（计算机应用技术专业论文）dtn网络单播路由协议emulation技术与实现.pdf

中文摘要 网络仿真 e m u l a t i o n 作为网络协议的实验验证和性能评价方面一种重要的 实验方法 是网络模拟和实验床两种方式的结合 它可以使研究人员在有限的实 验室条件下模拟出较大规模的网络环境 为网络研究工作提供很大的便利 d t n 网络是无线网络研究的新课题 随着它的不断发展 各个研究方向 尤其是单播 路由协议的研究不断深入 但是目前仍然缺乏针对d t n 路由协议的网络仿真器 针对这个问题 作者设计并实现了一个用于进行d t n 网络路由协议仿真实验 的仿真器 本文充分研究了目前已经存在的基于流量整形 基于无线a d h o c 网 络的各类仿真器的工作原理 在此基础上 结合d t n 网络的特点 提出对现有的 q u a l n e t 网络模拟器进行功能扩展 通过划分目标网络 使用多q u a l n e t 实例和 多真实主机 进行较大规模网络仿真 仿真器实现了真实节点与虚拟节点的映射 处理 调整q u a l n e t 事件调度逻辑以支持真假网络时间同步 利用l i b p c a p 库 进行真实网络数据包的截获和输入预处理 利用l i b n e t 库 进行虚拟网络数据 包向真实网络中的传输和输出预处理 同时 针对d t n 网络节点移动造成的动态 拓扑特性 编写q u a l n e t 端和i p t a b l e s 端的过滤脚本 实现动态拓扑管理 本文通过构建一定的实验场景 在单q u a l n e t 实例和多q u a l n e t 实例下 对 本d t n 网络仿真器进行了功能测试 同时 针对网络规模和业务流量两种指标 对本仿真器进行了性能测试 实验结果表明 该d t n 网络仿真器能够有效的进行 d t n 网络路由协议的仿真实验 可以作为研究人员进行d t n 网络研究的一个有用 的工具 关键词 网络仿真延迟容忍网络d t nq u a l n e t a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tm e t h o do fn e t w o r kp r o t o c o lv a l i d a t i o na n dp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o n n e t w o r ke m u l a t i o nc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t hn e t w o r ks i m u l a t i o n a n dn e t w o r kt e s t b e d i tc a nh e l pr e s e a r c h e rb u i l dr e l a t i v e l yl a r g e s c a l et a r g e tn e t w o r k i nas m a l l l a b e n v i r o n m e n tr e a ln e t w o r k d e l a yt o l e r a n tn e t w o r kh a sb e c o m ea l l i n c r e a s i n ga c t i v er e s e a r c ha r e ad u r i n gt h el a s ts e v e r a ly e a r s a st h ed e v e l o p m e n to f d t n m u c he f f o r th a sb e e np a i di nm a n ys u b j e c t s e s p e c i a l l yi nu n i c a s tr o u t i n g p r o t o c 0 1 h o w e v e r c u r r e n t l yt h e r ei ss t i l ll a c ko fe m u l a t o ra i m i n ga te m u l a t i o no f d t nu n i c a s tr o u t i n gp r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r w ed e s i g na n di m p l e m e n tan e t w o r ke m u l a t o rf o rd t nu n i c a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 a f t e rr e s e a r c h i n go fe x i s t i n ge m u l a t o rb a s e do nt r a f f i cs h a p i n ga n d m a n e t t a k i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fd t n i n t oc o n s i d e r a t i o n w ep r o p o s eam e t h o do f e m u l a t i o nt h a te x t e n d st h ef u n c t i o no fq u a l n e ts i m u l a t o r p a r t i t i o n st h et a r g e tn e t w o r k a n du s e sm u l t i p l eq u a l n e ti n s t a n c e sa n dm u l t i p l er e a lh o s t s t h em a i np o i n t so ft h e e m u l a t o ri n c l u d e i m p l e m e n tt h em a p p i n go fr e a la n dv i r t u a ln o d e i m p r o v i n gt h e e v e n ts c h e d u l e rt o s y n c h r o n i z es i m u l a t i o nc l o c ka n dw a l l c l o c k c a p t u r i n ga n d p r e p r o c e s s i n gp a c k e tf r o mr e a ln e t w o r kw i t hl i b p c a p p o s t p r o c e s s i n ga n di n j e c t i n g p a c k e tf r o mv i r t u a ln e t w o r kt or e a ln e t w o r kw i t hl i b n e t a n dw r i t i n gp a c k e tf i l t e r i n g s c r i p ti nq u a l n e ta n di p t a b l e sf o rd y n a m i ct o p o l o g ym a n a g e m e n tt os o l v et h e p r o b l e mc a u s e db yn o d em o b i l i t y b ys e t t i n gu ps e v e r a lw i r e l e s sn e t w o r ks c e n a r i o s w ec o n d u c tf u n c t i o n a lt e s t so n t h ed t ne m u l a t o rw i t hs i n g l ea n dm u l t i p l ei n s t a n c e so fq u a l n e t t h e nw ed o p e r f o r m a n c ee v a l u m i o no ni t w i t hs c a l eo fn e t w o r ka n dn e t w o r kt r a f f i ca sm e t r i c s t e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ed t n e m u l a t o rp e r f o r m se f f e c t i v e l ya n de f f i c i e n t l yo nt h e e m u l a t i o no fd t nr o u t i n gp r o t o c 0 1 w eb e l i e v ei tw i l lb eau s e f u lt o o lf o rd t n r e s e a r c h k e yw o r d s n e t w o r k e m u l a t i o n d e l a yt o l e r a n tn e t w o r k q u a l n e t d t n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨鲞蓉堂或其他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 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 7 好 1 赕签字同期 沙9 年占月 f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留 使用学位论文的规定 特授权丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向囡家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 3 啦是导师签名 企厶 9 签字同期 泗f 年二月 f 同 签字h 期 h 1 年 户月2 7 同 第一章绪论 1 1 网络模拟概述 第一章绪论 随着网络技术的发展 现实中应用的网络类型不断丰富 网络规模不断扩大 越来越多的网络应用程序和协议纷纷出现 这些程序和协议对于网络运行环境的 需求各不相同 在网络高速发展的今天 这些协议和应用程序的功能测试 性能 测试给网络研究者们提出了新的挑战 如何准确 全面地对某种网络 某款网络 应用程序或者某个路由协议进行各方面测试和评价 并能快速的得到评测结果反 馈 是当前网络性能测试工作中面临的一个日益严峻的问题 目前 随着网络实验的需求不断丰富 细化 关于网络性能评价技术的研究 也进一步得到了深入的开展 在进行网络研究的过程中 研究者们进行测试 评 估和验证的方法主要有以下三种 l j 一 建立研究网络的数学模型加以分析 对所要研究的目标网络进行建模 就是要根据研究对象以及它所依存的网络环境进行初步的分析 根据一定的限定 条件和合理假设 对研究对象和系统进行规范的数学描述 从而抽象出研究对象 的一个较为完备的数学分析模型 这种方法主要通过数学推理证明 并根据推理 结果与现实中的实例或者是仿真的结果进行比较研究 来验证抽象出的网络模型 的正确性和精确度 同时 根据比较结果对模型进行求精 细化 最终得到一个 成型的网络模型 从而针对现实网络问题进行解答 这种研究方法从理论上来说 是最完美的 它具有一定的灵活性 不受各种软件和硬件条件的限制 但是其模 型的准确性和精确性也许无法完全符合现实网络环境的要求 研究者建立模型的 时候 受到假设的限制很大 由于现实网络环境 尤其是无线网络 受n 多 i 界环 境的影响较大 各种网络参数的特征比较复杂 研究者们一般都对网络系统的某 些部分做一定的假设以简化模型 从而减低了模型的精确性 当网络环境非常复 杂 网络规模非常大的时候 这种缺点尤其明显 所以这种方法比较适用于网络 节点协议的理论研究 已经小规模简单网络的数据分析 不太适合大规模网络的 研究工作 二 网络模拟 s i m u l a t i o n 它指的是研究者开发或使用某种网络模拟软件 来搭建目标网络的模型 通过模拟网络中的不同元素 如网络节点 节点的拓扑 结构 节点的移动模型 协议栈等等 以及各种元素之间的相互作用 将现实网 第一章绪论 络中的数据行为 在模拟软件中进行重现 并根据模型运行产生的结果进行分析 研究 这种方法是一种在人工的环境中使用软件来模拟网络环境 描述网络模型 运行的过程 这种软件统称为网络模拟器 s i m u l a t o r 它将一个完整的虚拟网 络 建立在一个运行该模拟软件的主机上 以此模拟整个网络的业务行为 这种 方式可以比较方便的生成一个可控性强 可重现的网络环境以及在该网络中运行 的网络协议 数据流等 因此 它具有实验简单 成本低等优点 不过 由于网 络模拟的依据同样是抽象的网络模型 它也无法做到精确地模拟真实网络环境 导致模拟实验的结果可信度不是很高 另外 所研究的网络协议要在模拟器中运 行 必须编写适用于特定模拟器的代码 由此得出的运行结果可能会与在真实网 络中得到的结果有一定的差别 三 构建全真试验床 这种方法是通过在真实网络环境中 在真实的主机上 适应于该节点上的硬件设备 操作系统等一系列运行环境 编写网络应用程序 网络协议的真实实现 并运行真实的数据流 分析网络协议或程序 从而对网络 性能 网络协议或程序的行为进行研究 这种方式是最能客观反映所研究对象在 网络环境中的最终运行效果的 但是 随着现在网络协议越来越复杂 各种新型 网络的出现 网络拓扑结构的构建难度加大 都使得这种实验方式的软硬件成本 不断增加 其次 所建立起来的网络也很难准确产生出需要的网络环境 这种方 式虽然有着对网络协议性能反映的准确性 但是成本高 难以分析 这些原因都 导致它的应用较少 一般也只在实验后期才采用 由这些分析来看 上述方法在网络研究的应用中各有各的优点 但在实验的 精确度 支持网络类型 规模 试验参数的可控性 实验场景的可重复性 受实 验环境的干扰程度 实验过程的复杂性 试验成本等方面 都或多或少有一定的 缺点 为克服这些缺点 研究者提出了一种新的实验方式 网络仿真 e m u l a t i o n 2 1 这种方式就像是网络模拟和实验床两种研究方式的结合 更确切来说 它是这两 种实验方式所具备优点的结合体 在网络仿真实验中 既存在一定数量的真实节 点 也存在一个或者多个执行网络模拟功能的节点 由该节点模拟一定规模的虚 拟网络 真实网络中运行真实的数据流 这些真实的数据流可以与虚拟网络中的 流量进行交互 使真实数据流经受虚拟网络对其产生的延迟 延迟抖动 丢包率 等参数的改变 以及数据包的乱序 冗余复制 同时 虚拟网络中产生的数据包 也可以在到达真假网络的边缘时 由模拟软件负责 发送到真实网络中 参与真 实协议的运行 网络仿真这种方式 继承了网络模拟和实验床的优点 又克服了它们的缺点 真实的网络保证了实验结果的相对准确 提高了网络实验的精确度 实验结果验 第一章绪论 证的可靠性 模拟的网络又避免了实验的复杂性 为进行大规模网络的性能评价 提供了较好的扩展性 因此 网络仿真目前已经发展为一种重要的网络研究方 法 并得到了广泛的应用 1 2d t n 网络简介 基于t c p i p 的传统网络应用 在缺乏有线或者无线网络基础设施时 可以 通过a d h o c 网络路由协议 在稀疏的网络中建立端到端的路径 进行网络分 组的传输 节点不需要做人工干预 就可以即时检测到相邻节点的存在 并通过 相互发送控制消息 进行路由表项的动态维护 在消息从源节点发往目的节点的 过程中 组成消息的每个分组可能使用的是不同的路径 如果某条链路断开了 路由协议会选择另外一条路径将分组发往目的 这些看似必然的过程 其实是基 于一些假设 3 1 源节点和目的节点之间存在一条持续 双向的端到端路径 2 往返的延时短 网络中各个节点之间的往返延迟不是太长 保证m a n e t 路由协议可以及时找到路径 3 比特误码率小 在网络中每个链路上数据丢失或者损坏的几率较小 在动态网络拓扑中 节点密度的变化 节点移动模型等原因 可能造成这种 端到端路径不存在 或者存在的时间很短 并导致a d h o c 路由协议的交互无 法及时建立端到端路径 随着网络规模的加大 节点的稀疏化 路径上节点跳数 的增加都使得传统t c p i p 应用的性能变差 这种动态的稀疏自组织网络 打破 了以上的那些假设 端到端t c p i p 模型不能很好的运行在该网络之上 我们把 这种网络叫做d t n 网络 d t n 网络 4 是近年来无线网络研究的热点问题 它又被称作延迟容忍网络 间歇连接网络 机会网络等 这种网络的产生 主要归因于网络中路由器和节点 的各种形式的移动性 另外 也可能是由网络节点的电源管理或者节点之间的干 扰导致的链路中断所引起的 d t n 网络的应用实例主要有 1 星际网络通信 d t n 网络的研究 来源于对星际网络的研究 2 偏远地区的设备通信 在偏远的贫困地区 往往缺乏足够的网络基础设 施 网络设备之间的距离通常也比较大 网络拓扑结构不稳定 3 稀疏传感器网络的通信 这种网络的特点是网络节点的能量 存储能力 计算能力有限 为了充分利用这些资源 数据有可能根据上述资源的现 状进行选择性调度转发 存在间歇性的连接 由此看来 在d t n 网络中 节点通常缺乏持续的连接 网络节点分布稀疏 第一章绪论 通信范围小 节点间距离大 数据包传输延迟大 链路的丢包率高 针对这些特 点 目前关于d t n 网络的研究课题也不断出现 包括路由协议 数据传输 服 务质量保证等领域 都有研究者进行相关工作 随着d t n 研究的进一步深入 d t n 网络的建设和开发给广大研究人员提出 了更高的要求 关于d t n 网络的路由协议等研究 都需要在实验环境下进行大 量的重复性实验 才能进行更好的优化和改进 这些都给d t n 网络的研究带来 了新的问题 1 3 网络仿真在d t n 研究中的应用 d t n 网络是网络研究领域近几年才提出的一个新课题 这种网络的相关研 究目前还处于起步阶段 而在d t n 网络的路由协议这个研究点上 研究人员已 经做了许多的相关工作 并提出了各种适用于不同场合 侧重于不同性能指标的 路由协议 虽然在路由协议这个研究课题上 各种研究机构已经投入了大量的研 究力量 取得了大量的成果 但由于d t n 网络与传统网络的差异较大 从根本 上打破了传统网络模型的基础 对它的研究如果单从路由协议入手 并不能取得 很好的工程应用效果 因此 到目前为止 关于d t n 网络的路由协议还没有正 式的标准 许多工作也仅仅停留在实验室研究阶段 基于以上的原因 d t n 网络的相关协议的分析 测试 验证 还处在分析 网络数学模型 或者使用网络模拟工具的阶段 没有大规模应用 也很少有使用 真实试验床进行实验的工作 如果将仿真技术应用在d t n 网络的研究中 进行 网络实验及其结果验证 对于提高实验准确度 扩大试验规模 具有较大的意义 仿真技术用于d t n 网络协议实验的相关研究工作并不多 b b nt e c h n o l o g i e s 在s p i n d l e 项目中开发了m i n a s 仿真平台 5 利用仿真技术进行d t n 网络实 验验证 g a b r i e l ef a 等使用了类似的方案 6 j o r go t t 等人使用k a s u a r i 框架 7 用于m a n e t 和d t n 网络的研究 d i r kk u t s c h e r 等的研究同样使用了该框架瞵j 1 4 本文的主要工作和意义 本文参考了目前存在的几种应用于a d h o c 网络的网络仿真平台 借鉴了 其中一些针对无线网络仿真的技术 结合d t n 网络中路由协议的特点 在l i n u x 平台下 对q u a l n e t 模拟软件 9 1 进行扩展 构建了支持d t n 网络路由协议的仿 真平台 主要工作包括以下几个方面 1 分析了几种现有网络仿真平台的实验架构和工作原理 并结合q u a l n e t 第一章绪论 模拟软件和d t n 路由协议的特点 找到一种合适的仿真平台构建方案 2 为q u a l n e t 模拟软件编写扩展模块 实现真实网络分组的截获和发送 并根据目标网络的特点进行真假网络分组的匹配 过滤 利用q u a l n e t 外部接口实现真假分组的互通 3 利用l i n u x 平台的i p t a b l e s n e t f i l t e r 机制 解决了d t n 网络动态拓扑结构 造成仿真实验不准确的问题 并实现了实验的自动化 在完成了对此d t n 网络路由协议仿真平台构建的基础上 本文在无线网络 环境下使用该平台 搭建了实验场景 通过方便地调节虚拟网络中各种网络参数 模拟出几种不同的拓扑结构 进行了仿真平台的功能性验证 并获取了一些性能 参数 实验结果和测试数据都表明 本文所构建的d t n 网络路由协议仿真平台能 够达到既定的要求 可以较为方便的应用于新的d t n 路由协议的测试与验证工 作中 相信可以成为网络研究人员有力的辅助工具 1 5 全文安排 本论文共分为五章 第一章为绪论 首先结合相关的文献 对一些网络模拟 和d t n 的概念进行了综述 而后结合了当前网络仿真在d t n 网络研究中的应用 现状 分析了作者的主要工作和意义 第二章则对网络仿真 特别是现有的无线 网络仿真平台进行更深一步的分析和比较 并指出当前仿真器在应用方面的问 题 第三章是本文的重点 首先给出了作者所构建的整个仿真平台的体系结构 然后详细介绍了各个核心功能模块的设计与实现 以及一些实现过程中涉及到的 关键技术的简要介绍 第四章是对此仿真平台的实验测试 介绍了实验环境的搭 建 实验的过程以及结果 并对实验结果进行了一定的分析 第五章是对全文工 作的总结 以及在此基础上对整个仿真平台进行改进的突破点提出展望 第二章网络仿真技术 第二章网络仿真技术 网络仿真技术的出现 是为了解决目前网络上所运行的软硬件的日益多样化 所带来的在网络性能评价工作方面的困难 也是顺应了网络技术飞速发展给研究 工作提出的大规模网络实验的要求 2 1 网络仿真的概念 网络仿真 e m u l a t i o n 可以理解为网络性能评价的两种实验性方法 即网 络模拟 s i m u l a t i o n 和实验床 t e s t b e d 的集合 它是这两种方法优点的结合 实验床中的协议实现 通过产生网络分组 为网络模拟器提供了接收现实网络分 组 并与模拟器中的协议实现进行交互的可能 另外 网络模拟器中具有某种转 换功能 可以将现实网络中的标准网络分组 与模拟器中的分组互相转换 使得 真假两种实现可以进行数据包的交互 对于在实验室进行研究的人员 利用网络仿真 可以使他们在实验室条件下 就能够模拟出较大规模的网络环境 而且真正的业务流可以在这些通过网络模拟 器所构建出的虚拟网络中运行 以测试新的网络协议或者算法 这对于了解网络 的各种情况和研究网络的性能是很有帮助的 2 2 常见的网络仿真器 从网络仿真技术出现开始 各个研究机构和企业的研究者们提出了许多种用 于进行网络性能评价的网络仿真器 根据不同的研究目标 网络仿真器在实现方 式以及架构设计等方面 也出现了一些不同的分类 2 2 1 早期的网络仿真器 最初的e m u l a t o r 采用的是较为简单的方案 通过对网络模型的抽象 对网 络流的各种参数如带宽 延迟 丢包率进行流量整形 t r a f f i cs h a p i n g 来实现 比较常见的有d a m m y n e t 10 1 n i s t n e t i i 使用这些工具进行网络实验依赖于所 构建的模型 通过大量使用各种的流量整形模型 可以构建大规模的仿真试验床 如n e t b e d e m u l a b 12 1 第二章网络仿真技术 2 2 1 1d u m m y n c t d l 珊m n 是一种运行在f r o e b s d 操作系统上的网络仿真嚣 它的仿真原理 是在操作系统协议层截获网络分组 通过控制截获的数据业务流 来模拟网络的 带宽 队列的长度大小 延迟 延迟抖动和丢包率等参数 以实现各种网络条件 的设置 d l u n m y n e t 的工作原理如下 d u n 衄t a e t 具有全真测试和仿真测试的优点 使用简单 对运行参数的高度 可定制性 高准确度 不需要复杂的网络设备 没有太高的使用成本 并且 它 产生的是真实的业务流 2 2 1 2m s t n e t n i s t n e t 是一种基于l i n u x 平台的网络仿真器 它把l i n u x 主机看做是一个 路由器 在单跳的真实网络中模拟一个网络的统计特征 根据用户的设置 选择 性地将一些网络性能参数施加在经过它的业务流上 模拟出具有特定丢包率 延 迟 带宽限制的网络 来选到仿真的目的 在实验室环境下 使用n i s tn 矗措 建实验床就可以分析并控制协议的运行过程 它所模拟的网络拓扑如图2 2 所示 一 甲爻一 毒黼黢r 目书j 铆也 婴烹 暑 一 厢i 司4 一 j 型坚里 图2 2 n i s t n e t 结构图 n i s t n e t 软件是作为内核可加载模块被添加到l i n u x 系统中 它通过模拟底 第二章网络仿真技术 层设备驱动来实现模拟目标网络参数的目的 当数据包进入仿真器时 底层设备 先获得该包 然后交给n i s tn e t 进行包的重新调度 转发或者丢弃 在仿真过 程中 n i s tn e t 对经过仿真器的数据流是区别对待的 每一条数据流的操作 都是通过保存了e m u l a t o r 项的表进行匹配操作的 这些表项中分别保存了某种 网络参数的变更情况 以此为根据 在运行时对数据流施加操作 n i s t n e t 因采用了实时的硬件中断作为时间粒度 在进行网络仿真实验中 能提供更高精度的时间控制 在进行分组延迟 延迟抖动等时间相关参数的调整 得到的数据结果更加精确 2 2 1 3e m u l a b e m u l a b 是美国犹他大学f l u x 实验室开发的一个大规模网络仿真平台 在 进行仿真实验的时候 e m u l a b 根据用户提交的n s 仿真配置文件 自动对目标网 络进行划分 将所有节点划分为几个子集 分别由不同的主机进行模拟 在这些 参与仿真实验的主机的配置过程中 用户无需手动操作 一切都由e m u l a b 平台 进行自动操作 由e m u l a b 进行的操作包括 自动为模拟节点分配物理节点并进 行相关的映射 为所有主机分配地址和主机名 划分交换机的v l a n 读取磁盘 映像 启动并配置系统等等 所有这些自动化操作 相比较于传统的网络模拟方 式 以及实验床方式 都大大节省了时间 保证研究人员能够尽快的得到实验结 果 进行协议验证的效率显著提高 2 2 1 4 基于实时模拟的网络仿真 所谓基于实时模拟的仿真 指的是利用现有的网络模拟软件 模拟一定规模 的虚拟网络 并接入到真实的网络环境中 真实网络中的流量被实时的传入模拟 器所模拟的网络中 通过一定的运算 实时地回传入真实网络 这种方案也是网 络仿真技术出现初期的一种重要实现方式 因其利用了网络模拟软件现有的一些 网络协议 缓存管理 数据包调度等算法 相对来说减轻了研究者进行网络协议 测试验证的前期工作负担 k e v i n f a l l 提出了利用著名的网络模拟软件n s 构建 基于实时模拟的仿真平台 l3 1 它通过t a p t u n 设备进行真实数据包的发送和截 获 实现了真实网络和虚拟网络的互通 这种实现方案是目前许多仿真系统的工作基础 从网络仿真的概念上来看 它最直观的表示了网络仿真对网络模拟和实验床实验的结合 从实现难度上来 看 它在两种网络之间数据包的互相传输以及转换之间需要进行一些额外的工 作 另外存在的困难是如何保证真假网络中数据包传输的实时性 针对这个问题 也存在一些优化工作 1 4 第二章网络仿真技术 2 2 2 应用于m a n e t 的通用仿真器 无线a d h o c 网络的仿真实验可以采用上述几种方式 但由于m a n e t 网络 节点移动性的特点 在对m a n e t 网络研究进行仿真应用时 需要对网络的移动 模型进行考虑 目前也出现了许多针对m a n e t 的通用e m u l a t o r 2 2 2 1 采用中心化拓扑控制方案的仿真器 采用这种方案的的仿真器包括j e m 0 1 5 却m o b i n e t 旧 j e m u 通过利用一个中心服务器和多个仿真节点实现仿真 总体结构如图 圈2 3j e m u 仿真架构 在仿真节点链路层和物理层之间 添加了一个称为j e m ur a d i o 的层次 这 一层负责将对主机发出和接收的数据包进行处理 处理操作包括对原始数据包添 加额外的信息 如当前节点的 将处理后的数据包 经由u d p 协议发往中心 服务嚣进行处理 在接收到来自中心服务器的数据时 去掉额外的头部信息 并 向协议栈上层传递 值得注意的是 仿真节点只存在与中心服务器的通信 与其 他节点之间的所有通信也都是经由中心服务器进行中转 中心服务器负责维护整个目标网络的动态拓扑结构 环境参数等信息 粗 负责控制仿真时钟的推移 仿真节点连接到该服务器 将输出数据包发送到该服 务器 服务器根据所接收数据包的源节点和目的节点在当前的仿真嘲络中的位 置 环境参数 信道冲突等因素 确定两个节点之同是否在逻辑上是连通的 从 而决定数据包的转发 丢弃或者改变 如果一个节点可以接收到该消息 则服务 器就将该消息转发到它所在的仿真节点上 m o b i n e t 提出使用多个中心控制节点来对服务器傲负载均衡 避免j e m u 中 使用服务器作为仿真系统瓶颈造成的性能影响 第二章网络仿真技术 2 2 2 2 采用分布式拓扑控制方案的仿真器 对动态网络拓扑的变化使用分布式处理 即网络节点通过有线或者无线链路 进行相互连接 所有数据包的接收 丢弃或者其他各种处理方式 均由接收到该 数据包的网络节点自行决定 而不是由中心服务器决定 这种决定的最终依据 是真实节点之间存在的 逻辑连通性 仿真系统中存在物理连接的主机之间 根据最终所模拟网络的拓扑结构 存在逻辑上的连通与断开 目标网络的这种 逻辑连通性 可以通过不同的方式告知网络节点 采用这种方式的仿真器包括 m o b i e m u 1 7 e m p o w e r t l 8 e m w i n t l9 等 m o b i e m u 使用n 台l i n u x 主机组成的固定网络来模拟有n 个节点的无线网 络 在每台主机上 运行了一个控制软件 它利用l i n u x 操作系统所提供的 i p t a b l e s n e t f i l t e r 机制 将物理上连通的其他节点 通过设置i p t a b l e s 防火墙的规 则进行数据包的阻挡 这样 就将逻辑上不在通信范围内的节点发来的数据丢弃 达到控制网络拓扑的目的 另外 这些主机通过另一个子网连接到主控制器上 主控制器向仿真主机上的控制器传送拓扑指令来指导它们进行数据包的过滤 e m p o w e r e m w i n 是p e iz h e n g 等人构建的两种类似的仿真平台 e m p o w e r 提出了使用有线网络来进行无线网络仿真的方案 同有线网络仿真 一样 目标网络中的节点被映射到一个 虚拟移动节点 上 每个虚拟移动节点 都维护了一个移动事件的列表 来描述该虚拟移动节点对应的目标网络中节点的 移动情况 移动事件列表中的每一项 都记录了事件产生的时刻 以及在这个时 刻 该节点的邻居节点列表 即所有在当前节点通信范围内的所有节点 当某个 虚拟移动节点收到数据包时 通过查询当前时刻的邻居列表 就可以决定对该数 据包是否转发 或者丢弃 2 2 2 3 结合虚拟化技术的仿真器 近几年 随着虚拟化技术的发展 将该技术与网络仿真相结合的方案也陆续 出现 该方案的原理是将网络节点进行虚拟化 在一台物理主机上通过软件模拟 真实主机的硬件环境 并在模拟的硬件上运行某种操作系统 直接模拟用户态的 操作系统 或者仅仅模拟目标操作系统的协议栈 来构建许多与真实主机等价的 虚拟机 真实的网络协议代码 可以正常地在这些虚拟机中运行 与其他一些仿真方案 如与网络模拟相结合的仿真 相比 基于虚拟化技术 的方案 采用的协议栈为操作系统的协议栈 而不是模拟器环境 这样保证了开 发人员只需要在特定操作系统下 实现协议的一个版本 就可以进行仿真实验 而不需要针对实验的需要 对协议实现进行改动 或者重写一份适应不同环境的 代码 它在一定程度上减轻了开发人员的工作负担 第二章网络仿真拉术 目前 利用节点虚拟化技术的方案 通常是在h o s t o s 中运行多个用户态的 g u e s to s 实例 实现多节点的模拟 常用的虚拟化方案有u s e r m o d el i n u x 2 0 1 x e n l 2 v m w a r e 2 2 j 等 u s e r m o d e l i n u x u m l 是一种用户态l i n u x 版本 可以 看作是运行了l i n u x 的虚拟机 多个u m l 实例中 可以设置多个的虚拟网卡 并在虚拟机之间进行虚拟的联网 并透明的向上层应用程序或者协议提供服务 m o b i e m u 仿真平台实现了一种扩展机制 在上文介绍的仿真方案基础上 增加了对u m l 的支持 利用u m l 提供的节点虚拟化和网络虚拟化来进行无线 网络仿真 其系统架构如图2 4 所示 圈 图2 4 m o b i e m u 仿真系统架构 n e m a n l 2 仿真平台豹的节点虚拟化方案是在一个操作系统中 实现多个并 行的网络协议栈来模拟多节点 整个n e m a n 平台可以划分为用户进程 拓扑 管理器 图形配置程序三个部分 在搭建仿真实验平台时 n e m a n 在仿真主机 上 通过l i n u x 提供的t a p 设备 生成多个的虚拟网络接口 井由拓扑管理罂 进行t a p 设备的维护 每个虚拟网络接口 与目标网络中的节点相对应 来自 某个接口的数据包 只会通过拚议栈 发往与其相关联的协议 通过这种协议栈 的虚拟化 而非硬件虚拟化的方式 n e m a n 提供了对近百个节点阿络进行仿真 的能力 比其他硬件虚拟化方案节省了大量的计算能力 2 2 3 仿真技术在d t n 网络中的应用研究 由于d t n 网络属于现阶段网络研究的新课题 将仿真技术技术用于d t n 网 络协议实验的相关研究工作并不多 s p i n d l e 是b b n t e c h n o l o g i e s 关于d t n 的大型项目 实验验证平台作为其 中一个子项目 在开发过程中得到了重视 b b n 为此开发出了m i n a s 仿真平台 第二章网络仿真技术 以利用仿真技术进行d t n 网络的实验验证 它基于u m l 以太网桥接 防火墙 i l s 2 模拟软件 属于上述的虚拟化方案 这是专门针对d t n 网络研究而开发的 仿真平台 不过 它的作用不仅仅局限在d t n 网络的实验中 也是一种通用无 线移动网络仿真平台 可以用在其他实验中 k a s u a r i 是德国不莱梅大学研制的一个用于进行无线a d h o e 网络以及d t n 网络仿真实验的框架平台 该系统基于l i n u x 借助x e n 模拟仿真节点 在仿真 节点的网络连接部分 k a s u a r i 采用了与m o b i e m u 等方案类似的方式 仿真主机 配置两个网络设备 一个用于进行目标网络的组建 一个用于连接控制网络 目 标网络接口还可以与虚拟机上运行的n s 2 软件 2 4 进行绑定 用户可以选择性地 使用此功能 将真实网络与n s 一2 所模拟的网络进行连接 控制网络接口均连接 至控制主机 用于在实验前进行配置文件的部署 或者实验结束后进行日志文件 的收集 2 3 当前网络仿真器的不足 可以看到 上述介绍的多种类型的网络仿真器 在特定的某些网络实验场景 中 都发挥了各自的特点并得到很好的应用 然而 它们都或多或少存在一些缺 点或不足 使得它们在应用于d t n 网络研究 进行协议的验证与测试过程中 不能正常或者充分的工作 以d u m m y n e t n i s t n e t 为代表的基于流量整形技术的仿真器 提供的关 于延迟 带宽等参数的调整 都是基于人为设定 或者依据网络模型计算出来的 参数进行设置的 在d t n 路由协议的仿真中使用这种方式 并不能得到精确反 映d t n 网络特点的结果 一方面 由于对网络进行数学建模这种方式一直以来 都没法全面的考虑网络环境各种因素 导致实验精确性不足 另一方面 d t n 网络属于较新的研究课题 关于该网络的理论研究还不够充分 建立网络模型的 方式 不如进行网络模拟或者实验床实验 直接运行具体协议实现的方式好 m o b i e m u j e m u 等仿真实验平台 在进行目标网络的模拟时 采用的是目 标节点和仿真主机一 映射的方式 即用一台主机模拟一个节点 与试验床实验 相比 它的唯一优点是在进行动态拓扑结构的网络实验中 避免了仿真主机的物 理移动 提高了实验的效率 这种方案的研究入手点是为了解决节点移动性问题 而忽略了仿真平台的硬件成本的考虑 在进行小规模网络实验时 这种方式具有 一定的可行性 但是 对于大规模网络实验 就不得不考虑硬件成本问题 随着 d t n 网络研究的进一步深入 这种方式也就无法适应大规模d t n 网络实验的需 求了 第二章网络仿真技术 基于u m l 的虚拟化方案 如m o b i e m u 的扩展 s p i n d l e 的m i n a s 平台 是目前仿真技术在d t n 网络研究中的应用较为普遍的方式 该方案存在一些缺 点 在用户态上实现的u m l 以一个个进程的形式存在 u m l 的切换导致的进 程上下文切换较为费时 一个负载较大的节点会严重影响在同一主机上的其他节 点 u m l 对系统资源的利用率较低 内存在系统启动时就分配好固定的大小 一个仿真主机所能模拟的节点个数直接受到该机的内存大小限制 这些条件均限 制了单台主机的仿真规模 将现有仿真平台与网络模拟器相结合的方案 与以上仿真方式相比较 在网 络规模上 提供了更好的扩展性 网络模拟软件能够提供对上百个节点的模拟能 力 对单个物理节点实现了很好的复用 虽然随着业务量的增加 模拟器节点可 能成为系统的瓶颈 但与基于虚拟化的方案相比 由于减少了硬件的模拟 对于 运行模拟器的主机 施加的负荷要更小 上述k a s u a r i 平台所提供的n s 2 软件 的集成 就采用了这种方式 n s 2 作为一款网络模拟软件 在对网络进行纯模 拟方式的实验中 使用率较高 但是 在用于结合真实网络进行仿真实验时 它 有着一定的缺点 1 n s 2 软件在无线网络底层信道的建模上 采用的模型较为粗糙 其精确 度 不如q u a l n e t 等仿真软件高 2 n s 一2 采用的编程语言为c 与t c l t k 两种语言结合 前者用于实现网 络协议 后者用于设置实验场景 脚本语言的使用 对软件的运行效率存在一定 的影响 第三章d t n 网络仿真器的设计与实现 第三章d t n 网络仿真器的设计与实现 本章首先分析了本文所设计实现的仿真器的设计目标和总体结构 然后依次 介绍了仿真器的主要构成模块的具体实现 3 1 设计目标 为满足d t n 网络协议仿真实验的需要 我们所构建的网络仿真器 需要满 足许多特定的要求 而以下几个 是我们进行该仿真器的设计与实现所遵循的主 要目标 1 扩展性好 d t n 网络中进行路由协议功能验证与性能评价的典型场景 要求网络中节 点数量一般在5 0 个以上 在进行节点较为稠密的场景实验时 甚至要求节点数 目能够超过1 0 0 个 从实验室的规模上来看 由于硬件 人力等资源的有限 通 常能够为目标网络提供真实节点的数目不会超过1 0 个 因此 用于进行虚拟网 络模拟的仿真器 应能够提供良好的扩展性 根据需要支持较大规模的实验场景 并且这种扩展性不能以仿真器性能的严重下降为前提 2 真实度高 利用软件模拟与真实实验相结合的仿真方式 主要目的是为了引入真实网络 中的真实业务流 尽可能地增加实验结果的可信度 这种方式引入了一定的模拟 节点 与实验床实验相比较 不可避免地存在一些失真 虽然存在这种情况 仿 真器应该尽可能将仿真实验的误差控制在理论范围内 避免由于仿真器的实现导 致的不准确 如通过真假节点之间的时间同步 拓扑控制等手段 真实的还原现 实实验场景 3 可控性 良好的无线网络仿真实验 实验过程应该是可控的 在仿真实验进行的过程 中 目标网络中的任何节点 数据应该不受外界因素的干扰 实验的所有内部流 程 应该能够在实验人员的控制之下正常进行 这种控制可以使实时的 也可以 是预先定义的 为了实现这种可控性 在实验前的部署 实验中的参数调整 实 验后的数据处理等阶段 都应该尽量提供方便的工具用于实验的控制 甚至是实 验的自动化运行 第三章d t n 网络仿真器的设计与实现 4 对动态网络拓扑的良好支持 d t n 网络中持续连接的缺乏 是由于节点的稀疏以及节点的频繁移动造成 的 不同的无线网络场景要求节点能够有不同的行为 整个网络的节点能够支持 各种类型的移动模型 对于网络仿真器来说 就要求能够对各种复杂的网络拓扑 结构 各种类型的移动模型 如随机游走 随机路点等提供支持 而且 这些对 节点移动的支持 必须保证客观真实 能够真正体现现实场景对目标协议的影响 3 2 总体架构 基于以上几点关于d t n 网络仿真器的设计原则与目的 本文提出了利用 q u a l n e t 网络模拟软件进行目标网络部分节点模拟 并结合运行了基于l i n u x 操 作系统下d t n 网络路由协议的真实主机 进行联合仿真实验的方案 该方案实 现了多真实节点 多q u a l n c t 实例的仿真实验 提供了较好的扩展性 图3 1 给 出了一个基于单q u a l n c t 实例 双真实主机节点j 目标网络包含7 个节点的无线 网络仿真实验的软硬件架构 图3 1d t n 网络仿真器架构 真实主机b k e p i d t i p t a b l e s 过滤 t 网卡 1 硬件结构 在进行一个多节点d t n 网络的仿真时 目标网络需要进行子网的划分 根 据网络的规模 实验硬件条件等因素 划分一部分节点 使用真实主机进行表示 另外一部分使用物理仿真主机上的q u a l