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东北大学硕士学位论文 摘要 自组织网络仿真平台的设计与优化 摘要 近年来，随着网络技术的发展，自组织网络凭借其独特的结构和广泛使用 潜力，受到越来越多的关注和研究 因为自组织网络的特点，在成本和技术上很难在研究过程中搭建真实的网 络环境，而现行的n s 2 等网络仿真软件主要是基于离散事件状态跳变的思想 对网络的模拟，只能模仿网络的部分特征。另一方面测试床费用高，不易管理。 为此本论文基于集中式控制，分布式运行的思想设计和优化了自组织网络仿真 平台，用以对自组织网络进行仿真，从而避免对实际应用造成损失。 本文对自组织网络仿真平台进行了模块化的划分并进行了编码实现。仿真 平台从整体上分为控制中心和终端节点两大模块。其中控制中心通过用户接口 界面完成仿真过程的控制，仿真动画的显示，通过后台程序实现虚拟拓扑的管 理，仿真数据的处理；按功能划分为用户接口模块、拓扑管理模块、数据处理 模块、图形显示模块、中心调度模块。终端节点在控制中心的控制下，通过对 网络底层和辅助模块的设置，完成仿真自组织网络节点的功能；按功能划分为 终端节点数据过滤模块、数据采集模块、数据回传模块、终端控制模块组成。 仿真平台的设计弥补了以往仿真软件无法提供真实网络信道和测试床无 法全面仿真自组织网络和可控性较差的缺陷，为自组织网络开发者提供一个准 真实、高可控的自组织网络仿真平台。 设计的最后对仿真平台进行了测试，并与经典仿真软件n s 做了相应的比 较，验证了平台设计的正确性和先进性 关键词：自组织网络；网络仿真；虚拟拓扑；网络过滤 一一 东北大学硕士学位论文 a b s t r s c t d e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h es e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r ke m u l a t i o np l a t f o r m a b s t r a c t r e c e n t l y ，d e v e l o p e d w i t ht h en e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e s e l f - o r g a n i z a t i o n n e t w o r ka b s o r b sl o t so fc o n c e r n sa n dr e s e a r c h e sb a s e do ni t ss p e c i a lh i e r a r c h ya n d t h ep o t e n t i a lo fb r o a da p p l i c a t i o n i t ss t i l ld i f f i c u l tt ob u i l dr e a ln e t w o r ke n v i r o n m e n td u r i n gr e s e a r c hp r o c e s s w i t hr e s p e c tt oc o s ta n dt e c h n o l o g yb e c a u s eo ft h es c l f o r g a n i z a t i o nn e t w o r k s c h a r a c t e r i s t i c ，b u ts o m ep r e v a l e n ts i m u l a t i o nt o o l s ，s u c ha sn s 一2 ，a r ea i m e da t s i m u l a t i n gn e t w o r kb a s e da td i s c r e t ee v e n t sa n ds t a t u sh o p p i n gm e t h o d ，a n dt h e y c a no n l ys i m u l a t ep a r tc h a r a c t e r i s t i co fn e t w o r k o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e s tb e di s h i g h c o s ta n dn o tw e l lc o n t r o l l a b l e h e n c e ，i nt h i sp a p e r ，t h es e l f - o r g a n i z a t i o n n e t w o r ke m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi sb a s e do nt h ec o n c e p t i o no fc e n t r a lc o n t r o l a n dd i s t r i b u t i v eo p e r a t i o n ，i sd e s i g n e da n do p t i m i z e da i m i n ga ta v o i d i n gl o s eo f a c t u a la p p l i c a t i o nt h r o u g he m u l a t i o no ft h es c l f o r g a n i z a t i o nn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，t h es e l f o r g a n i z a t i o nn e t w o r ke m u l a t i o np l a t f o r mi sd i v i d e di n t o m o d e l sa n dc o d e df i n a l l y t h ee m u l a t i o np l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot w op a r t so nt h e w h o l e ，i n c l u d i n gc o n t r o lc e n t e ra n dt e r m i n a ln o d e t h ec o n t r o lc e n t e r ，w h o s e f u n c t i o ni st oc o n t r o le m u l a t i o np r o c e s s ，d i s p l a ye m u l a t i o na n i m a t i o nt h r o u g hu s e r i n t e r f a c ea n dm a n a g ev i r t u a lt o p o l o g y ，p r o c e s sd a t at h r o u g hb a c k g r o u n dp r o g r a m ， i sd i v i d e di n t ot o p o l o g ym a n a g e m e n tm o d e l ，d a t ap r o c e s sm o d e l ，g r a p h i cd i s p l a y m o d e l ，c e n t e rs c h e d u l em o d e la c c o r d i n gt of u n c t i o n ；t h et e r m i n a ln o d e ，w h o s e f u n c t i o ni st oe m u l a t et h es e i f o r g a n i z a t i o nn e t w o r kn o d et h r o u g hc o n f i g u r i n g l o w e rl a y e r so fn e t w o r ka n da s s i s tm o d e li nt h ec o n t r o l l i n go ft h ec o n t r o lc e n t e r ，i s d i v i d e di n t ot e r m i n a ln o d ed a t af i l t e rm o d e ，d a t ar e c o r dm o d e l ，d a t at r a n s f e rh a c k m o d e la n dt e r m i n a lc o n t r o lm o d e la c c o r d i n gt of u n c t i o n t h ee m u l a t i o np l a t f o r m p r o v i d e sas e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r ke m u l a t i o n e n v i r o n m e n ti ne f f e c t i v e l ya n dh i g h e rc o n t r o lw a yt h r o u g ho v e r c o m i n gt h ef a u l to f t h ec l a s s i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hc a nn o tp r o v i d er e a l i s t i cc o m m u n i c a t i o n c h a n n e la n dt h et e s tb e dw h i c hc a n te m u l a t ea l lt h es e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r ka n d c a nn o tb ec o n t r o l l e di ne f f e c t i v e l yw a y 一一 东北大擘硕士学位论文 a b s t r a c t f i n a l l y , t h ee m u l a t i o np l a t f o r mw a st e s t e da n dc o m p a r e dw i t hc l a s s i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r en s t h et e s tv e r i f i c st h ec o r r e c ta n da d v a n c e so ft h e e m u l a t i o np l a t f o r m k e yw o r d s ： s c l f - o f g a i z a t i o nn e t w o r k ；n e t w o r ke m u l a t i o n ；v i r t u a lt o p o l o g y ； n e t w o r kf i l t e r 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 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 作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：岳磊 签字 日期：加司毒，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：岳磊导师签名：拳理 签字日期 ：m 万侔i 目 签字日期：2 口呷聋j 厣 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 自组织网络是由一组自主的无线节点或终端节点相互结合而形成的，独立 于固定的基础设施并且采用分布式管理的网络，是一种自创造、自组织和自管 理网络i i 自组织网络定义涵盖很广，最常见的自组织网络形式主要指移动a dh o c 网络和无线传感器网络，而随着无线通信技术的发展，在一些特殊领域的组网 过程中，也形成了自组织形式的通信网络，如空间信息网。 自组织网络最早在军事领域受到广泛关注，现在逐渐推广到民用场合，如 虚拟教室、传感器网络和家庭网络中等。作为一种无线移动网络，自组织网络 与传统的移动网络的一个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。除此以外，它还具有网络的自组性、动态变化的网络拓扑结构、 有限的传输带宽、移动终端节点的局限性和分布式控制等特点【1 2 t 3 4 j 6 1 。 1 1 1 自组织网络特点 与其他通信网络相比，自组织网络具有以下特征【7 , 8 , 9 j ： ( 1 ) 网络的自组性 自组织网络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，形成一个自由移动的通信网络 ( 2 ) 动态的网络拓扑结构 从网络的网络层来看，自组织网络网络中，移动节点可以以任意的速度和 任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相互 干扰因素、地形因素等的影响，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时 都会发生变化。 ( 3 ) 有限的无线传输带宽 ， 无线信道本身的物理特性使自组织网络网络的网络带宽相对有线方式要 低的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声 干扰等因素，这使得实际带宽要小的多。 ( 4 ) 移动节点的处理能力有限性 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 自组织网络网络中的移动节点内存小、c p u 处理能力低、所带电源有限使 得自组织网络网络的设计更加困难。 ( 5 ) 安全性差 自组织网络网络是一种无线方式的分布式结构，所以更加容易被窃听、入 侵、网络攻击和拒绝服务等。 ( 6 ) 网络的分布式 自组织网络网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能，不存在类似于 基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式，增强了网络健 壮性。 综上所述，传统有线和无线网络技术不能直接应用于自组织网络，必须根 据自组织网络的特点加以改进或重新设计 1 1 2 自组织网络的研究热点 目前自组织网络的研究所面临的问题很多，主要包括：路由协议、o o s 保 证、网络信息安全【1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 1 ( 1 ) 路由技术 路由协议是建立自组织网络的首要问题，同时也是主要的研究热点和难点 之一传统的距离矢量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构高度动态变化 的自组织网络。理想的自组织网络路由协议应具有以下性能：分布式运行、无 环路、安全性高、能维护多条链路等等。 目前，关于自组织网络的路由协议有很多中，依据网络逻辑结构，可以分 为平面路由协议和分层路由协议。 在平面路由协议中，所有的节点地位平等，而且通信范围相对较小，但实 现起来比较容易，成本也会相对比较低。在这种网络结构中，比较有代表性的 路由协议有：d s d v 、d s r 、a o d v 等。 在分层路由协议中，网络被划分为簇。每个簇有一个簇头和多个簇成员组 成，多个簇头形成高一级网络，并且负责簇问数据的转发。由于分层结构导致 了网络复杂化，所有相应的路由协议还在研究中 ( 2 ) o o s 保证 自组织网中支持q o s 面临很多问题。 首先链路质量预测苦难，自组织网中使用无线通信进行传输，无线信号传 输面临着路径损耗多径衰落和干扰问题，这些问题与周围环境有关，由于节 点的移动等因素的影响，周围环境不断变化导致预测链路状态质量很困难； 一2 一 东北大学项士学位论文第一章绪论 其次链路带宽预测困难，无线媒介属于广播媒介，信道带宽被周围的节点 共享，周围节点的移动和这些节点业务量的变化使链路带宽很难预测。一 除此之外还包括分布式控制和网络动态性，由于信道使用权使用分布式方 式获得，这导致优先级的保证和资源的预留带有一定的随机性：有三方面导致 网络的动态特性，一是移动设备通常使用电池作为资源，而电池的声明周期有 限，二是节点的移动性，三是网络业务流的动态与不可预测。 ( 3 ) 网络信息安全 在自组织网络中另一个突出问题就是通信安全和保密问题。由于通信是在 无线信道上进行的，节点发送的信息很容易就能被敌方的邻居节点窃听到，并 且受到无线信道变化的影响较大，所以在网络拓扑结构变化、路由协议复杂、 信道参数时变、信息多跳转发传送的情况下，传统的安全机制，如安全密钥和 数字签名等算法就显得不足了。因此，如何在分布式动态网络中信任和识别邻 居，就是当前另一个研究热点 1 1 3 自组织网络的研究手段 目前，自组织网络的研究手段有多种，主要采用分析建模、实验测试和网 络仿真等方法。 ( 1 ) 分析建模 由于分析建模是基于数学推导的，有时为了计算的方便，常常采用了条件 假定和建立理想模型等处理手段，这样其推导的结果是不能完全反应现实世界 中的真实情况，另外有些问题也存在数学推导困难的情况【1 4 , 1 5 l 。人们在实际使 用中发现，分析技术只能在一些理想的和比较简单的情况下才能起到较好的作 用，由于自组织网络网络拓扑的复杂性和时变特性，对其性能进行理论评估是 极端困难的 ( 2 ) 实验测试 实验测试是建立一个试验网络来真实模拟网络环境，得到的结果可能更准 确。在国外，已经有不少的研究机构或大学搭建了庞大的测试床，但高昂的造 价和建造的复杂性使其无法广泛应用，而且物理层和m a c 层的技术也不是十 分成熟，现有的专用硬件平台可能很快就会跟不上技术的发展 f 3 ) 网络仿真 网络仿真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 一3 一 东北大学硕士学d - - 仑文第一幸绪论 络性能的网络虚拟技术，它能获取特定的网络特性参数，进而可对网络性能进 行研究和分析，达到改善网络运行状况的目的，以其灵活性、高效性和低费用 等优点而成为网络研究的重要手段，是一种更为可行、方便、高效的性能验证 和分析方案并广为应用 1 2 现有主流的网络仿真软件和测试平台及其不足 目前，使用最广泛的网络仿真工具n s 2 、o p n e t 等等。这两款软件的差 别很大，本论文用户的角度对各自的特点分别介绍。另外，几种较知名的自组 织网测试平台也会有所介绍。同时，他们各自的研究侧重以及存在的一些问题 也会在论文中阐述。 1 2 1 主流的网络仿真软件 ( 1 ) n s - 2 n s 2 源自r e a l ，最初由伯克利加州大学和v l n t ( v i r t u a l i n t e r n e t t e s t b e d ) 项目组开发，是一种着眼于测试和验证当前和未来因特网协议的全网络仿真 器后由卡内基梅隆大学的m o n a r c h 项目组扩展以提供对无线网络的支持 【l 们。 n s 2 是一个用c + + 语言编写的、面向对象的、离散事件驱动的网络仿真 器，它使用o t c l ( o b j e c tt o o lc o m m a n dl a n g u a g e ) 作为命令和配置接口。n s - 2 提供一个分离编程模型( s p l i tp r o g r a m m i n gm o d e l ) 。即采用系统编程语言c + + 和 脚本编程语言o t c l 共同开发。 在此模型中，n s 2 作为o t c l 脚本解释器，由调度中心、网络组件对象和网 络组装模块库组成。其中，调度中心和网络组件，即协议的详细化实现( 例如包 处理) 由c + + 完成，从而可以高效地管理字节和包头，并实现在大量数据集合 上的算法；仿真配置由t c l 实现，以便迅速改变配置参数和设置场景，使性能 和灵活性得到均衡。 n s - 2 中无线模型的核心为移动节点对象，它是一个分离对象。c + + 类中的 m o b i l e n o d e 从父类n o d e 中派生，实现包括节点移动、周期位置更新、维护拓 扑边界等移动属性，而类似分类器、分用、链路层、m a c 、信道等网络组件的 组装则由o t c l 完成。移动节点、选路机制和网络组件为移动节点构造协议栈。 网络组件主要包括信道、网络接口、无线传输模型、m a c 协议、接口队列、 链路层和地址解析协议模型 1 7 , i s l 一4 一 东北大学项士学位论文 第一章绪论 现在不但提供了无线网络的多跳支持而且具有较好的物理层模块和i e e e 8 0 2 1 1 接入层的模型f 1 9 , 2 0 , 2 1 j n s 2 的缺点源自它是开源软件的出身。首先，文档较少且大多陈旧卢所 幸的是，这个问题或许可以通过查看更新很快的新闻组或源代码来解决。其次， 在不同版本间代码的连贯性有时比较缺乏。最后，没有一个很好的工具来描述 模拟场景，以及分析和可视化模拟后t r a c e 文件。通常的工具都是用脚本语言 写的。没有一个通用性的工具可能导致用同一个计量单位，不同的人测量到不 同的数值 n s 2 的学习曲线是很陡峭的，而且因为模拟器的c + + o t c l 分离对象模型 机制，代码调试起来很困难。更大的瓶颈是当模拟成千上百个节点的时候，n s - 2 太耗内存且缺乏可测量性 ( 2 ) o p n e tm o d e l e r 0 p n e t m o d e l e r 是由0 p n e t 公司推出的一款功能强大的网络模拟器。它能 够模拟所有种类的有线网络，也提供了8 0 2 1 1 兼容型m a c 层的实现。尽管 o p n e t 倾向于公司商用，用于分析和重新组织他们的网络，但是通过充用现存 的组件，也可以用来实现某一算法配置的大多数部分是通过层次型的协议开 发者图形界面来组成的【2 甜。 配置过程基本上是按照下面的阶段： 首先，选择和配置在模拟中用到节点模型，比如，一个无线节点，一台工 作站，一个防火墙，路由器或者是w e b 服务器。然后，建立和组织网络，通过 连接不同的网络实体。最后一部是选择模拟过程中需要用到的统计数据。 使用o p n e t m o d e l e r 的难点是，建立协议栈中每一个有限状态机。从伪代 码算法很难抽象出状态机。但是不管怎样，状态机是是离散模拟器的最实际的 输入。概括的说，重用许多现存的组件( m a c 层，收发机，链路等等) 来改进 配置过程是有可能的。但是另一方面，任何新的特性必须被描述为有限状态机， 所以调试，扩展和检验都比较困难1 2 3 1 。 n s 2 、o p n e t 等仿真软件可以对网络协议栈各层进行不同粒度的模拟，这 种模拟方式对研究网络的协议和算法有很大的益处；可以从仿真数据中获取路 由开销等数据，用来评估网络协议的各个方面的特性。所以对于验证协议和算 法的正确性，对协议和算法进行量化分析和统计，使用n s - 2 这类仿真平台是最 好的选择。但是该类仿真软件是基于算法和协议正确性方面的模拟，对于协议 在实施阶段的测试和验证确是无所适从，所以应有专门的方法或测试工具来验 证协议实施的正确性。 - - 5 东北大擘硕士学位论文 第一幸绪论 1 2 2 自组织网络测试平台 全世界已经有很多研究者为他们的实验搭建了无线移动测试床( t e s tb e d ) ， 有一些架设的是全规模的无线局域网，仅仅用于试验的目的。有一些测试床试 图减少用于布置整个测试环境的物理空间，但不牺牲物理信道的本质特性。 ( 1 ) c m u d s r l 2 3 l 用来测试无线自组网中动态源路由协议d s r 的，该测试床设计了5 个移 动节点，2 个静态节点，分布在7 0 0 m * 3 0 0 m 的区域内。把笔记本电脑放在移动 的车中来充当移动节点。 ( 2 ) a p e 2 4 l ( 无线自组网协议评测床，自组织网络p r o t o c o l e v a l u a t i o n t e s t b e d ) 用于对不同路由协议进行比较性的研究，与其他任何多跳无限测试床类 似，a p e 也使用大空问分布节点。节点是通过人工放置的，拓扑是通过a p e - v i e w 辅助生成的，a p e v i e w 是记录驱动的动画工具，用于显示节点的方位和连接 性。通过让志愿者带着笔记本按设计好的路线移动来获得节点的移动性 ( 3 ) e w a n t 2 5 】( 无线自组网仿真测试床，e m u l a t e dw i r e l e s s 自组织网络 n e t w o r kt e s tb e d ) 、 用于提供一个廉价的无线研究环境，使用衰减器和屏蔽来缩减无线电的传 播范围，把一个p c 卡和4 个外部天线通过1 ：4 射频分频器连接，并切换这些 天线之间的传输。 这三个测试平台有其各自的特点，但是缺点也很明显。一是配置困难，费 用很高，二是需要有志愿者，在室外较大范围的移动，不方便控制管理。三是 节点个数不易扩展，只能适用于节点较少的情况下此外，由于这些测试床大 多基于地面装置，只能做近地自组织网络的仿真，对于空间网络的仿真，则无 能为力 1 3 本文的研究内容 为了实时高效的仿真实现自组织网络的运行情况，吸收上述模拟软件在过 程控制方面的优势，同时不丧失真实的无线传输特性，吸收测试床的在仿真环 境真实性方面思想，又避免成本过高，配置复杂，难于控制管理的缺点，本文 设计并实现优化了一个自组织网络仿真平台。该仿真平台基于分布运行并集中 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 控制的思想：在各个分布式终端节点运行真正的自组织网络节点程序和路由协 议，而在中心控制端通过虚拟移动和虚拟拓扑管理控制各个分布式终端节点来 仿真复杂的自组织网络的网络和节点场景。从而克服了n s 2 、o p n e t 嗨仿真 软件的真实性上的缺陷和原始测试方式效率低下等问题。本文称该仿真环境为 s e p - - - - s e l f - o r g a n i z a t i o nn e t w o r ke m u l a t i o np l a t f o r i b ，自组织网络仿真平台。 本论文其他部分包括以下内容：第二章首先对本仿真平台的整体设计思想 和平台控制中心与终端节点的设计思想做了概要论述；第三章介绍了本仿真平 台控制中心的详细设计过程及所用到的关键技术。并对控制中心各模块的设计 与优化进行了详细的论述；第四章介绍了本仿真平台终端节点的详细设计过程 及所用到的关键技术，相应的对终端节点各模块的设计与优化进行了详细的论 述；随后，第五章对仿真平台的设计结果进行了验证，说明了本仿真平台的可 用性与先进性。第六章是全文的总结，以及在今后工作中需要完善的地方。 一7 一 东北大擘硕士学位论文第二章s e p 整体设计 第二章s e p 整体设计 本章将论述s e p 仿真平台所采取的主要思想，通过对初期设计结果的分析， 提出了s e p 的设计与优化方案，并分别介绍了控制中心和终端节点两大部分的 设计与优化思想。 2 1s e p 设计思想 无线传输的性质，导致了自组织网络仿真的困难。因为每个无线节点都有 其自己的传输距离，以及单向传播问题的存在，几乎没有一个节点能在同一时 刻与网络中所有的节点直接通信，也就是说，无法对网络中所有节点进行实时 的监控和管理。 图2 1 自组织网络仿真平台原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo fs e p 通常的网络仿真软件是从理论上抽象网络特征，并只是对网络程序或路由 协议进行算法级的验证，并未考虑到网络实施阶段的验证和测试。而由于网络 一9 一 东北大学硕士学位论文第二幸s e p 整体设计 的地域性、拓扑的复杂性和较小的问题再现性，使得在最后的实施阶段，对网 络的测试难度大、效率低。 本文所提出的s e p 解决方案正是为了解决用户开发过程中在网络实施阶 段遇到的问题，它是对自组织网络实现阶段的网络场景进行仿真，这是对n s 2 仿真平台和测试床的有效补充。 s e p 的原理图如图2 1 所示。s e p 采用一个控制中心，多个终端节点，基 于有线或无线信道，采用控制中心集中控制，终端节点分布运行的思想，使单 跳仿真多跳，达到白组织网络的网络场景目的。 2 1 1 中心控制 中心控制的思想的提出是为了方便用户在仿真测试时，能够对仿真过程相 关的动作进行实时的控制与查看。 邻居节点m a c 地址列表是由控制中心控制管理，控制中心节点与其它终 端节点保持实时通信，但是不参与路由的转发，而是作为控制和监视其它节点 的管理平台。 如图2 1 所示，在控制中心工作的时候，维护一个虚拟网络拓扑，实时调 度网络中的节点：当网络拓扑中的节点按内置或自定义规则移动之后，控制中 心负责通知相关的终端节点更新自己的邻居节点m a c 地址列表由于这样的 集中控制特性，控制中心能够实时的搜集到各个终端节点的路由信息与数据信 息，能够在实时控制仿真过程的启动停止以及各终端的网络行为参量，并且能 够在仿真结束后进行结果数据的统一收集与分析，避免了普通测试平台效率低 下，人员流动性大，不易管理，问题再现性小的缺点。克服测试床以及其他测 试方法的不足，增强仿真过程的可控制，可回放特性。 2 1 2 虚拟多跳 每个终端节点的网络协议栈嵌入一个网络行为过滤器，如图2 1 中节点1 所示，任何进入终端节点协议栈的数据包，在路由之前都需要经过网络行为过 滤器的处理。 在网络行为过滤器中，维护着该节点可直接通信的邻居节点的m a c 地址 和链路相关状态列表。每个数据包到达时，首先根据数据包的特性填充记录缓 冲区，并把缓冲区记录写入结果文件，然后判断其来源是否在m a c 地址列表 中存在，如果存在则过滤器根据链路状态让其通过，否则丢弃该数据包。 通过这样的设置，可强制两个原本可以直接通信的终端节点必须经过路由 一1 0 东北大学硕士擘位论文第二章s e p 整体设计 协议的选路，通过其它节点的中转进行通信，这是s e p 中共享单跳网络模拟成 多跳的、复杂的自组织网络拓扑结构的基本原理。一： 由这样一些潜入了网络过滤器的节点组成的网络拓扑定义为虚拟拓择，以 区别与仿真平台实际运行的网络拓扑 2 2s e p 初期设计结果分析 到2 0 0 5 年9 月为止，s e p 的设计已经有了一定的初步成果。下面将对原 有设计成果进行分析。 ( 1 ) 原有设计成果 原有设计已解决的问题集中在终端节点网络行为过滤模块。使用n e t f l l t c r 架构实现了对邻居表的相关操作其主要思想是在终端节点t c p i p 协议栈内 核网络层模块中嵌入检查数据接口，有目的的设置限制，运用成熟的防火墙规 则设计思想，设置一定的障碍，使数据包在一定的控制之下达到上层路由协议 中，阻止那些不在规则表( 也就是所说的邻居表) 中的数据包的进入，从而实 现拦截虚拟拓扑中不能通信节点的数据包的功能 ( 2 ) 未完成工作 由以上分析可知，初期设计主要完成了终端节点网络行为过滤模块的设 计，如果想构成一个可控制，易回放的自组织网络仿真平台还需要做以下工作。 控制中心节点主要需要做以下工作： 为协议开发者提供一个通用易操作的界面； 为协议开发者提供易用网络拓扑定制方案； 为协议开发者提供仿真的过程的控制功能； 为协议开发者提供协议性能分析功能； 完成虚拟拓扑信息分发； 完成数据处理( 数据的协同收集以及数据结果的分析) ； 完成全权终端节点控制； 终端节点主要需要做以下工作： 提供终端守护进程，接收控制中一f i , 信息，完成仿真过程终端节点的统一控 制； 优化终端节点网络行为过滤模块，完成与路由协议的协同工作与邻居表的 操作； 完成仿真过程的数据记录； 完成仿真过程真实数据流的生成； 一1 1 东北大学硕士学位论文第二幸s e p 整体设计 完成仿真完成后数据结果的回送。 本文以下章节将就以上需要完成的功能展开论述，最终设计出一个方便， 易用，正确，高效的自组织网络仿真平台 2 3 设计与优化方案概述 经过对初期设计结果分析，本文提出了需要进一步解决的问题。利用模块 化和面向对象的设计思想，对控制中心及终端节点的划分更详细的模块化划 分，每一部分相对独立，之间通过统一定义的接口连接，增强可扩展性。设计 主要分为两部分，终端节点和控制中心节点。仿真系统网络结构采用基于交换 机的有线星形网络拓扑，如图2 2 所示。 节点i节点2 节点n 控制中心 图2 2 自组织网络仿真平台网络结构 f i g 2 2n e t w o r ks t r u c t u r eo fs e p 节点机可以是笔记本或台式微机，控制中心节点为工作站或服务器，必须 具有较强的数据处理能力下边两节主要介绍控制中心节点和终端节点的设计 思想 2 3 1 控制中心设计与优化方案概述 控制中心的设计主要考虑平台的易用性，实现用户能够在控制中心完成所 有工作步骤的想法。控制中心主要实现以下功能：图形化用户接口界面，虚拟 拓扑管理，仿真过程后台数据处理，控制中心仿真过程控制与终端节点仿真过 程控制，仿真过程动画显示。这些功能将使用面向对象的设计思想实现。 控制中心提供一个完全可控可再生的网络拓扑环境，自组织网络路由协议 和节点程序可以在准真实的网络环境或者动态的网络环境中得到测试与评估。 节点的移动方式可以通过程序加以实现，节点的移动模型可以再配置，增加删 除节点方便。仿真过程中用户通过定制网络节点模型，动态生成网络拓扑并交 由网络拓扑管理模块，网络拓扑模块根据这些信息不断的生成相应虚拟自组织 一1 2 东北大擘硕士学位论文 第二章s e p 整体设计 网络的拓扑信息，通过调度中心和数据处理模块进行信息的分发，在仿真过程 中用户可以动态的对虚拟节点信息进行查看，通过用户接口界面对仿真过程加 以实时的控制。仿真结束后，可以方便的通过用户接口界面连接后台数据处理 模块的数据收集子模块进行数据的收集，而后还可以再通过相应的数据分析子 模块进行相应的性能分析并得到相应的性能分析图，方便协议开发者对协议的 性能进行的比较与分析。 这些功能并不是完全独立的，而是相互关联的，而这些模块间的联系通过 控制中心的中心调度器实现。通过各个模块的连接最终实现为用户提供一个友 好高效的接口界面，用户可以在可视化界面的环境下，方便的完成自组织网络 的仿真与分析，其中主要包括：仿真拓扑设计，仿真过程控制，仿真结果分析 等工作。控制中心还集成了多种常用路由协议性能分析功能，方便自组织网协 议开发者对协议进行全方位的测试与评估。克服了以往模拟软件及测试床的在 协议测试阶段的不足。 2 3 2 终端节点设计与优化方案概述 终端节点在仿真过程充当准真实的自组织网络节点，为了用户操作，终端 节点在加载以后的运行规则和在仿真过程中的其他行为由控制中心统一调度 控制，其目的是使用户在能够在控制中心完成仿真过程所有的相关操作。终端 节点主要实现以下功能：终端节点网络行为过滤，仿真过程数据采集，仿真过 程控制，仿真结果回送。 当仿真系统启动后，仿真过程控制模块守护程序启动并等待与处理控制控 制中心的控制信息。当控制中心有启动信息到来后，守护进程启动路由协议和 终端节点网络行为过滤模块，进行准真实自组织网络节点的仿真，相应的启动 仿真过程数据采集模块，对所有经过的网络接口的数据进行实时记录。 仿真结束后，仿真过程控制模块守护程序接收到停止信息时，立即停止网 络行为过滤模块和仿真过程数据采集模块，并启动数据回送模块，为数据的回 传做好准备，当控制中心请求回送数据时，数据回送模块立即将仿真过程记录 的结果数据逐条回传给控制中心，然后退出数据回送模块，回到仿真过程控制 模块守护程序，等待下次仿真的开始，直到系统关闭 2 4 小结 本章对原设计部分进行了分析，提出了设计于优化的方案。介绍了仿真平 台模块化设计的基本思想并对控制中心和终端节点的设计与优化方案进行了 一1 3 一 东北大学硕士学位论文第二幸s b p 整体设计 论述。下面两章将分别对控制中心和终端节点的详细设计进行论述。 一1 4 东北大学硕士学位论文第三幸s e p 控制中心的设计与优化 第三章s e p 控制中心的设计与优化 3 1 控制中心整体设计 控制中心按功能模块进行划分与设计，模块之间采用高内聚，低耦合的设 计思想。主要涉及到的功能有友好操作界面，方便的拓扑定制，直观的过程显 示，简易的结果分析为了实现这些功能由这些功能需要设计以下模块： ( 1 ) 用户接1 3 模块 用户接口模块为仿真平台提供了一个可视化的图形界面仿真环境，它负责 把所有的仿真过程的操作与管理功能以友好的g u ! ( 图形接口界面) 的形式提 供给以用户，并且提供一个仿真过程显示区，方便把仿真的过程以动画的形式 在控制中心界面上直观的展示出来，用户接口模块的功能概括为以下几点： a 1 提供了仿真过程所有控制功能接口和拓扑定制接口； b 、提供了仿真进度显示和仿真过程中节点状态查看功能； c 1 提供了方便的路由协议性能分析功能接口以及丰富的帮助功能。 ( 2 ) 拓扑管理模块 拓扑管理模块的功能是接收用户自定义拓扑信息，动态更新管理拓扑结 构，实时分发拓扑信息给各终端节点。 拓扑管理模块主要包含虚拟节点的设计，虚拟拓扑的动态管理，虚拟拓扑 场景的存储与回放。虚拟节点模型是虚拟拓扑场景实现的基础，虚拟节点模型 建立自组织网络节点的仿真节点模型。虚拟节点的设计包含节点的i d 号，节 点的位置，节点的速度和节点的发送功率等。虚拟拓扑的动态管理完成虚拟拓 扑的动态更新，实时产生虚拟节点信息并进行存储，为终端节点提供的网络行 为提供实时的规则标准 ( 3 ) 数据处理模块 数据处理模块主要负责仿真过程与终端的通信，以及完成仿真后的数据收 集与结果分析( 为自组织网络路由协议开发者提供多种路由协议性能分析脚本 程序) 。该模块是控制中心控制终端节点的基础，通过数据处理模块，进行网 络行为规则的分发，终端节点的启动运行与停止仿真，以及数据回送。为控制 仿真过程提供了统一方便的操作接口。 ( 4 ) 图形显示模块 图形显示模块实现动态拓扑的图形显示，以及仿真结果性能分析曲线的图 一1 s 一 东北大学硕士擘位论文第三章s e p 控制中心的设计与优化 形显示把后台需要的显示的图形及数据及时快速的进行坐标转换和前台显 示 ( 5 ) 中心调度模块 中心调度模块是整个控制中心的核心部分，它负责整个仿真的过程的事件 调度，与控制中心所有模块相关联。控制中心在启动后，调度中心就开始工作， 之后的所有前台事件的相应和后台程序的执行都在调度中心的控制下完成。中 心调度模块主要完成动态更新协调控制中心时间，为拓扑管理提供时间标准， 协调前后台程序的连接，协调控制中心与终端节点的通信，协谭仿真结果的分 析 控制中心各模块之间的关系如图3 1 所示控制中心在中心调度模块的协 调下运行，各模块i 田的通信通过控制中心控制执行 图3 1 控制中心模块关系 f i g 3 1r e l a t i o na m o n gm o d e l so fc o n t r o lc e n t e r 3 2 控翩中心各模块详细设计及关键技术 3 2 1 用户接口模块设计 ( 1 ) 用户接口模块功能 用户接口模块提供了一个可视化的图形界面仿真环境。集成所有仿真中常 用的功能到用户接口界面上，包括仿真过程控制，终端控制，拓扑自定义，功 能键、对话框，帮助功能等，并且把仿真的过程以动画的形式在控制中心界面 一1 6 东北大学硕士学位论文 第三幸s e p 控制中心的设计与优化 展现出来，同时提供进度显示、节点状态显示等窗体，为使用者提供一个友好 与高可用性用户接口界面。 ( 2 ) 用户接口模块实现方法 为设计易用的用户界面，并考虑与终端实现的兼容性，采用基于l i n u x 图 形图形库q t 做该模块的设计。 q t 是跨平台的c + + 图形用户界面工具箱，它是挪威t r o l lt e c h 公司的标志 产品1 2 6 1 。o t 工具箱有三种不同的版本，一种是专业版( p r o f e s s i o n a le d i t i o n ) ， 另一种是免费版( f r e ee d i t i o n ) ，还有一种是嵌入式免费版( e m b e d d e df r e e e d i t i o n ) 。由于q t 是一个跨平台的g u i 工具箱，它确保了软件非常方便的应 用与绝大多数操作系统本文采用免费版，因为这样更易于更新和节省成本。 q t 图形库的特点及优越性： a 1 支持多平台 q l 是一种跨平台的工具包，它对编程者隐藏了在处理不同窗口系统时的潜 在问题。使程序员避免了在文件处理、时间处理等方面存在的依赖操作系统的 细节问题。q t 的跨平台能力非常强。用它开发出来的软件可在m sw i n d o w s 系 列和u n i x l l 系列等操作系统上进行方便地移植。 b 1 国际化支持好 所谓国际化，通俗的讲，就是指在某国开发的软件可以方便的被其它国家 的人使用。q t 为本地化应用提供完全的支持，所有协议开发者界面文本都可以 基于消息翻译表被翻译成各国语言。另外，q t 完全支持双字节1 6 b i t 国际字符 标准。 c 1 面向对象【2 7 l q t 是一个c + + 工具箱，它由几百个c + + 类构成。q t 具有模块设计和注重 软件构件或元素的可重用性的特点一个组件不需要知道它的内容，而通过 q t 特有的s i g n a l s l o t 机制与外界通信、交流 d 1 高性能的工具 q t 提供了一个可视化的开发工具q t d e s i g n e r ，使用该工具就像在w i n d o w s 中使用v i s u a l c + + 那样可以直接向项目中添加各种组件，而不需要一步一步地 编写代码，这个特点是其它非可视化编程工具望尘莫及的。这些帮助不论是对 于初学者还是专业人士，无疑都是非常方便的。 q t 的强大功能主要体现在以下几方面：拥有一套完整的组件，用户可以直 接基于这些现成的组件开发出优秀的界面：拥有丰富的a p i 函数，大概有2 5 0 多个c + + 类。 一1 7 东北大学硕士学位论文 第三