CN105337833B - 一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统。包括多个异构信道子网模拟器；每个异构信道模拟器由以太网交换机和拓扑控制节点组成，用于模拟每一类异构信道子网的无线多跳拓扑仿真；每个异构信道模拟器通过虚拟局域网接入各实体设备，并与拓扑控制节点连通；各拓扑控制节点间通过网络相连，用于控制和管理每个子网的拓扑关系及连通关系；主拓扑控制节点还负责产生、维护和管理所有实体设备的位置信息等；各拓扑控制节点工作在以太网混杂模式下，根据拓扑关系决定实体设备之间的数据转发，以完成多跳无线网络中的各种网络拓扑结构的仿真和性能统计。本发明不受人工因素约束，提高了仿真可信度和扩展性。

Description

一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统。

背景技术

随着无线通信网络技术的发展和进步，新的通信模式也在不断地发展。常见的无线通信模式是蜂窝移动通信网络，是一种用户通过无线信道接入基站，以广覆盖的网络组网方式，它的目标是在有限的频率和功率资源前提下实现广域的无线覆盖。与蜂窝网络结构相比，Ad hoc移动网络不需要架设固定中心的基站等设备，节点间通过交互信息，相互合作而形成多跳的移动通信网络，其结构形式更加灵活。Ad Hoc网络中的无线节点既是一般意义上的移动终端，又可以作为无线中继和路由设备对其他用户的数据进行转发，因此具有动态多跳组网，快速建网和网络自恢复的能力，有着广泛的应用前景。

此外，一些新的无线通信技术，例如蓝牙、WLAN、WiFi和HyperLAN的出现，也大大推进了无线通信技术的发展。面对着日益增多的宽带无线多媒体业务的要求，单一的信道系统已难以满足所有业务的需求。如何充分利用各种不同的无线通信系统资源，实现网络优势互补，构建一个广覆盖、高效率、稳定可靠的通信系统是当前无线通信系统发展的重点。

如何评估异构多信道环境下的多跳无线网络组网性能指标是当前。因此，针对不同拓扑环境的网络协议仿真，对无线网络的协议具有极大的意义。计算机仿真和建立实验床是目前研究Ad Hoc网络常见的方法。

常见的网络仿真软件，如Qualnet、NS2、OPNET等，可以建立Ad Hoc网络仿真模型，其是在路由协议和MAC算法的研究方面。

在建立实验床方面，CMU的Maltz等人的实验中，室外测试了五个移动节点、两个静止节点组成Ad hoc网络。天津大学金志刚等的实验中，实验床由网络业务生成器、基站系统、测量系统、基于Linux的软件路由器和移动节点五部分组成。由于是在实验室内的小空间实现移动网络，有两个问题需要解决。一个问题是，由于无线网卡的设计作用范围是几百米，很难实现Ad Hoc网络多跳的路由环境；另一个问题是传输信号的多径干扰使得路由不稳定。其他的实验床还有APE(Ad hoc Protocol Evaluation)实验床。

计算机仿真的优点显而易见，系统由严格的数学模型、图形方式或计算计程序来表示，无需采用实际系统的任何部件，是纯软件系统。但由于人的决策过程是系统中不可缺少的环节，应用数学或计算机程序难以成功地模仿这一环节，故有其局限性。此外，纯软件仿真需要将测试实物上的软件重新在仿真平台上实现，增加了工作量。目前不少人试图采用人工智能等技术来改善这一环节的仿真质量，但迄今尚未成熟。该仿真模式抽象程度最高，仿真费用最省，所花时间最短，做各种变量控制试验亦最简便，但存在仿真结果可信度不高的问题。而实验床仿真测试一般规模较小，很难在有限空间内仿真出各种拓扑结构，存在扩展性不强的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支持异构多信道的无线网络拓扑仿真系统，该系统能够支持带有多种异构无线信道的设备进行网络性能仿真，支持多跳无线环境的模拟，可以克服纯软件仿真和小规模实验床的缺点，不受人工因素约束，提高了仿真可信度和扩展性，使得对Ad Hoc网络的研究更方便和全面；与传统的无线网络拓扑仿真软件相比，本系统直接将异构多信道设备接入仿真系统，同时不需要将实物设备软件程序在仿真软件中重新实现，也更加接近实际情况；与传统的实验床仿真方法比较，本系统可以在较小的空间环境下模拟仿真出多种复杂的网络拓扑环境。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，包括多个异构信道子网模拟器；每个异构信道模拟器由以太网交换机和拓扑控制节点组成，用于模拟每一类异构信道子网的无线多跳拓扑仿真；以太网交换机通过参数配置使实体设备之间不直接通信，但实体设备均可与拓扑控制节点之间通信；各拓扑控制节点间通过网络相连，用于控制和管理每个子网的拓扑关系及连通关系；各拓扑控制节点工作在以太网混杂模式下，根据拓扑关系决定实体设备之间的数据是否转发。

较佳地，以太网交换机通过VLAN配置，使实体设备之间不直接通信，但实体设备均可与拓扑控制节点之间通信。

较佳地，各拓扑控制节点配置有拓扑控制接口和拓扑管理接口；拓扑控制接口用于完成子网内拓扑控制和消息转发；拓扑管理接口用于支持各拓扑控制节点之间的通信

较佳地，各拓扑控制节点通过构造媒体访问控制地址和地址解析协议，将实体设备之间需要传送的数据集中至拓扑控制节点；拓扑控制节点根据实体设备之间的连通性决定是否转发所述数据。

较佳地，拓扑控制节点根据实体设备之间数据误码率决定是否转发所述数据。

较佳地，在各拓扑控制节点中指定有一个主拓扑控制节点，负责产生、维护和管理所有实体设备的位置信息；各子网中相同实体设备的位置信息保持一致；当有实体设备在网络中发生移动或者有新实体设备加入网络时，主拓扑控制节点还将该实体设备的位置变换信息或者位置配置信息通告给其它从拓扑控制节点。

较佳地，各从拓扑控制节点在启动时，向主拓扑控制节点发起子网配置参数请求消息，主拓扑控制节点在收到所述子网配置参数请求消息后，向所述从拓扑控制节点发送子网配置参数通告消息，所述从拓扑控制节点收到子网配置参数通告消息后，回送子网配置确认消息。

较佳地，主拓扑控制节点根据实体设备移动模型，将各实体设备的位置信息通过位置消息广播给网络中的所有拓扑控制节点。

较佳地，主拓扑控制节点采用触发性广播形式或者周期性广播形式，广播各实体设备的位置信息。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明通过采用多个异构信道仿真系统，以支持异构多信道的无线网络拓扑仿真，实现了异构无线多信道自组织网络的拓扑半实物仿真目的。通过本发明，能实现多跳无线网络环境下的具有多个异构信道的实体设备的半实物仿真；并具有以下的有益效果：(1)实现了多跳异构多信道无线网络的拓扑仿真，可完成各类协议的正确性、有效性以及网络性能等仿真验证；(2)实现方法简单易行，仅需要对交换机设备进行简单的VLAN配置，根据需要对拓扑控制节点进行简单配置即可完成复杂的多跳无线网络拓扑的模拟；(3)支持各类多信道无线设备，采用多个拓扑控制节点间的协调通信，保证了仿真过程中节点位置等信息的一致性；可广泛用于无线设备的协议测试、性能评估以及系统模拟；(4)相比于其它纯软件仿真方式，本发明不需要任何其它修改即可进行仿真测试，同时采用直接接入实体设备的方法将更接近实际情况；(5)相比于实验床方法，本发明可在较小范围和较短的时间内，实现多种复杂的网络拓扑仿真，仿真测试验证更加全面和高效；(6)本仿真方法对测试的实体设备是完全透明的，即对实体设备不需要做任何的修改即可进行，可扩展性较好，可以和现有的各种网络设备互通。综上所述，本发明具有可扩展性好，健壮性好，可靠性高和易于实现等特点，适合应用在各种异构多信道无线自组织网络中，可广泛用于无线设备的协议测试、性能评估以及系统模拟。

附图说明

图1为异构多信道无线网络拓扑仿真系统示意图。

图2为本发明中拓扑控制节点间的通信过程示意图。

图3为主拓扑控制节点工作流程示意图。

图4为从拓扑控制节点工作流程示意图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明异构多信道无线网络拓扑仿真系统的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

一、异构多信道无线网络拓扑仿真系统组成

采用异构多信道无线网络拓扑仿真系统如图1所示，包括与多个异构信道子网对应的多台异构信道模拟器。其中每个子网的异构信道模拟器用于模拟每一类异构信道子网的无线多跳拓扑仿真，其由一台以太网交换机和拓扑控制节点组成。每个子网的拓扑由子网的拓扑控制节点进行控制和管理。在每一个异构信道模拟器中，通过虚拟局域网模式接入各实体设备。对于不同的异构信道，其通信距离、误码率等参数不同。各实体设备均可以与各拓扑控制节点连通，但各实体设备之间无法直接互通；拓扑控制节点工作在以太网混杂模式下，通过构造特定的媒体访问控制地址(Medium Access Control，MAC)和地址解析协议(Address Resolution Protocol，ARP)消息将实体设备间的数据吸收集中至拓扑控制节点，并根据实体设备的位置以及信道模型等参数，决定是否应该转发数据，即根据拓扑关系决定数据的转发，以完成多跳无线网络中的各种网络拓扑结构的仿真和性能统计。

每个子网中由于信道参数的差异，如无线覆盖范围不同，因此，对于不同的子网，其网络拓扑结构可能不同，即不同的子网内，各实体设备之间的连接关系可能不同。尽管各子网的拓扑可能不同，但不同子网中相同实体设备的位置等信息一定要保持相同，尤其是当实体设备在网络中移动时，一定要保证各子网中相同实体设备的位置信息完全一致。在各拓扑控制节点种选择其一台拓扑控制节点作为主拓扑控制节点，该主拓扑控制节点除了控制子网节点拓扑之外，还负责产生、维护和管理所有实体设备的位置、配置等公共信息。同时，各异构子网的拓扑控制节点间通过局域网(以太网或无线网络)相连，主拓扑控制节点需要将实体设备配置信息、节点位置变化等情况及时通告给其它从拓扑控制节点，以保证网络中实体设备位置等信息的一致性。各拓扑控制节点必须配置两个网络接口，一个是拓扑控制接口，一个是拓扑管理接口。拓扑控制接口用于完成子网内拓扑控制和消息的转发；拓扑管理接口用于支持各拓扑控制节点之间的通信。

二、拓扑控制节点间的信息交互

拓扑控制节点根据配置文件选择其运行模式，运行模式包括两种：主控制模式和从控制模式。其中，主控制模式除了完成正常拓扑控制功能外，还需要完成仿真节点配置信息的通告、仿真节点位置信息的产生及通告等功能。

主拓扑控制节点和各从拓扑控制节点间的通信协议采用基于UDP(User DatagramProtocol,用户数据报协议)的SOCKET通信方式。主拓扑控制节点承担全网仿真实体设备位置的计算以及配置参数、位置等信息的发布等功能。子网配置参数和实体设备位置消息的通告流程如图2所示。

(1)子网配置参数的通告过程。

各从拓扑控制节点在启动时，会向主拓扑控制节点发起子网配置参数请求消息(SUBNET_PARA_REQ)，用于请求该子网的相关参数信息；主拓扑控制节点在收到从拓扑控制节点的子网配置参数请求消息后，向该从拓扑控制节点发送子网配置通告消息(SUBNET_PARA_RSP)，处理过程如图3中虚线框(1)部分所示；该从拓扑控制节点在收到主拓扑控制节点的子网配置通告消息后，回送子网配置通告确认消息(SUBNET_PARA_ACK)，回送处理过程如图4中虚线框(1)部分所示。

(2)实体设备位置消息的通告过程

主拓扑控制节点根据设置的实体设备移动模型，将各实体设备的位置信息通过节点位置消息(NODES_POS_INFO)，广播给网络中的所有拓扑控制节点，处理过程如图3虚线框(2)部分所示。广播的时机分为两类：

触发性广播：实体设备位置发生变化时，或者在有新的子网加入时，就立即广播位置信息；

周期性广播：根据预先设定好的周期，周期性广播位置信息。

各从拓扑控制节点接收到实体设备位置消息后，将重新计算子网内各实体设备间的信号强度、连通性等参数，处理过程如图4虚线框(2)部分所示。

三、子网内数据通信

每台异构信道模拟器由一台以太网交换机和拓扑控制节点组成。各实体设备和拓扑控制节点都连接到该以太网交换机上，通过以太网的VLAN配置，将各实体设备间配置成无法直接连通、但均可以与拓扑控制节点连通的星型模式。

各拓扑控制节点配置成以太网混杂模式，以监听各实体设备发出的数据，通过构造特殊的ARP消息将所有实体设备发出的数据都吸收到本拓扑控制节点，再根据网络的虚拟拓扑结构，计算分组数据的误码率或连通关系，来判定是否应该转发该分组数据。

四、子网内拓扑控制

子网内的实体设备拓扑连接关系由各子网的拓扑控制节点根据实体设备的位置、信道参数等信息计算完成。其中，连通关系分为以下几类：

(1)基于距离的连通关系：根据设定的距离门限判断实体设备是否连通。距离超过通信门限的为不连通，在通信门限以内的则为连通。实体设备间的距离根据位置信息计算得到。这种连通关系计算简单，但和实际系统的误差较大，通常用于简单的拓扑测试使用。

(2)基于信噪比的连通关系：根据信号传播模型、通信距离、信道频率、信号发生功率等参数，计算信号在接收节点处的接收功率。根据当前通信的信号，计算信号干扰功率。根据噪声、干扰功率以及接收功率，计算信噪比，并根据设定的接收门限计算出信号误码率，根据数据长度和误码率判断接收分组的误码情况。相对于距离连通关系而言，这种连通关系的计算较复杂，但更加接近实际。

所有实体设备间的数据都将首先汇聚到拓扑控制节点，拓扑控制节点根据数据头部的地址信息，获知通信的收、发实体设备的位置信息，根据实体设备的位置信息计算出的连通关系，判断是否应该转发该消息。如果节点是连通的，则转发该消息；否则丢弃消息，具体处理过程如图3和图4中的虚线框(3)部分所示。

实施例

适用于异构多信道无线多跳自组织网络的仿真系统由多个异构信道子网模拟器组成。其中每个异构信道模拟器用于仿真一种无线信道，每个异构信道模拟器由一台以太网交换机和一台拓扑控制节点组成。以太网交换机通过VLAN配置成以拓扑控制节点为中心的星形拓扑结构，拓扑控制节点采用以太网混杂模式，即可以接收到所有实体设备间发送的数据。通过构造特别的ARP报文将实体设备间发送的数据吸收到拓扑控制节点，根据拓扑结构决定是否转发数据。即将所有实体设备的MAC地址更换为本拓扑控制节点的MAC地址，并将实体设备IP+本节点MAC地址信息通过ARP消息通告给其它实体设备。主拓扑控制节点负责网络中所有子网的配置信息、节点位置信息的管理和下发。

每个异构子网内，通过以太网交换机将实体设备某信道和拓扑控制节点相连，通过配置VLAN相关参数使得各实体设备间无法直接互通，但均可以与拓扑控制节点互通。

拓扑控制节点间可通过有线网络或者无线网络连接，用于完成子网配置和实体设备位置信息的通告。

拓扑控制节点工作在以太网混杂模式，通过构造所述ARP消息，将实体设备间发送的数据吸引到本拓扑控制节点，根据设定的拓扑判决是否应该转发该数据到目的实体设备。

(1)、实体设备配置和连接过程如图1所示：

11)、根据信道的种类个数，选择异构信道模拟器的个数。给每个异构信道模拟器配置一台具备VLAN功能的商用交换机和一台计算机终端，计算机终端作为拓扑控制节点。假设具备某种信道的实体设备数为N，则该异构信道模拟器的交换机的端口数应大于或等于(N+1)。

12)、每个异构信道子网模拟的交换机的端口1连接拓扑控制节点，端口2～N+1分别连接实体设备的相应信道；

13)、每个实体设备和拓扑控制节点配置为同一网段下不同的IP地址和以太网卡地址(其中IP地址的后比特代表节点的索引编号)，并通过以太网卡连接交换机相应的端口。为各从网拓扑控制节点的拓扑控制接口配置同网段的IP地址，并连接到交换机1端口；

14)、配置交换机的VLAN参数，使得交换机1端口和其它所有端口可连通，但其它端口间无法连通；

15)、通过ping命令测试是否满足交换机1端口和其它所有端口可连通，但其它端口间无法连通的条件。如果满足则实体设备配置和连接过程成功结束，否则重新检查实体设备连接和交换机参数配置；

16)以此步骤将所有异构信道子网模拟器和实体设备的相应信道连接起来；步骤1)～15)仅配置好一个信道子网模拟器，对于异构多信道模拟器则还需要以此类推，配置好其它子网模拟器；

17)为各从网拓扑控制节点的拓扑管理接口配置另外一个网段的IP地址，所有从网拓扑控制节点的此接口配置为相同网段的IP地址，如果采用以太网连接，则还需配置一台以太网交换机，将各子网拓扑控制节点的拓扑管理接口连接到以太网交换机的相应端口。

(2)、拓扑控制节点间交互过程如图2所示：

21)在多个拓扑控制节点确定一台主拓扑控制节点，其它的拓扑控制节点则为从拓扑控制节点；

22)主拓扑控制节点负责全网实体设备的位置信息、移动模型、节点配置信息的维护和管理，同时，维护和管理各子网信道等参数配置。主拓扑控制节点根据接收到的从拓扑控制节点配置请求消息，将子网信道参数发送给从拓扑控制节点，并周期性或实时触发将实体设备的位置信息广播至其它从拓扑控制节点；

23)从拓扑控制节点接收主拓扑控制节点的位置信息，根据位置信息及信道参数，实时计算实体设备间的误码率和连通性等参数。

(3)子网内拓扑仿真过程如下：

31)、拓扑控制节点设置运行在以太网混杂模式，该模式下拓扑控制节点能够接收到交换机上其它端口发送的所有数据；

32)、当收到网络数据时，拓扑控制节点判断数据是否为本拓扑控制节点发送出的数据，如果不是本拓扑控制节点发送的数据，则转入步骤33)；否则丢弃数据，继续停留在步骤32)；由于拓扑控制节点工作在以太网混杂模式，可以接收到以太网上所有的数据，因此也可能收到自己发出的数据，如果这部分数据再被处理，就会造成反复循环，因此如果是自己发出的数据，就不应该再处理而直接丢弃；

33)、拓扑控制节点根据业务消息头部的地址信息，获得消息收、发通信的实体设备信息，并根据拓扑控制节点计算的实体设备间的连通关系或误码率，判定是否应该转发该消息。如果消息的源和目的实体设备间存在连通关系，或者消息误码率低于误码门限值时，则可以转发该消息至目的节点，此时重构消息的接收MAC地址(即将消息目的MAC地址变为实际目的节点MAC地址)，转发该消息；否则丢弃该消息。重新跳转到步骤32)；

(4)、实体设备通信过程：

41)、实体设备根据不同的信道，将不同的信道连接到不同的异构信道模拟器的以太网交换机端口；

42)在IP数据通信之前，首先根据核心路由表查找到达目的实体设备的下一跳节点IP地址；

43)、如果没有下一跳节点的MAC地址，则需要先发送ARP请求以获得下一跳节点的MAC地址；

44)、在获得下一跳或目的节点的MAC地址后，立即发送相关数据，其中消息的目的MAC地址填写ARP响应中的MAC地址，目的IP地址填写目的节点IP地址。

Claims (8)

1.一种支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，包括多个异构信道子网模拟器；每个异构信道子网模拟器由以太网交换机和拓扑控制节点组成，用于模拟每一类异构信道子网的无线多跳拓扑仿真；以太网交换机通过参数配置使实体设备之间不直接通信，但实体设备均可与拓扑控制节点之间通信；各拓扑控制节点间通过网络相连，用于控制和管理每个子网的拓扑关系及连通关系；各拓扑控制节点工作在以太网混杂模式下，根据拓扑关系决定实体设备之间的数据是否转发；

在各拓扑控制节点中指定有一个主拓扑控制节点，负责产生、维护和管理所有实体设备的位置信息；各子网中相同实体设备的位置信息保持一致；当有实体设备在网络中发生移动或者有新实体设备加入网络时，主拓扑控制节点还将该实体设备的位置变换信息或者位置配置信息通告给其它从拓扑控制节点。

2.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，以太网交换机通过VLAN配置，使实体设备之间不直接通信，但实体设备均可与拓扑控制节点之间通信。

3.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，各拓扑控制节点配置有拓扑控制接口和拓扑管理接口；拓扑控制接口用于完成子网内拓扑控制和消息转发；拓扑管理接口用于支持各拓扑控制节点之间的通信。

4.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，各拓扑控制节点通过构造媒体访问控制地址和地址解析协议，将实体设备之间需要传送的数据集中至拓扑控制节点；拓扑控制节点根据实体设备之间的连通性决定是否转发所述数据。

5.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，拓扑控制节点根据实体设备之间数据误码率决定是否转发所述数据。

6.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，各从拓扑控制节点在启动时，向主拓扑控制节点发起子网配置参数请求消息，主拓扑控制节点在收到所述子网配置参数请求消息后，向所述从拓扑控制节点发送子网配置参数通告消息，所述从拓扑控制节点收到子网配置参数通告消息后，回送子网配置确认消息。

7.如权利要求1所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，主拓扑控制节点根据实体设备移动模型，将各实体设备的位置信息通过位置消息广播给网络中的所有拓扑控制节点。

8.如权利要求7所述支持异构多信道的多跳无线网络拓扑仿真系统，其特征在于，主拓扑控制节点采用触发性广播形式或者周期性广播形式，广播各实体设备的位置信息。