0 引言
    無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。未來的無線傳感器網絡將向海、陸、空、天立體化網絡系統(tǒng)的方向發(fā)展，最終將成為人類生產和生活不可分割的一部分。無線傳感器網絡無論是在國防，還是在國民經濟的各個領域均有著廣闊的應用前景。對該技術的深入研究與推廣應用將推動我國信息化建設的進程，并極大地帶動相關產業(yè)和學科的發(fā)展。
    在開展的無線傳感器網絡的研究中，我們都力求圍繞網絡的各種關鍵性能對無線傳感器網絡的各種技術進行改進。然而受有限的資金和網絡條件的限制，在實驗室構建大規(guī)模的實驗平臺比較昂貴。因此，充分利用現有資源，構建虛擬的仿真環(huán)境是非常有意義的。
    本文在無線傳感器網絡特點和協議棧的研究基礎上，利用網絡仿真軟件NS2進行了研究和二次開發(fā)，構建了一個基于各種無線傳感器網絡關鍵性能的仿真界面。使得用戶可以通過仿真界面來自主配置網絡元素，搭建網絡，運行并直觀地顯示各種關鍵性能，以對其研究起到一定的指導作用。

1 無線傳感器網絡體系結構及NS2仿真機制
1．1 無線傳感器網絡體系結構
    網絡體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合，是對網絡及其部件所應完成功能的定義和描述。對于無線傳感器網絡來說，圖l是傳感器節(jié)點使用的最典型的網絡協議體系結構，包括物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層，與互聯網協議棧的五層協議相對應。此外，還包括網絡管理模塊。這些管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數據，并支持多任務和資源共享。該模型既參考了現有通用網絡的TCP／IP和0sI模型的架構，同時又包含了傳感器網絡特有的電源管理、移動管理及任務管理。應用層為不同的應用提供了一個相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為傳感器網絡保持數據流或保證與Internet連接；網絡層主要關心數據的路由；數據鏈路層協調無線媒質的訪問，盡量減少相鄰節(jié)點廣播時的沖突；物理層為系統(tǒng)提供一個簡單、穩(wěn)定的調制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此而外，電源、移動和任務管理負責傳感節(jié)點能量、移動和任務分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點協調感測任務，盡量減少整個系統(tǒng)的功耗。

1．2 NS2的仿真機制
    NS是美國加州Lawrence Berkeley國家實驗室于1989年開始開發(fā)的軟件。NS是一種可擴展、以配置和可編程的事件驅動的仿真工具，可以提供有線網絡、無線網絡中鏈路層及其上層，精確到數據包的一系列行為的仿真。最值得一提的是，NS中的許多協議代碼都和真實網絡中的應用代碼十分接近，其真實性和可靠性高居世界仿真軟件的前列。
    NS底層的仿真引擎主要由C++編寫，同時利用0TCL語言作為仿真命令和配置的接口語言，網絡仿真的過程由一段OTCL的腳本來描述，這段腳本通過調用引擎中各類屬性、方法，定義網絡的拓撲，配置源節(jié)點、目的節(jié)點，建立連接，產生所有事件的時間表，運行并跟蹤仿真結果，還可以對結果進行相應的統(tǒng)計處理或制圖。
    通常情況下，NS仿真器的工作從創(chuàng)建仿真器類(simulator)的實例開始，仿真器調用各種方法生成節(jié)點，進而構造拓撲圖，對仿真的各個對象進行配置，定義事件，然后根據定義的事件，模擬整個網絡活動的過程。
    仿真器封裝了多個功能模塊：
    (1)事件調度器：由于NS是基于事件驅動的，調度器也成為NS的調度中心，可以跟蹤仿真時間，調度當前事件鏈中的仿真時間并交由產生該事件的對象處理。
    (2)節(jié)點：是一個復合組件，在NS中可以表示端節(jié)點和路由器，節(jié)點為每個連接到他的節(jié)點分配不同的端口，用于模擬實際網絡中的端口。
    (3)鏈路：有多個組件復合而成，用來連接網絡節(jié)點。
    (4)代理：代理類包含源及目的節(jié)點地址，數據包類型、大小、優(yōu)先級等狀態(tài)變量，每個代理鏈接到一個網絡節(jié)點上，通常連接到端節(jié)點，由該節(jié)點給他分配端口號。
    (5)包：由頭部和數據兩部分組成。
    NS采取對真實網絡元素進行抽象，保留其基本特征，并運用等效描述的方法來建立網絡仿真模型。他們由大量的仿真組件所構成，用于實現對真實網絡的抽象和模擬。

2 仿真平臺設計
2．1 系統(tǒng)整體結構
    NS2的主代碼主要采用Tcl和C++兩種語言進行編寫。C++的程序運行時間很短，轉換時間很長，適合具體協議的實現，而Tcl運行較慢但轉換很快，正好用來仿真的配置。Tcl提供了一個強有力的平臺，可以生成面向多種平臺的應用程序、協議、驅動程序等等。他與Tk(too1kit)協作，可生產GUI應用程序。Tk是基于Tcl的圖形程序開發(fā)工具箱，是Tcl的重要擴展部分。利用Tcl／Tk進行界面編程速度快，且界面編程工作可以從應用程序的其余部分分離開來，開發(fā)人員可以先集中精力實現程序的核心部分，然后逐步建立用戶界面。
    本文主要就是采用Tk工具包來作出友好的無線傳感器網絡用戶操作界面，將所要運行的ns代碼嵌入其中，通過Nam動畫演示來展現網絡運行的過程，用Xgraph靜態(tài)圖表來分析網絡的各種關鍵性能。通過Tcl腳本來描述在用戶界面上所定義的網絡拓撲、場景參數以及網絡協議等網絡場景信息。
    系統(tǒng)體系結構如圖2所示。系統(tǒng)主要有網絡場景模塊和性能分析模塊組成，網絡場景模塊主要包括環(huán)境參數設定、拓撲生成以及網絡協議添加的實現。當設定好基站以及普通節(jié)點拓撲范圍后，隨機生成一個網絡節(jié)點拓撲文件，結合其余的環(huán)境參數和網絡協議，便可完成網絡環(huán)境的初始化。

    在NS2仿真器中，模擬的配置被作為一種程序設計而不是一種靜態(tài)的配置。一次模擬的場景為模擬的運行定義了一個輸入配置，NS采用Tcl腳本來描述用戶提交的網絡模擬場景。
    當提交網絡模擬場景后，根據參數便會生成Tcl模擬腳本并調用NS仿真器進行模擬運行網絡，模擬結束后性能分析模塊即被激活，性能分析模塊主要包括Nam動畫演示和Xgraph靜態(tài)性能分析的實現。其中靜態(tài)分析實現了網絡能量、延時、丟包以及吞吐量等關鍵性能的仿真。
2．2 系統(tǒng)具體實現
    系統(tǒng)具體的用戶操作界面如圖3所示：

    在網絡場景模塊中，場景參數的設定僅由用戶界面輸入便可完成，提交參數時可自動添加至后臺運行的Tcl腳本中并調用NS仿真器進行運行，然而如若添加自定義網絡協議，則需進行相應的NS二次開發(fā)，先開發(fā)出想添加的網絡協議，并添加至后臺運行的Tcl腳本中，然后才能添至用戶界面中。
    在性能分析模塊中，網絡動畫演示主要是通過調用Nam可視化工具來實現，網絡主要關鍵性能的靜態(tài)顯示則是通過gawk語言對網絡運行的跟蹤文件進行讀取、處理，最后通過Xgraph圖表化得到的。

3 仿真性能分析
    我們以經典層次路由協議leach協議的運行為例，來觀察系統(tǒng)用戶操作界面的使用。
    在用戶界面中輸入需要的環(huán)境參數，在MAC協議下拉選項中選取Mac／Sensor，在routing協議中選取leach，然后確認輸入點擊控件0K?進行提交網絡模擬場景設置。然后點擊控件Run調用Ns仿真器進行運行模擬網絡(其中Clear控件用來清楚輸入，Reset控件用來恢復默認設置)。待模擬完成后，性能分析模塊被激活，如圖4所示。

    此時，我們便可觀察網絡的各種性能分析，控件dynamic run可調甩Nam根據模擬返回結果NamTrace文件來動態(tài)演示網絡的模擬過程，Nam的動態(tài)演示如圖5所示。在energy一欄中，有三個控件：node alived、received data和energy consume，分別表示剩余節(jié)點數目、基站接收的數據量和網絡消耗能量。如圖6、7、8所示。

    由圖6、7、8可以看出，網絡總共運行時間為505s，第一個節(jié)點在330s左右死亡，到505s左右網絡還剩余4個節(jié)點，基站接收到的數據量隨著時間大致呈線性上升，而網絡消耗的能量卻隨著節(jié)點的死亡呈現指數上升趨勢。觀察一下網絡的時延狀況，在delay一欄中，有三個控件：delay／packet、delay／time和jitter，分別表示每個包的延時，單位時間內的延時和延時抖動，下面僅以delay／time和jitter為例，如圖9、lO所示：

    從圖9、10中可以看出，網絡的延時存在一定的周期性，這與1each協議的“回合”過程是有一定密切關系的，而且從圖10中也可以看出，網絡整體慢慢趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
    下面看一下網絡的丟包和吞吐量。這里的丟包率為了防止網絡中存在一對多的傳輸情況(排除了廣播)，定義為：丟包率=丟棄的數據包／(接收的數據包+丟棄的數據包)。在drop一欄中，有兩個控件：drop ratio和get ratio，這是兩個對立的概念，一個表示丟包率，一個表示接收率(丟包率+接收率=1)，僅以接收率為例，如圖11所示，網絡的吞吐量用單位時間內網絡發(fā)送和接收的數據量表示，如圖12所示。

    由圖11，在leach協議中，節(jié)點在成簇過程中即為簇內每個節(jié)點按照TDMA方法安排了傳送數據的時間片，這一點保證了節(jié)點傳輸數據時不會發(fā)生相互碰撞，也進一步保證了數據的接收率，圖12，網絡的吞吐量也與傳輸延時保持一致，與成簇周期存在一定的周期對應關系。

4 結束語
    由于NS2的安裝和使用都比較復雜，針對于此，本文搭建了一個用戶仿真平臺，NS2仿真器對于用戶是透明的，面對用戶的只是設計平臺上的參數和協議的選定，用戶即可以利用NS2仿真器所提供的強大功能來進行那個網絡模擬研究又可以省去搭建網絡的復雜過程。
    本文提出的系統(tǒng)通過采用NS2作為后臺仿真器給用戶提供了強大的網絡仿真能力，滿足了無線傳感器網絡的多種仿真要求，同時由Tk軟件包所設計的仿真平臺也為不同網絡環(huán)境的重復性實驗提供了種種便利，具有良好的可控、可視和可擴充性。