一个基于《组网技术》的自主学习系统的设计与实现

43农业信息化基于IPv6/IPv4双协议栈模式的网络设计与实现引言2012年2月，科技部、中组部、工信部批复河南省开展国家农村信息化示范省建设试点工作。

农村信息服务综合平台是示范省项目的重要环节，农村信息服务综合平台是全省农村信息资源统一发布和展示的窗口。

互联网络是综合平台的信息基础设施，向IPv6网络过渡是互联网发展的必然趋势，是解决IP地址枯竭、分配不均和骨干网路由表膨胀等阻碍互联网发展问题的关键技术。

建设农村信息服务综合平台的基础网络时，考虑兼容性前瞻性，提供IPv4和IPv6共存的网络环境，为各种应用系统和服务提供双协议支撑平台，保障农村信息服务综合平台安全可靠运行。

1 农村信息服务综合平台网络建设原则农村信息服务综合平台依托河南农业大学信息与管理学院，已经实现了IPv4网络的全覆盖，拥有用户主机近800台，是河南农业大学校园网的组成部分。

在已有网络基础上建设平台网络，建设目标如下：（1）按照CNGI示范网络驻地网建设总体需要和规定技术要求，建设IPv6网络，兼容IPv4，主机数达到600个以上。

（2）驻地网使用IPv6协议接入CNGI国家主干车银超 余 华 郑 光 孙昌霞（河南农业大学信息与管理科学学院，河南 郑州 450002）网。

（3）为接入用户提供技术支持，使用户主机灵活接入CNGI。

（4）为CNGI开展各项关键技术的研究、试验、产业化及农业信息化提供良好的试验环境和技术支撑。

（5）在应用方面，建设必要的IPv6内容资源，部署基于IPv6的DNS、WWW、FTP等服务，供用户使用。

在选择综合组网技术时，要重点考虑下列因素：（1）兼容性。

在建设IPv6网络时，不影响已有IPv4网络的运行，兼顾原有的IPv4应用和资源。

（2）扩展性。

组网技术能支持网络平滑升级到IPv6，能为将来更进一步的扩展、扩容与升级预留充分的空间。

（3）性能与安全。

在带宽、易用、安全、可靠、管理等方面应比原有网络有提升。

无人机自组织网络组网与接入技术的仿真设计与实现高思颖;毛中杰;李东;徐鹏杰;赵天鹤;周杰;俞晖【摘要】描述了面向无人机(UAV)自组织网络的组网技术和接入技术,提出了针对时延的改进接入技术,以增加一部分低优先级消息的时延为代价,降低另一部分高优先级的消息的时延.选择基于C++和Python语言的网络模拟仿真软件NS3作为开发平台,编程实现UAV自组织网络的接入和组网技术仿真.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(048)001【总页数】8页(P56-63)【关键词】无人机;自组网;接入技术;NS3;时延【作者】高思颖;毛中杰;李东;徐鹏杰;赵天鹤;周杰;俞晖【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;中国航天电子技术研究院空间电子工程中心,北京100094;中国航天电子技术研究院空间电子工程中心,北京100094;中国航天电子技术研究院空间电子工程中心,北京100094;中国航天电子技术研究院空间电子工程中心,北京100094;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN929.50 引言相比于长期演进(LTE)通信模式,自组网并不需要类似于基站的外部设施即可通信,因此自组网在构建小型无人机群组的通信网络中,具有重要地位.接入技术是将通信设备接入网络,实现通信设备间有效通信的技术.目前应用最为广泛的接入技术分为时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、空分多址(SDMA)和码分多址(CDMA)等.其中,TDMA接入技术将时间划分为周期性的超帧,再将超帧划分为若干时隙,分配给各用户传输.TDMA接入技术具有通信质量高、保密好、系统容量大等优点,但需要对其进行精确的定时和同步,才能保证其时隙分配的正确性.自组网技术具有良好的同步机制,并且可以获取在线用户数量,适用TDMA接入技术.PATIBANDLA等[1]通过统计在衰落信道环境下,网络负载非饱和时单跳无人机(UAV)自组网的时延数据,分析了采用经典IEEE 802.11 分布式接入协议模型的MAC协议系统时延性能.CAI等[2]提出了一种采用令牌环(token)方式的接入MAC协议,通过仿真验证了协议的有效性.韩海艳等[3]提出了在固定TDMA协议中加入竞争机制并考虑优先级,使协议性能有一定程度的提高.本文作者基于网络仿真软件NS3,编程实现了无人机自组网的组网过程和传输过程,仿真过程中采用的接入技术是在文献[3]所提出方法的基础上进行改进的,将改进方案的时延性能与原方案进行对比,结果表明:改进方案的时延性能更优.1 自组网网络架构自组网是由独立通信终端相互通信并自行建立连接的网络[4].自组网中各个终端都具有主机和路由器的功能.路由器功能执行路由协议,进行路由转发和路由维护的工作;主机的功能是运行面向用户的各种应用程序.自组网路由协议应具备快速、准确且高效的特点,需尽量在最短的时间内查找到准确的路由信息,同时由于自组网终端一般是可移动的,路由协议需要适应网络拓扑的快速变化.在自组网建网过程中,由于各终端实现的功能较多,需要考虑其硬件的计算能力、电源容量和存储空间等因素的限制,应选择合适的接入策略和路由协议,以尽可能降低网络开销[5].一方面,由于自组网中没有类似基站的中转设施,各节点的时间无法校准,为实现节点同步,需要选出其中一个节点作为簇头,其余节点以它为标准进行同步;另一方面,在自组网中节点的传输距离有限,一般需要通过多跳转发,才能将数据包发送到目的节点,随着网络规模增大,数据包的转发次数随之增加,所占用的资源会随之增加,构建及维护路由的开销也会随之增大,导致无线网络的稳定性下降.综上所述,为了解决自组织网络的可扩展问题,提出分层树状结构的跳频自组网通信网络架构.树状分层网络中,同时存在中心控制结构和分布式控制结构,每一层中有多个簇,每一簇中含有一个簇头节点和若干成员节点.同一簇内的节点可以直接或间接进行通信,而同一层中不同簇的成员节点根据相应簇头节点进行转发.2 系统设计无人机自组网是自组网中的一种特殊形式,除了一般自组网的多跳、无中心等特点,还具备一些独有的特点.(1) 高速移动模型.无人机具有很高的移动速度,这种高速移动将造成网络拓扑频繁变化,进而对网络结构稳定性和协议性能带来冲击.(2) 低密度分布.由于空域广泛,无人机活动范围极广,节点在空中分散分布,彼此间距离以公里计算,这种低密度的分布将对网络连通性带来冲击.此外,在现实中,无人机还需要与地面控制台、卫星、有人驾驶飞机等不同的平台建立通信连接,在这些情况下,节点之间存在不确定性,会导致网络的异构性.(3) 节点能量强及网络临时性明显.无人机上的通信设备由飞机提供空间和能量,这使得无人机自组网不需额外考虑节点计算能力和能量耗费问题.无人机一般用于执行特殊任务,运动规律性不强,飞行不确定性大,网络临时性非常明显.(4) 独特的网络目标.传统自组网的连接目标是对等的,无人机自组网也是如此,此外网络中还需要部分担任数据收集的中心节点,因此需要支持流量汇聚.网内可能存在多种传感器,传输的业务包括图像、音频、视频等,具有时延敏感性高、数据业务量大、数据类型多元化等特点,需要保证相应的通信质量.基于上述特点,进行无人机自组网的仿真系统设计,具体实现主要包括网络参数设计、组网过程、接入技术及路由过程4个方面.其中,网络参数设计基于具体场景要求,路由过程已经有具体实例可以参考,因此,程序设计主要分为组网过程和接入技术2个部分.2.1 组网技术仿真设计分簇组网流程包括4个阶段:1) 簇头节点向第一跳节点发送时间同步消息,第一跳节点收到消息后,将本地时间与簇头节点时间进行校准;2) 各跳节点向下一跳节点发送tod同步消息,发送方案与1相同;3) 从最大跳数处开始广播路由信息,并在簇头节点汇聚子网内所有节点的在线情况,本阶段的路由信息只针对一个节点所知的所有在线节点,不包括节点之间的连接关系;4) 簇头在线广播全部节点的信息,节点根据收到的数据包更新本地其余在线节点的信息.本系统中采用自同步方进行前两个阶段的网络同步,后两个阶段实现各节点通信,以获取网络信息与网络结构.图1 组网流程程序框图本系统设置了一个5节点、 4跳结构的网络,组网阶段程序流程图如图1所示.仿真系统中,设置4个频点,在每个发送频点上发送8 ms的tod消息,接收频点则循环接收2 ms的消息,共循环4次.当发送节点和接收节点完成一次频率对齐后,数据收发成功.组网过程中,节点的通信方式均为广播.该方式下,不需要发送具体的目的地址,只需要将其socket连接到广播地址,并设置socket允许广播.该socket发送的所有数据包,均可被其他socket监听到.2.2 接入技术仿真设计采用竞争性TDMA接入技术,将时间分割成周期性的帧,每一帧中分成若干个时隙,各通信设备只能在特定的时隙进行收发通信,在时间轴上不会相互冲突.竞争TDMA时隙分配方法在遇到传输消息不平衡的情况时,可以调节时隙分配情况,节省时间资源.竞争TDMA时隙分配方法的帧结构如图2所示.图2 竞争TDMA技术帧结构图2中,1个完整的TDMA时帧包含3个子帧:声明子帧、应答子帧和信息子帧.作为控制子帧,声明子帧和应答子帧用于交换节点的消息信息,信息子帧则用于传输数据消息.在发送消息时,声明子帧在其主时隙中发送一个ready to send(RTS)分组,其中包括需要发送消息的节点编号及消息量大小标志.经过一轮监听,各节点获取了以自身为中心,一跳范围内的节点消息情况.整合收到RTS信息的节点消息,生成一个clear to send(CTS)分组,其包含需要发送消息的节点编号及消息大小标志.对于发送消息量较小的节点,安排其在信息子帧中的主时隙内发送消息,其他消息不能竞争其时隙.对于消息量较大的节点,除了自身主时隙安排发送消息外,还可以竞争2跳范围内空闲节点的时隙.多节点竞争同一个时隙时,以节点的优先级决定占用该时隙的节点次序.对于没有消息发送的节点,则使其让出信息子帧中的主时隙,节点处于空闲状态.活跃节点在分配的时隙里依次发送消息,空闲节点处于监听状态,以接收其他节点发送消息的请求,直到消息发送完毕.图3 竞争TDMA程序框图图4 总体设计概念图在网络消息负载重的情况下,依次发送节点的数据包.安排数据包中优先级较高的消息在优先级较低的消息之前发送,以增加低优先级消息的时延为代价,大幅降低高优先级消息的时延.由于TDMA帧由相同结构的声明子帧、应答子帧、信息子帧组成,可以统一计算出TDMA帧的执行时间间隔,每隔该时间间隔执行一次TDMA过程,程序框图如图3所示.当节点需要发送数据包时,由于接入部分没有网络拓扑结构的信息,节点可能需经过几个中继节点的转发,才能将数据包发送到目的节点,此时就需要OLSR(optimized link state routing)协议的协助[6].OLSR协议是由经典链路状态算法优化而成的表驱动式路由协议,协议规定将待发数据包的目的地址传输给路由,而路由返回给节点实际发送的下一跳节点地址,节点将数据包发送到下一跳节点,由下一跳节点再与路由交互,进行转发直至到达目的地址.图3中,由MAC层发送本节点的IP地址和目的节点IP地址至路由层,路由层返回下一跳节点IP地址.查询各节点的队列长度,若存在不为0的情况,则判定消息没有发送完,仍需开启下一个TDMA超帧.3 仿真及结果分析本系统总体设计概念图如图4所示.图4中,构建网络场景主要包括:设置节点数,安装网卡及协议栈,设置信道类型,设置移动模型,安装应用层协议,设计网络的拓扑结构,并且依据信道衰减模型,计算相应节点间的距离.当网络仿真的各项模块添加完成后,启动仿真,下达组网指令,所有节点开始组网.组网完成后,开始传输过程,将数据包的目的地址传到路由层,路由层返回数据包下一跳的目的地址,完成交互.图5 系统框架图图6 节点拓扑图采用NS3网络仿真软件对系统进行仿真设计.NS3中,simulator(事件调度器)的机制原理是建立一张离散事件安排表,可以在特定的时间设置发生一个事件,该事件则按时间顺序被放置在离散事件安排表的固定位置.仿真开始后,系统依据离散事件安排表依次执行事件,整个系统共用一个离散事件安排表,表中的事件也可以调用simulator设置子离散事件安排表,子离散事件安排表包含于主离散事件安排表中,表中的起始时间是设置该子离散事件安排表的时间,所有事件均在该时间之后执行.traced call back(数据包追踪机制)的原理是采用回调机制,通过异步调用,实现消息的通知.异步调用即接口的服务在收到消息时,主动调用客户方的端口,进入回调函数.图5中,节点的通信由socket负责,socket是协议簇(TCP/IP)与应用层之间的软件抽象接口,socket发送一个数据包需要在其内部结构中进行层层转发,经过UDP、IP、网络传输层、物理层,并通过信道传输到另一个节点.本次仿真实验中,设置总节点数为5个,分布在3跳范围内.每个节点在一个时隙内最大发包能力为5,空闲时隙将分配给重业务量节点发送,若存在多个重业务节点则查找优先级表进行判断.节点的拓扑结构如图6所示.3.1 组网仿真结果下达组网指令后,5个节点由于开机时间不同,其时间未获得同步,如图7所示.图7 组网开始节点开机时间图组网过程开始后,执行时间同步操作,图8为组网第一阶段的仿真结果.图8中,1号簇头节点,每隔1 ms广播一次,一共广播了32 ms.2号节点作为1号节点的1跳邻居,在第2 ms时收到1号节点的tod消息.组网第二阶段是各跳节点依次向下一跳节点广播tod消息,结果与图7相似.时间同步完成后,各节点的时间如图9所示.组网第三阶段是由最后1跳节点向前1跳节点广播消息,该消息包含本地在线节点列表.前1跳节点收到后,更新自己的在线节点列表,并继续向之前节点广播消息.重复该操作,直到消息到达簇头.第三阶段结束后,各节点的在线节点列表如图10所示. 图8 组网第一阶段仿真结果图9 时间同步结果图图10 第三阶段节点在线列表图10中,1号簇头节点的在线节点列表显示所有节点均在线,最后一跳节点的在线节点列表显示只有自己在线,这与理论吻合.图11 第4阶段节点在线列表组网第4阶段是1号簇头节点广播本地节点在线列表,告知全网其他节点的在线情况,仿真结果如图11所示.图11中,网络中各节点均更新了本地在线节点列表,至此,组网过程结束.3.2 基于TDMA的竞争时隙技术仿真传输过程的网络仿真结果如图12所示.图12中,一个TDMA超帧开始后,1号节点有8个消息包需要发送.在声明过程中,1号节点广播RTS分组,2号节点收到RTS消息;在应答过程中,2号节点广播CTS分组,1号节点收到CTS消息.此时1号节点2跳范围内的节点已经获知了发送消息的需求,在传输阶段,1号节点除了在本时隙发送5个数据包外,还可以占用2号节点的时隙发送剩余的3个数据包.在仿真实验中,将高优先级业务插入到队头,并通过增加低优先级业务的时延,达到降低高优先级业务的时延.设计高、低优先级消息的数量比为1∶4,不同网络负载下仿真结果图如图13所示.图13中,横轴表示业务负载,即一个TDMA超帧内包含的消息量,纵轴表示数据包的平均时延.另外,设置高、低优先级消息数量比为1∶2下的仿真结果,如图14所示.图12 传输过程仿真结果图图13 高、低优先级消息数量比为1∶4条件下的时延仿真结果图图14 高、低优先级消息数量比为1∶2条件下的时延仿真结果图高、低优先级消息数量比为1∶1情况下的仿真结果图如图15所示.图15 高、低优先级消息数量比为1∶1条件下的时延仿真结果图图13～15中,在正常排队情况下,高、低优先级消息的平均时延几乎没有差别,而在采用改进方案后,高优先级消息的平均时延较之前有明显降低,低优先级消息的平均时延也没有显著增加.另外,随着高优先级消息数量占比的增加,改进方案中两种消息的平均时延均会增加,并且在消息负载增大时,相较正常排队方案的平均时延,改进方案中低优先级消息增加了更多的平均时延,这是由于大量高优先级消息插到低优先级消息之前,使得系统性能受到影响.因此,改进方案在网络中,在较少高优先级消息、较多低优先级消息的情况下,具备较好的系统性能.4 结论研究了面向UAV自组织网络的接入与组网技术仿真,并且在NS3网络仿真软件上实现了面向UAV自组织网络的通信系统,提出了一种针对时延的改进接入技术,通过仿真分析了改进前后的系统性能,结果表明:本研究的改进系统较原系统,具备更优的性能.但当前系统仍然存在着一些问题,如在接入技术方面,对于相同优先级之间的排队问题欠缺考虑.在未来的工作中,仍需进一步改进.参考文献:【相关文献】[1] PATIBANDLA S T,BAKKER T,KLENKE R H.Initial evaluation of an IEEE 802.11s-based mobile ad-hoc network for collaborative unmanned aerial vehicles [C]//International Conference on Connected Vehicles and s Vegas:IEEE,2014:145-150.[2] CAI Y,YU F R,LI J,et al.Medium access control for unmanned aerial vehicle (UAV) ad-hoc networks with full-duplex radios and multipacket reception capability [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(1):390-394.[3] 韩海艳,马林华,田雨,等.无人机编队中的自主定位与动态TDMA协议应用 [J].电光与控制,2012,19(9):29-32.HAN H Y,MA L H,TIAN Y,et al.Self-localization and application of dynamic TDMA in UAV formation [J].Electronics Optics and Control,2012,19(9):29-32.[4] ALSHBATAT A I,DONG L.Cross layer design for mobile ad-Hoc unmanned aerial vehicle communication networks [C]//International Conference on Networking,Sensing and Control.Chicago:IEEE,2010:331-336.[5] GOKTOGAN A H,NETTLETON E,RIDLEY M,et al.Real time multi-UAV simulator [C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei:IEEE,2003:2720-2726. [6] 郑伟明.OLSR路由协议研究及仿真 [D].成都:电子科技大学,2011.。

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计算机网络技术论文范文篇一《高职计算机网络技术专业建设问题分析》摘要：本文主要是分析高职院校计算机网络技术专业建设存在的问题，通过对计算机网络技术专业人才培养方向和目标、建设“双师型”教师队伍、建设以能力为标准的专业核心课程以及网络专业实验实训基地等方向的分析，对改革高职计算机网络技术专业建设具有一定的借鉴意义。

关键词：高职教育;计算机网络技术;课程体系改革0前言随着信息技术的高速发展，对计算机人才的需要在不断加大，然而，传统的计算机网络技术专业的生源呈直线下降趋势，人才供需市场出现矛盾，分析其根本原因主要是岗位需求与培养的人人不对接，市场需求的与实际专业定位的差别较大，专业方向不够明确，课程体现不够完善等都造成了高职院校专业的定位偏离社会需求，不具备明显的特色，学生的就业前景不清晰。

因此，如何让高职计算机网络技术专业更好地生存和发展下去，如何使计算机网络专业的毕业生更好地和市场需求接轨，如何更好地对计算机网络专业和课程体系进行建设，适应新的形势，从而培养出符合时代需求的新型高职计算机网络技术专业人才，成为高职院校值得研究的问题。

1目前计算机网络技术专业建设与发展存在的问题我国高职院校基本上都设有计算机网络技术专业，针对高职院校该专业发展过程中面临的问题进行分析：首先，教师问题。

一般的高职院校要求学生在两年左右时间的过程中要学会较为实用的技术，然而，大多数的高职教师都是直接从学校毕业进入到教师行列，没有进过企业锻炼学习，缺乏企业实践经验。

学校划拨经费不足也导致教师得不到下到企业锻炼的机会而且大多数企业也不愿意接收没有工作经验的教师下长厂实践。

这些都导致“双师型”教师队伍不足，进而成为影响计算机网络技术专业发展的障碍。

其次，校企合作简单。

《传感网应用开发》课程标准一、课程定位（一）课程基本信息课程代码：1501030适用专业：物联网技术应用专业学时数：80学分：4先修课程：电工技术、物联网技术概论、计算机网络技术后续课程：物联网综合设计与施工、APPInventor^局域网管理、网络服务器安装与配置（二）课程的性质《传感网应用开发》是我校物联网技术应用专业的专业核心课程之一，是该专业的一门必修课。

它是电工技术、物联网技术概论、计算机网络技术的延仰；是物联网综合设计与施工等课程的基础；根据专业教学标准，列入专业考试科目，也是物联网专业证书必修的课程。

（三）课程的理念本课程的基本价值取向是“为了每一个学生的发展”，以培养学生能力和素养为目标;根据本课程在专业教学中的作用地位，以“就业为导向，能力为本位”，以学生将来从事的职业岗位必备的相关知识和技术为依据，兼顾了企业和个人两者的需求，着眼于人的全面发展，即以培养全面素质为基础，以提高综合职业能力为核心。

转变教师的教学行为。

把激发和保持学生的学习热情和获得学习能力放在教学首位，发挥教师主导，学生主体为中心，创新行动导向教学模式，改变教学方法，重点培养动口、动脑、动手的实践精神和合作意识，保护和培养学生的好奇心与发现欲，帮助学生学会学习。

转变学生的学习方式。

引导学生自主探究、合作交流、搜集信息，发现、探究、解决问题，在逼真的生产实践环境和生产过程中，掌握科学方法和职业技能，养成职业道德和职业素养。

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注重构建平等、民主的师生关系，营造和谐、宽松的课堂气氛。

师生在平等的对话中进行活动，学生在愉悦的氛围中思考，获取知识。

教师成为学习和发展的促进者，与学生积极互动、共同提高的协作者，组织学生合作学习、探究学习的引导者。

发挥课程资源的作用。

教材不是唯一的教学资源。

积极开发和运用多元、立体、开放的教学资源，以其具体形象、生动活泼和学生能够亲自参与等特点，给学生多方面的信息刺激，调动学生多种感官参与活动，激发学生兴趣，使学生身临其境，在愉悦中增长知识、培养能力、陶冶情操。