信息网络建模与仿真.docx-资料库

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一、实验目的本实验基于 NS-3 仿真平台，通过多种网络模型建模的设计，使学生掌握信息网络的 Ad hoc 拓扑建模、移动性建模、信道建模、协议层建模等方法。另外，本实验借助 Netanim 实现仿真网络的可视化，旨在直观地学习和掌握网络的结构和变化过程，以更好地理解信息网络建模与仿真的过程。对于仿真结果，可以采用 stats 或者 trace 文件进行结果分析和统计。最终，用可视化工具呈现仿真过程以及图形化表征统计结果。二、题目要求 1. 在上一个实验的基础上，建立 ad hoc 节点拓扑模型，网络中节点均具有路由转发功能； 2. 进入~/tarballs/ns-allinone-3.2x/ns-3.2x/examples/wireless$ 目录，在 wireless 文件夹下，有很多 wifi 传输的示例。在 wifi-simple-adhoc-grid.cc 代码基础上修改，文件拷贝到 scratch 文件夹下，重命名为你的姓名缩写+学号，例如学生姓名钢铁侠，学号 20191314，c 文件命名为 gtx20191314.cc； 3. 读懂 wifi-simple-adhoc-grid.cc 代码，掌握在 NS-3 中网络拓扑布局，ad hoc 传输方式、网络路由的简单配置等，成功运行 wifi-simple-adhoc-grid.cc； 4. 掌握拓扑建模方法，在 wifi-simple-adhoc-grid.cc 代码中扩展建立到 100 个节点，节点初始呈现网格布局； 5. 深入研究移动模型建模方法，完成对移动模型参数设置，使得节点移动在可视化界面更加明显； 6. 深入研究信道模型建模方法，在代码中完成对信道模型的替换，例如 Friis、 LogDistancePropagationLossModel 信道模型。通过射频参数，了解发射机、路径损耗和接收机间增益的计算方法。可以根据参数配置想要的发射距离； 7. 掌握网路层路由配置方法，可以配置多种 ad hoc 路由模式，例如 OLSR、aodv 等。查阅不同路由协议的工作原理和方法； 8. 掌握统计模型的使用方法，可以统计相应节点的时延、丢包率等重要指标； 9. 掌握能耗模型的使用方法，配置节点能量，设备能量，可以统计节点的能量消耗；

10. 掌握统计数据作图方法，对于获得的统计数据，图形化的形式得出结果。三、实验说明本实验以~ns-3.2x/examples/wireless/wifi-simple-adhoc-grid.cc 为基础，完成 ad hoc 网络的建模、仿真、统计和结果呈现。 3.1 ad hoc 接入方式上一个实验中，我们了解了两种接入方式：有线接入和无线接入。其中，无线接入方式，是存在 AP（Access Point）节点的中心接入方式。本次实验中，我们学习无线接入方式中的另一种方式：ad hoc 组网方式。 ad hoc 网络即为自组织网络。网络中没有中心节点来管理网络中节点的接入、退出、路由等内容。ad hoc 网络中的节点，一般均具有路由转发功能。ad hoc 路由方式不再采用静态路由或者动态路由的路由表式方法，而是采用更为动态的自组网路由方式。 3.2 主要相关代码 1. ~/examples/wireless/wifi-simple-adhoc-grid.cc 程序代码为基本文件，在此基础上进行修改，包括添加其他模块，头文件等。 2. ~/examples/stats/wifi-example-apps.cc 统计模块函数文件 3. ~/examples/stats/wifi-example-apps.h 统计模块函数文件 4. ~/examples/stats/wifi-simple-sim.cc，统计模块示例文件 5. ~/examples/energy/energy-model-example.cc 能耗模块示例文件每一个代码的使用方法，详见后文。四、程序运行 4.1 创建 wifi-simple-adhoc-grid.cc 副本将 examples/wireless 中的 wifi-simple-adhoc-grid.cc 拷贝到 scratch 目录，重命名为你的姓名缩写+学号，例如学生姓名钢铁侠，学号 20191314，c 文件命名为 gtx20191314.cc。用 vim 编辑器打开代码进行编辑，vim 编辑器简单快捷键如下。

1. 修改代码：在命令行模式下进入到输入模式，  i：在光标所在字符前开始插入  a：在光标所在字符后开始插入  o：在光标所在行的下面另起一新行插入  s：删除光标所在的字符并开始插入  I：在光标所在行的行首开始插入如果行首有空格则在空格之后插入  A：在光标所在你行的行尾开始插入  O：在光标所在行的上面另起一行开始插入  S：删除光标所在行并开始插入  u：撤销上一步的操作  Ctrl+r：恢复上一步被撤销的操作 2. 保存代码：首先使用 esc(键退出)->:(符号输入)->wq(保存退出)  :wq(保存编辑操作退出)  :wq!(保存编辑强制退出) 4.2 程序编译进行编译./waf --run scratch/gtx20191314，注意这里的命令是编译后文件名 gtx20191314 而不是 c 文件 gtx20191314.cc。 4.3 Netanim 实现可视化安装好 Netanim 后，在命令行进入 Netanim 文件夹（该文件夹位于 ns 目录下），在终端输入： $ ./NetAnim 即可打开 Netanim。命令行会记录 Netanim 的工作状态，如图：由于 Netanim 是通过打开.xml 文件来实现网络结构的可视化，因此本实验首先要生成.xml 文件。添加可视化所需的代码，运行 gtx20191314.cc 文件将自动产生对应的.xml 文件（该文件位于～/ns-3.2x 文件夹）。在 Netanim 中，通过直接点击可视化窗口左上角的文件夹，即可导入此.xml 文件获得可视化结果。

五、实验任务 5.1 拓扑模型 wifi-simple-adhoc-grid.cc 提供了一个默认网络拓扑结构，包括 25 个 wifi 节点， n21 n16 n11 n6 n1 如下： // The default layout is like this, on a 2-D grid. // // n20 // n15 // n10 // n5 // n0 // // the layout is affected by the parameters given to GridPositionAllocator; // by default, GridWidth is 5 and numNodes is 25. 节点从 n0 到 n24，节点均为 ad hoc 模式，初始呈现网格结构。 n24 n19 n14 n9 n4 n22 n17 n12 n7 n2 n23 n18 n13 n8 n3 根据此范例，我们可以修改节点的数量和位置，实现拓扑模型的改变。 5.1.1 修改数量修改 xxx.Create()中的数字，即可改变节点数量。修改定义 uint32_t numNodes = 100; … NodeContainer c; c.Create (numNodes); //建立 100 个节点 // 定义节点数量 100 5.1.2 修改位置和运动模型在设定坐标系时，可利用 MobilityHelper 类中的 SetPositionAllocator()函数和 ns3::GridPositionAllocator，设定节点位置，其具体步骤如下： MobilityHelper mobility; mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator", //网格位置分配 "MinX", DoubleValue (0.0), "MinY", DoubleValue (0.0),

"DeltaX", DoubleValue (distance), //间距 "DeltaY", DoubleValue (distance), "GridWidth", UintegerValue (10), //一行节点数量在可视化界面中可以改变节点的大小，使得节点更为明显（最大为 20）。 "LayoutType", StringValue ("RowFirst")); 在可视化界面中的初始效果如下图所示，在设置节点位置之后，需要设定节点运动模型，使节点具有移动性：图 1 网格化节点拓扑（1）节点静止 mobility.SetMobilityModel ("ns3::ConstantPositionMobilityModel");

（2）节点运动 RandomWalk2dMobilityModel NS3 自带的 2d 运动模型，bounds 属性为设置节点移动的边界 mobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWalk2dMobilityModel", "Bounds", RectangleValue (Rectangle (-50, 50, -50, 50))); //"Bounds"是设定边界范围，如果过小，将无法分配节点。需要根据节点数量，估算边界大小，使得边界覆盖节点的运动范围。修改(-50, 50, -50, 50)中的数值。示例代码默认使用 RandomWalk2dMobilityModel，但是并没有设定游走模型内部的参数。 5.1.3 实验要求 1. 修改 WiFi 节点的数量和位置，实现 WiFi 的节点数量 100 个； 2. 网格初始化布局；（代码中设置节点初始距离 500m） 3. 查看封装函数，根据传输距离，设定运动模式（mode）、时间（time）、方向（direction）、距离（distance）、运动速度（speed）、运动边界（bounds）以至运动效果明显。说明：原有节点运动，在可视化界面中运动不明显。修改后，要在可视化时能够明显的体现出节点移动性。 4. 修改不限于 RandomWalk2dMobilityModel，可以用其他运动模型代替，可以实现明显的移动性即可。经过一段运动，在可视化界面显示效果参考如下：

图 2 运动会节点拓扑示例

5.2 WiFi 和信道参数设定 5.2.1. 基本组成 Ns-3 的 WifiNetDevice 基于 802.11 标准构建，能够精确执行标准 MAC 和 PHY 层的要求。Ns-3 建立 wifi 节点的过程是模块化的。Ns-3 提供了 Helper 帮助建立 Wi-Fi 节点。建立 WifiNetDevice 一般要分别设定信道、物理层和 MAC 层参数： 1 设置信道模型借助 YansWifiChannelHelper 生成默认信道模型并设置参数，属性设定包括传播时延和传播损耗。 2 设置物理层模型借助 YansWifiPhyHelper 生成物理层模型并设置属性，属性包括错误率模型和移动模型。物理层模型涉及的常用属性有： TxGain、 TxPowerEnd(最大传输水平，默认为 16.0206dbm)、 TxPowerStart(:最小传输水平，默认为 16.0206dbm)、 EnergyDetectionThreshold（能量检测门限，默认为-96dbm）、 CcaMode1Threshold 9(确定为 CCA busy 状态的门限，默认为-99dbm)、 RxGain 等。传输增益和接收增益由 TxGain 和 RxGain 分别设置，接收到的信号由 EnergyDetectionThreshold 阈值检测，高于阈值即可以在 PHY 层被检测到。信道衰落在信道部分设置，包括信道的传播时延和传播损耗。调用 wifiPhy.Set 函数进行属性设定。加入下段代码，替代原有 wifiPhy.Set 部分 90： wifiPhy.Set ("RxGain", DoubleValue (0.0)); // Reception gain (dB). wifiPhy.Set ("TxGain", DoubleValue (0.0)); // Transmission gain (dB) wifiPhy.Set ("CcaMode1Threshold", DoubleValue (-62.0)); //Clear Channel Assessment，空闲信道评估，判断信道是否空闲。

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