专利名称：一种采用以太网混杂模式的无线网络拓扑仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种采用以太网混杂模式的多跳无线网络拓扑半实物仿真方法。该方 法采用以太网交换机的虚拟个人网络(Virtual Private Network，VPN)模式接入各设备实 体和拓扑仿真节点，各设备实体间无法直接互通，但都可以和拓扑仿真节点互通；拓扑仿真 节点工作在以太网混杂模式，通过发送指定媒体访问控制地址(Medium Access Control, MAC)的地址解析协议(Address Resolution Protocol, ARP)消息以吸引网络数据，并根据 拓扑关系决定是否应该转发数据，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。
背景技术：
随着科技的发展和社会的进步，无线通信网络技术正在经历着日新月异的变化。 当人们还在研究和部署第三代移动通信系统的同时，为了适应将来通信的要求，国际通信 界已经开始着手研究新一代的移动通信系统。新一代移动通信系统是移动通信系统演进过程中的一个阶段和目标，它不仅采用 新的无线传输技术来提高通信系统的性能，而且与现有的各种有线与无线网络相融合；它 不仅包含现有的移动蜂窝网络结构，而且在某些环境下也可以采用Ad hoc方式进行组网， 或者采用两种结构的组合形式，形成蜂窝网络下的两跳或多跳网络结构方式。通常，蜂窝网络是一种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移动网络结构形式更加灵 活，它采用分布式管理技术，由一组自主的无线节点相互合作而形成移动通信网络，其中， 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，因此具有动态搜索，快速建网和网络自恢复的能力，有着广泛的应用前景。鉴 于Ad hoc在无线组网和下一代无线网络的重要地位，IETF(Internet Engineering Task Force)已经成立了 MANET工作组，进行Ad hoc网络的研究。Ad hoc网络的这种自由、动态、自发组网等特性，使得人和设备可以在某些暂无通 信设施的区域进行通信，时至今日，Ad hoc网络技术已经广泛地应用在抢险救灾以及军事 通信领域。新技术例如蓝牙、WiFi和HyperLAN的出现，也大大推进了 Ad hoc网络在军用 以外领域的商业化进程。组网是无线Ad hoc网络中的一个重要因素，目前还尚未没有一个完全最优的方案 能满足Ad hoc网络环境下所有的应用要求，不同的协议在不同的网络拓扑环境下可能存在 较大的差异。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、0PNET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
4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 hocProtocol 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(Al)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 在扩展性问题。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种采用以太网混杂模式的无线网络拓扑仿真方 法，这种既有计算机仿真，又根据研究的角度加入了实物设备的混合仿真方法，可以克服纯 软件仿真和小规模实验床的缺点，使得研究更方便和全面。与传统的无线网络拓扑仿真软 件相比，本方法减少了传统纯软件仿真中需要将实物设备软件虚拟化的工作量，同时也更 加接近实际情况；与传统的实验床仿真方法比较，该方法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。同时，该方法还支持虚拟设备节点和实物设备节点的混合 组网功能，支持多种无线信道的仿真和模拟，可广泛用于无线设备的协议测试、性能仿真以 及系统模拟。技术方案该方法由信道连接设备和拓扑仿真设备组成。信道连接设备是一台支 持VPN功能的商用交换机，各实物节点和拓扑仿真节点都连接到该信道连接设备上，通过 VPN配置成各实物节点间无法直接连通，但它们都可以和仿真节点连通的星型模式。仿真节 点是一台运行本半实物仿真软件的计算机，通过运行在以太网混杂模式来监听各实物设备 节点发出的数据，通过构造特殊的ARP消息将所有实物节点发出的数据都吸收到本节点， 再根据网络的虚拟拓扑结构来选择是否应该转发该数据。在仿真拓扑结构时，可采用随机 拓扑结构、特定拓扑结构以及外接拓扑信息服务器等方式产生拓扑；支持多种信道模型，可 根据节点间的距离、信噪比等参数仿真不同的信道质量。本发明的适用于无线网络的拓扑 仿真方法由连接设备配置、连接过程和拓扑仿真过程构成。在具体过程描述之前，先介绍两 个定义 节点索引号index:分配给每个实物节点的索引编号，通常以互联网协议 (Internet Protocol, IP)地址后[_log2"_|比特作为实物节点的索引号，每个实物节点具有不 同的索引节点号； 实际节点MAC地址实物节点配置以太网卡的物理MAC地址； 仿真MAC索引地址拓扑仿真节点根据实物节点的索引号index产生的“假"MAC 地址，可采用“Ol-Ol-Ol-Ol-Ol-index”形式。仿真MAC索引地址和实物节点一一对应。拓扑仿真节点根据这个特殊的“仿真MAC索引地址”一方面可以判断是否是本拓扑仿真节点 发出的数据(防止自发自收)，同时根据该MAC地址也能获悉实际的下一跳实物节点。下面是具体的连接设备配置、连接过程和拓扑仿真过程描述1)、连接设备配置、连接过程11)、根据参与仿真的实物节点数N，选择具备VPN功能的商用交换机(交换机端口 数为N+1)，其中端口 1连接拓扑仿真计算机，端口 2 N+1分别连接实物节点；12)、每个实物节点和拓扑仿真计算机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[logf」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；13)、配置交换机的VPN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；14)、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。如果满足则连接设备配置、连接过程成功结束，否则重新检查设备连 接和交换机参数配置。2)、拓扑仿真节点仿真过程如下21)、设置拓扑仿真节点的相关参数，包括实物节点的初始位置信息、节点的移动 模型、信道模型等等；22)、拓扑仿真节点读入初始化参数文件，同时设置运行在以太网混杂模式，该模 式下节点能够接收到交换机上其它端口发送的所有数据；23)、当收到网络数据时，判断数据是否为本拓扑仿真节点发送出的数据，如果不 是本机发送的数据，则转入步骤24)；否则继续停留在步骤23)；24)、判断消息类型，如果是ARP请求消息，则进入ARP请求消息处理过程；如果是 ARP响应消息，则进入ARP响应消息处理；如果是普通IP数据，则转入IP数据处理过程。如 果是其它类型数据，暂不处理，等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；3)、ARP请求消息处理过程31)、从网络上收到ARP请求消息时，首先记录源节点的MAC地址和IP地址对应关 系；32)、本地查找是否存在目的节点MAC地址和IP地址关系表，如果存在则构造一个 ARP响应消息回送，其中消息中的源MAC地址更改为“仿真MAC索引地址”；如果不存在目的 节点的MAC地址和IP地址关系表，则重新构造一个新的ARP请求消息，消息源MAC和IP地 址为仿真节点的真实MAC和IP地址；33)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)
4)、ARP响应消息处理过程如下41)、从网络上收到ARP响应消息时，记录源节点的MAC地址和IP地址对应关系；42)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；5)、IP类消息处理过程如下51)、根据源MAC地址获得源节点索引号indexSrc ；52)、根据目的地址MAC地址判断数据包是单播数据还是广播数据。如果是单播数 据，进入步骤53)，否则进入步骤55)；
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53)、根据目的MAC地址查询目的节点索引号indexDst ；54)、根据节点索引号indexSrc、indexDst查询节点拓扑连接关系表，判断是否应 该转发该数据。如果拓扑连接表表明两节点数据可达，则消息中源MAC地址换为对应的仿 真索引MAC地址，目的MAC地址改为真实节点的MAC地址，转发此报文；如果拓扑连接表表 明两节点数据不可达，则丢弃此报文。重新跳转到步骤23)；55)、记录源节点MAC地址和IP地址对应关系；56)、根据源节点的邻居列表，将广播消息转换为多个单播消息，其中发送节点MAC 地址转换为对应的仿真索引MAC地址，目的节点MAC地址改为实际节点的MAC地址，发送报 文。重新跳转到步骤23)；6)、实物节点通信过程61)、实物节点在IP数据通信之前，首先根据核心路由表查找到达目的节点的下 一跳节点IP地址；62)、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；63)、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。有益效果本发明通过交换机VPN模式接入各实物节点和拓扑仿真节点，拓扑仿 真节点工作在以太网混杂模式，通过发送特定的ARP信息将实物节点发送的数据吸收到本 节点，再根据节点间的拓扑关系判断是否应转发消息的方法，实现了无线自组织网络的拓 扑半实物仿真目的。通过应用该方法，能实现多跳无线网络环境下的多个实物节点的半实 物仿真，并具有以下的有益效果1、实现了多跳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VPN配置，根据需要对拓 扑仿真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、相比于其它纯软件仿真方式，本方法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物节点的方法将更接近实际情况。4、相比于实验床方法，本方法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。5、本仿真方法对测试的实物节点是完全透明的，即对实物节点不需要做任何的修 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 应用在各种无线自组织网络中。
下面结合附图对本发明进一步说明。图1 实物节点和拓扑仿真节点连接图；图2 拓扑仿真节点仿真过程；图3 =ARP请求消息处理过程；
图4 =ARP响应消息处理过程；图5 IP类消息处理过程；图6 实物节点通信过程；图7 仿真中的消息地址变化情况。1)消息中的序列(macl, ipl,mac2, ip2)分别表示消息源MAC、IP,目的MAC、IP地 址；2)mac_a, mac_b, mac_s 表示节点 a、b、s 的实际 MAC 地址；mac_broad 表示 mac 广 播地址；mac_sa，mac_sb分别表示拓扑仿真节点针对节点a和节点b的仿真索引mac地址；3) ArpReq, ArpRes表示ARP请求和响应消息；Data表示IP数据。
具体实施例方式适用于多跳无线自组织网络的仿真方法采用以太网混杂模式，通过构造特别的 ARP报文，将实物节点间数据吸收到仿真节点，根据拓扑结构决定是否转发数据。其实现方 案主要分为两部分过程即连接设备配置、连接过程和拓扑仿真过程，下面分别详述之通过以太网交换机将实物节点和拓扑仿真节点相连，通过配置VPN相关参数使得 各实物节点间无法直接互通，但它们都可以和拓扑仿真节点互通。拓扑仿真节点工作在以太网混杂模式，通过构造特殊ARP消息，将实物节点间发 送的数据吸引到本节点，根据设定的拓扑判决是否应该转发该数据到目的节点。下面是具体的连接设备配置、连接过程和拓扑仿真过程描述1)、连接设备配置、连接过程11)、根据参与仿真的实物节点数N，选择具备VPN功能的商用交换机(交换机端口 数为N+1)，其中端口 1连接拓扑仿真计算机，端口 2 N+1分别连接实物节点；12)、每个实物节点和拓扑仿真计算机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[_log2w」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；13)、配置交换机的VPN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；14)、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。如果满足则连接设备配置、连接过程成功结束，否则重新检查设备连 接和交换机参数配置。2)、拓扑仿真节点仿真过程如下21)、设置拓扑仿真节点的相关参数，包括实物节点的初始位置信息、节点的移动 模型、信道模型等等；22)、拓扑仿真节点读入初始化参数文件，同时设置运行在以太网混杂模式，该模 式下节点能够接收到交换机上其它端口发送的所有数据；23)、当收到网络数据时，判断数据是否为本拓扑仿真节点发送出的数据，如果不 是本机发送的数据，则转入步骤24)；否则继续停留在步骤23)；24)、判断消息类型，如果是ARP请求消息，则进入ARP请求消息处理过程；如果是 ARP响应消息，则进入ARP响应消息处理；如果是普通IP数据，则转入IP数据处理过程。如
8果是其它类型数据，暂不处理，等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；3)、ARP请求消息处理过程31)、从网络上收到ARP请求消息时，首先记录源节点的MAC地址和IP地址对应关 系；32)、本地查找是否存在目的节点MAC地址和IP地址关系表，如果存在则构造一个 ARP响应消息回送，其中消息中的源MAC地址更改为“仿真MAC索引地址”；如果不存在目的 节点的MAC地址和IP地址关系表，则重新构造一个新的ARP请求消息，消息源MAC和IP地 址为仿真节点的真实MAC和IP地址；33)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)
4)、ARP响应消息处理过程如下41)、从网络上收到ARP响应消息时，记录源节点的MAC地址和IP地址对应关系；42)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；5)、IP类消息处理过程如下51)、根据源MAC地址获得源节点索引号indexSrc ；52)、根据目的地址MAC地址判断数据包是单播数据还是广播数据。如果是单播数 据，进入步骤53)，否则进入步骤55)；53)、根据目的MAC地址查询目的节点索引号indexDst ；54)、根据indexSrc、indexDst查询节点拓扑连接关系表，判断是否应该转发该数 据。如果拓扑连接表表明两节点数据可达，则消息中源MAC地址换为对应的仿真索引MAC 地址，目的MAC地址改为真实节点的MAC地址，转发此报文；如果拓扑连接表表明两节点数 据不可达，则丢弃此报文。重新跳转到步骤23)；55)、记录源节点MAC地址和IP地址对应关系；56)、根据源节点的邻居列表，将广播消息转换为多个单播消息，其中发送节点MAC 地址转换为对应的仿真索引MAC地址，目的节点MAC地址改为实际节点的MAC地址，发送报 文。重新跳转到步骤23)；6)、实物节点通信过程61)、实物节点在IP数据通信之前，首先根据核心路由表查找到达目的节点的下 一跳节点IP地址；62)、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；63)、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。
权利要求
一种采用以太网混杂模式的无线网络拓扑仿真方法，其特征在于通过以太网交换机的虚拟个人网络功能，将实物节点和拓扑仿真节点配置成特殊的网络结构，即实物节点间无法互通，但都可以和拓扑仿真节点连通；拓扑仿真节点工作在以太网混杂模式，通过构造指定媒体访问控制地址的地址解析协议消息，将数据吸收到本节点，根据拓扑结构判断是否应转发数据；1)、连接设备配置、连接过程11)、根据参与仿真的实物节点数N，选择具备虚拟个人网络功能的端口数为N+1的商用交换机，其中端口1连接拓扑仿真计算机，端口2～N+1分别连接实物节点；12)、每个实物节点和拓扑仿真计算机配置为同一网段下不同的互联网协议地址和以太网卡地址，其中互联网协议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；13)、配置交换机的虚拟个人网络参数，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；14)、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，如果满足则连接设备配置、连接过程成功结束，否则重新检查设备连接和交换机参数配置；2)、拓扑仿真节点仿真过程如下21)、设置拓扑仿真节点的相关参数，包括实物节点的初始位置信息、节点的移动模型、信道模型；22)、拓扑仿真节点读入初始化参数文件，同时设置运行在以太网混杂模式，该模式下节点能够接收到交换机上其它端口发送的所有数据；23)、当收到网络数据时，判断数据是否为本拓扑仿真节点发送出的数据，如果不是本机发送的数据，则转入步骤24)；否则继续停留在步骤23)；24)、判断消息类型，如果是地址解析协议的请求消息，则进入地址解析协议的请求消息处理过程；如果是地址解析协议的响应消息，则进入地址解析协议的响应消息处理；如果是普通互联网协议数据，则转入互联网协议的数据处理过程，如果是其它类型数据，暂不处理，等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；3)、地址解析协议的请求消息处理过程31)、从网络上收到地址解析协议的请求消息时，首先记录源节点的媒体访问控制地址和互联网协议地址对应关系；32)、本地查找是否存在目的节点媒体访问控制地址和互联网协议地址关系表，如果存在则构造一个地址解析协议的响应消息回送，其中消息中的源媒体访问控制地址更改为“仿真链路层的索引地址”；如果不存在目的节点的媒体访问控制地址和互联网协议地址关系表，则重新构造一个新的地址解析协议的请求消息，消息源媒体访问控制地址和互联网协议地址为仿真节点的真实媒体访问控制地址和互联网协议地址；33)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)4)、地址解析协议的响应消息处理过程如下41)、从网络上收到地址解析协议的响应消息时，记录源节点的媒体访问控制地址和互联网协议地址对应关系；42)、等待新的消息输入，重新跳转到步骤23)；5)、互联网协议类消息处理过程如下51)、根据源媒体访问控制地址获得源节点索引号；52)、根据目的地址媒体访问控制地址判断数据包是单播数据还是广播数据，如果是单播数据，进入步骤53)，否则进入步骤55)；53)、根据目的媒体访问控制地址查询目的节点索引号；54)、根据源节点索引号和目的索引号查询节点拓扑连接关系表，判断是否应该转发该数据；如果拓扑连接表表明两节点数据可达，则消息中源媒体访问控制地址换为对应的仿真索引媒体访问控制地址，目的媒体访问控制地址改为真实节点的媒体访问控制地址，转发此报文；如果拓扑连接表表明两节点数据不可达，则丢弃此报文。重新跳转到步骤23)；55)、记录源节点的媒体访问控制地址和互联网协议地址对应关系；56)、根据源节点的邻居列表，将广播消息转换为多个单播消息，其中发送节点媒体访问控制地址转换为对应的仿真索引媒体访问控制地址，目的节点媒体访问控制地址改为实际节点的媒体访问控制地址，发送报文。重新跳转到步骤23)；6)、实物节点通信过程61)、实物节点在互联网协议数据通信之前，首先根据核心路由表查找到达目的节点的下一跳节点互联网协议地址；62)、如果没有下一跳节点的媒体访问控制地址，则需要先发送地址解析协议的请求以获得下一跳节点的媒体访问控制地址；63)、在获得下一跳或目的节点的媒体访问控制地址后，立即发送相关数据，其中消息的目的媒体访问控制地址填写地址解析协议的响应中的媒体访问控制地址，目的互联网协议地址填写目的节点互联网协议地址。FSA00000156088700011.tif
全文摘要
本发明涉及一种采用以太网混杂模式实现多跳无线网络拓扑仿真的方法。本发明属于通信网络协议仿真领域。本发明通过配置以太网交换机的虚拟个人网络功能，将实物节点和拓扑仿真节点配置成特殊的网络结构，即实物节点间无法互通，但都可以和拓扑仿真节点连通；拓扑仿真节点工作在以太网混杂模式，通过构造包括指定媒体访问控制地址的地址解析协议消息，将数据吸收到本节点，并根据拓扑结构判断是否应转发数据，以实现各类拓扑仿真。本方法对实物节点无需任何改动，即可在较小范围和较短时间内完成多种拓扑结构下协议的正确性、可靠性及性能测试，具有可扩展性好，健壮性好，可靠性高和易于实现等特点，适合应用在各种无线自组织网络仿真测试中。
文档编号H04L12/46GK101925102SQ20101019516
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者于卫波, 王海, 米志超, 董超, 赵宁 申请人:中国人民解放军理工大学