DSDV路由协议分析与仿真

毕业设计(论文) 题目DSDV路由协议分析与仿真

学院(全称) 信息科学与工程学院

专业、年级通信工程06级02班

学生姓名学号

指导教师

论文评阅人

重庆交通大学

2010年

前言

物联网的英文名称为“The Internet of Things”,简称：IOT。由该名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的概念是在1999年提出的。最早时期，物联网被称之为传感网。中科院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些适用的传感网。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN)引起了人们的极大关注。由设置在无人值守的监控区域内大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的智能自治测控网络系统称为无线传感器网络(Wireless sensor networks)。它包括传感器、感知对象和观察者。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，称为人与自然之间重要的交互方式。

WSN的主要任务是对分布在传感节点监测范围内的数据进行查询，收集和处理，并将最终数据发布给终端节点，方便人们感知客观世界；而路由算法则是WSN中最重要的部分，它用来建立源节点与目的节点之间的路径，实现数据通信。DSDV是对传统的Bellman-Ford路由协议的改进，是一种无环路距离向量路由协议，同时也是一种表驱动主动路由协议。由于其算法简单，同时又具有获取路由的延时小，较适合具有实时要求的应用；引入目的节点序列号，既能区别路由的新旧，又能有效避免路由环路的产生和无限计数的问题；有效减少端到端的时延，从一定程度上满足各种应用对QoS的要求。在此对其进行研究，通过仿真，分析其有点以及存在的问题，并相对应的提出改进办法。

NS2(Network Simulator, version 2)称为网络模拟器，又称网络仿真器。最初由UC Berkeley开发，专门用来研究大规模网络以及当前和未来的网络协议交互行为。由于NS2中所有源代码都开放，因此受到大量研究人员的亲睐，也是目前网络研究领域应用最广泛的网络仿真软件之一。随着越来越多人的研究，其功能更加强大，支持的协议和功能模块也更加丰富。它对有线和无线网络上的TCP、路由和多播等协议的仿真

提供了强有力的支持。由于强大的功能和丰富的模块，网络传输协议、路由队列管理机制、路由算法、业务源流量产生器，以及无线网络的Ad hoc，WLAN和WSN路由，移动IP和卫星通信网络等的仿真模块均已实现。同时通过对局域网的仿真，从而实现了多播以及一些MAC子层协议。因此，考虑到其中多的优点，在本次课题研究中将采用NS2仿真软件进行路由仿真。

本文主要研究目的序列距离矢量路由算法(DSDV)，其最初由Charles E．Perkins 等人提出。对DSDV路由原理进行理论分析的同时，并通过网络仿真软件NS2对其进行仿真。由于NS2是一款开放源代码的网络仿真软件，任何人可以获得、使用和修改其源代码，正是如此，世界各地的研究人员每天都在对其功能进行扩展和更新，因此，我们简单介绍了NS2的结构、前后台的连接和仿真的一般流程。最后通过对仿真结果中得到的数据进行分析，并使用相关软件提取出有用数据，进行分析，来更进一步认识和了解DSDV路由协议。

目录

中文摘要................................................................. I 英文摘要................................................................ I I 第1章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2国内外研究现状和发展 (1)

1.3本文研究内容及意义 (3)

第2章无线传感器网络及其路由技术概论 (4)

2.1 无线传感器网络概述 (4)

2.1.1 无线传感器网络定义 (4)

2.1.2 无线传感器网络的特点 (4)

2.1.3 无线传感器网络的应用 (5)

2.2 无线传感器网络的结构 (7)

2.2.1 分层结构 (7)

2.2.2 节点硬件结构 (7)

2.2.3 协议栈 (8)

2.3 路由协议的分类 (8)

2.3.1 按需驱动路由协议 (9)

2.3.2 表驱动路由协议 (11)

2.4 本章小结 (13)

第3章 NS2仿真软件 (15)

3.1 NS2概述 (15)

3.2 NS2结构 (16)

3.3 C++与Otcl的接口 (16)

3.4 Otcl脚本编写 (18)

3.5 NS2仿真流程 (19)

3.6 NS2相关工具介绍 (20)

3.7 本章小结 (21)

第4章 DSDV路由协议分析 (22)

4.1 协议的提出 (22)

4.2 工作原理 (22)

4.2.1 路由表的建立、更新和数据转发之间的关系 (23)

4.2.2 路由表的建立 (23)

4.2.3 路由表的更新 (23)

4.2.4 数据包的转发 (24)

4.3 DSDV相关的关键技术 (24)

4.3.1 避免路由环路 (24)

4.3.2 减少路由波动 (26)

4.3.3 定时器 (27)

4.3.4 序列号机制 (27)

4.4 本章小结 (27)

第5章 DSDV路由仿真 (29)

5.1 总体设计 (29)

5.2 DSDV路由仿真实现 (32)

5.2.1 仿真场景设置 (32)

5.2.2 仿真结果及分析 (33)

第6章总结与展望 (38)

6.1 工作总结 (38)

6.2 未来展望 (38)

致谢 (40)

参考文献 (41)

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为人与自然界进行信息沟通的一种方式，随着目前传感器节点小型化、多样化的发展，正得到越来越广泛的使用，人们对无线传感器网络各方面的研究也成为目前学术界的研究热点。路由协议是无线传感器网络在网络层上的一个关键研究课题，本文着重研究基于路由表的目的序列距离矢量路由协议。

本文在阐述无线传感器网络概念和特点的基础上，引入了无线传感器网络路由，介绍了现有无线传感器网络路由协议，并结合现有无线传感器网络路由协议，实现了一种基于路由表驱动的路由协议(DSDV)。本文详细分析了DSDV路由协议，实现了DSDV路由协议在NS2上的仿真，对在仿真过程中得到的数据进行分析，从中发现网络拓扑和找到路由路径，并对结果加以分析，进一步深化对DSDV路由协议的认识和了解。

关键词：无线传感器网络，路由协议，DSDV，NS2

张志超：DSDV路由协议分析与仿真

ABSTRACT

Wireless sensor network(WSN)is a way that people communicate with nature. Along with the development of the sensor technology，The sensor is now miniaturization and diver- sification. It is being more and more widely used. More attention has been paid to WSN and the research on eaeh aspect of WSN is also an active field in current aeademe. Routing prot- ocol is a key issue on network layer inWSN. This thesis mainly focuses on Destination-Seq- ueneed Distanee-Veetor(DSDV) routing protocol based on routing table.

This thesis describes the concept of WSN on the basis of the characteristics of the introduction of WSN routing，and generally introduces of the existing WSN routing protocol and achieves a routing protocol based on the kinds of routing table-driven in conjunction with existing WSN routing protocols (DSDV). This thesis anlysizes the DSDV routing protocol in detail, and realized simulation of DSDV routing protocols in NS2, and analysis of the data produced during simulation, then to find the routing path. After that, we analysis the results and results to furtherly deepen our understanding of DSDV routing protocols.

Keywords:Wireless sensor networks, Routing protocol, DSDV, NS2

第1章绪论

1.1 课题背景

随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信技术等技术的发展，无线传感器网络得到了极大的发展和应用。无线传感器网络涉及众多学科，成为目前IT领域中研究热点之一，也被认为是二十一世纪最重要的技术之一，对人类未来的生活方式产生巨大影响[1]。目前，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他许多领域，能够完成诸如灾难预警与救助、家庭健康监测、空间探索、抢险救灾、防恐反恐、生物医疗等传统系统无法完成的任务。可以说二十一世纪无线传感器网络将无处不在。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治监测网络系统[2]。无线传感器网络是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自适应等智能属性。

在研究初期，人们曾经一度认为成熟的Internet技术加上Ad hoc路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但进一步研究表明[3]：无线传感器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。无线传感器网络是集成监测、控制及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是无线传感器网络与传统无线网络的最重要的区别之一。这些不同于传统无线网络的技术要求为无线传感器网络的研究提出了新的挑战，开发专用的通信协议和路由算法就成为了当前无线传感器网络领域内首先需要解决的课题。

1.2 国内外研究现状和发展

WSN的研究起源于20世纪70年代。最早应用于军事领域，例如冷战时期布设在一些战略要地的海底、用于监视苏联潜艇的声音监视系统(Sound Surveilance System，SOSUS)及空中预警与控制系统(Air-borne Warning and Control System，AWACS)，这种

张志超：DSDV路由协议分析与仿真

原始的传感器网络通常只能捕获单一信号，传感器节点之间进行简单的点对点通信，网络一般采用分级处理结构。但真正具备现代意义的无线传感器网络研究是从1980年左右的分布式传感器网络项目开始的。该项目由时任美国国防部高级研究计划局信处理技术办公室主任的Robert Kahn主导，其主要目的是验证Arpanet(Intemet的前身)的通信方式能否扩展到无线传感器网络中。20世纪80—90年代，传感器网络的研究主要在军事领域进行，并成为网络中心战中的关键技术，其中比较著名的系统包括美国海军研制的协同交战能力系统，用于反潜的确定性分布系统和高级配置系统，以及远程战场传感器网络系统和战术远程传感器系统。1994年加州大学洛杉矶分校的William J.Kaise教授向美国国防部高级研究计划局提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”，对推动WSN研究有里程碑的意义[4]。1998年G.J.Pottie从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义[5]。

在90年代之前，WSN的研究多集中在军事方面。1999年9月《商业周刊》将其列为21世纪最重要的21项技术之一后，WSN开始得到越来越多的网络研究者的关注。1999年美国加州大学伯克利分校的“智能尘埃”计划验证了传感器节点硬件小型化的可行性。把传感器、微处理器、电源及无线通信单元集成在13

mm的微小节点上，在传感器节点集成化、小型化以及能量管理方面取得了很大的进展。目前美国几乎所有著名院校都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究，一些大公司也都开始介入该领域的研发工作。加拿大、英国、德国、韩国、日本等国家的研究机构都对无线传感器络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。我国对无线传感器网络的发展也非常重视。从2002年开始，国家自然科学基金、中国下一代互联网示范工程、国家“863”等已陆续资助了多项和无线传感器网络相关的课题。

到现在为止，传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第1阶段主要偏重利用MEMS(Micro-Electro-Mechanism System)技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有WINS和Smart Dust。对于网络本身问题的关注和研究可以认为是传感器网络研究的第2个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个不小的热点。从网络分层模型角度分析，每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题，就己有的研究而言，主要集中在网络层和链路层。随着现代微电子技术、微机电系统材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网技术等的进步。传感器所能探测的信息种类也越来越多，温度、湿度、压力、速度等信息都能够被传感器采集到。传感器节点的结构主要由传感器、微处理器、无线通信单元构成。节点体积小成本低使得节点能够被大量散布在监测区域内。传感器节点技术的进步、成本的降低使得WSN在商业中的应用成为可能。