基于Mobile IP 有线无线混合网络模拟（论文）

目录

引言 ........................................................................................................... 1 1 移动IPv4 ............................................................................................ 2

1 TCP/IP协议 .............................................................................................................................. 2

1.1.1 IPv4协议的特点 ........................................................................................................ 2 1.1.2 移动IPv4协议的提出 ............................................................................................... 3 1.2 移动IPv4协议 ...................................................................................................................... 4

1.2.1 移动IPv4解决的问题 ............................................................................................... 4 1.2.2 移动IPv4应用的范围 ............................................................................................... 5 1.2.3 移动IPv4的设计要求与目标 ................................................................................... 5 1.2.4 移动IPv4的基本内容 ............................................................................................... 5 1.2.5 移动IP的协议概述 ................................................................................................... 7

2 NS-2的基本介绍 ............................................................................. 10

2.1 NS-2概要 ............................................................................................................................ 10 2.2 NS-2的目录结构 ................................................................................................................ 10 2.3 NS-2网络模拟方法 ............................................................................................................ 11 2.4 Nam概要 ............................................................................................................................. 12 2.5 Trace概要 ............................................................................................................................ 12 2.6 awk概要 .............................................................................................................................. 12 2.7 gnuplot概要 ........................................................................................................................ 13

3 基于Mobile IP有线无线混合网络模拟 ........................................ 14

3.1 有线无线混合模拟的层次化地址设置 .............................................................................. 14 3.2 创建移动节点 ...................................................................................................................... 15 3.3 移动节点的运动 .................................................................................................................. 15 3.4 配置节点 .............................................................................................................................. 16

3.4.1 配置无线节点 ........................................................................................................... 16 3.4.2 配置基站节点 ........................................................................................................... 17 3.5 基于Mobile IP 有线无线混合网络模拟实例 ................................................................... 17

3.3.1 纯无线网络模拟 ....................................................................................................... 17 3.3.2 无线＋有线网络混合模拟 ....................................................................................... 18

4 总结 ................................................................................................... 20 附录1 ...................................................................................................... 21 附录2 ...................................................................................................... 26 致谢 ......................................................................................................... 27 参考资料 ................................................................................................. 28

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引言

随着Internet国际互联网以惊人的速度发展，人类生活节奏的加快，越来

越来的人成为移动办公的一分子，包括远程计算人员、移动售货人员以及其他一些经常需要跑来跑去的人。这些人急切地需要在任何地点、任何时候都能获得Internet网络的服务。不断增加的人群、移动计算技术的发展和人们对网络技术越来越强的依赖，这3方面一起推动着将移动计算机与其他计算机相连的要求，包括与固定的和移动的计算机相连。这使得提供移动的Internet接入成为当前Internet技术研究的热点之一。

由于IPv4协议原本是为固定有线网络设计开发的，缺乏移动性的有效支持，因此，IETF（互联网任务工程组）提出了移动IPv4协议，对IPv4协议栈进行了扩充。移动IPv4协议实现了让人们在任何地点都可以随时连接Internet。它的主要设计目标是移动节点在改变网络接入点时，不必改变网络的IP地址，能够在移动过程中保持通信的连续性。然而，移动IPv4所采用的移动性管理方案存在许多不足，主要表现在切换的性能不高，信令开销过大，切换时延太长，切换中的质量难以保证，同时也存在安全性问题。目前，针对这些问题，学术界和工业界正在研究如何对移动IPv4技术进行扩展和优化，这对下一代移动Internet目标的实现至关重要。

NS-2是目前通信网络领域一个非常流行的模拟软件，在国际上被广泛使用。NS-2是一个免费的软件，在学习和研究中使用该软件，不需要支付昂贵的费用。同时，它具有强大的模拟功能，丰富的网络协议组件。使用NS-2进行通信网络协议的学习和研究，已经成为一个潮流。但是，由于NS-2是开放源代码的免费软件，文档资料繁杂，并采用OTcl和C++两种程序设计语言，因此，学习起来困难较大。

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1 移动IPv4

1 TCP/IP协议

互联网是通过一套规则或协议来保证不同类型的计算机网络实现相互通信的，其核心就是著名的TCP/IP协议。TCP\\IP协议的中文含意分别是传输控制协议（TCP）和网际协议(IP),它是在 1983年在互联网的前身ARPANET上使用并成为标准的通信协议。所谓通信协议就是为了使网络中不同设备能相互进行正常的数据通信，而预先制定的一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。TCP/IP协议几乎就是互联网的代名词，没有TCP/IP协议，就没有今天的互联网。下面将介绍TCP/IP协议的内容。 1.1.1 IPv4协议的特点 1）IPv4协议格式

IPv4分组由报头和数据区两部分组成，每部分的格式如图1.1所示： 版本号 头标长 标识符 生存时间 协议 源IP地址 目的IP地址 选项 数据 填充域 服务类型 标志 总长度 片偏移量 IP分组头校验和 图1.1 IPv4头标

（1）版本号：版本号占4位，所有的IP软件都要检查IP分组的版本号，若版本不同则需要转换，以保证IP分组的格式与软件期待的一致。

（2）头标长：在IP分组的包头中，任选项和填充项是不固定的。头标的长度以行计算，在5～15行之间，占4位。

（3）服务类型：描述IP分组所希望获得的服务质量，占8位。 （4）总长度：占16位，即允许最长的IP分组为65535字节。

（5）标识符ID：ID是源主机赋予IP分组的标识号。同一源主机所发出的各IP分组有惟一的标识。占16位。 （6）标志：占3位。

（7）片偏移量：占13位，用以标明当前段片在初始IP分组中的位置，目的主机可以根据它来重新组合IP分组。

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（8）生存时间：占8位，最大值为255，缺省值为64，单位为妙。

（9）协议：协议段占8个字节，用以标识接受的IP分组中的数据的高层协议。 （10）IP分组头校验和：占16位，用以保证IP分组报头的完整性。 （11）源地址：占32位。 （12）目的地址：占32位。

（13）任选段：用于存放安全保密、报文经历等信息，其长度可变。 （14）填充段：IP分组头长必须是4字节的整数倍，它就是用来作保证的。 2）IPv4编址方案

（1）物理地址：计算机的物理地址是指分配给网卡的地址。此地址在网卡的生产过程中就被固定在卡上。有些网卡被称为可配置卡，它的地址可变。以太网的硬件地址也称为介质访问控制（MAC）地址，在以太网环境中，MAC地址与硬件地址可互换使用。

（2）IPv4地址：IP协议提供整个Internet通用的地址格式。为了确保一个IP地址对应一台主机，网络地址由Internet注册管理机构信息中心分配，主机地址由网络管理机构负责分配。如图1.2所示，每个IP地址占用32位，有A、 B、 C、D和E五类，分别用0、10、110、1110和11110标识。如图1.2：

1 2 3 4 A类 B类 C类 D类

0 网络标识符7位 10 110 1110 主机编号24位 网络标识符14位 网络标识符21位 主机编号16位 主机编号8位 多点广播地址28位 E 类

11110 实验保留地址

图1.2 IPv4地址

1.1.2 移动IPv4协议的提出

传统的TCP/IP基于一个假定，即节点的IP地址唯一地标识节点在Internet上的接入点。因此，当节点拥有IP地址以后，必须位于其IP地址所标识的子网里，才可能正常地接受到发向该节点的数据包。而当节点移动到另一个子网时，要么改变其IP地址，使其前缀和所访问的新的子网相同，要么就是在路由器上添加主机路由来实现。而这两种方法都不可行，前者会导致上层应用程序的中断，而后者缺乏可扩展性。

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移动IPv4位于开放系统互连（OSI）参考模型的第三层，负责将数据包从源节点路由到目的地，中间穿过由链路、交换设备和路由器等构成的各种网络拓扑。主机和路由器则通过手工配置和动态路由协议获得到达网络上各个目的节点的路径。IP为Internet提供了路由能力。IP给所有节点（主机和路由器）分配逻辑地址，称为IP地址，每台主机的各个端口都分别有一个IP地址，端口是指节点与一条链路相连时经过的硬件和软件。IP地址包括网络前缀和主机部分，同一条链路上的所有主机通常由相同的网络前缀和不同的主机部分，这使得IP可以依据目的节点IP地址的网络前缀部分来进行路由选择，从而使路由器只需保存一条简单的网络前缀路由，而不必为每台主机保存一条单独的路由，这是Internet可扩展性的一个主要特点。

由于采用了网络前缀路由，如果节点从一条链路切换的到另一条链路而没有改变它的IP地址，那么它就不可能在新链路上接受到数据包。从理论上说，这可以采用特定主机路由（与网络前缀路由相对应）来解决。也就是说，每当主机移动时，就向许多台路由器传送特定主机路由，然而，这种方法在可扩展性、可靠性和安全性方面都存在问题。另一种方法是在数据链路层解决这个问题，这要求对每一种链路定义一种解决方法，而且数据链路层提供的移动能力在地理范围上受到限制。 1.2 移动IPv4协议 1.2.1 移动IPv4解决的问题

前面已经介绍过，全球互联网的可扩展性依赖于网路前缀路由，而不是特定主机路由，这要求接在同一链路上的IP地址具有相同的网络前缀部分。当节点从一条链路切换到另一条链路，它的IP地址的网络前缀部分不再与新链路的网络前缀相等。这样，网络前缀路由技术就没有办法将数据包发送到节点的新位置上。

前面也已提到对这个问题的解决方法——特定主机路由和改变移动节点的IP地址，这些方法不适于在全互联上提供节点的移动功能。特定主机路由技术存在可扩展性差、可靠性低和安全隐患大等问题，而节点在移动时改变IP地址又使链路切换使无法保持现有通信。

移动IPv4是一种在全球互联网上提供移动功能的方案，它具有可扩展性较高、可靠性较强和安全性较高等特定，并使节点在切换链路时仍可保持正在进行的通信。值得特别注意的是，移动IPv4提供了一种IP路由机制，使移动节点可以用一个永久的IP地址连接在任何链路上。

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1.2.2 移动IPv4应用的范围

移动IPv4协议适合于宏观移动的场合，即IP子网间移动；而对微观移动的支持则需要对移动IPv4协议加以扩展。所谓宏观移动，是指节点的移动跨越了不同的子网，而微观移动是指节点在小范围的一个子网里移动。在微观移动的场合，切换必须在很短的时间里完成。 1.2.3 移动IPv4的设计要求与目标

设计IPv4时有以下几个要求：

（1）移动节点在改变数据链路层的接入点后应仍能与互联网上的其它节点通信；

（2）无论移动节点连接哪个数据链路层接入点，它应仍能用原来的IP地址进行通信；

（3）移动节点应能与不具备移动IP功能的计算机通信；

（4）移动节点不应比互联网上的其它节点面临新的或更多的安全威胁。 设计IPv4时有以下几个目标：

移动计算和无线通信天生就是一对。笔记本电脑使计算不仅限于台式机，但有线的网络连接限制了它们的使用场合。一些无线网络使计算机在任何时间、任何地方都可以进行通信，但许多这种网络要么太贵要么太慢，或者是又贵又慢。包括移动IPv4在内，路由协议都要求在网络的各种节点间传送路由更新信息。为使移动IPv4能在无线链路上工作，使这些更新信息的数量和频率尽量减少是设计目标之一。

另一个设计目标是尽量简化移动节点软件，这可以增加使用移动IPv4的节点数目，特别是那些内存和处理能力受到限制的寻呼机、智能蜂窝电话、个人记事本以及笔记本电脑。

最后，前面已经提到，因特网已经认识到了IPv4地址的短缺问题，因此，移动IPv4的另一个目标是，尽量避免要求移动节点使用多个地址，或要求为移动节点准备一个大的地址空间。 1.2.4 移动IPv4的基本内容 1）移动IPv4的功能实体

移动IPv4网络中包含四种功能实体：家乡代理（HA）、外地代理（FA）、移动节点（MN）、对端节点（CN）。图1.3给出了移动IPv4的网络体系结构。

（1）移动节点（Mobile Node-MN）.是指从一个网络或子网链路上切换到另一

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个网络或子网的主机或者路由器。移动节点可以改变它的网络接入点，但不需要改变IP地址，并且使用原有的IP地址能够继续与其他节点通信。

（2）家乡代理（Home Agent-HA）。是指位于移动节点家乡链路（Home Link）上的路由器。当移动节点离开家乡网络时，它负责把发往移动节点的分组通过隧道转发给移动节点，并且维护移动节点当前位置的信息。

（3）外地代理（Foreign Agent-FA）。是指位于移动节点所访问的网络上的路由器，为注册的移动节点提供路由器服务。它接受移动节点的家乡代理通过隧道发来的报文，进行拆封后发给移动节点；对于移动节点发出的报文，外地代理提供类似默认路由器的服务。

（4）CN是与MN进行通信的节点，一个MN可能有多个CN。

图1.3 移动IPv4的网络体系结构

移动节点在家乡网路上申请一个长期的IP地址。这个家乡地址和家乡网络上固定主机的地址一样。当移动节点离开家乡网络以后，移动节点在外地网络将获得一个反映移动节点当前位置的转交地址。移动节点使用家乡地址作为发送数据包的源地址。 2）其他的常用术语

（1）代理通告。是一种特殊的路由通告消息。

（2）通信对端节点。是指除移动节点通信的对等实体，可简称为通信对端。它可以是移动节点或者位置固定的节点。

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（3）外地网络。是除移动节点家乡网络外的任何网络，也就是网络前缀与移动节点家乡地址与网络前缀不同的网络。 （4）移动代理。是指家乡代理或外地代理。

（5）家乡网络。是指与移动节点家乡地址具有相同前缀的网络。发往移动节点家乡地址的IP分组会被标准的IP路由机制转发到其家乡网络上。 （6）链路层。是指节点通信的载体，是网络层的下层。 （7）节点。是指主机或路由器。

（8）隧道。当一个数据分组被封装在另一个数据分组的载荷中进行传送时，所经过的路径。 1.2.5 移动IP的协议概述 1）移动IPv4协议中的三种功能

移动IPv4定义了三种功能，包括代理搜索、注册和隧道。

（1）代理搜索：代理搜索是MN确定它的当前位置、检查它是否移动了以及得到一个外地代理转交地址的方法。如果在MN的外地链路上没有外地代理，那么MN可以通过手工配置或通过DHCP（动态主机配置协议）得到一个配置转交地址。代理搜索通过HA和外地代理周期的发送代理广播消息来实现，代理广播消息是ICMP(因特网控制报文协议)路由器广播消息的扩展，MN也可以发送代理请求来要求在它当前链路上的代理立即发送一条广播。

（2）注册：注册是MN向它的HA通知它当前的转交地址的一种认证机制，也是MN在回到家乡链路上后注销转交地址的机制。MN也可以通过注册过程得到它的HA的地址。注册请求消息是由MN发往它的HA的，途中可能会经过外地代理。HA通过向MN回答一条注册应答消息来通知MN对它的请求的处理——接受或拒绝。注册应答也可能经过外地代理。

（3）隧道：隧道技术是移动IPv4定义的第三种主要功能，是对数据包进行路由的特殊规程，尤其是对源或目的地是当前连接在外地链路上的MN的数据包。连接在家乡链路上的MN则和其它固定主机或路由器一样进行数据包的路由。隧道协议被用来向那些连接在外地链路上的MN传送数据包。要发往MN家乡地址的数据包先被路由到它的家乡链路上，这是采用网路前缀路由的必然结果。在家乡链路上，HA截获数据包，然后通过隧道将数据包送到MN的转交地址。在那里，数据包被从隧道中取出，然后送往MN。

在相反的方向，MN产生的数据包用它的家乡地址直接路由到它们的目的地。

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如果有外地代理，它将作为MN的默认路由器。从对端节点发往MN的数据包通常采用未经优化的路径，数据包先被送往MN的家乡链路，然后再经过隧道送往MN的当前位置上。要解决这个问题，必须让MN将它当前的转交地址送给各个对端节点。

2）家乡地址与转交地址 每个MN有两个地址：

（1）家乡地址：这是MN的CN所知道的MN的IP地址。当MN移动时，它的家乡地址是不变的。MN家乡地址的网路前缀与它的家乡链路上的节点的网络前缀是一样的。

（2）转交地址：MN将这个地址暂时作为从MN的HA发出的隧道的出口。 当MN在Internet上移动时，转交地址是会改变的。转交地址有两类：外地代理转交地址是有一个端口在MN当前链路上的那台外地代理的地址，而配置转交地址是暂时分配给MN某一个端口的地址。MN的转交地址、外地链路和外地代理是密切相关的。 3）移动IP协议的总体流程

移动IP协议大致包括以下流程：

（1）移动代理通过代理公布消息公布其存在，移动节点可以通过请求一个代理公布消息，或者接受到代理公布消息。

（2）移动节点通过代理公布消息后，可以确定是在家乡网络还是外地网路。 （3）如果移动节点发现自己在家乡网路，它将不运行移动程序。如果移动节点从外地网络回到家乡网络，它将取消在家乡代理上的注册。

（4）如果移动节点检测到它移动到了外地网络时，从外地网络上获取一个转交地址。

（5）移动节点和家乡代理通过交还注册请求与注册应答消息，通过外地代理在家乡代理上进行注册。

（6）到达移动节点的家乡地址的数据包被家乡代理截获，通过隧道传送到移动节点的转交地址。在隧道的末端，由外地代理或者移动节点自己解封后到达移动节点上的应用。

（7）在相反的方向上，有移动节点发送的数据包用标准的IP路由机制进行转发，不需要再通过家乡代理。如图1.4所示为移动IPv4的协议流程。

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图1.4 移动IP协议流程

图1.4中，“1”表示发往MN的数据包经过标准的IP路由机制被转发到HA。“2”表示数据包被HA截获，经过解封后，通过隧道转发到FA。“3”表示FA对数据包进行了解封装，并传递给MN。“4”是MN通过标准的IP路由机制把数据包转发给CN。

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#移动节点的地址应该和HA在同一个donmain $ns_ node-config -wiredRouting OFF

set MN [$ns_ node 1.0.1] set node_(0) $MN $MN label \

#设置移动节点的HA

set HAaddress [AddrParams addr2id [$HA node-addr]] [$MN set regagent_] set home_agent_ $HAaddress

#移动节点开始的位置 $MN set Z_ 0.0 $MN set Y_ 10.0 $MN set X_ 10.0

#设置移动轨迹

$ns_ at 50.0 \$ns_ at 100.0 \$ns_ at 150.0 \

#创建有线节点和基站节点的链路

$ns_ duplex-link $W(0) $W(1) 5Mb 2ms DropTail $ns_ duplex-link $W(1) $HA 5Mb 2ms DropTail $ns_ duplex-link $W(1) $FA1 5Mb 2ms DropTail $ns_ duplex-link $W(1) $FA2 5Mb 2ms DropTail

$ns_ duplex-link-op $W(0) $W(1) orient down $ns_ duplex-link-op $W(1) $HA orient left-down $ns_ duplex-link-op $W(1) $FA1 orient right-down $ns_ duplex-link-op $W(1) $FA2 orient right-up

#在MN和CN w(0)之间建立TCP连接 set tcpl [new Agent/TCP] $tcpl set class_ 2

set sinkl [new Agent/TCPSink] $ns_ attach-agent $W(0) $tcpl $ns_ attach-agent $MN $sinkl $ns_ connect $tcpl $sinkl

set ftpl [new Application/FTP] $ftpl attach-agent $tcpl

$ns_ at $opt(ftpl-start) \

#设置在NAM中的初始位置

for {set i 0} {$i < $opt(nn) } {incr i} { $ns_ initial_node_pos $node_($i) 10 }

$ns_ at $opt(stop).0 \$ns_ at $opt(stop).0 \$ns_ at $opt(stop).0 \

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$ns_ at $opt(stop).0002 \$ns_ at $opt(stop).0001 \

proc stop { } {

global ns_ mytrace mynamtrace close $mytrace close $mynamtrace

exec nam wiredcumwireless.nam & exit 0 }

puts \$ns_ run

附录2

1. gawk命令：$gawk’($7==”tcp”)‘ simple.tr >> tcp.tr 2. $awk –f test .awk tcp.tr > send.tr Test.awk程序如下:BEGING {}

{if $1==”s” printf(“%f %d|n”,$2,$6)} END{}

3. gnuplot命令如下：gnuplot > plot “ send.tr” 4.封包遗失率程序： BEGIN {

Drops =0; nums=0; lossrate=0; } {

action = $1;

if(action==\ nums++;

if(action==\ Drops++; }

END {

lossrate=fsDrops / numFs;

printf(\ printf(\}

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致谢

本课题的研究工作是在我的导师沈庆伟副教授的耐心指导下完成的，感谢几个月以来她对我的精心指导与帮助。在这学期近四个月的毕业设计过程中，沈老师一直以她严谨的治学态度、无私的奉献精神，教育并感染着我。老师的平易近人、诲人不倦，让我终身难忘。在此，我要向我的导师致以衷心的感谢和诚挚的敬意!

感谢本组其他同学几个月以来对我的帮助与支持，我们相互协作，共同面对难题，在此向他们表示感谢!

感谢本校所有老师四年以来对我的教育与栽培，感谢几年以来学校领导对我的关怀与帮助，同时也向所有帮助过我的所有人表示衷心的谢意！

最后，感谢我的家人多年来对我的支持与鼓励，他们无私的奉献与默默的支持永远是我前进的动力！

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参考资料

1. 徐雷鸣 等.NS与网络模拟.人民邮电出版社,2003. 2. 秦冀 等.移动IP技术与NS2模拟. 机械工业出版社,2006. 3. 史忠植 . 高级计算机网络. 电子工业出版社,2002. 4. 林闯 等.计算机网络的服务质量.清华大学出版社, 2004.

5. 李津生，洪佩琳 .下一代Internet的网络技术 .人民邮电出版社, 2001. 6．RFC2205 Resource ReSerVation Protocol (RSVP)--Version 1 Functional Specification September 1997.

7. RFC2209 Resource ReSerVation Protocol (RSVP)--Version 1 Message Processing Rules September 1997

8．ftp://ftp.sjtu.edu.cn/sites/cygwin.com/pub/cygwin/ 9．http://140.116.72.80/~smallko/ns2/

10. 周贤伟 等. 移动IP与安全..国防工业出版社，2005.

11. （美） James D.Solomon 著， 裘晓峰 等译 ，移动IP .机械工业出版社，1999. 12. 张基温. 计算机网络原理. 高等教育出版社，2003.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6mm7.html