基于仿真的移動IP代理技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

陳力鋒 胡曦明 馬苗 李鵬

摘要：針對移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的移動IP技術(shù)教學(xué)改革需求，本文提出了基于仿真平臺開展移動IP代理技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)研究了采用GNS-3平臺進(jìn)行移動IP代理建立實(shí)驗(yàn)和采用NS-2平臺進(jìn)行移動IP代理切換實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例，并實(shí)現(xiàn)了對移動IP通信過程的可視化和丟包率的量化實(shí)驗(yàn)，對高校移動通信專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)信息化建設(shè)具有應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：移動IP；仿真；代理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）13/14-0159-06

● 引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的推進(jìn)[1]，移動互聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)社會的各個領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]，如何培養(yǎng)適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用需要的移動通信專業(yè)人才成為高校計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域關(guān)注的新熱點(diǎn)。[3][4]

在開展移動通信教學(xué)改革過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為其中的難點(diǎn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是在固定的專用場所，采用真實(shí)設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)[5]，與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)相比，移動通信所涉及的設(shè)備不再是價格低、占地小的計(jì)算機(jī)，而是價格昂貴、占地大的基站、天線等設(shè)備，如果仍然采用真實(shí)設(shè)備開展移動通信課程實(shí)驗(yàn)必然存在成本高、場地大和維護(hù)難等實(shí)際問題[6][7]，不適用于高校的教育應(yīng)用領(lǐng)域。

仿真實(shí)驗(yàn)因其具有成本低、逼真度高和操作復(fù)雜度低等特點(diǎn)[8][9]，已經(jīng)在高校實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)的改革中得到廣泛應(yīng)用。利用仿真技術(shù)來開展移動通信類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過信息技術(shù)支撐教學(xué)模式創(chuàng)新，由學(xué)生自帶設(shè)備[10]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)境搭建、結(jié)果數(shù)據(jù)分析等操作，將會極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，提高探究型人才的質(zhì)量。

● 移動IP與代理技術(shù)

1.移動IP

移動IP技術(shù)使得用戶接入外地網(wǎng)絡(luò)能夠不改變其原有的IP地址配置，即可保持原有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不被中斷。[11]移動IP由移動節(jié)點(diǎn)（Mobile Node，MN）、家鄉(xiāng)代理（Home Agent，HA）、外地代理（Foreign Agent，F(xiàn)A）三個部分組成，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接（如上頁圖1）。

2.代理的建立與切換

移動IP技術(shù)為實(shí)現(xiàn)用戶異地接入原有網(wǎng)絡(luò)的功能，必須依賴于移動IP的代理技術(shù)。移動IP的代理技術(shù)又可以分為代理的建立與切換。

移動IP的建立過程可概括為：①移動節(jié)點(diǎn)利用代理搜索功能檢測是否處于漫游狀態(tài)，并獲得轉(zhuǎn)交地址；②移動主機(jī)向家鄉(xiāng)代理注冊；③家鄉(xiāng)代理收集發(fā)給移動節(jié)點(diǎn)的IP分組，通過隧道將分組發(fā)給移動主機(jī)[12]（如上頁圖2右側(cè)）。

移動IP的代理切換即獲得最新的轉(zhuǎn)交地址，向家鄉(xiāng)代理重新注冊的過程[13]（如上頁圖2左側(cè)）。代理切換會向外地發(fā)送切換請求并中繼到家鄉(xiāng)代理并注冊以實(shí)現(xiàn)切換。代理切換能夠保證原有網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不會由于移動到其他網(wǎng)絡(luò)而被中斷。

● 教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)對移動IP原理及其代理的建立與切換的工作過程分析，可以發(fā)現(xiàn)移動IP技術(shù)是移動IP性能指標(biāo)的重要組成部分。然而其工作過程相對復(fù)雜，涉及到所需要的儀器設(shè)備較多，如果采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，依靠實(shí)際情況來實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)，則存在場地、實(shí)驗(yàn)儀器受限的問題，如設(shè)備成本高昂、配置復(fù)雜等。因此，筆者基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺提出了一種模塊化的移動IP代理建立與切換的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

進(jìn)行移動IP的代理切換試驗(yàn)需要兩個部分，一是代理的建立，二是代理切換的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)使用模塊化的設(shè)計(jì)方案，改變了傳統(tǒng)的先建立后切換的實(shí)驗(yàn)流程，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對性。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以采用GNS-3與NS-2。為了取得更好的實(shí)驗(yàn)效果，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模P者主要對采用Wireshark抓包工具分析移動IP代理的連通性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步對協(xié)議進(jìn)行分析，有利于課堂教學(xué)的拓展。對于代理切換的性能指標(biāo)，之所以選擇網(wǎng)絡(luò)延遲與丟包率，是因?yàn)槎呤谴砬袚Q通信質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過仿真實(shí)驗(yàn)工具，提取實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析工具得出延遲的指標(biāo)，并計(jì)算得出丟包率。

● 教學(xué)案例

1.代理建立

（1）環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)環(huán)境由GNS-3模擬器實(shí)現(xiàn)，分為家鄉(xiāng)鏈路，模擬家鄉(xiāng)代理部分；外地鏈路，模擬外地代理部分；通信鏈路，模擬與主機(jī)間的通信（如圖4）。

（2）實(shí)驗(yàn)配置

①配置IS路由器。該路由用來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)?，充?dāng)中間路由，連接其他各個路由。配置各個端口的IP地址；開啟OSPF協(xié)議，設(shè)置為區(qū)域1（如表1）。

以上命令只給出一個接口的配置以及OSPF的配置。

②配置CN路由器。該路由用來實(shí)現(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)，與移動主機(jī)進(jìn)行通信。配置各個端口的IP地址；開啟OSPF協(xié)議，設(shè)置為區(qū)域1（如表2）。

③配置HA路由器。該路由用來實(shí)現(xiàn)家鄉(xiāng)代理。為移動主機(jī)截獲分組，并把分組傳送到移動主機(jī)最新位置。配置各個端口的IP地址；開啟OSPF協(xié)議，設(shè)置為區(qū)域1；開啟移動路由功能；開啟家鄉(xiāng)代理服務(wù)；創(chuàng)建虛擬網(wǎng)段192.168.100.0；將192.168.100.1-192.168.100.10添加至192.168.100.0網(wǎng)段下；設(shè)置192.168.100.1作為主機(jī)地址，并開啟加密，加密為cisco路由加密，也可以使用其他加密格式（如表3）。

④配置FA路由器。該路由用來實(shí)現(xiàn)外地代理。幫助移動主機(jī)實(shí)現(xiàn)移動檢測，為移動主機(jī)提供服務(wù)。配置各個端口的IP地址，開啟OSPF協(xié)議，設(shè)置為區(qū)域1；開啟移動路由功能；在端口f1/0模式下，開啟ICMP路由器發(fā)現(xiàn)協(xié)議與移動IP外地服務(wù)功能（IRDP功能），設(shè)置最大通告時間為4s，設(shè)置最小通告時間為3s，設(shè)置持續(xù)時間為9s；開啟外地服務(wù)功能；將外地代理端口設(shè)置在f1/0端口下（如表4）。

⑤配置MN路由器。該路由用來實(shí)現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)。能夠在不改變IP地址的情況下進(jìn)行通信。配置一個環(huán)回地址，為主機(jī)名（192.168.100.1）；配置各個端口的IP地址；開啟OSPF協(xié)議，設(shè)置為區(qū)域1；開啟移動路由功能；在端口f0/0開啟路由漫游功能；配置主機(jī)地址與家鄉(xiāng)代理地址；對家鄉(xiāng)代理地址進(jìn)行加密，加密內(nèi)容和HA加密內(nèi)容一致，否則無法正常通信（如下頁表5）。

（3）性能分析

對MN進(jìn)行抓包。先暫停FA，抓取以MN上f0/0接口為源的MN-FA鏈路上的數(shù)據(jù)報(bào)文，開啟FA，得到注冊請求報(bào)文、注冊應(yīng)答報(bào)文以及代理通告報(bào)文。其中主機(jī)地址、家鄉(xiāng)代理、外地代理、轉(zhuǎn)交地址等均符合實(shí)驗(yàn)配置，移動IP代理成功建立。通過報(bào)文可以得知移動代理連接建立。抓包實(shí)驗(yàn)中還抓到其他類型的報(bào)文，包括ICMP報(bào)文，該報(bào)文為Mobile IP Advertisement，即代理通告報(bào)文，說明MN建立連接后仍然主動進(jìn)行代理尋找，也可以證明通信成功。

實(shí)驗(yàn)證明了移動IP的代理建立是通過FA與HA之間建立起通信的，缺少了FA將無法建立連接，因而代理的建立是十分重要的，是移動IP能否順利運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.代理切換

（1）環(huán)境建立

實(shí)驗(yàn)環(huán)境由NS-2模擬器實(shí)現(xiàn)，移動節(jié)點(diǎn)在移動過程中將會在家鄉(xiāng)代理、外地代理之間進(jìn)行切換，且通過無線鏈路進(jìn)行通信（如下頁圖5虛線框內(nèi)所示）。程序會自動將所收到的數(shù)據(jù)信息儲存起來，以便進(jìn)一步分析。

（2）關(guān)鍵步驟

編寫Otcl文件腳本文件是實(shí)現(xiàn)NS-2仿真模擬的重要部分，該仿真實(shí)驗(yàn)可參考NS-2相關(guān)文獻(xiàn)[14][15][16]的無線有線混合模擬。腳本程序可分為四個部分：

①第一部分：基本配置。

步驟1：配置網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，如設(shè)置模擬的開始結(jié)束時間、設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)等，創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)實(shí)例；步驟2：應(yīng)用層次化路由，將路由分為域和子域；步驟3：設(shè)置追蹤文件信息（如表6）。

②第二部分：創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)。

步驟1：傳遞分層地址，創(chuàng)建有線節(jié)點(diǎn)、通信節(jié)點(diǎn)和中心路由（為基站節(jié)點(diǎn)）；步驟2：創(chuàng)建靜態(tài)的家鄉(xiāng)代理和靜態(tài)的外地代理節(jié)點(diǎn)；步驟3：創(chuàng)建移動節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置節(jié)點(diǎn)位置與移動軌跡的參數(shù)（移動時間、移動位置）。

③第三部分：配置節(jié)點(diǎn)。

步驟1：設(shè)置有線節(jié)點(diǎn)相對于基站的位置，創(chuàng)建有線節(jié)點(diǎn)和基站間的雙向鏈路（包括基站間）的帶寬以及發(fā)送延時，采用DropTail（隊(duì)尾丟棄算法）；步驟2：創(chuàng)建通信節(jié)點(diǎn)與移動節(jié)點(diǎn)之間的TCP連接；步驟3：設(shè)置代理節(jié)點(diǎn)位置。

④第四部分：配置模擬器參數(shù)。

步驟1：設(shè)置模擬開始時間；步驟2：配置結(jié)束程序；步驟3：執(zhí)行仿真。

運(yùn)行腳本后將會生成一個名為test.tr的文件，該文件是數(shù)據(jù)交換文件（trace文件），存儲模擬過程中的通信數(shù)據(jù)，由于實(shí)驗(yàn)采用有線域無線混用模擬，故存在兩種類型的數(shù)據(jù)交換文件，可在運(yùn)行后打開文檔，并參考技術(shù)文檔了解各個部分代表的參數(shù)值。針對不同的數(shù)據(jù)需要采用不同的數(shù)據(jù)類型。

（3）性能分析

①數(shù)據(jù)抓取。

awk是一種數(shù)據(jù)處理引擎。編寫awk文件可以從trace文件中提取所需要的數(shù)據(jù)，而使用繪圖工具Gnuplot描繪將數(shù)據(jù)畫為曲線。由于HA和gateway之間會發(fā)生消息傳遞，該信息是由MN通過FA訪問HA導(dǎo)致的，以HA收到的TCP消息為例子，以發(fā)生時間為橫軸，數(shù)據(jù)報(bào)序號為縱軸繪圖（如圖6）。

通過分析可知，在112s～113s及155s～165s之間存在中斷，經(jīng)查閱資料，得出是在切換過程中，存在一定的時延，導(dǎo)致了通信的中斷，這表明移動IP在進(jìn)行代理切換時存在時延的問題。

再通過對移動節(jié)點(diǎn)收到的TCP包和發(fā)送ACK包提取數(shù)據(jù)，以發(fā)生時間為橫軸，數(shù)據(jù)報(bào)序號為縱軸繪圖。

經(jīng)過分析，和圖6一樣，在112s～113s及155s～165s之間通信失敗。

通過對兩種trace文件的比對，發(fā)現(xiàn)在0～100s之間HA收到的TCP包為零，MN發(fā)出的ACK包和收到的TCP包在0～100s之間同樣沒有包的存在。經(jīng)過分析與查閱相關(guān)資料，得知這是由TCP的慢啟動特性導(dǎo)致的。

②分析計(jì)算。

丟包測試只分析整體的丟包率，需要計(jì)算發(fā)送（$1=s）和在等待隊(duì)列（$1=+）中的包數(shù)以及丟失（$1=D）的包數(shù)，二者之比即為丟包率。編寫相應(yīng)的awk文件并執(zhí)行后可得出丟包率。

上述兩個實(shí)驗(yàn)證明了移動IP代理切換過程會出現(xiàn)固有時延、丟包等問題，影響代理切換性能。在現(xiàn)實(shí)生活中，移動IP的部署情況和實(shí)驗(yàn)部署會有很大的不同，所面對的環(huán)境會更加復(fù)雜，由于設(shè)備之間距離遙遠(yuǎn)、設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備物理線路老化、設(shè)備故障等，移動IP的實(shí)際切換性能較之實(shí)驗(yàn)會受到更大的限制。

● 總結(jié)

移動IP這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于生活的方方面面，因此，移動IP技術(shù)已廣泛將會成為本科生移動通信教學(xué)的新熱點(diǎn)。然而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于移動IP代理的建立與切換所需要的設(shè)備多且成本高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建復(fù)雜等，移動IP教學(xué)實(shí)驗(yàn)存在很大困難。

為此，本文提出基于仿真技術(shù)的代理技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)案例。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，通過使用GNS-3和NS-2作為仿真工具，分別實(shí)現(xiàn)了移動IP代理切換所需的關(guān)鍵技術(shù)。通過性能分析等一系列實(shí)驗(yàn)，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，對高校移動通信專業(yè)領(lǐng)域的教學(xué)信息化建設(shè)具有良好的應(yīng)用價值。

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作者簡介：陳力鋒（1997—），男，福建連江人，陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班在讀本科生。胡曦明（1978—），男，漢族，四川南充人，畢業(yè)于鄭州信息工程大學(xué)國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，博士，現(xiàn)在陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院工作，講師；主要研究領(lǐng)域?yàn)榻逃畔⒒夹g(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。馬苗（1977—）女，漢族，山東聊城人，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，博士，現(xiàn)任陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院副院長，教授、碩士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)處理、智能系統(tǒng)等。李鵬（1981—），男，漢族，陜西扶風(fēng)人，畢業(yè)于北京師范大學(xué)，博士，現(xiàn)在陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院工作，講師、專業(yè)學(xué)位碩士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿佑?jì)算、教育技術(shù)。

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2016年度課題（SGH16H024）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（GK201503065）（GK201803082）；現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目（SYSK201501）；陜西師范大學(xué)非師范拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃2017年度項(xiàng)目；陜西師范大學(xué)2018年“教師教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐研究”專項(xiàng)基金項(xiàng)目（JSJX2018L126）。