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對(duì)于OMNEST 的以太網(wǎng)傳輸丟包問(wèn)題研究論文
0 引言
在通信系統(tǒng)建立以及調(diào)試過(guò)程中，仿真建模實(shí)驗(yàn)作為一種重要的支撐技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。相對(duì)于實(shí)物調(diào)試試驗(yàn)，使用仿真技術(shù)能夠更快、更多的遍歷問(wèn)題出現(xiàn)的條件，為解決問(wèn)題提供方案，提高工作效率。OMNEST是一款面向?qū)ο蟮碾x散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器，它的特征體現(xiàn)在分層次嵌入式模塊、各模塊以模塊類型分類、模塊之間通過(guò)信號(hào)在通道上的傳輸進(jìn)行通信、靈活的模塊參數(shù)和拓?fù)涿枋稣Z(yǔ)言。一個(gè)可執(zhí)行仿真程序一般由網(wǎng)絡(luò)描述語(yǔ)言NED、.h 和.cc 文件、配置文件INI及消息文件.msg組成，其中：網(wǎng)絡(luò)描述語(yǔ)言NED，描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);.h 和.cc 文件，用于完成各模塊的代碼編寫、也可以通過(guò)代碼生成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)工作;配置文件INI，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊參數(shù)的配置，便于對(duì)仿真參數(shù)的更改;消息文件.msg，可以模擬傳輸過(guò)程中的事件、消息、包、幀等。本文使用OMNEST離散事件仿真工具對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行建模，建立以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型及其中心節(jié)點(diǎn)內(nèi)各分功能模塊模型，多個(gè)節(jié)點(diǎn)模型通過(guò)NED 語(yǔ)言聯(lián)合組成最終的網(wǎng)絡(luò)模型。節(jié)點(diǎn)模型由應(yīng)用層模塊APP、傳輸層模塊UDP、網(wǎng)絡(luò)層模塊NETWORK(包含IP、ICMP、IGMP等子模塊)、鏈路層模塊ETH(包含ARP、ENCAP、MAC 等模塊)組成。
1 以太網(wǎng)傳輸丟包問(wèn)題分析
在進(jìn)行某綜合試驗(yàn)的過(guò)程中，使用千兆以太網(wǎng)通過(guò)交換機(jī)將主機(jī)與終端相連。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，由主機(jī)產(chǎn)生消息通過(guò)接入設(shè)備路由將消息分別傳輸給所有的終端。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試中，主機(jī)上的綜合監(jiān)控軟件在向終端上的監(jiān)控信息模擬軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。經(jīng)分析，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的原因建立故障樹(shù)，如圖1所示。通過(guò)對(duì)故障進(jìn)行排查，排除了硬件和應(yīng)用軟件的問(wèn)題。在主機(jī)和終端上分別安裝CommView抓包軟件，通過(guò)多次試驗(yàn)，查看抓到的數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)的現(xiàn)象相同，故障可復(fù)現(xiàn)。每次出錯(cuò)時(shí)，數(shù)據(jù)包信息描述如下：
(1)ARP request方向?yàn)椋罕緳C(jī)→對(duì)端;
(2)IP分片方向?yàn)椋罕緳C(jī)→對(duì)端;
(3)ARP respond 方向?yàn)椋罕緳C(jī)←對(duì)端。
查看抓到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容：ARP Request方向數(shù)據(jù)包中源IP為本機(jī)IP，源MAC為本機(jī)MAC，目的IP 為對(duì)端IP，目的MAC 為全“1”，意為廣播，這種形式的ARP 包是在一臺(tái)主機(jī)的ARP 列表中不含有可用項(xiàng)時(shí)發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)的ARP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包;IP分片方向通過(guò)查看數(shù)據(jù)包的大小、偏移量和MF標(biāo)志位，證實(shí)它是數(shù)據(jù)包中一包數(shù)據(jù)所分成的IP片中的最后一片(每包數(shù)據(jù)大小為8 960 B，被分成7個(gè)IP片);ARP Respond方向數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容顯示它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的ARP應(yīng)答包。通過(guò)抓包分析猜測(cè)問(wèn)題出現(xiàn)在ARP解析過(guò)程中，當(dāng)發(fā)送方主機(jī)ARPCache清空或者目的地址超時(shí)導(dǎo)致MAC目的地址不可用，就會(huì)發(fā)起ARP查詢時(shí)，故障出現(xiàn)。在故障樹(shù)中對(duì)應(yīng)于操作系統(tǒng)引起的故障。在連續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，由于故障每隔10 min會(huì)出現(xiàn)一次，因此，分析認(rèn)為是系統(tǒng)定期ARP查詢導(dǎo)致故障的出現(xiàn)。
2 仿真模型的建立
本文使用OMNEST 進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)由1 臺(tái)主機(jī)向6 臺(tái)終端通過(guò)路由器發(fā)送報(bào)文，對(duì)故障進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)具有ARPCache 清空功能的ARP 協(xié)議，通過(guò)參數(shù)設(shè)定，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模塊進(jìn)行比較定位問(wèn)題。為使用OMNEST搭建的仿真場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)抓包結(jié)果進(jìn)行分析，定位問(wèn)題可能出現(xiàn)在ARP解析過(guò)程中。在每一次ARP解析時(shí)都會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且總是丟掉IP 分片的前面6 片，而發(fā)送最后一個(gè)分片。
基于以上分析，本文建立節(jié)點(diǎn)模型，使用計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)5層協(xié)議來(lái)模擬發(fā)送數(shù)據(jù)端。應(yīng)用層為myapp，實(shí)現(xiàn)消息的產(chǎn)生，接收以及統(tǒng)計(jì);傳輸層使用UDP協(xié)議，綁定端口號(hào)1 024;網(wǎng)絡(luò)層建立IP?ICMP?IGMP 結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)IP 分片以及差錯(cuò)控制等功能;數(shù)據(jù)鏈路層建立myarp?encap?MAC 結(jié)構(gòu)模型，myarp 模塊實(shí)現(xiàn)地址的ARP 解析模型，以及復(fù)現(xiàn)上述所定位的問(wèn)題的編程實(shí)現(xiàn)，encap模塊實(shí)現(xiàn)仿真中上下層報(bào)文的發(fā)送控制，MAC 模塊實(shí)現(xiàn)MAC 地址的分配;最后通過(guò)1 000 MHz以太網(wǎng)發(fā)送。在消息的產(chǎn)生以及傳輸?shù)确矫�，通過(guò)上述方法建立的節(jié)點(diǎn)模型都與實(shí)際情況一致。
參考計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARP 標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)具有ARPCache清空功能的ARP協(xié)議，在協(xié)議中中采用ARP高速緩存存放局域網(wǎng)上各主機(jī)和路由器的IP地址到硬件的映射表。本文中規(guī)定ARPCache 清空時(shí)間為t1，而對(duì)于每一個(gè)目的地址，在協(xié)議中有一個(gè)生存時(shí)間為t2，在t2時(shí)間內(nèi)使用過(guò)該目的地址則再延長(zhǎng)一個(gè)生存時(shí)間，如果超過(guò)這個(gè)生存時(shí)間就會(huì)把這一地址映射丟棄。
3 仿真結(jié)果及分析
OMNEST系統(tǒng)自帶有ARP模塊，此模塊按照計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARP標(biāo)準(zhǔn)建立。標(biāo)準(zhǔn)ARP模塊無(wú)法準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，所以本文建立具有ARPCache清空功能的以太網(wǎng)模型。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，將具有ARPCache清空功能的以太網(wǎng)模型與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)模型進(jìn)行對(duì)比。分別對(duì)故障樹(shù)羅列情況進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
4 結(jié)語(yǔ)
本文使用OMNEST通信仿真軟件對(duì)以太網(wǎng)主機(jī)之間通信進(jìn)行建模，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系5層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確仿真，使用C++編程實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能模塊，使模型與真實(shí)模型逼近。針對(duì)以太網(wǎng)丟包問(wèn)題，本文先建立故障樹(shù)對(duì)故障進(jìn)行理論分析，然后使用OMNEST 建立具有ARPCache清空功能的節(jié)點(diǎn)模型，復(fù)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，精確定位問(wèn)題，并結(jié)合仿真結(jié)果提出問(wèn)題的解決方案。隨著通信仿真技術(shù)的發(fā)展，通信仿真手段越來(lái)越多的被用來(lái)解決工程問(wèn)題。本文使用OMNEST對(duì)以太網(wǎng)丟包問(wèn)題的描述和解決為后續(xù)同類工程問(wèn)題的解決提供借鑒。
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