一種採用乙太網混雜模式的無線網絡拓撲仿真方法
2023-06-22 08:20:26
專利名稱：一種採用乙太網混雜模式的無線網絡拓撲仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種採用乙太網混雜模式的多跳無線網絡拓撲半實物仿真方法。該方 法採用乙太網交換機的虛擬個人網絡(Virtual Private Network，VPN)模式接入各設備實 體和拓撲仿真節點，各設備實體間無法直接互通，但都可以和拓撲仿真節點互通；拓撲仿真 節點工作在乙太網混雜模式，通過發送指定媒體訪問控制地址(Medium Access Control, MAC)的地址解析協議(Address Resolution Protocol, ARP)消息以吸引網絡數據，並根據 拓撲關係決定是否應該轉發數據，以完成多跳無線網絡中的各種網絡拓撲結構的仿真和性 能統計。
背景技術：
隨著科技的發展和社會的進步，無線通信網絡技術正在經歷著日新月異的變化。 當人們還在研究和部署第三代移動通信系統的同時，為了適應將來通信的要求，國際通信 界已經開始著手研究新一代的移動通信系統。新一代移動通信系統是移動通信系統演進過程中的一個階段和目標，它不僅採用 新的無線傳輸技術來提高通信系統的性能，而且與現有的各種有線與無線網絡相融合；它 不僅包含現有的移動蜂窩網絡結構，而且在某些環境下也可以採用Ad hoc方式進行組網， 或者採用兩種結構的組合形式，形成蜂窩網絡下的兩跳或多跳網絡結構方式。通常，蜂窩網絡是一種廣覆蓋的網絡組網方式，它的目標是在有限的頻率和功率 資源前提下實現廣域的無線覆蓋。與蜂窩網絡結構相比，Ad hoc行動網路結構形式更加靈 活，它採用分布式管理技術，由一組自主的無線節點相互合作而形成移動通信網絡，其中， 無線節點既是一般意義上的移動終端，又可以作為無線中繼和路由設備對其他用戶的數據 進行轉發，因此具有動態搜索，快速建網和網絡自恢復的能力，有著廣泛的應用前景。鑑 於Ad hoc在無線組網和下一代無線網絡的重要地位，IETF(Internet Engineering Task Force)已經成立了 MANET工作組，進行Ad hoc網絡的研究。Ad hoc網絡的這種自由、動態、自發組網等特性，使得人和設備可以在某些暫無通 信設施的區域進行通信，時至今日，Ad hoc網絡技術已經廣泛地應用在搶險救災以及軍事 通信領域。新技術例如藍牙、WiFi和HyperLAN的出現，也大大推進了 Ad hoc網絡在軍用 以外領域的商業化進程。組網是無線Ad hoc網絡中的一個重要因素，目前還尚未沒有一個完全最優的方案 能滿足Ad hoc網絡環境下所有的應用要求，不同的協議在不同的網絡拓撲環境下可能存在 較大的差異。因此，針對不同拓撲環境的網絡協議仿真，對無線網絡的協議具有極大的意 義。計算機仿真和建立實驗床是目前研究Ad Hoc網絡常見的方法。常見的網絡仿真軟體，如Qualnet、NS2、0PNET等，可以建立Ad Hoc網絡仿真模型， 其是在路由協議和MAC算法的研究方面。在建立實驗床方面，CMU的Maltz等人的實驗中，室外測試了五個移動節點、兩個
4靜止節點組成Ad hoc網絡。天津大學金志剛等的實驗中，實驗床由網絡業務生成器、基站 系統、測量系統、基於Linux的軟體路由器和移動節點五部分組成。由於是在實驗室內的小 空間實現行動網路，有兩個問題需要解決。一個問題是，由於無線網卡的設計作用範圍是幾 百米，很難實現Ad Hoc網絡多跳的路由環境；另一個問題是傳輸信號的多徑幹擾使得路由 不穩定。其他的實驗床還有APE (Ad hocProtocol Evaluation)實驗床。計算機仿真的優點顯而易見，系統由嚴格的數學模型、圖形方式或計算計程序來 表示，無需採用實際系統的任何部件，是純軟體系統。但由於人的決策過程是系統中不可缺 少的環節，應用數學或電腦程式難以成功地模仿這一環節，故有其局限性。此外，純軟體 仿真需要將測試實物上的軟體重新在仿真平臺上實現，增加了工作量。目前不少人試圖採 用人工智慧(Al)等技術來改善這一環節的仿真質量，但迄今尚未成熟。該仿真模式抽象程 度最高，仿真費用最省，所花時間最短，做各種變量控制試驗亦最簡便，但存在仿真結果可 信度的問題。而實驗床仿真測試一般規模較小，很難在有限空間內仿真出各種拓撲結構，存 在擴展性問題。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種採用乙太網混雜模式的無線網絡拓撲仿真方 法，這種既有計算機仿真，又根據研究的角度加入了實物設備的混合仿真方法，可以克服純 軟體仿真和小規模實驗床的缺點，使得研究更方便和全面。與傳統的無線網絡拓撲仿真軟 件相比，本方法減少了傳統純軟體仿真中需要將實物設備軟體虛擬化的工作量，同時也更 加接近實際情況；與傳統的實驗床仿真方法比較，該方法可以在較小的空間環境下模擬仿 真出多種複雜的網絡拓撲環境。同時，該方法還支持虛擬設備節點和實物設備節點的混合 組網功能，支持多種無線信道的仿真和模擬，可廣泛用於無線設備的協議測試、性能仿真以 及系統模擬。技術方案該方法由信道連接設備和拓撲仿真設備組成。信道連接設備是一臺支 持VPN功能的商用交換機，各實物節點和拓撲仿真節點都連接到該信道連接設備上，通過 VPN配置成各實物節點間無法直接連通，但它們都可以和仿真節點連通的星型模式。仿真節 點是一臺運行本半實物仿真軟體的計算機，通過運行在乙太網混雜模式來監聽各實物設備 節點發出的數據，通過構造特殊的ARP消息將所有實物節點發出的數據都吸收到本節點， 再根據網絡的虛擬拓撲結構來選擇是否應該轉發該數據。在仿真拓撲結構時，可採用隨機 拓撲結構、特定拓撲結構以及外接拓撲信息伺服器等方式產生拓撲；支持多種信道模型，可 根據節點間的距離、信噪比等參數仿真不同的信道質量。本發明的適用於無線網絡的拓撲 仿真方法由連接設備配置、連接過程和拓撲仿真過程構成。在具體過程描述之前，先介紹兩 個定義 節點索引號index:分配給每個實物節點的索引編號，通常以網際網路協議 (Internet Protocol, IP)地址後[_log2"_|比特作為實物節點的索引號，每個實物節點具有不 同的索引節點號； 實際節點MAC地址實物節點配置乙太網卡的物理MAC地址； 仿真MAC索引地址拓撲仿真節點根據實物節點的索引號index產生的「假"MAC 地址，可採用「Ol-Ol-Ol-Ol-Ol-index」形式。仿真MAC索引地址和實物節點一一對應。拓撲仿真節點根據這個特殊的「仿真MAC索引地址」一方面可以判斷是否是本拓撲仿真節點 發出的數據(防止自發自收)，同時根據該MAC地址也能獲悉實際的下一跳實物節點。下面是具體的連接設備配置、連接過程和拓撲仿真過程描述1)、連接設備配置、連接過程11)、根據參與仿真的實物節點數N，選擇具備VPN功能的商用交換機(交換機埠 數為N+1)，其中埠 1連接拓撲仿真計算機，埠 2 N+1分別連接實物節點；12)、每個實物節點和拓撲仿真計算機配置為同一網段下不同的IP位址和乙太網
卡地址(其中IP位址的後[logf」比特代表節點的索引編號)，並通過乙太網卡連接交換機 相應的埠；13)、配置交換機的VPN參數，使得交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它端 口間無法連通；14)、通過ping命令測試是否滿足交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它端 口間無法連通的條件。如果滿足則連接設備配置、連接過程成功結束，否則重新檢查設備連 接和交換機參數配置。2)、拓撲仿真節點仿真過程如下21)、設置拓撲仿真節點的相關參數，包括實物節點的初始位置信息、節點的移動 模型、信道模型等等；22)、拓撲仿真節點讀入初始化參數文件，同時設置運行在乙太網混雜模式，該模 式下節點能夠接收到交換機上其它埠發送的所有數據；23)、當收到網絡數據時，判斷數據是否為本拓撲仿真節點發送出的數據，如果不 是本機發送的數據，則轉入步驟24)；否則繼續停留在步驟23)；24)、判斷消息類型，如果是ARP請求消息，則進入ARP請求消息處理過程；如果是 ARP響應消息，則進入ARP響應消息處理；如果是普通IP數據，則轉入IP數據處理過程。如 果是其它類型數據，暫不處理，等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；3)、ARP請求消息處理過程31)、從網絡上收到ARP請求消息時，首先記錄源節點的MAC地址和IP位址對應關 系；32)、本地查找是否存在目的節點MAC地址和IP位址關係表，如果存在則構造一個 ARP響應消息回送，其中消息中的源MAC地址更改為「仿真MAC索引地址」；如果不存在目的 節點的MAC地址和IP位址關係表，則重新構造一個新的ARP請求消息，消息源MAC和IP地 址為仿真節點的真實MAC和IP位址；33)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)
4)、ARP響應消息處理過程如下41)、從網絡上收到ARP響應消息時，記錄源節點的MAC地址和IP位址對應關係；42)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；5)、IP類消息處理過程如下51)、根據源MAC地址獲得源節點索引號indexSrc ；52)、根據目的地址MAC地址判斷數據包是單播數據還是廣播數據。如果是單播數 據，進入步驟53)，否則進入步驟55)；
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53)、根據目的MAC地址查詢目的節點索引號indexDst ；54)、根據節點索引號indexSrc、indexDst查詢節點拓撲連接關係表，判斷是否應 該轉發該數據。如果拓撲連接表表明兩節點數據可達，則消息中源MAC地址換為對應的仿 真索引MAC地址，目的MAC地址改為真實節點的MAC地址，轉發此報文；如果拓撲連接表表 明兩節點數據不可達，則丟棄此報文。重新跳轉到步驟23)；55)、記錄源節點MAC地址和IP位址對應關係；56)、根據源節點的鄰居列表，將廣播消息轉換為多個單播消息，其中發送節點MAC 地址轉換為對應的仿真索引MAC地址，目的節點MAC地址改為實際節點的MAC地址，發送報 文。重新跳轉到步驟23)；6)、實物節點通信過程61)、實物節點在IP數據通信之前，首先根據核心路由表查找到達目的節點的下 一跳節點IP位址；62)、如果沒有下一跳節點的MAC地址，則需要先發送ARP請求以獲得下一跳節點 的MAC地址；63)、在獲得下一跳或目的節點的MAC地址後，立即發送相關數據，其中消息的目 的MAC地址填寫ARP響應中的MAC地址，目的IP位址填寫目的節點IP位址。有益效果本發明通過交換機VPN模式接入各實物節點和拓撲仿真節點，拓撲仿 真節點工作在乙太網混雜模式，通過發送特定的ARP信息將實物節點發送的數據吸收到本 節點，再根據節點間的拓撲關係判斷是否應轉發消息的方法，實現了無線自組織網絡的拓 撲半實物仿真目的。通過應用該方法，能實現多跳無線網絡環境下的多個實物節點的半實 物仿真，並具有以下的有益效果1、實現了多跳無線網絡的拓撲仿真，可完成各類協議的正確性、有效性以及網絡 性能等仿真驗證；2、實現方法簡單易行。僅需要對交換機設備進行簡單的VPN配置，根據需要對拓 撲仿真節點進行簡單配置即可完成複雜的多跳無線網絡拓撲的模擬。3、相比於其它純軟體仿真方式，本方法不需要任何其它修改即可進行仿真測試， 同時採用直接接入實物節點的方法將更接近實際情況。4、相比於實驗床方法，本方法可在較小範圍和較短的時間內，實現多種複雜的網 絡拓撲仿真，仿真測試驗證更加全面和高效。5、本仿真方法對測試的實物節點是完全透明的，即對實物節點不需要做任何的修 改即可進行，可擴展性較好，可以和現有的各種網絡設備互通。綜上所述，本發明具有可擴展性好，健壯性好，可靠性高和易於實現等特點，適合 應用在各種無線自組織網絡中。
下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1 實物節點和拓撲仿真節點連接圖；圖2 拓撲仿真節點仿真過程；圖3 =ARP請求消息處理過程；
圖4 =ARP響應消息處理過程；圖5 IP類消息處理過程；圖6 實物節點通信過程；圖7 仿真中的消息地址變化情況。1)消息中的序列(macl, ipl,mac2, ip2)分別表示消息源MAC、IP,目的MAC、IP地 址；2)mac_a, mac_b, mac_s 表示節點 a、b、s 的實際 MAC 地址；mac_broad 表示 mac 廣 播地址；mac_sa，mac_sb分別表示拓撲仿真節點針對節點a和節點b的仿真索引mac地址；3) ArpReq, ArpRes表示ARP請求和響應消息；Data表示IP數據。
具體實施例方式適用於多跳無線自組織網絡的仿真方法採用乙太網混雜模式，通過構造特別的 ARP報文，將實物節點間數據吸收到仿真節點，根據拓撲結構決定是否轉發數據。其實現方 案主要分為兩部分過程即連接設備配置、連接過程和拓撲仿真過程，下面分別詳述之通過乙太網交換機將實物節點和拓撲仿真節點相連，通過配置VPN相關參數使得 各實物節點間無法直接互通，但它們都可以和拓撲仿真節點互通。拓撲仿真節點工作在乙太網混雜模式，通過構造特殊ARP消息，將實物節點間發 送的數據吸引到本節點，根據設定的拓撲判決是否應該轉發該數據到目的節點。下面是具體的連接設備配置、連接過程和拓撲仿真過程描述1)、連接設備配置、連接過程11)、根據參與仿真的實物節點數N，選擇具備VPN功能的商用交換機(交換機埠 數為N+1)，其中埠 1連接拓撲仿真計算機，埠 2 N+1分別連接實物節點；12)、每個實物節點和拓撲仿真計算機配置為同一網段下不同的IP位址和乙太網
卡地址(其中IP位址的後[_log2w」比特代表節點的索引編號)，並通過乙太網卡連接交換機 相應的埠；13)、配置交換機的VPN參數，使得交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它端 口間無法連通；14)、通過ping命令測試是否滿足交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它端 口間無法連通的條件。如果滿足則連接設備配置、連接過程成功結束，否則重新檢查設備連 接和交換機參數配置。2)、拓撲仿真節點仿真過程如下21)、設置拓撲仿真節點的相關參數，包括實物節點的初始位置信息、節點的移動 模型、信道模型等等；22)、拓撲仿真節點讀入初始化參數文件，同時設置運行在乙太網混雜模式，該模 式下節點能夠接收到交換機上其它埠發送的所有數據；23)、當收到網絡數據時，判斷數據是否為本拓撲仿真節點發送出的數據，如果不 是本機發送的數據，則轉入步驟24)；否則繼續停留在步驟23)；24)、判斷消息類型，如果是ARP請求消息，則進入ARP請求消息處理過程；如果是 ARP響應消息，則進入ARP響應消息處理；如果是普通IP數據，則轉入IP數據處理過程。如
8果是其它類型數據，暫不處理，等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；3)、ARP請求消息處理過程31)、從網絡上收到ARP請求消息時，首先記錄源節點的MAC地址和IP位址對應關 系；32)、本地查找是否存在目的節點MAC地址和IP位址關係表，如果存在則構造一個 ARP響應消息回送，其中消息中的源MAC地址更改為「仿真MAC索引地址」；如果不存在目的 節點的MAC地址和IP位址關係表，則重新構造一個新的ARP請求消息，消息源MAC和IP地 址為仿真節點的真實MAC和IP位址；33)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)
4)、ARP響應消息處理過程如下41)、從網絡上收到ARP響應消息時，記錄源節點的MAC地址和IP位址對應關係；42)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；5)、IP類消息處理過程如下51)、根據源MAC地址獲得源節點索引號indexSrc ；52)、根據目的地址MAC地址判斷數據包是單播數據還是廣播數據。如果是單播數 據，進入步驟53)，否則進入步驟55)；53)、根據目的MAC地址查詢目的節點索引號indexDst ；54)、根據indexSrc、indexDst查詢節點拓撲連接關係表，判斷是否應該轉發該數 據。如果拓撲連接表表明兩節點數據可達，則消息中源MAC地址換為對應的仿真索引MAC 地址，目的MAC地址改為真實節點的MAC地址，轉發此報文；如果拓撲連接表表明兩節點數 據不可達，則丟棄此報文。重新跳轉到步驟23)；55)、記錄源節點MAC地址和IP位址對應關係；56)、根據源節點的鄰居列表，將廣播消息轉換為多個單播消息，其中發送節點MAC 地址轉換為對應的仿真索引MAC地址，目的節點MAC地址改為實際節點的MAC地址，發送報 文。重新跳轉到步驟23)；6)、實物節點通信過程61)、實物節點在IP數據通信之前，首先根據核心路由表查找到達目的節點的下 一跳節點IP位址；62)、如果沒有下一跳節點的MAC地址，則需要先發送ARP請求以獲得下一跳節點 的MAC地址；63)、在獲得下一跳或目的節點的MAC地址後，立即發送相關數據，其中消息的目 的MAC地址填寫ARP響應中的MAC地址，目的IP位址填寫目的節點IP位址。
權利要求
一種採用乙太網混雜模式的無線網絡拓撲仿真方法，其特徵在於通過乙太網交換機的虛擬個人網絡功能，將實物節點和拓撲仿真節點配置成特殊的網絡結構，即實物節點間無法互通，但都可以和拓撲仿真節點連通；拓撲仿真節點工作在乙太網混雜模式，通過構造指定媒體訪問控制地址的地址解析協議消息，將數據吸收到本節點，根據拓撲結構判斷是否應轉發數據；1)、連接設備配置、連接過程11)、根據參與仿真的實物節點數N，選擇具備虛擬個人網絡功能的埠數為N+1的商用交換機，其中埠1連接拓撲仿真計算機，埠2～N+1分別連接實物節點；12)、每個實物節點和拓撲仿真計算機配置為同一網段下不同的網際網路協議地址和乙太網卡地址，其中網際網路協議地址的後比特代表節點的索引編號，並通過乙太網卡連接交換機相應的埠；13)、配置交換機的虛擬個人網絡參數，使得交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它埠間無法連通；14)、測試是否滿足交換機1埠和其它所有埠可連通，但其它埠間無法連通的條件，如果滿足則連接設備配置、連接過程成功結束，否則重新檢查設備連接和交換機參數配置；2)、拓撲仿真節點仿真過程如下21)、設置拓撲仿真節點的相關參數，包括實物節點的初始位置信息、節點的移動模型、信道模型；22)、拓撲仿真節點讀入初始化參數文件，同時設置運行在乙太網混雜模式，該模式下節點能夠接收到交換機上其它埠發送的所有數據；23)、當收到網絡數據時，判斷數據是否為本拓撲仿真節點發送出的數據，如果不是本機發送的數據，則轉入步驟24)；否則繼續停留在步驟23)；24)、判斷消息類型，如果是地址解析協議的請求消息，則進入地址解析協議的請求消息處理過程；如果是地址解析協議的響應消息，則進入地址解析協議的響應消息處理；如果是普通網際網路協議數據，則轉入網際網路協議的數據處理過程，如果是其它類型數據，暫不處理，等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；3)、地址解析協議的請求消息處理過程31)、從網絡上收到地址解析協議的請求消息時，首先記錄源節點的媒體訪問控制地址和網際網路協議地址對應關係；32)、本地查找是否存在目的節點媒體訪問控制地址和網際網路協議地址關係表，如果存在則構造一個地址解析協議的響應消息回送，其中消息中的源媒體訪問控制地址更改為「仿真鏈路層的索引地址」；如果不存在目的節點的媒體訪問控制地址和網際網路協議地址關係表，則重新構造一個新的地址解析協議的請求消息，消息源媒體訪問控制地址和網際網路協議地址為仿真節點的真實媒體訪問控制地址和網際網路協議地址；33)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)4)、地址解析協議的響應消息處理過程如下41)、從網絡上收到地址解析協議的響應消息時，記錄源節點的媒體訪問控制地址和網際網路協議地址對應關係；42)、等待新的消息輸入，重新跳轉到步驟23)；5)、網際網路協議類消息處理過程如下51)、根據源媒體訪問控制地址獲得源節點索引號；52)、根據目的地址媒體訪問控制地址判斷數據包是單播數據還是廣播數據，如果是單播數據，進入步驟53)，否則進入步驟55)；53)、根據目的媒體訪問控制地址查詢目的節點索引號；54)、根據源節點索引號和目的索引號查詢節點拓撲連接關係表，判斷是否應該轉發該數據；如果拓撲連接表表明兩節點數據可達，則消息中源媒體訪問控制地址換為對應的仿真索引媒體訪問控制地址，目的媒體訪問控制地址改為真實節點的媒體訪問控制地址，轉發此報文；如果拓撲連接表表明兩節點數據不可達，則丟棄此報文。重新跳轉到步驟23)；55)、記錄源節點的媒體訪問控制地址和網際網路協議地址對應關係；56)、根據源節點的鄰居列表，將廣播消息轉換為多個單播消息，其中發送節點媒體訪問控制地址轉換為對應的仿真索引媒體訪問控制地址，目的節點媒體訪問控制地址改為實際節點的媒體訪問控制地址，發送報文。重新跳轉到步驟23)；6)、實物節點通信過程61)、實物節點在網際網路協議數據通信之前，首先根據核心路由表查找到達目的節點的下一跳節點網際網路協議地址；62)、如果沒有下一跳節點的媒體訪問控制地址，則需要先發送地址解析協議的請求以獲得下一跳節點的媒體訪問控制地址；63)、在獲得下一跳或目的節點的媒體訪問控制地址後，立即發送相關數據，其中消息的目的媒體訪問控制地址填寫地址解析協議的響應中的媒體訪問控制地址，目的網際網路協議地址填寫目的節點網際網路協議地址。FSA00000156088700011.tif
全文摘要
本發明涉及一種採用乙太網混雜模式實現多跳無線網絡拓撲仿真的方法。本發明屬於通信網絡協議仿真領域。本發明通過配置乙太網交換機的虛擬個人網絡功能，將實物節點和拓撲仿真節點配置成特殊的網絡結構，即實物節點間無法互通，但都可以和拓撲仿真節點連通；拓撲仿真節點工作在乙太網混雜模式，通過構造包括指定媒體訪問控制地址的地址解析協議消息，將數據吸收到本節點，並根據拓撲結構判斷是否應轉發數據，以實現各類拓撲仿真。本方法對實物節點無需任何改動，即可在較小範圍和較短時間內完成多種拓撲結構下協議的正確性、可靠性及性能測試，具有可擴展性好，健壯性好，可靠性高和易於實現等特點，適合應用在各種無線自組織網絡仿真測試中。
文檔編號H04L12/46GK101925102SQ20101019516
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者於衛波, 王海, 米志超, 董超, 趙寧 申請人:中國人民解放軍理工大學