0->2->5->6->8->13->1。

第35.4s时，链路发生变化为：0->14->9->7->1。此后移动节点2-9和移动节点10-17沿着公交路线环绕一周，陆续回到原来的起点处。不可避免的出现链路的中断。

4.2吞吐量、丢包率以及延时的分析

1.计算 TCP吞吐量的公式

  TCP窗口大小(bits) / 延迟(秒)  =  每秒吞吐量(bits)

2.计算最优 TCP窗口大小的公式

  带宽(bits每秒) * 往返延迟(秒) = TCP窗口大小(bits) / 8 = TCP窗口大小(字节)

3.给定吞吐量计算最大延迟的公式

TCP窗口大小(bits) / 吞吐量(bits每秒) = 最大往返延迟时间

如下图所示，仿真开始时间是5.0s。数据传输处于请求转发时期，在5.8s时数据开始丢失，一直持续到仿真时间第9.0s，数据链路才处于接通状态。第20.0s时发生小范围的回路现象，导致数据严重丢失，持续到26.0s时恢复通信。

如下图所示，节点0和节点1之间数据传输，节点1的丢包在15s左右出现严重的缺失，这是因为15s时，节点0和1由于通信距离不在两者在范围之内，重新进行切换到新的基站节点中去。

节点0和1在仿真开始时处于未接通状态，所以首先要经过各节点进行协商，设置出转接通信的节点，此时由上述的实验步骤可以看出，在第5.4s时开始建立通信，节点0发出建立连接的消息，到节点1中去，数据通信的时延较长，随后数据连通后，数据通信延时减少。

五、试验中的问题及心得

5.1一些出现最多的问题

问题1

num_nodes is set18

warning: Pleaseuse -channel as shown in tcl/ex/wireless-mitf.tcl

INITIALIZE THELIST xListHead

StartingSimulation...

channel.cc:sendUp- Calc highestAntennaZ_ and distCST_

highestAntennaZ_= 1.5,  distCST_ = 550.0

SORTING LISTS...DONE!

Segmentationfault (core dumped)

应考虑加上如下的代码：

set val(rp)DSR   ;# 路由协议（实验2的关键因素，与AODV替换）

NS2文件中不存在协议DSR，这是因为有些协议是需要自己配置的。

问题2

ns: puts"NS EXITING..."  _o3 halt:wrong # args: should be "puts ?-nonewline? ?channelId? string"

while executing

"puts"NS EXITING..."  _o3 halt"

考虑结束控制命令$ns  at 60.0 "puts \"NSEXITING...\"  $ns halt"，中是否缺少分号”；”，即$ns  at 60.0 "puts \"NSEXITING...\" ； $ns halt"。

还要考虑数据传输开始和结束的控制命令，也有可能引起这样的错误。

六、实验思考

本次实验主要是通过学习移动节点在实际中是如何，通过不同的协议，比如在本实验中采用的是AODV路由协议，这时，通信节点之间自动的按照协议所规定的方法在仿真场景中进行连接。在上述实验中不宜使用DSDV协议，因为DSDV路由协议所有的节点都必须被告知路由信息，节点将长时间处于寻找路由的过程中，而不是进行通信。因此DSDV协议适用于节点稀疏时，易于实现的模型当中。

而AODV路由协议不同于表驱动路由协议，是一种特殊的按需距离矢量的反应式路由协议，每个节点中记录自己可达的节点，一旦出现某个节点不可达，则自动删除该记录，修复链路的连通性。大多数时间保持在一种可通信的状态。这种协议适用于节点密度比较大的情况，节和节点之间几乎是可实时通信的情况。