一種用於網絡協議棧測試的物理層通道模擬方法
2023-06-27 00:25:16
專利名稱：一種用於網絡協議棧測試的物理層通道模擬方法
技術領域：
本發明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種用於網絡軟體協議棧測試的物理層通道模擬方法。
背景技術：
在網絡協議棧中，MAC層與PHY層通過原語消息交互信息，完成數據調度與信號處理。MAC層在初始化的時候就決定了物理層(PHY)的功能，並通過MAC/PHY接口在每一幀裡提供信道控制信息。協議棧作為一種分層軟體集合體，各層之間相對獨立。在設備研製過程中，協議棧與硬體平臺可能同時開發，或者協議棧先於硬體平臺完成基礎功能開發，此時，由於沒有物理平臺，無法對協議功能和性能進行深入檢測。當前已有的仿真軟體往往基於理想情況建模，對協議細節的檢測功能還不夠深入，另外，仿真軟體普遍存在模型移植困難、對複雜協議支持不夠等不足。
發明內容
本發明的目的是為了實現脫離物理層平臺的協議棧功能和性能測試，從而降低開發風險，減少開發成本，並通過接口轉換定義解決一般仿真軟體無法檢測協議細節的不足。本發明提出的軟體協議棧物理層及信道空間的模擬系統及方法包括虛擬收發通道、中斷模擬器和消息解析轉發器。可以在同一平臺上模擬多個虛擬節點間通信，通過對協議棧底層的模擬，檢驗協議棧上層的功能實現。虛擬收發通道:虛擬收發通道模擬物理層對MAC的數據收發接口，MAC數據發送到本節點對應的發通道，物理層通道模擬系統通過解析和決策，將數據發送到對應的收通道。中斷模擬器:在實際系統中，物理層產生中斷，控制上層數據收發時機，在本物理層模擬系統中，通過定時器模擬中斷發生，定時器重置周期為幀長。消息解析轉發器:消息解析器通過解析MAC層發送的控制或數據消息，確認消息類型，如果是控制消息，將消息轉換為接收消息結構，並根據拓撲信息，將數據轉發給對應的一跳鄰居節點；如果是數據消息，則根據網絡的路由信息，將數據發送給路由表對應的下一跳節點。本發明的物理層通道模擬系統工作步驟包括:
步驟A:物理層通道模擬系統啟動，讀取拓撲場景配置文件，設置虛擬節點拓撲規則，準備後續解析消息和轉發消息；
步驟B:初始化接收消息隊列，對於每一個虛擬節點，根據節點號，分配消息隊列並初始化 used_f lag 為 O ；
步驟C:初始化發送消息隊列，對於每一個虛擬節點，根據節點號，分配消息隊列並初始化 used_f lag 為 O ；
步驟D:啟動消息處理進程，等待從虛擬節點發送消息隊列接收並處理其發送來的消息，從發送消息隊列收到消息後，生成相應的響應消息發送至對應虛擬節點接收消息隊列。對於所述步驟D的處理進程，包括以下步驟:
步驟Dl:數據接收處理進程啟動；
步驟D2:等待信號量，獲取信號量後，遍歷各虛擬節點發送消息隊列；
步驟D3:消息隊列不為空，進入步驟D4;否則，若未遍歷完，回到步驟D2，若遍歷完，進入步驟D16 ；
步驟D4:從虛擬節點發送消息隊列接收消息；
步驟D5:若接收成功，進入步驟D6，否則回到步驟D2 ；
步驟D6:解析消息頭，根據消息類型(MSG_TYPE)判斷消息是控制消息還是數據消息，若是控制消息，進入步驟D7，否則進入步驟Dll ；
步驟D7:開始處理控制消息；
步驟D8:根據消息隊列號獲取消息來源節點；
步驟D9:將虛擬節點發送的控制消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.1nd消息；
步驟D10:根據消息來源節點號和拓撲場景定義，確定消息需要轉發的鄰居節點，發送生成的MACPDU.1nd消息至對應的鄰居虛擬節點接收消息隊列,進入步驟D15 ；
步驟Dll:開始處理數據消息；
步驟D12:根據消息隊列號獲取消息來源節點；
步驟D13:將虛擬節點發送的數據消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.1nd消息；
步驟D14:根據消息目的節點號，查看本地路由表，根據路由表決定消息的下一跳節點，發送生成的MACPDU.1nd消息至對應的下一跳虛擬節點接收消息隊列,進入步驟D15 ；步驟D15:處理完畢，釋放對應虛擬節點發送消息隊列中剛剛處理的消息所佔內存，清空此隊列，回到步驟D2 ；
步驟D16:如果隊列已遍歷完，進入事件等待，等待新的消息到來，如果事件阻塞被觸發，回到步驟D2重新遍歷發送消息隊列。對於所述的步驟D9或D13中接收消息過程，包括以下步驟:
步驟D91:準備解析轉換rou.req消息；
步驟D92:獲取PUD.req中PDU的數量；
步驟D93:獲取PDU.req中PDU總大小；
步驟D94:根據PDU總大小及PDU數量，以及物理消息頭、PDU.1nd頭和H)U.1nd子頭，計算需要生成的F1DU.1nd大小；
步驟D95:分配內存給H)U.1nd，準備填充；
步驟D96:填充物理頭,包括配置ID (config_id)、物理ID (phy_id)、消息類型(msg_type)、消息長度(msg_len)信息；
步驟D97:填充PDU.1nd頭，包括 錯誤碼(err_code)和巾貞號(frame_num)、突發號(burst_num)、區域號(zone_num)、PDU數量(pdu_num)以及信道狀況信息；
步驟D98:判斷PDU是否填充完畢，若是，進入步驟D911，否則進入步驟D99 ；
步驟D99:填充PDU.1nd子頭；步驟D910:從PDU.req中拷貝PDU到PDU.1nd中，然後回到步驟D98 ；
步驟D911:返回PDU.1nd消息；
步驟D912:消息分析轉換結束。對於所述的步驟DlO或D14中接收消息過程，包括以下步驟:
步驟DlOl:準備開始發送消息處理；
步驟 D102:生成 MagqNode ；
步驟D103:將MagqNode的msg域指向步驟D911生成的PDU.1nd ；
步驟D104:將MagqNode加入對應虛擬節點的接收消息隊列供虛擬節點讀取使用； 步驟D105:發送消息結束。本發明的有益技術效果是:可實現單機平臺上的多點通信模擬，也可實現多平臺多點模擬，可在脫離物理層平臺情況下對協議棧功能和性能進行大規模組網驗證，從而降低開發成本，提高產品開發效率。
圖1是實際MESH節點協議棧與模擬系統對比圖。圖2是虛擬 節點與模擬系統交互及模擬系統的處理流程圖。圖3是模擬系統初始化過程圖。圖4是模擬系統接收虛擬節點消息並做處理轉換的過程圖。圖5是模擬系統對消息的轉換流程圖。圖6是模擬系統發送消息給虛擬節點的過程圖。圖7是某種拓撲下模擬系統轉發虛擬節點信息的過程。圖8是某種拓撲下路由控制消息轉發過程。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明的一種MESH協議棧的PHY層和信道空間的模擬系統及方法進行詳細說明。請參照圖1，圖1 (a)為實際節點協議棧結構，圖1 (b)為模擬系統下節點協議棧結構，模擬系統主要模擬PHY層功能，以及將虛擬節點在信道空間形成某種預定的拓撲。模擬系統與協議棧上層的MAC交互，完成虛擬節點之間的信息交流。請參照圖2，此圖描述了虛擬節點與模擬系統的交互以及模擬系統對消息的處理流程。虛擬節點通過發送消息隊列和接收消息隊列模擬數據發送和接收，模擬系統通過讀取對應虛擬節點的發送消息隊列取得虛擬節點的MACPDU.req消息，再依據PHY對MAC的響應生成MACPDU.1nd消息，並根據MACPDU.req消息的內容、拓撲設定或路由信息，將此MACPDU.1nd消息放入對應虛擬節點的接收消息隊列。通過這些操作,虛擬節點之間就可以像真實節點一樣組成拓撲並交互信息，形成MESH網絡。步驟S2.0:初始化模擬系統，等待和虛擬節點交互；
步驟S2.1:虛擬節點生成MACPDU.req發送至對應的發送消息隊列；
步驟S2.2:物理層通道模擬系統接收MACPDU.req消息；步驟S2.3:物理層通道模擬系統對接收到的消息進行處理；
步驟S2.4:物理層通道模擬系統根據MACPDU.req的分析處理生成H)U.1nd消息，並根據消息內容判斷此消息該轉發給哪個虛擬節點；
步驟S2.5:對MACPDU.1nd消息做幹擾處理並根據拓撲轉發；
步驟S2.6:物理層通道模擬系統將MACPDU.1nd消息放入接收消息隊列，供虛擬節點獲
取；
步驟S2.7:虛擬節點從接收消息隊列讀取MACPDU.1nd消息，完成虛擬節點和模擬系統的交互。請參照圖3，此為本發明的MESH協議棧的PHY層和信道空間的模擬系統及方法的模擬系統初始化過程圖。包括以下步驟:
步驟S3.1:模擬系統啟動，讀取拓撲定義配置文件，設置虛擬節點拓撲規則，準備後續解析消息和轉發消息；
步驟S3.2:初始化接收消息隊列，對於每一個虛擬節點，根據節點號，分配消息隊列並初始化used_f lag為O ;
步驟S3.3:初始化發送消息隊列，對於每一個虛擬節點，根據節點號，分配消息隊列並初始化used_f lag為O ;
步驟S3.4:啟動處理進程，等待從虛擬節點發送消息隊列接收發送來的消息並處理，生成響應消息發送至對應目標虛擬節點的接收消息隊列。
·
請參照圖4，本圖描述了模擬系統接收虛擬節點發送的消息並做處理轉換的過程，包括以下步驟:
步驟S4.1:數據接收處理開始；
步驟S4.2:等待信號量，此信號量通過中斷模擬定時器產生，用於模擬物理層中斷，虛擬節點獲得該中斷後，將數據發送到發送隊列；物理層模擬系統獲得該中斷後，進入下一
ι K
少；
步驟S4.3:遍歷各虛擬節點發送消息隊列，若未遍歷完，進入步驟S4.4，否則回到步驟S4.2 ；
步驟S4.4:從虛擬節點發送消息隊列接收消息；
步驟S4.5:若接收成功，進入步驟S4.6，否則回到步驟S4.3 ；
步驟S4.6:判斷消息是控制消息還是數據消息，若是控制消息，進入步驟S4.7，否則進入步驟S4.11 ；
步驟S4.7:開始處理控制消息；
步驟S4.8:根據消息隊列號獲取消息來源節點；
步驟S4.9:將虛擬節點發送的控制消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.1nd消息；
步驟S4.10:根據消息來源節點號和拓撲定義，發送生成的MACPDU.1nd消息至對應目標虛擬節點接收消息隊列，進入步驟S4.16 ；
步驟S4.11:開始處理數據消息；
步驟S4.12:根據消息隊列號獲取消息來源節點；
步驟S4.13:將虛擬節點發送的數據消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.ind消息；
步驟S4.14:根據消息來源節點號和消息頭獲取目標節點，通過路由查詢獲得下一跳地址，成功進入步驟S4.15，否則轉到步驟S4.16 ；
步驟S4.15:發送生成的MACPDU.1nd消息至對應的下一跳節點接收消息隊列,進入步驟 S4.16 ；
步驟S4.16:處理完畢，釋放對應虛擬節點發送消息隊列中剛剛處理的消息所佔內存，清空此隊列；回到步驟S4.2繼續遍歷其他虛擬節點的發送消息隊列。請參照圖5，此圖詳細描述了模擬系統對消息的轉換流程即圖4中步驟S4.9或步驟S4.13，包括以下步驟:
步驟S5.1:準備解析轉換MACPDU.req消息；
步驟S5.2:獲取MACPUD.req中PDU的數量；
步驟S5.3:獲取MACPDU.req中PDU總大小；
步驟S5.4:根據PDU總大小及PDU數量，以及物理消息頭、MACPDU.1nd頭和MACPDU.1nd子頭，計算需要生成的MACPDU.1nd大小；
步驟S5.5:分配內存給MACPDU.1nd，準備填充；
步驟S5.6:填充物理頭,包括配置ID config_id、物理ID phy_id、消息類型msg_type、消息長度msg_len信息；
步驟S5.7:填充MACPDU.1nd頭,包括錯誤碼err_code和巾貞號frame_num、突發號burst_num、區域號 zo ne_num、PDU 數量 pdu_num 以及 rss1、cinr、snr 信息；
步驟S5.8:判斷MACPDU是否填充完畢，若是，進入步驟S5.11，否則進入步驟S5.9 ； 步驟S5.9:填充MACPDU.1nd子頭；
步驟S5.10:從MACPDU.req中拷貝PDU到MACPDU.1nd中，然後回到步驟S5.8 ；
步驟S5.11:返回MACPDU.1nd消息；
步驟S5.12:消息分析轉換結束。請參考圖6:此圖描述了模擬系統轉換完消息之後發送消息給虛擬節點的過程，即圖4中步驟S4.10和步驟S4.14，包括以下步驟:
步驟S6.1:準備開始發送消息處理；
步驟 S6.2:生成 MagqNode ；
步驟S6.3:將MagqNode的msg域指向步驟S5.11生成的MACPDU.1nd ；
步驟S6.4:將MagqNode加入對應虛擬節點的接收消息隊列供虛擬節點讀取使用； 步驟S6.5:發送消息結束。參照圖7，對於圖7 (a)所示拓撲，若虛擬節點A要向虛擬節點C通信，數據消息在模擬系統的流動過程如圖7 (b):
步驟S7.1:虛擬節點A根據本地路由信息獲得下一跳節點為B，則將目標節點C和下一跳節點B的信息封裝在路由頭部；
步驟S7.2:將帶有路由頭的數據信息發往模擬系統；
步驟S7.3:模擬系統根據路由頭部解析，獲得到達節點C的下一跳路由為節點B，則轉發此信息給虛擬節點B ；
步驟S7.4:虛擬節點B收到後分析信息，更新路由信息，並將此消息再次發往模擬系統，模擬系統根據消息頭部解析，轉發此信息給虛擬節點C ；
步驟S7.5:虛擬節點C接收到信息後，如果需要回覆信息給源節點A，則其生成回復消息並發送至模擬系統；模擬系統消息處理過程與源節點A發送數據到C的過程相同；數據流從 C->B->A。對於控制消息，模擬系統根據拓撲場景定義轉發，根據該控制消息轉發的需要，將其轉發給一個、多個或全部一跳鄰居節點。參照圖8，例如，在圖8 (a)所示拓撲下，虛擬節點C要全網廣播一條路由消息，處理步驟如圖8 (b)所示。步驟S8.1:虛擬節點C將路由信息發送到物理層模擬系統中本節點對應的發送消息隊列；
步驟S8.2:物理層模擬系統接收到該消息；
步驟S8.3:物理層模擬系統根據拓撲場景定義，該路由信息轉發給節點C的一跳鄰居B和D ；
步驟S8.4:虛擬節點B和虛擬節點D收到此消息後，根據路由消息處理規程，決定是否繼續轉發該消息，如需轉發，則進入步驟S8.5，否則進入步驟S8.6 ；
步驟S8.5:模擬系統收到B轉發的路由消息後，根據拓撲定義將此消息轉發給節點B的一跳鄰居A、C、D ;同樣，模擬系統收到D轉發的路由消息後，根據拓撲定義將此信息轉發給虛擬節點B、C。直至擴展到全網；
步驟S8.6:路由控制消息發送結束。需要指出的是，MAC層必須能夠將重複收到的信息過濾，以避免消息在網絡內泛洪。根據網絡層次劃分，該功能不在物理層模擬系統中實現。
權利要求
1.一種用於網絡協議棧測試的物理層通道模擬方法，其特徵在於，通過軟體形式實現對物理層通道的模擬，對缺少可用物理層硬體平臺或需要大規模組網測試的軟體協議棧，本模擬系統能夠與多個虛擬節點進行消息交互，實現虛擬節點間的通信模擬，檢驗軟體協議棧功能； 所述虛擬節點，包括媒體接入控制層及路由子系統，媒體接入控制層和路由子系統；既可在單機上模擬出多個虛擬節點，也可在多機多平臺上模擬多個虛擬節點； 所述物理層模擬系統，包括網絡拓撲場景設置、數據收發通道、中斷模擬和消息解析轉發四部分；虛擬節點產生媒體接入和路由控制消息，發送到模擬物理層通道系統後，模擬物理層通道系統完成消息解析，根據拓撲場景設置完成數據轉發，從而達到和其他虛擬節點交互控制消息的目的；數據消息通過虛擬節點到達模擬物理層系統後，模擬物理層系統通過消息解析轉換及路由信息確定消息流向，並轉發到對應虛擬節點的接收通道，從而完成虛擬節點間的數據通信。
2.根據權利要求1所述物理層通道模擬，其特徵在於，物理層通道模擬系統可以模擬不同拓撲場景下的通信，網絡場景設置通過讀取參數表的形式完成，參數表描述網絡規模和拓撲定義，拓撲定義用於約束虛擬節點之間直接通信的範圍，決定轉發器對控制消息的轉發行為；物理層通道模擬系統初始化時，首先讀取該參數表，獲得整個網絡的拓撲設置。
3.根據權利要求1所述物理層通道模擬，其特徵在於，物理層通道模擬系統通過一系列消息隊列實現數據收發通道的模擬，物理層通道模擬系統維護MAX_NODE_NUM對發送消息隊列和接收消息隊列，系統為每一個加載的虛擬節點維護一個「下行發送」和「上行接收」消息隊列，MAX_NODE_NUM為網絡最大節點數，根據網絡規模設置指定。
4.根據權利要求1所述虛擬節點，其特徵在於，實際的物理層平臺能夠產生中斷，節點可根據物理層中斷完成數據收發，對於物理層通道模擬系統，物理層中斷通過定時器模擬實現，將定時器超時時長設置為系統幀長，定時器超時即產生中斷信號，虛擬節點根據該中斷信號進行數據收發，定時器在產生中斷信號後立即重置，以模擬下一中斷。
5.根據權利要求1所述的物理層通道模擬系統消息解析轉發功能，其特徵在於，系統周期性的從消息隊列中讀取數據消息，並對消息進行解析處理，如果消息需要轉發，則根據協議要求，將虛擬節點發送的PDU發送請求MACPDU.req原語轉換為PDU指示MACPDU.1nd原語應答消息，並在所定義的拓撲約束下，通過控制轉發器發送給對應的虛擬節點。
6.權利要求1所述物理層通道模擬方法，其工作流程如下: 步驟A:模擬系統啟動，讀取拓撲定義配置文件，據配置文件構建網絡拓撲信息表； 步驟B:初始化接收和發送消息隊列，對於每一個虛擬節點，根據節點號，分配發送和接收消息隊列並初始化； 步驟C:啟動消息處理轉發進程，輪詢虛擬節點發送消息隊列，如果所有發送消息隊列為空，則進入事件等待狀態，等待發送隊列不為空或中斷到來，以再次啟動輪詢過程，如果發送消息隊列不為空，處理該發送消息隊列中的消息，並生成響應消息，如果是控制消息，根據拓撲結構發送到對應虛擬節點的接收消息隊列；如果是數據消息，根據路由查找下一跳，並發送至對應下一跳虛擬節點的接收消息隊列。
7.對於權利要求6所述步驟C的處理進程，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟Cl:等待接收模擬中斷的信號量；步驟C2:收到模擬中斷的信號量； 步驟C3:遍歷各虛擬節點發送消息隊列； 步驟C4:發送消息隊列不為空，進入步驟C5 ;否則，若未遍歷完，進入步驟C3，如隊列已遍歷完，回到步驟Cl ； 步驟C5:判斷消息是控制消息還是數據消息，若是控制消息，進入步驟C6，否則進入步驟C9 ； 步驟C6:根據消息隊列號獲取消息來源節點； 步驟C7:將虛擬節點發送的控制消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.1nd消息； 步驟CS:根據消息來源節點號和拓撲信息，將生成的MACPDU.1nd消息發送至對應的虛擬節點接收消息隊列，進入步驟C13 ； 步驟C9:根據消息隊列號獲取消息來源節點； 步驟ClO:將虛擬節點發送的數據消息MACPDU.req進行分析處理，轉換生成MACPDU.1nd消息； 步驟Cll:根據消息來源節點號和目的節點號，查看路由信息，找到對應的下一跳節點，發送生成的MACPDU.1nd消息至對應的下一跳虛擬節點接收消息隊列,進入步驟C12 ；步驟C12:釋放剛剛處理的消息所佔內存，清空此隊列；回到步驟C3。
8.對於權利要求7所述的步驟C7或ClO中消息轉換過程，包括以下步驟: 步驟C71:解析MACPDU.req消息頭部； 步驟C72:獲取PUD.req中PDU的數量； 步驟C73:獲取MACPDU.req中PDU總大小； 步驟C74:根據MACPDU總大小及MACPDU數量，以及物理消息頭、MACPDU.1nd頭和MACPDU.1nd子頭，計算需要生成的MACPDU.1nd的大小； 步驟C75:分配內存給MACPDU.1ndication，準備填充； 步驟C76:填充物理頭,包括配置ID config_id、物理ID phy_id、消息類型msg_type、消息長度msg_len ； 步驟C77:填充MACPDU.1nd頭，包括錯誤碼err_code、巾貞號frame_num、突發號burst_num、區域號zone_num、PDU數量pdu_num以及信道狀態信息； 步驟C78:判斷MACPDU是否填充完畢，若是，進入步驟C711，否則進入步驟C79 ； 步驟C79:填充MACPDU.1nd子頭,包括偏移量pdu_offset、子pdu長度sub_pdu_len、pdu 指不 pdu_f lag ； 步驟C710:從MACPDU.req中拷貝PDU到MACPDU.1nd中，然後回到步驟C78 ； 步驟C711:返回MACPDU.1nd消息； 步驟C712:消息轉換結束。
9.對於權利要求7所述的步驟CS或Cll中消息轉發過程，包括以下步驟: 步驟C81:生成消息節點MagqNode ； 步驟C82:將MagqNode的消息指針域指向步驟C711生成的MACPDU.1nd ； 步驟C83:查找該MACPDU.1nd消息發送的目標節點； 步驟C84:將Mag qNode放入對應虛擬節點的接收消息隊列，等待該虛擬節點讀取；步驟C85: 消息轉發過程結束。
全文摘要
本發明屬於移動通信技術領域，尤其涉及一種用於網絡協議棧測試的物理層通道模擬方法。通過建立多對收發消息隊列、模擬系統中斷、模擬MAC與PHY間接口和消息轉換機制，可在脫離實際應用的PHY層軟體實體時，支持多個對等軟體協議棧同時運行，並實現多個虛擬節點的空間拓撲分布。通過模擬物理層對上層軟體協議棧消息的響應實現虛擬節點間信息的轉發，完成虛擬節點間信息的交互，可對協議棧的性能評價和功能調整提供參考依據。本發明的有益技術效果是可實現單機平臺上的多點通信模擬，也可實現多平臺多點模擬，可在脫離物理層平臺情況下對協議棧功能和性能進行大規模組網驗證，從而降低開發成本，提高產品開發效率。
文檔編號H04W24/06GK103237321SQ20131016664
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月8日 優先權日2013年5月8日
發明者周繼華, 趙濤, 宋莉, 黃華, 於進強 申請人:重慶金美通信有限責任公司