[發明專利]一種深空通信網絡仿真驗證平臺構建方法

有效

• 申請號: 202010081471.5
• 申請日: 2020-02-06
• 公開（公告）號: CN111343043B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 余果;董振興;朱巖;張偉東
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家空間科學中心
• 主分類號: H04L43/50
• 分類號: H04L43/50;H04L41/14;H04B17/391
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 楊青;武玥

1.一種深空通信網絡仿真驗證平臺構建方法，所述方法包括：

利用樹莓派模擬通信節點，利用交換機將所有通信節點連結成一個網絡，任意兩個通信節點之間能夠通信，并通過一臺主控計算機對所有通信節點進行控制；

具體地：

1-1)分析需要仿真驗證的通信網絡場景，確定整個網絡的通信節點個數；

1-2)采用一臺PC機作為主控計算機；

1-3)采用樹莓派作為通信節點，一個樹莓派作為一個通信節點；

1-4)用網線將所有通信節點和主控計算機連接到一臺交換機上；利用交換機將所有通信節點連結成一個網絡，使任意兩個通信節點之間能夠通信；

1-5)在主控計算機上利用VNC顯示通信節點的圖形界面，實現對所有通信節點的控制，仿真后的數據分析在主控計算機中進行；

以網橋方式為每一個通信節點配置靜態IP，具體配置內容如下：

“auto lo

iface lo inet loopback

auto br0

iface br0 inet static

address[IP地址]

network[網段]

netmask[子網掩碼]

broadcast[廣播地址]

bridge_ports eth0

bridge_stp off

bridge_fd 0

bridge_maxwait 0”；

所有通信節點進行時間同步，將同步動作集成并設為開機自啟動；

具體地：

2-1)選取一個通信節點作為ntp服務器，配置ntp服務器；

2-2)除了作為ntp服務器端的通信節點，其余通信節點均作為ntp客戶端，對ntp客戶端進行配置；

2-3)調整ntp服務器的時間；

2-4)使ntp客戶端的時間與ntp服務器同步；

2-5)將ntp同步動作集成并設為開機自啟動；

2-5-1)使ntp客戶端的時間與ntp服務器端同步，具體如下：

a.在服務器端的任意位置創建ntp-server.sh文件，以下以“[ntp-server路徑]”代替該文件所在位置，在服務器端命令行窗口輸入“sudo gedit[ntp-server路徑]/ntp-server.sh”，在打開的文件中輸入以下內容：

“#！/bin/sh

sleep 30s

sudo ufw enable

sudo ufw allow 123”；

然后保存并退出；

b.在服務器端的命令行窗口輸入“sudo chmod a+x[ntp-server路徑]/ntp-server.sh”，為ntp-server.sh文件添加權限；

c.在服務器端的命令行窗口輸入“cd[ntp-server路徑]”，進入ntp-server.sh所在文件夾，然后輸入“./ntp-server.sh”，執行該文件；

d.在每一個客戶端的任意位置創建ntp-client.sh文件，以下以“[ntp-client路徑]”代替該文件所在位置，在客戶端命令行窗口輸入“sudo gedit[ntp-client路徑]/ntp-client.sh”，在打開的文件中輸入以下內容：

“#！/bin/sh

sleep 40s

sudo/etc/init.d/ntp stop

sudo ntpdate[服務器IP地址]

sleep 10s

sudo/etc/init.d/ntp start”

其中“[服務器IP地址]”與本步驟第2)條d.的“[服務器IP地址]”相同；

e.在客戶端的命令行窗口輸入“sudo chmod a+x[ntp-client路徑]/ntp-client.sh”，為ntp-client.sh文件添加權限；

f.在客戶端的命令行窗口輸入“cd[ntp-client路徑]”，進入ntp-client.sh所在文件夾，然后輸入“./ntp-client.sh”，執行該文件；

等待1分鐘后，即可實現整個網絡的時間同步；

2-5-2)將ntp同步動作設為開機自啟動，具體如下：

a.對每一個通信節點，在其命令行窗口中輸入“sudo gedit/etc/rc.local”，打開rc.local文件；

b.在打開的rc.local文件中的exit 0之前添加一行命令“su pi-cexec[文件]”，其中的“[文件]”，在作為服務器端的通信節點上以“[ntp-server路徑]/ntp-server.sh”替代，在每一個客戶端通信節點上以“[ntp-client路徑]/ntp-client.sh”替代；

c.保存文件并退出；

對每一個通信節點配置靜態ARP，將配置操作集成并設為開機自啟動；

對需要進行仿真驗證的深空通信網絡場景進行分析，確定每一條通信鏈路特性，然后進行深空通信鏈路狀態模擬，并將配置操作集成；

具體地：

3-1)根據鏈路速率、延時和丟包特性，利用TC htb+netem的方式，對每一個通信節點的數據發送的速率、延時和丟包率進行配置；

3-2)利用TC filter，將以上特性進行數據流分流設置，實現同一發送節點不同接收節點的鏈路具有不同特性的設置；

3-3)將以上鏈路特性設置寫成一個配置文件，將鏈路特性設置操作集成起來；

具體地，鏈路狀態模擬具體為：

3-3-1)分析鏈路狀態可知，節點1、2之間和節點2、3之間存在有效鏈路，由月球向地球傳輸數據，即從節點1發送數據，經節點2，到達節點3，場景中下行數據速率為1Mbps，信道速率比為100:1，即下行速率/上行速率，鏈路的丟包率為12％，節點1、2之間鏈路延時為5ms，節點2、3之間鏈路延時為2s，平臺所用網卡為百兆網卡；

3-3-2)根據鏈路速率、延時和丟包特性，對每一個通信節點的數據發送的速率、延時和丟包率進行配置，并將以上特性進行數據流分流設置，實現同一發送節點不同接收節點的鏈路具有不同特性的設置，最終將以上鏈路特性設置寫成一個配置文件，對每一個通信節點均執行以下步驟：

a.在/home/pi/self-starting路徑創建link-config.sh文件，在命令行窗口輸入“sudo gedit/home/pi/self-starting/link-config.sh”，打開link-config.sh文件；

b.對于節點1，在打開的文件中輸入以下內容：

“#！/bin/sh

sudo tc qdisc del dev eth0 root

sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1htb rate 1250bps ceil1250bps

sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1handle 10:netem delay 2s loss 12％

sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0prio 1u32 match ip dst192.168.0.12match ip dport 1113 0xffff classid 1:1

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11htb rate 1250000bps ceil12500000bps”

對于節點2，在打開的文件中輸入以下內容：

“#！/bin/sh

sudo tc qdisc del dev eth0 root

sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1htb rate 125000bps ceil125000bps

sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1handle 10:netem delay 2s loss 12％

sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0prio 1u32 match ip dst192.168.0.11match ip dport 1113 0xffff classid 1:1

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:2htb rate 1250bps ceil1250bps

sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:2handle 20:netem delay 0.005s loss12％

sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0prio 1u32 match ip dst192.168.0.100match ip dport 4556 0xffff classid 1:2

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11htb rate 1250000bps ceil12500000bps”

對于節點3，在打開的文件中輸入以下內容：

“#！/bin/sh

sudo tc qdisc del dev eth0 root

sudo tc qdisc add dev eth0 root handle 1:htb default 11

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:1htb rate 125000bps ceil125000bps

sudo tc qdisc add dev eth0 parent 1:1handle 10:netem delay 0.005s loss12％

sudo tc filter add dev eth0 protocol ip parent 1:0prio 1u32 match ip dst192.168.0.12match ip dport 4556 0xffff classid 1:1

sudo tc class add dev eth0 parent 1:classid 1:11htb rate 1250000bps ceil12500000bps”

c.在命令行窗口輸入“sudo chmod a+x/home/pi/self-starting/link-config.sh”，為link-config.sh文件添加權限；

d.在命令行窗口輸入“cd/home/pi/self-starting”，進入link-config.sh所在文件夾，然后輸入“./link-config.sh”，執行該文件，實現通信鏈路狀態配置；

進行通信節點模擬，在整個仿真驗證平臺上進行協議棧的實現和數據流的傳輸；

具體地：通信節點模擬具體為；

4-1)利用ION的ion-3.7.0版本進行DTN的協議棧實現，具體如下：

a.為每一個通信節點安裝ION。獲取ion-3.7.0.tar.gz安裝包，在ion-3.7.0.tar.gz安裝包所在路徑下，依次執行以下命令：

“tar–zxvf ion-3.7.0.tar.gz”

“cd ion-3.7.0”

“./configure”

“make”

“sudo make install”

“sudo ldconfig”

b.依據深空通信網絡場景，參照ION提供的使用說明，將節點1、2、3配置為DTN節點host1、host2、host3，且節點1、2之間的發送、接收端口號均配置為1113，節點2、3之間的發送、接收端口號均配置為4556；

4-2)利用ION自帶的測試功能，傳輸真實數據，具體如下：

a.在目的節點3上，進入打算保存文件的路徑，輸入命令“bprecvfile ipn:3.1”；

b.在源節點上，進入待發送文件所在路徑，輸入命令“bpsendfile ipn:1.1 ipn:3.1test.txt”。