基于仿真的移动IP代理技术实验教学研究

陈力锋 胡曦明 马苗 李鹏

摘要：针对移动互联网发展带来的移动IP技术教学改革需求，本文提出了基于仿真平台开展移动IP代理技术实验教学的教学设计，在此基础上详细研究了采用GNS-3平台进行移动IP代理建立实验和采用NS-2平台进行移动IP代理切换实验的教学案例，并实现了对移动IP通信过程的可视化和丢包率的量化实验，对高校移动通信专业领域的教学信息化建设具有应用价值。

关键词：移动IP；仿真；代理；实验教学

中图分类号：TP393 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）13/14-0159-06

● 引言

随着“互联网+”战略的推进[1]，移动互联网在经济社会的各个领域中发挥着越来越重要的作用[2]，如何培养适应实际应用需要的移动通信专业人才成为高校计算机教育领域关注的新热点。[3][4]

在开展移动通信教学改革过程中，实验教学成为其中的难点，因为传统的实验教学通常是在固定的专用场所，采用真实设备开展实验[5]，与计算机网络实验相比，移动通信所涉及的设备不再是价格低、占地小的计算机，而是价格昂贵、占地大的基站、天线等设备，如果仍然采用真实设备开展移动通信课程实验必然存在成本高、场地大和维护难等实际问题[6][7]，不适用于高校的教育应用领域。

仿真实验因其具有成本低、逼真度高和操作复杂度低等特点[8][9]，已经在高校实验教育教学的改革中得到广泛应用。利用仿真技术来开展移动通信类课程实验教学，通过信息技术支撑教学模式创新，由学生自带设备[10]进行实验的环境搭建、结果数据分析等操作，将会极大地调动学生的学习积极性，培养学生的动手操作能力，提高探究型人才的质量。

● 移动IP与代理技术

1.移动IP

移动IP技术使得用户接入外地网络能够不改变其原有的IP地址配置，即可保持原有网络的应用不被中断。[11]移动IP由移动节点（Mobile Node，MN）、家乡代理（Home Agent，HA）、外地代理（Foreign Agent，FA）三个部分组成，通过互联网进行连接（如上页图1）。

2.代理的建立与切换

移动IP技术为实现用户异地接入原有网络的功能，必须依赖于移动IP的代理技术。移动IP的代理技术又可以分为代理的建立与切换。

移动IP的建立过程可概括为：①移动节点利用代理搜索功能检测是否处于漫游状态，并获得转交地址；②移动主机向家乡代理注册；③家乡代理收集发给移动节点的IP分组，通过隧道将分组发给移动主机[12]（如上页图2右侧）。

移动IP的代理切换即获得最新的转交地址，向家乡代理重新注册的过程[13]（如上页图2左侧）。代理切换会向外地发送切换请求并中继到家乡代理并注册以实现切换。代理切换能够保证原有网络的应用不会由于移动到其他网络而被中断。

● 教学设计

根据对移动IP原理及其代理的建立与切换的工作过程分析，可以发现移动IP技术是移动IP性能指标的重要组成部分。然而其工作过程相对复杂，涉及到所需要的仪器设备较多，如果采用传统的实验教学方式，依靠实际情况来实现以上技术，则存在场地、实验仪器受限的问题，如设备成本高昂、配置复杂等。因此，笔者基于仿真实验平台提出了一种模块化的移动IP代理建立与切换的教学实验设计。实验流程如图3所示。

进行移动IP的代理切换试验需要两个部分，一是代理的建立，二是代理切换的实现。本实验使用模块化的设计方案，改变了传统的先建立后切换的实验流程，提高了实验教学的针对性。

仿真实验平台可以采用GNS-3与NS-2。为了取得更好的实验效果，达到实验目的，笔者主要对采用Wireshark抓包工具分析移动IP代理的连通性进行分析，在此基础上可以进一步对协议进行分析，有利于课堂教学的拓展。对于代理切换的性能指标，之所以选择网络延迟与丢包率，是因为二者是代理切换通信质量的重要指标。通过仿真实验工具，提取实验过程中产生的通信数据，通过数据分析工具得出延迟的指标，并计算得出丢包率。

● 教学案例

1.代理建立

（1）环境搭建

实验环境由GNS-3模拟器实现，分为家乡链路，模拟家乡代理部分；外地链路，模拟外地代理部分；通信链路，模拟与主机间的通信（如图4）。

（2）实验配置

①配置IS路由器。该路由用来实现互联网的拓扑，充当中间路由，连接其他各个路由。配置各个端口的IP地址；开启OSPF协议，设置为区域1（如表1）。

以上命令只给出一个接口的配置以及OSPF的配置。

②配置CN路由器。该路由用来实现通信节点，与移动主机进行通信。配置各个端口的IP地址；开启OSPF协议，设置为区域1（如表2）。

③配置HA路由器。该路由用来实现家乡代理。为移动主机截获分组，并把分组传送到移动主机最新位置。配置各个端口的IP地址；开启OSPF协议，设置为区域1；开启移动路由功能；开启家乡代理服务；创建虚拟网段192.168.100.0；将192.168.100.1-192.168.100.10添加至192.168.100.0网段下；设置192.168.100.1作为主机地址，并开启加密，加密为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。该路由用来实现外地代理。帮助移动主机实现移动检测，为移动主机提供服务。配置各个端口的IP地址，开启OSPF协议，设置为区域1；开启移动路由功能；在端口f1/0模式下，開启ICMP路由器发现协议与移动IP外地服务功能（IRDP功能），设置最大通告时间为4s，设置最小通告时间为3s，设置持续时间为9s；开启外地服务功能；将外地代理端口设置在f1/0端口下（如表4）。

⑤配置MN路由器。该路由用来实现移动节点。能够在不改变IP地址的情况下进行通信。配置一个环回地址，为主机名（192.168.100.1）；配置各个端口的IP地址；开启OSPF协议，设置为区域1；开启移动路由功能；在端口f0/0开启路由漫游功能；配置主机地址与家乡代理地址；对家乡代理地址进行加密，加密内容和HA加密内容一致，否则无法正常通信（如下页表5）。

（3）性能分析

对MN进行抓包。先暂停FA，抓取以MN上f0/0接口为源的MN-FA链路上的数据报文，开启FA，得到注册请求报文、注册应答报文以及代理通告报文。其中主机地址、家乡代理、外地代理、转交地址等均符合实验配置，移动IP代理成功建立。通过报文可以得知移动代理连接建立。抓包实验中还抓到其他类型的报文，包括ICMP报文，该报文为Mobile IP Advertisement，即代理通告报文，说明MN建立连接后仍然主动进行代理寻找，也可以证明通信成功。

实验证明了移动IP的代理建立是通过FA与HA之间建立起通信的，缺少了FA将无法建立连接，因而代理的建立是十分重要的，是移动IP能否顺利运行的关键。

2.代理切换

（1）环境建立

实验环境由NS-2模拟器实现，移动节点在移动过程中将会在家乡代理、外地代理之间进行切换，且通过无线链路进行通信（如下页图5虚线框内所示）。程序会自动将所收到的数据信息储存起来，以便进一步分析。

（2）关键步骤

编写Otcl文件脚本文件是实现NS-2仿真模拟的重要部分，该仿真实验可参考NS-2相关文献[14][15][16]的无线有线混合模拟。脚本程序可分为四个部分：

①第一部分：基本配置。

步骤1：配置网络选项，如设置模拟的开始结束时间、设置节点数等，创建实验实例；步骤2：应用层次化路由，将路由分为域和子域；步骤3：设置追踪文件信息（如表6）。

②第二部分：创建节点。

步骤1：传递分层地址，创建有线节点、通信节点和中心路由（为基站节点）；步骤2：创建静态的家乡代理和静态的外地代理节点；步骤3：创建移动节点，并设置节点位置与移动轨迹的参数（移动时间、移动位置）。

③第三部分：配置节点。

步骤1：设置有线节点相对于基站的位置，创建有线节点和基站间的双向链路（包括基站间）的带宽以及发送延时，采用DropTail（队尾丢弃算法）；步骤2：创建通信节点与移动节点之间的TCP连接；步骤3：设置代理节点位置。

④第四部分：配置模拟器参数。

步骤1：设置模拟开始时间；步骤2：配置结束程序；步骤3：执行仿真。

运行脚本后将会生成一个名为test.tr的文件，该文件是数据交换文件（trace文件），存储模拟过程中的通信数据，由于实验采用有线域无线混用模拟，故存在两种类型的数据交换文件，可在运行后打开文档，并参考技术文档了解各个部分代表的参数值。针对不同的数据需要采用不同的数据类型。

（3）性能分析

①數据抓取。

awk是一种数据处理引擎。编写awk文件可以从trace文件中提取所需要的数据，而使用绘图工具Gnuplot描绘将数据画为曲线。由于HA和gateway之间会发生消息传递，该信息是由MN通过FA访问HA导致的，以HA收到的TCP消息为例子，以发生时间为横轴，数据报序号为纵轴绘图（如图6）。

通过分析可知，在112s～113s及155s～165s之间存在中断，经查阅资料，得出是在切换过程中，存在一定的时延，导致了通信的中断，这表明移动IP在进行代理切换时存在时延的问题。

再通过对移动节点收到的TCP包和发送ACK包提取数据，以发生时间为横轴，数据报序号为纵轴绘图。

经过分析，和图6一样，在112s～113s及155s～165s之间通信失败。

通过对两种trace文件的比对，发现在0～100s之间HA收到的TCP包为零，MN发出的ACK包和收到的TCP包在0～100s之间同样没有包的存在。经过分析与查阅相关资料，得知这是由TCP的慢启动特性导致的。

②分析计算。

丢包测试只分析整体的丢包率，需要计算发送（$1=s）和在等待队列（$1=+）中的包数以及丢失（$1=D）的包数，二者之比即为丢包率。编写相应的awk文件并执行后可得出丢包率。

上述两个实验证明了移动IP代理切换过程会出现固有时延、丢包等问题，影响代理切换性能。在现实生活中，移动IP的部署情况和实验部署会有很大的不同，所面对的环境会更加复杂，由于设备之间距离遥远、设备数量多、设备物理线路老化、设备故障等，移动IP的实际切换性能较之实验会受到更大的限制。

● 总结

移动IP这项技术应用于生活的方方面面，因此，移动IP技术已广泛将会成为本科生移动通信教学的新热点。然而在实验教学中，由于移动IP代理的建立与切换所需要的设备多且成本高、实验环境搭建复杂等，移动IP教学实验存在很大困难。

为此，本文提出基于仿真技术的代理技术实验教学设计和教学案例。在教学设计中，通过使用GNS-3和NS-2作为仿真工具，分别实现了移动IP代理切换所需的关键技术。通过性能分析等一系列实验，取得了较好的实验效果，对高校移动通信专业领域的教学信息化建设具有良好的应用价值。

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作者简介：陈力锋（1997—），男，福建连江人，陕西师范大学计算机科学学院创新实验班在读本科生。胡曦明（1978—），男，汉族，四川南充人，毕业于郑州信息工程大学国家数字交换系统工程技术研究中心，博士，现在陕西师范大学计算机科学学院工作，讲师；主要研究领域为教育信息化技术、计算机网络技术。马苗（1977—）女，汉族，山东聊城人，毕业于西北工业大学，博士，现任陕西师范大学计算机科学学院副院长，教授、硕士生导师；主要研究领域为数据处理、智能系统等。李鹏（1981—），男，汉族，陕西扶风人，毕业于北京师范大学，博士，现在陕西师范大学计算机科学学院工作，讲师、专业学位硕士生导师；主要研究领域为移动计算、教育技术。

基金项目：陕西省教育科学“十三五”规划2016年度课题（SGH16H024）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（GK201503065）（GK201803082）；现代教学技术教育部重点实验室开放课题资助项目（SYSK201501）；陕西师范大学非师范拔尖创新人才培养计划2017年度项目；陕西师范大学2018年“教师教学模式创新与实践研究”专项基金项目（JSJX2018L126）。