CN111510382A - 一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法和系统 - Google Patents

一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，包括：将与外部主控模块建立UDP连接的外部接口添加至EXata仿真器；在网络层初始化阶段，在接口信息中存储对应的IP地址EXata仿真器将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；EXata仿真器接收节点分簇信息和对应的接口指定指令，根据接口指定指令更改节点接口，节点ip地址相应更改，对子网重新划分。本发明使EXata能够根据节点状态信息进行分簇，并实时显示分簇效果，解决了IP地址动态分配和实时动态分簇等EXata本身无法支持的关键技术。

Description

一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法和系统
技术领域
本发明涉及通信与网络仿真技术领域，具体而言涉及一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法和系统。
背景技术
EXata是基于Qualnet仿真内核的一种半实物仿真平台，其继承了Qualnet简单、高效和协议模块的松耦合特点。EXata 虚拟网络可在实时处理网络事件的同时，提供最精确的协议模型和网络接口。打破了以往无法将真实的协议模型代码和真实的应用程序无缝集成到虚拟环境中的局限。EXata 虚拟网络拥有和真实网络相同的网络行为模式、互动模式，和响应模式。由EXata创建的“虚拟网络”可以与真实物理网络中的所有组件进行通信并交换数据，例如：各种网络应用程序，网络设备，网络用户和网络管理工具。它利用软件虚拟网络数字化地呈现对整个网络协议栈的模拟，支持半实物仿真，具有更高的置信度。EXata作为一款专业的网络仿真软件近年来受到了较多的关注与使用。
移动Ad Hoc网络是由一系列带有无线收发装置的移动终端组成的多跳、无需固定基础设施和中心节点的临时性自治网络系统，具有组网快捷、灵活，且不受有线网络约束的特点，可广泛应用于军事行动、紧急搜索、灾难救助、法律执行以及办公会议等多种场合，具有广阔的应用前景。网络的分簇结构可以解决Ad hoe大规模网络中扩展性和管理方面的问题。利用分簇算法，将网络分成多个簇，从而提升网络的可扩展性，加强网络的管理，提高网络的整体性能。随着通信及电子产业的发展，大规模移动自组网将成为组网趋势，因此，对大规模网络进行分簇是网络管理的有效手段。EXata 可模拟上千个节点的复杂大型网络，可有效对验证分簇算法对网络性能的影响。
专利号为CN110290495A的发明中提出一种车联网频谱协作仿真系统，该车联网频谱协作仿真系统包括交通仿真模块，车联网动态分组模块，网络仿真模块,车联网频谱协作模块以及实时显示模块；能够同时兼顾车联网场景的真实性和根据频谱态势进行动态换频的功能。然而，该发明中，EXata仿真器的分簇信息由离线状态的车联网动态分组模块计算得到，车辆分组是静态的，再由车联网频谱协作模块根据信道实时状态对EXata仿真模块进行实时换频操作，不涉及动态分簇方法。然而，EXata在与其他模块进行联合仿真实验时，仿真模块需要实时接收并响应来自外部主控模块的指令，其中比较重要的就是节点的分簇信息。而目前的EXata仿真器，关于接口的设置是在初始化阶段进行的，EXata本身不支持动态指定接口，但动态分簇中要求节点的IP地址要根据分簇情况进行动态更改，以实现子网的重新划分，因此，目前EXata本身更加无法支持动态分簇。因此，如何实现EXata节点动态分簇是网络仿真亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法和系统，利用UDP通信来接收分簇信息，在接口信息中存储IP地址信息，通过完成指定接口工作来实现IP地址更改，解决了EXata无法实时动态划分子网带来的技术挑战，使得EXata能够根据节点状态信息进行分簇，并实时显示分簇效果，解决了接口动态指定和实时动态分簇等EXata本身无法支持的关键技术。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，所述实时动态分簇方法包括：
S1，将与外部主控模块建立UDP连接的外部接口添加至EXata仿真器，EXata仿真器通过外部接口与外部主控模块之间建立数据交互通道；
S2，在网络层初始化阶段，接口号与IP地址对应起来；
S3，在网络仿真运行过程中，EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；其中，同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在同一个网段，有多少个簇就有多少个子网；
S4，EXata仿真器接收节点分簇信息和对应的接口指定指令，将分簇信息通过指定的节点接口传递至EXata仿真器中的相应节点。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤S4中，所述EXata仿真器接收节点分簇信息，调用GUI_SetNodeIcon()函数，根据分簇指令设置节点图标，将同一个簇中的节点用同一种图标显示。
进一步地，所述实时动态分簇方法还包括：
所述EXata仿真器采用GUI动画实时显示当前节点分簇情况。
进一步地，步骤S3中，所述EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块是指：
在网络仿真运行的过程中，EXata仿真器启动定时器功能，添加MSG_PHY_POSREPORT消息，设置定时器，周期性发送该消息，在事件处理函数中调用发送节点位置信息的函数，通过EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息传送给外部主控模块。
进一步地，所述EXata仿真器与外部主控模块之间的交互信息采用json格式编码与解码。
进一步地，步骤S2中，所述在网络层初始化阶段，将接口号与IP地址对应是指，
在定义的IpInterfaceInfoType结构体变量中，存放接口特定信息，包括IP地址。
进一步地，步骤S4中，所述EXata仿真器根据分簇信息，将网络重新进行子网划分，为每个簇分配一个网段；再由接口指定将簇内的节点连接到同一个子网中，为节点动态分配IP地址，实现动态分簇。
进一步地，步骤S4中，所述EXata仿真器通过调用PHY_StartTransmittingSignal()函数实现动态接口指定。
基于前述方法，本发明还提及一种适于EXata仿真器的实时动态分簇系统，所述实时动态分簇系统包括定时器、初始化模块、外部主控模块和与外部主控模块建立UDP连接的外部接口；
所述外部接口添加至EXata仿真器，EXata仿真器通过外部接口与外部主控模块之间建立数据交互通道；
所述初始化模块用于在网络层初始化阶段，在接口信息中存储对应的IP地址；
所述定时器用于在网络仿真运行过程中，驱使EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；其中，同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在同一个网段，有多少个簇就有多少个子网；
所述EXata仿真器接收节点分簇信息和接口指定指令，将分簇信息通过节点指定接口传递值EXata仿真中的相应节点，在事件处理函数中完成IP地址更换，在接收函数中完成图标更换。
进一步地，所述实时动态分簇系统还包括显示模块；
所述显示模块根据分簇信息，调用GUI_SetNodeIcon()函数，根据分簇指令设置节点图标，将同一个簇中的节点用同一种图标显示，再采用GUI动画实时显示当前节点分簇情况。
本发明的有益效果是：
（1）提供专用接口使EXata仿真软件能够与外部软件实现数据交互，如发送节点状态信息以及接收分簇与换频令等。
（2）利用UDP通信来接收分簇信息，在接口信息中存储IP地址信息，通过完成指定接口工作来实现IP地址更换任务，对子网进行实时划分；解决了接口动态指定和实时动态分簇等EXata本身无法支持的关键技术。
（3）根据实时分簇结果，动态改变节点图标，解决了目前EXata仿真软件只能在初始阶段通过配置文件设置好节点图标，无法直接对节点的图标进行改变的问题。
附图说明
图1是本发明的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法的流程图。
图2是本发明的EXata外部接口工作原理示意图。
图3是本发明接口交互信息。
图4（a）是节点连入子网的仿真场景，图4（b）是隐藏无线连接的仿真场景。
图5是EXata生成的节点文件中记录的节点位置。
图6是外部主控模块接收EXATA发送的所有节点的位置信息。
图7是EXata中节点无移动状态下的分簇结果。
图8是节点19分簇前后的IP地址。
图9是EXata是节点为随机移动模型下的初始分布。
图10是EXata是节点为随机移动模型下，仿真到第6秒的分簇结果。
图11是EXata是节点为随机移动模型下，仿真到第30秒的分簇结果。
图12是EXata是节点为随机移动模型下，仿真到第90秒的分簇结果。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
具体实施例一
结合图1，本发明提及一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，所述实时动态分簇方法包括：
S1，将与外部主控模块建立UDP连接的外部接口添加至EXata仿真器，EXata仿真器通过外部接口与外部主控模块之间建立数据交互通道。
S2，在网络层初始化阶段，接口信息中存储对应的IP地址。
S3，在网络仿真运行过程中，EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；其中，同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在同一个网段，有多少个簇就有多少个子网。
S4，EXata仿真器接收节点分簇信息和接口指定指令，将分簇信息通过节点指定接口传递值EXata仿真中的相应节点，在事件处理函数中完成ip地址更换，在接收函数中完成图标更换。
步骤S1中，通过将外部接口添加到EXata仿真器实现外部接口功能。具体的，在外部接口模块中实现UDP通信服务器程序，与外部主控模块建立UDP连接，接收外部主控模块发送的分簇信息并将其传递给EXata仿真器中的相应节点。同时，接收EXata仿真器接口应用传递的节点位置信息并发送给外部主控模块。图2是本发明的EXata外部接口工作原理示意图。图3是本发明接口交互信息。
外部接口使得EXata能够与外部实体交互，从而实现外部程序对EXata的控制。要实现外部接口功能需三个组成部分：外部实体（External Entity）、外部接口（ExternalInterface）和EXata接口应用（External Interface Application）。外部实体（ExternalEntity）是独立于EXata之外的程序，它可以运行于EXata仿真主机，也可以运行于其他主机。外部实体用于与外部接口（External Entity）交互，将控制信息传递给外部接口并接收外部接口发送的信息。外部接口（External Interface）需添加于EXata仿真器。外部接口连接了外部实体和接口应用，其主要功能有：（1）接收外部实体发送的信息并将其传递给EXata仿真器中的相应节点；（2）接收EXata仿真器接口应用传递的信息并发送给外部实体。EXata接口应用（External Interface Application）需配置于相应节点。接口应用用于处理分析外部接口传递的信息，从而根据控制信息要求修改或传递相应参数。
本发明提出的方法利用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）通信，添加定时器消息以及接口与IP地址对应等策略，使得EXata仿真软件可以在仿真运行过程中实时接收外部主控模块发来的分簇指令以及接口指定指令，从而对IP地址进行更改，并根据分簇指令设置节点图标。
步骤S4中，当EXata接收到外部主控模块发送来分簇信息后，设置GUI动画来显示节点分簇情况，即调用GUI_SetNodeIcon()函数，将同一个簇中的节点用同一种图标显示。在本发明中设定同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在用一个网段，不同的簇属于不同的子网。在网络层初始化阶段，将接口号与子网所述网段的IP地址对应起来，在完成指定接口工作时，也就完成了IP地址更改的任务。
EXata与外部主控模块的交互利用UDP通信实现，为了格式规范，各个模块之间交互的信息采用json格式编码与解码。
具体实施例二
本发明利用UDP通信实现EXata与外部主控模块的交互，为了格式规范，各个模块之间交互的信息采用json格式编码，具体字段和说明如下：
（1）位置信息格式：
{
“position”: //位置消息体，可包含一个或多个节点位置信息
[
{
“nodeId”:1, //节点索引号
“x”:995.16472, //笛卡尔坐标系下节点1的x坐标
“y”:1081.08711 //笛卡尔坐标系下节点1的y坐标
}，
{
“nodeId”:2, //节点索引号
“x”:997.24412, //笛卡尔坐标系下节点1的x坐标
“y”:1080.16371 //笛卡尔坐标系下节点1的y坐标
}，
……
]
}
（2）分簇信息格式：
{
“cluster”：//分簇信息，可包含一个或多个分簇信息
[
{
“id”: 12, //簇的id号，唯一标识一个簇
“node”: [1, 2, 4, 5……], //属于同一个簇中的节点号
“interfaceid”:1 // 该簇使用的接口号
}，
……
]
}
具体步骤如下：
（1）首先创建UDP的客户端和服务器端。UDP套接字的网络地址为127.0.0.1。EXata绑定端口5132，外部主控模块绑定端口8888。
（2）根据图2所示的每种消息格式的发送方、接收方以及发送条件进行数据收发。EXata启动定时器，周期性的将所有节点的位置信息通过EXTERNAL_ForwardData()函数一次性发送给外部主控模块。
（3）外部主控模块接收EXata发送的节点位置消息后，执行分簇算法，将得到的分簇结果发送给EXata。
（4）EXata通过端口接收到外部主控发送的分簇消息后，在网络仿真中进行接口指定和分簇操作。对收到的json数据进行解析，对键值为“cluster”的数据进行处理，通过GUI_SetNodeIcon()函数将同一个簇的节点换成同一个图标。根据分簇信息，可以得到簇成员节点以及该簇使用的接口号。根据接口指定，将同一个簇的节点连入同一个子网中，并动态更改节点的IP地址，从而实现动态分簇。
下面结合附图和实施案例对本发明进行进一步详细地描述。
为了验证在EXata仿真软件内实现了本发明的实时控制节点动态分簇的方法，在EXata仿真软件中构建了两种仿真场景，一种是所有节点为静止状态的场景，一种是节点处于随机运动状态的场景。如图4（a）所示，在1500m*1500m的范围内有20个节点，节点ID分别为1-20。在场景属性下的信道属性中添加4个信道，信道号分别为0-3。创建4个子网，每个子网分配一个信号。将每个节点都添加到四个子网中，每个节点有四个接口。为了方便展示分簇效果，在显示设置中将无线子网的连接隐藏，如图4（b）所示。
图5为EXata生成的节点文件中记录的节点位置。图6为外部主控模块接收EXata发送的所有节点的位置信息。
图7是EXata在仿真网络中根据接收到外部主控模块发送的分簇结果进行动态分簇，EXata没有进行分簇前，图标如图4（b）中所示，完成分簇后，同一个簇中节点图标相同，不同簇之间图标不同。
图8为节点19接收到分簇消息前后的ip地址，当节点19从一个簇的成员变为另一个簇的成员后，与簇中节点通信的ip地址发生更改。
图9至图12是节点在随机移动模型下的分簇情况。其中图9为节点初始分布，图10、图11和图12分别为仿真进行到第6秒、第30秒和第90秒时各节点的分簇仿真图。可以看到，随着节点位置的变动，簇结构也相应变化。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，所述实时动态分簇方法包括：
S1，将与外部主控模块建立UDP连接的外部接口添加至EXata仿真器，EXata仿真器通过外部接口与外部主控模块之间建立数据交互通道；
S2, 在网络层初始化阶段，将接口号与IP地址对应起来；
S3，在网络仿真运行过程中，EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；其中，同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在同一网段，有多少个簇就有多少个子网；
S4，EXata仿真器接收节点分簇信息和对应的接口指定指令，将分簇信息通过指定的节点接口传递至EXata仿真器中的相应节点。
2.根据权利要求1所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，步骤S4中，所述EXata仿真器接收节点分簇信息，调用GUI_SetNodeIcon()函数，根据分簇指令设置节点图标，将同一个簇中的节点用同一种图标显示。
3.根据权利要求1或2所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，所述实时动态分簇方法还包括：
所述EXata仿真器采用GUI动画实时显示当前节点分簇情况。
4.根据权利要求1所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，步骤S3中，所述EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块是指：
在网络仿真运行的过程中，EXata仿真器启动定时器功能，添加MSG_PHY_POSREPORT消息，设置定时器，周期性发送该消息，在事件处理函数中调用发送节点位置信息的函数，通过EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息传送给外部主控模块。
5.根据权利要求1所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，所述EXata仿真器与外部主控模块之间的交互信息采用json格式编码与解码。
6.根据权利要求1所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，步骤S2中，所述在网络层初始化阶段，将接口号与IP地址对应是指，
在定义的IpInterfaceInfoType结构体变量中，存放接口信息，包括IP地址。
7.根据权利要求1或6所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，步骤S4中，所述EXata仿真器根据分簇信息，将网络重新进行子网划分，为每个簇分配一个网段；再由接口指定将簇内的节点连接到同一个子网中，为节点动态分配IP地址，实现动态分簇。
8.根据权利要求7所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇方法，其特征在于，步骤S4中，所述EXata仿真器通过调用PHY_StartTransmittingSignal()函数实现动态接口指定。
9.一种适于EXata仿真器的实时动态分簇系统，其特征在于，所述实时动态分簇系统包括定时器、初始化模块、外部主控模块和与外部主控模块建立UDP连接的外部接口；
所述外部接口添加至EXata仿真器，EXata仿真器通过外部接口与外部主控模块之间建立数据交互通道；
所述初始化模块用于在网络层初始化阶段，在接口信息中存储对应的IP地址对应起来；
所述定时器用于在网络仿真运行过程中，驱使EXata仿真器通过调用EXTERNAL_ForwardData()函数将节点状态信息周期性传送至外部主控模块，使外部主控模块利用分簇算法计算得到与当前节点状态信息对应的节点分簇信息，返回节点分簇信息和对应的接口指定指令至EXata仿真器；其中，同一个簇内的节点属于同一个子网，IP地址在同一个网段，有多少个簇就有多少个子网；
所述EXata仿真器接收节点分簇信息和接口指定指令，将分簇信息通过节点指定接口传递值EXata仿真中的相应节点，在事件处理函数中完成IP地址更换，在接收函数中完成图标更换。
10.根据权利要求9所述的适于EXata仿真器的实时动态分簇系统，其特征在于，所述实时动态分簇系统还包括显示模块；
所述显示模块根据分簇信息，调用GUI_SetNodeIcon()函数，根据分簇指令设置节点图标，将同一个簇中的节点用同一种图标显示，再采用GUI动画实时显示当前节点分簇情况。
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