一种基于OPNET的短波令牌环网络等效仿真方法与流程

一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法
【技术领域】
1.本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法。


背景技术：

2.目前，若要通过仿真实现短波令牌环网络的通信组网研究，需要自定义设备模型，考虑实现设备之间的传输特性，同时数据发送、数据接收和数据处理都需要进行编程，整个仿真过程要求技术人员拥有一定的编程能力，且耗时耗力。
3.在国内，短波令牌环协议目前还并未应用在实际的船舰中，许多研究人员从理论和通信性能方面对短波令牌环协议进行研究，部分学者通过编程方式实现短波令牌环的功能，但编程方式和实现过程差异性较大，很难将仿真结果形象化展示。同时，opnet软件中只提供了令牌环网络的节点模型，与短波令牌环协议存在差异，尤其是短波令牌环存在中继情况，直接使用令牌环节点模型不能够满足构建短波令牌环网络的需求，加上软件自带的令牌环节点模型过于复杂，涉及多层架构，研究人员短时间难以实现短波令牌环网络的仿真。
4.因此，有必要提供一种新的基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法，可在opnet软件中搭建短波令牌环网络，简化了建模过程，提供了一个便捷直观的方式来理解短波令牌环网络的工作机制。
6.本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法，其包括以下步骤：
7.步骤1：按照呈星形拓扑结构的状态转移机制构建mac层数据处理模块的进程模型，所述星形拓扑结构的状态转移机制包括位于中心位置的消息分发dispatch、以及若干状态机，所有所述状态机之间的状态转移均由所述消息分发dispatch根据事件判断实现；
8.步骤2：构建短波令牌环网络的节点模型，使用opnet软件自带的生成包模型和sink接收处理模型实现应用层等效，无线发射器和无线接收器通过配置管道阶段参数实现物理层等效，应用数据mac层接口使用队列进程模型，最后放置步骤1)中mac层数据处理模块的进程模型完成节点模型的构建；
9.步骤3：搭建仿真网络场景，将步骤2)中获得的节点模型放置到网络场景中，根据不同的研究目的，设置对应的参数属性完成仿真网络场景的搭建；
10.步骤4：统计变量仿真结果显示。
11.进一步的，所述状态机包括初始化init、浮动状态flt、自环状态sfr、寻求状态sek、请求回复状态srp、加入状态jon、监测状态mon、令牌持有状态hvt、空闲状态idl、中继
状态rly以及请求状态slt。
12.进一步的，所述星形拓扑结构的状态转移机制还包括若干令牌，所述令牌包括邀请令牌sls、设置令牌set、中继令牌rel、确认令牌ack、传输权令牌rtt。
13.进一步的，所有所述状态机以及所述消息分发的功能说明分别为：初始化：软件启动执行，主要初始化统计变量；
14.浮动状态：节点开启定时器等待组网；
15.自环状态：节点开启定时器等待组建以自身为主节点的短波令牌环网络；
16.寻求状态：发出sls令牌邀请其他节点加入网络；
17.请求回复状态：等待定时器超时发出set令牌；
18.加入状态：准备加入网络，等待接收rtt令牌；
19.监测状态：等待接收确认数据保证网络正常；
20.令牌持有状态：当前状态下节点可以正常传输应用数据；
21.空闲状态：节点收到确认数据后的正常状态；
22.中继状态：转发令牌或应用数据；
23.请求状态：准备扩增网络成员数目，发出sls令牌邀请其他节点加入网络；
24.消息分发：根据不同的消息事件，控制节点状态转换。
25.进一步的，所有所述令牌的功能说明分别为：
26.邀请令牌：邀请其他节点加入网络；
27.设置令牌：更新传输顺序表回复邀请节点加入网络；
28.中继令牌：通知节点将作为中继节点转发数据；
29.确认令牌：告诉发送方已正确接收到数据；
30.传输权令牌：拥有该令牌的节点有权发送应用数据。
31.进一步的，所述步骤1)中，所有所述状态机之间的状态转移均由所述消息分发根据事件判断实现的工作机制为：在正常组网场景下，当仿真网络启动时，首先从init状态转移到dispatch状态中，dispatch状态通过接收到的事件来判断进入flt状态，此时节点在flt状态设置定时器，触发定时器超时事件，转移到dispatch状态中，dispatch状态判断进入sfr状态，再次等待定时器超时，通知dispatch状态转移到sek状态，在sek状态下等待定时器超时，此时发出sls令牌邀请其他节点与自身进行组网，然后等待接收set令牌，若接收到set令牌数据，则通知dispatch进入到hvt状态，hvt状态更新传输顺序表，并通知应用数据mac层接口模块传输数据，当传输时间到期或数据传输完成时，通知dispatch转移到mon状态，在这个状态下监测后继节点是否拥有发送权，当接收到ack令牌或应用数据内容时，通知dispatch转移到idl状态，等待下一次接收到rtt令牌转移到hvt状态再次拥有发送应用数据的权利；
32.作为接收sls令牌的节点，通知dispatch转移到srp状态，等待该状态下的定时器超时发出set令牌，再通知dispatch转移到jon状态，在jon状态下接收到rtt令牌后，通知dispatch转移到hvt状态，此时节点拥有发送应用数据的权利，在规定时间发出数据后通知dispatch转移到mon状态，收到ack令牌或应用数据则通知dispatch转移到idl状态。
33.当节点在hvt状态下满足设置的邀请间隔次数时，通知dispatch转移到slt状态，发送sls令牌邀请新节点加入当前网络，等待定时器超时后再转移到hvt状态完成应用数据
传输；
34.同时，网络中若存在需要中继的情况，则此时节点将通过rel令牌来通知某一节点为本次传输的中继节点，节点接收到rel令牌后通知dispatch转移到rly状态，在rly状态下实现中继功能，完成转发数据后，当接收到ack令牌或应用数据通知dispatch转移到idl状态。
35.进一步的，所述短波令牌环网络的节点模型包括：
36.应用数据生成模块，负责产生应用数据包，能够通过更改包时间属性来控制单位时间生成数据包的个数；
37.应用数据处理模块，处理接收到的数据包并统计包括数据量和传输时间的相关参数；
38.应用数据mac层接口模块，存储等待发送的应用数据，等待mac层数据处理模块通知发送数据时从队列中取出应用数据；
39.mac层数据处理模块，实现短波令牌环协议流程；
40.短波天线发射模块，负责发出数据，能够设置包括通信范围和传输时延的相关特性；
41.短波天线接收模块，接收通信范围内数据，通过管道参数配置能够方便地设置包括接收范围和误码率的相关特性。
42.进一步的，所述步骤3)中搭建的仿真网络场景包括正常组网场景和故障场景，所述故障场景包括隐藏节点的故障场景、丢失令牌的故障场景。
43.进一步的，通过使用短波天线发射模块和短波天线接收模块的管道阶段配置具体参数实现所述隐藏节点的故障场景。
44.进一步的，利用消息事件机制控制定时器超时和接收数据实现所述丢失令牌的故障场景：将定时器超时和接收数据以事件的方式插入仿真事件列表中，当在一个状态下未接收到令牌则视为丢失令牌。
45.与现有技术相比，本发明一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法的有益效果在于：
46.1)为实现短波令牌环网络工作机制，提出了基于opnet软件进程模型、节点模型和网络模型的等效构建方法，各模型之间相对独立，可直接为后续复杂网络环境提供基础模块；
47.2)为实现短波令牌环网络基础的抗毁能力，等效构建基于opnet软件短波令牌环网络的故障场景；
48.3)为实现短波令牌环网络性能参数分析，通过简单配置参数实现相关统计量的图表显示；
49.4)通过mac层数据处理模块的进程模型等效构建，将原有混乱的状态转移图等效构建为星形拓扑结构图，大大简化了短波令牌环网络的运行机制的过程，降低了复杂程度，也简化了建模过程，更加有利于研究人员直观、轻松的了解短波令牌环网络的运行机制。
【附图说明】
50.图1为本发明实施例中三层模型的组成结构示意图；
51.图2为本发明实施例中节点模型的组成结构示意图；
52.图3为本发明实施例中mac层数据处理模块的等效进程模型状态转移图；
53.图4为现有技术中短波令牌环协议状态转移图；
54.图5为本发明实施例中隐藏节点故障场景的示意图；
55.图6为本发明实施例中丢失令牌场景仿定时器控制流程；
56.图7为本发明实施例中构建短波令牌环网络的节点模型框图；
57.图8为本发明实施例中传输权令牌发送次数仿真结果显示图；
58.图9为本发明实施例中仿真网络吞吐量仿真结果显示；
59.图10为本发明实施例中节点到节点的时延仿真结果显示图。
【具体实施方式】
60.实施例一：
61.本实施例提供的基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法实现了短波令牌环网络运行流程，能够动态演示令牌数据和用户数据的传递，同时提供了几种故障场景下的自我恢复方式，便于研究人员直观深入了解短波令牌环网络的工作机制。如图1所示，仿真系统主要由进程模型、节点模型和网络模型三层模型组成，网络模型较为简单，只需将网络节点拖动到环境拓扑中，由研究人员更改相关属性即可。
62.本实施例为一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法，其包括以下步骤：
63.步骤1：构建mac层数据处理模块的进程模型。按照如图3所示的状态转移图实施，所有状态转移由中间分发状态判断实现，相比于图4所示的原有短波令牌环网络状态转移图，大大简化了构建难度。
64.构建mac层数据处理模块的进程模型，具体包括定义状态机、令牌及其功能；其中，所述状态机包括初始化(init)、浮动状态(flt)、自环状态(sfr)、寻求状态(sek)、请求回复状态(srp)、加入状态(jon)、监测状态(mon)、令牌持有状态(hvt)、空闲状态(idl)、中继状态(rly)、请求状态(slt)；所述令牌包括邀请令牌(sls)、设置令牌(set)、中继令牌(rel)、确认令牌(ack)、传输权令牌(rtt)；所有的状态机围绕消息分发(dispatch)设置，所有状态机之间的状态转移均由消息分发(dispatch)判断实现。
65.关于mac层数据处理模块的进程模型中，状态机说明如表1所示，令牌功能说明如表2所示。
66.表1进程模型状态表
[0067][0068]
表2进程模型令牌类型表
[0069]
令牌名称中文含义说明sls邀请令牌邀请其他节点加入网络set设置令牌更新传输顺序表回复邀请节点加入网络rel中继令牌通知节点将作为中继节点转发数据ack确认令牌告诉发送方已正确接收到数据rtt传输权令牌拥有该令牌的节点有权发送应用数据
[0070]
所有状态转移由消息分发(dispatch)判断实现，其工作机制为：在正常组网场景下，当仿真网络启动时，首先从init状态转移到dispatch状态中，dispatch状态通过接收到的事件来判断进入flt状态，此时节点在flt状态设置定时器，触发定时器超时事件，转移到dispatch状态中，dispatch状态将判断进入sfr状态，再次等待定时器超时，通知dispatch状态转移到sek状态，在sek状态下等待定时器超时，此时将发出sls令牌邀请其他节点与自身进行组网，然后等待接收set令牌，若接收到set令牌数据，则通知dispatch进入到hvt状态，hvt状态将更新传输顺序表，并通知应用数据mac层接口模块传输数据，当传输时间到期或数据传输完成时，通知dispatch转移到mon状态，在这个状态下将监测后继节点是否拥有发送权，当接收到ack令牌或应用数据内容时，通知dispatch转移到idl状态，等待下一次接收到rtt令牌转移到hvt状态再次拥有发送应用数据的权利。
[0071]
作为接收sls令牌的节点，将通知dispatch转移到srp状态，等待该状态下的定时器超时发出set令牌，再通知dispatch转移到jon状态，在jon状态下接收到rtt令牌后，通知dispatch转移到hvt状态，此时节点拥有发送应用数据的权利，在规定时间发出数据后通知dispatch转移到mon状态，收到ack令牌或应用数据将通知dispatch转移到idl状态。
[0072]
当节点在hvt状态下满足设置的邀请间隔次数时，将通知dispatch转移到slt状态，发送sls令牌邀请新节点加入当前网络，等待定时器超时后再转移到hvt状态完成应用数据传输。
[0073]
同时，网络中可能存在需要中继的情况，此时节点将通过rel令牌来通知某一节点为本次传输的中继节点，节点接收到rel令牌后通知dispatch转移到rly状态，在rly状态下实现中继功能，完成转发数据后，当接收到ack令牌或应用数据通知dispatch转移到idl状态。
[0074]
步骤2：构建短波令牌环网络的节点模型。按照图2所示的节点模型组成，使用软件自带的生成包模型和sink接收处理模型实现应用层等效，无线发射器和无线接收器通过配置管道阶段参数实现物理层等效，应用数据mac层接口使用队列进程模型，最后放置步骤1)中mac层数据处理模块的进程模型完成节点模型的构建。
[0075]
当构建短波令牌环网络时，可以直接在网络层放置移动节点，将移动节点的节点模型改为步骤1)中的短波令牌环协议的节点模型，通过简单的属性配置即可完成网络环境的搭建，在网络层或节点属性中可以勾选吞吐量和延时等性能指标，然后使用opnet软件运行该网络场景，能够可视化仿真结果，以动画的方式显示每一次令牌或数据包的传输。图3相对于原本协议中的状态转移(图4)简化了转移过程，且更方便控制状态转移。
[0076]
opnet软件自带的令牌环节点模型分为应用层、tcp/ip层、mac层和物理层四层架构，每层架构拥有几十个相应模块。本实施例短波令牌环网络的节点模型删除了tcp/ip层和其他层冗余模块，简化后的节点模型只有六个模块，分别为应用数据生成模块、应用数据处理模块、应用数据mac层接口模块、mac层数据处理模块、短波天线发射模块和短波天线接收模块。如图2所示，应用数据生成模块和应用数据处理模块位于应用层，应用数据mac层接口模块和mac层数据处理模块位于mac层，短波天线发射模块和短波天线接收模块位于物理层。
[0077]
应用数据生成模块，主要负责产生应用数据包，可以更改包时间属性来控制单位时间生成数据包的个数；
[0078]
应用数据处理模块，处理接收到的数据包并统计数据量和传输时间等相关参数；
[0079]
应用数据mac层接口模块，存储等待发送的应用数据，等待mac层数据处理模块通知发送数据时从队列中取出应用数据；
[0080]
mac层数据处理模块，具体实现短波令牌环协议流程，是整个仿真网络的核心功能；
[0081]
短波天线发射模块，负责发出数据，可设置通信范围和传输时延等特性；
[0082]
短波天线接收模块，具备接收通信范围内数据功能，通过管道参数配置可以方便地设置接收范围和误码率等特性。
[0083]
应用数据生成模块可直接使用opnet软件自带的简单包生成进程模型，通过更改数据包生成的间隔时间参数来实现应用数据的生成；应用数据处理模块可直接使用opnet软件自带的sink模块，处理接收到的数据包并统计时延和吞吐量性能指标；短波天线发射和短波天线接收可使用无线发射机和无线接收机模块，通过管道阶段的参数配置实现通信范围、传输延时等特性；应用数据mac层接口可以使用opnet软件的队列模块对应用数据进行存储，与mac层数据处理模块进行数据交互；最后将步骤1)中构建的mac层数据处理模块
的进程模型放入完成短波令牌环网络节点模型的构建。短波令牌环网络的节点模型整体效果如图7所示，source模块为应用数据生成模块，sink模块为应用数据处理模块，apptomac_interface模块为应用数据mac层接口，token_mac模块为mac层数据处理，send和recv分别为短波天线发射模块和短波天线接收模块。
[0084]
步骤3：搭建仿真网络场景：将步骤2)中获得的节点模型放置到网络场景中，根据研究目的的不同，设置不同的参数属性完成仿真网络场景的搭建。可设置的参数属性具体包括节点数量、通信范围、节点运动轨迹、生成数据包间隔时间、丢包率等。
[0085]
根据不同参数属性的设置，搭建的仿真网络场景包括正常组网场景和故障场景，所述故障场景包括隐藏节点的故障场景、丢失令牌的故障场景。
[0086]
正常组网场景下，短波令牌环网络的工作机制分为主动建环和被动入环，主动建环过程：假设节点a主动建环，节点a一启动等待定时器到期，发送sls令牌邀请节点加入自己组建的环网，若有其他节点回复set令牌，节点a将其设置为后继节点，同时发送用户数据，等待数据发送完再将rtt令牌传递给后继节点，此时节点a完成主动建环过程；被动入环过程：假设节点b被动入环，节点b将接收到其他节点发送的sls令牌，等待定时器到期，节点b将发送set令牌回复发出sls令牌的节点即将加入环网，当节点b接收到rtt令牌后，发送用户数据，等待数据发送完成再将rtt令牌传递给后继节点，此时节点b完成被动入环过程。
[0087]
针对隐藏节点的故障场景，可使用短波天线发射模块(即发射器)和短波天线接收模块(即接收器)的管道阶段配置具体参数来实现。隐藏节点的故障场景如图5所示，当a节点和c节点同时给b节点发送数据时，a节点和c节点之间不知道对方的存在，因此产生了数据碰撞。首先按照图5放置三个节点，b的接收器管道阶段中的接收组参数设置成源地址为a和c节点地址，a的接收器管道阶段中的接收组参数设置为源地址为b节点地址，c的接收器管道阶段中的接收组参数设置为源地址为b节点地址，在短波天线接收模块中记录rtt令牌和rel令牌的数量。当仿真开始后，a和b组网成功，然后邀请c加入网络，由于c与a不能直接通信，故c给b发出rel令牌将b设置成中继节点，通过b转发给a节点，完成了abc三节点的组网方式，在同一时间内，只有一个节点传输应用数据，避免了数据碰撞问题，统计结果通过对比rel令牌和rtt令牌数目，可以发现rtt令牌是rel令牌的2倍，也可通过动画仿真实时观察令牌传递的过程，便于研究人员分析网络运行机制。
[0088]
针对丢失令牌的故障场景，原理上是在每个状态中设定定时器，根据定时器超时来转换状态。在本实施例短波令牌环网络的进程模型中，可以利用消息事件机制来控制定时器超时和接收数据，只需将定时器超时和接收数据以事件的方式插入仿真事件列表中。如图6所示，当在某个状态下未接收到令牌视为丢失令牌，在某个时间点上添加事件，当前事件全部完成后，最靠前的事件将被执行，实现了定时器超时的功能，节点根据事件类型和内容标识来完成状态转换，保证仿真网络的正常运行。
[0089]
步骤4：统计变量仿真结果显示。在节点模型中提升需研究的性能指标，在仿真调试器中勾选吞吐量和时延等通用性能指标，勾选已提升的自定义性能指标，等待仿真结束后得到相关性能指标的图表结果，如图8、图9和图10所示，仿真期间可通过勾选显示动画来动态分析数据包的传输情况。
[0090]
为简化短波令牌环网络仿真，本实施例提出了一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法，避免搭建短波令牌环网络涉及的复杂建模过程。该方法可在opnet软件中搭
建短波令牌环网络，提供了一个便捷直观的方式来理解短波令牌环网络的工作机制。具体包括：
[0091]
1)短波令牌环网络基于opnet的三层模型等效构建；
[0092]
在opnet软件环境中搭建短波令牌环网络的仿真，主要使用软件的三层模型来等效构建，实现网络环境的基本模块。
[0093]
2)短波令牌环网络故障场景简化构建及效果展示；
[0094]
在opnet软件中，利用消息事件等效定时器效果构建了丢失令牌故障场景，利用管道阶段的接收组参数设置等效通信范围构建了隐藏节点故障场景，并能在网络层观察到具体动画效果。
[0095]
3)短波令牌环网络时延和吞吐量等性能参数图表分析。
[0096]
构建好网络场景后，根据不同场景，提升预置的统计变量到节点层属性，研究人员可以简单配置属性来获取需要研究的性能参数，并且能够通过图表输出的方式便于后续分析。
[0097]
本实施例一种基于opnet的短波令牌环网络等效仿真方法，其有益效果在于：
[0098]
1)为实现短波令牌环网络工作机制，提出了基于opnet软件进程模型、节点模型和网络模型的等效构建方法，各模型之间相对独立，可直接为后续复杂网络环境提供基础模块；
[0099]
2)为实现短波令牌环网络基础的抗毁能力，等效构建基于opnet软件短波令牌环网络的故障场景；
[0100]
3)为实现短波令牌环网络性能参数分析，通过简单配置参数实现相关统计量的图表显示；
[0101]
4)通过mac层数据处理模块的进程模型等效构建，将原有混乱的状态转移图等效构建为星形拓扑结构图，大大简化了短波令牌环网络的运行机制的过程，降低了复杂程度，更加有利于研究人员直观、轻松的了解短波令牌环网络的运行机制。
[0102]
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。