面向软件定义机载自组织网络的仿真方法技术

本发明专利技术提出的一种面向软件定义机载自组织网络的仿真方法，旨在提供一种仿真真实性更高，扩展性更强的仿真方法。本发明专利技术通过下述技术方案实现：首先利用Mininet‑WiFi平台提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，软件定义设计机载网络仿真节点，包括普通节点和控制器节点。然后主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输的数据源，利用端口虚拟化技术，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成搭建Mesh数据传输网络；在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，在所有节点间单独创建与无线数据传输网络并行的控制网络，通过无线方式传输控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真实现。

【技术实现步骤摘要】
面向软件定义机载自组织网络的仿真方法
本专利技术属于软件定义网络(SoftwareDefinedNetwork，SDN)
，尤其涉及一种面向软件定义机载自组织网络的仿真方法。
技术介绍
移动自组织网络是由一组带有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其他节点中继来实现多跳通信。自组织网络与传统移动网络的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。移动自组织网络与其他通信网络相比，具有以下特征：1)网络的自组性，自组织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，就可以形成一个自由移动的通信网络，中间节点帮助其他节点中继时，先接受前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继。在自组网中，每个用户终端不仅能移动，而且兼有路由器和主机两种功能，一方面，作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表信息完成数据的分组转发和路由维护工作。2)网络的动态变化性，网络中移动终端能够以任意速度、任意方式在网络中移动，并可以随时关闭电台，加上无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰以及地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。3)传输带宽有限性，由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多，此外，由于终端竞争共享无线信道而产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值，产生受限的无线传输带宽。4)终端资源局限性，自组织网络中移动终端存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等,同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。机载自组织网络(AirborneAd-HocNetworks，AANETs)也被称为航空自组网或飞行器自组网，机载自组织网络是以有人或无人驾驶飞行器作为空中无线通信发送、接收或转发的节点，通过无线数据链互连组成的可以传输分组报文并能承载IP业务的网络，是一种特殊的移动自组织网络。组网后的飞机和其它空中平台可以实时、可靠、安全地共享各种状态信息,一方面可以提升空中交通的管理能力，为飞行提供更好的安全保护；另一方面可以增强飞行员间信息共享，提高飞行效率。受地形阻碍不能互通的地面网络能够通过机载网络中继实现互通,相比采用卫星通信中继的方式，时延更小。由于空中无线网络环境呈现高误码率、高衰落和干扰严重的特性，节点之间连接性能的差异是比较突出的问题，节点相距太远时会出现通信中断，当飞机盘旋侧飞时机身可能会阻挡无线电波的传播。另外，有的飞机仍然装备旧的数据链终端，还需要在原有数据链和支持IP的链路之间提供路由/网关转换的功能。可见，机载网络是一个节点高速移动、带宽受限和网络拓扑频繁变化的Ad-Hoc网络。由于机载网络包括不同类型的飞机，采用分层结构便于网络的管理和维护，降低网络的复杂性。在物理层，为了增加瞬时的传输能力，减小衰减、延时和信道干扰造成的损害，天线分集和多天线系统将用于机载骨干网络，更高端的激光通信技术能提供更高的数据传输率。在MAC层，为了实现节点的公平和快速接入，通过时隙的争用、预约、占用等过程来实现，为了扩大协议则在同一时隙上使用多个信道来传输，结合TDMA+FDMA来支持更多的节点在网络中同时发送。在网络层，网络中的节点是运动的，由此带来网络拓扑结构的频繁变化，常规的路由协议需要花费较长时间才能达到算法收敛状态，但此刻可能网络的拓扑结构又已发生变化，从而导致路由协议跟不上拓扑的变化而一直处于不收敛状态，在机载网络中，拓扑结构变化更是频繁，所以要求路由算法具有极高的效率，且能够跟踪和感知节点运动造成的链路状况变化，以进行动态路由维护。在传输层，在高误码率、高衰落和干扰严重的无线链路上现有的TCP协议会把误码造成的报文丢失解释成链路上存在拥塞，因此在机载网络中直接应用TCP协议不能获得较好的吞吐量。由于机载网络的网络拓扑和链路质量在节点高速移动时频繁发生变化，这种动态特性的影响贯穿了整个协议栈，因此TCP协议的设计以及其它层的设计都必须考虑多个协议层之间的优化，另外，现有的网络管理也无法适应机载网络拓扑的频繁变化。机载网络存在着拓扑结构频繁变化、带宽要求高、误码率高、衰落大、干扰严重、信道随机变化等特点，随着环境的日益复杂，必将要求机载数据链网络向高速率、高带宽、抗干扰、自适应、智能化、网络化等方向发展。软件定义网络SDN是一个新兴的网络架构，通过将网络控制与网络转发解耦合构建开放可编程、用于改变当前网络基础设施局限性的网络体系结构。SDN旨在实现网络互联和网络行为的定义和开放式的接口，从而支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。SDN其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，将网络的控制逻辑与底层数据交换设备的转发业务分离来打破垂直集成，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。SDN快速的发展可能会对网络产业格局造成重大影响，传统通讯设备的企业将会面临巨大挑战。依照层次化架构的理念设计，网络控制由运行NOS的服务器实现，转发设备的功能和性能则主要由通用芯片决定，可以大幅降低研发所带来的费用。总之，SDN将网络的智能从硬件转移到软件，用户不需要更新已有的硬件设备就可以为网络增加新的功能。这样做简化和整合了控制功能，让网络硬件设备变得更可靠，还有助于降低设备购买和运营成本。SDN架构分为一个逻辑集中的控制平面和分布式的数据平面。控制器位于上层应用与物理设备之间，负责将网络中的各种功能进行抽象，建立具体的操作模型，并向上层提供编程接口；上层应用着重根据业务需求通过控制器与物理设备进行交互；网络中的设备可通过控制器向应用平面传递信息。随着控制和数据平面的分离，网络交换机变成简单的仅完成数据转发的设备，控制在逻辑集中的控制器中实现，简化策略执行和网络重配置与演进的过程。需要强调的是，逻辑上集中的编程模型并不意味着物理上需要集中的系统，为了保证足够的可用性、可扩展性和可靠性，需要排除这种物理集中式的解决方案。从效率层面考虑，SDN网络设计常采用物理分布式控制平面。控制平面和数据平面的分离可以通过在交换机和SDN控制器之间明确定义的编程接口来实现，这种分离架构是获得灵活性的关键。分离架构将网络控制问题分解为可处理的部分，并使得在网络中更容易创建和引入新的抽象，简化网络管理，促进网络演进和创新。凭借SDN的这些优势，近年出现了许多针对无线网络的SDN应用研究，特别是移动自组织网络领域，如车载自组织网络、无线传感器网络、飞行器网络等。但是SDN架构是基于有线网络环境的需求而设计的，现有相对成熟的SDN实现技术和实施方案，对于无线网络的场景并不适用。因此，要将SDN引入移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，机载仿真节点设计：首先在Mininet-WiFi平台中，利用提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，无线交换设备根据给定的飞行器航迹信息、通信距离和发射功率，软件定义设计仿真节点，包括普通节点和控制器节点，控制器与普通节点间通过OpenFlow协议进行网络控制命令的交互，无线交换设备利用无线空口模拟飞行器节点间的无线通信功能以及数据中继功能，主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输提供数据源的通信仿真数据源；/n步骤2，无线数据传输网络搭建：利用端口虚拟化技术，根据网络总节点个数N，为每个节点虚拟出N-1个分别命名为空口i的空口，为单节点配置多服务集标识SSID，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成搭建Mesh数据传输网络；/n步骤3，无线控制传输网络搭建：在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，为每个节点增加一个由SSID-CTL标识的Mesh空口，在所有节点间单独创建一个与无线数据传输网络并行的控制网络，控制器与各节点之间使用不同的网络命名空间，通过无线链路传输控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真。/n...

【技术特征摘要】
1.一种面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，机载仿真节点设计：首先在Mininet-WiFi平台中，利用提供的支持WiFi功能的无线交换设备和以太链路连接的主机终端，无线交换设备根据给定的飞行器航迹信息、通信距离和发射功率，软件定义设计仿真节点，包括普通节点和控制器节点，控制器与普通节点间通过OpenFlow协议进行网络控制命令的交互，无线交换设备利用无线空口模拟飞行器节点间的无线通信功能以及数据中继功能，主机终端利用自带的流量生成工具，生成节点间数据传输提供数据源的通信仿真数据源；
步骤2，无线数据传输网络搭建：利用端口虚拟化技术，根据网络总节点个数N，为每个节点虚拟出N-1个分别命名为空口i的空口，为单节点配置多服务集标识SSID，在节点间搭建相互独立的无线、多跳Mesh链路，以Mesh网状网方式组网，完成搭建Mesh数据传输网络；
步骤3，无线控制传输网络搭建：在无线数据传输网络基础上，采用带外传输方法，为每个节点增加一个由SSID-CTL标识的Mesh空口，在所有节点间单独创建一个与无线数据传输网络并行的控制网络，控制器与各节点之间使用不同的网络命名空间，通过无线链路传输控制信息，完成软件定义机载网络环境的仿真。


2.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，以节点主机终端作为节点间数据通信的终端，在终端上运行流量生成工具，充当节点间通信仿真数据源，构造真实的ICMP数据流、TCP/UDP数据流和多媒体流，验证协议栈是否有故障。


3.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，Mininet-WiFi平台包括支持WiFi功能的无线终端和无线交换设备节点类型，不支持WiFi功能的连主机终端和有线交换设备节点类型，以及OVS控制器、NOX控制器、POX控制器和Ryu的控制器。


4.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，搭建软件定义机载自组织网络包括控制器节点和普通节点，控制器节点由一个控制器部件通过以太网链路与一个无线交换设备和一个主机终端组成，普通节点由一个无线交换设备和主机终端组成。


5.根据权利要求4所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法，其特征在于，控制器节点和普通节点的无线交换设备与主机终端间都是通过以太链路连接，普通节点通过Mesh无线链路连接控制器节点。


6.根据权利要求1所述的面向软件定义机载自组织网络平台的仿真方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖磊，杜俊逸，伍元胜，倪大冬，李涛，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51