CN111683387B - 面向软件定义机载自组织网络的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种面向软件定义机载自组织网络的仿真方法，旨在提供一种仿真真实性更高，扩展性更强的仿真方法。本发明通过下述技术方案实现：首先利用Mininet‑WiFi平台提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，软件定义设计机载网络仿真节点，包括普通节点和控制器节点。然后主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输的数据源，利用端口虚拟化技术，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成搭建Mesh数据传输网络；在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，在所有节点间单独创建与无线数据传输网络并行的控制网络，通过无线方式传输控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真实现。

Description

面向软件定义机载自组织网络的仿真方法

技术领域

本发明属于软件定义网络(Software Defined Network，SDN)技术领域，尤其涉及一种面向软件定义机载自组织网络的仿真方法。

背景技术

移动自组织网络是由一组带有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其他节点中继来实现多跳通信。自组织网络与传统移动网络的主要区别是自组织网络不依赖任何固定的网路设施，而是通过移动节点间的相互协作来进行网络互连，即每个节点都兼有路由器和主机两种功能。移动自组织网络与其他通信网络相比，具有以下特征：1)网络的自组性，自组织网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需要现有的信息基础网络设施的支持，就可以形成一个自由移动的通信网络，中间节点帮助其他节点中继时，先接受前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继。在自组网中，每个用户终端不仅能移动，而且兼有路由器和主机两种功能，一方面，作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表信息完成数据的分组转发和路由维护工作。2)网络的动态变化性，网络中移动终端能够以任意速度、任意方式在网络中移动，并可以随时关闭电台，加上无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰以及地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。3)传输带宽有限性，由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多，此外，由于终端竞争共享无线信道而产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值，产生受限的无线传输带宽。4)终端资源局限性，自组织网络中移动终端存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等,同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。

机载自组织网络(Airborne Ad-Hoc Networks，AANETs)也被称为航空自组网或飞行器自组网，机载自组织网络是以有人或无人驾驶飞行器作为空中无线通信发送、接收或转发的节点，通过无线数据链互连组成的可以传输分组报文并能承载IP业务的网络，是一种特殊的移动自组织网络。组网后的飞机和其它空中平台可以实时、可靠、安全地共享各种状态信息,一方面可以提升空中交通的管理能力，为飞行提供更好的安全保护；另一方面可以增强飞行员间信息共享，提高飞行效率。受地形阻碍不能互通的地面网络能够通过机载网络中继实现互通,相比采用卫星通信中继的方式，时延更小。由于空中无线网络环境呈现高误码率、高衰落和干扰严重的特性，节点之间连接性能的差异是比较突出的问题，节点相距太远时会出现通信中断，当飞机盘旋侧飞时机身可能会阻挡无线电波的传播。另外，有的飞机仍然装备旧的数据链终端，还需要在原有数据链和支持IP的链路之间提供路由/网关转换的功能。可见，机载网络是一个节点高速移动、带宽受限和网络拓扑频繁变化的Ad-Hoc网络。

由于机载网络包括不同类型的飞机，采用分层结构便于网络的管理和维护，降低网络的复杂性。在物理层，为了增加瞬时的传输能力，减小衰减、延时和信道干扰造成的损害，天线分集和多天线系统将用于机载骨干网络，更高端的激光通信技术能提供更高的数据传输率。在MAC层，为了实现节点的公平和快速接入，通过时隙的争用、预约、占用等过程来实现，为了扩大协议则在同一时隙上使用多个信道来传输，结合TDMA+FDMA来支持更多的节点在网络中同时发送。在网络层，网络中的节点是运动的，由此带来网络拓扑结构的频繁变化，常规的路由协议需要花费较长时间才能达到算法收敛状态，但此刻可能网络的拓扑结构又已发生变化，从而导致路由协议跟不上拓扑的变化而一直处于不收敛状态，在机载网络中，拓扑结构变化更是频繁，所以要求路由算法具有极高的效率，且能够跟踪和感知节点运动造成的链路状况变化，以进行动态路由维护。在传输层，在高误码率、高衰落和干扰严重的无线链路上现有的TCP协议会把误码造成的报文丢失解释成链路上存在拥塞，因此在机载网络中直接应用TCP协议不能获得较好的吞吐量。由于机载网络的网络拓扑和链路质量在节点高速移动时频繁发生变化，这种动态特性的影响贯穿了整个协议栈，因此TCP协议的设计以及其它层的设计都必须考虑多个协议层之间的优化，另外，现有的网络管理也无法适应机载网络拓扑的频繁变化。机载网络存在着拓扑结构频繁变化、带宽要求高、误码率高、衰落大、干扰严重、信道随机变化等特点，随着环境的日益复杂，必将要求机载数据链网络向高速率、高带宽、抗干扰、自适应、智能化、网络化等方向发展。

软件定义网络SDN是一个新兴的网络架构，通过将网络控制与网络转发解耦合构建开放可编程、用于改变当前网络基础设施局限性的网络体系结构。SDN旨在实现网络互联和网络行为的定义和开放式的接口，从而支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。SDN其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，将网络的控制逻辑与底层数据交换设备的转发业务分离来打破垂直集成，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。SDN快速的发展可能会对网络产业格局造成重大影响，传统通讯设备的企业将会面临巨大挑战。依照层次化架构的理念设计，网络控制由运行NOS的服务器实现，转发设备的功能和性能则主要由通用芯片决定，可以大幅降低研发所带来的费用。总之，SDN将网络的智能从硬件转移到软件，用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样做简化和整合了控制功能，让网络硬件设备变得更可靠，还有助于降低设备购买和运营成本。SDN架构分为一个逻辑集中的控制平面和分布式的数据平面。控制器位于上层应用与物理设备之间，负责将网络中的各种功能进行抽象，建立具体的操作模型，并向上层提供编程接口；上层应用着重根据业务需求通过控制器与物理设备进行交互；网络中的设备可通过控制器向应用平面传递信息。随着控制和数据平面的分离，网络交换机变成简单的仅完成数据转发的设备，控制在逻辑集中的控制器中实现，简化策略执行和网络重配置与演进的过程。需要强调的是，逻辑上集中的编程模型并不意味着物理上需要集中的系统，为了保证足够的可用性、可扩展性和可靠性，需要排除这种物理集中式的解决方案。从效率层面考虑，SDN网络设计常采用物理分布式控制平面。控制平面和数据平面的分离可以通过在交换机和SDN控制器之间明确定义的编程接口来实现，这种分离架构是获得灵活性的关键。分离架构将网络控制问题分解为可处理的部分，并使得在网络中更容易创建和引入新的抽象，简化网络管理，促进网络演进和创新。

凭借SDN的这些优势，近年出现了许多针对无线网络的SDN应用研究，特别是移动自组织网络领域，如车载自组织网络、无线传感器网络、飞行器网络等。但是SDN架构是基于有线网络环境的需求而设计的，现有相对成熟的SDN实现技术和实施方案，对于无线网络的场景并不适用。因此，要将SDN引入移动自组织网络，特别是机载自组织网络中，仅仅借鉴传统SDN架构的模式将会给网络带来很多新的问题。比如由于网络设备不统一出现的异构性问题、节点拓扑高速变化引起的流表老化问题、节点高速移动导致链路不稳定脱离控制平面控制的问题、控制器集中计算任务过于繁重的问题等。以上这些问题皆是近年来SDN在无线自组织网络环境下研究的焦点及热点，如在机载自组织网络环境中，节点成分散式分布，同时具备路由功能和用户功能，在与逻辑集中控制的SDN技术结合时，会出现控制器任务过于繁重的问题。为了解决这一问题，依据控制器分级的思想，可构建一种分散式控制平面逻辑架构。该架构在典型的SDN基本架构基础上，将控制器层次化，分为根控制器和域控制器。根控制器在初始化阶段预先定义转发规则，将集中的数据分配到各个域，其后由数据平面发来的请求由域控制器进行处理。利用控制器分级解决了由于控制器和转发节点距离较远引起的响应时间较长的问题，同时提高了网络的可扩展性，适用于大规模蜂群网络。

新的技术想法需要验证试验得以支撑其结论，网络技术验证主要有理论分析、模拟仿真、现网实验三种方法。理论分析是用数学方法推导计算网络性能与影响因素的变化关系，理论分析结论通用性较好，可反应出性能与影响因素的一般关系，但由于现实网络极其复杂，通常需要忽略很多约束和限制，在比较理想的条件下才能建立相关数学模型，因此理论分析的结论可能失真，难以用于具体的真实网络。模拟仿真是利用软件实现、数学建模和统计分析结合的方法，通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络流量的传输，从而获取网络设计及优化所需要的网络性能数据的技术，从而模拟网络行为。现网试验是指搭建真实的测试网络对网络技术和性能指标进行验证和统计分析的一种方法。与理论分析和模拟仿真相比，没有丢失任何的约束和限制，结论的真实性最好，但同样面临性能分析的结论通用性不强的问题，另外现网试验具有成本高、周期长、扩展性低的缺点。因此，目前学术界和工业界大多采用模拟仿真的方式对新技术进行验证，其中NS2、Opnet、Matlab是使用较广泛的传统网络仿真平台，可以有效模拟各种网络环境，进行网络性能测试，但是对于软件定义网络则需要自行集成SDN网络协议，复杂度较高。因此学术界专门设计了Mininet作为一种SDN仿真平台，Mininet是一个强大的网络仿真平台，通过Mininet可以很方便的模拟真实环境中的网络操作与架构。Mininet基于Linux Container架构，它的所有代码几乎可以无缝迁移到真实的硬件环境，方便为网络添加新的功能并进行相关测试，可以在普通个人电脑的操作系统上模拟出包括交换机、主机和控制器等软件定义网络的节点，从而满足网络研究人员对搭建网络环境的需求。但是Mininet仅针对有线、固定网络环境，不支持无线、移动场景，无法适用于移动自组织网络。因此Mininet-WiFi随即被开发，Mininet-WiFi是在Mininet基础上添加了虚拟化的无线接入点和无线终端，这些虚拟设备是基于最常见的Linux无线设备驱动，允许仿真平台在底层上对无线网络数据包进行细粒度控制，加入了新的抽象和类用来支持无线网卡和链路仿真，同时保留了Mininet平台的轻量级虚拟化特点和OpenFlow/SDN的特征。

现有的Mininet-WiFi仿真平台中，控制器和交换节点间是采用的单跳、有线连接的星型拓扑结构，所有交换节点与控制器节点均单跳可达，这种拓扑结构局限性太大，网络扩展性不高，与机载自组织网络实际场景不符。因此现有的Mininet-WiFi平台并不能直接用于软件定义机载自组织网络的仿真，另外还存在两个方面的问题：

1)缺少网络性能的评估与验证。Mininet-WiFi仿真平台主要用于构建SDN网络，本身并不带有网络评估性能的应用及方法，所以为了评估所设计的SDN算法，需要添加符合机载软件定义网络场景的相应应用及性能评估方法；

2)不支持控制器对节点间传输路径的自定义。Mininet-WiFi支持节点间Mesh组网，但此时的Mesh网络无法满足软件定义机载网络的需求，主要原因是Mesh网络是基于节点Mac地址进行路由，每个节点只需1个MP空口就可与其他节点建立Mesh链路，并对其他多跳可达的节点建立一条虚拟Mesh链路，Mesh网络中所有节点间均是点到点连接(PeerLink)，对控制器而言，收集到的全网拓扑是全连接拓扑信息，与实际拓扑不符，控制器无法通过流表项的方式对节点数据转发进行控制。

发明内容

本发明针对现有仿真系统无法支持软件定义机载通信自组织网络的仿真需求和以上技术存在的问题，在现有Mininet-WiFi仿真平台的基础上，提出一种仿真实性更高，灵活性、扩展性更强，能够实现对软件定义机载自组织网络环境模拟以及性能评估的支持，面向软件定义机载自组织网络的仿真方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，机载仿真节点设计：首先在Mininet-WiFi平台中，利用提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，无线交换设备根据给定的飞行器航迹信息、通信距离和发射功率，软件定义设计仿真节点，包括普通节点和控制器节点。控制器节点与每个普通节点通过OpenFlow协议进行网络控制命令的交互，无线交换设备利用空口通信模拟飞行器节点间的无线通信功能以及数据中继功能，主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输仿真数据源；

步骤2，无线数据传输网络搭建：利用端口虚拟化技术，根据网络总节点个数N，为每个节点虚拟出N-1个分别命名为空口i的Mesh空口，为单节点配置多服务集标识SSID，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成数据传输网络设计；

步骤3，无线控制传输网络搭建：在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，为每个节点增加一个带外传输并统一SSID-CTL标识的Mesh空口，在所有节点间单独创建一个与无线数据传输网络并行的Mesh控制网络，控制器与各节点之间使用不同的网络命名空间，通过无线链路传输OpenFlow控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真；

步骤4，控制器采用主动监测的方式，周期性向普通节点发送状态请求消息Flow_Stats_Request，转发节点在接收到状态请求消息后，向控制器反馈包含节点ID、节点持续时间内收/发字节数、节点持续时间内收/发数据包数以及持续时间等统计信息的状态回复消息Flow_Stats_Reply，控制器根据转发节点反馈的状态回复信息，得到当前节点平均流量统计信息。

本发明相较于传统其他网络仿真方法，具有如下有益效果：

真实性更高。本发明针对Mininet-WiFi仿真平台无法直接适用于机载自组织网络环境的问题，在现有基础上进行了三个方面的改进工作。第一是通过增加网络节点流量监测来提升网络性能评估能力，丰富仿真平台功能；第二是采用为单节点配置多服务集标识SSID的方法来搭建Mesh数据传输网络，利用端口虚拟化技术，通过为每对节点配置单独的服务集标识SSID，克服虚拟Mesh链路问题；第三是采用带外传输的方法，在节点间无线多跳连接的基础上，为每个转发节点增加一个Mesh端口MP0，由专门的SSID-CTL用以标识控制网络，在所有转发节点间单独创建一个与数据传输网络并行的Mesh控制网络，利用Mesh网络传输协议传输OpenFlow网络控制协议，实现节点间控制信令的无线传输。通过新增网络性能评估、节点间无线多跳传输、控制信道无线传输三种功能，从而实现网络内所有节点均可以移动、无线通信的需求，与实际的机载自组织网络场景契合。另外，Mininet-WiFi仿真平台可以基于Linux Container的内核虚拟技术，内部支持OpenFlow、OpenvSwitch等软件定义网络部件，在其基础上进行适应性改进，模拟真实机载自组织网络环境，运行实际的网络协议栈，内部开发所有代码均可以直接无缝移植到支持SDN的物理硬件设备上，网络仿真的真实性得到增强，可以为后续开发节省时间成本。

灵活性、扩展性更强。本发明在现有Mininet-WiFi仿真平台基础上进行了提升网络性能评估能力、支持节点间无线多跳传输以及控制信道无线传输三个方面的工作。本发明在Mininet-WiFi平台基础上增加网络流量监测统计过程，流量监测结果可以为控制平面的拥塞控制、流量工程等应用提供流量信息，让控制器更加灵活、有效的管理网络。本发明通过软件的方式简单、快速的创建一个按照用户需求自定义的机载环境下的网络拓扑，可有效缩短开发测试周期，支持系统级还原测试；另外，本发明可以在一台电脑上模拟上百个网络节点，也可以和外部真实SDN设备物理连接，外部设备充当普通转发点或控制器，完成仿真平台和真实网络的性能测试；还有本发明选择开源的Ryu控制器，对外提供丰富API接口，有利于根据网络管理的需求进行自适应定制和修改。相较于传统网络仿真软件，本发明在灵活性和扩展性方面均得到有效提升。

附图说明

图1是本发明面向软件定义机载自组织网络平台的仿真流程示意图；

图2是Mininet-WiFi平台提供的支持节点类型示意图；

图3是本发明搭建的机载自组织网络仿真节点拓扑示意图；

图4是本发明搭建的无线数据传输网络示意图；

图5是图4无线数据传输网络设计的流程图；

图6是本发明搭建的无线控制网络示意图；

图7是图6无线控制网络设计的流程图；

图8是本发明的节点流量统计过程示意图；

图9是节点1向节点3进行数据传输及流程示意图；

图10是本发明与实际物理设备进行联合仿真时的部署示意图。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和要点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进一步说明，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，包括如下步骤：

步骤S101，机载仿真节点设计：首先在Mininet-WiFi平台中，利用提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，无线交换设备根据给定的飞行器航迹信息、通信距离和发射功率，软件定义设计仿真节点，包括普通节点和控制器节点。控制器节点与每个交换节点通过OpenFlow协议进行网络控制命令的交互，无线交换设备利用空口通信模拟飞行器节点间的无线通信功能以及数据中继功能，主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输仿真数据源；

步骤S102，无线数据传输网络设计：利用端口虚拟化技术，根据网络总节点个数N，每个节点虚拟N-1个分别命名为空口i的Mesh空口，为每个空口配置不同的SSID，在节点间搭建相互独立的无线、多跳的链路，以Mesh网状网方式组网，完成数据传输网络设计；

步骤S103，无线控制传输网络设计：在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，为每个节点增加一个带外传输并由统一专门的SSID-CTL标识的Mesh空口，在所有节点间创建一个与无线数据传输网络并行的Mesh网络，控制器与各节点之间使用不同的网络命名空间，通过无线数据链路传输控制消息；

步骤S104，仿真网络协议栈功能验证：各节点的主机终端作为数据通信的终端，在终端上运行流量生成工具，充当节点间通信仿真数据源，构造真实的ICMP数据流、TCP/UDP数据流和多媒体流，验证仿真网络协议栈功能是否有故障；

步骤S105，节点流量性能统计：控制器采用主动监测的方式，每隔一段时间周期性向普通节点发送状态请求消息Flow_Stats_Request，普通节点在接收到控制器的状态请求消息后，向控制器反馈状态回复消息Flow_Stats_Reply。所述状态回复消息包含节点ID、节点持续时间内收/发字节数、节点持续时间内收/发数据包数以及持续时间等统计信息，控制器根据转发节点反馈的状态回复信息，得到当前节点平均流量统计信息。所述节点平均流量统计计算方法为将节点持续时间内的收发字节数除以持续时间。

参阅图2、图3。本发明利用Mininet-WiFi平台提供的支持WiFi功能的无线交换设备和无线终端、不支持WiFi功能的有线交换设备和主机终端以及控制器类型(包括OVS控制器、POX控制器、NOX控制器、Ryu控制器)等节点类型设计仿真网络。在可选实施例中，搭建软件定义机载自组织网络包括控制器节点1、普通节点2、普通节点3、普通节点4、普通节点5以及普通节点6。其中，控制器节点1由一个控制器部件通过有线链路与一个无线交换设备和一个主机终端组成；普通节点由一个无线交换设备和主机终端组成。普通节点通过Mesh无线链路连接控制器节点中的无线交换设备。控制器节点中的控制器部件管理软件定义网络，生成流表，各节点的无线交换设备根据控制器下发的流表完成数据转发，各节点的主机终端利用自带的流量工具为节点间数据传输提供数据源。本实施例中控制器节点中的无线交换设备与主机终端、控制器与无线交换设备间均由有线链路相连。

参阅图4。在节点间搭建无线数据传输网络，本实施例中设计6个飞行器节点，每个飞行器节点利用端口虚拟化技术，虚拟出5个Mesh空口，Mesh空口对应SSID服务集标识格式设置为SSID-i-j，然后以Mesh网状网方式完成组网。各节点Mesh空口分布如下：节点1包含空口2、空口3、空口4、空口5和空口6；节点2包含空口1、空口3、空口4、空口5和空口6；节点3包含空口1、空口2、空口4、空口5和空口6；节点4包含空口1、空口2、空口3、空口5和空口6；节点5包含空口1、空口2、空口3、空口4和空口6；节点6包含空口1、空口2、空口3、空口4和空口5。组网完成后，节点通过广播Hello包来探测邻居节点的存在，并与之建立Mesh链路，本实施例建立的Mesh链路如下：节点1通过空口4与节点4的空口1建立SSID-1-4的数据通道Mesh链路；节点1通过空口2与节点2空口1建立SSID-1-2的数据通道Mesh链路；节点2通过空口5与节点5空口2建立SSID-2-5数据通道Mesh链路；节点2通过空口3与节点3空口2建立SSID-2-3数据Mesh链路；节点3通过空口6与节点6空口3建立SSID-3-6数据通道Mesh链路；节点4通过空口5和节点5空口4建立SSID-4-5数据Mesh链路；节点5通过空口6与节点6空口5建立SSID-5-6数据Mesh链路。由于每条Mesh链路的SSID标识以及连接的空口各不相同，因此各Mesh链路相互独立，从而克服传统Mesh组网中出现虚拟Mesh链路的问题。各节点间的流量由节点对应空口负责转发，因此控制器可通过流表项的方式对节点间数据转发进行自主定义，解决Mininet-WiFi平台中节点Mesh组网时控制器无法下发流表控制数据转发的问题。由于节点1与节点3、节点5、节点6均不在彼此通信范围内，故无法建立对应Mesh链路，此时节点1的空口3、空口5和空口6闲置，同理节点2的空口4、空口6，节点3的空口4、空口5，节点4的空口2、空口3、空口6，节点5的空口1、空口3，节点6的空口2、空口1均闲置。

参阅图5。本发明根据节点间数据传输的无线、多跳、可自定义路径的需求，在可选的实施例中，无线数据传输网络的搭建具体流程为：首先根据网络内总节点数N，为每个节点虚拟出N-1个Mesh空口，分别命名为空口i，对应SSID设置为SSID-i-j；然后各节点通过互发Hello消息的方式探测邻居节点的存在，判断其余节点是否在自身通信范围内，若两节点在彼此通信范围内，则通过对应的空口和SSID建立一条无线Mesh链路，然后各节点判断所有在通信范围内的节点的无线Mesh链路是否建立完毕，是则完成节点间无线、多跳、可自定义路径的数据传输设计，否则返回，直至所有节点对间的Mesh链路建立完毕，完成节点间无线、多跳、可自定义路径的数据传输设计。若两节点不在彼此通信范围内，则对应的空口闲置，结束程序。

参阅图6。在节点间搭建无线控制传输网络，实现机载软件定义网络控制信道的无线化设计，在可选实施例中利用现有Mininet-WiFi平台基础上增加支持控制信道无线传输功能。所述的控制信道无线传输方法有带内传输和带外传输两种解决思路，本实施例中采用带外传输的方法，在前面Mesh数据传输网络的基础上搭建一个与之平行的Mesh控制网络，本实施例搭建的Mesh控制网络包括控制器通过以太链路连接的节点1、节点2、节点3、节点4、节点5、节点6，本实施例为每个节点增加一个Mesh空口，统一命名为空口0，对应的SSID为SSID-CTL，由于节点1与节点2、节点4在彼此的通信范围内，则节点1与节点2间、节点1与节点4间由各自的空口0建立两条SSID同为SSID-CTL的Mesh链路；同理，节点2与节点3、节点5之间、节点3与节点6之间、节点4与节点5之间、节点5与节点6之间均可以建立SSID为SSID-CTL的Mesh链路，由于每条Mesh链路的SSID标识相同，则所有Mesh链路组成一个Mesh网络。至此实现无线控制网络的搭建，控制器的OpenFlow控制信息可经此无线Mesh网络实现无线、多跳传输，解决Mininet-WiFi平台控制信道无法无线化的问题。

参阅图7。本实施例所述控制信道无线化设计流程具体包括以下步骤：所有节点的无线交换设备新增Mesh空口0，对应SSID设置为SSID-CTL；节点通过广播Hello数据包探测邻居节点的存在，判断两节点是否在彼此通信范围内，若两节点在彼此通信范围内，则通过对应的各自空口0建立一条Mesh链路；由于此时所有节点间的Mesh链路的SSID均为SSID-CTL控制通道，则所有Mesh链路组成一个Mesh网络；控制器与指定节点的无线交换设备通过以太连接方式相连，手动配置所有节点的空口0的IP地址为同一网段，此时控制器利用Mesh网络实现控制消息的无线、多跳传输，完成控制信道无线化设计。

本实施例中利用无线数据传输网络和无线控制传输网络，在节点终端上运行流量生成工具，充当节点间数据传输的数据源，构造真实的ICMP数据流、TCP/UDP数据流和多媒体流，验证搭建的机载无线仿真网络是否有故障。Mininet-WiFi平台中提供的终端上可运行的流量生成工具包括：Ping工具，主要用于构造ICMP数据流，验证协议栈是否有故障，可测量网络节点间是否可以正确传输数据以及传输往返时间；IPerf工具，主要用于构造TCP/UDP数据流，做为背景测试网络的吞吐量等性能指标；cvlc工具，主要用于构造多媒体流，包括视频流和音频流，可用于多媒体传输质量的测量。

参阅图8。本实施例在现有Mininet-WiFi平台基础上完善网络性能评估能力，所述的网络性能评估能力的提升是通过增加网络流量监测统计过程。流量监测结果可以为控制平面的拥塞控制、流量工程等应用提供流量信息，让控制器更加合理、有效的管理网络。所述的网络流量监测具体包括以下步骤：

步骤1，在控制器与普通节点之间设定一个定时器，控制器与各转发节点建立OpenFlow连接后，采用主动监测的方式，每隔一段时间周期性向转发节点发送状态请求消息Flow_Stats_Request；

步骤2，转发节点在接收到控制器的状态请求消息后，向控制器反馈状态回复包含节点ID、节点持续时间内收/发字节数byte_count、节点持续时间内收/发数据包数package_count以及持续时间duration_time等统计信息的状态回复消息Flow_Stats_Reply；

步骤3，控制器根据转发节点反馈的状态回复信息，计算节点平均流量统计信息，将节点持续时间内的收发字节数byte_count除以持续时间duration_time，得到当前节点平均流量统计信息。

参阅图9。在可选实施例中，节点1终端向节点3终端进行数据传输的具体过程。详细流程过程如下：首先节点1终端经以太链路连接到节点1无线交换设备，将封装好的数据包送至节点1的无线交换设备中，节点1的无线交换设备解析数据包包头，查询此时是否有现成流表项可匹配，如果没有可匹配流表项，则将数据包包头封装在Packet_in消息中，上报至控制器。控制器解析数据包中的源、目的地址，根据此时网络拓扑连接情况及全网节点流量统计信息，生成最优路径，将路径信息以流表项的形式经Packet_out消息通过搭建的无线控制传输网络下发至各个节点的无线交换设备中；如果有现成可匹配的流表项，则节点1查询最新的流表，根据流表项内容将数据包经空口2转发至节点2。数据包到达节点2后，同样完成查询流表操作，节点2查询是否有现成匹配流表项，若有可匹配流表项，则根据流表项内容将数据包转发至空口3，送至节点3；否则以Packet_in消息格式上报控制器。数据包到达节点3后，查询流表是否有匹配流表项，若有匹配流表项，则根据流表项内容将数据包经以太网口转发至节点3终端，完成节点1终端向节点3终端进行数据传输；若没有匹配项，则将数据包以Packet_in消息格式上报控制器。

在本实施例中，流表的构成包括：用来判断消息的匹配域、用来告诉交换设备匹配成功后执行动作项的动作项和计数器。本实施例根据搭建的网络拓扑，控制器下发至节点1的流表项内容为流表1(匹配项：输入＝以太口1，输出＝空口2)，下发至节点2的流表项内容为流表2(匹配项：输入＝空口1，输出＝空口3)，下发至节点3的流表项内容为流表3(匹配项：输入＝空口2，输出＝以太口1)。

参阅图10。本发明基于Mininet-WiFi设计的面向软件定义机载自组织网络仿真平台，对Mininet-WiFi虚拟仿真的机载网络与实际物理设备可进行联合仿真。在可选实施例中，虚拟仿真的机载自组织网络中的虚拟机载节点的网口和实际物理设备的物理交换机的网络通过网桥绑定，利用网桥将Mininet-WiFi仿真环境所在的物理主机网络的以太接口和仿真平台内部虚拟交换节点的无线交换设备1进行绑定，借助通向外部网络的物理交换设备实现内部节点和外部网络通信，外部网络中所有需要加入平台仿真的物理设备都可以通过该物理交换机连接Mininet-WiFi虚拟仿真机载网络，Mininet-WiFi虚拟仿真机载网络可搭建机载自组织网络的拓扑模型，外部的实际物理设备也可以作为控制节点，直接下发控制命令控制Mininet-WiFi中任何节点；同时，外部实际物理设备也可以作为普通节点，受仿真平台中控制器节点的管理。本发明基于Linux容器的内核虚拟技术，内部开发的所有代码均可以无缝移植到支持SDN的硬件设备上，完成真实软件定义无线自组织网络的搭建。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，机载仿真节点设计：首先在Mininet-WiFi平台中，利用提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，无线交换设备根据给定的飞行器航迹信息、通信距离和发射功率，软件定义设计仿真节点，包括普通节点和控制器节点，控制器与普通节点间通过OpenFlow协议进行网络控制命令的交互，无线交换设备利用无线空口模拟飞行器节点间的无线通信功能以及数据中继功能，主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输提供数据源的通信仿真数据源；

步骤2，无线数据传输网络搭建：利用端口虚拟化技术，根据网络总节点个数N，为每个节点虚拟出N-1个分别命名为空口i的空口，为单节点配置多服务集标识SSID，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成搭建Mesh数据传输网络；

步骤3，无线控制传输网络搭建：在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，为每个节点增加一个由SSID-CTL标识的Mesh空口，在所有节点间单独创建一个与无线数据传输网络并行的控制网络，控制器与各节点之间使用不同的网络命名空间，通过无线链路传输控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真；无线数据传输网络的搭建具体流程为：首先根据网络内总节点数N，为每个节点虚拟出N-1个Mesh空口，分别命名为空口i，对应SSID设置为SSID-i-j；然后各节点通过互发Hello消息的方式，判断其余节点是否在自身通信范围内，若两节点在彼此通信范围内，则通过对应的空口和SSID建立一条无线Mesh链路，然后各节点判断所有在通信范围内的节点的无线Mesh链路是否建立完毕，是则完成节点间无线、多跳、可自定义路径的数据传输设计，否则返回，直至所有节点对间的Mesh链路建立完毕，完成节点间无线、多跳、可自定义路径的数据传输设计，若两节点不在彼此通信范围内，则对应的空口闲置；无线控制网络的搭建流程包括：在所有节点的无线交换设备新增Mesh空口0，对应SSID设置为SSID-CTL，然后通过互发探测包的方式判断两节点是否在彼此通信范围内，若两节点在彼此通信范围内，则通过对应的空口0建立一条Mesh链路；由于此时所有节点间的Mesh链路的SSID相同，则所有Mesh链路组成一个Mesh网络，控制器与指定节点无线交换设备通过以太网连接方式相连，手动配置所有节点空口0的IP地址为同一网段，此时控制器利用Mesh网络实现控制消息的无线、多跳传输，完成控制信道无线化设计。。

2.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，以节点主机终端作为节点间数据通信的终端，在终端上运行流量生成工具，充当节点间通信仿真数据源，构造真实的ICMP数据流、TCP/UDP数据流和多媒体流，验证协议栈是否有故障。

3.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，Mininet-WiFi平台包括支持WiFi功能的无线终端和无线交换设备节点类型，不支持WiFi功能的连主机终端和有线交换设备节点类型，以及OVS控制器、NOX控制器、POX控制器和Ryu的控制器。

4.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，搭建软件定义机载自组织网络包括控制器节点和普通节点，控制器节点由一个控制器部件通过以太网链路与一个无线交换设备和一个主机终端组成，普通节点由一个无线交换设备和主机终端组成。

5.根据权利要求4所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，控制器节点和普通节点的无线交换设备与主机终端间都是通过以太链路连接，普通节点通过Mesh无线链路连接控制器节点。

6.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，控制器采用主动监测的方式，每隔一段时间周期性向普通节点发送状态请求消息，普通节点在接收到控制器的状态请求消息后，向控制器反馈包含节点ID、节点持续时间内收/发字节数、持续时间内收/发数据包数以及持续时间统计信息的状态回消息，控制器根据普通节点反馈的状态回复信息，得到当前网络内节点平均流量统计信息。

7.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，面向软件定义机载自组织网络仿真平台与实际物理设备进行联合仿真；利用网桥将仿真环境所在的物理主机网络的eth1接口和仿真平台内部虚拟交换节点进行绑定，借助通向外部网络的物理交换设备实现内部节点和外部网络通信。

8.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，外部网络中所有需要加入平台仿真的物理设备都通过该物理交换机连接虚拟仿真机载网络，虚拟仿真机载网络可搭建机载自组织网络的拓扑模型，外部的实际物理设备可以作为控制节点，直接下发控制命令控制仿真网络中任何节点，也可以作为普通节点，受仿真平台中控制器节点的管理。

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