（通信与信息系统专业论文）基于ns2的mipv6和nemo仿真研究.pdf

摘要 摘要 当前移动i p v 6 ( m i p v 6 ) 和网络移动性( n e m o ) 理论研究逐渐成熟，但还需 要网络仿真来进一步研究其性能。网络仿真是研究网络技术的有效途径。考虑到 平台的扩展性，本文使用n s 2 作为仿真平台。 n s 2 平台目前有支持m i p v 6 的m o b i w 抽补丁，并且m o b i w 撕经扩展实现了 对n e m 0 的支持。由于m o b i w 抽开发的年代早于m i p v 6 协议规范以及研究中对 问题的简化，因此，目前无论是m i p v 6 还是扩展后的n e m o 仿真都仍存在着诸多 问题，表现在：对m i p v 6 的仿真存在不能实现跨域的切换和返回路由可达过程机 制不能正常进行；在n e m o 的仿真中移动子网内部的节点不具有移动性以及存在 许多信号干扰问题。 针对仿真中出现的问题，本文研究了m i p v 6 协议i 强c3 7 7 5 和n e m o 协议r f c 3 9 6 3 ，深入分析了m i p v 6 和n e m o 在n s 2 中的仿真原理，根据m i p v 6 协议和 n e m o 协议规范，对原平台进行了改进：通过合理设置信道实现跨域切换并解决 n e m o 仿真中的信号干扰问题：通过改变分类器的指向关系使返回路由可达过程 正常进行；为了使n e m o 仿真中移动子网内的节点具有移动性，对移动子网内的 节点添加了移动性和重新定义了节点生成过程。随后分别构建了几种仿真场景， 对改进方法进行了仿真验证并对m i p v 6 和n e m o 进行了整体仿真。最后，为了研 究m i p v 6 和n e m o 的垂直切换，将w i m a x 模块添加到n s 2 中，解决了w i m a x 模块和m o b i w 抽的冲突问题，并将w i m a x 和m i p v 6 结合起来进行了仿真以及对 垂直切换中的链路进行了划分。 本文通过以上工作，为m i p v 6 和n e m o 的仿真中出现的问题提供了较为可行 的解决方法。改进后n s 2 平台对m i p v 6 和n e m o 的仿真符合协议规范和贴近实 际，能够仿真更复杂的无线网络，这对m i p v 6 和n e m o 的研究与应用起到了推动 作用。 关键词：移动i p v 6 网络移动性仿真 n s 一2 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h ec u r r e n tr e s e a r c ho fm o b i l ei p v 6 ( m i p v 6 ) a l l dn e r km o b i l i t ) r ( n e m o ) t l l e o r i e sb e c o m em a t u r e 扩a d u a l l y ，b u ti ti sn e c e s s a d rt 0f 珊1 e rr e s e a r c hm e p e r f o m a n c eb yr l e t 、o r ks i i i m l a t i o n n 咖r ks i m u l a t i o ni sa ne f f i e c t i v ew a yt or e s e a r c h l en e 懈o r kt e c 王l i l o l o 醪c o l l s i d 西n gt h ee x p a n s i b i l i 劬衄sn l e s i su s en s - 2a st h e n 舐o r ks i m u l 撕o np l a t f 0 肌 1 1 1 en s - 2p l a t f o mh a sap a t c hn 锄e dm o b i w a l lt 0s u p p o r tm i p v 6 ，锄dm o b i w a n l 粥b e e ne x t e n d e dt os u p p o r tn e m o b e c a u s em o b i w a nw a sr e l e a s e db e f - o r em i p v 6 p r o t o c o la l l dt h ep r o b l e m si 1 1r e s e a r c ha r er e d u c e d ，t l l e r ea r es t i us o m ep r o b l e m si nt h e s i m u l a t i o n so fm i p v 6a n dn e m op r e s e n t l y ，f o re x a m p l e ：t h em o b i l i 够a c r o s st 1 1 e d o m a i n sc 锄o th a n do v e r ；t 1 1 er e t u mr o u t a b l i l i 够p r o c e d u r ec a n n o tc a r 巧o nn o m l a l l y i i lm i p v 6s i i n u l a t i o n ；t t i en o d 【e sc a n n o tm o v ea 1 1 dt h e r ea r es o m es i g n a l 证t e r f b r e n c e p r o b l e m si i lt h em o b i l en 酣w d r k c o n s i d e d n gm e s es i m u l a t i o np r o b l e m s ，t l l i sa l e s i sr e s e a r c h e s 廿l em i p v 6p m t o c o l r f c3 7 7 5a n dm en e m o p r o t o c o lr f c3 9 6 3 ，舭n 锄1 y z e sm em i p v 6a i l dn e m o s i m u l a t i o np r i n c i p l e si nn s - 2d e e p l y ，a i l dp r e s e n t si m p r o v e m e n t sa c c o r d i n gt on l e m i p v 6a l l dn e m o p r o t o c o l s ：t h et l l e s i sa c l l i e v e st h eh a n d o v e ra c r o s st l ：屺d o m a i l l si i lt h e m i p v 6s i i n u l a t i o na n dr e s o l v e ss i 趴a li n t e r f e r e n c ep r o b l e m si i lt h en e m os i i i l u l a t i o n b ys e t t 吨t h ec h 锄e l ss u i 讪l y ；t h i st h e s i se n s u r e st h ei 沁t 哪r o u 劬l i l i t ) ，p r o c e d u r e s i i i l u l a t i o nc 孤r yo nn o m a l l yb yc h a l l g i n gm ec l a s s i f i e rc o i l i l e c t i o n s ；f 0 rt l l em o b i l i t ) ro f t 1 1 en o d e si nm o b i l en e 佩o r ki 工ln e m os i m u l a t i o n ，t l l i st h e s i sa d d st h em o b i l i t ) rm o d u l e a i l dr e d e f i n e s l ep r o c e s so ft l l en o d ec r e a t i n g 缸1 c t i o n t h e n ，t l l i sm e s i sd e s i 伊ss o m e s i m u l a t i o ns c e n e sf o r t h es o l u t i o n sa n dm a k e saw h 0 1 es i i l l u l a t i o ni n c l u d 堍m i p v 6 锄d n e m o a t l a s t ，i i lo r d e rt 0r e s 黜hm ev e r t i c a lh a n d o v e ri i lm i p v 6 锄dn e m o ，t h e w i m a xm o d u l ei sa d d e di n t 0n s - 2 ，锄dt l ：l ec o l l i s i o no fw i m a xm o d u l e 晰m m o b i w 抽i ss o l v e d ，a 1 1 d “st h e s i sl 娜c o m b i n e dw i m a x 晰n lm i p v 6t 0s i m u l a t ea n d m e nd i s t r i b u t e st h el i i 墩i nt l l ev e r t i c a lh a n d o v e r t h r o u 曲m e 舭v ew o r k ，f e a s i b l es o l u t i 0 璐a r ep r o p o s e d ，觚dm ei i i l p r 0 v e dn s 一2 p l a t f o n nc a np e r f o mi i ll i i l ew i t l lt l l en o m so ft i l ep r o t o c o l sa n di sc l o s et ot l l er e a l i t ) r f o rm i p v 6a i l dn e m os i m u l a t i 呱a l s oi tc 觚s i m u l a t em o r ec o m p l e xm o b i l en 咖。她， s 0i tp r o m o t e st h er e s e a r c ha n d 印p l i c a t i o n ，a n di th a sa ni m p o r t a i l ts i g i l i f i c a i l c e k e y w o r d ：m o b i l ei p 、r 6n e 锕o r km o b i u 锣 s i m u l a t i o nn s 一2 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复印手段保存论文( 保密的论文 在解密后遵循此规定) 。 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名量立：垄 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 众所周知，当今世界广泛使用的互联网协议是i p v 4 【l j ，通过该协议，全世界所 有互联网用户都可以相互共享对方的资源，从而极大地方便了生产生活。互联网 的飞速发展是i p v 4 协议设计者当初始料未及的，因此为了不断满足用户的各种需 求，i p v 4 协议被不断地更新，扩展。尽管如此，由于i p v 4 本身固有的缺陷，决定 了它将很难适应互联网未来的发展要求，在地址空间，移动性支持，安全服务等 重要方面尤为如此。 i p v 6 协议【2 】的设计初衷之一就是能够对网络节点的移动通信提供更好的支持。 当今世界，互联网在移动通信方面的应用已经非常广泛，并且依旧以较快的速度 发展。比如通过手机等移动通信设备浏览互联网，收发电子邮件，并且在移动的 环境中始终保持通信链路畅通。有理由相信，未来的互联网生活将更多的是以移 动通信为主要特色。各种移动设备都可以拥有自己的全球唯一m 地址，通过互联 网相互连接。 移动通信在未来的网络中将扮演越来越重要的角色，而i p v 6 协议将首先在移 动通信中得到应用。互联网对移动通信的支持有两种类型：单个通信节点的移动 即基本的m o b i l ei p v 6 协议，简称m i p v 6 【3 j 和一个通信子网的整体移动即网络移动 性叫e m o ) 【4 】。m i p v 6 成为口v 6 协议中不可或缺的部分，所有i p v 6 的实现都必须 支持移动性。它的设计目标是：不管链接在家乡链路还是移动到外地链路，移动 节点总是能通过家乡地址被寻址，在改变网络接入点时即移动过程中继续保持通 信的连续性，让用户在切换过程中自由实现网络接入的同时得到所需的服务。通 过在网络层加入了移动特性，在改变网络接入点时，运行在节点上的应用程序不 用修改配置依然可用，因此这种机制对于i p 层以上的协议层是完全透明的。并且 伴随着互联网的发展，将会提出多种接入方式无缝互连的要求，即忽略蓝牙、无 线局域网和广域网之间的链路技术差异，使得在不同网络环境下，用户的连接和 所使用的业务不会中断，真正实现不间断的连接。这使得m i p v 6 成为实现许多新 业务的关键。总之，无论是从移动通信未来的发展，还是人们对未来移动通信的 要求来看，m i p v 6 都将成为必然的选择。 m i p v 6 是网络移动性的基础，网络移动性又分为基本网络移动性和嵌套网络 移动性两种类型。随着各种无线接入技术和宽带传输技术的开发和应用，如 b i u e t o o m 、u w b ( u l 仃a 谢d e b a i l d ) 、晰f i 、w i m a x 、3 g 等，网络呈现无线化和多 元化。网络之间彼此独立又相互嵌套，相对静止又相对移动，构成了一个拓扑结 构相对复杂的动态网络，未来接入互联网的移动设备的数量和种类正在大幅增加， 2 基于n s 一2 的m i p v 6 和n e m o 仿真研究 所以通信子网整体移动将会是非常普遍的。比如，火车、飞机、轮船等交通工具 能够承载大量的节点一起移动，通过这些交通工具中的移动路由器与互联网相连 接，从而满足各自的通信需求。所以，对通信子网整体在移动环境中的通信状况 的研究将是非常必要的。研究n e m 0 符合未来互联网的发展方向，对移动互联网 的部署具有极其重要的意义。 现在m i p v 6 协议和n e m o 协议虽然已经逐渐成熟，但还存在诸多不完善的地 方，需要迸一步完善其性能，因此对m i p v 6 和n e m o 进行仿真研究是十分必要的。 仿真手段多种多样，比如，通过试验床( 数据监控软件系统和移动通信设备构成 的综合测试平台) 对m i p v 6 和n e m o 通信网络的功能和性能等方面进行测试。该 方案由于配置全面，更接近现实网络的运行环境，因此得到的测试数据比较全面 准确。但是该方案投资比较大，具体实施比较复杂，技术难度比较高。尤其是n e m o 网络的特殊性，建立实际的实验环境比较困难。 另外一种仿真方案是通过独立的网络仿真软件对网络协议进行虚拟测试。由 于该方案完全依赖软件，因此不需要另外构建硬件测试平台，从而大幅减小了方 案实施的复杂度，降低了研究成本。同时，用户可以根据具体的项目背景，通过 软件的扩展接口，对其加以改造、升级。利用网络仿真软件进行仿真完全依靠软 件系统，无法从真实的通信环境中获取最准确的数据，因此需要参考其他相关硬 件的测试结果来配置具体的仿真场景。 利用网络仿真软件进行网络仿真是研究网络的一种重要的方式，它是利用相 关的软件技术，构造网络拓扑、实现网络协议、测评网络性能的网络虚拟技术， 包括网络拓扑仿真、协议仿真和通信流量仿真。网络软件仿真是网络性能分析、 评估网络设计方案以及网络故障诊断的有力方式。它不仅适用于网络模型的构造 和设计、协议性能的评价和分析，还适用于网络协议的开发与研究以及真实网络 的故障诊断。在科学研究领域，新协议的开发和性能评估也需要采用软件仿真。 在每年发表的大量科技文章中，有相当大的一部分都是采用软件仿真方法实现的。 目前常用的网络协议仿真软件有两种：o p n e t 和n s 2 。o p n e t 是一款商用软件， 功能强大，用户界面友好，售后支持较为完善。n s 2 则是一款开源软件，设计开 发基于u i l i x 操作系统，用户可以根据自己的科研需求基于该平台进行扩展。 m i p v 6 和n e m o 的网络软件仿真是实现下一代移动互联网的试金石，是从理 论走向实践的重要一步，对引导和促进m i p v 6 和n e m o 的研究具有重要的意义。 1 2 国内外相关研究发展动态 1 2 1m i p v 6 研究现状 早在1 9 9 6 年l o 月，i e t f 就提出了移动i p 协议草案，2 0 0 4 年6 月m i p v 6 协 第一章绪论 议l 强c3 7 7 5 发布，如今m 口v 6 协议总的来说已经比较成熟，协议的整体框架已经 得到广泛的认同。现在该领域的研究主要着眼于进步完善m i p v 6 的性能。其关 键技术主要包括切换技术、安全技术和q o s 【5 】等。 目前，国内外有很多组织或者机构在对m i p v 6 进行研究，并且有一些在 不同操作系统上开发出来的实验系统，研究的热点集中在切换问题和安全问题， 主要有下面m i p v 6 相关的研究组织： 1 i e t fm i p v 6 工作组 m i p v 6 工作组的主要目标是制定一种标准，使得i p v 6 主机在i n t e m e t 上移动 时，仍然能够使用家乡地址进行通信，目前主要确定的标准有r f c3 7 7 5 和r f c 3 7 7 6 【6 】。此外，m i p v 6 工作组的任务还有创建与维护议题列表来及时反馈、交流部 署基本协议时出现的问题；及时更新i 江c3 7 7 6 ，说明如何使用i i 江v 2 【7 】来建立移 动节点和家乡代理( h o m e a g e n t ，h a ) 之间的安全关联等。 2 i e t fm i p s h o p 工作组 m i p s h o p 工作组的主要任务有：修订层次m i p v 6 ，定义如何使用i k e v 2 来保 护移动节点和移动锚点之间的安全；修订快速m i p v 6 ，使用a a a 【8 】架构和来自 s e n d 【9 】的密钥维护移动节点和接入路由器之间的安全性；如何将快速m i p v 6 应用 到8 0 2 1 6 e 和3 g 网络中等。 3 k a m e 工作组 由日本w i d e ( w i d e l yi n t e 鲫t e dd i 如b u t e de n v i r o 姗e n t ) 组织，从事i p v 6 i p s e c 协议栈开发，开发了删ep r o j e “1 0 1 。n e cm i p v 6 实验系统实现了基于酬e i p v 6 协议栈，它实现了i 江c3 7 7 5 的全部功能，其实现基于f r e e b s d 内核5 x ( 及以 上版本。e r i c s s o nm i p v 6 系统实现也是基于删ei p v 6 协议栈。 4 6 n i p v 6 o 玛工作组 觚p v 6 o r g 项目组旨在提供对m i p v 6 快速切换的一套完整的开源应用代码， 提供在l i n u x 内核平台上对m p v 6 切换性能的改进。 国内方面北京交通大学于2 0 0 4 年研制出我国首台拥有自主知识产权、技术性 能达到世界领先水平的高性能无线路由器b j t u m v 6 无线移动路由器；西安 电子科技大学国家重点实验室的捷通通信公司承接了作为国家8 6 3 项目之一的移 动i p 技术的研究，并成功开发了国内首台移动i p 服务器f r e e n e tb u i l d e r ，在 获得国家级认证后进入了商用通信市场。 由以上介绍可知，移动通信应用的蓬勃发展加速了m i p v 6 的研究和商业化进 程。另一方面，i p v 6 及其相关协议对节点移动性的特殊支持也使得m i p v 6 更易于 实现。m i p v 6 具有极其广阔的前景，同时有很多性能方面的问题需要进一步深入 研究，而软件仿真则是一种效率很高容易实现并扩展的研究方式。 4 基于n s 2 的m i p v 6 和n e m o 仿真研究 1 2 2 网络移动性研究现状 n e m 0 的研究能够融合i p 技术，更好地满足b 3 g 网络层移动性的需求，适 应下一代移动通信网的发展要求，并且能够更好的满足随时随地通信的需求。目 前n e m o 的主要研究方向集中在m r 多家乡问题【l l 】【1 2 】、m r 的路由优化【1 3 】【1 钔、 安全、嵌套网络等。下面简要介绍几个有代表性的项目，这些项目大多是围绕为 车载系统提供因特网服务展开的。 1 o c e a n ( o n _ b o a r dc o r n m u i l i c a t i o n ，e n t e r t a i m e ma n di i 面n 1 1 a t i o n ) 【1 5 】的 e m o t i o n ( n e t w o r ki nm o t i o n ) 项目。o c e a n 项目成立于2 0 0 3 年，主要致力于为车 载系统提供网络服务，其下的e m o t i o n 项目致力于为移动中的乘客提供因特网服 务，主要通过m r 和宽带无线接入。 2 欧洲的o v e r d v e ( o v e rd v n 锄i cm u l t i r a d i on e t 、o r k si l lv b l l i c u l a r e n v i r o m e m s ) 项目正在从事网络移动性的研究活动1 6 】【17 1 。该项目设计了基于 m i p v 6 的车载网络，使乘客能经过车辆上的移动路由器接入i n t e m e t 。在这个项目 中，基于l i n u x 的移动路由器、家乡代理和移动网络节点原型已经得到开发。 3 w i d e ( w i d e l yi n t e g r a t e dd i s t r i b u t e de n v 沛m e n t ) 的n a u t i l u s 6 i 博j 项目。成立 于2 0 0 3 年1 1 月，该项目主要研究网络移动性的相关问题，主要目标是实现 i e t f - n e m o 的基本协议。 4 日本k e i ou n i v e r s 时始于19 9 6 年的i i l t e m e t c a r ( i n t e m e tc o n n e c t e d a u t o m o b i l er e s e a r c h e s ) 项卧1 9 j 。研究在多种接入方式的情况卜，怎样进行汽车与 i i l t e m e t 的信息交互。 5 f 1 e e t n e t 项目【2 0 】。该项目引入了一种新的网络移动性模型m o c c a ( m o b i l e c o i 衄u m c a t i o n 觚l l i t e c n 鹏) ，具体见文献。 n e m o 的研究已经引起了我国学者的充分重视，认识到了n e m o 的研究在下 一代移动通信网中的重要作用，n e m o 的研究将会提高我国在下一代移动通信中 的竞争力。然而，n e m o 的研究在国内并没有很好的展开，而在国外，以欧洲、 日本和韩国为代表，在这方面的研究均已走在我国的前面。 同时，以上项目在n e m o 及m r 的代码实现方面虽然大多发布了自己的软件， 但在功能上还不能达到r f c3 9 6 3 的要求，软件的稳定性差，b u g 较多。因此n e m o 值得研究的问题还很多，而本文后面研究的n s 2 仿真软件则是一个有力的仿真工 具，研究n e m o 在n s 2 上的仿真具有重要的意义。 1 2 3m i p v 6 和n e m 0 的软件仿真 关于软件仿真，目前流行的仿真工具主要有o p n e t 、n s 2 【2 1 1 、m a t l a b 等， 其中n s 2 由于其免费、开放、高效的特性成为国际上( 尤其是西方国家) 使用最 第一章绪论 广泛的仿真软件。它是一个面向对象的网络仿真工具，可以完整地模拟整个网络 环境。n s 2 使用一整套c 抖类库实现了绝大多数常见的网络协议以及链路层的模 型，利用这些类的实例就可以搭建起整个网络的模拟，而且包括详尽的细节实现 瞄】。它支持局域网、广域网、无线移动网和卫星网络仿真，是一种理想的网络仿 真工具。利用n s 2 可以仿真许多常见的网络协议和路由算法，如t c p 、f t p 、 d i i k s 衄算法等，但是一些新的网络协议不能得到n s 2 的支持，要模拟这些网络 协议可以对n s 2 进行扩展。n s 2 因其源代码公开、可扩展性强、速度和效率优 势明显等特点普及率最高。并且n s 2 具有很好的二次开发的性能，使用者可以根 据研究的需要进行相应的扩展。考虑到这些因素，作者所在的项目组决定以n s - 2 作为整体项目仿真平台。 当前的n s 。2 官方版本不支持m i p v 6 ，只实现了基于i p v 4 的简单的移动i p 协 议，有关i p v 6 和m i p v 6 的功能还没有加入n s 2 的标准模块。1 1 1 i e n ye m s t 于2 0 0 1 年对n s 2 进行了扩展，发布了m o b i w a i l 补丁程序【2 3 】。通过该补丁程序，就可以 利用n s 2 仿真m i p v 6 协议了，它支持节点在广域网中的移动。此外，m o b i w a i l 还附带了各种工具来配置和操作大型网络拓扑。 n e m o 是近几年才被提出的新兴课题，尚不能得到n s 2 和m o b i w a i l 官方的支 持。由于n e m o 协议是基于m i p v 6 协议的，所以需要在m o b i w a i l 的基础上进一步扩 展才能实现n e m o 的仿真，因此n e m o 的软件仿真问题就成为该领域研究工作的一 个瓶颈。极少数研究人员直接在l i n u x 系统上实现相关协议，并利用真实的8 0 2 1 1 网络进行测试，也有个别研究人员在真实的硬件环境中利用简化的、抽象的软件 研究n e m o 某个方面的性能。除此之外该领域并没有有效的测试方法。这一方面 严重增加了研究难度和成本，大大局限了研究条件，另一方面也阻碍了n e m o 研 究的广泛开展。 因为m o b i w 抽补丁程序是2 0 0 1 年根据“d r a r i e t f - m o b i l e i p i p v 6 1 1 t k t ”1 2 4 j 对i n s 2 进行扩展的，然而现在m i p v 6 协议( r f c3 7 7 5 ) 是2 0 0 4 年提出的，和以前草案相比 已经有了很大改动。因此，m o b i w 撕不能完全正确实现i 讧c3 7 7 5 所规定的协议， 没有实现m i p v 6 的全部功能，仍需进一步完善和改进。2 0 0 7 年，武汉大学高科技研 究与发展中心对m o b i w 撕进行了扩展，完善了m i p v 6 的仿真模块1 2 5 j ，主要是添加了 返回路由可达过程卿，风泣啪r o u t a b l i l i 坶p r o c e d u r e ) 以及实现了两个m n 之间的 通信等，并扩展了n e m o 协议的仿真【2 6 1 ，其扩展的n e m o 仿真侧重于研究路由优 化，避开了一些仿真的其它问题。表现为：当前的m o b i w a n 没有解决m n 跨域的切 换问题；砌心仿真机制不够完善；在n e m o 的仿真中还存在子网内节点不具有移动 性以及信号干扰等问题，仿真的机制不完全符合协议规范。以上问题严重制约了 m i p v 6 和n e m o 的仿真研究，为了能够正确完成m i p v 6 和n e m o 的仿真，这些问题 迫切需要解决，这也是本文需要解决的问题。 6 基于n s 2 的m i p v 6 和n e m o 仿真研究 1 3 1 论文研究内容 1 3 论文研究内容和论文结构 本课题的研究领域是i p v 6 协议对节点移动和网络移动性的支持，即m i p v 6 和 n e m o 协议。研究重点是n s 2 平台上的仿真研究：根据m i p v 6 和n e m o 协议规 范，结合n s 2 软件对m i p v 6 和n e m o 的仿真原理，解决当前m i p v 6 和n e m o 仿真中存在的诸多问题。 n s 2 是一款开源软件，最早在上世纪8 0 年代末由美国的一个科研项目设计开 发。历经2 0 多年的发展，该仿真平台已经对t c p i p v 4 的各个协议层有了一定的 支持。并且，全世界有很多相关的科研人员都基于n s 2 开发了自己的补丁( 针对 n s 2 的某一个版本) ，从而在一定程度上丰富了该软件的功能。 但是，也正因为该软件的开源特性，使得n s 2 在整体上显得较为庞杂。其中 有一些代码包是由其他独立的科研项目提供的，由于开发时间问题，且仅仅针对 某一专属领域，通用性和规范性不是很强。 因此本课题的主要研究工作是：根据m i p v 6 和n e m o 的协议规范，结合n s 2 某些设计思想，在m i p v 6 协议的第三方补丁m o b i w 撕以及武汉大学高科技研究与 发展中心修改后的基础上，分析m i p v 6 和n e m o 的相关工作机制，解决其中不符 合协议规范的问题。并对m i p v 6 和n e m o 网络中的垂直切换仿真问题进行了初步 研究。具体内容如下： 首先，研究分析n s 2 ，理解其内部的设计思想和运作机理，并在n s 2 的基 础上分析用于仿真m i p v 6 的m o b i w a n 补丁，研究m o b i w 抽仿真m i p v 6 的设计原 理： 其次，分别分析m i p v 6 和n e m o 的协议规范，并分别指出现有n s 一2 仿真时 的不足之处； 然后，针对当前n s 2 中仿真m i p v 6 和n e m o 存在的问题，提出改进方法， 使之符合协议规范，针对提出的改进方法，通过构建相应的仿真场景，验证方法 的正确性。在分别解决了m i p v 6 和n e m o 仿真中的问题后，然后对m i p v 6 和n e m o 整体进行了仿真，这样现有的仿真平台既可以分别对m i p v 6 和n e m o 进行仿真研 究，也可以进行它们协同工作的仿真研究。 最后，为了研究m i p v 6 和n e m o 网络中垂直切换的仿真，将w i m a x 模块添 加到n s 2 中，解决了和m o b i w 撕的冲突问题，并对垂直切换仿真中的链路进行 了划分。 第一章绪论 7 1 3 2 论文结构 本文主要解决m i p v 6 和n e m o 仿真中存在的如下关键问题： 1 n s 2 中跨域切换是经常遇到的仿真场景，但m o b i w 撕却对其支持性不好； 2 返回路由可达过程( 砌心) 是m i p v 6 中一种重要的安全机制，但是当前的 m o b i w 缸却对砌冲的仿真存在着很大的不完善，影响仿真的研究与分析； 3 n e m o 是当前的一个研究热点，当前的m o b i w n 已支持了n e m o ，但仍 存在着很多问题，表现为移动子网内部的节点不具有移动性以及n e m o 仿真中存 在着诸多信号干扰问题； 4 w i m a x 模块添加到n s 2 中，和m o b i w 抽存在着冲突。 根据上述所要研究的内容和需要解决的关键问题，全文的结构安排如下： 第一章，简要依次介绍了课题的研究背景，该课题研究的意义，国内外研究 现状以及本文的研究内容和论文结构安排。 第二章，对n s 2 和m o b i w a l l 的架构进行分析。首先对n s 2 进行简介。然后 分析了其仿真实现原理，介绍了利用n s 2 进行仿真的层次，分析了其核心思想， 对n s 2 中的仿真构件进行了描述。明白了仿真实现原理后介绍了如何利用n s 2 进行仿真配置。随后研究了m o b i w 吼对m i p v 6 的仿真原理。从m o b i w a n 的核心 思想入手，讨论了移动信息缓存、协议处理模块和其中的节点结构。对m o b i w 撕 的整个仿真机制进行研究后，接着阐述了在现有的m o b i w a n 中仿真m i p v 6 和 n e m o 的不足和缺陷。 第三章，对m i p v 6 的仿真进行详细研究分析。首先介绍了i p v 6 和m i p v 6 协 议的规范，然后较为详细的论述了对m i p v 6 的仿真工作机制，指出存在的问题， 重点研究了m o b i w 如中的跨域切换和返回路由可达过程仿真不足之处，然后根据 协议规范提出了改进方法，并对改进后的仿真进行仿真验证。 第四章，对n e m o 仿真研究及m i p v 6 和n e m o 的整体仿真。在前面对m i p v 6 改进后的基础上，详细分析了m o b i w 抽对n e m o 的支持。首先研究了n e m o 的 协议规范，然后分析了m o b i w 抽对n e m o 的仿真机制。针对现有仿真机制中的节 点不具有移动性和信号干扰的问题，本文提出了改进方法，并对改进后的方法进 行了仿真验证。 第五章，m i p v 6 和n e m o 垂直切换仿真研究。在前面工作的基础上，深入研 究包含垂直切换的更复杂的网络场景。主要针对的是w i f i 和w i 两种无线网 络的垂直切换，首先对两种无线网络标准进行了介绍。然后将w i 心模块添加 到n s 2 中，解决了w i 撇模块和m o b i w a i l 之间的冲突问题，并对添加的w i 删 模块和m i p v 6 结合起来进行了验证。随后对存在移动节点和移动子网的垂直切换 这样一种更复杂的网络场景进行了链路划分，为进一步研究垂直切换打下了基础。 8 基于n s 2 的m i p v 6 和n e m o 仿真研究 第六章，总结与展望。对全文所做的工作和创新点进行了总结，同时对下一 步工作做出了展望。 第二章n s 2 和m o b i w 抽的架构分析 9 第二章n s 2 和m o b i w a n 的架构分析 n s 2 ( n e 觚o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 是一款基于u i l i x 操作系统的网络仿真平 台。最早在1 9 8 9 年由美国的一个科研项目在r e a ln 咖o r ks i m u l a t o r 仿真软件的 基础上开发，于1 9 9 5 年得到施乐公司( x e r o x ) 的支持，加入v i n t 项目。经过近 2 0 年的发展，期间经历了若干个不同的科研项目的资助，并且得到了其他几个独 立项目提供的重要支持，比如由u c b 的d a e d e l u s 项目、c m u 的m o n a r c h 项目和 s u l lm i c r o s v s t e m s 联合开发的无线模块。考虑到用于仿真m i p v 6 的m o b i w n 补丁 在n s 2 版本中最高是n s 2 2 8 ，因此作者所在的项目组使用的n s - 2 是此版本，如 图2 1 所示为n s 2 套件n s a j l i n o n e 一2 2 8 中的所有代码包。 配合g t i t m 配置大型网络拓扑 动画模拟 n s 2 主体 t c i 对面向对象的支持 配合g t - i t m t c i 脚本语言 o t c l 与c 抖的接口定义 t c l 对g u i 的支持 图表分析工具 配合的m 图2 1n s - 2 套件中的各个代码包 上图中各大模块说明如下： 1 c 、e b ：与网页相关的工具。 2 q i t n l ：g ti n t e m e t 、0 r kt o p o l o g ym o d e l s 的简称，产生模拟i n t e m e t 网络 结构的拓扑图，还提供了一些例子。 3 n 锄：即u c b l b n ln e t w o r ka i l i m a t o r ，它与n s 协同工作，将n s 仿真 过程动态表现出来。 4 i l s ：n s 的主体代码，包含各个仿真模块。 5 o t c l ：m i to b i e c tt c l 的简称，是t c 朋【面向对象编程的扩展。 6 s g b ：s t a n d f b r dg r a p h b 2 u s e 的简称，图形产生器。 7 t c l ：t c l 提供了一个强有力的平台，可以生成面向多种平台的应用程序、 协议、驱动程序等等。它与t k ( t o o l l ( i t ) 协作，可生成g u i 应用程序，可在p c 、u n i x l o 基于n s 2 的m i p v 6 和n e m o 仿真研究 和m a c i n t o s h 上运行。t c l 还可用来完成与网页相关的任务，或是为应用程序提供 强有力的命令语言。 8 t c l c l ：此目录下含t c + + 的接口。 9 t k ：与t c l 协调工作的图形工具包。 1 0 x g r a p h ：x 伊a p h 是x - w i n d o w s 应用程序，包含：交互式测量和绘制动画 效果。 1 1 z l i b ：通用数据压缩库( d a t a c o m p r e s s i o n1 i b r a r y ) 。 其中最主要的是1 1 s 2 2 8 。所有的协议仿真模块都在该代码包中定义，而其它 的代码包则是n s 2 发展过程中添加的各种仿真分析工具。 2 1n s 一2 概述 n s 2 实现了对许多网络协议的模拟，如t c p 、u d p ，以及数据源发生器如f t p 、 c b r 、v b r 、t e l n e t 、w - e b 等等。n s 2 也模拟了路由队列的管理机制，如d r o pt a i l 、 i 汪d ，实现了d i j k s t r a 和其它路由算法。n s 2 也实现了多播和一些应用于局域网 模拟的m a c 层协议。n s 2 是一种可扩展、可重用、基于离散事件驱动、面向对 象的网络仿真工具。在一个网络模拟中，典型的事件包括数据包到达、时钟超时、 数据包发送等。而一个事件的处理又可能引发后续的事件，例如对一个数据包到 达事件的处理可能引发后面的数据包发送事件。n s 2 所要做的就是不停地处理一 个接一个的事件，直到所有事件都被处理完或某一特定事件发生为止。 n s 2 中有一个“调度器”( s c h e d u l e ) 类，它是事件调度中最为核心的，负责记 录当前时间，调度网络事件队列中的事件，即调用该事件的h a i l d l e 函数执行该事 件【2 7 1 。之后再按事件发生先后顺序调度队列中的其它事件，如此反复执行。n s 2 只支持单线程，某一时刻只能有一件事件被执行。如图2 2 所示为这种离散事件调 度机制： d 嘲叫h 令 图2 2 离散事件调度机制 d a t ap a t h 第二章n s 一2 和m o b i w 抽的架构分析 仅有离散事件调度是不够的，还需要有基本的网络构件才能完成对网络通信 的模拟。在这方面n s 2 已经做了大量的模型化工作，构建了一些通用实体，如链 路、队列、数据包、节点等，形成了n s 2 构件库。 n s 2 由c + + 和o t c l 两种程序设计语言实现。这两种程序设计语言都是面向对 象的程序设计语言。c + + 程序模块的运行速度非常快，是强制类型的程序设计语言 ( 变量严格定义整型，浮点型和字符、字符串类型) ，容易实现精确的、复杂的算 法，但是修改和发现、修正b u g 所花费的时间要长一些；佻l 是脚本程序编写语 言，是无强制类型的。虽然它的运行速度和c 抖的模块相比要慢很多，但它简单， 容易实现和修改，并且容易发现和修正b u g 。因此在n s 2 中用c + + 编写算法，以 o t c l 解释器为前端，用户使用o t c l 库中的对象编写并运行仿真脚本。 源于两种语言的实现方法，n s 2 中的构件一般都是由相互关联的两个类来实 现，一个在c + + 中，一个在o t c l 中。c + + 中的类实现构件的主要功能，o t c l 中的 类则主要提供c h 对象面向用户的配置接口。因此，在n s 2 中，c + + 中的类和o t c l 中的类具有对应关系，两种类的继承关系也应一致。每当实例化一个构件时，都 会同时创建一个o t c l 对象和一个对应的c + + 对象，并且这两个