层次化架构仿真平台AODV路由算法仿真

朱磊基，李凤荣，杜海韬，李　强，熊　勇

（1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海　200050；2.上海物联网有限公司，上海　201899）

层次化架构仿真平台AODV路由算法仿真

朱磊基1，2，李凤荣1，2，杜海韬1，李强1，2，熊勇1，2

（1.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.上海物联网有限公司，上海201899）

现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统不可缺少的分析、研究、设计、评价和决策的重要手段。物联网系统规模庞大、整体验证复杂度高，要求其大规模建设之前必须开展仿真验证工作，因此，层次化架构仿真平台应运而生。阐述了基于项目研发的层次化仿真平台架构，并在此基础上重点开展其中网络层无线自组网按需平面距离向量路由协议的算法分析研究与代码实现方法介绍。最后，在层次化架构仿真平台中，利用不同网络规模开展针对无线自组网按需平面距离向量路由协议的各节点接收分组数据参数仿真，并给出分析结论。

物联网；仿真平台；AODV路由；分析手段

0　引　言

物联网是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的前沿研究领域。物联网通过各类集成化微型传感器实时地监测、感知和采集各种信息，利用嵌入式系统对信息进行处理，并经由自组织通信网络以多跳中继方式进行汇聚，通过各种制式的传输网传送到后端数据支撑平台进行处理，实现“无处不在的计算”理念，可广泛地应用于智能城市与市政管理、移动医疗、智能家居、环境监测、工业控制与产品管理、智能交通、精准农业、电子商务等领域，具有重大的研究意义和产业价值［1-3］。

系统仿真是20世纪40年代以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。主要用于航空航天、原子反应堆、电力、石油、化工、冶金、机械、社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等领域［4］。现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是一些高新技术产业必须的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。

物联网系统因其规模庞大、整体验证复杂度高，要求在大规模建设之前必须开展仿真验证工作，因此，层次化架构仿真平台应运而生。本文阐述了基于项目研发的层次化仿真平台架构，并在此基础上，重点开展其中网络层无线自组网按需平面距离向量路由协议的算法分析研究与代码实现方法介绍。最后，在层次化架构仿真平台中，利用不同信道模型开展针对无线自组网按需平面距离向量路由协议的各节点接收分组数据参数仿真，并给出分析结论。

1　层次化架构仿真平台

层次化架构仿真平台采用层次型结构实现，以节点为中心，围绕无线链路、信息采集、节点通信架构等多个方面构造。层次化架构仿真平台总体结构如图1所示。

图1　层次化架构仿真平台结构图

图1中，典型无线信道模块是实现节点间通信功能的主要模块。通过不同类型信道模型构建，仿真平台具备了在高斯信道，瑞利信道以及城市轨交等特定信道环境下的无线通信系统仿真能力。节点模块作为仿真平台的核心组成部分，其设计思路参照典型的层次型架构模型，分为通信模块、应用层和传感器信息管理。在通信模块部分，针对性的凝练了物理层、MAC层和网络层等三个关键层次架构。围绕不同的仿真任务，开放的接口模型可以方便地嵌入对应层次的设计算法。

路由算法模型实现节点组网仿真过程中的路径选择过程，其处于节点模块的应用层和MAC层之间，层次架构示意图如图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。

图2　路由算法位置示意图

路由算法模块基于模块化的设计思路，通过指定的接口参数实现与上下层间的数据交互。路由算法模块内部，基于黑盒子的设计思路，依据各自的算法流程与设计规范等完成路由算法的实现与添加功能。下面针对AODV路由［12］算法展开具体的分析与实现。

2　AODV路由算法分析与实现

按需路由的路由表项只记录下一跳路由信息，而不是整条路径的路由信息，因此，简化了路由表的建立和维护。针对不同的路由请求和路由维护操作，源节点和目的节点需要维护各自的序列号，序列号管理对提高路由建立和路由维护操作性能起到至关重要的作用。序列号用来标识路由信息新旧程度，源节点发起路由请求RREQ消息，或者目的节点返回路由应答RREP消息，都必须更新各自管理的序列号，中间节点依据消息中序列号的大小判断路由的新旧。

路由请求与路由回复消息序列号管理示意如图3所示。

图3　序列号管理逻辑图

在下面两种情况下，节点会增加它自己的序列号：

（1）在一个节点发起一个路径请求之前，它必须增加它自己的序列号。这样，对已经建立好的朝向RREQ消息发起者的反向路由来说，可以防止本次请求与其相冲突。

（2）在目的节点生成RREP消息以响应RREQ消息之前，它必须更新它自己的序列号，新的值是它目前的序列号和RREQ消息包中目的序列号的较大者。

当以下情况发生时，节点需要改变目的路由表项中的序列号：

（1）它自己就是目的节点，并且提供了一个到它自己的新的路由。

（2）它接收到了一个拥有关于目的节点序列号的新信息的AODV消息。

（3）朝向目的节点的路径过期或者崩溃。

实现的路由算法仿真代码支持部分节点和全网节点的数据统计功能，主要涉及数据类型包括：节点发包数量、节点收包数量、数据统计等。数据统计页面如图4所示。

对统计的数据结果提供简单的结果分析与图形化处理操作。另外，对采样数据进行格式化的存储后，支持第三方分析软件读取处理。图形化处理统计图如图5所示。

图4　统计操作命令与结果页面

图5　图形化处理统计图

3　仿真与分析

仿真布置场景为40 m×40 m的正方形区域。在该区域内，分别对15个，25个和35个节点规模网络展开仿真。节点位置坐标由系统随机生成，生成后对应的坐标分布图分别如图6～图8所示。

图6　网络规模为15个节点的坐标分布图

仿真统计图分别如图9～图11所示，每个图中统计了各个节点的溢出数据包，过滤数据包，接收数据包和发送数据包。

图7　网络规模为25个节点的坐标分布图

图8　网络规模为35个节点的坐标分布图

图9　网络规模为15个节点的分组数据统计图

通过仿真数据图可以发现，在同样的场景区域，随着节点数目增加，每个节点过滤的数据包数量逐步递减，因为随着节点数量增加，同样大小区域内节点的密度逐步增加，在同等的单跳通信距离能力情况下，每个节点管理的有效邻居节点数目增加，指向目的节点的路径信息逐步多样化，最终形成路径建立过程中每个节点需要转发次数降低的结果。另外，随着节点数目增加，每个节点接收到的分组数据逐步增加，这是因为随着节点密度增大，在同等通信距离条件下，每个节点在一跳通信半径范围内的概率逐步增加，因此，可以接收到更多的广播数据包，同时，随着接收的数据包个数逐步增加，每个节点在同等数据处理能力之下，节点数据溢出的概率逐步增加。随着节点密度增加，在处理同等复杂度事件时，每个节点平均发送数据量也逐步降低。

图10　网络规模为25个节点的分组数据统计图

图11　网络规模为35个节点的分组数据统计图

4　结　论

本文介绍了层次化仿真平台的整体架构，阐述了各个层的主要功能。具体开展了网络层AODV路由算法的分析与实现，并在层次化架构仿真平台中开展了三种不同网络规模下AODV路由算法的仿真与分析。通过仿真表明，本文实现的路由算法有效验证了AODV路由协议的工作机制，仿真平台可以完成不同场景下具体路由算法的仿真验证工作。

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算法和仿真测试平台等方面。

李凤荣（1983—），女，上海嘉定人，助理研究员，博士。主要研究方向为物联网安全及网络系统仿真等。

杜海韬（1988—），男，江苏盐城人，硕士研究生。主要研究方向为网络层路由算法与仿真。

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

上海市科技创新行动计划项目（14511101303）；上海市青年科技英才扬帆计划资助项目（15YF1414500）

朱磊基（1984—），男，上海嘉定人，助理研究员，博士。主要研究方向为物联网、无线通信等，重点关注信道编码、路由