导言
无线传感器网络是当时国际上备受重视的、触及多学科高度穿插、常识高度集成的前沿热门研讨范畴。未来的无线传感器网络将向海、陆、空、天立体化网络体系的方向展开，终究将成为人类出产和日子不可分割的一部分。无线传感器网络无论是在国防，仍是在国民经济的各个范畴均有着宽广的运用远景。对该技能的深入研讨与推广运用将推进我国信息化建造的进程，并极大地带动相关工业和学科的展开。
在展开的无线传感器网络的研讨中，咱们都力求环绕网络的各种要害功用对无线传感器网络的各种技能进行改善。但是受有限的资金和网络条件的约束，在试验室构建大规模的试验渠道比较贵重。因而，充分运用现有资源，构建虚拟的仿真环境对错常有含义的。
本文在无线传感器网络特色和协议栈的研讨基础上，运用网络仿真软件NS2进行了研讨和二次开发，构建了一个依据各种无线传感器网络要害功用的仿真界面。使得用户能够经过仿真界面来自主装备网络元素，树立网络，运转并直观地显现各种要害功用，以对其研讨起到必定的指导作用。
1 无线传感器网络体系结构及NS2仿真机制
1．1 无线传感器网络体系结构
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的调集，是对网络及其部件所应完结功用的界说和描绘。关于无线传感器网络来说，图l是传感器节点运用的最典型的网络协议体系结构，包含物理层、数据链路层、网络层和运用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。此外，还包含网络办理模块。这些办理渠道使得传感器节点能够依照动力高效的办法协同作业，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支撑多使命和资源共享。该模型既参阅了现有通用网络的TCP／IP和0sI模型的架构，一起又包含了传感器网络特有的电源办理、移动办理及使命办理。运用层为不同的运用供给了一个相对一致的高层接口；假如需求，传输层可为传感器网络坚持数据流或确保与Internet衔接；网络层首要关怀数据的路由；数据链路层和谐无线媒质的拜访，尽量削减相邻节点播送时的抵触；物理层为体系供给一个简略、安稳的调制、传输和接纳体系。除此而外，电源、移动和使命办理担任传感节点能量、移动和使命分配的监测，协助传感节点和谐感测使命，尽量削减整个体系的功耗。
1．2 NS2的仿真机制
NS是美国加州Lawrence Berkeley国家试验室于1989年开端开发的软件。NS是一种可扩展、以装备和可编程的事情驱动的仿真东西，能够供给有线网络、无线网络中链路层及其上层，准确到数据包的一系列行为的仿真。最值得一提的是，NS中的许多协议代码都和实在网络中的运用代码非常挨近，其实在性和可靠性高居国际仿真软件的前列。
NS底层的仿真引擎首要由C++编写，一起运用0TCL言语作为仿真指令和装备的接口言语，网络仿真的进程由一段OTCL的脚原本描绘，这段脚本经过调用引擎中各类特点、办法，界说网络的拓扑，装备源节点、意图节点，树立衔接，产生一切事情的时刻表，运转并盯梢仿真成果，还能够对成果进行相应的计算处理或制图。
一般状况下，NS仿真器的作业从创立仿真器类（simulator）的实例开端，仿真器调用各种办法生成节点，从而结构拓扑图，对仿真的各个目标进行装备，界说事情，然后依据界说的事情，模仿整个网络活动的进程。
仿真器封装了多个功用模块：
（1）事情调度器：因为NS是依据事情驱动的，调度器也成为NS的调度中心，能够盯梢仿真时刻，调度当时事情链中的仿真时刻并交由产生该事情的目标处理。
（2）节点：是一个复合组件，在NS中能够表明端节点和路由器，节点为每个衔接到他的节点分配不同的端口，用于模仿实践网络中的端口。
（3）链路：有多个组件复合而成，用来衔接网络节点。
（4）署理：署理类包含源及意图节点地址，数据包类型、巨细、优先级等状况变量，每个署理链接到一个网络节点上，一般衔接到端节点，由该节点给他分配端口号。
（5）包：由头部和数据两部分组成。
NS采纳对实在网络元素进行笼统，保存其基本特征，并运用等效描绘的办法来树立网络仿真模型。他们由很多的仿真组件所构成，用于完结对实在网络的笼统和模仿。
2 仿真渠道规划
2．1 体系全体结构
NS2的主代码首要选用Tcl和C++两种言语进行编写。C++的程序运转时刻很短，转化时刻很长，合适详细协议的完结，而Tcl运转较慢但转化很快，正好用来仿真的装备。Tcl供给了一个强有力的渠道，能够生成面向多种渠道的运用程序、协议、驱动程序等等。他与Tk（too1kit）协作，可出产GUI运用程序。Tk是依据Tcl的图形程序开发东西箱，是Tcl的重要扩展部分。运用Tcl／Tk进行界面编程速度快，且界面编程作业能够从运用程序的其他部别离离开来，开发人员能够先集中精力完结程序的中心部分，然后逐渐树立用户界面。
本文首要便是选用Tk东西包来作出友爱的无线传感器网络用户操作界面，将所要运转的ns代码嵌入其间，经过Nam动画演示来展示网络运转的进程，用Xgraph静态图表来剖析网络的各种要害功用。经过Tcl脚原本描绘在用户界面上所界说的网络拓扑、场景参数以及网络协议等网络场景信息。
体系体系结构如图2所示。体系首要有网络场景模块和功用剖析模块组成，网络场景模块首要包含环境参数设定、拓扑生成以及网络协议增加的完结。当设定好基站以及一般节点拓扑规模后，随机生成一个网络节点拓扑文件，结合其他的环境参数和网络协议，便可完结网络环境的初始化。
在NS2仿真器中，模仿的装备被作为一种程序规划而不是一种静态的装备。一次模仿的场景为模仿的运转界说了一个输入装备，NS选用Tcl脚原本描绘用户提交的网络模仿场景。
当提交网络模仿场景后，依据参数便会生成Tcl模仿脚本并调用NS仿真器进行模仿运转网络，模仿完毕后功用剖析模块即被激活，功用剖析模块首要包含Nam动画演示和Xgraph静态功用剖析的完结。其间静态剖析完结了网络能量、延时、丢包以及吞吐量等要害功用的仿真。
2．2 体系详细完结
体系详细的用户操作界面如图3所示：
在网络场景模块中，场景参数的设定仅由用户界面输入便可完结，提交参数时可主动增加至后台运转的Tcl脚本中并调用NS仿真器进行运转，但是如若增加自界说网络协议，则需进行相应的NS二次开发，先开宣布想增加的网络协议，并增加至后台运转的Tcl脚本中，然后才干添至用户界面中。
在功用剖析模块中，网络动画演示首要是经过调用Nam可视化东西来完结，网络首要要害功用的静态显现则是经过gawk言语对网络运转的盯梢文件进行读取、处理，最终经过Xgraph图表化得到的。
3 仿真功用剖析
咱们以经典层次路由协议leach协议的运转为例，来调查体系用户操作界面的运用。
在用户界面中输入需求的环境参数，在MAC协议下拉选项中选取Mac／Sensor，在routing协议中选取leach，然后承认输入点击控件0K？进行提交网络模仿场景设置。然后点击控件Run调用Ns仿真器进行运转模仿网络（其间Clear控件用来清楚输入，Reset控件用来康复默认设置）。待模仿完结后，功用剖析模块被激活，如图4所示。
此刻，咱们便可调查网络的各种功用剖析，控件dynamic run可调甩Nam依据模仿回来成果NamTrace文件来动态演示网络的模仿进程，Nam的动态演示如图5所示。在energy一栏中，有三个控件：node alived、received data和energy consume，别离表明剩下节点数目、基站接纳的数据量和网络耗费能量。如图6、7、8所示。
由图6、7、8能够看出，网络一共运转时刻为505s，第一个节点在330s左右逝世，到505s左右网络还剩下4个节点，基站接纳到的数据量跟着时刻大致呈线性上升，而网络耗费的能量却跟着节点的逝世出现指数上升趋势。调查一下网络的时延状况，在delay一栏中，有三个控件：delay／packet、delay／TIme和jitter，别离表明每个包的延时，单位时刻内的延时和延时颤动，下面仅以delay／TIme和jitter为例，如图9、lO所示：
从图9、10中能够看出，网络的延时存在必定的周期性，这与1each协议的“回合”进程是有必定密切联系的，并且从图10中也能够看出，网络全体渐渐趋于安稳状况。
下面看一下网络的丢包和吞吐量。这儿的丢包率为了避免网络中存在一对多的传输状况（排除了播送），界说为：丢包率=丢掉的数据包／（接纳的数据包+丢掉的数据包）。在drop一栏中，有两个控件：drop raTIo和get raTIo，这是两个敌对的概念，一个表明丢包率，一个表明接纳率（丢包率+接纳率=1），仅以接纳率为例，如图11所示，网络的吞吐量用单位时刻内网络发送和接纳的数据量表明，如图12所示。
由图11，在leach协议中，节点在成簇进程中即为簇内每个节点依照TDMA办法组织了传送数据的时刻片，这一点确保了节点传输数据时不会产生彼此磕碰，也进一步确保了数据的接纳率，图12，网络的吞吐量也与传输延时坚持一致，与成簇周期存在必定的周期对应联系。
4 完毕语
因为NS2的装置和运用都比较杂乱，针关于此，本文树立了一个用户仿真渠道，NS2仿真器关于用户是通明的，面临用户的仅仅规划渠道上的参数和协议的选定，用户即能够运用NS2仿真器所供给的强壮功用来进行那个网络模仿研讨又能够省去树立网络的杂乱进程。
本文提出的体系经过选用NS2作为后台仿真器给用户供给了强壮的网络仿真才能，满意了无线传感器网络的多种仿真要求，一起由Tk软件包所规划的仿真渠道也为不同网络环境的重复性试验供给了种种便当，具有杰出的可控、可视和可扩充性。
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