CN111343043A - 一种深空通信网络仿真验证平台构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深空通信网络仿真验证平台构建方法，包括：利用树莓派模拟通信节点，利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，通过一台主控计算机对所有通信节点进行控制；以网桥方式为所有通信节点配置静态IP；所有通信节点进行时间同步，将同步动作集成并设为开机自启动；对每一个通信节点配置静态ARP，将配置操作集成并设为开机自启动；进行深空通信链路状态模拟并将配置操作集成；进行通信节点模拟，在整个仿真验证平台上进行协议栈的实现和数据流的传输。本发明的方法具有操作简单、可实现性强的优点，其构建的平台成本低、占用空间小、易于管理，对不同深空通信网络场景适用性强，对网络场景的变更适应性强，且验证结果接近实际情况。
Description
技术领域
本发明涉及深空通信网络测试领域，具体涉及一种深空通信网络仿真验证平台构建方法。
背景技术
由于航天器造假成本高昂，因此前期的空间通信网络实验多在地面进行。现如今较为常见的网络仿真平台主要有三种。
一是利用OPNET、NS2等网络仿真工具进行虚拟网络的构建，传输虚拟数据，从而进行空间通信网络的仿真实验，这种方式简便且容易实现，但其缺点是仿真的链路环境以及实验过程均为虚拟的参数和过程，结果大多为理论值，可能与实际情况存在偏差。
第二种方式是利用虚拟机，每一个虚拟机可以作为一个通信节点，在同一台电脑上就可实现多个通信节点的真实数据传输，但这种方式对运行虚拟机的电脑性能要求较高，因此通信节点不宜过多，只能对通信节点较少、场景较为简单的网络进行仿真，且虚拟机通信节点之间的通信很有可能会受到本机的一些影响，从而造成实验结果的偏差。
第三种方式是利用多台PC机来构建网络仿真平台，每一台PC机作为一个通信节点传输真实数据，利用网络仿真器来模拟真实链路环境，这种方式得到的实验结果最接近实际情况，但若是通信节点较多，则会使得成本较高，且占地空间大、管理困难。
目前还没有既能克服以上三种方式的缺点、又能综合以上三种方式的优点的深空通信网络仿真验证平台构建方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供了一种易于操作、可实现性强的深空通信网络仿真验证平台构建方法；该方法所构建的深空通信网络仿真验证平台既能够实现节点较少的简单网络场景仿真，也能够实现节点较多的复杂网络场景仿真，满足不同深空通信网络场景的复杂性需求，仿真结果接近实际情况，且成本低、占用空间小、易于管理，对网络场景的变更适应性强。
为实现上述目的，本发明提出了一种深空通信网络仿真验证平台构建方法，所述方法包括：
利用树莓派模拟通信节点，利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，任意两个通信节点之间能够通信，并通过一台主控计算机对所有通信节点进行控制；
以网桥方式为每一个通信节点配置静态IP；
所有通信节点进行时间同步，将同步动作集成并设为开机自启动；
对每一个通信节点配置静态ARP，将配置操作集成并设为开机自启动；
对需要进行仿真验证的深空通信网络场景进行分析，确定每一条通信链路特性，然后进行深空通信链路状态模拟，并将配置操作集成；
进行通信节点模拟，在整个仿真验证平台上进行协议栈的实现和数据流的传输。
作为上述方法的一种改进，所述利用树莓派模拟通信节点，利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，任意两个通信节点之间能够通信，并通过一台主控计算机对所有通信节点进行控制；具体包括：
分析需要仿真验证的通信网络场景，确定整个网络的通信节点个数；
采用一台PC机作为主控计算机；
采用树莓派作为通信节点，一个树莓派作为一个通信节点；
用网线将所有通信节点和主控计算机连接到一台交换机上；利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，使任意两个通信节点之间能够通信；
在主控计算机上利用VNC显示通信节点的图形界面，实现对所有通信节点的控制。
作为上述方法的一种改进，所述所有通信节点进行时间同步，将同步动作集成并设为开机自启动；具体包括：
选取一个通信节点作为ntp服务器，配置ntp服务器；
除了作为ntp服务器端的通信节点，其余通信节点均作为ntp客户端，对ntp客户端进行配置；
调整ntp服务器的时间；
使ntp客户端的时间与ntp服务器同步；
将ntp同步动作集成并设为开机自启动。
作为上述方法的一种改进，所述对每一个通信节点配置静态ARP，将配置操作集成并设为开机自启动；具体包括：
在作为ntp服务器的通信节点上查询其余通信节点的物理地址；
选取一个作为ntp客户端的通信节点，在其上查询作为ntp服务器端的通信节点的物理地址；
为每一个通信节点配置静态ARP，将此操作集成，并设置为开机自启动。
作为上述方法的一种改进，所述对需要进行仿真验证的深空通信网络场景进行分析，确定每一条通信链路特性，然后进行深空通信链路状态模拟，并将配置操作集成；具体包括：
根据链路速率、延时和丢包特性，对每一个通信节点的数据发送的速率、延时和丢包率进行配置；
将以上特性进行数据流分流设置，实现同一发送节点不同接收节点的链路具有不同特性的设置；
将以上链路特性设置写成一个配置文件，将链路特性设置操作集成起来。
作为上述方法的一种改进，所述协议栈为DTN协议栈或TCP/IP协议栈；所述数据流为真实数据。
本发明的优势在于：
1、通过本发明的方法所构建的仿真验证平台易于管理，仅利用一台PC机就可以实现所有通信节点的控制，且对其中功能模块的配置进行了集成，不仅可以实现一次配置持续使用，即使断电重启也无需重新配置，同时易于修改，增强了整个深空通信网络仿真验证平台对网络场景变更的适应性，从而大大降低了对于多节点网络场景进行通信节点控制时的人力和时间的损耗，提升了整个仿真验证实验的效率；
2、通过本发明的方法构建的深空通信网络验证平台对不同深空通信网络场景适用性强，其轻量化、小型化、成本低的特点摆脱了PC机体型大、占地空间大、成本高昂的缺陷，使其不仅能够对节点较少的简单网络场景进行仿真验证，也能对节点较多的复杂网络场景进行仿真验证，其对不同网络场景的强包容性使其能够满足不同深空通信网络场景的复杂性需求，实现仿真验证；
3、通过本发明的方法所构建的仿真验证平台的验证结果较为接近实际情况；相比于只能进行理论仿真的各种仿真软件实验平台，该方法构建的深空通信网络验证平台能够对深空通信链路状况进行真实实现，且能够在网络上进行真实数据的传输，因此得到的仿真验证结果更接近实际情况，更能够满足各个任务对尽量接近实际情况的验证需求；
4、本发明的方法操作简单、易于实现；该方法构建的深空通信网络验证平台可实现性强，现已应用于某预研项目的复杂深空通信网络场景的仿真验证。
附图说明
图1为本发明的深空通信网络仿真验证平台构建方法的流程图；
图2为本发明构建的深空通信网络仿真验证平台结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明提供了一种易于操作、可实现性强的深空通信网络仿真验证平台构建方法；该方法所构建的深空通信网络仿真验证平台能够满足不同深空通信网络场景的复杂性需求，仿真结果接近实际情况，且成本低、占用空间小、易于管理，对网络场景的变更适应性强。
1、将功能模块配置的实施过程集成起来，易于修改，大大提高了二次配置时的效率，增强了整个深空通信网络仿真验证平台对网络场景变更的适应性。
2、将通信节点实物化、轻量化、小型化，使其不仅能够模拟真实深空通信网络场景，而且对网络场景的多样性包容性强，平台易于管理、成本较低。不仅可以利用树莓派实现，也可利用其他能够运行Linux操作系统的微型机实现。
如图1所示，本发明提供了一种深空通信网络仿真验证平台构建方法，该方法所构建的深空通信网络仿真验证平台是基于Linux系统的，所使用的Linux版本为RaspbianGNU/Linux 9，具体实施步骤如下：
步骤1、网络架构构建，深空通信网络仿真验证平台结构如图2所示：
1)分析需要仿真验证的通信网络场景，确定整个网络的通信节点个数，从而确定树莓派的个数；
2)采用一台PC机作为主控计算机；
3)采用树莓派作为通信节点，一个树莓派作为一个通信节点，对每一个树莓派执行以下步骤：
a.在主控计算机上，利用PuTTY的Serial方式连接烧录好系统的树莓派，以命令行形式显示树莓派中的Linux系统，初始化系统，设置用户名和密码(用户名和密码均可自行设置)，并为树莓派配置wifi，使其能够连接外网；
b.在命令行窗口，输入“sudo apt-get update”进行下载源的更新；完成更新后依次输入“sudo apt-get install ntp”、“sudo apt-get install ntpdate”、“sudo apt-getinstall ufw”、“sudo apt-get install bridge-utils”进行构建仿真验证平台所需的ntp、ntpdate、ufw、bridge-utils等模块的安装；
c.在命令行窗口，输入“sudo ifconfig eth0[IP地址]”，进行通信节点的临时IP地址设置，其中“[IP地址]”在实际配置时替换为具体的IP地址，每一个通信节点的IP地址需设在同一网段下。
4)用网线将所有通信节点和主控计算机连接到一台交换机上
利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，使各个通信节点之间均可根据设计者的需求自由通信，且令主控计算机能够控制所有通信节点。
5)在主控计算机上利用VNC显示通信节点的图形界面，具体操作步骤如下：
a.在主控计算机上启动VNC软件“vncviewer.exe”；
b.在标有“Enter a VNC Server address or search”字样的输入框输入每一通信节点对应的IP地址，然后敲击回车；
c.输入每一通信节点对应的用户名和密码，即可启动相应的图形界面，从而实现在主控计算机上对所有通信节点的操作控制。
步骤2、对每一个通信节点配置网桥及静态IP，具体步骤如下：
a.打开命令行窗口；
b.在命令行窗口，输入“sudo gedit/etc/network/interfaces”命令，打开对应的文件；
c.在打开的文件的末尾，输入以下内容：
“auto lo
iface lo inet loopback
auto br0
iface br0 inet static
address[IP地址]
network[网段]
netmask[子网掩码]
broadcast[广播地址]
bridge_ports eth0
bridge_stp off
bridge_fd 0
bridge_maxwait 0”
其中“[IP地址]”表示实际配置时需用实际的IP地址替换，且该IP地址应与步骤1的第3)条的c.中所配置的临时IP地址相同；“[网段]”表示实际配置时需用实际的网段替换；“[子网掩码]”表示实际配置时需用实际的子网掩码替换；[广播地址]表示实际配置时需用实际的广播地址替换；
d.保存并关闭该文件；
e.重启通信节点；
f.重复步骤1的第5)条的b.、c.，重启通信节点的VNC图形界面。
步骤3、网络时间同步
1)选取一个通信节点作为ntp服务器端，配置ntp服务器，具体步骤如下：
a.选取其中一个通信节点作为ntp服务器端；
b.打开该通信节点的命令行窗口；
c.在命令行窗口输入“sudo gedit/etc/ntp.conf”，打开ntp配置文件进行服务器端的配置；
d.将四个“poll……”用“#”屏蔽掉，然后在文件末尾添加如下内容：
“restrict[网段]mask[子网掩码]
server 127.127.1.0
fudge 127.127.1.0stratum 10”
其中“[网段]”、“[子网掩码]”分别与步骤2c.的“[网段]”、“[子网掩码]”相同。第一行是为了能让“[网段]”网段上的机器能和本机进行时间同步；第二行和第三行是为了让本机的硬件时间和本机的ntp服务进行时间同步。
e.保存并关闭文件；
f.在命令行窗口，输入“sudo/etc/init.d/ntp restart”命令，重启ntp服务。
2)除了作为ntp服务器端的通信节点，其他节点均作为ntp客户端，对每一个ntp客户端进行配置，具体如下：
a.打开该通信节点的命令行窗口；
b.在命令行窗口输入“sudo gedit/etc/ntp.conf”，打开ntp配置文件进行客户端的配置；
c.将四个“poll……”用“#”屏蔽掉，然后在文件末尾添加如下内容：
“server[服务器IP地址]”
其中“[服务器IP地址]”即配置为作为服务器端的通信节点的IP地址；
d.保存并关闭文件；
e.在命令行窗口，输入“sudo/etc/init.d/ntp restart”命令，重启ntp服务。
3)调整ntp服务器端的时间
在服务器端的命令行窗口，依次输入“sudo date–s[年]-[月]-[日]”，“sudodate–s[时]:[分]:[秒]”，设置服务器时间；
4)使ntp客户端的时间与ntp服务器端同步，具体如下：
a.在服务器端的任意位置创建ntp-server.sh文件，以下以“[ntp-server路径]”代替该文件所在位置，在服务器端命令行窗口输入“sudo gedit[ntp-server路径]/ntp-server.sh”，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sleep 30s
sudo ufw enable
sudo ufw allow 123”；
然后保存并退出；
b.在服务器端的命令行窗口输入“sudo chmod a+x[ntp-server路径]/ntp-server.sh”，为ntp-server.sh文件添加权限；
c.在服务器端的命令行窗口输入“cd[ntp-server路径]”，进入ntp-server.sh所在文件夹，然后输入“./ntp-server.sh”，执行该文件；
d.在每一个客户端的任意位置创建ntp-client.sh文件，以下以“[ntp-client路径]”代替该文件所在位置，在客户端命令行窗口输入“sudo gedit[ntp-client路径]/ntp-client.sh”，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sleep 40s
sudo/etc/init.d/ntp stop
sudo ntpdate[服务器IP地址]
sleep 10s
sudo/etc/init.d/ntp start”
其中“[服务器IP地址]”与本步骤第2)条d.的“[服务器IP地址]”相同；
e.在客户端的命令行窗口输入“sudo chmod a+x[ntp-client路径]/ntp-client.sh”，为ntp-client.sh文件添加权限；
f.在客户端的命令行窗口输入“cd[ntp-client路径]”，进入ntp-client.sh所在文件夹，然后输入“./ntp-client.sh”，执行该文件；
等待1分钟后，即可实现整个网络的时间同步。
5)将ntp同步动作设为开机自启动，具体如下：
a.对每一个通信节点，在其命令行窗口中输入“sudo gedit/etc/rc.local”，打开rc.local文件；
b.在打开的rc.local文件中的exit 0之前添加一行命令“su pi-c"exec[文件]"”，其中的“[文件]”，在作为服务器端的通信节点上以“[ntp-server路径]/ntp-server.sh”替代，在每一个客户端通信节点上以“[ntp-client路径]/ntp-client.sh”替代；
c.保存文件并退出。
步骤4、对每一个节点配置静态ARP；
1)查询作为ntp客户端的通信节点的物理地址
在作为ntp服务器端的通信节点的命令行窗口上，输入“arp–a”，查询其他所有通信节点的IP地址对应物理地址，并记录下来；
2)查询作为ntp服务器的通信节点的物理地址
选取一个作为ntp客户端的通信节点，在其上的命令行窗口，输入“arp–a”，查询作为ntp服务器端的通信节点的物理地址；
3)为每一个通信节点配置静态ARP，并将此操作设置为开机自启动，具体步骤如下：
a.在任意位置创建arp-static.sh文件，以下以“[arp-static路径]”代替该文件所在位置，在命令行窗口输入“sudo gedit[arp-static路径]/arp-static.sh”，在打开的文件中输入以下命令：
“sudo arp-s[IP地址][物理地址]”
注意要将除本机节点以外的所有节点的ARP均配置为静态的，因此假设有n个通信节点，则arp-static.sh文件中应有(n-1)条“sudo arp-s[IP地址][物理地址]”命令，其中“[IP地址]”为除本地节点以外的其他各个通信节点的IP地址，“[物理地址]”为与同一条命令中的“[IP地址]”对应的通信节点的物理地址；
b.在命令行窗口输入“sudo chmod a+x[arp-static路径]/arp-static.sh”，为arp-static.sh文件添加权限；
c.在命令行窗口输入“cd[arp-static路径]”，进入arp-static.sh所在文件夹，然后输入“./arp-static.sh”，执行该文件，实现静态ARP配置；
d.将静态ARP配置操作设为开机自启动，具体实施步骤与步骤3的第5)条的实施步骤大致相同，只是将其中b.的命令“su pi-c"exec[文件]"”中的“[文件]”替换为“[arp-static路径]/arp-static.sh”。
步骤5、通信链路状态模拟
1)对需要进行仿真验证的深空通信网络场景进行分析，确定每一条通信链路特性，为后续的链路特性设置提供参数；
2)根据链路速率、延时和丢包特性，对每一个通信节点的数据发送的速率、延时和丢包率进行配置，并将以上特性进行数据流分流设置，实现同一发送节点不同接收节点的链路具有不同特性的设置，最终将以上链路特性设置写成一个配置文件，对每一个通信节点均执行以下步骤：
a.在任意位置创建link-config.sh文件，以下以“[link-config路径]”代替该文件所在位置，在命令行窗口输入“sudo gedit[link-config路径]/link-config.sh”，打开link-config.sh文件；
b.在打开的文件中输入以下内容(从第二行内容开始，“#”后的内容作为注释，方便后续说明，不需写入文件)：
“#！/bin/sh
sudo tc qdisc del dev eth0 root#命令1
sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11#命令2
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:[htb分类号]htb rate[数据发送速率]bps ceil[最高允许的数据发送速率]bps#命令3
sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:[htb分类号]handle[netem分类号]:netem delay[链路延时]s loss[丢包率]#命令4
sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 matchip[dst/src][IP地址]match ip[dport/sport][端口号]0xffff classid 1:[htb分类号]#命令5
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11 htb rate[未被分类数据发送速率]bps ceil[未被分类的最高允许的数据发送速率]bps#命令6”
命令1：链路设置删除指令，将上一次设置的链路特性删除才能进行下一个链路特性设置，因此在执行所有的链路特性设置之前先执行该指令；
命令2：建立htb队列，可为由本地节点发出的不同数据流设置不同的数据速率，通常设置的数据速率低于本地节点网卡带宽；
命令3：为发送数据流设置数据发送速率，参数配置到该命令中的“[数据发送速率]”处，“[最高允许的数据发送速率]”配置为与“[数据发送速率]”相同的参数，配置的数据发送速率参数仅由数字组成，单位为bytes/s；此外，命令中的“[htb分类号]”为除“0”和“11”以外的任意正整数；
命令4：为发送数据流设置延时和丢包率，分别配置在“[链路延时]”和“[丢包率]”处，其中延时参数的单位为s，仅由数字组成，丢包率参数以百分数形式呈现；此外，该命令中的“[htb分类号]”与命令3中的“[htb分类号]”相同，“[netem分类号]”为除“[htb分类号]”、“0”和“11”以外的任意正整数；
命令5：为不同发送数据流进行分流设置，将满足过滤规则的数据流分离出来，使其能够完成对应链路的特性配置。本条命令包含两条过滤规则，“[dst/src][IP地址]”是以数据流的发送和接收节点的IP地址为过滤规则：若是以发送节点的IP地址为过滤规则，则“[dst/src]”以“src”替代，“[IP地址]”以本地节点的IP地址替代，若是以接收节点的IP地址为过滤规则，则“[dst/src]”以“dst”替代，“[IP地址]”以对应链路的接收节点的IP地址替代；“[dport/sport][端口号]”是以发送数据流的发送和接收端口为过滤规则：若是以发送端口为过滤规则，则“[dport/sport]”以“sport”替代，“[端口号]”以发送数据流的端口号替代，若是以接收端口为过滤规则，则“[dport/sport]”以“dport”替代，“[端口号]”以对应链路的接收数据流的端口号替代；若某一数据流特征对于上述两种过滤规则均满足，则为该数据流配置htb的“1:[htb分类号]”分组的链路特性，该命令中的“[htb分类号]”与命令3、4中的均相同；
(注意，命令3、4、5成组出现，且组与组的“[htb分类号]”和“[netem分类号]”均不相同。假设在深空通信网络场景中与本地节点直接相连的有m条链路，这m条链路均有各自的发送数据速率、延时和误码特性，则在文件link-config.sh中就会有m组命令3、4、5。)
命令6：对未被分类的数据流设置发送数据速率。在整个深空通信网络验证平台上，不可避免的会存在一些非测试数据流，而对于这些数据流，不希望它们受到已配置的深空通信链路特性的影响，因此为htb队列建立一个默认分组“1:11”来管理这类数据流，以下称这类数据流为“未被分类数据流”。为未被分类数据流设置尽量高的发送数据速率，将其配置在“[未被分类数据发送速率]”处，参数为全数字，单位为byte/s，且该数据速率与所有命令3所设的数据速率之和不应超过网卡带宽；此外，“[未被分类的最高允许的数据发送速率]”处配置为网卡带宽，参数为全数字，单位为byte/s；
c.在命令行窗口输入“sudo chmod a+x[link-config路径]/link-config.sh”，为link-config.sh文件添加权限；
d.在命令行窗口输入“cd[link-config路径]”，进入link-config.sh所在文件夹，然后输入“./link-config.sh”，执行该文件，实现通信链路状态配置；
e.若要更改通信链路状态，只需对link-config.sh文件进行相对应的修改，然后再执行本步骤第2)条d.即可完成新的链路状态的配置。
步骤6、通信节点模拟；
对于通信节点的模拟主要在于协议栈的实现和数据流的传输，本发明构建的深空通信网络仿真验证平台既可以实现TCP/IP协议栈也可以实现DTN协议栈，且能够在网络中传输真实数据，使得仿真验证结果更加接近真实情况。
由于本方法构建的深空通信网络仿真验证平台主要是为了进行深空通信场景的仿真验证，而深空场景下DTN协议栈的使用较为普遍，因此本方法以DTN协议栈为例进行通信节点模拟的说明。
1)利用一种专门用于行星际通信的DTN协议栈实现ION，来进行DTN的协议栈实现，本发明采用的是ion-3.7.0版本进行的协议栈实现，对其余版本的ION也同样适用，具体如下：
a.为每一个通信节点安装ION。获取ion-3.7.0.tar.gz安装包，在ion-3.7.0.tar.gz安装包所在路径下，依次执行以下命令：
“tar–zxvf ion-3.7.0.tar.gz”
“cd ion-3.7.0”
“./configure”
“make”
“sudo make install”
“sudo ldconfig”
b.依据深空通信网络场景，参照ION提供的使用说明，将每一个通信节点配置为DTN节点；
2)利用ION自带的测试功能，传输真实数据，具体如下：
a.在目的节点上，进入打算保存文件的路径，输入命令“bprecvfile ipn:[目的节点号].1”，其中“[目的节点号]”以为目的节点所编的节点号替代；
b.在源节点上，进入待发送文件所在路径，输入命令“bpsendfile ipn:[源节点号].1ipn:[目的节点号].1[发送文件名称]”，其中“[源节点号]”以为源节点所编的节点号替代，“[发送文件名称]”以待发送的真实文件名称替代；
至此，整个深空通信网络仿真验证平台构建完成，可以利用ION输出的结果，对整个深空通信网络场景的数据传输性能进行分析，该内容属于一般性的公知基础操作。
实施案例：
假设待仿真验证的深空通信网络场景如下：
仿真场景为地月场景；网络中包含三个通信节点1、2、3，分别代表月球探测器、中继卫星、地面站；三个通信节点中，节点1、2之间和节点2、3之间存在有效链路，节点1、2之间，下行数据速率为1Mbps，信道速率比为100:1(下行速率/上行速率)，链路的丢包率为12％，节点1、2之间链路延时为5ms，节点2、3之间链路延时为2s；由月球向地球传输数据，即从节点1发送数据，经节点2，到达节点3；平台所用网卡为百兆网卡；采用DTN协议体系，节点1、2之间采用BP/LTP/UDP/Ethernet协议栈，节点2、3之间采用BP/TCPCL/TCP/Ethernet协议栈。
按照本发明的方法，具体构建过程如下：
1、网络架构构建
1)本场景一共三个通信节点，即需要三个树莓派；
2)采用一台PC机作为主控计算机；
3)每个树莓派均作为一个通信节点，对每一个树莓派执行以下步骤：
a.在主控计算机上，利用PuTTY的Serial方式连接烧录好系统的树莓派，以命令行形式显示树莓派中的Linux系统，初始化系统，使用默认用户名“pi”，更改密码为“123456”，并为树莓派配置wifi，使其能够连接外网；
b.在命令行窗口，输入“sudo apt-get update”进行下载源的更新；完成更新后依次输入“sudo apt-get install ntp”、“sudo apt-get install ntpdate”、“sudo apt-getinstall ufw”、“sudo apt-get install bridge-utils”进行构建仿真验证平台所需的ntp、ntpdate、ufw、bridge-utils等模块的安装；
c.为通信节点1、2、3分别设置临时IP地址“192.168.0.11”、“192.168.0.12”、“192.168.0.100”。在节点1命令行窗口输入“sudo ifconfig eth0 192.168.0.11”；在节点2命令行窗口输入“sudo ifconfig eth0 192.168.0.12”；在节点3命令行窗口输入“sudoifconfig eth0 192.168.0.100”。
4)用网线将所有通信节点和主控计算机连接到一台交换机上
5)在主控计算机上利用VNC显示通信节点的图形界面，具体操作步骤如下：
a.在主控计算机上启动VNC软件“vncviewer.exe”；
b.在标有“Enter a VNC Server address or search”字样的输入框依次输入“192.168.0.11”、“192.168.0.12”、“192.168.0.100”并敲击回车；
c.输入每一通信节点对应的用户名“pi”和密码“123456”，启动节点1、2、3的图形界面。
2、对每一个通信节点配置网桥及静态IP，具体步骤如下：
a.打开命令行窗口；
b.在命令行窗口，输入“sudo gedit/etc/network/interfaces”命令，打开对应的文件；
c.对于节点1，在打开的文件的末尾，输入以下内容：
“auto lo
iface lo inet loopback
auto br0
iface br0 inet static
address 192.168.0.11
network 192.168.0.0
netmask 255.255.255.0
broadcast 192.168.0.255
bridge_ports eth0
bridge_stp off
bridge_fd 0
bridge_maxwait 0”
对于节点2，在打开的文件的末尾，输入以下内容：
“auto lo
iface lo inet loopback
auto br0
iface br0 inet static
address 192.168.0.12
network 192.168.0.0
netmask 255.255.255.0
broadcast 192.168.0.255
bridge_ports eth0
bridge_stp off
bridge_fd 0
bridge_maxwait 0”
对于节点3，在打开的文件的末尾，输入以下内容：
“auto lo
iface lo inet loopback
auto br0
iface br0 inet static
address 192.168.0.100
network 192.168.0.0
netmask 255.255.255.0
broadcast 192.168.0.255
bridge_ports eth0
bridge_stp off
bridge_fd 0
bridge_maxwait 0”
d.保存并关闭该文件；
e.重启通信节点；
f.重复步骤1的第5)条的b.、c.，重启通信节点的VNC图形界面。
3、网络时间同步
1)选取一个通信节点作为ntp服务器端，配置ntp服务器，具体步骤如下：
a.选取IP地址为“192.168.0.100”的通信节点3作为ntp服务器端；
b.打开该通信节点的命令行窗口；
c.在命令行窗口输入“sudo gedit/etc/ntp.conf”，打开ntp配置文件进行服务器端的配置；
d.将四个“poll……”用“#”屏蔽掉，然后在文件末尾添加如下内容：
“restrict 192.168.0.0 mask 255.255.255.0
server 127.127.1.0
fudge 127.127.1.0 stratum 10”
e.保存并关闭文件；
f.在命令行窗口，输入“sudo/etc/init.d/ntp restart”命令，重启ntp服务。
2)除了通信节点3，其他节点均作为ntp客户端，对节点1、2均进行配置，具体如下：
a.打开该通信节点的命令行窗口；
b.在命令行窗口输入“sudo gedit/etc/ntp.conf”，打开ntp配置文件进行客户端的配置；
c.将四个“poll……”用“#”屏蔽掉，然后在文件末尾添加如下内容：
“server 192.168.0.100”
d.保存并关闭文件；
e.在命令行窗口，输入“sudo/etc/init.d/ntp restart”命令，重启ntp服务。
3)调整ntp服务器端的时间
设置时间为“2020年1月18日，12:51:28”，则在节点3的命令行窗口依次以下输入命令：
“sudo date–s 2020-1-18”
“sudo date–s 12:51:28”
4)使ntp客户端的时间与ntp服务器端同步，具体如下：
a.在节点3的“/home/pi/self-starting”路径下创建ntp-server.sh文件，在服务器端命令行窗口输入
“sudo gedit/home/pi/self-starting/ntp-server.sh”，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sleep 30s
sudo ufw enable
sudo ufw allow 123”；
然后保存并退出；
b.在节点3的命令行窗口输入
“sudo chmod a+x/home/pi/self-starting/ntp-server.sh”，为ntp-server.sh文件添加权限；
c.在节点3的命令行窗口输入“cd/home/pi/self-starting”，进入ntp-server.sh所在文件夹，然后输入“./ntp-server.sh”，执行该文件；
d.在节点1、2的/home/pi/self-starting路径分别创建ntp-client.sh文件，并分别在两节点的命令行窗口输入“sudo gedit/home/pi/self-starting/ntp-client.sh”，在打开的文件中均输入以下内容：
“#！/bin/sh
sleep 40s
sudo/etc/init.d/ntp stop
sudo ntpdate 192.168.0.100
sleep 10s
sudo/etc/init.d/ntp start”
e.在节点1、2的命令行窗口均输入：
“sudo chmod a+x/home/pi/self-starting/ntp-client.sh”，为ntp-client.sh文件添加权限；
f.在节点1.、2的命令行窗口均输入“cd/home/pi/self-starting”，进入ntp-client.sh所在文件夹，然后输入“./ntp-client.sh”，执行该文件；
等待1分钟后，即可实现整个网络的时间同步。
5)将ntp同步动作设为开机自启动，具体如下：
a.对每一个通信节点，在其命令行窗口中输入“sudo gedit/etc/rc.local”，打开rc.local文件；
b.在打开的rc.local文件中的exit 0之前添加一行命令，节点1、2添加的均为“supi-c"exec/home/pi/self-starting/ntp-client.sh"”，节点3添加的为“su pi-c"exec/home/pi/self-starting/ntp-server.sh"”；
c.保存文件并退出。
4、对每一个节点配置静态ARP
1)查询作为ntp客户端的通信节点的物理地址
在节点3的命令行窗口上，输入“arp–a”，查询其他所有通信节点的IP地址对应物理地址，对应关系如下：
“192.168.0.11 b8:27:eb:d6:46:9b
192.168.0.12 b8:27:eb:3b:33:9b”
2)查询作为ntp服务器的通信节点的物理地址
在节点1的命令行窗口输入“arp–a”，查询作为ntp服务器端的通信节点的物理地址，对应关系如下：
“192.168.0.100 b8:27:eb:4a:98:89”
3)为每一个通信节点配置静态ARP，并将此操作设置为开机自启动，具体步骤如下：
a.在/home/pi/self-starting路径创建arp-static.sh文件，在命令行窗口输入“sudo gedit/home/pi/self-starting/arp-static.sh”；
对于节点3，在打开的文件中输入以下命令：
“sudo arp-s 192.168.0.11 b8:27:eb:d6:46:9b
sudo arp-s 192.168.0.12 b8:27:eb:3b:33:9b”
对于节点2，在打开的文件中输入以下命令：
“sudo arp-s 192.168.0.11 b8:27:eb:d6:46:9b
sudo arp-s 192.168.0.100 b8:27:eb:4a:98:89”
对于节点1，在打开的文件中输入以下命令：
“sudo arp-s 192.168.0.12 b8:27:eb:3b:33:9b
sudo arp-s 192.168.0.100 b8:27:eb:4a:98:89”
b.在命令行窗口输入
“sudo chmod a+x/home/pi/self-starting/arp-static.sh”，为arp-static.sh文件添加权限；
c.在命令行窗口输入“cd/home/pi/self-starting”，进入arp-static.sh所在文件夹，然后输入“./arp-static.sh”，执行该文件，实现静态ARP配置；
d.将静态ARP配置操作设为开机自启动，在其命令行窗口中输入“sudo gedit/etc/rc.local”，打开rc.local文件；在打开的rc.local文件中的exit 0之前添加命令，“supi-c"exec/home/pi/self-starting/arp-static.sh"”，节点3添加的为“su pi-c"exec/home/pi/self-starting/ntp-server.sh"”；保存文件并退出。
5、通信链路状态模拟
1)分析链路状态可知，节点1、2之间和节点2、3之间存在有效链路，由月球向地球传输数据，即从节点1发送数据，经节点2，到达节点3，场景中下行数据速率为1Mbps，信道速率比为100:1(下行速率/上行速率)，链路的丢包率为12％，节点1、2之间链路延时为5ms，节点2、3之间链路延时为2s，平台所用网卡为百兆网卡；
2)根据链路速率、延时和丢包特性，对每一个通信节点的数据发送的速率、延时和丢包率进行配置，并将以上特性进行数据流分流设置，实现同一发送节点不同接收节点的链路具有不同特性的设置，最终将以上链路特性设置写成一个配置文件，对每一个通信节点均执行以下步骤：
a.在/home/pi/self-starting路径创建link-config.sh文件，在命令行窗口输入“sudo gedit/home/pi/self-starting/link-config.sh”，打开link-config.sh文件；
b.对于节点1，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sudo tc qdisc del dev eth0 root
sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1 htb rate 1250bps ceil1250bps
sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10:netem delay 2s loss12％
sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 matchip dst 192.168.0.12match ip dport 1113 0xffff classid 1:1
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11 htb rate 1250000bpsceil 12500000bps”
对于节点2，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sudo tc qdisc del dev eth0 root
sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1 htb rate 125000bpsceil 125000bps
sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10:netem delay 2s loss12％
sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 matchip dst 192.168.0.11match ip dport 1113 0xffff classid 1:1
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:2 htb rate 1250bps ceil1250bps
sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:2 handle 20:netem delay 0.005sloss 12％
sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 matchip dst 192.168.0.100 match ip dport 4556 0xffff classid 1:2
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11 htb rate 1250000bpsceil 12500000bps”
对于节点3，在打开的文件中输入以下内容：
“#！/bin/sh
sudo tc qdisc del dev eth0 root
sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1 htb rate 125000bpsceil 125000bps
sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1 handle 10:netem delay 0.005sloss 12％
sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0 prio 1 u32 matchip dst 192.168.0.12match ip dport 4556 0xffff classid 1:1
sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11 htb rate 1250000bpsceil 12500000bps”
c.在命令行窗口输入“sudo chmod a+x/home/pi/self-starting/link-config.sh”，为link-config.sh文件添加权限；
d.在命令行窗口输入“cd/home/pi/self-starting”，进入link-config.sh所在文件夹，然后输入“./link-config.sh”，执行该文件，实现通信链路状态配置；
6、通信节点模拟；
1)利用ION的ion-3.7.0版本进行DTN的协议栈实现，具体如下：
a.为每一个通信节点安装ION。获取ion-3.7.0.tar.gz安装包，在ion-3.7.0.tar.gz安装包所在路径下，依次执行以下命令：
“tar–zxvf ion-3.7.0.tar.gz”
“cd ion-3.7.0”
“./configure”
“make”
“sudo make install”
“sudo ldconfig”
b.依据深空通信网络场景，参照ION提供的使用说明，将节点1、2、3配置为DTN节点host1、host2、host3，且节点1、2之间的发送、接收端口号均配置为1113，节点2、3之间的发送、接收端口号均配置为4556；
2)利用ION自带的测试功能，传输真实数据，具体如下：
a.在目的节点3上，进入打算保存文件的路径，输入命令“bprecvfile ipn:3.1”；
b.在源节点上，进入待发送文件所在路径，输入命令“bpsendfile ipn:1.1 ipn:3.1test.txt”。
本申请未作详细描述的内容，尤其是树莓派的相关操作及ION配置文件的配置方式，均易在相对应产品的说明中获得。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种深空通信网络仿真验证平台构建方法，所述方法包括：
利用树莓派模拟通信节点，利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，任意两个通信节点之间能够通信，并通过一台主控计算机对所有通信节点进行控制；
以网桥方式为每一个通信节点配置静态IP；
所有通信节点进行时间同步，将同步动作集成并设为开机自启动；
对每一个通信节点配置静态ARP，将配置操作集成并设为开机自启动；
对需要进行仿真验证的深空通信网络场景进行分析，确定每一条通信链路特性，然后进行深空通信链路状态模拟，并将配置操作集成；
进行通信节点模拟，在整个仿真验证平台上进行协议栈的实现和数据流的传输。
2.根据权利要求1所述的深空通信网络仿真验证平台构建方法，其特征在于，所述利用树莓派模拟通信节点，利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，任意两个通信节点之间能够通信，并通过一台主控计算机对所有通信节点进行控制；具体包括：
分析需要仿真验证的通信网络场景，确定整个网络的通信节点个数；
采用一台PC机作为主控计算机；
采用树莓派作为通信节点，一个树莓派作为一个通信节点；
用网线将所有通信节点和主控计算机连接到一台交换机上；利用交换机将所有通信节点连结成一个网络，使任意两个通信节点之间能够通信；
在主控计算机上利用VNC显示通信节点的图形界面，实现对所有通信节点的控制。
3.根据权利要求2所述的深空通信网络仿真验证平台构建方法，其特征在于，所述所有通信节点进行时间同步，将同步动作集成并设为开机自启动；具体包括：
选取一个通信节点作为ntp服务器，配置ntp服务器；
除了作为ntp服务器端的通信节点，其余通信节点均作为ntp客户端，对ntp客户端进行配置；
调整ntp服务器的时间；
使ntp客户端的时间与ntp服务器同步；
将ntp同步动作集成并设为开机自启动。
4.根据权利要求3所述的深空通信网络仿真验证平台构建方法，其特征在于，所述对每一个通信节点配置静态ARP，将配置操作集成并设为开机自启动；具体包括：
在作为ntp服务器的通信节点上查询其余通信节点的物理地址；
选取一个作为ntp客户端的通信节点，在其上查询作为ntp服务器端的通信节点的物理地址；
为每一个通信节点配置静态ARP，将此操作集成，并设置为开机自启动。
5.根据权利要求4所述的深空通信网络仿真验证平台构建方法，其特征在于，所述对需要进行仿真验证的深空通信网络场景进行分析，确定每一条通信链路特性，然后进行深空通信链路状态模拟，并将配置操作集成；具体包括：
根据链路速率、延时和丢包特性，对每一个通信节点的数据发送的速率、延时和丢包率进行配置；
将以上特性进行数据流分流设置，实现同一发送节点不同接收节点的链路具有不同特性的设置；
将以上链路特性设置写成一个配置文件，将链路特性设置操作集成起来。
6.根据权利要求1-5之一所述的深空通信网络仿真验证平台构建方法，其特征在于，所述协议栈为DTN协议栈或TCP/IP协议栈；所述数据流为真实数据。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010081471.5A CN111343043B (zh) | 2020-02-06 | 2020-02-06 | 一种深空通信网络仿真验证平台构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010081471.5A CN111343043B (zh) | 2020-02-06 | 2020-02-06 | 一种深空通信网络仿真验证平台构建方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111343043A true CN111343043A (zh) | 2020-06-26 |
| CN111343043B CN111343043B (zh) | 2022-07-26 |
Family
ID=71186798
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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