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1、中北大学2013届毕业设计说明书1 引言1.1 研究问题现状近年来，无线通信技术得到了飞速的发展，新技术不断出现，其中移动通信系统的3G技术已经进入应用普及阶段，并朝第四代通信系统方向演进。国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006一2020)中已经明确提出了未来通信领域的竞争将集中反映在特殊环境和新兴应用领域中的通信网络能力及通信技术的竞争上1。其中新兴应用领域涉及到的移动网络技术更是被作为前沿技术中的重点。目前,移动通信的快速发展使得移动网络带宽逐渐增大，移动应用不断丰富，移动终端的处理能力越来越强。为了适应不同的应用需求,各具特色的网络结构和无线网络技术不断涌现,包括无线个域网(如IEE
2、E802.15)、无线局域网(如IEEE802.lla/b/g/i/n)、无线城域网(如802.16、802.20)、无线移动广域网(如2G、3G)、卫星网络，以及无线自组织(Ad Hoc)网络、无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)等等。而WIFi、WIMax、UWB等无线接入网络和GPRS、B3G、UMTS等蜂窝移动网络等基础设施与技术的完善为移动应用提供了在任何时间、任何地点访问所有网络服务的可能性。在上述的各种网络发展后，一种节点移动范围更大，网络大多数都是不连通的新型网络出现了，这种类型的网络被称为机会网络，机会网络是一种不需要源节点和目的节点之间存
3、在完整路径，利用节点移动带来的相遇机会实现网络通信的自组织网络。经过近几年的发展，机会网络技术研究与应用已经取得了一定的进展，但是，总体而言目前相关研究还处于一个刚起步的初级阶段。随着移动应用业务的增加以及机会网络商业化，机会网络技术的全面应用与深入仍然要解决很多极具挑战性的问题，如复杂环境下的路由、数据时延与网络开销均衡问题、移动状态下网络可靠性以及安全问题等等。同时在一些领域，机会网络的相关技术标准尚未形成，尤其在国内对于这类高延迟的特殊通信网络的研究才刚刚起步。规划信息化发展战略中不仅强调了信息产业以及信息技术的发展，同时也提出了将宽带无线移动通信、新兴及特殊应用领域的网络通信等核心关键
4、技术研究作为我国信息技术的主要发展方向之一。因此，对机会网络数据分发展开研究将为正确理解机会网络拓扑与数据传输特点提供可行性依据，有助于推进现有关键技术的可扩展性，并对提高机会网络数据传输可靠性，探索节点移动模型对机会网络服务性能保障的影响，推动相关技术的深入研究有重要现实的意义。2000年,R.Ahlswede等人基于网络信息流的概念提出了网络编码的思想，通过允许中间节点既实现路由功能又实现编码功能，达到组播的最大流量2。为使得网络编码具有实际可用性，Li等人提出了线性网络编码的概念，证实节点进行线性网络编码运算，具有可行性，能够达到最大流传输理论极限3。Ho等人推广了这一概念，提出了有限域
5、下随机线性网络编码的思想，并证实其有效性4。之后，随机线性网络编码被应用于各个方面的研究，用于提高网络吞吐量、能量利用效率。网络编码彻底改变了通信网络中信息处理和信息传输的方式，被认为是进入 21世纪后信息处理和信息传输研究领域上最重要的理论成果之一。网络编码的核心思想是允许通信网络中的节点对传输的信息进行操作和处理（如有限域中的运算等），而不再局限于存储与转发。与传统的基于存储和转发的路由传输机制相比，网络编码能显著改善数据分发系统性能，如提升网络吞吐量，节约传输带宽和均衡网络负载等。网络编码具有重要的理论价值和广泛的应用前景，其研究已经引起了学术界和产业界的广泛关注和高度重视。国际知名大学
6、、科研机构和公司，如普林斯顿大学、麻省理工学院（MIT）、贝尔实验室（Bell Lab）、AT&T 的香农信息实验室和微软公司（Microsoft）等都积极投入对网络编码的研究，并取得了一些重要的研究成果。我国的香港中文大学（CUHK）、清华大学、中国科学技术大学、西安电子科技大学和南京大学等也对网络编码展开了研究，并取得一定的进展。机会网络经常出现链路断裂，网络不连通的状况，在这种情况下，节点一般并不丢弃数据包，相反节点传输数据一般采用“存储一携带一转发”的模式，传统的机会网络中，中间节点只进行数据的存储与转发操作，但是运用网络编码的机会网络中，中间节点可以对接收到的数据块进行随机线性组合编
7、码，可以增大单次传输的数据量。随着网络规模的日趋庞大、各种网络方案和协议日趋复杂，分析、实验和仿真等方法成为了当前进行网络技术研究的有效手段。研究网络仿真技术成为了现代通信网络设计的重要环节，在通信网络性能研究中起关键性作用。在众多网络仿真软件中NS2具有免费、源代码开放、易扩展等等优点而备受研究人员的青睐。NS2是一个开源的网络仿真软件，可以再windows/unix上运行，且所有源代码公开，对于进行网络的研究和扩展非常方便。本课题研究的内容就是在仿真平台NS2下设计并建立机会网络模型，理解网络编码的原理，在NS2中编程实现基于分簇的随机线性网络编码数据分发的仿真并与一般的网络编码比较其网络
8、吞吐量和时延性能。1.2 本文的内容组织本文内容组织如下：先分别介绍了机会网络、网络编码原理及仿真平台NS2的各种知识，然后使用NS2构建机会网络拓扑，编出各个代码脚本，在NS2上仿真实验，得出数据并画图进行说明验证。2 机会网络及网络编码相关知识2.1 机会网络的概念机会网络是一种特殊的自组织网络，它不需要存在端到端的完整路径，充分利用了节点移动带来的相遇机会（contact），实现数据逐跳转发，并最终传送到目的节点5。从本质上来看，机会网络否定了传统网络中数据传输的一个根本前提在路由期间或者数据传递期间，存在一条或者多条源端到目的端的路径。机会网络中的相遇（contact）概念是指节点之间
9、发生的一次联系。当节点（如：车辆、移动用户）进入彼此的通信范围之内时，则发生通信，当两者离开彼此通信范围时，则链路断开，停止通信。在机会网络中，contact是机会性的，而非确定性的。图2.1是一个机会网络示意图，t1时刻源节点S希望将数据传输给目标节点D，但S 和D 位于不同的连通域而没有通信路径，因此，S 首先将数据打包成消息发送给邻居节点3，由于3并没有合适的机会转发下一跳节点，它将消息在本地存储并等待传输机会，经过一段时间到达t2 时刻，节点3运动到节点4的通信范围并转发给节点4，在t3时刻，节点4将消息传输给目标节点D，完成数据传输。图2.1 机会网络示意图机会网络的部分概念来源于早
10、期的延迟容忍网络DTN(delay tolerant network)6研究。DTN最初是容迟网络研究组(DTNRG)为星际网络IPN(interplanetary network)7通信而提出来的，其主要目标是支持具有间歇性连通、延迟大、错误率高等通信特征的不同网络的互联和互操作，如互联Internet和传感器网络、移动自组织网络等。DTN网络体系由多个底层运行独立通信协议的DTN域组成。域间网关利用“存储-转发”的模式工作，当去往目标DTN域的链路存在时转发消息，否则，将消息存储在本地持久存储器中等待可用链路。机会网络可以看成是具有一般DTN 网络特征的无线自组网。2.2 机会网络的构架机
11、会网络的体系结构与传统Internet传输结构的最大区别在于束层（BundleLayer），它位于传输层和应用层之间，它跟底层协议相互配合，使得应用程序可以跨过多个区域实现通信。机会网络节点使用束层来发送和接受数据，并保证逐跳转发的可靠性以及端到端的确认。该架构非常灵活，既保证了各层的共性，又避免非法使用其他层。1、束层为了实现“存储-携带-转发”的消息交换机制，机会网络在节点的应用层和传输层之间插入了一个新的协议层束层。使用束层的一个主要原因是在机会网络中，传输延时差异很大，当一个数据包丢失时，整个传输的数据成为无用数据。因此为了避免这样的事情发生，将数据打包成一个较大的消息，称之为束，并使
12、之不能轻易分割成更小的片段。机会网络中一般不存在从源节点到目的节点的端到端的连接，因此束会存储在中继节点上并等待合适机会进行传输。一个束必须包含的信息有：源端地址、目的端地址、起始时间、束的生存时间、数据长度及服务类型等。此外，对于具体的应用，可能还需要一些状态域和认证消息，例如，监管传送请求等。2、监管传送束层提供了一种简单的并且不需要应答的投递机制，但框架本身提供了两种可能的方法来提高可靠性：端到端的应答和监管传送。通过监管传送，可以保证端到端的可靠性。在特定的环境下，这种机制可以更好地利用资源，例如源节点可以将已经投递成功的束在缓存中释放掉。3、机会网络中的节点一个束的源端和目的端是由端
13、点号EID（Endpoint-Identifier）来标识的。EID中包含一个或多个机会网络节点。当目的地收到该束时，认为该束传递成功。EID可以类比于DNS（Domain Name System）中的统一资源标识（URI，Uniform Resource Identifier），并且与路由或拓扑组织结构没有必然联系。区域名是早先提出的一个概念，一个完整的地址由区域号和节点号组成。基于这种区域的概念，束首先投递到目的节点所在的区域，然后再投递到目的节点。4、服务分类按重要性不同，束层引入了三类服务：1、大块束（bulk bundles），只需要较小的投入，当有资源可用时就可以提供这种服务；2、
14、正常束（normal class bundles），比大块束优先级要高，但比“加快束”（expedited bundles）优先级要低；3、加快束，这类服务只是针对来自同一个端点的束而言，例如：当大块束与加快束来自不同的端点时，即使加快束比大块束优先级高，但大块束仍有可能比加快束先传递。5、安全机会网络框架提供了一个可选的安全构架，使用逐跳、端到端的授权和诚信机制，主要的困难是如何对网络进行控制和如何转发控制消息。没有进行认证的节点不能够通过机会网络发送数据，并且不能利用该网络以外的节点进行数据转发。2.3 机会网络拓扑特点1、多跳网由于无线通信的距离受限制，机会网络中节点之间的通信通常需要借
15、助其他节点的中继转发才能实现，便形成了多跳通信路径。2、动态的网络拓扑机会网络中节点间的相互连通性构成了网络的拓扑结构。由于机会网络中的节点可以以随机的速度和方式移动，加上发射功率的变化，以及无线信道的干扰大小不断变化等因素，节点间通过无线通信形成的网络拓扑结构可能随时发生变化，而且变化的方式和速度都是难以预料的。3、分布式控制在机会网络中，为了实现网内节点之间的通信，需要解决无线资源使用、路由发现等控制问题。由于机会网络没有预设的基础设施，也就没有预设的中心控制节点，所以只能采用分布式控制的方式来完成。4、对等性机会网络中节点与节点可以直接互通，每个节点都相同，无主从之分，每个节点都能够支持
16、逻辑上的自发自收，即节点直接的来去双向链路都相同。因此，无机会网络节点的无线通信装置一般采用时分双工方式（TDD）。5、临时自组织性若干个无线节点聚集到一起时，他们便临时自组织性地形成了一个无线通信网络，该临时性包括：网络成员的临时性，网络组织的临时性，网络拓扑的临时性，网络路由的临时性，网络无线资源分配采用按需临时分配等。6、链路带宽受限机会网络采用无线传输技术作为其基本通信手段，与有线传输技术相比，它具有较低的传输带宽。并且由于各个节点分布式竞争使用信道，使得每个移动节点实际使用的带宽远小于物理层所提供的最大传输速率。7、能量受限机会网络内的移动节点一般需要依靠电池来提供能量，因此，节省功率将使自组网技术中一个需要高度重视的问题。8、有限的安全性机会网络由于采用分布式
