CN104053178A

CN104053178A - Manet网络的硬件仿真方法及网络节点

Info

Publication number: CN104053178A
Application number: CN201410117466.XA
Authority: CN
Inventors: 张彧; 宋志群; 刘玉涛; 涂依晨; 姜龙
Original assignee: Tsinghua University; CETC 54 Research Institute
Current assignee: Tsinghua University; CETC 54 Research Institute
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种MANET网络的硬件仿真方法及网络节点，使用一个FPGA模拟一个节点，在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序；FPGA获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。本发明实施例能够模拟物理环境的验证平台，在该平台上可验证基于定向天线的MANET网络上层协议。

Description

MANET网络的硬件仿真方法及网络节点

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种MANET网络的硬件仿真方法及网络节点。

背景技术

MANET（英文全称为：Mobile Ad-hoc Network，中文译文为：移动自组织网络）网络的各个节点使用分布式算法协调各自的行为，在动态拓扑和定向天线环境下，使用定向天线时，MAC（英文全称为：Media Access Control，中文译文为：媒体接入控制）协议和路由协议都需要进行精细的设计。但如何仿真和验证MAC协议和路由协议的功能成为一个关键问题。多种网络仿真软件可以帮助研发人员在计算机上模拟网络中的节点行为。

为验证MAC协议和路由协议算法的性能，通常进行场地测试，但是，场地测试需要节点具备定向天线，并且在广阔的范围展开多节点实验，并且节点要使用车载或其他方式以具备移动性，耗费巨大的财力人力物力。

发明内容

本发明实施例提供一种MANET网络的硬件仿真方法及网络节点，能够模拟物理环境的验证平台，在该平台上可验证基于定向天线的MANET网络上层协议。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种MANET网络的硬件仿真方法，包括：

使用一个FPGA模拟一个节点，在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序；

FPGA获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；

FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。

可选的，所述FPGA获取网络拓扑信息包括：

FPGA通过网卡连接计算机接收计算机发送的当前网络拓扑信息；

或者，获取预先存储的拓扑信息。

可选的，所述FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出包括：

FPGA的物理层模拟模块确定当前时刻本节点的天线指向，以及天线主瓣宽度，以及每个邻居节点的相对方向；

如果当前天线主瓣覆盖到某个邻居节点，则物理层模拟模块将PDU精确复制并发送到本节点与该邻居相连的连线上。

可选的，还包括：

FPGA接收到来自不同邻居节点的PDU，来自不同节点的PDU进入FPGA后进入物理层模拟模块经过一定处理后，物理层模拟模块判断是否成功接收某个PDU，并将其发至本节点MAC层。

可选的，来自不同节点的PDU进入FPGA后汇集于物理层模拟模块，物理层模拟模块根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调；

若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；

否则将一个错误的PDU发至本节点MAC层，错误的PDU因无法通过CRC校验而被MAC层丢弃。

一种网络节点，包括：

第一模块，用于获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；

第二模块，用于获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。

可选的，所述第一模块具体用于，FPGA通过网卡连接计算机接收计算机发送的当前网络拓扑信息；

或者，所述第一模块具体用于，获取预先存储的拓扑信息。

可选的，所述第二模块具体用于，确定当前时刻本节点的天线指向，以及天线主瓣宽度，以及每个邻居节点的相对方向；如果当前天线主瓣覆盖到某个邻居节点，则将PDU精确复制并发送到本节点与该邻居相连的连线上。

可选的，还包括：

第三模块，用于接收到来自不同邻居节点的PDU，判断是否成功接收某个PDU，并将其发至本节点MAC层。

可选的，第三模块具体用于，根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调；若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；否则将一个错误的PDU发至本节点MAC层，错误的PDU因无法通过CRC校验而被MAC层丢弃。

基于上述技术方案，本发明实施例的MANET网络的硬件仿真方法及网络节点使用一个FPGA模拟一个节点，在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序；FPGA获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。能够模拟物理环境的验证平台，在该平台上可验证基于定向天线的MANET网络上层协议。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种MANET网络的硬件仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的一种协议栈结构示意图；

图3为本发明实施例提1供的一种连接示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种单节点结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的一种验证平台整体结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的一种发送端处理流程示意图；

图7为本发明实施例2提供的一种接收端处理流程示意图；

图8为本发明实施例4提供的一种网络节点的结构示意图；

图9为本发明实施例4提供的另一种网络节点的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种MANET网络的硬件仿真方法，包括：

11、使用一个FPGA（英文全称为：Feild Programable Gate Array，中文译文为：现场可编程门阵列）模拟一个节点，在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序；

12、FPGA获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；

13、FPGA获取下发至本地物理层的PDU（英文全称为：Protocol Data Unit，中文译文为：协议数据单元），PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。

可选的，所述FPGA获取网络拓扑信息包括：

或者，获取预先存储的拓扑信息。

可选的，还包括：

若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；

下面详细介绍本发明实施例的MANET网络的硬件仿真方法。

步骤一：使用一个FPGA模拟一个节点。在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序，无需调制解调过程。协议栈结构如图2，其中上层协议可以运行于FPGA或也可以运行于与FPGA连接的其他设备上。

步骤二：FPGA通过网卡连接计算机，计算机实时将当前网络拓扑信息发送至FPGA，供物理层模拟模块查询。对于静态的网络，拓扑信息可事先存储于FPGA内部，无需上述计算机。

步骤三：将多节点组成的网络两两连接。连接的方式采用FPGA管脚直连的方式，即一块FPGA的输出管脚通过某种连接方式直接连接在另一块FPGA的输入管脚上。通过管脚直连，由上层协议下发至物理层的PDU不经过调制，以数字信号的形式在FPGA间传送。

图3为4节点网络。图3中4块FPGA分别运行节点上层协议的实现程序以及模拟物理层的程序，节点1的FPGA与节点2、3、4的FPGA直接相连，每条连接提供两个节点间的双向链路。

步骤四：由MAC层下发至物理层的PDU不经过编码调制等方式进行基带或者载波传输，它经过物理层模拟模块后可能被复制到该节点一条或多条与其它节点的连线上发出。物理层模拟模块的发送机制如下：

物理层模拟模块已知当前时刻本节点的天线指向，以及天线主瓣宽度，以及每个邻居节点的相对方向。如果当前天线主瓣覆盖到某个邻居节点，则物理层模拟模块将PDU精确复制并发送到本节点与该邻居相连的连线上。

步骤五：接收节点在同一时刻可能接收到来自不同邻居节点的PDU。来自不同节点的PDU进入FPGA后，进入物理层模拟模块，经过一定处理后，物理层模拟模块决定是否成功接收某个PDU，并将其发至本节点MAC层。物理层模拟模块的接收处理机制如下：

来自不同节点的PDU进入FPGA后汇集于物理层模拟模块。物理层模拟模块根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调。若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；否则将一个错误的PDU发至本节点MAC层，错误的PDU因无法通过CRC校验而被MAC层丢弃。

本实施例的方法，使用一个FPGA模拟一个节点，在FPGA上运行对物理层进行模拟的程序；FPGA获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。能够模拟物理环境的验证平台，在该平台上可验证基于定向天线的MANET网络上层协议。

实施例2

本实施例为一个基于定向天线的MANET网络验证平台，用于验证MAC层以上协议的功能和性能。下面给出本实施例的详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

验证平台单节点结构如图4。单节点的核心模块是FPGA、GE-PHY芯片、RJ45接口。FPGA中的程序主要包括三方面：一是待验证的上层模块，本实例中为MAC协议模块；二是以太网接口模块，负责与GE-PHY芯片的接口设计，同时接收和分析来自计算机的网络拓扑信息，并将该信息传递给物理层模拟模块；三是物理层模拟模块。

MAC层协议与物理层模拟模块之间传递业务和控制信息：

1）下行PDU：MAC层调用物理层服务时，需要物理层发送的数据业务；

2）上行PDU：物理层接收的数据业务，由物理层发送至MAC层；

3）MAC层对物理层的控制信息：包括当前天线指向，收发状态指示等。

物理层模拟模块在网络侧有N对输入输出，他们均直接与FPGA管脚相连，进而连接N对RJ45接口。其中N为网络中其他节点的数目总和，网络侧指面向网络中其他节点的一侧。同时物理层模拟模块接收来自以太网接口模块的控制信息，包括：

1）天线主瓣宽度。

2）本节点与网络中其他所有节点的联通状况，即是否联通。

3）网络中其他所有节点相对于本节点的相对方向。

4）本节点与网络中其他所有节点间的链路质量，即丢包率。

验证平台整体结构如图5。图5中为简便起见，描述了拥有4个节点的MANET网络仿真平台结构。每个节点连接三个其他节点，连接的方式如下：

1）节点的3对网络侧输入输出为RJ45接口；

2）节点的3个网络侧输出通过网线连接至其他3个节点的网络侧输入；

3）节点的3个网络侧输入通过网线连接至其他3个节点的网络侧输出；

发送端处理流程如图6，一个节点的物理层模拟模块接到来自MAC协议的下行PDU后，需要判断该PDU是否能够抵达本节点的邻居节点1、2、3。处理流程包括：

1）将PDU分为3路；

2）每一路由发端选通模块判断是否选通。

下面具体介绍发端选通模块的行为。

发端选通模块接受的控制信号有：

1)当前天线指向，该信息来自MAC层协议；

2)来自以太网接口模块的控制信息：主瓣宽度、选通模块物理上直接连接的节点id，此节点所在的方向，此节点是否可连通等。

发端选通模块的判断方式：

已知天线主瓣方向为θ，天线主瓣宽度为ω。已知物理上直接连接的节点是否连通以及此节点所在的方向为分以下两步：

1）若物理上直接连接的节点是非联通的，则发端选通模块在网络侧的输出为0；

2）否则。若即天线主瓣覆盖对端节点，则网络侧输出为输入的精确复制；反之，发端选通模块在网络侧的输出为0。

接收端的处理流程如图7。处理流程包括：

1）来自3个节点的信号分别进入延时模拟模块。延时模拟模块的主要作用是模拟节点间因为距离拉开而造成的传播延时。

2）各路信号经延时后进入相应的收端选通模块，收端选通模块决定其输出为输入的精确复制或者输出为0。

3）三个收端选通模块的输出信号经过或运算后上发至MAC层。

可见当且仅当三个收端选通模块中有且只有一个输出了正确的数据时，MAC层才能够正确接收PDU，否则内部数据被破坏的PDU不会通过MAC层的CRC校验。

下面具体介绍收端选通模块的行为。

收端选通模块接受的控制信号有：

a）当前天线指向，该信息来自MAC层协议；

b）来自以太网接口模块的控制信息：主瓣宽度，选通模块物理上直接连接的节点id，此节点所在的方向等，此节点是否连通，此节点对应的链路质量（丢包率）

收端选通模块的判断方式：

已知天线主瓣方向为θ，天线主瓣宽度为ω。已知物理上直接连接的节点是否连通以及此节点所在的方向为已知与物理上直接连接的节点相应的链路质量（丢包率ρ）分以下三步：

1）若物理上直接连接的节点是非联通的，则收端选通模块不选通，输出为0；否则进入下一步；

2）若即天线主瓣无法覆盖对端节点，则不选通，输出为0；否则进入下一步；

3）生成一0到1之间的随机数，查看该随机数与丢包率ρ之间的大小关系，若大于ρ，则输出为输入的精确复制；否则，输出为将输入翻转1bit后的结果。

本实施例使用者无需借助物理层调制解调模块即可完成验证。没有了物理层技术的限制，上层协议不论是运行在计算机上或者FPGA上，均可以使用本发明的验证平台进行验证。本实施例信号在节点之间的传输为数字电平信号，而非射频传输，这样排除了射频传输时实验环境对网络性能带来的不利影响。更有利于使用者通过多次可重复的验证发现上层协议的缺陷。另外，本本实施例可同时支持定向天线组网和全向天线组网。

实施例3

本实施例同样适用于网络中的节点配备全向天线的情况。本实施例是在全向天线情况下的实施例。实施例3与实施例2的技术方案基本相同，现将不同的地方阐述如下。

MAC层协议与物理层模拟模块之间传递业务和控制信息不再包括当前天线指向，物理层模拟模块接收来自以太网接口模块的控制信息不再包括天线主瓣宽度和网络中其他节点的相对方向。

发端处理流程如下

发端选通模块接受的控制信号不再包括当前天线指向，天线主瓣宽度，以及物理上直接连接的节点相对方向。

发端选通模块的判断方式为：已知物理上直接连接的节点是否连通，若物理上直接连接的节点是非连通的，则发端选通模块在网络侧的输出为0；否则，网络侧输出为输入的精确复制。

接收端处理流程如下

收端选通模块接受的控制信号不再包括当前天线指向，天线主瓣宽度，以及物理上直接连接的节点相对方向。

收端选通模块的判断方式为：

已知物理上直接连接的节点是否连通。已知与物理上直接连接的节点相应的链路质量（丢包率ρ）。分以下两步：

2）生成一0到1之间的随机数，查看该随机数与丢包率ρ之间的大小关系，若大于ρ，则输出为输入的精确复制；否则，输出为将输入翻转1bit后的结果。

实施例4

如图8所示，本实施例提供一种网络节点，包括：

第一模块81，用于获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；

第二模块82，用于获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。

可选的，所述第一模块81具体用于，FPGA通过网卡连接计算机接收计算机发送的当前网络拓扑信息；

或者，所述第一模块81具体用于，获取预先存储的拓扑信息。

可选的，所述第二模块82具体用于，确定当前时刻本节点的天线指向，以及天线主瓣宽度，以及每个邻居节点的相对方向；如果当前天线主瓣覆盖到某个邻居节点，则将PDU精确复制并发送到本节点与该邻居相连的连线上。

可选的，如图9所示，还包括：

第三模块83，用于接收到来自不同邻居节点的PDU，判断是否成功接收某个PDU，并将其发至本节点MAC层。

可选的，第三模块83具体用于，根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调；若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；否则将一个错误的PDU发至本节点MAC层，错误的PDU因无法通过CRC校验而被MAC层丢弃。

本实施例的网络节点，获取网络拓扑信息，基于网络拓扑信息将网络中的多节点两两连接；获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出；使得其他节点根据接收的PDU进行硬件仿真。能够模拟物理环境的验证平台，在该平台上可验证基于定向天线的MANET网络上层协议。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种MANET网络的硬件仿真方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA获取网络拓扑信息包括：

或者，获取预先存储的拓扑信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述FPGA获取下发至本地物理层的PDU，PDU经过本地的物理层模拟模块后被复制到本地与其它节点的一条或多条连线上，向其他节点发出包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

来自不同节点的PDU进入FPGA后汇集于物理层模拟模块，物理层模拟模块根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调；

若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；

6.一种网络节点，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的网络节点，其特征在于，所述第一模块具体用于，FPGA通过网卡连接计算机接收计算机发送的当前网络拓扑信息；

或者，所述第一模块具体用于，获取预先存储的拓扑信息。

8.根据权利要求6所述的网络节点，其特征在于，所述第二模块具体用于，确定当前时刻本节点的天线指向，以及天线主瓣宽度，以及每个邻居节点的相对方向；如果当前天线主瓣覆盖到某个邻居节点，则将PDU精确复制并发送到本节点与该邻居相连的连线上。

9.根据权利要求6所述的网络节点，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的网络节点，其特征在于，第三模块具体用于，根据已知控制信息判断是否出现冲突、以及是否能够正确解调；若能够正确解调，则将正确的PDU发至本节点MAC层；否则将一个错误的PDU发至本节点MAC层，错误的PDU因无法通过CRC校验而被MAC层丢弃。