王建璞+趙亞麗+占凌云

摘 要： 針對實驗過程中以太網(wǎng)傳輸?shù)膩G包問題，使用OMNEST進行仿真建模，利用精確的系統(tǒng)描述，復(fù)現(xiàn)所出現(xiàn)的問題，進行丟包和端到端時延的研究。通過仿真分析定位問題，發(fā)現(xiàn)ARPCache中目的地址的超時或定期清空導(dǎo)致故障發(fā)生。基于此問題提出解決方案，為解決問題提供支持。

關(guān)鍵詞： OMNEST； 丟包； 以太網(wǎng)； ARP解析

中圖分類號： TN911?34； TP393.11 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0016?04

0 引 言

在通信系統(tǒng)建立以及調(diào)試過程中，仿真建模實驗作為一種重要的支撐技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用。相對于實物調(diào)試試驗，使用仿真技術(shù)能夠更快、更多的遍歷問題出現(xiàn)的條件，為解決問題提供方案，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、模塊之間通過信號在通道上的傳輸進行通信、靈活的模塊參數(shù)和拓?fù)涿枋稣Z言。一個可執(zhí)行仿真程序一般由網(wǎng)絡(luò)描述語言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、也可以通過代碼生成網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及實現(xiàn)仿真結(jié)果的統(tǒng)計工作；配置文件INI，主要實現(xiàn)對模塊參數(shù)的配置，便于對仿真參數(shù)的更改；消息文件.msg，可以模擬傳輸過程中的事件、消息、包、幀等。

本文使用OMNEST離散事件仿真工具對以太網(wǎng)進行建模，建立以太網(wǎng)節(jié)點模型及其中心節(jié)點內(nèi)各分功能模塊模型，多個節(jié)點模型通過NED語言聯(lián)合組成最終的網(wǎng)絡(luò)模型。節(jié)點模型由應(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?2]。

1 以太網(wǎng)傳輸丟包問題分析

在進行某綜合試驗的過程中，使用千兆以太網(wǎng)通過交換機將主機與終端相連。在實際網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，由主機產(chǎn)生消息通過接入設(shè)備路由將消息分別傳輸給所有的終端。對系統(tǒng)進行調(diào)試中，主機上的綜合監(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)的過程中出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。經(jīng)分析，對出現(xiàn)問題的原因建立故障樹，如圖1所示。

通過對故障進行排查，排除了硬件和應(yīng)用軟件的問題。在主機和終端上分別安裝CommView抓包軟件，通過多次試驗，查看抓到的數(shù)據(jù)包發(fā)現(xiàn)出錯的現(xiàn)象相同，故障可復(fù)現(xiàn)。每次出錯時，數(shù)據(jù)包信息描述如下：

（1） ARP request方向為：本機→對端；

（2） IP分片方向為：本機→對端；

（3） ARP respond 方向為：本機←對端。

圖1 故障樹分析

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IP，源MAC為本機MAC，目的IP為對端IP，目的MAC為全“1”，意為廣播，這種形式的ARP包是在一臺主機的ARP列表中不含有可用項時發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)的ARP請求數(shù)據(jù)包；

IP分片方向通過查看數(shù)據(jù)包的大小、偏移量和MF標(biāo)志位，證實它是數(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IP片）；

ARP Respond方向數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容顯示它是一個標(biāo)準(zhǔn)的ARP應(yīng)答包。通過抓包分析猜測問題出現(xiàn)在ARP解析過程中，當(dāng)發(fā)送方主機ARPCache清空或者目的地址超時導(dǎo)致MAC目的地址不可用，就會發(fā)起ARP查詢時，故障出現(xiàn)。在故障樹中對應(yīng)于操作系統(tǒng)引起的故障。在連續(xù)試驗過程中，由于故障每隔10 min會出現(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進行仿真，實現(xiàn)由1臺主機向6臺終端通過路由器發(fā)送報文，對故障進行編碼設(shè)計具有ARPCache清空功能的ARP協(xié)議，通過參數(shù)設(shè)定，與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模塊進行比較定位問題。圖2所示為使用OMNEST搭建的仿真場景。通過對抓包結(jié)果進行分析，定位問題可能出現(xiàn)在ARP解析過程中。在每一次ARP解析時都會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且總是丟掉IP分片的前面6片，而發(fā)送最后一個分片。

基于以上分析，本文建立如圖3所示的節(jié)點模型，使用計算機體系結(jié)構(gòu)5層協(xié)議來模擬發(fā)送數(shù)據(jù)端[3]。應(yīng)用層為myapp，實現(xiàn)消息的產(chǎn)生，接收以及統(tǒng)計；傳輸層使用UDP協(xié)議，綁定端口號1 024；網(wǎng)絡(luò)層建立IP?ICMP?IGMP結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)IP分片以及差錯控制等功能；數(shù)據(jù)鏈路層建立myarp?encap?MAC結(jié)構(gòu)模型，myarp模塊實現(xiàn)地址的ARP解析模型，以及復(fù)現(xiàn)上述所定位的問題的編程實現(xiàn)，encap模塊實現(xiàn)仿真中上下層報文的發(fā)送控制，MAC模塊實現(xiàn)MAC地址的分配；最后通過1 000 MHz以太網(wǎng)發(fā)送。在消息的產(chǎn)生以及傳輸?shù)确矫?，通過上述方法建立的節(jié)點模型都與實際情況一致。

圖2 OMNEST仿真場景

圖3 節(jié)點模型

圖4為實現(xiàn)myarp模塊的編碼流程圖。參考計算機網(wǎng)絡(luò)ARP標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實驗的實際情況，本文設(shè)計具有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清空時間為t1，而對于每一個目的地址，在協(xié)議中有一個生存時間為t2，在t2時間內(nèi)使用過該目的地址則再延長一個生存時間，如果超過這個生存時間就會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，此模塊按照計算機網(wǎng)絡(luò)ARP標(biāo)準(zhǔn)建立。標(biāo)準(zhǔn)ARP模塊無法準(zhǔn)確描述實驗出現(xiàn)的問題，所以本文建立具有ARPCache清空功能的以太網(wǎng)模型。仿真實驗時，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)模型進行對比。分別對故障樹羅列情況進行仿真，得到仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行對比分析。

3.1 仿真參數(shù)

本文的仿真的參數(shù)都使用實物實驗時設(shè)定的參數(shù)值和實驗過程中實測的數(shù)據(jù)，以保證對系統(tǒng)的精確描述。

圖4 ARP編碼流程圖

表1 仿真主要參數(shù)設(shè)定

3.2 仿真結(jié)果及分析

使用具有ARPCache清空功能的以太網(wǎng)模型進行仿真，千兆網(wǎng)下各發(fā)報時間點所對應(yīng)的延時見圖5。

圖5 各發(fā)報時間點的延時情況

在10 s，20 s，30 s，40 s，70 s，100 s，440 s，530 s，570 s，600 s，620 s，630 s，670 s，730 s，740 s，900 s，940 s，1 200 s，1 210 s，1 230 s，1 280 s，1 380 s，1 510 s發(fā)生了丟包，其中10 s，20 s，30 s，40 s，70 s，100 s，600 s，620 s，630 s，670 s，730 s，740 s，1 200 s，1 210 s，1 230 s，1 280 s，1 380 s，1 510 s是由于ARPCache在每隔600 s進行一次清空導(dǎo)致的ARP查詢，而440 s，530 s，570 s，900 s，940 s則是由于超過120 s未使用ARPCache中對應(yīng)的目的地址過期導(dǎo)致的。其他時刻正常發(fā)出6個包，傳輸正常。

圖6為仿真過程中發(fā)生ARP查詢時，接收端應(yīng)用層收到的報文。從圖6中可看到，在ARP查詢時，接受終端收到的報文大小為724 B，正好是IP分片的最后一片。正常傳輸時接收端會收到7個IP分片，而在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，每進行一次ARP查詢在MAC層都只能收到兩個包，一個是ARP請求包，另外一個是IP分片，而在應(yīng)用層只能收到一個包，是IP分片的最后一片。

圖6 發(fā)出的報文情況

可以看出在ARPCache定時清空或目的地址超時發(fā)生的情況下，仿真可以復(fù)現(xiàn)實際以太網(wǎng)傳輸所出現(xiàn)的丟包問題。通過參數(shù)設(shè)定，將帶ARPCache清空的的節(jié)點與標(biāo)準(zhǔn)模型下的節(jié)點對故障樹對應(yīng)的各個問題進行仿真對比，結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出帶ARPCache清空的以太網(wǎng)模型發(fā)送端都發(fā)生了丟包，而使用標(biāo)準(zhǔn)ARP模塊的以太網(wǎng)模型的節(jié)點則沒有發(fā)生丟包。通過參數(shù)設(shè)定進行仿真分析發(fā)現(xiàn)試驗中的以太網(wǎng)丟包問題只和ARP查詢有關(guān)，所以可以在實際試驗中把問題準(zhǔn)確定位在ARPCache上。

3.3 機理分析

從仿真中可以看出當(dāng)ARP查詢時會導(dǎo)致丟包，而致使ARP查詢的原因是每隔600 s一次的ARPCache清空或者120 s每ARPCache內(nèi)的目的地址未使用而導(dǎo)致的地址過期。對于這兩個因素，在實際環(huán)境中進行驗證分析。

（1） 操作系統(tǒng)自動發(fā)起ARP查詢。在操作系統(tǒng)HKE_LOCAL_MACHINE/SYSTEM/CurrentControlSet/Services/ TcpIP/Parameters注冊列表下，保存了操作系統(tǒng)自動發(fā)起ARP查詢時間的鍵值。鍵值1：ArpCacheLife，類型為Dword，單位為s，默認(rèn)值為120；鍵值2：ArpCacheMinReferencedLife，類型為Dword，單位為s，默認(rèn)值為600；默認(rèn)情況下這些鍵值不存在，如需修改，則需自行創(chuàng)建。在默認(rèn)情況下，Windows Server 2003和Windows XP的ARP緩存中的ArpCacheLife表項僅存儲2 min，如果一個ARP緩存表項在2 min內(nèi)被用到，則其再延長2 min，直到最大生命周期10 min為止，超過10 min的最大期限后，ARP緩存表項將被移除，并通過一對ARP請求和ARP應(yīng)答來獲得新的對應(yīng)關(guān)系。綜上所述，當(dāng)ArpCacheLife小于ArpCacheMinReferencedLife的值時，ArpCacheLife表示未被使用的表項在ARP緩存中的生存時間，ArpCacheMinReferencedLife表示被重復(fù)使用的表項在ARP緩存中的生存時間，當(dāng)設(shè)置ArpCacheLife的值大于或等于ArpCacheMinReferencedLife時，則被使用和未被使用的表項的生存時間均為ArpCacheLife。

（2） 發(fā)起ARP查詢時僅發(fā)送最后一個IP片。在ARP協(xié)議源碼中，獲得與IP地址對應(yīng)的MAC地址由arpresovle函數(shù)完成。該函數(shù)的一個工作特點是：如果一個節(jié)點沒有一個有效的MAC地址就必須發(fā)送一個ARP請求，在發(fā)送ARP請求和接收ARP應(yīng)答之間，如果有多個發(fā)往同一目的IP地址的數(shù)據(jù)包即IP分片要發(fā)送，則只把最近一個IP數(shù)據(jù)包保留，而將其他的IP分片丟棄。

4 解決措施

通過對問題機理的分析，可以看出在發(fā)送有IP分片的數(shù)據(jù)包時，ARPCache清空所帶來的丟包就會發(fā)生，所以要解決這一問題就要從數(shù)據(jù)包大小和ARPCache清空兩個方面入手。本文提出5種解決措施，并指出每種措施的優(yōu)缺點，為實際應(yīng)用提供支持，見表1所示[4]。

5 結(jié) 語

本文使用OMNEST通信仿真軟件對以太網(wǎng)主機之間通信進行建模，對每個節(jié)點采用計算機網(wǎng)絡(luò)體系5層結(jié)構(gòu)進行精確仿真，使用C++編程實現(xiàn)每一個功能模塊，使模型與真實模型逼近。針對以太網(wǎng)丟包問題，本文先建立故障樹對故障進行理論分析，然后使用OMNEST建立具有ARPCache清空功能的節(jié)點模型，復(fù)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，精確定位問題，并結(jié)合仿真結(jié)果提出問題的解決方案。隨著通信仿真技術(shù)的發(fā)展，通信仿真手段越來越多的被用來解決工程問題。本文使用OMNEST對以太網(wǎng)丟包問題的描述和解決為后續(xù)同類工程問題的解決提供借鑒。

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